DE29618123U1

DE29618123U1 - Vorrichtung zur Messung von dynamischen Größen eines um eine Drehachse rotierenden Körpers

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Publication number: DE29618123U1
Application number: DE29618123U
Authority: DE
Original assignee: CODAZZI PAOLO ING
Current assignee: CODAZZI PAOLO ING
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 1997-04-10
Anticipated expiration: 2006-10-19
Also published as: ITVE950034V0; ITVE950034U1; IT239204Y1

Description

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Vorrichtung zur Messung von dynamischen Größen eines um eine Drehachse rotierenden Körpers

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neue Vorrichtung zur Messung von dynamischen Größen eines um eine Drehachse rotierenden Körpers, insbesondere zur Messung des Drehmoments, der Winkelgeschwindigkeit und der Drehrichtung des rotierenden Körpers. Derartige Vorrichtungen können beispielsweise zur Messung der Torsion von Motorwellen verwendet werden.

Aus dem Stand der Technik sind derzeit Systeme bekannt, die auf anderen Meßprinzipien beruhen und, bezüglich Präzision, Betriebssicherheit, Wiederholbarkeit der Messung und der erforderlichen regelmäßigen Wartung schlechtere Leistungen bieten.

Bisher sind insbesondere zwei Techniken zur Anwendung gekommen:

(A) Meßsysteme mit Dehnungsmessern ("Strain Gauge"); und

(B) Meßsysteme mit Signalgeber, die mit der in Rotation befindlichen Achse synchronisierte sind.

Bei der ersten Variante werden Dehnungsmeßstreifen in vorbestimmten Winkeln zur Rotationsachse so auf dem rotierenden Körper angeordnet, daß sie die auf ihn einwirkende Kraft messen können. Dabei müssen die gesamten elektronischen Schaltkreise, welche das von den Dehnungsmessern gelieferte Signal umsetzen, 0 auf dem rotierenden Körper angeordnet werden. Die Speisung der Elektronik erfolgt normalerweise durch auf der Achse angeordnete Schleifkontakte. Die Meßdaten können durch Schleifkontakte abgeleitet oder auch durch Hertzsche Wellen an einen geeigneten Empfänger übertragen werden, der sich an einem geschützteren Ort befindet.

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Die Hauptnachteile dieser Meßmethode bestehen in der Tatsache, daß die Leistungen der Dehnungsmesser mit der Zeit nachlassen und sie nicht immer vollkommen linear sind. Darüber hinaus ist es erforderlich, die Dehnungsmesser, sowohl hinsichtlich der Festigkeit der Fixierung als auch hinsichtlich des Ausrichtungswinkels, präzise auf der Achse zu befestigen. Schließlich beeinträchtigt das Vorhandensein von Schleifkontakten mit der Zeit die Betriebssicherheit des Systems, erfordert regelmäßige Wartung. Dieses Meßsystem wird daher nur auf Körpern verwendet, die sich eher langsam drehen, um so die Abnutzung zu begrenzen. Die Datenübertragung durch Hertzsche Wellen bietet gegenüber den Schleifkontakten keine wesentliche Verbesserung, da häufig die Orte, an denen solche Meßsysteme installiert werden, elektromagnetischen, durch externe Geräte verursachten Störungen unterliegen, welche die Datenübertragung ineffektiv machen können.

Das zweite oben genannte Meßsystem nutzt die Phasenverschiebung des elektrischen Signals, das von zwei Impulsgebern erzeugt wird, welche wiederum durch zwei auf dem in Rotation befindlichen Körper befestigte Zahnräder betätigt werden. Die auf dem Körper befestigten Zahnräder befinden sich im Eingriff mit zwei kleineren Zahnrädern, die mit den Wellen der zwei Impulsgeber verzahnt sind. In diesem Fall müssen die beiden Impulsgeber und die beiden Zahnradpaare in einer Entfernung von einigen Metern zueinander angeordnet sein, damit eine nennenswerte Torsion der Achse und somit auch eine ausreichende Phasenverschiebung des elektrischen Signals detektiert werden kann. Bei einer Variante dieser Methode werden zwei 0 Tongeneratorscheiben {sowie zwei Zahnradpaare), die auf dem rotierenden Körper befestigt sind, und zwei Impulsgeber verwendet, die mit den Scheiben in Verbindung stehen. Typischerweise handelt es sich bei den beiden Impulsgebern um ein optisches System mit zwei kollimierten Lichtstrahlen. Jeder Impulsgeber ist dabei mit einem eigenen Strahl ausgestattet.

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Ein derartiges System weist verschiedene Nachteile auf. Insbesondere die mechanische Kupplung zwischen den beiden auf dem rotierenden Körper befestigten Zahnräder und den beiden an den kurzen Wellen der beiden Impulsgeber befestigen Zahnräder ist eine Quelle für Fehler, die zurückzuführen sind auf ein mechanisches Spiel und auf Toleranzen, die sich im Laufe der Zeit aufgrund der Abnutzung unweigerlich ergeben. Außerdem erfordert die vorhandene mechanische Kupplung eine gewisse Wartung. Ein besonderer Nachteil ist vorallem, daß dieses System zwei Impulsgeber vorsieht, die in der Eichphase der Meßeinheit aufeinander abgestimmt werden müssen. Da die beiden Zahnrad/Zahnrad/Impulsgeber-Systeme schließlich in einer Entfernung von mehreren Metern zueinander angeordnet sein müssen, eignet sich das System nur für Achsen von beträchtlicher Länge, womit eine Anwendung dieser Methode für mechanische Systeme mit geringeren Abmessungen ausgeschlossen ist. Aus den oben genannten Gründen gewährleistet ein System dieser Art keine langfristige Garantie für Präzision, Wiederholbarkeit und Betriebssicherheit der Messung. Systeme dieser Art sind vom mechanischen Standpunkt her komplex und empfindlich. Ein anderer beträchtlicher Nachteil besteht darin, daß die Drehgeschwindigkeit der Achse bei Verwendung der beiden Zahnradpaare aufgrund des oben erwähnten Schlupfs der Kupplung zwischen den Zahnrädern und aufgrund der unvermeidlichen Vibrationen der Achse selbst eher niedrig sein muß. Daraus ergibt sich, daß derartige Systeme nur für Hauptantriebsmotoren mit niedrigen Drehgeschwindigkeiten (typischerweise zum Antrieb von Schiffen) geeignet sind. Für viele technisch interessante Einsatzfälle ist eine derartiges System nicht verwendbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine präzisere und genauere Meßvorrichtung zu schaffen, welche die oben bezeichneten Nachteile nicht aufweist und insbesondere auch auf schnell drehenden Achsen und bei kleineren Dimensionen einsetzbar ist. Dabei soll die Meßvorrichtung besonders wartungsfreundlich sein.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Messung von dynamischen Größen eines um eine Drehachse rotierenden Körpers, insbesondere zur Messung des Drehmomentes, der Winkelgeschwindigkeit und der Drehrichtung des rotierenden Körpers, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch eine Strahlungsquelle, die einen einzelnen kollimierten Meßstrahl aussendet, zwei zueinander entlang der Drehachse des Körpers versetzte Strahlunterbrecher, die drehfest mit dem Körper verbunden sind und die so angeordnet sind, daß sie bei Rotation des Körpers den kollimierten Meßstrahl periodisch unterbrechen, und einen Strahlungssensor, der den kollimierten Meßstrahl nach Durchgang durch die beiden Strahlunterbrecher registriert.

Der Sensor liefert ein elektrisches Signal. Dieses Signal wird dann an ein elektronisches System geleitet, das die erforderlichen Datenverarbeitung durchführt und als Ergebnis die Werte des auf den Körper wirkenden resultierenden Drehmomentes (bzw. der Torsion des Körpers), der Winkelgeschwindigkeit und der Drehrichtung des rotierenden Körpers liefert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung benutzt einen einzigen kollimierten Strahl, so daß nur eine einzige Strahlungsquelle und nur ein einziger Strahlungssensor benötigt werden.

Der von der Strahlungsquelle erzeugte Strahl ist eine möglichst paralleler, gebündelter Strahl mit möglichst kleinem Strahlquerschnitt. Der Sensor zur Detektion des Strahls kann in einer Linie mit der Strahlungsquelle und in einer bestimmten Entfernung von dieser angeordnet sein. Die Anordnung ist dann so, daß sich die an dem rotierenden Körper befestigten Strahlunterbrecher in der Meßstrahllinie zwischen Quelle und Sensor befinden. Die Strahlungsquelle und der Sensor können jedoch auch weiter von dem rotierenden Körper entfernt angeordnet sein. Der Strahl wird dann mit einem geeigneten Führungssystem (im Fall eines Lichtstrahls etwa mit Spiegeln

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oder Lichtleiter) bis zu dem Bereich der freien Meßstrecke geführt.

Die vorliegende Erfindung bietet gegenüber bekannten Meßsystemen zahlreiche Vorteile. Mit ihrer Hilfe können all die oben beschriebenen Nachteile, welche die derzeit aus dem Stand der Technik bekannten Systeme aufweisen, überwunden werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung bietet eine größere Meßgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen. Sie ist erheblich betriebssicherer und benötigt außerdem keine regelmäßige Wartung und periodische Eichung zur Kompensation von Abnutzungserscheinungen an mechanischen Bauteilen (Schleifkontakten oder Zahnrädern), da die erfindungsgemäße Vorrichtung keine beweglichen Teile aufweist, die mechanisch miteinander in Kontakt kommen. Durch den fehlenden Kontakt zwischen den Teilen entfallen auch die Probleme im Zusammenhang mit den Vibrationen der Achse und mechanischen Resonanzerscheinungen. Diese Probleme machen eine Anwendung der derzeit aus dem Stand der Technik bekannten Systeme bei erhöhter Drehgeschwindigkeit der Achse unmöglich. Darüber hinaus ist die Nulleichung erfindungsgemäß erheblich einfacher und erfordert keine speziellen Instrumente oder spezialisiertes Personal, und in den meisten Fällen sind auch keine weiteren, periodischen Eichungen notwendig.

Vorzugsweise sind die beiden Strahlunterbrecher im Ruhezustand um die Drehachse winklig zueinander versetzt angeordnet. Damit erhält man nicht nur Aussagen über Winkelgeschwindigkeit und resultierendes Drehmoment, bzw. Torsion des Körpers, sondern kann - durch Veränderung des Überlappungsgrades der beiden Strahlunterbrecher und der daraus resultierenden Verlängerung oder Verkürzung der Unterbrechungsdauer - auch eine Aussage über die Drehrichtung des Körpers machen.

Als Strahlunterbrecher kommen unterschiedlichste auf dem Körper befestigbare Elemente in Frage, die bei Rotation der Körpers

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den Meßstrahl periodisch unterbrechen können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Strahlunterbrecher identische, geschlitzte Scheiben. Die Scheiben sind dabei mit einer bestimmten Anzahl kalibrierter Schlitze versehen. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für zylindische Körper oder für Körper die zumindest in dem interessierenden Bereich zylindrisch sind, wobei die Zylinderachse mit der Drehachse im wesentlichen zusammenfällt.

Vorteilhaft sendet die Strahlungsquelle kollimierte elektromagnetische Strahlen oder kollimierte Teilchenstrahlen aus. In Frage kommen beispielsweise Röntgenstrahlen, Gammstrahlen, ionisierte Teilchenstrahlen wie &agr;- oder ß-Strahlen oder neutrale Teilchenstrahlen wie Neutronenstrahlen. Besonders vorteilhaft ist der ausgesendete Strahl ein kollimierter Lichtstahl. Es kann sich dabei um sichtbares, infrarotes oder ultraviolettes Licht handeln. Es kann eine herkömmliche Lichtquelle mit geeigneter Kollimationsoptik verwendet werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Strahlungsquelle aber ein Laser, da dieser extrem parallel gebündeltes Licht bei sehr kleinem Strahlquerschnitt aussenden kann. Der Meßstrahl kann kontinuierlich oder gepulst sein. Im letztern Fall sollte die Pulsfrequenz wesentlich größer sein, als die Unterbrechungsfrquenz der Strahls durch die Strahlunterbrecher.

Wenn es sich bei dem untersuchten Körper um einen im wesentlichen zylindrischen Rotationskörper, beispielsweise eine Welle handelt, kann der kollimierte Strahl so geführt sein, daß er zumindest im Bereich der beiden Strahlunterbrecher im wesentlichen parallel zu der Drehachse des Körpers verläuft.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert.

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In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine auf einer rotierenden Welle angeordnete bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2a eine Teilansicht der Projektion der beiden

Schlitzscheiben der Vorrichtung der Fig. 1 entlang

der Wellenachse bei ruhender Welle; Fig. 2b eine Momentansicht wie in Fig. 2 bei im Gegenuhrzeigersinn rotierender Welle; Fig. 2c eine Momentansicht wie in Fig. 2 bei im Uhrzeigersinn

rotierender Welle.

Die in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus einer ersten Scheibe 12 und einer zweiten Scheibe 14, die beide auf der Drehachse A-A einer Welle 10 befestigt und mit einer bestimmten Anzahl Schlitzen ausgestattet sind. Die Anzahl der Schlitze der verwendeten Scheiben ist auf Grund des Variationsbereichs der Winkelgeschwindigkeit der Drehachse für jeden Anwendungsfall zu bestimmen. Die beiden Scheiben 12, 14 sind identisch. Sie werden auf der Wellenachse in einem variablen Abstand L montiert, der von deren Abmessungen abhängt. Der Scheibenabstand kann jedoch aufgrund des erfindungsgemäßen Meßprinzips geringer sein, als derjenige, der bei bekannten Systemen auf der Basis von mit der Drehachse synchronisierten Impulsgebern erforderlich ist. Grundsätzlich gilt jedoch, daß größere Abstände präzisere Messungen ermöglichen. Die beiden Scheiben 12, 14 werden so parallel wie möglich montiert; daher 0 müssen sie so lange gedreht werden, bis die orthogonale Projektion der Schlitze einer Scheibe einen Teil des Bereichs der Schlitze der anderen Scheibe verdecken. Dann werden die Scheiben auf der Welle A-A so fest blockiert, daß mögliche gegenseitige, unfreiwillige Drehbewegungen aufgrund eines Rutschens der Befestigung auf der Achse in Rotation vermieden werden. Zu diesem Zeitpunkt ist der mechanische Teil des

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Systems bereits montiert und geeicht. Diese Situation bei ruhender Welle 10 ist in Fig. 2a dargestellt.

Eine Strahlungsquelle 16 wird senkrecht zu den beiden Scheiben 12, 14 und damit parallel zur sich drehenden Achse A-A angeordnet, so daß ihr Strahl 20 auf den Bereich der Schlitze trifft. Bei der Strahlungsquelle 16 handelt es sich typischerweise um einen Laser, weil dieser besonders gebündeltes Licht mit sehr kleinem Strahlquerschnitt aussendet.

Es können auch Strahlungsquellen verwendet werden, z. B.

herkömmliches, gebündeltes Licht, elektromagnetische Wellen, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, Emissionen ionisierender Teilchen, Photonen, etc., unter der Voraussetzung, daß es sich dabei ebenfalls um kollimierte Strahlen handelt, die eine ausreichendes Meßgenauigkeit gewährleisten. Der von der Quelle 16 emittierte Strahl wird so geführt, daß er im wesentlichen senkrecht auf die beiden mit Schlitzen versehenenen Scheiben 12, 14 trifft. Er verläuft somit, zumindest im Bereich der beiden Scheiben, parallel zur Achse A-A. Anschließend wird der 0 Strahl auf einen Sensor 18 gelenkt. Der Sensor 18, der in der Lage sein muß, die von der Strahlungsquelle 16 emittierten Strahlen 20 zu detektieren, gibt ein elektrisches, leicht zu verarbeitendes Signal ab. Da die Schlitzscheiben drehfest mit der um die Achse A-A rotierenden Welle 10 verbunden sind, lassen sie den von der Strahlungsquelle 16 emittierten Strahl 20 mit einer Frequenz passieren, die von der Winkelgeschwindigkeit bzw der Kreisfrequenz &ohgr; der Drehachse A-A abhängt. Aus der Frequenz, die mit einem elektronischen Frequenzmesser und anhand der bekannten Anzahl N der auf dem Umfang jeder Scheiben 12, 14 vorhandenen Schlitze bestimmt wird, kann man die Drehgeschwindigkeit der Achse A-A berechnen. Darüber hinaus wird auch die Zeit Tl gemessen, während der die von der Quelle 16 emittierte Strahlung, nachdem sie ein sich überlappendes Schlitzepaar auf den beiden Scheiben 12, 14 passiert hat, den auf dem gegenüberliegenden Teil montierten Sensor 18 anregt. Die Zeit Tl ist nicht konstant, da sie nicht

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nur von der Drehgeschwindigkeit der Achse A-A, sondern auch vom Grad der Überlappung der beiden Scheiben abhängt. Dieser Überlappungsgrad (und letztlich die effektive Spaltbreite d)variiert in Abhängigkeit von der Torsion der Welle, also in Abhängigkeit von dem resultierenden Drehmoment. Drei exemplarische Situationen sind in den Fig. 2a-2c dargestellt. Die Zeit Tl verkürzt sich, wenn sich die Achse in die eine Richtung dreht, etwa im Gegenuhrzeigersinn, wie in Fig. 2b durch einen Pfeil angedeutet und sie sich verlängert sich, wenn sich die Achse in die umgekehrte Richtung dreht, etwa im Uhrzeigersinn, wie in Fig. 2c durch einen Pfeil angedeutet. Auf diese Weise ist es sogar möglich, die Drehrichtung der Achse A-A zu bestimmen. Wenn die Zeit Tl in der der kollimierte Strahl die beiden Schlitze frei passieren kann und auf den Sensor trifft, größer ist als die theoretische Zeit, die sich bei fehlender Torsion (Drehmoment Null) für diese bestimmte Winkelgeschwindigkeit ergäbe (Fig. 2a), erfolgt die Rotation in eine Richtung (Fig. 2b); umgekehrt gilt: wennn die Zeit Tl geringer ist als die theoretische Dauer, die sich bei Drehmoment Null für diese bestimmte Winkelgeschwindigkeit ergäbe, dann erfolgt die Rotation in die entgegengesetzte Richtung (Fig. 2c).

Die obigen Aussagen lassen sich in zwei symbolische Formeln zusammenfassen:

Für die Drehgeschwindigkeit RPM gilt: RPM = f(&eegr;,&Ngr;,&Tgr;), wobei &eegr; die Anzahl der (anhand der durch die Schlitze verursachten Unterbrechungen des Strahls 20) errechneten Impulse des Strahlungssensors 18, N die Anzahl der an den äußeren Rändern der beiden Scheiben 12, 14 vorhandenen Schlitze und T die Meßdauer bedeutet.

Für das Drehmoment gilt: Mt = f(D,L,Tl,G,&ohgr;), wobei D der Durchmesser der Scheiben 12, 14 bei den Schlitzen, L der Abstand zwischen den beiden Scheiben 12, 14 bedeutet, Tl der

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Zeitraum ist, während dem der Strahl 20 auf den Sensor 18 treffen kann, wenn er ein einzelnes Paar Schlitze der beiden Scheiben 12, 14 passiert, G eine Materialkonstante ist, die von dem Material abhängig ist aus dem die Welle 10 besteht, und &ohgr; für die Drehgeschwindigkeit der Welle 10 steht.

Detailliertere physikalische Formeln lassen sich durch ein simples mathematisches Verfahren herleiten.

Zur Bestimmung der Meßgrößen kann das vom Sensor 18 erhaltene elektrische Signal zweckmäßigerweise von einem elektronischen System verarbeitet werden. Die errechneten Meßwerte können angezeigt oder mit externen Zusatzinformationen verknüpft werden. Dies erfolgt z. B. dann, wenn als Eingangswert der Energieverbrauch des Hauptantriebmotors, der die Welle antreibt, geliefert wird. Mit dieser Information und in Kenntnis des Drehmomentes der Achse A-A der Welle 10 läßt sich der Wirkungsgrad (der spezifische Verbrauch) des Hauptantriebmotors berechnen.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine direkten Messung der relevanten physikalischen Größen möglich ist. Die Resultate sind somit nicht mit den tpyischen Fehlern der indirekten Meßmethoden (wie z. B. bei den Systemen mit Dehnungsmessern) behaftet. Darüber hinaus erfolgt die Messung durch einen kollimierten Strahl, der auf den Sensor trifft, d.h. es handelt sich (im Gegensatz zu den Systemen mit Impulsgebern, die mit der Drehachse synchronisiert sind) um ein einstrahliges, und nicht ein zweistrahliges System. Der wesentliche Vorteil der Messung mit einem einzigen Strahl besteht darin, daß eine komplizierte Abstimmung und Synchronisation von zwei Strahlen, die unabhängig voneinander sind und vor allem, wie es häufig der Fall ist, beträchtlichen Vibrationen ausgesetzt sind, entfallen kann.

Claims

&Mgr;/37228 1&Idigr; *· "· *· ·' 'Paolo CODAZZI Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Messung von dynamischen Größen eines um eine Drehachse rotierenden Körpers, insbesondere zur Messung des Drehmomentes, der Winkelgeschwindigkeit und der Drehrichtung des rotierenden Körpers, gekennzeichnet durch

eine Strahlungsquelle (16), die einen einzelnen kollimierten Meßstrahl (20) aussendet, zwei zueinander entlang der Drehachse (A-A) des Körpers (10) versetzte Strahlunterbrecher (12, 14), die drehfest mit dem Körper (10) verbunden sind und die so angeordnet sind, daß sie bei Rotation des Körpers (10) den kollimierten Meßstrahl (20) periodisch unterbrechen, und einen Strahlungssensor (18), der den kollimierten Meßstrahl (20) nach Durchgang durch die beiden Strahlunterbrecher (12, 14) registriert.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlunterbrecher (12, 14) im Ruhezustand um die Drehachse winklig zueinander versetzt sind.

3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlunterbrecher (12, 14) identische, geschlitzte Scheiben sind.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

0 gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (16) kollimierte elektromagnetische Strahlen oder kollimierte Teilchenstrahlen aussendet.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (16) einen kollimierten Lichtstahl aussendet.

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6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (16) ein Laser ist.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kollimierte Strahl (20) zumindest im Bereich der beiden Strahlunterbrecher (12, 14) im wesentlichen parallel zu der Drehachse (A-A) des Körpers (10) verläuft.
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