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'*Vorrichtung zum Messen von Verdrehungen mechanischer Systeme" Für
die statische Messung der Verdrehung ist es bekannt, den Verdrehungswinkel zu messen
und aufgrund dieses Winkels und der eingeleiteten Kraft auf die Torsion zu schließen.
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Für dynamische Messungen hat man bislang einen Dehnmeßstreifen auf
die Welle geklebt. Verwendet man Dehnmeßstreifen, so muß man den Dehnungsmeßstreifen
über Schleifringe elektrisch anschließen. An der Übergangsstelle vom feststehenden
Schleifer zum sich drehenden Schleifring entsteht ein starkes Rauschen, das höher
sein kann als der Nutzsignalpegel. Die Schleifer und Schleifringe nutzen sich ab
und bei manchen Meßproblemen ist es schwierig, sie räumlich unterzubringen. Ein
Dehnmeßstreifen gibt nur Auskunft über das Verhalten des von ihm bedeckten Gebiets
und wenn man das Verhalten einer längeren Meßstrecke kennenlernen will, so sind
viele Dehnmeßstreifen notwendig. Dehnmenstreifen geben nur analoge Werte ab, so
daß man keinesfalls direkt auf einen Digitalrechner übergehen kann, sondern einen
Analog-Digital-Wandler benötigt.
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Indem man die Meßwerte des Dehnmeßstreifens mittels Telemetrie überträgt,
kann man das Rauschen der Schleifringsysteme vermeiden. Dafür hat man jedoch den
Nachteil, trägerfrequente,
mit dem Meßobjekt rotierende Schaltungen
schaffen zu müssen, deren Stromversorgung ebenfalls mitrotiert. Trotz Miniaturbauweise
hat man oft nicht den benötigten Raum dafür und man kann diese Systeme nicht rotationssymmetrisch
aufbauen, so daß Unwuchten in das mechanische System kommen können.
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Verwendet man die Dehnmeßstreifen auch dazu, plastische Verdrehungen
zu messen, so ist es grundsätzlich eo, daß bei Zerstörung der Welle, des Getriebes
usw. auch die bleßanordnung teilweise zerstört und damit wertlos wird.
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Schließlich hat das Verfahren mit den Dehnmeßstreifen den Nachteil,
daß man den Winkel nicht direkt messen kann und aus der eingeleiteten Kraft auf
das eingeleitete Drehmoment schließen muß.
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Es war auch bislang schwierig, die Reibarbeit, z.B. in Schlitzkupplungen
zu messen. Lan hat sich damit geholfen, dort Thermoelemente einzusetzen und zu messen,
wie sie sich erwärmen.
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Daraus wurde dann geschlossen, welche Energie in der Kupplung umgesetzt
wurde.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der
die obenerwähnten Nachteile behoben sind und mit der es ohne Zerstörung der Meßanordnung
möglich ist, wahlweise dynamisch oder statisch, elastisch oder plastisch Verdrehungen
zu messen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß
mindestens an der einen Seite einer interessierenden Meßstrecke ein winkelproportionaler,
die kleinste gewünschte Meßeinheit auflösender Impulsgeber vorgesehen ist, der einen
sich mit dem System drehenden Teil und einen feststehenden Teil aufweist, daß eine
Drehsinn-I3estimmungsvorrichtung vorgesehen ist, daß ein in seiner Stellung von
der Drehsinnflestimmungsvorrichtung abhängig umsteuerbarer, zwei Ausgänge aufweisender
Umschalter vorgesehen ist, dessen einer Eingang das Signal des Impulsgebers führt,
daß einer der beiden Ausgänge je nach Stellung des Umschalters das Signal ebenfalls
führt und daß ein vorwärts oder rückwärts zählender Zähler vorgesehen ist, der entsprechende
Eingänge aufweist, an die die Ausgänge des Umschalters mindestens mittelbar angeschlossen
sind.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht des mechanischen Teils der Vorrichtung,
Fig. 2 ein Impulsdiagramm für eine erste Drehrichtung, Fig. 3 ein Impulsdiagramm
fiir eine zweite Drehrichtung, Fig. 4 ein fllockschaltdiagramm einer elektrischen
Auswerteschaltung, Fig. 5 einen Teil der Schaltung von Fig. 4 im Detail.
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An einer Welle 11 als Meßobjekt soll deren Verdrehung um die geometrische
Längsachse 12 gemessen werden. hierzu sind deren Enden drehfest mit Einspannvorrichtungen
13 verbunden.
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Wiederum drehfest mit diesen Einspannvorrichtungen 13 ist jeweils
eine Scheibe 14, 16 verbunden. Die Scheiben 14, 16 sind koaxial zur Längsachse 12
und in sich so steif, daß sie auch bei starken positiven oder negativen Beschleunigungen
als starr angesehen werden können und exakt die Bewegungen der Einspannvorrichtungen
13 mitmachen. Zu den Einspannvorrichtun gen 13 führen beiderseits koaxiale Antriebswellen
17, 18, die innerhalb des Meßbereichs als torsionsfest angesehen werden können,
d.h. gegenüber der Welle 11 praktisch nicht tordierbar sind. Die Antriebswellen
17, i8 werden von zwei hydraulischen Motoren 19, 21 angetrieben, die Momente M 1
bzw. M2 in die Antriebswellen 17, 18 einleiten. Das Gehäuse der Motoren 19, 21 ist
starr mit Fundamenten verbunden, die auch unter den größten, praktisch vorkommenden
Momenten nicht nachgeben. Es ist sehr darauf zu achten, daß diese Bedingungen der
festen VeranlierunS und Drehsteifigkeit sowie fester Verkeilung eingehalten werden,
da sonst ein T*il der Genauigkeit in der an sich möglichen hohen Auflösung verloren
geht. Beachtet man jedoch diese Bedingungen, so lassen sich ohne weiteres zusammen
mit den noch zu besprechenden Maßnahmen Einheiten von 0,5° anzeigen.
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Die Scheibe 14 hat Markierungen 22, die jeweils von 0,5 zu 0,5° verteilt
sind. In Fig. 1 ist dies ao gezeichnet, daß der Umfang der Scheibe 14 entsprechende
Felder trägt. Beim tatsächlichen Ausführungsbeispiel werden jedoch kleine Bohrungen
am Umfang der Scheibe parallel zur Längsachse 12 bevorzugt, weil schwarz-weiß-Markierungen
verschmutzen können.
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Ein fotoelektrischer Geber 23 umfaßt einen Licht erzeuger und einen
Lichtempfänger
und ist stationär dem Umfang der Scheibe i4 zugeordnet.
Das Ausgangssignal 24 des Gebers 23 entspricht dem Muster der Markierungen 22.
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Am Umfang der Scheibe 14 ist noch ein Hilfsgeber 26 vorgesehen, der
gleich aufgebaut ist wie der Geber 23. Winkelmäßig ist er jedoch zu diesem so versetzt,
daß die Impulse seines Ausgangssignals 27 um ein ganzes Vielfaches von 900 versetzt
erscheinen. Hieraus kann man den Drehsinn der Scheibe 14 ermitteln: Dreht sich die
Scheibe 14 in einer Richtung 28, die als positiv definiert wird, so hat an einer
Abfragestelle 29 das Ausgangssignal'27 immer dann einen positiven Wert, wenn das
Ausgangssignal 24 einen positiven Sprung machen wird. Dreht sich dagegen die Scheibe
14 gemäß Fig. 3 in der Richtung 31, die als negativ definiert wird, so hat an einer
Abfragestelle 29 das Ausgangssignal 27 inmer dann einen negativen Wert, wenn das
Ausgangssignal 24 einen positiven Sprung machen wird.
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Die Scheibe 16 weist genau gleiche Markierungen 32 an ihrem Umfang
auf, die bei,' Ausführungsbeispiel natürlch ebenfalls die Gestalt vonichaparallelen
Bohrungen haben können. Den Markierungen 32 ist ein stationärer fotoelektrischer
Geber 33 zugeordnet, der gleich aufgebaut ist wie der Geber 23. Sein Ausgangssignal
sieht gleich aus wie das Ausgangssignal 24 des Gebers 23 und ist zu diesem solange
Phasen-starr, als die Enden der Welle 11 gegeneinander nicht verdreht werden.
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In Figur 4 sind schematisch die Welle 11, die Scheibe 14, die Scheibe
16 sowie der Geber 23, der Hilfsgeber 26 und der Geber 33 zu erkennen. Die Signale
des Gebers 23 und des Jiilfsgebers 26 werden einer Rechts-Links-ntscheidungsvorrichtung
34 zugeführt. Erkennt die Vorrichtung 34 aus den oben erläuterten Kriterien, daß
die Scheibe 14 in der einen
Richtung läuft, so gibt die Vorrichtung
34 auf der Leitung 36 kein Signal ab, so daß der Umschalter 37 in seiner in Fig.
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4 gezeichneten Lage verbleibt. Läuft die Scheibe 14 dagegen in der
anderen Richtung, so schwenken die Zungen 389 39 um ihre Schwonkpunkte 41, 42 in
die gestrichelt gezeichnete Lage. In der ausgezogen gezeichneten Lage gelangen die
Signale des Gebers 23 auf die Leitung 43 und die Signale des Gebers 33 auf die Leitung
i, da die Zungen 38, 39 an den Kontakten 46, 47 anliegen. In der gestrichelt gezeichneten
Lage dagegen gelangen die Signale des Gebers 33 lediglich auf einen Blindkontakt
48 und wegen der Brücke 49 zwischen den Kontakt 51 und dem Kontakt 47 gelangen die
Signale des Gebers 23 auf die Leitung 44.
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Der Umschalter 37 wurde der Einfachheit halber als clektromechanisches
Bauelenent beschrieben. Beia bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Unschalter
37 Jedoch eine rein elektrische Baugruppe unter Verwendung von aktiven und passiven
Schaltelementen. Haben die Anstiegsflanken der Signale auf den Leitungen 43, 44
einen genügend großen Abstand, so gelangen beide Signale entweder über die Entkopplungsdiode
D 2 oder die Entkopplungsdiode D 12 über einen Umschalter 52 zu einen Yorwärts-Mickwärts-Zähler
53, dessen Vorwärtseingang an di. Leitung 54 und dessen Rückwärtseingang an die
Leitung 56 angeschlossen ist. Über die Leitung 57 steuern die Signale auf der Leitung
44 die Zunge 55 kurzzeitig um, so daß sie auf die Leitung 56 gelangen und den Inhalt
des Zählers 53 verrindern. von Signale über die Entkopplungsdiode D2, dann wird
der Umschalter 52 nicht betätigt und die Impulse gelangen auf die Leitung 54, weshalb
sie den Inhalt des Zählers 53 erhöhen. Der Zähler 53 gibt mit einer Zifferanzeige
58 seinen Inhalt us. Bein Ausführungsbeispiel ist sein Inhalt die Zahl 185. Da die
kleinste Meßeinheit 0,50 sind, entspricht sein Inhalt 92,5°. Danit ist angezeigt,
daß die Scheibe 14
zur Scheibe 16 um diesen Betrag verdreht ist.
Wird diese Verdrehung z.B. infolge Rückfederns kleiner, so kommen auf der Leitung
56 mehr Impulse an als auf der Leitung 54 und der Zählerinhalt erniedrigt sich.
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Um auch eine Analoganzeige zu erhalten, ist ein Digital-Analog-Umsetzer
59 vorgesehen, der ein analoges Ausgangssignal liefert.
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Die Vorrichtung gestattet natürlich auch, das eine Ende der Welle
11 unverdrehbar festzuhalten, so daß sich bei Verdrehungen nur die Scheibe 14 bewegt.
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Wenn die Flanken der Ausgangssignale der Geber 23, 33 einander auf
einige Mikrosekunden naherücken, dann kann der Zähler 53 nicht mehr richtig arbeiten,
weil er ja zum Vorwärts- oder Rückwärtszählen eine bestimmte Zeit benötigt. Der
Zähler 53 kann auch gleichzeitig auf der Leitung 54, 56 eintreffende Impulse nicht
verarbeiten.
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Wie. trotz nahe aneinanderliegender Impulse der Zähler 53 richtig
arbeiten kann, ist schematisch in Fig. 4 gezeigt.
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Es sei angenommen, daß der Impuls auf der Leitung 44 vor dem Impuls
auf der Leitung 43 kommt. Dieser Impuls gelangt über einen Umschalter 61 unverzögert
zur Entkopplungsdiode D 12 und damit auf den Zähler 53. Der Impuls auf der Leitung
44 schaltet gleichzeitig einen Umschalter 62 in seine gestrichelt gezeichnete Lage.
Kommt nun der spätere Impuls auf der Leitung 43, so schaltet er den Umschalter 61
ebenfalls um, was jedoch nichts bewirkt, da ja der Impuls auf der Leitung 44 schon
durchgelaufen ist. Dagegen bewirkt der Umschalter 62, daß der Impuls auf der Leitung
43 einer Speicher- und Verzögerungsschaltung 63 zugeführt wird, die diesen Impuls
solange speichert und verzögert, bis der Zähler 53 mit Sicherheit
den
voreilenden Impuls verarbeitet hat. Alsdann wird der Inhalt der Speicher- und Verzögerungsschaltung
63 geleert und auf die Entkopplungsdiode D 2 gegeben und gelangt somit zum Zähler
53.
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In Fig. 5 sind Teile dieser Schaltung im einzelnen herausgezeichnet.
Es wird ausdrücklich auf diese Figur wegen der hieraus ersichtlichen Verbindungen
unter den einzelnen Baugruppen und Bauelementen hingewiesen, die hier nicht gesondert
aufgezählt werden. Der voreilende Impuls gelangt an die Basis des Transistors T
14 und schaltet über das Differenzierglied C 4, R 4 den Transistor T 5 leitend.
Außerdem wird die monostabile Kippstufe MF 2 über C 2 und D lt in den labilen Bereich
gekippt und läßt über T 16 und R 10 den Transistor T 5 während der Kippzeit durchgesteuert.
Der voreilende Impuls gelangt über die Diode D 12 als erster Impuls am Zähler 53
an.
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Der nacheilende Impuls kommt an der Basis des Transistors T 4 an,
kann seinen Weg zur Diode D 2 jedoch nicht fortsetzen, weil er über dem leitenden
Transistor T 5 kurz geschlossen wird. Er steuert nun über ein Differenzierglied
C 1, R 5 über die Diode D 4 einen Speicher SP 1 an, der ein selbsthaltender, mitgekoppelter
Schmitt-Trigger ist. Dessen Ausgang wird nun auf positivem Potential gehalten, bis
er nach Ablauf der Zeitkonstante der Kippstufe MF 2 über T 1G, T 17 vom Transistor
T 18 gelöscht wird. Durch das Löschen des Speichers SP 1 wird nun der Transistor
T 9 leitend, was an seinem Kollektorwiderstand R 11 einen positiven Spannungssprung
verursacht. Durch C 5, R 13 differenziert, gelangt nun, um die Zeitkonstante von
MF 2 nacheilend, dieser Impuls über die Entkopplungsdiode D 3 in den Zähler 53.
Ist entgegen diesem Beispiel der Impuls auf dem unteren Kanal nacheilend gegenüber
dem Impuls auf dem oberen Kanal, so ist das Verhalten der
entsprechenden
Kippstufe MF 1 und des Speichers SP 2 sowie die Funktion der zugehörigen Bauelemente
analog dem vorher erläuterten Beispiel.
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Sind die Impulse an T 4 und T 14 zeitgleich, so werden sie nicht verarbeitet,
da die Transistoren T 5 und T 15 durchgesteuert werden und somit das Kippen von
MF 1 und }S 2 verhindern. Dadurch, daß MF 1 und MF 2 nicht kippen, werden auch die
Speicher SP 1, Sp 2 durch die Transistoren T 8 bzw. T 18 nicht freigegeben. Somit
werden also exakt zeitgleiche Impulse nicht zum Zähler 53 durchgelassen, was keinerlei
Fehlmessung bedeutet.