DE3835694A1 - Einrichtung zum erkennen von radialschlag oder axialschlag - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erkennen von Radialschlag oder Axialschlag der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Solche Einrichtungen eignen sich beispielsweise zur Prüfung der Exzentrizität der Rotoren von Elektrizitätszählern. Sie können aber auch für völlig andere Zwecke eingesetzt werden.

Die Rotoren von modernen Elektrizitätszählern sind in Magnet­ lagern (DE-AS 14 41 162) gelagert. Das Magnetlager nimmt dabei nur die senkrechten Rotorkräfte auf. Die Kräfte, die in radialer Richtung wirken, werden von dünnen federnden Führungsnadeln aufgenommen. Der Rotor eines Elektrizitätszählers muß aus messtechnischen Gründen eine hohe Zentrizität aufweisen (Landis & Gyr Mitteilungen 1/1962, Seite 94). Vielerlei Gründe können zu Abweichungen führen. So können z. B. die Rotorscheibe oder die Lagermagnete exzentrisch auf die Rotorachse aufgebracht sein. Auch können die Lagermagnete durch Inhomogenitäten des Magnetmaterials oder durch Fehler beim Magnetisieren exzentrisch magnetisiert sein. Bei exzentrisch aufgepressten oder exzentrisch magnetisierten Lagermagneten tritt ein zusätzliches Problem auf. Durch die Exzentrizität der Lagermagnete entsteht eine seitliche Kraft, die zur einseitigen Abnutzung der in der Rotorachse eingepressten Lagerbüchsen führt. Einseitig abgenutzte Lagerbüchsen führen zwangsläufig zu Meß­ ungenauigkeiten und zu vorzeitiger Revision des Zählers. Die aufgeführten Gründe zeigen, daß ein Zählerhersteller außer­ ordentlich am genauen Rundlauf der Zählerrotoren interessiert ist und demzufolge auch an einem rationellen Messverfahren zum Erkennen des Radialschlages.

Wie oben dargelegt, sind die Rotoren in radialer Richtung nicht fest gelagert. Bei der Messung des Radialschlages darf also keine Kraft auf die Rotoren ausgeübt werden, da sonst die Meßresultate verfälscht würden. Eine bekannte Methode zur Messung des Radialschlages von Zählerrotoren besteht darin, daß mit einem Meßmikroskop eine senkrechte Kante des Rotors beobachtet wird. Beobachtet werden die Extremwerte der Bewegung derselben Kante nach links und nach rechts. Der Abstand der beiden Extremwerte ist gleich dem Radialschlag. Mittels eines Maßstabes im Okular kann die Größe des Ausschlages gemessen werden. Die Protokollierung geschieht von Hand. Um eine Ablesung vornehmen zu können, darf der Rotor nur langsam drehen. Der Zeitaufwand für die Messung und die Protokollierung ist groß. Das Verfahren eignet sich nicht für eine permanente Überwachung in der Produktion oder im Dauerversuch.

Für ein anderes Anwendungsgebiet, nämlich die Nullstellung einer Waage, ist in der DE-AS 27 51 757 eine Einrichtung beschrieben, bei der eine Lichtquelle über eine mit der Waage fest verbundene Zylinderlinse auf einem Photodifferenzdetektor abgebildet wird. Das Bild der Lichtquelle ist schmal im Vergleich zur Breite des Photodifferenzdetektors. Die Zylinderlinse wird so lange verschoben, bis das Bild der Lichtquelle genau in der Mittel­ stellung des Photodifferenzdetektors steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Erkennen von Radialschlag oder Axialschlag zu schaffen, die sich für die Dauerüberwachung eines umlaufenden Teiles eignet, die über ein hohes Auflösungsvermögen bei großer Reproduzierbarkeit der Meßresultate verfügt und bei der die Umfangsgeschwindigkeit des umlaufenden Teiles groß gewählt werden kann.

Die Erfindung besteht in den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 eine Messeinrichtung zur Ermittlung des Radialschlages von rotierenden Teilen,

Fig. 2 eine Lichtquelle mit mehreren Licht emittierenden Elementen,

Fig. 3 eine Anordnung der Lichtquelle bei engen Platzverhältnissen,

Fig. 4 einen exzentrisch umlaufenden Rotor und

Fig. 5 ein Diagramm mit dem Signalverlauf einer Meßeinrichtung nach der Fig. 1.

In der Fig. 1 wird ein umlaufendes Teil 1 von einer Lichtquelle 2 beleuchtet. Beim umlaufenden Teil 1 kann es sich beispiels­ weise um den Tragmagneten eines Elektrizitätszählers handeln. Die Lichtquelle 2 kann eine Leuchtdiode, eine Glühlampe oder ein anderes Licht emittierendes Element sein. Das von der Licht­ quelle 2 kegelförmig ausgestrahlte Licht wird von einer Linse 3 zu einem Zylinder aus parallel verlaufenden Lichtstrahlen gerichtet. Eine Spaltblende 4 schneidet aus dem Zylinder eine Lichtebene, die senkrecht zur Achse des umlaufenden Teiles 1 verläuft. Der vom umlaufenden Teil 1 erzeugte Schatten fällt auf einen Photodifferenzdetektor 5, der aus zwei Photodetektoren 6 und 7 gebildet ist. Die beiden Photodetektoren 6 und 7 sind mit einem Auswerteeinrichtung 8 und diese wiederum mit einer Anzeigeeinrichtung 9 verbunden.

Im Photodifferenzdetektor 5 sind als Photodetektoren z. B. zwei Photodioden 6 und 7 mit möglichst genau gleichen Kennlinien für die Intensität und die spektrale Zusammensetzung des verwendeten Lichtes vereint. Die beiden Photodioden 6 und 7 liegen in der Richtung der Lichtebene nebeneinander. Die beiden Ausgänge sind in Differenz geschaltet, so daß ein Signal "Null" entsteht, wenn beide Photodioden 6, 7 mit identischem Licht und identischer Lichtstärke beleuchtet werden.

Selbstverständlich können auch zwei andere Lichtdetektoren, so beispielweise Phototransistoren, an dieser Stelle benutzt werden, falls sie nur möglichst genau die gleichen Kennlinien für die Intensität und die spektrale Zusammensetzung des verwendeten Lichtes zeigen.

Vorteilhafterweise ist das spektrale Emissionsvermögen der Lichtquelle 2 so auf die spektrale Empfindlichkeit der Photo­ detektoren 6, 7 abgestimmt, daß diese eine möglichst gute Lichtausbeute zeigen. Es können daher insbesondere Leuchtdioden oder Laserdioden, aber auch Laser als Lichtquellen 2 verwendet werden.

Für die Funktion der nachstehend beschriebenen Einrichtung ist es wichtig, daß die Lichtintensität über die ganze Breite der Lichtebene gleich ist. Unter Umständen ist es vorteilhaft, nicht nur ein einziges Licht emittierendes Element in der Licht­ quelle 2 einzusetzen, sondern mehrere, die in einer Ebene verteilt sind.

Die Fig. 2 zeigt eine solche Anordnung. Die Lichtquelle 2 ist aus fünf Licht emittierenden Elementen 2′ aufgebaut. Die fünf Elemente 2′ sind in einer Ebene angeordnet, die rechtwinklig auf der Verbindungslinie Lichtquelle 2, umlaufendes Teil 1 und Photodifferenzdetektor 5 steht. Eines der Elemente 2′ befindet sich im Zentrum eines gedachten Kreuzes auf der Verbindungslinie Lichtquelle 2, umlaufendes Teil 1. Die vier anderen der Elemente 2′ sind im gleichen Abstand vom ersten Element 2′ auf den Schenkeln des Kreuzes angeordnet. Ein Schenkel des Kreuzes ist parallel zu einer Zylinderlinse 10 ausgerichtet. Die Zylinderlinse 10 fokussiert das Licht auf eine Lichtebene, welche senkrecht zum umlaufenden Teil 1 gerichtet ist.

Optische Systeme können nicht beliebig klein gemacht werden. Ist eine direkte Beleuchtung des umlaufenden Teiles 1 aus Platz­ gründen nicht möglich, so kann eine Anordnung nach der Fig. 3 getroffen werden. Die Lichtquelle 2 ist rechtwinklig zur Verbindungslinie zwischen umlaufendem Teil 1 und Photodifferenz­ detektor 5 angeordnet. Das Licht der Lichtquelle 2 wird von einem Strahlteiler 11, der aus einem halbdurchlässigen Spiegel besteht, aufgespalten. Die eine Hälfte des Lichtes wird recht­ winklig abgelenkt, die andere Hälfte des Lichtes wird an einen Spiegel 12 weitergegeben und von diesem ebenfalls rechtwinklig abgelenkt. Die beiden Lichtbündel beleuchten je eine Kante des umlaufenden Teiles 1.

Anhand der Fig. 4 wird der Begriff des Radialschlages näher erläutert. Das Zentrum a des umlaufenden Teiles 1 ist um das Maß E vom Drehpunkt b verschoben. Betrachtet man eine Kante des umlaufenden Teiles 1 während einer vollständigen Umdrehung desselben, so bewegt sich die Kante um das Maß 2 E. Das Maß E wird als Exzentrizität, das Maß 2 E als Radialschlag bezeichnet.

Die Fig. 5 zeigt die vom Photodifferenzdetektor 5 gelieferte Spannung U in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ bei einer ganzen Umdrehung des umlaufenden Teiles 1. Vorausgesetzt ist, daß das umlaufende Teil nicht ideal rund läuft, sondern mit Radialschlag behaftet ist. Unter dem Diagramm der sinusförmig verlaufenden Spannung U ist jeweils die Abdeckung des Photodifferenz­ detektors 5 durch den Schatten des umlaufenden Teiles 1 dargestellt. Die Bilder sind von der Mitte aus numeriert, nach links mit negativen, nach rechts mit positiven Zahlen. Die Stellungen, an denen beide Photodioden 6, 7 von gleichen Flächen des Schattens abgedeckt werden, sind mit -4, 0 und +4 bezeichnet. In den Stellungen -2 und +2 ist die maximale Auslenkung des Schattens in der einen oder anderen Richtung und damit die maximale Spannung U in der negativen und der positiven Richtung erreicht. Die Differenz zwischen dem positiven und dem negativen Extremwert der Spannung U ist proportional dem Radialschlag des umlaufenden Teiles 1. Bei kleinem Radialschlag des umlaufenden Teiles 1 wird die Amplitude der sinusförmigen Spannung U klein, bei idealem Rundlauf des umlaufenden Teiles 1 wird die Spannung U null.

In der Auswerteeinrichtung 8 werden der positive und der negative Extremwert der Spannung U in an sich üblicher Art und Weise digitalisiert und vorzeichenlos abgespeichert. Die beiden Werte werden addiert, in Längeneinheiten umgerechnet und in der Anzeigeeinrichtung 9 zur Anzeige gebracht. Die Auswerte­ einrichtung 8 kann beispielsweise ein mit einem Analogeingang ausgerüsteter Computer und die Anzeigeeinrichtung 9 ein Drucker sein.

Wird das umlaufende Teil 1 in Bezug auf den Photodifferenz­ detektor 5 genau ausgerichtet, so genügt schon eine halbe Umdrehung, um die Exzentrizität bzw. den Radialschlag zu bestimmen. Der negative und der positive Ausschlag der Spannung U müssen in diesem Fall zwangsläufig gleich groß sein. Bei ungenauer Ausrichtung tritt eine positive oder negative Null­ punktverschiebung auf. Wird der positive und der negative Ausschlag der Spannung U in der beschriebenen Art und Weise berücksichtigt, so bleibt eine Nullpunktverschiebung ohne Ein­ fluss auf die Genauigkeit der Messung.

Mit der beschriebenen Einrichtung sind in Bezug auf die Radialschlagmessung an Rotoren von Elektrizitätszählern einige bedeutende Vorteile verknüpft:

• - Der Radialschlag wird berührungsfrei, mit hoher Meßwert­ auflösung und geringer Meßunsicherheit erfaßt.
• - Der Radialschlag wird als Zahlenwert ausgegeben.
• - In der Fertigung von Rotoren ist die Qualitätsüberwachung in Bezug auf Radialschlag mit vertretbarem Aufwand möglich.
• - Dauerversuche zur Ermittlung der Lagerabnutzung an Rotoren lassen sich kontinuierlich Überwachen.

Das beschriebene Meßprinzip läßt sich natürlich nicht nur zur Radialschlagserfassung einsetzen. Mit der gleichen Anordnung kann auch der Axialschlag gemessen werden. Mit zwei Photo­ differenzdetektoren kann gleichzeitig der Radialschlag und der Axialschlag gemessen werden. Der Einsatz von solchen Einrichtungen ist auch nicht auf Elektrizitzätszähler beschränkt.

Claims (11)

1. Einrichtung zum Erkennen von Radialschlag oder Axialschlag eines umlaufenden Teiles (1), insbesondere des Rotors eines Blektrizitätszählers, mit mindestens einer Lichtquelle (2), die das umlaufende Teil (1) beleuchtet, und mit einer optischen Einrichtung, die aufgrund des Schattenwurfes die Abweichung des umlaufenden Teiles (1) vom Sollwert berührungslos erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Schattenwurfes zwei Photodetektoren (6; 7) angeordnet sind, deren Ausgänge in Differenz geschaltet sind und die entsprechend der positiven oder negativen Abweichung des umlaufenden Teiles (1) vom Soll­ wert eine positive oder negative Spannung abgeben, die einer Auswerteeinrichtung (8) zugeleitet wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (8) positive und negative Extremwerte der Spannung abspeichert.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (8) die Differenz zwischen positiver und negativer Spannung bildet und in einer Anzeige­ einrichtung (9) in Längeneinheiten zur Anzeige bringt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Photodetektoren (6; 7) zusammen einen Photodifferenzdetektor (5) bilden.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektoren (6; 7) Photodioden sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das spektrale Emissionsvermögen der Licht­ quelle (2) und die spektrale Empfindlichkeit der Photodetektoren (6; 7) gegeneinander so abgestimmt sind, daß die Photo­ detektoren (6; 7) eine möglichst hohe Lichtausbeute zeigen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) aus Leuchtdioden, Laserdioden oder Laser besteht.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) aus mehreren Licht emittierenden Elementen (2′) aufgebaut ist und daß eine Zylinderlinse (10) angeordnet ist, die das Licht der Licht­ quelle (2) auf das umlaufende Teil (1) fokussiert.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlteiler (11) und ein Spiegel (12) derart angeordnet sind, daß das Licht der Lichtquelle (2) in zwei Lichtbündel aufgespalten wird, die je eine Kante des umlaufenden Teiles (1) beleuchten.

10. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Überwachung von Dauerversuchen zur Registrierung der Lager­ abnutzung von Zählerrotoren.

11. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Qualitätsüberwachung der Fertigung von Rotoren für Elektrizitätszähler.