DE2544932A1

DE2544932A1 - DEVICE FOR MEASURING TORSIONAL TENSION IN A ROTATING SHAFT

Info

Publication number: DE2544932A1
Application number: DE19752544932
Authority: DE
Inventors: John David Britton
Original assignee: Loughborough Consultants Ltd
Current assignee: Loughborough Consultants Ltd
Priority date: 1974-10-08
Filing date: 1975-10-07
Publication date: 1976-04-22
Also published as: IT1049700B; FR2287690A1; GB1510126A

Description

Anmelder: Loughborough Consultants Ltd., Leicestershire, England Applicant: Loughborough Consultants Ltd., Leicestershire, England

Vorrichtung zur Messung der Torsionsspannung in einer rotierenden WelleDevice for measuring the torsional stress in a rotating shaft

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Torsionsspannung in einer rotierenden Welle entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for measuring the torsional stress in a rotating shaft according to the Preamble of claim 1.

Bekannte Vorrichtungen dieser Art enthalten eine als Brükkenschaltung ausgebildete Meßschaltung, die an der rotierenden Welle angeordnet ist und eine Ausgangsspannung abgibt, welche für die Torsionsspannung in der Wellebei einer Torsionsbelastung kennzeichnend ist. Dabei bestehen jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich der Stromversorgung der auf der Welle angeordneten Meßschaltung und hinsichtlich der Verbindung mit der stationären Anzeigeeinrichtung, weil dabei Gleitringe oder andere Einrichtungen erforderlich sind, die verhältnismäßig kostspielig oder unzuverlässig sind.Known devices of this type contain a bridge circuit trained measuring circuit which is arranged on the rotating shaft and emits an output voltage which is characteristic of the torsional stress in the shaft under a torsional load. However, there are difficulties in this regard the power supply of the measuring circuit arranged on the shaft and with regard to the connection with the stationary one Display device because sliding rings or other devices are required that are relatively expensive or are unreliable.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art unter Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß bei möglichst ein-It is therefore the object of the invention to provide a device of the type mentioned at the beginning while avoiding the disadvantages mentioned and difficulties to improve in such a way that

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facher Konstruktion eine zuverlässige Anzeige erfolgen kann.multiple construction a reliable display can be made.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrische Energie der Meßschaltung über einen Transformator zugeführt wird, dessen Sekundärwicklung um einen rotierenden Kern gewikkelt ist, welcher zwei gegenüberliegende Pole aufweist, die in einem Abstand in axialer Richtung der Welle vorgesehen sind, und dessen Primärwicklung auf einen stationären Kern aufgewikkelt ist, der zwei gegenüberliegende Pole in einem Abstand in axialer Richtung der Welle aufweist, wobei eine solche Anordnung getroffen ist, daß eine Zusammenarbeit mit jedem der Pole des Kern der Sekundärwicklung erfolgt, und daß die Ausgangsspannung der Meßschaltung durch einen mit der Welle rotierenden Spannungs-Frequenzwandler in einen Strom mit einer Impulsfrequenz umgewandelt wird, die durch das Ausgangssignal der Meßschaltung bestimmt wird, welcher Strom durch eine mit der Welle rotierende primäre Ausgangswicklung fließt und in einer stationären Ausgangswicklung einen Strom mit einer Impulsfrequenz erzeugt, die von der Spannung in der Welle abhängig ist, und welcher Strom die Anzeige der stationären Anzeigeeinrichtung bestimmt.This object is achieved according to the invention in a device of the type mentioned at the outset in that the electrical Energy is supplied to the measuring circuit via a transformer, the secondary winding of which is wound around a rotating core which has two opposite poles which are provided at a distance in the axial direction of the shaft, and the primary winding of which is wound on a stationary core which has two opposite poles at a distance in axial direction of the shaft, such an arrangement being made that cooperation with each of the poles of the core of the secondary winding takes place, and that the output voltage of the measuring circuit by a rotating with the shaft Voltage-frequency converter is converted into a current with a pulse frequency determined by the output signal of the Measuring circuit determines which current flows through a primary output winding rotating with the shaft and in a stationary output winding generates a current with a pulse frequency that depends on the voltage in the shaft, and which current determines the display of the stationary display device.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen: The invention is to be explained in more detail, for example, with the aid of the drawing. Show it:

Fig. 1 eine Ansicht einer rotierenden Welle einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, sowie einen zugeordneten stationären Teil, in Richtung der Achse der Welle;Fig. 1 is a view of a rotating shaft of a device according to the invention, as well as an associated stationary one Part, in the direction of the axis of the shaft;

Fig. 2 eine Sehnittansieht entlang der Linie A-A in Fig. 1;Fig. 2 is a sectional view taken along line A-A in Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockdiagramm der auf der Welle angeordneten Meßschaltung und einer zugeordneten Festkörperschaltung; undFig. 3 is a block diagram of the mounted on the shaft Measuring circuit and an associated solid-state circuit; and

Fig. 4 ein Blockschaltbild der stationären Anzeigeschaltung. Figure 4 is a block diagram of the stationary display circuit.

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Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung enthält eine rotierende Welle 11, an der ein rotierender Kern 13 befestigt ist. Der Kern 13 besteht aus zwei ringförmigen Flanschen 15, 17, die als Pole dienen und auf gegenüberliegenden Enden eines zentralen zylindrischen Teils 19 angeordnet sind. Der zylindrische Teil 19 und die Flansche 15, 17 sind koaxial mit der Welle 11 angeordnet. Der zylindrische Teil 19 ist mit einer Sekundärwicklung 21 umwickelt. Die Flansche 15, 17 weisen in axialer Richtung der Welle 11 einen Abstand auf.The device shown in Figs. 1 and 2 includes a rotating shaft 11 to which a rotating core 13 is attached is. The core 13 consists of two annular flanges 15, 17 which serve as poles and one on opposite ends central cylindrical part 19 are arranged. The cylindrical part 19 and the flanges 15, 17 are coaxial with the shaft 11 arranged. The cylindrical part 19 is wound with a secondary winding 21. The flanges 15, 17 point in the axial Direction of the shaft 11 at a distance.

Die Vorrichtung enthält ferner einen stationären Kern 23, der im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist und zwei Arme 25, 27 aufweist, die in axialer Richtung der Welle 11 in einem Abstand vorgesehen sind. Das Ende 29 des Arms 25 liegt gegenüber dem Flansch 15 und das Ende 31 des Arms 27 liegt gegenüber dem Flansch 17. Die Enden 29, 31 der Arme 25, 27 dienen als Pole des Kerns 23.The device further includes a stationary core 23 which is substantially U-shaped and two arms 25, 27, which are provided in the axial direction of the shaft 11 at a distance. The end 29 of the arm 25 is opposite the flange 15 and the end 31 of the arm 27 is opposite the flange 17. The ends 29, 31 of the arms 25, 27 serve as poles of the core 23.

Die Pole 29, 31 besitzen bogenförmige Ausnehmungen, von denen die Ausnehmung 33 des Pols 31 in Fig. 1 dargestellt sind, welche Ausnehmungen um die Drehachse der Welle 11 zentriert sind. Sie umfassen 60° des Umfangs der Flansche 15, 17, wie aus Fig. ersichtlich ist. Zwischen dem Kern 13 und den damit zusammenarbeitenden Polen des stationären Kerns 23 ist ein kleiner Luftspalt 35 von beispielsweise 1,25 mm vorgesehen.The poles 29, 31 have arcuate recesses, of which the recess 33 of the pole 31 is shown in Fig. 1, which recesses are centered around the axis of rotation of the shaft 11. They encompass 60 ° of the circumference of the flanges 15, 17, as shown in Fig. can be seen. There is a small air gap between the core 13 and the cooperating poles of the stationary core 23 35 of for example 1.25 mm is provided.

Die Kerne 13, 23 bestehen aus Lamellenpaketen aus Stalloy oder Weicheisen. Die Wicklung 21 kann 500 Windungen aus isoliertem Kupferdraht mit einem Drahtdurchmesser von 0,5 mm aufweisen (No. 26 SWG) und der Kern 23 kann mit einer Primärwicklung 37 mit 150 Windungen von isoliertem Kupferdraht mit· einem Drahtdurchmesser von 1 mm (No. 20 SWG) umwickelt sein. Bei dem Ausführungsbeispiel wird der Wicklung 37 eine Wechselspannung von 12V und 50 Hz zugeführt, so daß eine Wechselspannung von etwa 28V über der Wicklung 21 unabhängig davon auftritt, ob die Welle 11 rotiert oder nicht.The cores 13, 23 consist of stacks of lamellas made of stalloy or soft iron. The winding 21 can have 500 turns of insulated Have copper wire with a wire diameter of 0.5 mm (No. 26 SWG) and the core 23 can have a primary winding 37 be wrapped with 150 turns of insulated copper wire with a wire diameter of 1 mm (No. 20 SWG). In which Embodiment of the winding 37 is supplied with an alternating voltage of 12V and 50 Hz, so that an alternating voltage of about 28V occurs across winding 21 regardless of whether shaft 11 is rotating or not.

Die Kerne 13, 23 und die Wicklungen 21, 37 können als Eingangstransformator angesehen werden, wobei ein Teil des Eisen-The cores 13, 23 and the windings 21, 37 can be used as an input transformer be considered, with part of the iron

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kerns relativ zu dem anderen Teil drehbar ist. Der Wirkungsgrad beträgt zwar nur etwa 10%, aber bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur eine verhältnismäßig kleine Leistung von etwa 10 Watt in der Sekundärwicklung 21 erforderlich, so daß der geringe Wirkungsgrad nicht von Bedeutung ist.core is rotatable relative to the other part. The efficiency is only about 10%, but in the illustrated embodiment there is only a relatively small output of about 10 watts in the secondary winding 21 is required, so that the low efficiency is not important is.

Fig. 3 zeigt die mit der Welle 11 rotierende Meßschaltung. Die Schaltung enthält einen Festkörpergleichrichter und einen Spannungsstabilisator. 41, um einen geglätteten Gleichstrom mit 12 Volt unabhängig von kleineren Schwankungen des Luftspalts 35 zu liefern. Das Ausgangssignal der Schaltungseinheit 41 wird den anderen Einheiten in Fig. 3 über eine Meßschaltung bildende Brückenschaltung 43 zugeführt, die an der Welle 11 befestigt ist.3 shows the measuring circuit rotating with the shaft 11. The circuit includes a solid state rectifier and a voltage stabilizer. 41 to generate a smoothed direct current of 12 volts regardless of minor fluctuations in the Air gap 35 to deliver. The output signal of the circuit unit 41 is sent to the other units in FIG. 3 via a measuring circuit forming bridge circuit 43, which is attached to the shaft 11.

Wenn die Brückenschaltung 43 aufgrund von Torsionsspannungen in der Welle 11 nicht abgeglichen ist, tritt zwischen deren Ausgangsanschlüssen X,X eine Ausgangsspannung auf, die sich in Abhängigkeit von der Torsionsspannung ändert. Diese Ausgangsspannung wird durch einen Operationsverstärker 45 (μΑ 725) , über einen Pufferverstärker 47 (juA 741) einem Spannungs-Frequenzwandler 49 (NE566V) zugeführt, der Impulse mit einer Impulsfrequenz liefert, die von der Ausgangsspannung an den Anschlüssen X,X der Brückenschaltung abhängt und sich zwischen 1 und 16 kHz ändert. Diese Impulse besitzen ein Tastverhältnis von 1:1. Die Impulse werden einem monostabilen Multivibrator 51 (SN 74121) zugeführt, dessen Ausgangsimpulse dieselbe Impulsfrequenz besitzen, aber nur eine Standarfimpulsbreite von 1 Microsekunde.If the bridge circuit 43 is not balanced due to torsional stresses in the shaft 11, an output voltage occurs between its output terminals X, X which changes as a function of the torsional stress. This output voltage is fed through an operational amplifier 45 (μΑ 725), via a buffer amplifier 47 (juA 741) to a voltage-frequency converter 49 (NE566V), which supplies pulses with a pulse frequency that depends on the output voltage at the terminals X, X of the bridge circuit and changes between 1 and 16 kHz. These pulses have a duty cycle of 1: 1. The pulses are fed to a monostable multivibrator 51 (SN 74121) whose output pulses have the same pulse frequency, but only a standard pulse width of 1 microsecond.

Ein als Meßwertumformer dienender Transistor 53 hat eine Ausgangsleistung von einem Bruchteil eines Watts und wird von dem Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 51 gesteuert. Der Transistor gibt Stromimpulse von 1 Microsekunde DauerServing as a transducer transistor 53 has a Output power of a fraction of a watt and is controlled by the output signal of the monostable multivibrator 51. The transistor emits current pulses of 1 microsecond duration

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ab, deren Impulsfrequenz durch die Spannung über den Anschlüssen X,X bestimmt ist. Das Ausgangssignal des Transistors 53 an der Welle 11 wird über eine Ausgangswicklung 55 übertragen, ■welche koaxial mit der Welle 11 angeordnet ist und Pole wie die Pole 15, 17 aufweist.whose pulse frequency is determined by the voltage across terminals X, X. The output of transistor 53 on of the shaft 11 is transmitted via an output winding 55, which is arranged coaxially with the shaft 11 and has poles such as the poles 15, 17 has.

Durch Anschalten eines Widerstands aus einer Anzahl von Widerständen über Leitungen 57 kann der Meßbereich durch Änderung der Verstärkung des Verstärkers 45 geändert werden.By connecting a resistor from a number of resistors via lines 57, the measuring range can be changed by changing the gain of the amplifier 45 can be changed.

Das Blockschaltbild in Fig. 4 zeigt den stationären Teil der elektrischen Schaltung, der mit der Schaltung in Fig. 3 zusammenarbeitet, um von der Brückenschaltung 43 abgegebene Signale als Fernmeßsignale zu einem stationären Empfänger zu übertragen, dessen Ausgangssignal durch ein Meßgerät 61 gemessen wird.The block diagram in FIG. 4 shows the stationary part of the electrical circuit which is associated with the circuit in FIG cooperates to output signals from the bridge circuit 43 as remote measurement signals to a stationary receiver transmitted, the output of which is measured by a measuring device 61.

In einer Sekundärwicklung 63 werden durch die Primärwicklung 55 Impulssignale induziert, deren Impulsfrequenz von der Ausgangsspannung der Brückenschaltung abhängt. Diese Impulse werden einem Operationsverstärker 65 (μΑ 725) zugeführt.In a secondary winding 63 pulse signals are induced by the primary winding 55, the pulse frequency of which depends on the Output voltage of the bridge circuit depends. These pulses are fed to an operational amplifier 65 (μΑ 725).

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 65 besteht aus Impulsen mit etwa 1 Microsekunde Impulsbreite und wird einem Hochpaßfilter 67 zugeführt, der Frequenzen unterhalb 300 Hz nicht durchläßt. Jeder dieser Impulse triggert eine monostabile Schaltung 69 (SN 74121), die als Impulsdehner dient, um Impulse von etwa 100 Microsekunden Länge abzugeben. Diese längeren Impulse gelangen in einen Frequenz-Spannungswandler 71, an den das Meßinstrument 61 angeschlossen ist. Eine digitale Anzeigeeinrichtung kann über eine Leitung 73 versorgt werden oder ein analoges Ausgangssignal kann über eine Leitung 75 abgegeben werden.The output of the operational amplifier 65 exists from pulses with about 1 microsecond pulse width and is fed to a high-pass filter 67, the frequencies below 300 Hz does not pass. Each of these pulses triggers a monostable Circuit 69 (SN 74121), which serves as a pulse stretcher to deliver pulses of about 100 microseconds in length. These longer pulses reach a frequency-voltage converter 71 to which the measuring instrument 61 is connected. A digital one The display device can be supplied via a line 73 or an analog output signal can be supplied via a line 75 be delivered.

Fig. 4 zeigt einen Netzanschluß 77 für 50 oder 60 Hz zur Versorgung einer stationären Spannungsquelle 79 für die Wicklung 37 und einer stabilisierten Versorgungsschaltung 81, die + und -15V Gleichstrom an die übrige Schaltung in Fig. 4 liefert. 4 shows a mains connection 77 for 50 or 60 Hz for supplying a stationary voltage source 79 for the winding 37 and a stabilized supply circuit 81 which supplies + and -15V direct current to the remainder of the circuit in FIG.

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Fig. 4 zeigt ferner eine stationäre Lichtquelle in Form einer Lampe 83. Die Lampe 83 leuchtet auf, wenn eine Taste am Bedienungspult der Vorrichtung betätigt wird.Fig. 4 also shows a stationary light source in the form of a lamp 83. The lamp 83 lights up when a key is on Control panel of the device is operated.

An der Welle 11 ist ferner ein photoelektronisches Bauelement in Form einer Photozelle 85 (Fig. 3) angeordnet. Wenn bei der Drehung der Welle 11 sich die Photozelle 85 gegenüber der Lampe 83 befindet, fällt der Widerstand der Photozelle 85 bei Beleuchtung durch die Lampe ab und ein elektrischer Impuls wird erzeugt, der durch eine Einheit 87 verstärkt und geformt wrd. Durch den resultierenden Impuls wird eine Verzögerungsschaltung 89 (NE556) betätigt, die während beispielsweise 20 Sekunden einen Festkörperschalter 91 (beispielsweise einen Transistor BC 108 oder 2N 3819) geschlossen hält, wodurch zwischenzeitlich ein Eichwiderstand 93 über einen Zweig der Brückenschaltung 43 angeschlossen wird. Dann gibt die Brückenschaltung an ihren Ausgangsanschlüssen eine vorherbestimmte Ausgangsspannung ab, so daß die Genauigkeit der Arbeitsweise von der Brückenschaltung 43 zu dem Meßinstrument 61 geprüft werdenkann.A photoelectronic component in the form of a photocell 85 (FIG. 3) is also arranged on the shaft 11. If at the rotation of the shaft 11, the photocell 85 is located opposite the lamp 83, the resistance of the photocell 85 falls Illumination by the lamp and an electrical impulse is generated which is amplified and shaped by a unit 87. The resulting pulse creates a delay circuit 89 (NE556) actuated, which for example 20 seconds a solid-state switch 91 (for example a transistor BC 108 or 2N 3819) keeps closed, which in the meantime a calibration resistor 93 is connected via a branch of the bridge circuit 43. Then the bridge circuit gives on its output terminals a predetermined output voltage, so that the accuracy of the operation of the bridge circuit 43 to the measuring instrument 61 can be checked.

Alle in Fig. 3 dargestellten Schaltungselemente drehen sich mit der Welle 11. Der Leistungsverbrauch beträgt nicht mehr als 1 oder 2 Watt, da die Schaltung im wesentlichen aus der Brückenschaltung 43 und der zugeordneten Festkörperschaltung mit Transistoren und integrierten Schaltungen besteht. Die Wicklung 21 und die Einheit 41 liefern diese verhältnismäßig kleine Leistung ohne nachteilige Verluste. Die Verluste können verringert werden, wenn von dem Netzanschluß 77 eine Spannung mit 400 Hz geliefert wird.All circuit elements shown in Fig. 3 rotate with the shaft 11. The power consumption is no longer than 1 or 2 watts, since the circuit consists essentially of the bridge circuit 43 and the associated solid-state circuit with transistors and integrated circuits. The winding 21 and the unit 41 provide these relatively small ones Performance without detrimental losses. The losses can be reduced if a voltage from the mains connection 77 with 400 Hz is delivered.

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Claims

Oct. 6, 1975 -7- L-3805

Claims

f 1.J Device for measuring the torsional stress in a rotating shaft, with a measuring circuit arranged on the shaft which, when a voltage is applied, emits an output voltage dependent on the torsional stress in the shaft, and with a device for supplying electrical energy to the rotating shaft Measuring circuit and a stationary display device for displaying the output signal of the rotating measuring circuit, characterized in that the energy is supplied via a transformer which has a secondary winding (21) on a rotating core (13) with two opposing poles (15) which extend in the axial direction of the shaft are arranged at a distance, and a primary winding (37) on a stationary core (23) which has two opposite poles (29, 31) which are arranged in the axial direction of the shaft and each with the poles (15, 17 ) of the rotating core (13) cooperate, and that the output voltage of the measuring circuit (43) durc h a voltage-frequency converter (49) rotating with the shaft is converted into pulses with a pulse frequency which is determined by the output voltage of the measuring circuit, which current flows through an output winding (55) rotating with the shaft and in a stationary secondary winding (63) induces a current with a pulse frequency which is dependent on the voltage in the shaft (11), and that this current causes the display of the stationary display device (61).

2. Device according to claim 1, characterized in that that the pole faces of the core (23) of the transformer have an angle of less than 180, preferably about 60, at the axis of the shaft.

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3. Device according to claim 2, characterized in that that the poles (15, 17) of the core (13) of the secondary winding (21) of the transformer both have a surface of revolution have around the axis of the shaft that each of the poles of the primary winding (37) has an arcuate recess (33) which around the axis of rotation of the shaft is centered, in which part one of the poles (15, 17) of the secondary winding (21) is received, and that a small air gap is provided between the rotating poles (15, 17) and the stationary core (23).

4. Apparatus according to claim 1, characterized in that a test circuit for the operation the device is provided, consisting of a stationary light source (83), a photoelectronic component (85) the shaft (11) which can be illuminated by the light source, and a circuit with which the photoelectronic is illuminated when the light source is illuminated Component (85) a calibration element (93) is connected to the measuring circuit in the meantime and a predetermined one from this Output voltage is supplied.

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