DE2459749B2 - Anordnung zur Geberüberwachung bei einer Drehzahlmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Geberüberwachung bei einer Drehzahlmessung mit berührungslosen elektronischen Gebern, in deren aktiven Bereich periodisch mit der Welle umlaufende Störelemente zur Auslösung eines Impulses ein- und wieder austreten, wobei die erzeugten Impulse verarbeitet werden.

Geberanordnungen der genannten Art sind bekannt; ihre Wirkung beruht darauf, daß jeder Ein- und Austritt eines mit der Welle umlaufenden Störelements — z. B. eines Zahns, eines Zahnkreuzes oder eines Stegs zwischen Löchern einer Lochscheibe — in dem Geber, beispielsweise in dem durch die Spule eines Schwingkreises erzeugten Magnetfeld oder auf der lichtempfindlichen Schicht eines von einem Lichtstrahl getroffenen Fotoelements, Veränderungen hervorruft Jedes Eintreten eines Elements in den »aktiven Bereich« des Gebers erzeugt dabei einen Impuls, der beim Austreten des Elements aus diesem Bereich — d. h. beispielsweise beim Eintreten eines zwischen den Störelementen liegenden Luftspaltes in das Feld oder in den Strahlengang — wieder gelöscht wird.

Selbstverständlich ist dieses Abtastverfahren nicht auf die erwähnten Beispiele beschränkt; als Geber eignen sich darüber hinaus beispielsweise noch elektronische Feldplatten oder — bei langsamen Bewegungen — sogar elektromechanische Schalter.

Die Drehzahlmessung erfolgt bei einer derartigen Anordnung durch anschließende Zählung der Geberimpulse während einer willkürlich gewählten Zeitspanne in einem, vorzugsweise in Digitaltechnik ausgeführten, Zählwerk oder durch eine Analog-Frequenzmessung der Impulsfolge, welche Messung sich am einfachsten mit einer integrierten Einrichtung realisieren läßt

Mit einer derartigen Anordnung kann eine korrekte Drehzahlmessung jedoch nur durchgeführt werden,

u> wenn jeder Eintritt jedes mit der Welle umlaufenden Störelements, beispielsweise eines jeden Zahnes oder jeden Stegs, einen, aber auch nur einen, Impuls mit hoher Zuverlässigkeit auslöst und jeder Austritt jedes Elements diesen Impuls wieder löscht Eine geometrisch optimale Lage des Trägers der Störelemente relativ zum erwähnten aktiven Bereich eines Gebers ist somit dann gegeben, wenn bei gleichförmiger Drehung des Trägers bzw. der Welle das Verhältnis zwischen Impulslänge und Pausenlänge etwa dem geometrischen

μ Verhältnis zwischen dem Störelement und dem zugehörigen Luftspalt — d.h. also dem Abstand der Störelemente — entspricht Dies erfordert eine definierte Position des Gebers zu den Störelementen. Sind beide Teile geometrisch zu nahe aufeinander, so kann — beispielsweise bei unvermeidlichen mechanischen Toleranzen der Zahnform des Zahnkranzes — nicht jedes Austreten eines Zahns aus dem aktiven Bereich den zuvor erzeugten Impuls löschen, während umgekehrt bei zu weitem Abstand nicht jeder Zahn so weit in den aktiven Bereich eintritt, daß dadurch ein Impuls erzeugt wird. Wird jedoch im Zählwerk eine zu kleine Impulszahl registriert, so ist ein einwandfreies Arbeiten der Anordnung, besonders wenn sie als Überwachung für Überdrehzahlen eingesetzt ist, nicht mehr gegeben.

Weiterhin kann eine statisch noch einwandfreie Lage eines Gebers im dynamischen Betrieb, d.h. beim Umlaufen der Welle, zu prellartigen Erscheinungen führen, durch die von einem Störelement im Geber Mehrfach-Impulse ausgelöst werden; diese Mehrfachimpulse lösen dann z.B. fälschlicherweise einen Überdrehzahl-Alarm aus.

In vielen Fällen erfolgt der Einsatz solcher Drehzahlmeßanordnungen in Bereichen der Technik, in denen ihre mechanische Beanspruchung — vor allem durch Vibrationen — sehr groß ist. Derartige Bereiche sind beispielsweise Drehzahlmessungen an Dieselmotoren für den Schiffsantrieb oder an Gas- oder Dampfturbinen. Darüber hinaus besteht häufig die Gefahr einer

so unbemerkten Dejustierung einer zuvor korrekt justierten Anordnung durch das Bedienungspersonal.

Aus der DE-OS 22 00 805 ist eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines elektrischen Drehzahlmessers bekannt, bei der die Geberimpulse zur Ansteuerung eines Multivibrators dienen, der selbst Nadelimpulse konstanter Dauer ausgibt, wobei die ursprüngliche Form, d. h. das Impuls/Pausen-Verhältnis der Geberimpulse, keine Rolle spielt. Durch den Multivibrator werden dabei die Ausgangsimpulse des Impulsgebers zu Rechteck-Impulsen konstanter Impulsdauer umgeformt und die Ausgangsspannung des Multivibrators anschließend über die Zeit integriert; vor dem Integrator erfolgt also eine Umformung des Eingangssignals in einen von seiner Form unabhängigen Nadelimpuls, ehe in dem Integrator eine Zählung der Nadelimpulse erfolgt. Das Zeitintegral ist proportional zur Impulsfolge-Frequenz und diese wiederum proportional der Drehzahl. Die bekannte Anordnung erzeugt

somit drehzahlabhängige Signale, die für eine direkte Geberüberwachung nicht geeignet sind. Eine Geberüberwachung ist bei dieser Anordnung nur auf Umwegen möglich, die einen zusätzlichen apparativen Aufwand erfordert Es la ssen sich dabei zwei prinzipielle Wege unterscheiden, bei denen zwti unabhängig voneinander arbeitende Systeme benötigt werden oder mindestens eine Minimaldrehzahlschaltung bzw. ein Tiefpaßfilter mit einem Schwellwertschalter notwendig sind; dadurch wird nicht nur der Aufwand größer, sondern auch die Schaltungsanordnung kompliziert und weniger zuverlässig. Darüber hinaus spricht die Gegenüberwachung bei dieser Anordnung praktisch erst bei Ausfall des Gebers an.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, durch die auf direktem Wege die Funktionsweise des Gebers bei Drehzahlmessungen überwacht, schon beispielsweise durch geringe Dejustierung des Gebers relativ zu den mit der Welle umlaufenden Störelementen — z.B. infolge von Vibrationen — hervorgerufene Fehler festgestellt und bei einer bestimmten, für die einzelnen AnwendungsfäJ-Ie charakteristischen Größe des ermittelten Fehlers, der die Zuverlässigkeit der Drehzahlmessung noch nicht beeinträchtigt, Alarmsignale ausgelöst werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektronische Schaltungsanordnung gelöst, in der eine Beziehung zwischen der Dauer eines Impulses und derjenigen einer unmittelbar benachbarten Impulspause ermittelt wird, sowie durch Vergleichselemente, in denen der Istwert der erhaltenen Beziehung mit je einem oberen bzw. unteren Grenzwert verglichen, und durch die bei Überschreiten dieses Grenzwertes nach oben bzw. unten ein Signal ausgelöst wird. Die genannten Grenzwerte können dabei fest, aber gegebenenfalls einstellbar, drehzahl- oder drehzahl- und zeitabhängig sein, wobei unter Umständen nur einer dieser Werte variabel sein muß.

Die Geberimpulse werden hierfür unter Berücksichtigung ihrer Signalform direkt — ohne Zwischenschaltung eines Umformers — integriert und aus der unveränderten Signalform, d. h. aus dem Impuls/Pausen-Verhältnis unmittelbar benachbarter Impuls/Pausenfolgen, Rückschlüsse auf den Geberzustand gezogen. Die Signalform ist dabei praktisch drehzahlunabhängig. Mit dieser direkten Geberüberwachung wird — da die Signalform durch die geometrische Justierung beeinflußt wird — bereits eine Dejustierung, z. B. infolge von Vibration, und nicht erst der totale Ausfall signalisiert Damit wird rechtzeitig, d. h. solange der Geber die für eine Drehzahlmessung notwendigen impulse noch abgibt ein Signal ausgelöst Dies ermöglicht eine problemlose Instandhaltung und gegebenenfalls eine automatische Umschaltung auf einen Reservegeber, falls eine Störung vorliegt Weiterhin wird der Extremfall eines Geberausfalls als dauerndes Fehlersignal »Impuls« oder ein solches »Pause« ebenfalls umfaßt

Wie bereits erwähnt ist die geometrisch optimale Lage eines Gebers relativ zu den periodisch in seinen aktiven Bereich eintretenden Störelementen dann gegeben, wenn bei gleichförmiger Drehbewegung die Impulslänge bzw. die Pausenlänge der Breite eines Störelementes bzw. eines zwischen den Störelementen liegenden Luftspaltes entspricht

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird daher die Impulsdauer durch eine Aufladung und die Pausendauer durch eine Entladung eines Kondensators über einen Widerstand registriert was vorteilhaft mit einem sogenannten Wechselspanaungs-Intergrator realisierbar ist d. h. mit einem Gleichspannungsintegrator, dem ein Stabilisierungselement parallel geschaltet ist s Im Idealfall befindet sich das Ausgangssignal des Integrators nach Ablauf einer Meßperiode, d. h. nach einem Impuls und einer — z.B. gleich langen — Pausendauer, wieder in seinem ursprünglichen Zustand. Treten Abweichungen von diesem Fall auf, so erscheint

ίο aim Ausgang des integrierenden Elements ein in positiver oder negativer Richtung verschobenes Signal, das in einem Vergleichsorgan mit je einem, meistens festen, positiven oder negativen Grenzwert verglichen wird und bei Ober- bzw. Unterschreiten dieses Grenzwertes ein Signal, z. B. einen Alarm, auslöst Gegebenenfalls kann der Integrator auch durch ein als Quasi-Integrator wirkendes RC-Glied ersetzt sein. Als Stabilisierungselement können entweder ein einfacher ohmscher Widerstand oder ein Tiefpaßfilter verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert:
F i g. 1 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung;

F i g. 2 stellt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, während
Fig.3 und 4 in Detailausschnitten Varianten der Schaltung nach F i g. 2 wiedergeben.

In der Darstellung nach F i g. 1 gelangen die die Impulslänge und Impulspause wiedergebenen Ausgangssignale a eines Gebers 1 über einen Punkt A in eine Schaltungsanordnung 5, in der sie zueinander in Beziehung gesetzt werden. Ein Ausgangssignal b der Anordnung 5, das beispielsweise immer dann erscheint, wenn in der ermittelten Beziehung zwischen Impuls und Pause Abweichungen von einem Sollwert auftreten, fließt über einen Punkt B entweder — bei positiver Abweichung vom Sollwert — einem Komparator 17 oder — bei negativen Abweichungen vom Sollwert — einem gleichartigen Komparator 18 zu. In diesen Elementen 17 bzw. 18 wird das ankommende Fehlersignal mit einem Referenzwert C oder D verglichen.

Sobald das ankommende Signal b in seinem Betrag den positiven oder den negativen Bezugswert C bzw. D übersteigt, gelangt ein Ausgangssignal c bzw. d des jeweiligen Vergleichselement 17 bzw. 18 zu einem Oder-Glied 26, von dem aus in diesem Fall ein Ausgangssignal e zu einer an den Punkt E anschließbaren, nicht dargestellten Anzeigevorrichtung, beispielsweise einer Alarmanlage, führt.

Der an sich bekannte Geber oder Annäherungsschalter 1, der über eine Leitung 2 mit einer nicht dargestellten Speisespannungsquelle und über eine Leitung 4 mit dem Bezugs- oder Nullpotential 0 verbunden ist, ist auf dem Schaltbild nach Fig.2 ebenfalls nur schematisch als Block dargestellt, da er, wie eingangs erwähnt, auf sehr verschiedene Art verwirklicht sein kann. Zur Weiterleitung der von ihm erzeugten Impulse dient eine Leitung 3, die zum Eingang A der Schaltungsanordnung 5, die in dem in Analogtechnik ausgeführten Beispiel nach F i g. 2 ein integrierendes Element ist, führt. Nach F i g. 2 besteht dieses Element 5 aus einem Operationsverstärker 6, der mit Hilfe eines Kondensators 7 und eines ohmschen Widerstandes 8 funktionsmäßig als Integrator festgelegt ist. Der nicht invertierende Eingang 9 des

Verstärkers 6 liegt über einem weiteren, ohmschen Widerstand 10, der die Aufgabe hat, die thermische Stabilität des Verstärkers zu verbessern, auf Bezugspotential. Der invertierende Eingang 11 ist über den Widerstand 8 mit dem Punkt A verbunden, während der Ausgang 12 des Verstärkers zu Punkt B führt. Der Ausgang 12 und der Eingang 11 sind über den Kondensator 7 rückgekoppelt, zu dem als Stabilisierungselement 13 ein weiterer ohmscher Widerstand parallel geschaltet ist Dieser hat die Aufgabe, die Gleichstromverstärkung des Verstärkers 6 zu verringern und dadurch die Langzeitstabilität des Integrators zu verbessern oder — mit anderen Worten — die Drift am Integratorausgang 12 zu minimalisieren.

Das Element 5 in F i g. 2 kann auch einfacher als ein Quasi-lntegrator in Form eines RC-Gliedes ausgebildet sein, das einen Widerstand 8' und einen Kondensator T aufweist und in der F i g. 3 gezeigten Form zwischen den Punkten A und B sowie dem Bezugspotential 0 eingesetzt sein kann.

Für langsame Drehbewegungen, d. h. geringen Drehzahlen, ist es vorteilhaft, wenn der Widerstand 13 in F i g. 2 als Stabilisierungselement durch ein einfaches Tiefpaßfilter nach F i g. 4 ersetzt wird, das in bekannter Weise aus zwei in Serie zueinander liegenden, zum Kondensator 7 parallelgeschalteten, ohmschen Widerständen 28 und 29 besteht, zwischen denen mit seiner einen Seite ein Kondensator 30 angeschlossen ist, der mit seiner anderen Seite auf Bezugspotential 0 liegt.

Der Punkt B ist über Leitungen 14 mit dem positiven bzw. negativen Eingang 15 bzw. 16 der mit Operationsverstärkern ausgeführten Komparatoren 17 bzw. 18 verbunden, an deren negativen bzw. positiven Eingang 19 bzw. 20 der, in diesem Fall feste, obere bzw. untere Grenzwert C bzw. D geführt ist. Dieser Grenzwert C bzw. D, dessen Größe auf Grund der bei der Drehzahlmessung zulässigen Toleranzen ausgewählt ist, wird im Beispiel an einem aus den Widerständen 21, 22 und 23 bestehenden Spannungsteiler abgenommen, der die zwischen den Leitungen 2 und 4 vorhandene Speisespannung entsprechend unterteilt Überschreitet die Fehlerspannung b die eingestellten Grenzwerte C bzw. D, so erscheint am Ausgang 24 bzw. 25 eines der Komparatoren 17 bzw. 18 ein Aufgangssignal, das über ein Oder-Glied 26 auf eine Signalleitung 27 gelangt und beispielsweise zu einer nicht dargestellten Alarmanlage führt.

ίο Die einzelnen an sich bekannten Bauelemente der vorstehend geschilderten Anordnung sind vorzugsweise als integrierte Schaltungen ausgeführt, wobei die Operationsverstärker 17 und 18 in dieser Funktionsweise je einem spannungsniveauabhängigen Schalter entsprechen.

Selbstverständlich ist es möglich, statt der vorstehend geschilderten Schaltung, die in Analogtechnik ausgeführt ist, die Impuls- bzw. Pausendauer digital zu messen und weiter zu verarbeiten, was sich besonders empfiehlt, wenn im Rahmen der zu überwachenden Anlage bereits ein Rechner vorhanden ist Die Verarbeitung dieser digitalen Informationen kann dabei verschiedenartig ausgeführt werden. Wird beispielsweise in dem Rechner aus der — als Digitalsignal vorliegenden oder in solche umgewandelten — Impuls- und Pausendauer ein Quotient gebildet, so kann dieser Quotient in ähnliche! Weise wie bei der analog arbeitenden Anordnung jedoch in digitaler Form, weiterverarbeitet werden. Ir diesem Falle enthält die Anordnung 5 beispielsweise je ein bekanntes digitales Zeiterfassungselement für die Impuls- und die Pausenlänge; nach diesem Element wird dann im Rechner eine Division durchgeführt, derer Resultat als Ausgangssignal b zu einem digitaler Vergleichsorgan mit einem, durch zwei digital angegebene, feste oder auch drehzahlabhängige Grenzwerte definierten Toleranzbereich geführt wird und bein: Überschreiten dieses Bereichs ein Signal e auslöst

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Geberüberwachung bei einer Drehzahlmessung mit berührungslosen elektronischen Gebern, in deren aktiven Bereich periodisch mit der Welle umlaufende Störelemente zur Auslösung eines Impulses ein- und wieder austreten, wobei die erzeugten Impulse verarbeitet werden, gekennzeichnet durch eine elektronische Schaltungsanordnung (5), in der eine Beziehung zwischen der Dauer eines Impulses und derjenigen einer unmittelbar benachbarten Impulspause ermittelt wird, sowie durch Vergleichselemente (17,18), in denen der Istwert (b)der ermittelten Beziehung mit je einem oberen bzw. unteren Grenzwert (Cbzw. D) verglichen und durch die bei Oberschreiten dieses Grenzwertes nach oben bzw. nach untsn ein Signal fe) ausgelöst wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (5) aus einem Integrator (6, 7, 8, 10) besteht und daß als Vergleichselemente zwei Komparatoren (17, 18) vorhanden sind, denen je ein fester Grenzwert (Q D) eingegeben wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (5) aus einem RC-Glied(7',8')besteht.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator (6, 7, 8, 10) ein Stabilisierungselement (13) parallel geschaltet ist

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stabilisierungselement (13) aus einem Tiefpaßfilter (28,29,30) besteht

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Impuls- und der Pausendauer digital erfolgt und diese Meßwerte in einem digitalen Rechenwerk ausgewertet werden.