DE2949075C2 - Anordnung zur kontaktlosen Temperaturmessung an einem drehbaren Maschinenteil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der DE-PS 24 28 890 bekannt Dort wird in einem auf dem drehbaren Maschinenteil angeordneten Meßwertumformer die durch einen Meßwertfühler erfaßte Temperatur über einen Oszillator in ein von der Drehzahl des drehbaren Maschinenteiles unabhängiges Frequenzsignal umgewandelt das ein Maß für die gemessene Temperatur darstellt Der Oszillator wird hierbei durch eine Spannung gespeist die von einem hochfrequenten Generator auf dem feststehenden Maschinenteil über ein kapazitives Koppelglied zu dem drehbaren Maschinenteil übertragen und dort gleichgerichtet wird. Über das kapazitive Koppelglied wird ebenfalls das von dem Oszillator gebildete Meßsignal rückübertragen und einer Anzeige- und Regelschaltung zugeführt. Ändert sich bei dieser bekannten Schaltungsanordnung die Amplitude und Frequenz der speisenden hochfrequenten Wechselspannung, so führt dies zu einer Änderung der den Oszillator speisenden Betriebsspannung. Den gleichen Effekt haben eingestreute Fremdspannungen, sowie ein geänderter Kopplungsfaktor des kapazitiven Koppelgliedes zur Folge. Eine schwanken-

de Betriebsspannung fahrt aber auch bei einer Umsetzung der gemessenen Temperatur in ein Frequenzsignal zu Meßfehlern, da der Meßfühler ebenfalls von dieser Betriebsspannung gespeist wird.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung S eine Schaltungsanordnung anzugeben, bei der die Genauigkeit der Temperaturmessung durch eine schwankende Betriebsspannung nicht beeinflußt wird. Darüber hinaus soll die Meßanordnung im wesentlichen aus möglichst preiswerten Bauelementen, an die bis auf Ausnahmen geringe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden, aufgebaut werden können. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand der Figuren der Zeichnung sei im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Meßanordnung;

F i g. 2 die Meßanordnung gemäß F i g. 1 mit geänderter Auswerteschaltung;

F i g. 3a bis 3c Signaldiagramme zur Erläuterung der Funktion des Meßwertumformers auf dem rotierenden 2s Teil;

F i g. 4a bis 4c Signaldiagramme zur Erläuterung der Funktion der Auswerteschaltung in dem feststehenden Teil;

Fig.5 Signalformen an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 1; und

Fig.6 Signalformen an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß F i g. 2.

Anhand der F i g. 1 und 5 sei zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Gemäß F i g. 1 besteht die erfindungsgemäße Meßanordnung aus einem Meßwertumformer 100 auf dem rotierenden Teil und einer Auswerteschaltung 200 in einem feststehenden Teil. Der Meßwertumformer 100 ist mit der Auswerteschaltung 200 über einen einzigen Drehtransformator 10 gekoppelt Der Drehtransformator 10 ist so ausgelegt, daß er eine Spannung von 10 V und ca. 1 MHz übertragen kann, wobei er aus zwei Scheiben mit jeweils einer geätzten Flachwicklung besteht Das Basismaterial der Scheiben besteht aus 4s temperaturbeständigem Epoxyd oder Teflon. Die Form der beiden konzentrisch zueinander angeordneten Scheiben kann hierbei in weiten Grenzen variieren und an die jeweilige Maschinenkonstruktion angepaßt werden. Die nachstehend beschriebene Schaltungsan- so Ordnung erlaubt es, daß der Abstand der Scheiben in gewissen Grenzen, beispielsweise zwischen 0 und 5 mm variieren kann.

Der mitrotierende elektronische Schaltungsteil, d. h. der Meßwertumformer 100 wird vorzugsweise vergos- ss sen und widersteht den höchsten in der Praxis auftretenden Zentrifugalbeschleunigungen. Dieser elektronische Schaltungsteil umfaßt zunächst eine Spannungsversorgung zur Gewinnung einer Betriebsspannung + Ub- Diese Betriebsspannung wird an dem gemeinsamen Schaltungspunkt einer Gleichrichterdiode 11 und eines Siebkondensators 12 abgenommen, wobei die Reihenschaltung von Gleichrichterdiode 11 und Siebkondensator 12 der Sekundärwicklung des Drehtransformators 10 parallel geschaltet ist Die auf diese Weise gewonnene Betriebsspannung Ub beträgt beispielsweise 10 V und weist eine Schwankungsbreite von ±2 V auf. Mit dieser Betriebsspannung werden die aktiven Elemente des Meßwertumformers 100 sowie der die Temperatur erfassende Brückenzweig gespeist Dieser Brückenzweig besteht aus einem hochpräzisen Widerstand 13 und einem temperaturabhängigen Meßwiderstand 14. Der Abgriffpunkt zwischen dem Widerstand 13 und dem Fühlerwiderstand 14 ist auf den positiven Eingang eines als Vergleicher arbeitenden Differenzverstärkers 15 geführt Der Ausgang des Differenzverstärkers 15 ist auf einen spannungsgesteuerten Oszillator 16 geschaltet, der ein RQcksteUsignal für einen Zähler 17 liefert Der Eingang des Zählers 17 ist an die Sekundärwicklung des Drehtransformators 10 angeschlossen, so daß der Zähler 17 nach Beendigung des Rückstellsignales eine bestimmte Anzahl Perioden der speisenden Wechselspannung mit z. B. 1 MHz zählt Durch eine geeignete äußere Beschattung zählt beispielsweise der Zähler 17 64 Impulse von 1 MHz und stoppt danach bis zum Eintreffen des nächsten Rückstellimpulses. Das Zähler-Ausgangssignal wird über einen Widerstand 19 und einen Kondensator 18, die beide zueinander in Reihe geschaltet sind, an das Bezugspotential gelegt Die Reihenschaltung aus Widerstand 19 und Kondensator 18 dient der Bildung eines analogen arithmetischen Mittelwertes, wobei der beiden Elementen gemeinsame Schaltungspunkt auf den negativen Eingang des Differenzverstärkers 15 geführt ist Der als Vergleicher arbeitende Differenzverstärker 15 vergleicht somit diesen analogen arithmetischen Mittelwert des Zähler-Ausgangssignales mit der durch den Brückenzweig, bestehend aus der Reihenschaltung des hochpräzisen Widerstandes 13 mit dem temperaturabhängigen Fühlerwiderstand 14, vorgegebenen temperaturabhängigen Spannung. Die Schaltungsanordnung wirkt hierbei insofern selbstabgleichend, als durch den Differenzverstärker 15 und den nachgeschalteten spannungsgesteuerten Oszillator 16 das Rückstellsignal für den Zähler 17 immer zeitlich so ausgegeben wird, daß die Differenz an den Eingängen des Differenzverstärkers 15 verschwindet Das am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 16 ausgegebene Rückstellsignal wird weiter einem Transistor 20 an seiner Basis zugeführt der mit seiner Emitter-Kollektorstrecke in Reihe zu einer Diode 21 geschaltet ist, wobei diese Reihenschaltung parallel zu der Sekundärwicklung des Drehtransformators 10 angeordnet ist Die Sekundärwicklung des Drehtransformators 10 wird somit bei jedem auftretenden Rückstellimpuls kurzgeschlossen.

Die auf dem feststehenden Teil angeordnete Auswerteschaltung 200 weist einen Generator 22 auf, der beispielsweise Signale mit einer Frequenz von 1.MHz liefert. Die Signalform des Generators 22 spielt keine besondere Rolle und kann beispielsweise sinus-, rechteck- oder dreieckförmig sein. Der Ausgang des Generators 22 ist über ein Koaxialkabel 34 mit der Primärwicklung des Drehtransformators 10 verbunden. Die Länge des Koaxialkabels 34 spielt hierbei praktisch keine Rolle. Ein im Übertragungsweg angeordneter Stromwandler 23 formt die durch Kurzschluß der Sekundärwicklung des Drehtransformators 10 auf die Primärseite übertragenen Rückstellimpulse in entsprechende Spannungssignale um. Diese Spannungssignale we-den durch die an den Ausgang des Strom wandlers 23 angeschlossene Diode 24 gleichgerichtet und in einem hierzu in Reihe geschalteten Kondensator 25 gesiebt Das gleichgerichtete Spannungssignal wird einmal über die Reihenschaltung von zwei Widerständen 28 und 29 dem positiven Eingang und über die

- Reihenschaltung eines Widerstandes 26 mit einem Kondensator 27 dem negativen Eingang eines als Vergleicher wirkenden Differenzverstärkers 30 zugeführt. An dem Abgriff des aus den Widerständen 28 und 29 bestehenden Spannungsteilers steht somit das s gleichgerichtete Spannungssignal unmittelbar an, während an dem Abgriff des aus dem Widerstand 26 und dem Kondensator 27 bestehenden Spannungsteilers der Mittelwert des gleichgerichteten Spannungssignales abgenommen wird. Immer wenn durch den Drehtransformator 10 der Rückstellimpuls des Meßwertumformers 100 infolge eines Kurzschlusses der Sekundärseite auf die Primärseite übertragen wird, übersteigt der gewandelte Stromimpuls C am einen Eingang des Differenzverstärkers 30 den am anderen Eingang anstehenden Mittelwert S, so daß der Differenzverstärker am Ausgang einen Rückstellimpuls D für einen nachgeschalteten Zähler 31 erzeugt Der Eingang des Zählers 31 ist an den Ausgang des Generators 22 angeschlossen, so daß er die Impulse A des Generators 22 zählt Auch der Zähler 31 weist eine geeignete mit dem Zähler 17 übereinstimmende äußere Beschaltung auf, so daß er eine bestimmte Anzahl von Impulsen, beispielsweise 64 Impulse A zählt Die Ausgangsimpulse fdes Zählers 31 werden über die Reihenschaltung eines Widerstandes 32 und eines Kondensators 33 gegen das Bezugspotential geschaltet. Durch diese Reihenschaltung wird ebenfalls der analoge Mittelwert F der Ausgangsimpulse E gebildet so daß an dem Abgriffpunkt zwischen beiden Elementen eine Spannung Ut abnehmbar ist, die dem gemessenen Temperatur-Istwert entspricht

Während der Zähler 17 in dem Meßwertumformer 100 mit der ungeregelten Betriebsspannung Ub betrieben wird, wird der Zähler 311 der Auswerteschaltung 200 mit einer stabilisierten Spannung Uesnb betrieben. Beide Zähler 17 und 31 geben ein Ausgangssigna! aus, dessen Amplitude durch die jeweils angelegte Betriebsspannung vorgegeben ist Beispielsweise besitzen C-MOS-Zähler diese Eigenschaft Im Prinzip können auch Zähler Anwendung finden, deren Ausgangsamplitude unabhängig von der angelegten Spannung ist sofern geeignete Pegelwandler nachgeschaltet werden, die vom Zählerstand und von der Betriebsspannung abhängige Signale liefern.

Anhand der F i g. 2 und 6 sei nachfolgend ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei jedoch auf eine Beschreibung von in der F i g. 1 ebenfalls vorhandenen Komponenten verzichtet wird Die Meßanordnung gemäß F i g. 2 kann insbesondere bei einer Zeitmultiplexabtastung mehrerer Meßstellen Anwendung finden, wobei die verschiedenen MeBsieüen über zugeordnete Adressen anwählbar sind. Die Anzeige des Meßwertes kann hierbei an einem von der Meßstelle weit entfernten Ort erfolgen.

Die Auswerteschaltung besteht im vorliegenden Beispiel aus zwei Teilen 200' und 300, die bis auf bestimmte Modifikationen auch bereits die Auswerteschaltung 200 in Fi g. 1 ausmachen. Diese Modifikationen bestehen aus einem in der Leitung der hochfrequenten Generatorimpulse A angeordneten Schalter 35, einer Übertragungsleitung 36 belebiger Länge und einer Zeitschaltung 37,38,39 zur Rückgewinnung der Rückstellimpulse für den Zähler 31.

Der Schalter 35 ist vorzugsweise ein elektronischer Digitalschalter, der durch die Rückstellimpulse D des Differenzverstärkers 30 betätigt, d. h. geöffnet wird. Die Übertragungsleitung 36 ist vorzugsweise eine Koaxialleitung, die zu dem Schalter 35 in Reihe geschaltet ist Der Ausgang der Koaxialleitung 36 ist einmal unmittelbar auf den Eingang des Zählers 31 geschaltet und zum anderen über eine Gleichrichterdiode 37 und ein ÄC-Zeitglied auf den Rückstelleingang R des Zählers 31 geführt. Die Zeitkonstante des ÄC-Gliedes ist auf die Frequenz der durchgeschalteten Generatorimpulse A' abgestimmt so daß aus diesen der zu dem Rückstellimpuls D zeitlich synchrone, modifizierte Rückstellimpuls D' gewonnen werden kann. Auf diese Weise wird unbeeinflußt von Kurvenformverzerrungen auf der Übertragungsleitung 36 das Tastverhältnis exakt regeneriert

Anhand der Fig.3 und 4 sei nunmehr die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Temperaturmeßanordnung beschrieben. Hierbei sei angenommen, daß die durch den Fühlerwiderstand 14 gemessene und der Spannung l/rentsprechende Temperatur immer den gleichen Wert aufweisen soll. In dem Meßwertumformer 100 kann jedoch die der Temperatur entsprechende Spannung Uu an dem Meßwiderstand 14 unterschiedliche Werte aufweisen, wenn die Betriebsspannung U_B oder die Frequenz / der Generatorimpulse eine Änderung erfährt Dies ist aus den Fig.3b und 3c ersichtlich.

Eine veränderte Betriebsspannung Ub, z. B. eine Anhebung derselben führt einerseits gemäß F i g. 3b zu einer Anhebung des Spannungsabfalles an dem Fühlerwiderstand 14, aber auch im gleichen Maße zu einer Anhebung der Amplitude des Ausgangssignales des Zählers 17, so daß keine Differenz an dem Vergleicher 15 entsteht Das gemittelte Zähler-Ausgangssignal O, j7 entspricht weiterhin dem durch den Fühlerwiderstand 14 vorgegebenen Spannungsabfall t/14, so daß der zeitliche Auftritt des durch den spannungsabhängig gesteuerten Oszillator 16 erzeugten Rückstellimpulses nicht verändert werden muß. Auf Grund der stabilisierten Betriebsspannung Uesub für den Zähler 31 und dem unveränderten Auftritt des Rückstellsignales verändert sich auch der durch die Spannung Ut vorgegebene Temperatur-Istwert in der Auswerteschaltung 200 nicht was aus F i g. 4b hervorgeht

Bei einer veränderten Frequenz /des Generators 22, beispielsweise bei einer Frequenzabsenkung benötigt der Zähler 17 mehr Zeit, um beispielsweise 64 Impulse zu zählen. Dementsprechend verbreitert sich gemäß Fig.3c auch der Ausgangsimpuls. Ein verbreiterter Ausgangsimpuls führt normalerweise zu einem erhöhten Mittelwert des Zähler-Ausgangssignales. Da aber in diesem Fall Ub unverändert Um entsprechen soll, ergibt sich eine Differenz am Eingang des Vefgicichers 15, weiche über den spannungsgesteuerten Oszillator 16 den Rückstellimpuls zeitlich so verstellt daß die Impulspause entsprechend dem verbreiterten Impuls ebenfalls gedehnt wird, so daß der Mittelwert des Zähler-Ausgangssignales O, η auf den Spannungsabfall Uu über dem temperaturabhängigen Widerstand 14 geregelt wird. Da der Rückstellimpuls auch auf die Auswerteschaltung 100 in der beschriebenen Weise übertragen wird, erfolgt dort in gleicher Weise eine Dehnung der Impulspause entsprechend der Impulsverbreiterung, so daß bei der ohnehin unveränderten stabilisierten Betriebsspannung Ubsoö die dem Temperatur-Istwert entsprechende Spannung Ut keine Änderung erfährt

Man sieht also, daß die Genauigkeit der Meßanordnung nicht von einer konstanten Frequenz des

Generators 22 abhängig ist Diese Frequenz kann beispielsweise zwischen 500 und 1500 kHz schwanken. Über den Vergleicher 15 und den nachgeschalteten spannungsgeregelten Oszillator 16 erfolgt ein selbsttätiger Abgleich der Brückenschaltung am Eingang des Vergleichers, in dem die zeitliche Lage des Rückstellimpulses entsprechend verschoben wird. Die Kurvenform des-die Meßanordnung speisenden Generators 22 ist ebenfalls unkritisch. Auch kann der Kopplungsfaktor des Drehtransformators 10, d.h. der Abstand der Wicklungen voneinander in gewissen Grenzen schwanken, ohne daß das Meßergebnis beeinflußt wird. Da die Messung letzten Endes auf einer Impulszählung beruht, wobei die Meßtemperatur für die Zählerrückstellung verantwortlich ist, ist auch die Länge der Zuleitung zu dem Drehtransformator ohne Belang. Ein Koaxialkabel von bis zu 200 m kann ohne weiteres verwendet werden. Die schwankende Betriebsspannung Ug, die den temperaturabhängigen Widerstand 14 speist, bleibt ebenfalls ohne Einfluß auf das Meßergebnis, wenn man Zähler verwendet bzw. Pegelwandler nachschaltet, deren Signalamplitude der Betriebsspannung Ut proportional ist Verwendet man dann in der Auswerte-

s schaltung 200 eine stabilisierte Betriebsspannung Ue₁Ub,

so wird die dem Temperatur-Istwert entsprechende

Spannung Ut auch bei schwankender Betriebsspannung Üb in dem Meßwertumformer 100 konstant gehalten. An die verwendeten Bauelemente sind hinsichtlich

to Genauigkeit im allgemeinen geringe Anforderungen zu stellen. Es ist lediglich darauf zu achten, daß der Widerstand 10 in dem Temperaturmeßbrückenzweig einen hochkonstanten Wert im interessierenden Temperaturbereich und der Differenzverstärker 15 eine geringe Offsetspannung aufweist Ohne Eichungsarbeiten lassen sich auf diese Weise Genauigkeiten bei der Temperaturmessung von ± 1°C in einem interessierenden Umgebungs-Temperaturbereich von 0 bis 125° C erreichen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur kontaktlosen Temperaturmessung an einem drehbaren mit einem Meßwertumformer versehenen Maschinenteil mittels einer Auswcr- s teschaltung auf einem feststehenden Teil, mit einem Hochfrequenzgenerator auf dem feststehenden Teil und einem Gleichrichter auf dem drehbaren Maschinenteil sowie mit einer Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung der hochfrequenten Impulse einerseits zu dem Gleichrichter zwecks Versorgung des Meßwertumformers mit Spannung und zur Rückübertragung von Meßsignalen andererseits an die Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, is daß sowohl der Meßwertumformer (100) als auch die Auswerteschaltung (200) jeweils einen mit den hochfrequenten Generatorimpulsen beaufschlagten Zähler (17, 31) mit jeweils gleicher vörbestimmter Zählkapazität aufweisen, wobei beide Zähler eine von der angelegten Betriebsspannung abhängige Ausgangsamplitude besitzen, daß der Meßwertzähler (17) von der gleichgerichteten Spannung (Ue) und der Auswertezähler (31) von einer stabilisierten Spannung (IW) gespeist wird, und

daß ein Vergleicher (15) in dem Meßwertumformer (100) angeordnet ist, dem einerseits eine von der Temperatur und der gleichgerichteten Spannung abhängige Meßgröße und andererseits der arithmetische Mittelwert des Meßwertzähler-Ausgangssignals zugeführt wird und dessen Ausgangssignal über einen spannungsgesteuerten Oszillator (16) den Rückstellimpuls für beide Zähler (17, 31) erzeugt, wobei das gemittelte Ausgangssignal des mit der stabilisierten Spannung betriebenen Auswertezählers (31) den Temperatur-Istwert (Ui) anzeigt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Vergleicher (30) in der Auswerteschaltung (200), dem durch einen Stromwandler (23) in einer Signalleitung (34) die Rückstellimpulse (C) des Meßwertumformers (100) einmal unmittelbar und zum anderen gcmittclt zugeführt werden und der aufgrund des Rückstellsignals des Meßwertumformers (100) das Rückstellsi- gnal (D) für den zweiten Zähler (31) oder ein Betätigungssignal (D') für einen Schalter (35) erzeugt

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den gleichgerichteten Genera- torimpulsen gebildete ungeregelte Betriebsspannung (Ub) sowohl ein Temperatur-Fühlerelement (14) als auch den ersten Zähler (17) des Meßwertumformers (100) speist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung sowohl der Generatorimpulse in der einen Richtung als auch der Rückstellimpuls in der anderen Richtung ein einziger Drehtransformator (10) angeordnet ist

5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein der Sekundärwicklung des Drehtransformators (10) parallel geschaltetes Schaltelement (20), welches von den Rückstellimpulsen am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (16) betätigt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Stromwandler (23) in der Zuleitung zu der Primärwicklung des Drehtransformators (10) zur Auskopplung der in beiden Richtungen übertragenen Impulse und zur Zuführung entsprechender Stromsignale zu dem zweiten Vergleicher (30).

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Vergleicher aus Differenzverstärkern (15, 30) bestehen, deren einer Eingang an einen ohmschen Spannungsteiler und deren anderer Eingang an einen ÄC-Spannungsteiler angeschlossen ist

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Spannungsteiler des ersten Differenzverstärkers (15) aus einem hochgenauen Widerstand (13) und einem temperaturabhängigen Widerstand (14) besteht, und daß der KC-Spannungsteiler (18, 19) an den Ausgang des ersten Zählers (17) angeschlossen ist

9. Anordnung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spannungsteiler (26,27; 28, 29) des zweiten Differenzverstärkers (30) an den Stromwandler (23) angeschlossen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet daß der Ausgang des zweiten Zählers (31) über die Reihenschaltung eines Widerstandes (32) und eines Kondensators (33) an Masse gelegt ist und daß über dem Kondensator (33) eine der gemessenen Temperatur proportionale Spannung (Ut) abgreitbar ist

1 i. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der Schalter (35) zwischen einer Übertragungsleitung (36) und einer die hochfrequenten Generatorimpulse (A) führenden Leitung angeordnet ist und daß die Übertragungsleitung (36) einmal unmittelbar auf den Zählereingang und zum anderen über ein Zeitglied (38, 39) auf den Rückstelleingang des zwei ten Zählers (31) geschaltet ist

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß die Zeitkonstante des Zeitgliedes (38,39) auf die Frequenz der Generatorimpulse (A) abgestimmt ist