DE2435286A1

DE2435286A1 - Drehmomentmessgeraet

Info

Publication number: DE2435286A1
Application number: DE2435286A
Authority: DE
Inventors: Robert Henry Tenkman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-08-03
Filing date: 1974-07-23
Publication date: 1975-02-13
Also published as: FR2239678A1; GB1465734A; JPS5072677A; IT1017813B; BE818273A

Description

Dr. rer. nat. Horst Schüler 6 Frankfurt/Main ι, 22 j_uii 1974

_Λ . λ r» -κ «. λ Niddastraße 52 WK . /he . "ho

PATENTANWALT 2435286 Telefon (0611) 237220

Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M.

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27O1-13DV-6185

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 RIVER ROAD SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Drehmomentmeßgerät

Die Erfindung betrifft allgemein ein Drehmomentmeßgerät. Insbesondere betrifft sie ein Gerät zur Messung des Drehmomentes in einer Bauform, welche ein System von beabstandeten Zähnen besitzt, die um eine Drehmomentwelle zusammen mit einem einzigen beabstandeten Sensor (Meßfühler) angeordnet sind. Das Ausgangssignal des Sensors wird dabei in eine analoge Darstellung des an der Welle ausgeübten Drehmomentes umgewandelt.

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Drehmomentrneßgeräte der Bauform, wie sie kürzlich in der US-Patentschrift 3 5^8 649 beschrieben wurden, verwenden allgemein eine Drehmomentwelie mit zwei gezahnten Erregerscheiben (Induktor3cheioen), wobei die Zänne einer Erregerscheibe zwischen den Zähnen der gegenüberstehenden Erregerscheibe angeordnet sind. Eine der Erregerscheiben ist mit einem Ende einer Hülse verbunden, deren anderes Ende so mit der Welle verbunden ist, daß die Anwendung eines Drehmomentes auf die Welle eine Verdrehung der Welle und eine Phasenverschiebung zwischen den Sahnen, der Erregerscheiben bewirkt. Ein Sensor ist in enger Nachbarschaft mit den Zähnen so angeordnet, daß er jedesmal dann ein Ausgangssignal liefert, wenn sich einer der Zähne an dem Sensor vorbeidreht.

Es wird angenommen, daß das Ausgangssignal von dem Sensor eine Annäherung an eine sinusförmige Welle darstellt. Jede vollständige Periode dieser Welle ist dann repräsentativ für die Drehung eines Zahns an dem Sensor vorbei. Dabei deutet der Nulldurchgangspunkt der Periode die direkte Ausrichtung zwischen einem Zahn und dem Sensor an. Die ilulldurchgangspunkte werden ihrerseits in Impulse umgewandelt, die einen bistabilen Multivibrator triggern. Das Ausgangssignai desselben muß durch Dual-Integrationsverstärker integriert werden, da das Signal entweder einen positiven oder einen negativen Gleichspannungsanteil besitzen kann in Abhängigkeit von dem Zustand des Multivibrators bei dem Beginn der Drehung der Welle. Weiterhin muß ein Diskriminator vorgesehen werden, um den Höchstwert für die ausgangsseitige Absolutspannung der Dual-Integrationsverstärker festzustellen, um eine Analoganzeige des Drehmomentes zu liefern.

Die Nachteile des vorstehend beschriebenen Systems sind vielfältiger Art. Erstens ist der Vorschlag nach dem Stand der Technik bezüglich eines Ausgangssignals vom Sensor mit angenäherter Sinuswellenform und mit einem geringen oder keinem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Perioden für den Fall des Drehmomentes 0 nachteilig. Eine Vergrößerung des Drehmomentes wird dann

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eine Verschiebung aufeinanderfolgender Perioden der Sinuswelle ineinander bewirken und in der Gesamtauswirkung zu einer Verzerrung oder Verfälschung der Mulldurchgangspunkte führen. Wenn die Nulldurchgangspunkte verfälscht werden und nicht mehr die tatsächliche Ausrichtung zwischen entsprechenden Zähnen und dem Sensor anzeigen, dann ist es nicht mehr möglich, eine genaue Analoganzeige für das Drehmoment zu erhalten.

Ein weiterer Nachteil liegt in dem zusätzlichen Schaltungsaufwand, beispielsweise den doppelten Integrationsverstärkern und einem Gleichspannungsdiskriminator, Diese werden jedoch benötigt, da der Ausgangszustand des Multivibrators bei der Drehung der Welle nicht vorbestimmt werden kann und daher ein analoges Ausgangssignal geliefert wird, das entweder eine positive oder eine negative Gleichspannungskomponente besitzt. Wenn solche Drehmomentmeßsysteme für Gasturbinentriebwerke benötigt werden, dann vergrößert die Zufügung von doppelten Integrationsverstärkern und einem Gleichspannungsdiskriminator in unnötiger Weise die Kompliziertheit des Gesamttriebwerkes und kann daher die Zuverlässigkeit des Systems nachteilig beeinflussen.

Ein weiterer Nachteil, der ebenfalls für den Fall eines Gasturbinentriebwerkes besonders störend ist,, steht im Zusammenhang mit den Temperaturänderungen, denen die Drehmomentwelle beim normalen Betrieb unterworfen sein kann. Solche Änderungen in der Temperatur der Drehmomentwelie bewirken eine Änderung der Federkonstante der Welle, die ihrerseits die Phasenverschiebung zwischen den Zähnen für die gleiche Größe des Drehmomentes verändert. Die ausgangsseitige analoge Anzeige des Drehmomentes ist daher abhängig von der Temperatur der Drehmomentwelle und kann bei Veränderungen der Temperatur ungenau werden.

Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein einfaches und genaues Drehmomentmeßgerät zu schaffen, welches die vorstehend beschriebenen Nachteile der vorbekannten Drehmomentmeßsysteme überwindet.

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Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein Drehmomentmeßgerät zu schaffen, bei dem der Sensor und die einzelnen Zähne in besonderer Weise angeordnet sind, so daß eine Verfälschung der Nulldurchgangspunkte bei steigendem Drehmoment beseitigt ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Drehmomentmeßgerät zu schaffen, bei dem ein Multivibrator benutzt werden kann ohne Zufügung von doppelten Integrationsverstärkern oder eines Gleichspannungsdiskriminators.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Drehmomentmeßgerät zu schaffen, dessen Ausgangssignal relativ unbeeinflußt bleibt gegenüber Temperaturänderungen, welche die Federkonstante der sich drehenden Welle ändern.

Zusammengefaßt werden diese und andere verwandte Aufgaben erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Meßgerät für das Drehmoment einer Welle geschaffen wird, bei dem die Drehmomentwelle eine Vielzahl von umkreisförmig beabstandeten Zähnen an der Oberfläche besitzt. Benachbarte Zähne sind mit fester axialer Versetzung so mit der Welle verbunden, daß die Ausübung eines Drehmomentes auf die Welle eine Verdrehung der Welle und eine Änderung des Abstandes zwischen benachbarten Zähnen bewirkt. Ein Meßfühler mit variablem magnetischem Widerstand (Reluktanz) ist beabstandet zur Welle so angeordnet, daß er eine ausgangsseitige Signalwellenform erzeugt, welche die Zeitpunkte anzeigt, zu denen sich ein Zahn an dem Sensor vorbeidreht. Der Sensor oder Meßfühler enthält einen' Kern mit einem diesen umgebenden äußeren Gehäuse mit einer magnetischen Polarität, die entgegengesetzt ist zu der Polarität eines Polschuhs und daher den Sensor abschirmt. Hierdurch kann zu einer Zeit jeweils nur ein Zahn erfaßt werden und zwischen benachbarten Zähnen kehrt die ausgangsseitige Signalwellenform während eines begrenzten Zeitraumes auf eine Basislinie mit Nullpotential zurück.

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Es ist weiterhin ein Komparator enthalten. Dieser empfängt das Ausgangssignal vom Sensor und liefert eine ausgangsseitige Impulsfolge, bei der jeder Impuls dem Vorbeidrehen eines Zahns am Sensor entspricht. Ein bistabiler Multivibrator erhält dann die primäre Impulsfolge vom Komparator und ändert seinen Schaltzustand zwischen einem hohen und einem niedrigen Ausgangssignal beim Eintreffen jedes Impulses der Folge von Primärimpulsen,

Als nächstes erhält ein Gleichspannungsfilter das Ausgangssignal vorn Multivibrator und liefert ein Mittelwert-Gleichspannungsausgangssignal, das eine Analoganzeige des tatsächlich auf die Welle ausgeübten Drehmomentes ist.

Ein Komparator zur Voreinstellung erhält das Ausgangssignal von dem Gleichspannungsfilter und gibt ein voreingestelltes Eingangssignal zurück an den Multivibrator, unterbricht hierdurch die primäre Impulsfolge zum Multivibrator und bewirkt eine Änderung des Schaltzustandes des Multivlbrators zu einem vorbestimmten Schaltzustand. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß das Gleichspannungsmittelwert—Ausgangssignal vom Gleichspannungsfilter auf einer vorgegebenen Polarität bleibt unabhängig von dem Schaltzustand des Multivibrators bei Auslösung der Wellendrehung.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Die Figur 1 ist eine schematische Darstellung des Drehmomentmeßgerätes gemäß der Erfindung.

Die Fig. 2 zeigt die Signalwellenformen in verschiedenen Stufen des Drehmomentmeßgerätes nach Fig. 1, welche auf die Drehung einer Drehmomentwelle relativ zum Sensor bezogen sind.

Die Figur 3 zeigt eine Niederspannungsversorgungsquelle, die eine Kompensation des Drehmomentmeßgerätes nach Fig. 1

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en
bezüglich der Änderung/der Wellentemperatur ergibt.

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Figur 1 die bevorzugte Ausfünrungsform beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Drehmomentwelie 10, wie sie bei einem Gasturbinentriebwerk oder in anderen Maschinen verwendet werden kann. Sie besitzt eine Vielzahl von axial verlaufenden und umkreismäßig beabstandeten magnetischen Zähnen 12, die fest verbunden mit der Drehraomentwelle 10 angeordnet sind. Eine zweite Vielzahl von axial verlaufenden magnetischen Zähnen lh sind ebenfalls am Umkreis der Drehmomentwelie 10 so angeordnet, daß sie in den Zwischenräumen zwischen den Zähnen 12 liegen. Die zweite Vielzahl von Zähnen 14 sind radial von der Drehmomentwelle 10 beabstandet und einstückig oder integral mit Verlängerungen 16 verbunden, die ebenfalls radial von der Drehmomentwelle 10 beabstandet sind. Die Verlängerungen 16 erstrecken sich in axialer Richtung über die Länge der Zähne 10 hinaus und sind dann so mit der Drehmomentwelle 10 verbunden, daß eine leichte Verdrehung der Welle 10, wie sie sich beispielsweise bei Ausübung eines Drehmomentes auf die Weile ergeben kann, eine Änderung in den relativen Lagen der Zähne 12 und I²I zueinander bewirkt. Der Fachmann wird verstehen, daß die Verlängerungen 16 in Form einer zylindrischen Hülse untereinander verbunden sind, die von der Drehmomentwelle 10 beabstandet ist. Dabei ist ein Ende der Hülse an der Welle 10 befestigt und das gegenüberliegende Ende der Hülse ist integral mit der Vielzahl von beabstandeten Zähnen 14 gemäß der ausführlicheren Beschreibung in der US-Patentschrift 3 548 649 verbunden.

Ein Sensor 18 als Aufnehmer besitzt einen variablen magnetischen Widerstand und ist eng benachbart zu den Zähnen 12, 14 so angeordnet, daß er eine AusgangsweIlenform erzeugt, welche die Zeit-

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punkte anzeigt, zu denen sich einer der Zähne 12 oder 14 an dem Sensor 18 vorbeidreht. Der Sensor 18 enthält einen Magnetkern mit einem magnetisch weichen ferromagnetischen Polschuh 21, um den die Aufnehmerleitungen 15, 17 gewickelt sind und eine Spule bilden. An dem Polschuh ist ein Stabmagnet 23 mit einem Nordpol und einem Südpol befestigt. Um den Kern 20 herum kann ein zylindrisches Gehäuse 24 vorgesehen werden, um den Sensor 18 so abzuschirmen, daß zu irgendeinem Zeitpunkt nur ein Zahn 12 oder durch den Sensor erfaßt werden kann. Die 3edeutung dieses Gesichtspunktes wird noch aus der nachstehenden Erörterung ersichtlich. Das Gehäuse 24 kann ebenfalls aus einem magnetisch weichen, ferromagnetischen Material hergestellt werden, das magnetisch an das Südpolende des Stabmagneten 23 gekoppelt ist, um eine magnetische Südpolabschirmung um den magnetischen Nordpol des Polschuhs 21 herum zu erhalten.

Nachstehend wird Bezug genommen auf die Figur 2 in Verbindung mit der Figur 1. Die Figur 2 zeigt an dem Punkt B die ausgangsseitige Spannungssignalwellenform vom Sensor 18 in ihrer Korrelation zum Vorbeidrehen der Zähne 12 und 14 am Sensor 18. Es ist leicht ersichtlich, daß jedesmal dann ein Impuls 19 erzeugt wird, wenn sich einer der Zähne 12 oder 14 am Sensor 18 vorbeidreht. Jeder Impuls 19 enthält einen negativ verlaufenden Teil 37 und einen positiv verlaufenden Teil 39 und einen dazwischenliegenden Nulldurchgangspunkt 25. Es tritt nur dann ein Nulldurchgangspunkt 25 auf, wenn sich ein Zahn 12 oder 14 in unmittelbarer Ausrichtung mit dem Kern 20 des Sensors 18 befindet. Daher sind die Nulldurchgangspunkte 25 die kritischen Punkte für die Drehmomentmessung, da sie nicht als Folge einer Änderung der Signalamplitude zeitlich verschoben werden. Zu einer eindeutigen Bestimmbarkeit der Nulldurchgangspunkte 25 ist es erforderlich, die Breite W. des Polschuhs 20 gleich oder größer als die Breite W₂ der Zähne 12 und 14 zu machen. Auf diese Weise behält die Wellenform B eine große Steigung an den Nulldurchgangspunkten

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Auf diese Weise kann lein Zweifel bezüglich des genauen Ortes bestehen, an dem die Wellenform B die Nullbasisspannung kreuzt. Wenn die Breite W„ der Zähne 12 und 14 groß im Vergleich zur Breite W. des Kerns 20 des Sensors gemacht würde, dann würde eine Verringerung der Steigung der Kurve 3 an den Nulldurchgangspunkten 25 auftreten, und es würde hiermit die Genauigkeit verringert, mit welcher die Durchgangspunkte bestimmt werden können.

Weiterhin wurde gefunden, daß der Abstand zwischen den Zähnen 12 und 14 eine ausreichende Größe besitzen muß, so daß die Ausgangsimpulse 19 stets einen Abstand besitzen und die Ausgangssignalwellenform B während einer begrenzten Zeltdauer zwischen benachbarten Impulsen 19 stets auf die Basislinie für null Volt zurückkehrt. Dieses Erfordernis muß stets eingehalten werden, auch während einer Verschiebung des Abstandes zwischen den Impulsen 19, wie sie durch das Verdrehen der Drehmomentwelle 10 während der Anwendung eines Drehmomentes auftritt. Im anderen Falle könnte die Verschiebung eines Impulses 19 in einen benachbarten Impuls einen verfälschten Gesamteinfluß auf die Nulldurchgangspunkte 25 ausüben, wie dies zuvor erläutert wurde. Aus diesem Grunde wird auch das magnetische Gehäuse 24 um den Kern des Meßfühlers herum angeordnet, um als Abschirmung zu wirken, so daß jeder einzelne Zahn 12 und 14 einzeln erfaßt werden kann und dadurch eine ausgangsseitige Signalwellenu-form B mit unabhängigen und ausgeprägten Impulsen 19 erzeugt werden kann, die voneinander beabstandet sind, so daß sie sich gegenseitig nicht stören.

Für den unbelasteten Fall, bei dem die Welle 10 gedreht und praktisch kein Drehmoment auf dieselbe ausgeübt wird, wird nur eine geringe oder gar keine Verdrehung der Welle erfolgen. Daher wird der Abstand zwischen den Zähnen 12 und 14 im wesentlichen gleichbleiben und man wird eine ausgangsseitige Impulswellenform B erhalten, wie sie durch die ausgezogene Linie in Figur 2 gezeigt ist. Unerwünschte Hochfrequenzanteile, die in

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der ausgangsseitigen Signaiwellenform 3 vom Sensor 18 enthalten sein können, können durch ein Filter beseitigt werden, das einen Widerstand 2d und einen Kondensator 28 enthält. Die gefilterte Wellenform wird dann einer Komparatorschaltung 30 zugeführt. Diese enthält einen Operatorverstärker oder Rechenverstärker 32 zusammen mit einem Widerstand ¹IO zum Hochsetzen der Signalspannung und einer Reihe von Widerständen 34, 35 und 36 für positive Rückkopplung oder Mitkopplung. Der Widerstand 40 wird durch eine Beaugsspannungsquelle V vorgespannt. Diese wird aus einer Niederspannungsquelle gemäß Figur 3 geliefert, deren Einzelheiten noch nachstehend erörtert werden. Der Eingangsanschluß 38 zum Operatorverstärker 32 wird durch die Widerstände 34, 35 und 36 geringfügig negativ vorgespannt, um eine falsche Triggerung des Komparators zu verhindern, wenn sich das Eingangssignal vom Sensor 18 auf der Basislinie für null Volt befindet. Die Ausgangsspannung vom Komparator 30 ist normalerweise niedrig und kann sehr stark der Spannung für die Nullbasislinie angenähert sein, wenn das Eingangssignal vom Sensor 18 auf der Basislinie für 0 Volt ist. Wenn das Eingangssignal vom Sensor 18 unter die negative Vorspannung am Eingangsanschlufö 38 absinkt, dann wird die Ausgangsspannung bei 44 durch den Widerstand 40 hochgezogen. Daraufhin wird der Eingangsanschluß 38 genau auf die Basislinie für 0 Volt vorgespannt. Wenn der negative Teil 21 des Impulses an den Nulldurchgangspunkt 25 angenähert ist, dann schaltet die Ausgangsspannung bei 44 erneut auf die ursprüngliche niedrige Spannung um und ergibt eine Ausgangssignalimpulsfolge C gemäß der ausgezogenen Linie in Figur 2. Jeder Impuls 31 der Impulsfolge C besitzt eine Vorderflanke 27 mit positiver Steigung entsprechend dem Augenblick, in dem der negative Teil 37 des Impulses 19 unter die negative Vorspannung am Eingangsanschluß geht. Er besitzt außerdem eine Hinterflanke 29 mit negativer Steigung, die unmittelbar dem Nulldurchgangspunkt 25 entspricht.

Ein bistabiler Multivibrator 42 erhält die Eingangsimpulsfolge C und wird zu einer Änderung seines Schaltzustandes durch die

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Hinterflanke 29 mit negativer Steigung jedes Impulses 31 getrlggert. Mit jeder Änderung des Schaltzustandes schaltet die Ausgangsspannung vom Multivibrator 42 am Punkt 46 zwischen einem hohen und einem niedrigen Wert und bildet die bei D in Figur 2 mit einer ausgezogenen Linie dargestellte ausgangsseitige Rechteckwelle. Ein Eingang für Voreinstellung ist am Multivibrator bei 47 vorgesehen. Hierdurch wird eine negative voreingestellte Spannung bewirken, daß die Ausgangsspannung am Punkt 46 auf einen niedrigen Wert geht unabhängig von der Eingangsspannung bei Die genaue Arbeitsweise dieses Eingangs 47 für Voreinstellung ist noch aus der nachstehenden Erläuterung ersichtlich.

Die ausgangsseitige Rechteckwelie von dem Multivibrator 42 1st mit einem Schalter 48 verbunden. Dieser enthält einen Zerhackertransistor 50 mit Vorspannung durch die Widerstände 56 und 58. Weiterhin sind in dem Schalter 48 die Dioden 54 und 55 enthalten, um eine überspannung durch den Multivibrator 42 zu vernindern. Weiterhin ist noch ein "Beschleunigungs"-Kondensator zwischen dem Eingang bei 46 zum Schalter 48 und der Basis des Transistors 50 enthalten. Wenn die Eingangsspannung zu dem Schalter 48 niedrig ist, dann schaltet der Transistor 50 ein, der Spannungsabfall zwischen Emitter und Kollektor über dem Transistor 50 ist angenähert 0 Volt und die Ausgangsspannung bei nähert sich dem Wert der Bezugsspannung V . Wenn die Eingangsspannung zum Schalter 48 hoch wird, dann sperrt der Transistor und trennt den Ausgang bei 52 ab, welcher dann ein "schwebender" (floating) Ausgang ist.

Das Ausgangssignal vom Schalter 48 ist durch Verbindungswiderstände 84, 85 und 86 mit einem Tiefpaß-Gleichspannungsfilter verbunden. Das Filter 62 enthält einen Gleichspannungsrechenverstärker 76 mit einer langen Zeitkonstante, die durch ein Filter mit zwei Eckfrequenzen (double break) bestimmt ist, das drei Widerstände 66, 68 und 70 und zwei Kondensatoren 72 und 74 besitzt. Die Widerstände 86 und 70 werden jeweils so gewählt, daß

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sie den Verstärkungsgrad bzw. die SpannungsVersetzung (voltage offset) am Ausgangsanschluß 88 bestimmen. Die Widerstände 78 und 80 sind vorgesehen, um am Eingangsanschluß 79 des Rechenverstärkers 76 eine Vorspannung zwischen der Bezugsspannung V und Schaltungserde einzustellen. Die effektive Empfindlichkeit des Gleichspannungsfilters 62 für das Drehmoment kann daher dadurch verändert werden, daß die Bezugsspannung V_Q verändert wird, da die Amplitude des Mittelwertes der ausgangsseitigen Gleichspannung direkt proportional dem Wert der Se zugspannung V , multipliziert mit dem Zeitintervall ist, in dem sie eingeschaltet ist, vermindert um V , multipliziert mit dem Zeitintervall, in dem sie ausgeschaltet ist.

Wenn sich die Welle mit einem Drehmoment TJuIl dreht, dann bleiben die Zähne 12 und 14 in gleichem Abstand und der Schalter 48 schaltet ein und legt die Bezugsspannuns V bei i?2 genau während der halben Zeitdauer an. Die Ausgangsspannung bei 52 wird daher von der Bezugsspannung V₁ abgetrennt und bleibt auf einem unbestimmten Wert während der übrigen Hälfte des Zeitintervalles. Unter diesen Verhältnissen bleibt der Mittelwert der Ausgangsgleichspannung vom Filter ό2 am AusgangsanSchluß 88 auf dem Wert Null und ergibt eine analoge Anzeige des an der Welle 10 zugeführten Drehmomentes Null.

Eine Erhöhung des an der rt'elle 10 zugeführten Drehmomentes bewirxt eine Verdrehung der Welle und eine Änderung des gleichmäßigen Abstandes zwischen den Zähnen 12 und 14, wie dies in Figur 2 in der Kurve A durch die gestrichelt gezeichneten Zähne dargestellt ist. Aus der gestrichelt gezeichneten Ausgangswellenform B 1st ersichtlich, daß die Änderung des Abstandes zwischen den Zähnen 12 und 14 eine entsprechende Änderung in dem Abstand zwischen den erfaßten Impulsen I9 und ihren Nulldurchgangspunkten 25 bewirkt. Die Verschiebung des Zeitintervalls zwischen den Impulsen 19 bewirkt ihrerseits eine entsprechende Verschiebung der Zeitintervalle zwischen den Ausgangsimpulsen 31 der Impulsfolge C vom Komparator 30. Der Multivibrator wird daher in un-

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gleichen Intervallen zur Änderung seines Schaltzustandes getriggert und liefert bei 46 das Ausgangssignal, das durch die gestrichelt gezeichnete Wellenform D in Figur 2 dargestellt ist. Die ausgangsseitige Wellenform D vom Multivibrator 42 wird dann zwischen der positiven Bezugsspannung V_Q und der unterbrochenen Schaltung durch den Schalter 48 geschaltet und hierdurch wird das Tiefpaß-Gleichspannungsfilter 62 befähigt, am Anschluß 88 eine ausgangsseitige Mittelwert —Gleichspannung zu liefern, die eine genaue analoge Anzeige des tatsächlich an der Welle 10 ausgeübten Drehmomentes ist. Es wäre denkbar;, den Schalter 48 zu beseitigen. Die Genauigkeit der analogen Ausgangsspannung am Anschluß 88 würde jedoch dann verschlechtert infolge der Änderung in der Spannung Spitze-Spitze der ausgangsseitigen Signalwellenform vom Multivibrator 42, die durch Änderungen der Bauteile der Schaltung infolge Umgebungstemperaturänderungen bewirkt werden.

Die analoge Ausgangsspannung am Anschluß 88, die das an der Welle 10 ausgeübte Drehmoment anzeigt, kann entweder positiv oder negativ sein in Abhängigkeit von dem ursprünglichen Schaltzustand des Multivibrators 42 bei erstmaliger Drehung der Welle 10. Um eine gleiche Polarität für das Ausgangssignal am Anschluß 88 zu gewährleisten, ohne hierzu doppelte Verstärker oder einen Gleichspannungsdiskriminator vorzusehen, ist ein Komparator 90 für Voreinstellung vorgesehen. Dieser besitzt einen Rechenverstärker 92 mit positiver Rückkopplung oder Mitkopplung durch die Widerstände 94 und 96. Ein Tiefpaßfilter besitzt einen Widerstand 100 und einen Kondensator 102 und ist vorgesehen zur Begrenzung der Welligkeit der Eingangsspannung am Rechenverstärker 92. Das Ausgangssignal von dem Komparator 90 für Voreinstellung wird am Voreinstellungseingang 47 zum Multivibrator 42 zurückgeführt und bewirkt eine Unterbrechung der Eingangssignalwellenform bei 44 und eine Änderung des Multivibrators in seinen negativen Schaltzustand. Bei der bestimmten hier beschriebenen Ausführungsform ist der Multivibrator 92 so angeordnet, daß er jedesmal dann in einen negativen Ausgangszustand

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umschaltet, wenn das Eingangssignal an dem Eingang 47 für Voreinstellung auf einen positiven Wert geht, und zwar unabhängig von der Eingangssignalwellenform bei 44. Auf diese Weise bleibt das analoge Ausgangssignal am Anschluß 88 stets negativ unabhängig von dem Zustand des Multivibrators 42 bei Beginn der Drehung der Drehmomentwelle 10. Der Komparator 90 für Voreinstellung beseitigt hierdurch die Notwendigkeit für doppelte Verstärker oder für einen Detektor für Absolutwerte, welche sonst benötigt würden-.

Es wird nachstehend auf Figur 3 Bezug genommen, die eine Quelle 104 für eine niedrige Bezugsspannung zeigt. Diese liefert die Ausgangsbezugsspannung V . Die Bezugsspannungsquelle 104 enthält einen Rechenverstärker 106, der noch mit einer kompensierten Zener-Diode 108 und einem ausgangsseitigen Leistungstransistor 110 verbunden ist. Weiterhin ist ein Filterkondensator 112 mit einem Rückkopplungswiderstand 116 vorgesehen und diese sind durch die Widerstände 114, 118, 120 und 121 vorgespannt. Eine eingangsseitige Gleichspannung wird am Anschluß zugeführt und ändert sich mit der Änderung der Temperatur der Drehmomentwelle 10, um die Änderung der Federkonstante der Welle mit Änderung der Temperatur zu kompensieren. Die Gleichspannung am Anschluß 122 kann eine verstärkte Gleichspannung von einem Thermoelement 124 sein. Dieses ist dann in unmittelbarer Nähe der Drehmomentwelle 10 so angeordnet, daß es jegliche Änderungen der Temperatur der Welle erfaßt. Die ausgangsseitige Bezugsspannung V_Q ändert sich als Folge der Änderungen der Eingangs-Spannung am Anschluß'so, daß sie den Verstärkungsgrad des Tiefpaß-Gleichspannungsfilters 62 nachstellt, ohne dabei das Ausgangssignal für das Drehmoment Null am Anschluß 88 zu verstellen. Da die Federkonstante der Welle 10 sich allgemein mit ansteigender Temperatur verringert, ist es wichtig, daß der Verstärkungs-

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grad des Tiefpaßkpannungsfilters 62 entsprechend nachgestellt wird, um die Änderungen der Verdrehung der Welle durch Temperaturänderungen zu kompensieren.

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Der Fachmann wird verstehen, daß in der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung die verschiedenartigsten Änderungen vorgenommen werden können, ohne den weiteren Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise sind die hier beschriebenen verschiedenen Polaritäten für das Signal, die Bezugsspannung und die magnetische Polung nur willkürlich für die Zwecke der Darstellung angenommen und können leicht umgekehrt werden, ohne die grundsätzliche Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Schaltungen zu beeinträchtigen. Weiterhin könnte beispielsweise auch der Schalter 48 überbrückt werden, wenn eine Verminderung des Genauigkeitsgrades der analogen Ausgangsspannung am Anschluß 88 zulässig 1st.

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Claims

Ansprüche

1.j Drehmomentmeßgerät, dadurch gekennzeichnet , daß es umfaßt:

eine Drehmomentwelle (10) mit einer Vielzahl von umkreisförmig beabstandeten Zähnen (12), welche an der Oberfläche derselben angeordnet sind, wobei benachbarte Zähne (14) axial festgelegt und versetzt mit der Welle (10) so verbunden sind, daß bei Ausübung eines Drehmomentes auf die Welle die Welle verdrehbar und der Abstand zwischen¹benachbarten Zähnen veränderbar ist, ein Sensor (18), der beabstandet zur Weile (10) befestigt ist zur Erzeugung einer ausgangsseitigen Signalwellenform, welche den jeweiligen Vorbeigang eines Zahns (12, 14) am Sensor (18) anzeigt,

ein Komparator (30), der das Ausgangssignal vom Sensor (18) erhält und eine primäre Ausgangsimpulsfolge (C) erzeugt, bei der jeder Primärimpuls (31) dem Vorbeidrehen eines Zahns (12, 14) an dem Sensor (18) entspricht,

ein bistabiler Multivibrator (42) zur Aufnahme der Folge von primären Impulsen (C) vom Komparator (30), dessen Schaltzustand beim Eintreffen jedes primären Impulses von der primären Impulsfolge zwischen einem hohen und niedrigen Ausgangssignal änderbar ist,

ein Gleichspannungsfilter (62) zur Aufnahme des Ausgangssignals vom Multivibrator (42) und zur Erzeugung eines Mittelwert-Gleichspannungssignals am Ausgang als analoge Anzeige des tatsächlich auf die Welle (10) ausgeübten Drehmomentes, und ein Komparator (90) zur Voreinstellung, der das Ausgangssignal vom Gleichspannungsfilter (62) erhält und ein Voreinstellungseingangssignal zurück zum Multivibrator (42) zur Unterbre- : chung der primären Impulsfolge zum Multivibrator und zur Änderung des Schaltzustandes des Multivibrators auf einem vorbestimmten Schaltzustand liefert, so daß gewährleistet ist, daß der Mittelwert des Gleichspannungssigrials am Ausgang des Gleichspannungsfilters (62) auf einer vorbestimmten Polarität ist, unabhängig vom Schaltzustand des Multivibrators (42) bei Beginn der Wellendrehung.

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Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schalter (48) in Reihe zwischen dem Multivibrator (43) und dem Gleichspannungsfilter (62) enthält, wobei eine Änderung des Zustandes des Ausgangssignales vom Multivibrator das Ausgangssignal vom Schalter (48) zum Gleichspannungafilter (62) zwischen eijieia Bezügspctenti.al (V ) und dem Wert für die unterbrochene Schaltung oder Leerlaufwert schaltet.

Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgangssignalwellenform vom Sensor (18) jedesmal dann einen sekundären Impuls (19) erzeugt, wenn sich einer der Zähne (12, 14) am Sensor (18) vorbeidreht, und jeder sekundäre Impuls (19) einen negativ verlaufenden, Teil (3?) und einen positiv verlaufenden noch

Teil (39) und einen dazwischenliegenden Nulldurchgangspunkt (25) enthält, welcher der direkten Ausrichtung zwischen einem Zahn und dem Sensor (18) entspricht, und der Komparator (30) noch einen Rechenverstärker (32) mit zwei Eingangsanschlüssen enthält, wobei der erste Eingangsanschluß das Eingangssignal vom Sensor (18) erhält und der zweite Eingangsanschluß (38) durch Mitkopplungswiderstände (34, 35, 36) leicht negativ vorgespannt ist zur Verhinderung einer falschen Triggerung des !Comparators (30), wobei ein Absinken des Pegelwertes des Eingangssignals vom Sensor (18) unter den Wert der negativen Vorspannung den Pegelwert des Ausgangssignals vom Komparator (30) umschaltet und den ersten Eingangsanschluß des Rechenverstärkers (32) auf die Basislinie für das Potential Null vorspannt, so daß bei Rückkehr des Pegels des Eingangssignals vom Sensor (18) auf dkse 3asislinie für das Potential Null der Pegel des Ausgangssignals vom Komparator (30) erneut auf seinen Ausgangswert zurückgeschaltet wird, wobei der Moment der Rückschaltung des Komparators (30) auf seinen Ausgangswert die direkte Ausrichtung zwischen dem Sensor (18) und einem Zahn anzeigt und weiterhin eine Änderung des Schaltzustandes des Multivibrators (42) triggert.

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4. Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet, daß das Gleichspannungsfilter (62) ein Tiefpaßfilter ist und einen Gleichspannungsrechenverstärker (76) mit einer langen Zeitkonstante enthält, welche durch ein Filter (64) mit zwei Eckfrequenzen bestimmt ist, und ein Eingangsanschluß des Gleichspannungsrechenverstärkers (76) mit einem Bezugspotential (V ) vorgespannt ist, dessen Wert die effektive Drehmomentempfindlichkeit des Tiefpaß-Gleichspannungsfilters (62) ohne Veränderung der Analoganzeige für das Drehmoment Null bestimmt.

5. Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Komparator (90) für Voreinstellung einen Rechenverstärker (92) mit einer positiven Rückkopplung oder Mitkopplung und einem Tiefpaßfilter (100, 102) zur Begrenzung der Welligkeit der Spannung am Eingang zum Rechenverstärker enthält,

6. Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß es eine Versorgungsquelle (104) für eine niedrige Spannung enthält, welche eine variable Eingangsspannung erhält, die repräsentativ ist für eine sich ändernde Temperatur der Welle (10) und daraufhin ein Bezugspotential (V ) liefert, das sich in Abhängigkeit von der variablen Eingangsspannung ändert und die effektive. Drehmomentempfindlichkeit des GIeichspannungsfilters (62) ohne Versetzung des Ausgangssignals für das Drehmoment Null ändert zur Kompensation der Änderungen der Pederkonstante der Welle (10) durch Temperaturänderungen.

7. Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Versorgungsquelle (104) für eine niedrige Bezugsspannung die variable Eingangsspannung analog einer sich ändernden Temperatur von einem Thermoelement erhält, das in der Nachbarschaft der Welle (10) angeordnet ist,

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und die Quelle (104) für niedrige Bezugsspannung noch einen Rechenverstärker (106) enthält, der mit einer Zener-Diode (108) und einem ausgangsseitigen Leistungsverstärker (110) verbunden ist und weiterhin einen Filterkondensator (112) mit einem Rückkopplungswiderstand (llo) enthält.¹

Drehmomentmeßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:

eine Drehmomentwelle (10) mit einer Vielzahl von umkreisförmig beabstandeten Zähnen (12), die an der Oberfläche derselben angeordnet sind₃ wobei benachbarte Zähne axial gegenüber der Welle (10) versetzt so fest angeordnet sind, daß die Ausübung eines Drehmomentes auf die Welle die Welle verdreht und den Abstand zwischen benachbarten Zähnen ändert, ein Sensor (18) als Aufnehmer mit variablem magnetischem Widerstand, der beabstandet zur Welle (10) zur Erzeugung einer Ausgangssignalwellenform angeordnet ist, welche jeden Zeitpunkt anzeigt, an dem sich einer der Zähne an dem Sensor (18) vorbeidreht, und der Sensor einen Kern (20) mit einem Polschuh (21) und einem äußeren umgebenden Gehäuse (24) besitzt, das eine magnetische Polarität entgegengesetzt zur Polarität des Polschuhs besitzt und den Sensor (18) so abschirmt, daß zu einem Zeitpunkt nur immer ein Zahn erfaßbar ist und die ausgangsseitige Signalwellenform auf die Basislinie für das Potential Null während einer begrenzten Zeitdauer zwischen benachbarten Zähnen zurückkehrt, eine Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung des Ausgangssignals vom Sensor (l8) in eine analoge Darstellung des tatsächlich auf die Welle (10) ausgeübten Drehmomentes.

Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen benachbarten Zähnen (12, 14) so groß ist, daß zu einem Zeitpunkt nur ein Zahn erfaßbar ist und die ausgangsseitige Signalwellenform während einer begrenzten Zeitdauer zwischen benachbarten Zähnen auf die Basislinie für das Potential Null zurückgeht, unabhängig von der Größe der Verdrehung der Welle

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- 19 durch die Ausübung des Drehmomentes auf die Welle.

10. Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Umwandlungseinrichtung enthält:

einen Komparator (30), welcher das Ausgangssignal vom Sensor (18) erhält, und eine ausgangsseitige Impulsfolge erzeugt, wobei jeder Impuls dem Vorbeidrehen eines Zahns am Sensor (13) entspricht,

ein bistabiler Multivibrator (^2)_s der die ausgangsseitige Impulsfolge vom Komparator (30) erhält und seinen Schaltzustand zwischen einem hohen und niedrigen Ausgangssignal beim Eintreffen jedes Impulses von der Impulsfolge ändert, ein Gleichspannungsfilter (62), welches das Ausgangssignal vom Multivibrator (42) erhält und ein ausgangsseitiges Mittelwert—Gleichspannungssignal als analoge Anzeige des tatsächlich auf die Welle ausgeübten Drehmomentes erzeugt, und ein Voreinstellungskomparator (90), welcher das Ausgangssignal vom Gleichspannungsfilter (62) erhält und ein Eingangssignal für die Voreinstellung zurück an den Multivibrator (42) liefert zur Unterbrechung der Impulsfolge zum Multivibrator und zur Änderung des Schaltzustandes des Multivibrators auf einen vorbestimmten Zustand, wodurch gewährleistet ist, daß das ausgangsseitige MitteL-wert —Gleichspannungssignal vom Gleichspannungsfilter (62) auf einer vorgegebenen Polarität bleibt, unabhängig vom Zustand des Multivibrators bei Beginn der Wellendrehung.

11. Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß es eine Quelle (104) für eine niedrige Bezugsspannung enthält, die eine variable Eingangsspannung repräsentativ für eine Temperaturänderung der Welle (10) erhält und ein Bezugspotential an die Umwandlungseinrichtung liefert, das sich als Punktion der variablen

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Eingangsspannung ändert und den Verstärkungsgrad der Umwandlungseinrichtung nachstellt ohne Versetzung des Ausgangssignals für das Drehmoment iiull zur Kompensation der Änderungen der Federr.cnstante der Welle mit Temperaturänderungen.

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