DE2636086A1 - Messwertaufnehmer zum beruehrungslosen messen von werkstoffspannungen, insbes. von drehmomenten an rotierenden wellen, insbes. bei extremen umgebungsbedingungen - Google Patents

Description

• Meßwertaufnehmer zum berüfrungslosen Massen
• von Werkstoffspannungen, insbesonder von Drehmomenten an rotierenden Wellen, insbesondere bei extremen Umgebungsbedigungen Die Erfindung betrifft einen Meßwertaufnehmer zum berührungslosen Messen von Werkstoffspanungen, insbesondere von Drehmomenten an rottierende Wellen. Sie besteht aus auf die zu messende Welle aufgeklebten Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen einer Meßbrücke, aus induktiven Übertragungssystemen zur Zuführung der Brückenspeisespannung sowie zur Übertragung der Brückendiagonalspannung auf ein nach dem Trägerfrequenzfahren arbeitendes Meßgerät.
• Bekannt ist eine Einrichtung zur Drehmomentmessung (DT-OS 2 148 493) an Wellen mit hoher Drehzahl, bei der die mit mittels Induktionsspulen übertragene Tonfrequen zspannung gleichgerichtet und zur Speisung der DehnungsmeßstreifenbrUoke benutzt wird. Die an der Ausgangsdiagonalen auftretende Meßspannung wird zur Steuerung eines Änalog-I)igital-Wandlers benutzt, so daß die Ausgangsfrequenz dem Meßwert proportional ist. Diese Ausgangsfrequenz kann nur durch eine nachgeschaltete Auswertelektronik in eine korrekturfähige digitale Anzeige umgewandlet werden.
• Diese bekannte Einrichtung zur Drehmomentmessung ist insbesondere für hohe Drehzahlen - bis zu 15 000 Umdrehungen -ausgelegt und wird bei normalen Temperaturverhältnissen ausreichend genaue Meßergebnisse liefern. Um jedoch die bei hohen Drehzahlen auftretenden beträchtlichen Fliehkräfte möglichst niedrig zu halten, sind bei dieser Einrichtung der Impulsgeber und der Stromversorgungsteil in Achsmitte der Drehmomentmeßwelle angeordnet. I)iese Maßnahme setzt Jedoch einen Mindestdurchmesser der Meßwelle voraus, der nicht unterschritten werden kann.
• Außerdem wird diese Anordnung bei höherer Umgebungstemperatur ungenaue Resultate liefern. Diese Einrichtung erfordert somit einen erheblichen Aufwand.
• Schließlich sind in dem Aufsatz "Drehmomentmessung mit elektrischem Signalausgang" (Zeitschrift für industrielle Fertigung 63 (1973), Seite 289 bis 292) Drehmomentmeßwellen mit schleitringloser Übertragung der BrUckenspeisespannung und des Brücken diagonalsignals beschrieben.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehmomentmeßnabe mit geringem Einbauvolumen zu erstellen, die sowohl bei hohen Drehzahlen als auch bei hohen Umgebungstemperaturen (z. B.
• 1800 C) genaue Werte liefert.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht in einem Meßwertaufnehmer nach Patentanspruch 1 bzw. Patentanspruch 2.
• Der Meßwertaufnehmer nach vorliegender Erfindung ist sehr kompakt und kann ohne Schwierigkeiten mit geringen Außenabmessungen aus Serien teilen des Elektromaschinenbaus und somit sehr wirtschaftlich gefertigt werden.
• Außer dem geringen Einbauvolumen zeichnet sich der vorliegende Meßwertaufnehmer durch seine Eignung für hohe Drehzahlen, hohe Umgebungstemperaturen (bis zu 1800 C) sowie durch seine Widerstandsfähigkeit bei hohen Beschleunigungen und gegen aggressive Gase und Flüssigkeiten aus. Ferner ist der vorgeschlagen Meßwertaufnehmer wartungsfrei.
• In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein Schaltbild des Meßwertaufnehmers; Fig. 2 das Schaltbild eines Gerätes zur Lieferung der BrUckenspeisespannuDg und zum Messen der BrUckendiagonalspannung nach dem Trägerfrequen zverfahren.
• Fig. 3 den Einbau eines Meßwertaufnehmers.
• Der Meßwertaufnehmer besteht aus einer Meßbrücke mit den vier Dehnungsmeßstreifen R1, R2, R3, R4. Vorzugsweise werden Halbleiter-DehnungsmeBstreifen eingeseaetzt, bei denen das Verhältnis von Meßsignal und Dehnung groß ist und daher auch ein größerer k-Faktor vorhanden ist. Gegenüber einem Meßsignal im Millivolt-Bereich liegt bei Halbleiter-Dehnungsstreifen das Meßsignal im Voltbereich. Zur Kompensation des Nullpunktes der Meßbrücke ist zwischen den beiden Dehnungsmeßstreifen R3 und R4 ein Abgreifwiderstand R5 aus-bifilar aufgebrachten Kupfer- oder Manganindrähten angeordnet. Der Schleifer bildet den Anschlußpunkt D der Brücke. Der Anschlußpunkt A der Meßbrücke zwischen den beiden Dehnungsmeßstreifen R1 und R2 ist mit der Rotorspule P1 des induktiven ffbertragungssystems I1 für die Speisespannung verbunden. Das andere Ende der Rotorspule P1 ist mit dem Anschlußpunkt D an dem Abgreifwiderstand R5 verbunden. Die Rotorspule P1 ist von einer Statorspule S1 umschlossen, der die zu übertragende Speisespannung für die Neßbrucke überdie Anschlußpunkte a und c zugeführt wird.
• Die an den Anschlußpunkten B und C abzunehmende Meßspannung wird der Rotor spule P2 des induktiven tlbertragungssystems I2 zugeführt. Die Meßspannung wird von der Statorspule S2 über die Anschlußpunkte b und d einer Meßeinrichtung zugeführt.
• Da die Halbleiter-Dehnungsmeßstreiben gegenüber Temperaturechwankungen empfindlich sind, ist zur Temperaturkompensation der Meßwerte parallel zur Rotorspule P2 oder parallel zur Statorspule 52 ein temperaturabhängiger Widerstand (NUC oder PTC) R6, R6a geschaltet.
• Um die durch die induktive Uber-tragung bedingte Phasenverschiebung der Meßspannung am Ausgang b/d gegenüber dem Eingang a/c der Speisespannung aufzuheben, ist parallel zur Spule S2 ein Phasenschieber mit einem Potentiometer r und einem Kondensator k angeordnet.
• In der Anordnung der Meßbrücke mit Halbleiter-I)ehnungsmeßstreifen und mit den beschriebenen Vorkehungen zum AUsgleich der temperaturbedingten Abweichungenloinnen Meßgenauigkeiten mit Abweichungen bis 1,5 % erreicht werden. Werden dagegen in der Meßbrücke übliche 1?ehnungsmeßstreifen mit Drahtwendel angeordnet, so muß mit Meßfehlern bis zu 5 % gerechnet werden.
• In Fig. 2 ist in einer beispielsweisen Ausführung ein Gerät zur Erzeugung der BrUckenspeisespannung sowie zum Messen der Brückendiagonalspannung schematisch dargestellt.
• In dem dargestellten Schema speist eine Gleichstromquelle N einen Oszillator 0, der den für die induktiven obertragungssysteme notwendigen Wechselstrom liefert. Selbstverständlich kann anstelle der Gleichstromquelle auch eine Wechselstromquelle vorgesehen werden.
• Die an das zweite Übertragungssystem I2 angeschlossene Meßeinrichtung besteht aus einem Verstärker V, einem Demodulator Q sowie einem Ausgangsverstärker mit Glättungsfilter 1> und dem Meßgerät M. Zum Einregulieren des Verstärkers V sind in ihm ein veränderlicher Widerstand R7 und ein veranderlicher Kondensator K angeordnet. Zur Einregelung der Phasenlage ist zwischen dem Oszillator 0 und dem Demodulator Q ein Phasenschieber P angeordnet.
• Durch einen anf der Meßwelle angeordneten Eichwertgeber kann die gesamte Meßeinrichtung in einfacher Weise überprüft werden. Über einen Reed-Kontakt Sch ist ein Widerstand R8 parallel zu einem Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen, z. B. zu R1 angeordnet. Über den Reed-Xontakt Sch kann mittels einer ruhenden Ringspule der Widerstand eingeschaltet werden. An dem Meßgerät muß eine dem bekannten Widerstand R8 und der mechanischen Größe entsprechende Anzeige erfolgen.
• Fig. 3 zeigt die Anordnung des Meßwertaufnehmers in einer Drehmomentmeßnabe. Hierin ist 1 der Eingangsflansch mit der Messwelle 2, die über die Hohlwelle 3 mit dem Äusgangsflansch 4 mittels Keilwellenprofil verbunden ist.Auf die Messwelle 2 ist die Meßbrücke R aufgeklebt. Um eine gegenseitige Beeinflussung der beiden induktiven Übertragungssysteme I1 und I2 zu vermeiden, muß zwischen diesen ein ausreichender Abstand eingehalten werden.
• Es ist daher zweckmäßig, zwischen den beiden Übertragungssystemen das für die Lagerung erforderliche Lager 6 anzuordnen. FMr die beiden Übertragungssysteme beträgt der Querschnitt der einzelnen Spulen ca. 0,5 cm², so daß diese Spulen überall eingebaut werden können. Mittels einer Steckverbindung 5 wird die erforderliche elektrische Energie für die Meßbrücke zugeführt bzw. mit einer nach dem Trägerfrequ en zverfahren arbeitenden Meßeinrichtung verbunden.

Claims (4)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Meßwertaufnehmer zum berührungslosen Messen von Werkstoffspannungen, insbesondere von Drehmomenten an rotierenden Wellen, bestehend aus auf die zu messende Welle aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen einer Meßbrücke, induktiven Übertragungssystemen zur Zuführung der Brückenspeisespannung sowie zur Übertragung der riickendiagonäbpannung auf ein nach dem Tragerfrequenzverfahren arbeit endes Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturabhangiger Widerstand (R6) parallel zur Statorspule (S2) des zwischen der BrEckenausgangsdiagonalen und der Meßeinrichtung angeordneten induktiven tbertragungssystems (I2) geschaltet ist.
2. 2. Meßwertaulnehmer zum berührungslosen Messen von Werkstoffspannungen, insbesondere von Drehmomenten an rotierenden Wellen, bestehend aus auf die zu messende Welle aufgeklebten Dehnuagsmeßstreifen einer Meßbrücke, induktiven Ubertragungssystemen zur Zuführung der BrUckenspeisespannung sowie zur Ubertragung der BrEckendiagonalspannung auf ein nach dem Trägerfrequenzverfahren arbeitendes Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturabhängiger Widerstand (R6a) parallel zur Rotorspule (P2) des zwischen der Brückenausgangsdiagonalen und der Meßeinrichtung angeordneten induktiven Übertragungssystems (I2) geschaltet ist.
3. 5. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßbrücke Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind.
4. 4. Me-ßwertaufnehmer nach den Ansprüchen 1 und 3 oder 2 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem die Brückenspeisespannung übertragenden induktiven Ubertragungssystem (I1) und dem die Brückendiagonalspannung übertragenden induktiven ttbertragungssystem (I2) das fUr die Lagerung der Meßwelle (2) erforderliche Lager (6) angeordnet ist.