DE2737233C2 - Verfahren und Vorrichtung zur exakten Messung von um einen Mittelwert schwankenden Frequenzen rotierender oder schwingender Körper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur exakten Messung von um einen Mittelwert schwankenden Frequenzen rotierender oder schwingender Körper, die mit äquidistanten Markierungen versehen sind und die stroboskopisch mit der Frequenz des Mittelwerts beleuchtet werden.

Die Methode, konstante Drehgeschwindigkeiten mit Hilfe von Stroboskopen zu messen, ist seit langem bekannt. Beleuchtet man z. B. einen mit einer bestimmten Frequenz schwingenden Gegenstand mit intermittierendem Licht der gleichen Frequenz, so scheint der Gegenstand stillzustehen, da jeder Lichtblitz den Gegenstand im gleichen Bewegungszustand antrifft. Man kann dann aus der scheinbaren Ruhe des periodisch bewegten Gegenstandes bei Kenntnis der Periodenzahl der stroboskopischen Einrichtung bzw. des intermittierenden Lichtes auf seine Bewegungsfrequenz schließen.

Eine weiterhin bekannte Möglichkeit, Drehzahlen zu messen, besteht darin, daß der sich drehende Körper mit einem Impulsgeber verbunden wird, der pro Umdrehung eine feste Zahl von Impulsen abgibt. Aus der Zahl der Impulse und der Geschwindigkeit der Impulsfolge können dann die Frequenz- und die Umdrehungsgeschwindigkeit des Körpers bestimmt werden.

Diese beiden Verfahren sind jedoch nur dann geeignet, wenn die zu ermittelnde Frequenz konstant ist oder aber die Abweichungen vom Mittelwert der Frequenz nicht weiter untersucht werden sollen.

Aus der DE-PS 12 69 550 sind zudem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Drehzahl hochtouriger kraftschlüssig angetriebener Spindeln mit Hilfe einer der Spindeldrehzahl angepaßten Impulsfrequenz bekannt, wonach die Impulsfrequenz in regelmäßigem Wechsel um den der mittleren Drehzahl der überwachten Spindeln entsprechenden theoretischen Mittelwert nach oben und unten, einen gegebenen Toleranzbereich der Drehzahlabweichungen einschließend, verändert wird. Bei der Überwachung von Spindeln soll zweckmäßigerweise als höchste Frequenz etwa die der theoretischen Spindeldrehzahl bei schlupffreiem Antrieb entsprechende und als niedrigste eine sich aus der zulässigen Toleranzbreite ergebende Frequenz verwendet werden, so daß bei einer ordnungsgemäß arbeitenden Maschine alle Spindeldrehzahlen in dem durch die beiden Grenzfrequenzen eingeschlossenen Bereich Πει ο gen (müssen). Zwischen diesen beiden Grenzwerten scheint dann die ordnungsgemäß laufende Spindel zweimal pro Periode stillzustehen, während sie sich im übrigen entweder vorwärts oder rückwärts zu drehen scheint Aus der Gleichheit der beiden Zeiträume für die Vorwärts- bzw. Rückwärtsdrehung läßt sich die mittlere Drehfrequenz ermitteln. Dieses Verfahren ist jedoch nachteiligerweise auch nicht dazu geeignet, die Drehfrequenz exakt festzustellen.

Aus »Microtechnic«, Jg. 3, Heft 1/1970, Seiten 22 bis 25, sind ferner Geräteanordnungen für einen optisch kontrollierbaren Vibrationstest an mittleren und größeren Objekten bekannt, bei denen Schwingerregern eine beliebige sinusförmige Frequenz zugeführt werden kann und mit der gleichen Frequenz das Stroboskop automatisch getriggert wird. In Abhängigkeit der Anregungsfrequenz können verschiedene Schwingungsformen und Resonanzzustände beweglicher oder auch fester Teile visuell gut beobachtet werden. Auch dieses Verfahren liefert nur eine grobe Abschätzung der Frequenz des Mittelwertes, nicht jedoch können Abweichungen vom Mittelwert der Frequenz exakt erfaßt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu

schaffen, mit dem sowohl die mittlere Frequenz eines rotierenden oder schwingenden Körpers wie auch die Abweichungen von der mittleren Frequenz meßbar sind, die im Promillebereich liegen. Die Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß die verbleibende Bewegung der Markierungen opto-elektronisch abgetastet wird.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die stroboskopisch beleuchteten Markierungen auf ein mit Photozellen bestücktes Gitter oder auf eine von einem Elektronenstrahl abtastbare Photokathode abgebildet, wo deren Bild meßtechnisch erfaßt wird. Die rechnerische Auswertung der ermittelten Daten übernimmt eine Datenverarbeitungsvorrichtung.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird eine Vorrichtung beansprucht, die aus einem Stroboskop zur Beleuchtung des mit äquidistanten Markierungen versehenen, schwingenden oder rotierenden Körpers und einer opto-elektronischen Abtastung mit einer nachgeschalteten Datenverarbeitungsvorrichtung besteht. Die Daten verarbeitet zweckmäßigerweise ein Analog-Digital-Wandler und ein Mikroprozessor. Die zu ermittelnde Frequenzschwankung ist dann an einer Datenausgabe ablesbar.

Bisher war die Verwendung stroboskopischer Methoden nur bei konstanten Dreh- oder Schwtngbewegungen möglich. Sobalddie Drehgeschwindigkeiten um einen Mittelwert schwankten, versuchte man mit anderen physikalischen Hilfsmitteln die Geschwindigkeit absolut zu messen. Da der entstehende Meßfehler jedoch meistens im Prozentbereich liegt, ist es mit bekannten Verfahren unmöglich, Geschwindigkeitsabweichungen im Promillebereich festzustellen. Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann die verbleibende Bewegung der Markierungen durch opto-elektronische Verfahren so

•*xakt ermittelt werden, da3 die Abweichungen der Frequenz von einem Mittelwert bis auf einen minimalen Meßfehler exakt bestimmbar sind. Liegt z. B. die Abweichung von der mittleren Frequenz im Promillebereich, und beträgt der Meßfehler bei der Messung der verbleibenden Bewegung weniger als ein Prozent, so kann die Frequenz mit einer Genauigkeit von ein Hundertstel Promille angegeben werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Wartungsfreiheit der opto-elektronischen Abtastung. Die Datenverarbeitungsanlage liefert zweckmäßigerweise unmittelbar das berechnete Ergebnis. Dieses kann bei Bedarf auf Kontrollstreifen gedruckt, in Lochstreifen gestanzt oder auf Magnetband gespeichert werden.

Besondere Bedeutung hat das Verfahren nach der Erfindung zur Frequenzmessung an festen oder beweglichen Rollprüfständen beispielsweise zur Messung der Drehgeschwindigkeit der Radsätze von Schienenfahrzeugen. Wird auf einem solchen Prüfstand ein Radsatz mit einer Antriebsrolle angetrieben, so tritt zwischen den gekoppelten Körpern ein gewisser Schlupf auf. Dieser Schlupf ist die Ursache für eine Abweichung von der mittleren Drehzahl.

Das Verfahren nach der Erfindung ist aber nicht nur an Rollprüfst änden durchführbar, sondern auch bei der Rollbewegumg eines Rades auf einer Schiene, einem Seil auf einer Rolle oder ähnlichen Kombinationen. In diesem Falle, wo eine Rotationsbewegung in eine Translation umgesetzt wird, muß die Meßanordnung mitgeführt werden,. Dies kann z. B. in der Weise geschehen, daß die Stroboskoplampe und die opto-elektronische Auswertvorrichtung an dem Hauptrahmen eines Schienenfahrzeugs befestigt ist. Die Drehzahlen der Radsätze werden dann in der geschilderten Weise untersucht.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfingung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht einer mit äquidistanten Markierungen versehenen Scheibe;

Fig.2 eine schematische Skizze des Aufbaues der Meßvorrichtung.

Die in F i g. 1 dargestellte Scheibe 1 ^;st mit äquidistanten Markierungen 2 versehen. Unter der / nnahme, daß sich die Scheibe 1 mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um die angedeutete Achse dreht, wird bei einer stroboskopischen Beleuchtung mit der Drehfrequenz oder einem Vielfachen dieser Frequenz für den Beobachter ein stehendes Bild erzeugt werden.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Meßanordnung wird die sich drehende Scheibe 1 mit einer Stroboskoplampe 3 beleuchtet. Die an den Markierungen 2 der Scheibe 1 reflektierten Lichtblitze des Stroboskops 3 gelangen über ein optisches Abbildungssystem 4 auf eine elektronische Abtasteinrichtung 5. Die in analoge elektrische Signale umgewandelten Lichtblitze werden dann mittels eines Analog-Digital-Wandlers 6 verarbeitet und in einen Rechner 7 gegeben.

Ebenso wie in F i g. 2 die von der Scheibe ! reflektierten Strahlen untersucht werden, ist es bei strahlungsdurchlässigen Körpern 1 wie z. B. einem Glaskörper mit lichtundurchlässigen Markierungen auch möglich, die transmittierten Strahlen meßtechnisch zu erfassen.

Die elektronische Abtasteinrichtung 5 besteht zweckmäßigerweise aus einem mit Photozellen bestückten Gitter oder aus einer von einem Elektronenstrahl abtastbaren Photokathode.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur exakten Messung von um einen Mittelwert schwankenden Frequenzen rotierender oder schwingender, mit äquidistanten Markierungen versehener Körper, die mit einer mittleren Frequenz dieser periodischen Bewegung stroboskopisch beleuchtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die verbleibende Bewegung der Markierungen opto-elektronisch abgetastet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stroboskopisch beleuchteten Markierungen auf ein mit Photozellen bestücktes Gitter oder auf eine von einem Elektronenstrahl abtastbare Photokathode abgebildet und meßtechnisch erfaßt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüche 1 oder 2, die ein Stroboskop zur Beleuchtung des mit äquidistanten Markierungen versehenen, schwingenden oder rotierenden Körpers enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine optoelektronische Abtastung mit einer nachgeschalteten Datenverarbeitungsvorrichtung zur Berechnung der Frequenzschwankungen aus den gewonnenen Meßwerten vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsvorrichtung aus einem Analog-Digital-Wandler und einem Mikroprozessor mit einer Datenausgabe besteht