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Drehmomentmeßsystem
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Drehmementes
einer Kraftmaschine oder einer elektrischen Maschine mittels mehrerer am Umfang
einer Welle oder einer Kupplung verteil-c angeordneter Dehnungsmeßstreifen, deren
Dehnung in eine elektrische Größe umgesetzt und diese elektrische Größe vom rotierenden
Teil der Maschine auf de.n feststehender: Teil dXer Maschine übertragen und einem
Auswer-tegerat. zugeführt wird, Eine solche Einrichtung ist z.B. aus der Zeitschrift
"Glasers Annalen" Jahrgang 1963 Seite 538 und 539 bekannt.
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Die Messung der Verluste eines Energiewandlers, æeBe einer Kraftmaschine
oder einer elektrischen Maschine ist sowohl für den Garantienachweise als auch für
die technische Wei.terentwicklung erforderlich. Soweit es sich wm elektrische Maschinen
hande] t, ist der gegenwärtige Stand der Meßtechnik durch die VDE-Vorschrift 0530
Teil 2/8.66 festgelegt. Die hier angeführten Meßmethoden sind vorwiegend bei Probeläufen
im Prüffeld des Herstellers anwendbar, wobei das Einzelverlustverfahren mit Messungen
im Leerlauf und im Kurzschluß wegen seiner
Genauigkeit und AussagefahiFkei-t,
besonders bei großen Einheiten bevorzugt wird. Mit wachsender Einheitsleitung steigt
jedoch der Aufwand für Werksprobeläufe überproportional mit der Maschinenleistung
an, so daß es zweckmäßig erscheint, solche Messungen in der Anlage des Betreibers
unter echten Betriebsbedingungen auszuführen. Da auf den Anlagen praktisch nur Turbinenantrieb
(Dampf-, Gas oder Wasserturbine) vorkommt, kann die an der Kupplung zur elektrischen
Maschine abgogebene Leistung mit bisher üblichen Mitteln nacht ausreichend genau
gemessen werden. Es ist zwar das kalorimetrische Meßverfahren bekannt (vgl. VDE
0530 Teil 2/8.66 § 28 und z.B. den Aufsatz "Kalorimetrische Verlustmessungen bei
elektrische Maschinen" veröffentlicht in ETZ A 1970, Seite 593 bis 598), welches
für die Messung von Einzelverlusten und deren finiktionaler Abhängigkeit wegen der
langen Zeiten zum Einfahren des thermisch stationären Zustandes für jeden einzelnen
Meßpunkt jedoch sehr schwerfällig ist.
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Es ist weiterhin bekamlt, Drehmomentmessungen durch Messung der Torsion
der Antriebswelle oder einer Kupplung mit Hilfe von Dehnmeßstreifen vorzunehmen.
Da jedoch die Verluste von elektrischen Großmaschinen nur etwa in der Größenordnung
von 1/100 der Nennleistung liegen, ist die schon bei Nenn-Drehmoment nicht ohne
weiteres meßbare Torsionsgröße der Welle im Leerlauf oder Kurzschluß um zwei Größenordnungen
niedriger, so daß dieses Meßverfahren bisher nicht anwendbar war, da bei bekannten
Meßverfahrenfiie Dehnmeßstreifen nur Signalspannungen in der Größenordnung einiger
Mikiiovolt liefern, Aus diesem Grund wurde der Einsatz von Dehnmeßstreifen für die
Messung der Verluste von elektrischen Maschinen bisher nicht als sinnvoll angesehen,
wenn gleichzeitig erhebliche Genauigkeitsansprüche an den Meßwert gestellt werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Empfindlichkeit der oben erwähnten
Meßanordnung so zu verbessern, daß die durch das Verlustdrehmoment im Leerlauf bzw.
im Kurzschluß einer elektrischen Maschine in der Welle hervorgerufenen, sehr kleinen
Torsionsspannungen im Luf bei Turbinenantrieb mit der erforderlichen Genauigkeit
gemessen werden können, Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei der eingangs erwähnten
Anordnung erfindungsgemäß darin, daß jeweils mehrere Dehnmeßstreifen zu einer elektrischen
Brückenschaltung zusammengeschaltet sind deren elektrische Ausgänge in Reihe geschaltet
sind, und. welche jeweils in der einen Brückendiagonale von einer Stromquelle gespeist
sind, wobei die Brückenschaltungen so zusammengeschaltet sind, daß sich die der
Dehnung proportionalen Signale addieren, daß fernerhin ein Verstärker vorgesehen
ist, dessen Eingang mit dem Ausgang der Brücken verbunden ist und daß der Ausgang
desselben mit einem telemetrischen Gerät elektrisch verbunden ist und ein feststehendes
Empfangsgerät in der Nähe der Maschine vorgesehen ist, an das ein Auswertegerät
und ein Anzeige gerät für die Anzeige des Drehmomenten-Me Meßwertes angeschlossen
ist.
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Durch die Zusammenschaltung mehrerer am Umfang verteilter Meßbrücken
und durch die Verstärkung des am Ausgang dieser Zusammenschaltung über Mehrwicklungsübertrager
anstehenden Signales in einem Verstärker wird ein für eine Übertragung auf den festen
Teil der Maschine gegenüber gegebenenfalls vorhandenen Störspannungen ausreichend
großes Signal erhalten.
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Gleichzeitig erfolgt hierbei eine Mittelwertbildung der Tor-' sionsspannungen
über den Umfang der Welle. Die Skala des Anzeigegerätes läßt sich direkt in Nm eichen.
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In zweckmäßiger Weise ist vorgesehen, daß die Längsachsen der Dehnungsmeßstreifen
jeweils in einem Winkel von 450 tangential gegenüber der Wellenachse angeordnet
sind. Bei einem weiteren Merkmal der Erfindung dient als Stromquelle für die Speisung
der Meßbrücken mindestens eine mitrotierende Trockenbatterie. Dabei kann zur Potentialtrennung
pro Meßbrücke eine getrennte Trockenbatterie vorgesehen sein.
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Entsprechend einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung ist als
als Stromquelle der Ausgang einer aus einem feststehenden, von einem Wechselstrom
gespeisten Geber und einem rotierenden Empfänger bestehenden Energieübertragungseinrichtung
vorgesehen. Dabei kann der Empfänger galvanisch getrennte Wicklungen fiir die Speisung
jeder der Meßbrücken aufweisen.
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Bei einer anderen Ausbildungsforn der Erfindung wird das sowieso vorhandene
nicht vermeidbare Streufeld bei einer Anwedung der Vorrichtung bei einer elektrischen
Maschine ausgenutzt. Dabei ist eine Induktionsspule vorgesehen, in welcher durch
das vorhandene Streufeld eine Wechselspannung induziert wird..
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen,
daß die Reihenschaltung der verschiedenen Brückenschal-nschaltung tungen der Dehnmeßstriefen
induktiv durch Zwischenschaltung eines Mehrwicklungsübertragers erfolgt, wobei für
jede Brücke eine besondere Wicklung vorgesehen ist. Nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung ist vorgesehen, daß als temetrisches Gerät ein auf eine Antenne arbeitender
Hochfrequenz-Sender mit einer Modulationsstufe dient, durch welche letztere die
hochfrequente Spannung des Senders mit einer dem Meßwert proportionalen Wechselspannung
moduliert wird. In zweckmäßiger Weise ist vorgesehen, daß der Sender eine Einrichtung
zur Frequenzmodulation aufweist. Dabei wird zweckmäßiger weise
eine
Frequenz im Megaherz-Bereich vorgesehen. Spannungen mit einer solch hohen Frequenz
sind praktisch völlig unempfindw lich gegen von der elektrischen Maschine herriihrende
Störungen, so daß eine fehlerfreie Übertragung auf den Empfänger mit großer Genauigkeit
möglich ist.
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Bei einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß
als telemetrisches Gerbt ein auf eine Antenne arbeitender Hochfrequenz-Sender vorgesehen
ist, der mit einer Einrichtung zur Pulscocle-"Modulati.on versehen ist, und daß
zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem Hochirequenz-Sender ein Unsetser mit
einer Einrichtung zur Umsetzung des Ausgangssignals in ein Pulscode-Signal vorgesehen
ist. Auch solche codierten Signale sind praktisch gegenüber den von elektrischen
Maschinen herrührenden Störspannungen und Störfeldern unempfindlich, so daß eine
für den Meßzweck genügend genaue Meßwertübertragung auf den Empfänger zu erwarten
ist.
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In zweckmäßiger Weise sind die Dehnmeßstreifen einschließlich der
Verstärker mit einer magnetischen Abschirmung versehen so daß diese von Streufeldern
der elektrischen Maschine nicht beeinflußt werden können.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten
Aus fb.hrungsbe ispi el.
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Es zeigen: Fig. 1 eine räumlich-schematische Darstellung einer Vorrichtung
nach. der Erfindung, Fig. 2 ein Blockschaltbild der Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 3 einen Ausschnitt der Schaltung auf dem rotierenden Teil der Maschine mit
mitrotierender Gleichstromquelle und Fig. 4 einen Ausschnitt der Schaltung mit einer
stationären Wechselstromquelle.
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In den Zeichnungen ist mit 11 die Generatorwelle, mit 12 das Trägerrad
für die Aufnahme der mitrotierenden Geräte, mit 13 die gupplung.zwischen Generator
und Turbinenwelle und mit 14 die Turbinenwelle bezeichnet. Das Trägerrad 12 ist
im Querschnitt B-förmig aufgebaut und nimmt die mitrotierenden Geräte an der Innenseite
des nach der Seite offenen Ringes auf.
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Weiter sind mit 21 die Delmmeßstreifen, die entweder als Metalldehnstreifen
oder als Halbleiterdehnstreifen ausgebildet sein können, bezeichnet. Es sind jeweils
vier in einer Brückenschlatung angeordnet Dehnmeßstriefen vorgesehen.
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Sie sind jeweils in einem Winkel von 450 tangential -gegeniiLovr der
Wellenachse angeordnet. Mehrere solcher aus zusammengeschalt eten Dehnmeßstreifen
bestehende Brücken sind am Umfang verteilt auf der Generatorwelle angeordnet0 Durch
die am Umfang verteilt angeordneten Brückenschaltungen ergibt sich eine Mittelwertbildung
der durch die Torsionsbeanspruchung der Welle entstehenden Signale. Wie schon erwähnt,
sind innerhalb des Trägerrades die Bauelemente für die Auswertung der Signale der
Dehnmeßstreifen, nämlich das Addierglied 24, der Verstärker 25, die Modulationsstufe
26, das Korrekturglied 252, der Verstärker 251, der Sender 27 und die Antenne 28
angeordnet. Bei der Schaltung nach Figur 3 sind anstelle des rotierenden Ubertragers
23 die Gleichstrombatterien 22 vorgesehen. Sämtliche Geräte sind für d.ie auftretenden
hohen Zentrifugalkräfte dimensioniert.
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Bei der in Figur 3 dargestellten Ausschnittsschaltung erfolgt die
Speisung dieser Brückenschaltung jeweils durch getrennte Gleichstromquellen und
zwar in Form von Batterien. Es ist dann möglich, die Ausgänge der einzelnen Brücken
galvanisch in Reihe zu schalten und das bei einer Verdrehung der Welle
anstehende
Signal dem Verstärker 25 zuzuleiten. Die Lebensdauer der Batterien ist für kurzzeitige
Messungen, bei welchen z,B. nur die Leerlauf- und Kurzschlußleistung gemessen wird,
ausreichend, Bei der in Figur 4 dargestellten Ausschnittsschaltung ist eine IYechselstromguelle
32 im stationären Teil vorgesehen, die über einen rotierenden Transformator 33,
23, dessen Wicklung 33 im feststehenden und dessen Wicklung 23 im rotierenden Teil
der Maschine angeordnet ist, eingespeist. Hier sind in bezug auf die Einspeisung
meluere Brückenschaltungen parallelgeschal, tet. Die Ankoppelung der Ausgänge der
Brücken erfolgt induktiv über Übertrager 24 an den Verstärker 25. Dabei werden die
bei einer Verdrehung der Welle entstehenden Signale addiert, wodurch eine Spannungs
erhöhung stattfindet.
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Die Rm Ausgang des Verstärkers 25 anstehenden Signale werden weiter
einer Modulationsstufe 26 zugefuhrt, welche mit dem Sender 27 zusammengeschaltet
ist. Das vom Sender erzeugte modulierte Signal wird über eine Antenne 28 ausgestrahlt.
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Die Modulationsstufe 26 kann sowohl für eine Amplitudenmodulation
als auch für eine Pulscodemodulation konzipiert sein. Bei der letzteren sind die
ausgestrahlten Signale gegenüber Störspannungen bzw. Störfeldern praktisch unempfindlich.
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Im feststehenden Teil der Maschine ist eine Antenne 78 vorgesehen
welche als die Generatorwelle umfassende Ringantenne ausgebildet ist. Die mit der
Antenule 38 empfangenen Signale werden dem Empfänger 37 zugeführt, welcher miX6iner
Demodulationsstufe 36 verbunden ist, der wieder ein Meßwertausgabeglied 35 nachgeschaltet
ist. Vom Ausgang des Meßwertausgabegliedes 35 wird das Signal einem Meßinstrument
34 zugeführt, welches in Drehmoment oder in Leistung gewicht sein kann.
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Bei der Verwendung von Halbleiterdehnmeßstreifen kann eine gewisse
Änderung der Ausgangssignale bei einer Temperatur änderung stattfinden. Um einen
solchen Temperatureinfluß trotz der Kompensation infolge der Vollbrückenschaltung
auf die jeweils verwendeten Dehnungsmeßstreifen 21 ausgleiche zu können, ist auf
der Welle 11 i.n unmittelbarer Nähe der Dehnmeßstreifen 21 je ein Temperaturfühler
2i1 vorgesehen (siehe Fig. 2), der über einen Verstärker 251 an einen zweiten Eingang
der Modulationsstufe 26 angeschlossen ist. In der Modulationsstufe 26 wird auf das
Sendersignal ein zweites Signal aufmoduliert und auf dem gleichen Wege, wie bereits
oben geschildert, über Sender 27, Antenne 28, Empfangsantenne 38 auf den Empfänger
37 übertragen. Das Temperaturmeßssignal gelangt über einen zweiten Kanal in der
Demodula-Tionsstufe 36 und das Meßwertausgabeglied 35 an den zweiten Aus gang desselben
und von dort auf ein Temperaturanzeige gerät 341. Aufgrund des von dem Temperaturanzeigegerät
341 angezeigten Wertes kann die We 11 enle istungs angabe des Anzeigegerät es 34
entsprechend korrigiert; werden.
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Das bereits erwähnte Korrekturglied 252, welches zwischen Verstärker
25 und Viodulati ems stufe 26 zwischengeschaltet ist (siehe Fig. 2) und dessen zweiter
Eingang mit dem Verstärke 251 verbunden ist, erhält von diesem ein Korrektursignal
entsprechend der Höhe des mit dem Temperaturfühler 211 gemessenen Temporaturwertes.
Durch das Korrekturglied ist es möglich, die Fehler, die sich durch die Temperaturveränderung
in dem Dehnungsmeßstreifen ergeben, zu korrigieren. Die weitere Signalübertragung
kann dann einkanalig erfolgen und das Temperaturanzeigegerät 341 kann in Wegfall
kommen, da der Meßwert des Anzeigegerätes 34 dann ausreichend genau ist.
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Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen,
daß weitere im rotierenden Teil erzeugte Signale über einen weiteren Kanal des Senders
bzw. des Empfängers übertragen werden. Hierfür kommen insbesondere die Stromwerte
im Erregerkreis in Frage, falls die Erregung über eine mit rotierende lllelIenstrommaschi.ne
und nachgeschaltete mitrotierende Thyristoren erfolgt. Diese Signale werden nach
Passieren des Empfängers und der Derlodulationsstufe der Steuerung für die Ansteuerung
des Gates der Thyristoren für die Erregung der Maschine zugeführt.