-
Vorrichtung zur Temperaturmessung an rotierenden Teilen
-
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur
Temperaturmessung nach der Gattung des Hauptanspruchs Es ist in der Technik sehr
häufig erforderlich, die Temperatur von rotierenden Teilen mit zum Teil hoher Genauigkeit
zu erfassen, um Regelvorgänge einzuleiten oder um Schäden an diesen Teilen zu vermeiden,
beispielsweise wenn es sich um die Rotoren oder Läufer von elektrischen Maschinen,
also Elektromotoren oder Generatoren handelt Es ist hekannt, den Wicklungen solcher
Rotoren temperaturempfindliche Elemente, ublicherweise temperaturabhangige Widerstände,
also Thermistoren o. dgl. zuzuordnen und die von diesen Widerständen
abgegebene,
sich mit der'Temperatur ändernde Spannung durch Schleifringe abzugreifen und stationären,
weiterverarbeitenden Auswerteschaltungen zuzuführen. Solche Schleifring-Meßsysteme
sind aufwendig, da beispielsweise die Welle durchbohrt werden muß; außerdem ergibt
sich ein Verschleiß. Sehr häufig sind auch die gewonnenen Meßergebnisse nicht genau
genug, da durch die Schleifringe Fehler und Störungen verursacht werden können.
-
Vorteile der Erfindung Die erfindunqsgemäße Vorrichtung zur Temperaturmessung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil,
daß die Temperatur kontaktlos und störungsfrei mit hoher Genauigkeit ausgemessen
werden kann, wobei insbesondere die Frequenzmodulierung des temperaturabhängigen
tSBsignals für die Störungsfreiheit von Bedeutung ist.
-
Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Messung auch bei sehr hohen Beschleunigungs-
und Drehzahlwerten komplikationslos vorgenommen werden kann, wobei es bei einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel auch nicht nötig ist, dem am Rotor befestigten,
einen frequenzmodulierten Lichtstrom abgebenden Sender eine externe Versorgungsspannung
zuzuführen.
-
Zwar besteht die optische Verbindung zwischen Sender und Empfänger
pro Umdrehung des Rotors der elektrischen Maschine nur für einen sehr kleinen Zeitabschnitt,
durch die Verwendung einer Speicherschaltung steht jedoch die Information ständig
zur VerfUgung.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte
Weiterbildungen-und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung
möglich. Besonders vorteilhaft ist eine von augen auf den rotierenden Sender einwirkende
Bereichsumschaltung, ohne daß die Maschine hierfür abgestoppt zu werden braucht.
-
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
die Figuren 1a und 1b in einer Seitenansicht und einer Draufsicht im Ausschnitt
den rotierenden Teil einer elektrischen Maschine mit montiertem Lichtsender, Fig.
2 den möglichen äußeren Aufbau des unmittelbaren Lichtempfängers, bestehend aus
einer Reihe aufeinanderfolgend angeordneter lichtempfindlicher Transistoren, Fig.
3 ein Blockschaltbild der Gesamtvorrichtung aus Lichtsender und Lichtempfänger,
Fig. 4 den Lichtsender und Fig. 5 den Lichtempfänger in detailliertem Schaltungsaufbau.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender
Erfindung besteht darin, kontakt los ein Signal von einem rotierenden Teil einer
elektrischen Maschine auf einen stationären Teil zu übertragen, wobei dieses Signal
in Abhängigkeit zur Temperatur des rotierenden Teils bzw. einer auf diesem angeordneten
Wicklung frequenzmoduliert ist. Dabei verläuft die Frequenz des Sendesignals bevorzugt
umgekehrt proportional zur Temperatur, so daß die Auflösung des Signals stets ausreichend
genau ist, auch wenn die Drehzahl des Rotors sehr hoch ist, denn üblicherweise ergibt
sich dann eine niedrigere Wicklungstemperatur. Die Übertragung des Sendesignals
vom Sender zum
Empfänger erfolgt durch Licht, wobei dieser Begriff
hier stellvertretend für alle Arten von gerichteter Strahlung steht, also auch unsichtbares
Licht im ultravioletten oder infraroten Bereich oder sonstige Strahlungsarten.
-
In Fig. 1a ist der Rotor mit 1 bezeichnet; seine Welle 2 ist in Lagern
3a, 3b von stationären Teilen, beispielsweise Ständerteilen 4a, 4b gelagert. Der
Rotor 1 verfügt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen wicklungstragenden
und daher üblicherreise aus lamelliertem Eisenblech bestehenden Hauptteil; die Wicklung
ist bei 5 angedeutet. Zur Stromübertragung auf die Wicklungen ist ein Kollektor
6 vorgesehen, auf dem hier Kohlebürsten 7a, 7b schleifen. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel
ist daher auf die Messung der Wicklungstemperatur eines rotierenden Teils bei einer
elektrischen Maschine gerichtet; es verstehtsich aber, daß die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Temperaturmessung bei beliebigen rotierenden Teilen eingesetzt werden
kann, die Erwärmungserscheinungen unterworfen sind.
-
Damit die Übertraqung des Sendesignals durch die Bürsten/ Kollektoreinheit
nicht gestört wird, ist der Sender 8 auf der zum Kollektor abgewandten Seite des
Rotors angeordnet. Der Sender 8 besteht aus einem die Temperatur des Rotors erfassenden
Teil, üblicherweise einem temperaturabhängigen Widerstand, also Thermistor oder
NTC-Widerstand, einem Oszillator, der die Temperatur in eine frequenzmodulierte
Schwingung umsetzt und ein eigentliches, vom Oszillator gespeistes, lichtemittierendes
Teil, bevorzugt eine lichtemittierende, im infraroten Bereich arbeitende Diode (LED).
-
Die Einzelteile des Senders 8 können auf einer konzentrisch verlaufenden
Platte 9 montiert sein, die in geeigneter Weise
am Grundkörper
des Rotors befestigt ist, beispielsweise mittels Bolzen und Distanzstücken. In der
Draufsicht der Fig. 1b ist die lichtemittierende Diode mit 10 bezeichnet, der Oszillator
mit 11. Darüber hinaus verfügt der -Sender 8 über einen Lichtempfänger 12, der als
lichtempfindlicher Fototransistor ausgebildet sein kann und der Bereichsumschaltung
in Verbindung mit einem stationären Schaltkreis 13 für die Bereichsumscnaltung dient.
Hierauf wird weiter unten noch eingegangen. Auf der Grundplatte 9 des Senders 8
kann in bevorzugter Ausgestaltung noch eine Gleichrichter-und Stabilisierungseinheit
14 montiert sein. Es ist zwar möqlich, die Stromversorgung für den Sender 8 mit
Hilfe einer Batterie vorzunehmen, für diese ist jedoch die Temperatur sowie die
Beschleunigung durch die Rotation oder beim Anfahren häufig zu hoch, so daß entsprechend
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung die Stromversorgung
unmittelbar vom Kollektor 6 der Maschine erfolgt. Zu diesem Zweck wird die Spannung
an zwei beliebigen Kollektorsegmenten6a, 6b des Kollektor 6 abgegriffen und dem
Sender 8 zugeführt. Die Verbindung zwischen den Kollektorsegmenten 6a, 6b und dem
Sender 8 erfolgt über Drähte 15a, 15b, die in einen Luftdurchlaßschlitz des Rotorgrundkörpers
eingelegt sein können. Auf diese Weise liegt dann am Eingang der Gleichrichtereinheit
14 pro Umdrehung des Rotors viermal die volle Motorspannung. Diese Spannung kann
beispielsweise bei einer bestimmten Ausführungsform in Abhängigkeit zur Drehzahl,
etwa zwischen 600 bis 6000 min 1 zwischen 25 Volt und 145 Volt liegen; in Fig. 4
ist die eine Gleichrichterbrückenschaltung bildende Gleichrichtereinheit 1 4a gezeigt,
der eine Stabilisierungseinheit 14b nachgeschaltet ist, die die vom Kollektor der
elektrischen Maschine gewonnene und stark variierende Spannung beispielsweise auf
eine Spannung von 16 Volt Gleichspannung stabilisiert. Hierzu ist eine geeignete
Zenerdiode
18 in der Stabilisierungsschaltung vorgesehen, die auf zwei in Darlingtonschaltung
angeordnete Regeltransistoren 19 arbeitet. Ein Kondensator 20 sorgt für geringe
Welligkeit der Ausgangsgleichspannung. Der stabilisierenden Regelschaltung 1 4b
kann für die Stromversorgung des Oszillators 11 im Sender 8 noch eine weitere stabilisierende
Regelschaltung 21 nachgeschaltet sein, die ebenfalls mit einer Zenerdiode 21a arbeitet
und dem Oszillator bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Versorgungsspannung
von 12 Volt zuführt. Der Oszillator 11 kann von beliebiger Bauart sein; er ist auf
jeden Fall so ausgebildet, daß er die Frequenz des an seinem Ausgang 11a auftretenden
Frequenzsignals in Abhängigkeit zur Spannung an seinem Eingang lib ändert. Das temperaturempfindliche
Element, welches ein Thermistor 22 ist und in Fig. la im Abstand zur Lagerplatte
9 im Wicklungsbereich angeordnet ist, ist entsprechend Fig. 4 mit einem weiteren
Widerstand 23 in Reihe geschaltet Der Oszillator 11 ist bevorzugt so ausgelegt,
daß sich die Frequenz seines Sendesignals umgekehrt proportional zur Temperatur
ändert. Das Oszillatorsendesignal steuert über einen Transistor 24 die in Reihe
mit diesem geschaltete lichtemittierende Diode 10, die den frequenzmodulierten Lichtstrom
aussendet.
-
Die Darstellung der Fig. 3 zeigt in Form eines Blockschaltbilds nochmals
links vom Pfeil A die auf dem Rotor montierten und sich mit diesem drehenden Teilelemente,
die den modulierten Lichtstrom erzeugen.
-
Empfangen wird der frequenzmodulierte, temperaturabhängige Lichtstrom
von einer stationären Empfängeranordnung, die aus lichtempfindlichen Dioden, Fototransistoren
o. dgl. bestehen kann und mindestens ein solches lichtempfindliches Element
aufweist,
welches bei jedem Vorbeilauf der lichtemittierten Diode 10 eine Anzahl von Frequenzimpulsen
zugeführt erhält.
-
Es versteht sich, daß die Frequenz des Oszillators 11 so iioch gewählt
ist, daß irgendwelche Frequenzverschiebungen durch die zum Teil sehr hohe Drehzahl
des Rotors durchaus unberücksichtigt bleiben können, so daß hier keine Kompensationsmaßnahmen
getroffen zu werden brauchen.
-
ei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt der stationäre Empfänger
25, der innen am Motorgehäuse, an einem Ständerteil o. dgl. montiert sein kann,
über eine größere Anzahl von lichtempfangenden Elementen, beispielsweise über fünf
Fototransistoren 26a bis 26e. Sämtliche lichtempfangenden Elemente, also Fototransistoven
26a bis 26e, wie sie im folgenden lediglich noch genannt werden, sind auf einem
Kreisbogen montiert und liegen der lichtemittierenden Diode 10 gegenüber; sie werden
nacheinander von der lichtemittierenden Diode 10 beaufschlagt und sind elektrisch
parallel geschaltet. Dabei ist die öffnungsweite oder der öffnungswinkel X der Senderdiode
10 und die Empfangsbreite oder der EmpfangswinkelY da: Empfängertransistoren 26a
bis 26e so ausgebildet, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, so daß stets mindestens
zwei der Empfängertransistoren 26a bis 26e gleichzeitig von der Strahlung der Senderdiode
beaufschlagt sind.
-
Durch die Parallelschaltung ergibt sich dann am Ausgang der Empfängertransistoren
26a bis 26e bzw. am Ausgang eines diesen nachgeschalteten Vorverstärkers 27 eine
Impulsfolge, die zur Auswertung zunächst einem monostabilen Multivibrator 28 zugeführtist,r
der Impulsformung dient und bezogen auf die Sendefrequenz eine so kurze astabile
Verweildauer aufweist,
daß die Anzahl der vom monostabilen Flipflop
28 abgegebenen Impulse ein Maß ist für die empfangene Frequenz und damit für die
Temperatur des Rotors. Daher ist ein dem monostabilen Multivibrator 28 nachgeschalteter
Integrator 29 in der Lage, durch Integration der ihm zugeführten Spannungsimpulse
einen sich ändernden Gleichstrompegel zu erzeugen, der der zu messenden Temperatur
entspricht. Im einfachsten Fall kann daher der Integrator 29 von einem RC-Glied
gebildet sein. Ein nachgeschalteter Pufferverstärker 30 verstärkt die Ausgangsspannung
des Integrators 29 und führt sie über eine Speichereinrichtung 3t einem geeigneten
Anzeigeinstrument 32 zu. Wie schon erwähnt, ist es möglich, daß die Frequenz des
Sendesignals proportional oder auch umgekehrt proportional zur Temperatur ist; je
nach der Art dieser Abhängigkeit kann dann die Skalierung des Anzeigeinstruments
32 getroffen sein.
-
Die Speichereinrichtung 31 ist eine bevorzugte Ausgestaltung vorliegender
Erfindung und sorgt dafür, daß die anliegende Information jeweils bis zum Eintreffen
des nächsten Informationssignals gespeichert wird, denn die optische Verbindung
zwischen Sender und Empfänger besteht nur einmal pro Umdrehung für einen kurzen
Zeitabschnitt.
-
Die Speichereinrichtung 31 ist bevorzugt als sog. Sample and Hold-Speicherkreis2'
ausgebildet und verfügt noch über eine RUckstelleinrichtung 33, die als Rückstelloszillator
ausgebildet tst, der mit einer vorgegebenen, vergleichsweise sehr langsaten Frequenz
von beispielsweise 0,2 Hz schwingt und dann bei diesem Ausführungsbeispiel die Speichereinrichtung
3-1 alle fünf Sekunden auf Null setzt, so daß eine Anpassung an den jeweiligen,
genauen Temperaturwert sichergestellt ist.
-
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung vorliegender Erfindung besteht,
wie weiter vorn schon erwähnt, in der Möglichkeit einer Meßbereichsumschaltung bei
laufendem Motor. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann es beispielsweise möglich
machen, einen Temperaturbereich von etwa 800 C bis 1600 C auf einer einzigen Skala
zu messen; sind aber größere Auflösungen bei Temperaturen oberhalb von 1200 C gewünscht,
dann wird die Möglichkeit der Bereichsumschaltung benutzt.
-
Zu diesem Zweck ist am stationären Teil die Schaltung 13 zur Bereichsumschaltung
vorgesehen (Fig. 1a), die aus einem einfachen Spannungsversorgungskreis mit einem
Schalter 13a bestehen kann, der bei Schließen eine Lampe 13b einschaltet.
-
Das von dieser Lampe 13b ausgesandte Licht oder die auf diese Weise
von der Bereichsumschalt-Schaltung erzeugte Strahlung gelangt-auf ein lichtempfindliches
Element, nämlich den Fototransistor 12 des Senders 8, der mit dem Rotor umläuft.
-
Dadurch wird dieser Fototransistor 12 leitend und schaltet (vgl. Fig.
4) einen weiteren Widerstand 34 parallel zum Widerstand 23, der-in Reihe mit dem
Thermistor 22 liegt. Diese Widerstandsänderung im Steuerkreis für die Oszillatorfrequenz
bewirkt beispielsweise eine Erhöhung der Frequenz auf den dreifachen Wert und eine
entsprechende Ausgangsspannungerhöhung am Anzeigeinstrument. Allgemein ausgedrückt
bewirkt die ebenfalls kontaktlos arbeitende Schaltung 13 zur Bereichsumschaltung,
daß durch die von ihr abgegebene Strahlung eine Änderung der Oszillatorfrequenz
im Sinne einer größeren Auflösung bestimmter Temperaturbereiche vorgenommen wird.
-
Die Darstellung der Fig.. 5 zeigt noch ein detailliertes Ausführungsbeispiel
der Empfängerschaltung; die einzelnen lichtempfindlichen Fototransistoren 26a, 26b
... 26e sind mit ihren Kollektoren parallel geschaltet und liegen jeweils über Kondensatoren
an der Basis eines ersten Transistors 35 des
Vorverstärkers, der
insgesamt in Reihe geschaltete Transistoren 36, 37 und 38 enthält. Auf den Schaltungsaufbau
im einzelnen braucht nicht weiter eingegangen zu werden, da es sich um Wechselspannungsverstärker
üblicher Bauart handeln kann; der nachgeschaltete monostabile Flipflop 28 speist
den aus dem Widerstand 39 und einem Kondensator 40 bestehenden Integrator 29, dessen
Ausgangssignal über zwei in Reihe geschaltete Operationsverstärker 41, 42 als Pufferverstärker
über eine Diode 43 auf einen Kondensator 44 gelangt, der das Gleichstrom-Ausgangssignal
des Pufferverstärkers 30 speichert und über weitere Operationsverstärker 45, 46
als Vorverstärker für das Anzeigeinstrument 32 diesem dann zuleitet. Für das Rücksetzen
der auf dem Speicherkondensator 44 gespeicherten Ladung zur Bildung des erwahnten
Sample and Hold-Speicherkreises ist noch ein gesonderter, als astabiler Flipflop
ausgebildeter Oszillator 47 vorgesehen, der auf einem nachgeschalteten monostabilen
Flipflop 48 arbeitet, dessen Ausgangsimpuls so lange andauert, daß ein Relais 49,
angesteuert von einem mit diesem in Reihe geschalteten Transistor 50 periodisch
im Takt der Rücksetzfrequenz (0,2 Hz) seinen zugeordneten Schalter 49a schließt
und damit den Kondensator 44 kurzschließt. Dadurch wird sichergestellt, daß die
von dem Anzeigeinstrument 32 angezeigte Temperatur praktisch verzögerungsfrei der
Temperaturänderung des Rotors folgt.
-
Die erfindungsgemäße kontakt lose Temperaturmeßeinrichtung verfügt
über eine unbegrenzte Funktionsdauer und arbeitet wegen des Prinzips der Frequenzmodulation
mit hoher Genauigkeit und hoher Auflösung. Die mehreren, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
fünf verwendeten und parallel geschalteten Fototransistoren sind auf dem gleichen
Durchmesser an der Innenseite des Motorgehäuses und achsparallel zur lichtemittierenden
Diode 10 montiert; wegen der größeren Anzahl
von Empfängertransistoren
ist sichergestellt, daß auch bei sehr hoher Drehzahl und niedrigster Sende frequenz
dem Empfänger eine ausreichende Information über die jeweilige Oszillatorfrequenz
zugeführt wird.