DE2445866B2

DE2445866B2 - Elektrische differenzdrehzahl-messeinrichtung

Info

Publication number: DE2445866B2
Application number: DE19742445866
Authority: DE
Inventors: Bernhard 6710 Frankenthal; Scherzer Hugo 6900 Heidelberg Bach
Original assignee: Klein Schanzlin and Becker AG
Current assignee: Klein Schanzlin and Becker AG
Priority date: 1974-09-26
Filing date: 1974-09-26
Publication date: 1977-08-04
Also published as: DE2445866A1; DE2445866C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Differenzdrehzahlmeßeinrichtung für zwei koaxial zueinander angeordnete Drehglieder, bei der auf beiden Drehgliedern Marken angebracht sind und ein feststehender Meßfühler beim Auftreten von Drehzshldifferenzen elektrische impuls erzeugt, die in einem Zähler ausgewertet werden.

Solche Meßeinrichtungen werden zur Schlupfmessüfig an Reibungskupplungen sowie zur Poshionsmessung an Verstellantrieben in einem umlaufenden System eingesetzt, tm Anwendungsbeispiel für l^'-eres ist die Messung einer stellwertbezogenen Drehzahl eines in einem Pumpenläufer eingebauten Stellmotors für die Pumpschaufelverstellung.

Eine bekannte Einrichtung ermittelt die Differenzdrehzahl aus dem Meßergebnis zweier Drehzahlen durch Differenzbildung. Sie be- utzt dafür zwei berührungslose Drehzahlabtaster und einen Differenzzähler. Der eine Drehzahlabtaster zählt die Antriebsdrehzahl und ist am subtrahierenden bingang des Dineren^zänlers angeschlossen. Der zweite Drehzahlabtaster z^hlt die Antriebsdrehzah! oder die Verstelldrehzahl im umlaufenden System, die der Antriebsdrehzab'< überlagert ist. Er ist am addierenden Eingang des Differenzzählers angeschlossen. Der Zähler bildet die Differenz, die dem Schlupf oder Verstellweg entspricht. Die Vorteile dieser Meßeinrichtung liegen in der berührungslosen rückwirkungsfreien Meßwerterfassung, der hohen möglichen Auflösung des Meßwertes und dem Testen Ühertragungsmjßstab, der gegenüber Störgrößen wie Temperatut Alterung. Verstärkungsänderung u<"· ".pannungsschwankting weitgehend unempfindlich is., ijazu kommt noch die digitale Form des Meßwertes für eine vorteilhafte Auswertung

Die bekannte Meßeinrichtung stellt allerdings hohe Anforderungen an den Differenzzähler. So muß selbst in Fällen, bei denen die Frequenz der Differenzdrehzahl niedrig ist. der Zähler immer auf die absolut mögliche

ίο Di ehzahlfrequenz ausgelegt werden. Beispielsweise ergibt sich bei der Verstelldrehzahlmessung im umlaufenden System als Zählerauslegcfrequenz die Summe der beiden absoluten Drehzahlfrequenzen. Außerdem ergibt sich ein ungünstiges Verhältnis zwischen den

gemessenen Werten und dem darin enthaltenden interessierenden Wert. Dadurch wirken sich relativ kleine Meßfehler stark aus. Die hohen Zählfrequenzen erfordern in der Regel elektronische Zähler. Dadurch läßt sich der Vorteil der natürlichen Meßwertspeicherung elektromechanischer Zähler bei Stromausfall nicht nutzen. Die hohen Zählfrequenzen erfordern auch elektronische Drehzahlabtaster. Dadurch müssen Maßnahmen gegen Störspannun_fcseinflüsse ergriffen werden. Die Messung benötigt zwei Zählkanalc. Dadurch entsteht eine weitere Forderung an d< η Zähler. Er muß ständig die beiden gleichzeitig ankommenden Zählinformationen, die eine subtrahierend und die andere addierend, fehlerfrei verarbeiten können. Auftretende Fehler akkumulieren sich.

Des weiteren ist eine elektrische Differenzdrehzahl-Meßeinrichtung bekannt (DT-PS 12 22 291), bei der das DifferenzdrehzaUsignal optisch gebildet wird. Ein allseitig einfallender Lichteinfall wird durch zwei Trommellochblenden gesteuert und im Zentrum optoelektrisch erfaßt.

Das optoelektrisch^ Signal muß jedoch verstärkt werden. Es können Störspannungen auftreten. Eine Lichtquelle ist erforderlich. Sie darf nicht versagen a«»i lichtdämmenden Medien, wie z. B. öl oder bei Verschmutzungsgefahr, kann die Einrichtung nicht eingesetzt werden. Der Schnittpunkt der Drehachse mu3 zur Aufnahme des optoelektrischen Elementes zur Verfugung stehen. Die Signalübertragung aus dem Schnittpunkt erfordert besoncjre konstruktive Maßnahmen. Dadurch ist die Einsatzmöglichkeit beschränkt. Schließlich ist eine Geräuschbildung durch die rotierenden Lochblenden zu erwarten.

Auch ist eine Einrichtung bekannt (DT-Gbm 72 18 746), bei der eine Lichtschranke mit dem einen Läufer umläuft und eine Zahnsc heibe abtastet, die mit dem anderen Läufer verbunden ist. Das Differenzdrehzahlsignal entsteht jedoch im rotierenden System und muß über Schleifringe nach außei übertragen v/erden. Dadurch geht der zunächst erreichte Vorteil einer berührungslosen Drehzahlabtastung wiedei verloren. Zwischen dem stationären und dem rotierenden Teil muß eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden. Es nr.üssen Maßnahmen gegen eine Störspanfiufigsbi'rdur.g ergriffen werden. ReihimMverluste an

^o den Schleifringen erfordern Antriebsleistung und entwickeln Wärme. Durch eintretenden Verschleiß ist diese Einrichtung nicht wartungsfrei. Die Lichtschranke ist Fliehkräften ausgesetzt.

Ferner ist eine berührungslose magnetische Abtast-

⁶S einrichtung für elektrische Leistungsverbrauchszähler bekanntgeworden (FR-PS 21 72 879). Sie dient der Vorbeugung von Fehlmessungen und vermeidet durch die Ausbildung einer Magnetmarke magnetische Ge-

gendrehmomenie. Sie besitzt jedoch keine Möglichkeit einer Differenzbildung zwischen zwei Drehzahlen. Eine weitere magnetisch*· Abtasteinrichtung (DT-PS 8 91 371) besitzt zwar, über einen Frequenzgeber, eine unzulängliche Möglichkeit zur Differenzbildung zwischen zwei Drehzahlen. Bei ihr sind jedoch hierzu störanfällige Hilfsmittel nötig, die eine Differenzd.ehzahlmessung verhindern, welche berührungslos einen im ruhenden System angeordneten Meßfühler allein in Abhängigkeit der Differenzdrehzahl beeinflußt, wie es als gelöste Aufgabe beim Anmeldungsgegenstand der Fall ist. So benötigt die bekannte Einrichtung insbesondere eine Erregung (Fig. 1, Wicklung 2). Induktive Wicklungen sind aber vorzügliche Empfänger für Storfelder und Störfrequenzen. Bei Stromausfall versagt außerdem der Meßfühler, dessen Anordnung darüber hinaus zusätzlich nachteilig ist. Er muß nämlich vom ruhenden System aus beine Rotoren abtasten können und diese Notwendigkeit verl dert die Eignung des Frequenzgeberi für "ine Di^ri-*renzdrehzahlmessung, wenn, wie in den mcUter. ~ä!^u.i. nur ein Rotor vom ruhenden System aus /ub»-o,...Ji ist.

Es ist Aufgabe d. Erfindung diese Nachteile zu vermeiden, d. h. Tt Uifterenzdrehzahl-Meßeinrichtung zu schaffen, die · erührungslos einen im ruhenden System angeordneten Meßfühler allein in Abhängigkeit d?^r Differenzdrt^.zahl beeinflußt und die keine störanfälligen Hilfsmittel, wie zweiter ZäUkancl, Lichtempfanger oder Schleifringe usw. benötigt.

Die Aufgabe wird bei der Differenzdrehzahlmeßeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem einen Drehglied ein Permanentmagnet und auf dem anderen Drehglied eine zweiteilige ringförmige Leitvorrichtung mit Nasen angebracht ist und daß ein magnetfeldempfindlicher Meßfühler vorgesehen ist.

In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung ist dieser Magnet axial magnetisiert, die Teile der Leitvorrichtung sind zueinander in axialem Abstand und den Polen des Magneten radial außen gegenüberstehend und der Meßfühler ist radial außen zur Leitvorrichtung angeordnet Des weiteren ist es alternativ denkbar, wenn der Magnet radial magnetisiert ist, die Teile der Leitvorrichtung in axialem Abstand oazu angeordnet sind und den Magneten U-förmig umgreifen und daß der Meßfühler in der Achse der Leitvorrichtung angeordnet ist. Eine Ausführung hierzu kann darin bestehen, daß der Magnet am Achsende des Motoriäufcrs eircs Vcrsteüanträebes und die Leitvorrichtung am Spaltrohr des Pumpenläufors einer Pumpe mit Schaufelverstellung angeordnet ist.

Durc.) die ringförmige Ausbildung der Leitvorrichtung zum Abtaster hin bildet sich zunächst aus der Drehzahl der Leitvorrichtung kein Drehzahlsigna!. Erst wenn sich die Marke und die Tastfläche der Leitvorrichtung gegeneinander verschieben, entsteht ein Sign?¹. Es entspricht der relativen Drehzahlveränderung der beiden Läufer. Das Signal ist von den absoluten Drehzahlen unrbhängig.

Der Stellbefehl für den Verstellantrieb bestimmt gleichzeitig die Zählrichtung, und der Zählrichtungsspeicher sorgt für die Beibehaltung der Zählrichtung beim Auslauf des VersteJlmotors.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung hat folger tu Vorteile. Sie benötigt für die Differenzwerterfassnn^· nur noch einen Meßkanal. Der Zähler hat nicht mehr du Aufgabe der Differenzbildung. Es genügt für du-Schlupfmessung ein einfacher Ereigniszähler und für die numerische Positionsanzeige ein Zähler mn umschaltb.i rer 7ahlrichtung. Die geforderte Zählgeschwmdigkci ergibt si;h nicht mehr aus der absoluten Drehfrequen/. sondern aus der Differenzfrequenz. Dadurch kommt man häufig mit einem elektromechanischen Zahler jus Seine natürliche Speicherung des Meßwertes bei S:romausfall kann ausgenutz; werden Schließlich sind die Anforderungen hinsichtlich Frequenz und Ver

ίο schleißfest'gkeit an den Abtaster aus dem gleichen Grunde geringer. Das e 'aubt in vielen Fällen die Benutzung eines Abtasters mit mechanischem Koniaki Die damit erreichbaren hohen Meßsiröne sind gegenüber Störspannungen weitgehend unempfindlich.

An zwei in den Zeichnungen dargestellten Ausfuh rungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Differenz drehzahlmeßeinrichtung am Beispiel einer Schlupfmes sung zwischen zwei Läufern, die über eine Reibungskupplung verbunden sind:

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Diffe; enzdrehzahlmeßeinrichtung zur numerischen Positionsanzeige einer in einem Pumpenläufer untergebrachten Schaufelverstellvorrichtung.

In Fig. 1 und la S'nd ein Läufe ..d ein Läufer 5 über eine Reibungskupplung verbunden. Bei Kupplungsverschleiß oder bei ι jöeriastung der Antriebsseite entsteht ein Schlupf, der eine Differenz zwischen den beiden Läuferdrehzahlen verursacht. Zur Messung der Differenzdrehzahl ist auf dem Läufer 1 eine aus einem Dauermagneten bestehende Marke 2 angebracht. Am anderen Läufer 5 sind zwei aus weichmu,. letischem Werkstoff bestehende ringförmige mit je einer Abtastnase 4a und 4b versehene Leitvorrichtungen 3a und 3ö befestigt. Ihre Nasen 4a und 4ö zeigen mit ihren Abtastflächen i.ur Marke hin Durch die Anordnung tasten gleichzeitig die Abtastfläche der Nase 4a den einen Pol und die Abtasnlache der Nase 46 den anderen Pol des die Marke 2 darstellenden Dauermagneten ab.

wenn die Marke 2 vor den Abtastflächen steht. De Marke und die beiden Leitvorrichtungen sind durch geeignete Werkstoffe magnetisch von ihrer Umgebung isoliert. Zwischen den beiden Leitvorrichtungsringen bildet sich beim Passieren der Maike ein Magnetfeld aus, das den außen angeordneten Abtaster 6 beeinflußt. Der in dem Abtaster 6 eingebaute Reedkontakt schaltet die Stromquelle 7 an den Zähler 8, der die Schaltungen zählt. Wenn die Drehzahl de.- beiden Läufer gleich ist, ändert sich der Schaltzus.and des Abtasters 6 nicht. Erst wenn durch eine Differenzdrehzah· eine Verschiebung der Marke zu den Nasen der Leitvorrichtungen einsetzt, ändert sich das Magnetfeld zwischen den Ringen und damit der Schaltzustand des Abtasters 6 entsprechend. Die Änderung der Schaltzustände wird gezählt und entspricht der Däfferenzdrehzahl. Der Abtaster 6 wird für höhere Differenzfrequenzen mit einem Hallgenerator oder einem magnetempfindlichen Halbleiter ausgerüstet. Eine dian;<r«rale Anordnung des Magneten als Mar! e und die gegenseitige Versetzung der Nasen &a und 40 um l so"=p ergibt lür die Signalbildung anstelle einer Feldänderung einen Polwechsel mit Nulldnrchgang zwischen den Ringen der Leitvorrichtung.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 ist im Läufer einer Pumoe mit Schaufelverstellung ein Verstellantrieb

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verstellen. Die Drehzahl des Verstellantriebes ist somit ein Maß für die Schaufellage.

Der Verstellantrieb besteht aus einem Motorläufer (0, aus einem Spaltrohr 11 und einem Stator 12 mit Feldwicklungen. Der Molorläufer 10 ist mit der Spindel verbunden. Das ,Spaltrohr 11 dichtet den Motorläuferraum ab und läuft mit dem Pumpenläufer um. Der Stator 12 mit den Feldwicklungen ist ruhend mit dem Piimpeneinlauf verbunden. Am Molorläufer 10 des Verstellanlriebes ist als Drehzahlmarke ein Dauermagnet 13 mit diametral angeordneten Polen angebracht. Am unteren (Ende ,des Spältrohres 11 sind zwei ringförmige ,.Leitvorrichtungen, 14a . und 14£> aus ferritischen jveichrnagnetischen 'Werkstoffen befestigt, die mit der Drehzahl des PÜmpenläufers umlaufen. Sie bilden gleichzeitig den Boden des Spältrohres 11. Die Nasen 15a und 156 als Teile der Leitvorrichtungen 14a und 146 sind untereinander um 180° =^£ versetzt angeordnet und zeigen mit ihren Abtastflächen zu den Polen des Magneten. Die Leitvorrichtungen 14a und 14b sind untereinander und gegenüber ihrer Umgebung magnetisch isoliert. Solange die Feldwicklungen des Stators 12 nicht erregt werden, läuft der Motorläufer 10 durch seine Anordnung im Pumpenläufer mit der Drehzahl des Pumpenläufers um. Bei Erregung setzt sich der Motorläufer 10 mit seiner eigenen Drehzahl und Drehrichtung in Bewegung, die gegenüber der des Pumpenläufers abweicht. Es erfolgt dadurch die gewünschte Verstellung der Schaufellage. Ci<:ichzcitig verschieben sich durch die Läuferve/drehungen die Magnetpole 13 gegenüber den Abtastflächen der Nasen -15a und t5b.

ro Zwischen den beiden ringförmigen Leitvorrichtungen 14a und 14£> wechselt dementsprechend das Magnetfeld. In einem zwischen den beiden Leitvorrichtungen angeordneten magnetfeldempfindlichen Abtaster 16 entsteht ein der Drchzahldiffcrcnz entsprechendes

,Signal, das über eine Zählrichtuhgsvorwähl 17 einen Vor-' und Rückwärtszähler 18"für "die numerische Positionsanzeige steuert. Die Steilbefehlseinrichtung für den Verstellantrieb ist mit einem Zählrichtungsschalter 19 verbunden. Der Zählrichtungsschalter 19 steuert die Zählrichtungsvorwahl 17, die gleichzeitig als Zählrichtungsspeicher durch eine Selbsthalteschaltung ausgebildet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Differenzdrehzahlmeßeinrichtung für zwei koaxial zueinander angeordnete Drehgiieder. bei der auf beiden Drehgliedern Marken angebracht sind und ein feststehender Meßfühler beim Auftreten von Drehzahldifferenzen elektrische Impulse erzeugt, die in einem Zähler ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf de.ii einen Drehglied (1; 10) ein Permanentmagnet (2; 13) und auf dem anderen Drehglied (5; 11) eine zweiteilige ringförmige Leitvorrichtung (3a, 3b: 14a, Hb) mit Nasen (4a, 46; I5a, 156^ angebracht ist und daß ein magnetfeldempfindlicher Meßfühler (6, 16) vorgesehen ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) axial magnetisiert ist, daß die Teile (3a, 3b) der Leitvorrichtung zueinander in axialem Abstand und den Polen des Magneten radial außen gegenüberstehend und der Meßfühler (6) radial außen zur Leitvorrichtung angeordnet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (13) radial magnetisiert ist, die Teile (14a, 14ö^ der Leitvorrichtung in axialem Abstand dazu angeordnet sind und den M?<jneten U-förmig umgreifen und daß der Meßfühler (16) in der Achse der Leitvorrichtung angeordnet ist.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (13) am Achsende des Motorlr ifers (10) eines Versteilantriebes und die Leitvorrichtung am Spaltrohr (11) des Pumpenläufers eine, Pumpe mit Schaufelverstellung angeordnet ist.