DE4034578C2 - Drehübertrager - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehübertrager mit einem Sta­ tor und einem hierzu konzentrisch umlaufenden Rotor, von welchem insbesondere mittels Sensoren von einem Rotationskörper aufge­ nommene Signale auf den Stator übertragen werden.

Drehübertrager dieser Art werden häufig für die Übertragung von Meßwerten vom umlaufenden Teil, wie Rotationskörpern, benötigt. Hierbei ist die technische Entwicklung weitgehend auf die Vermei­ dung bzw. Herabsetzung von Übertragungswiderständen gerichtet. Zur Vermeidung von Berührungswiderständen wurden daher Drehübertrager mit Flüssigkeitszellen, und zwar insbesondere Quecksilberzellen, entwickelt, bei welchen Zellen isolierte, axial beabstandete Kon­ taktscheiben in Quecksilber eintauchen, wie im "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen", Christof Rohrbach, 1967, VDI-Verlag, Düsseldorf, Seite 342, beschrieben. Zur Herabsetzung der durch die axialen Abstände bedingten Einbaulänge sieht die Patentanmeldung DE 34 45 045.9 vor, den Stator als eine zentrale Hohlachse auszuführen sowie den um diese umlaufenden Rotor im wesentlichen im Innern des Rotationskörpers einzusetzen und darin zu befestigen, so daß die Gesamteinrichtung eines Drehübertragers mit einem Rotationskörper, der die Sensoren trägt, nicht wesentlich länger als letzterer ausfällt.

Von Nachteil ist bei den bekannten Drehübertragern mit Quecksilber­ zellen einerseits, daß letztere im Ergebnis zahlenmäßig begrenzt bleiben, und andererseits einer sorgfältigen Wartung bedürfen, um Veränderungen des Quecksilbers durch Verschmutzungen und Amalgan­ bildung ausschalten zu können. Prinzipiell stellt bei derartigen Drehübertragern die Bindung an das Massepotential eine Gefährdung der Übertragung dar, da im absoluten Bereich Schwankungen des Massepotentials auftreten können. Eine entsprechende Beeinträchti­ gung kann sich durch die Bindung an die Versorgungspotentiale er­ geben, ohne welche die Meßwertfortleitung im elektrischen Bereich nicht gelingen würde. Da die Signalübertragung in der Regel analog stattfindet, besteht eine demgemäße Störanfälligkeit.

Im Stand der Technik ist es diesbezüglich aus der DE-OS 28 46 583 bekannt, einen Drehübertrager vorzusehen, bei dem ein Meßsignal von einem drehba­ ren zu einem feststehenden Maschinenteil lichtoptisch über eine im Infrarotbe­ reich arbeitende lichtaussendende Diode und einen entsprechenden Fo­ totransistor ausgekoppelt wird. Hierbei wird zur Messwertaufbereitung inner­ halb des Rotationsteils ein Speisestrom induktiv von dem feststehenden Statorteil auf das drehbare Maschinenteil mittels eines Drehtransformators eingespeist.

Demgegenüber ist in der EP-OS 0 291 344 ein Drehübertragersystem aus einem Rotor und einem Stator aufgezeigt, bei dem sowohl die Signalübertra­ gung, und die Energieübertragung über optische Dioden im Infrarotbereich erfolgt. Zum Zweck der Meßsignalübertragung vom Rotor auf den Stator sind am Rotor entlang seiner Achse Licht emittierende Dioden angebracht, die auf am Innenumfang des Stators zugewandte Photodioden Licht emittieren. Die Signalübertragung ist durch die Anordnung der Lichtdioden am Rotor positi­ onsgesteuert, um die analogen Messsignale in digitale Signale wandeln zu können. Die zur rotorseitigen Verarbeitung der Signale und Steuersignale er­ forderliche Energie wird hierbei durch ein drittes lichtoptisches System vom Stator auf den Rotor übertragen.

Von diesen Schwierigkeiten ausgehend liegt der Erfindung die Aufgaben­ stellung zugrunde, einen weitgehend beeinträchtigungsfreien Drehübertra­ ger zu schaffen, bei dem weder eine Bindung an das Massepotential noch an die Versorgungspotentiale besteht. Aufgabe der Erfindung ist es, diesbe­ züglich einen Drehübertrager zu schaffen, mit dem eine von den erwähnten Störeinflüssen freie Signalübertragung steuerbarer Signaldaten möglich ist, und deren baulicher Konstruktionsaufwand minimiert ist. Weiterhin soll der Wartungsaufwand herabgesetzt sein.

Gelöst wird diese Aufgabenstellung durch den im Patentanspruch 1 gemachten Vorschlag, der in den Unteransprüchen 2 bis 6 in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltet wird.

Durch die Potentialtrennung von Rotor und Stator können keine Fremd­ spannungen, die sonst unter betrieblichen Bedingungen in unkontrollierter Weise bestehen, auf die Meßwerte Einfluß erlangen. Letztere erfahren viel­ mehr im rotierenden Teil der Einrichtung, also gegebenenfalls im Rotations­ drehkörper sowie im Rotor eine zweckmäßige Verarbeitung. Die vorgese­ hene Potentialtrennung zwischen Rotor und Stator ist maßgeblich für die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Meßwertübertragung.

Die im rotorseitigen Teil der Einrichtung vorzunehmende Signalverarbeitung setzt eine Energieversorgung voraus, die vom Stator ausgeht. Im Sinne der Erfindung ist diese Energieversorgung induktiv ausgeführt, so daß ein Potential vom Stator auf den Rotor nicht übertragen werden kann.

Besonders angebracht ist es, einen Schalenkerntransformator zwischen Rotor und Stator anzuordnen, dessen Primärwicklung sich auf der Stator­ seite und dessen Sekundärwicklung sich auf der Rotorseite befindet. Für den Betrieb des Transformators wird eine Wechselspannung gewählt, deren Frequenz ausreichend groß ist, um bei der gewünschten Baugröße die erforderliche Leistung übertragen zu können Die Verwendung der beiden beabstandeten Teile des Schalenkerntransformators läßt es zu, dessen Achse für weitere Übertragung zu nutzen.

Die rotorseitige Meßwertverarbeitung besteht mindestens in der La­ dungsverstärkung durch entsprechende Ladungsverstärker, die in der Regel im Rotationskörper selbst anzuordnen sind. Dabei wird von aktiven Sensoren ausgegangen, die als Kraftmeßgeber vor allem ent­ sprechend der DE-PS 26 30 410 üblich sind, um bei einer Umlenkmeß­ rolle die Spannungsverteilung von biegsamen Stahlbändern beim Kalt­ walzen zu erfassen. Derartige Geber werden erfindungsgemäß an wenigstens einen zum rotierenden Teil gehörenden Ladungsverstärker angeschlossen. Dessen Ausgang ist auf einen im Rotor befindlichen Telemetrie-Sender geschaltet, über den berührungsfrei eine licht­ optische Übertragung auf eine zum feststehenden Teil gehörende Empfangseinheit besteht.

Mit erheblichem Vorteil wird für die Meßwertübertragung eine Puls­ codemodulation vorgenommen. Eine Vielzahl von Meßwerten können so in einem Datenstrom mit zeitlichen Abständen folgen, die dann unterschiedlichen Kanälen zugeordnet werden können. Demnach werden die beispielsweise mit Piezokristallen erzeugten Ladungen zunächst im Ladungsverstärker umgesetzt in Gleichströme bzw. Gleich­ spannungen. Diese bilden den Eingang für einen Multiplexer, über den nach Filterung und A/D-Wandlung sowie PCM-Umsetzung eine Sende­ diode gesteuert wird, die axial im Sekundärteil des bereits er­ wähnten Schalenkerntransformators liegt. Die gesendeten Werte werden von einer im Primärteil des Schalenkerntransformators in dessen Achse befindlichen Empfangsdiode aufgenommen und von dort auf eine PCM-Schnittstelle geschaltet.

Für eine derartige Signalverarbeitung dient eine statorseitig über einen Sender ausgelöste Steuerung. Zu diesem Zweck überträgt eine weitere Sendediode lichtoptisch Steuerdaten, die auf der Rotorseite decodiert werden, um somit die Signalerfassungseinheit (Ladungsver­ stärker) anzusteuern.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die vom Sekundärteil des Schalenkerntransformators übernommene Energieversorgung einer Spannungsaufbereitung im Rotor derart unterzogen, daß die positiven und negativen Spannungsgrenzen festgesetzt werden.

Erfindungsgemäß ist eine zentrale, optische Empfangsdiode rotorseitig und weiterhin statorseitig ein umlaufender Ring von äquidistant verteilten Sen­ dedioden vorgesehen, die mittels eines digitalen, einstellbaren Steuergerä­ tes beaufschlagbar sein können. So kann man mittels zwölf derartig ange­ ordneter Sendedioden eine vorteilhafte Überdeckung der Lichtsignale bei einer Umdrehung erzielen.

Die vorgeschlagene Ansteuerung mittels statorseitiger, auf einem Ring angeordneter Sendedioden gewährleistet, daß unabhängig von der mecha­ nischen Winkellage zwischen Stator und Rotor in jedem Falle präzise über­ tragen wird. Da die Übertragung von der Winkelposition unabhängig sein soll, wird jede der zwölf Sendedioden mit dem gleichen Signal betrieben. Dieses erfährt seine Aussteuerung nach der Maßgabe der Verstärkungsbe­ reiche des oder der Ladungsverstärker. Es wird also über den Diodenring bestimmt, welche Verstärkung die Meßsignale erhalten. Die oder der Ladungsverstärker können dadurch eine Rückstellung erfahren, und ande­ rerseits auf verschiedene Spannungsverstärkungsbereiche eingestellt wer­ den, die bestimmten Signalcodes entsprechen, welche von der Empfangs­ diode aufgefangen werden. Vor dort gelangen die Signale noch zu einer Decodierlogik, um sodann über die Verkabelung im rotierenden Teil der Ein­ richtung zu dem oder den Ladungsverstärkern zu gelangen. Der Signalfluß führt von der Auswertelektronik über den Diodenring zur Empfangsdiode und von dort wiederum galvanisch zu einer mitlaufenden Elektrode, die über einen Stecker zum Ladungsverstärker führt. In diesen Teilen sind die Verbindungen gleichfalls galvanischer Art.

Die berührungsfreien Übertragungskanäle führen entweder vom Umfang zum Zentrum oder vom Zentrum zum Zentrum. Auf diese Weise wird in Ver­ bindung mit der mittels des Schalenkerntransformators zu übertragenden Energieversorgung eine Trennung von Rotor und Stator verwirklicht, die die erfindungsgemäße Aufgabenstellung voll löst. Eine Anwendung des neuen Drehübertragers besteht insbesondere in Verbindung mit der bereits erwähnten Umlenkmeßrolle nach der DE-PS 26 30 410.

Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die sich auf ein Ausführungsbeispiel beziehende Zeichnung Bezug genommen:
Im rechten Teil der Zeichnung ist ein Stator 1 durch eine ge­ strichelte Linienführung veranschaulicht. Man erkennt eingangs­ seitig eine Schnittstelle 2 für ein digitales Steuersignal, eine weitere Schnittstelle 3 für die Energieübertragung und eine Schnittstelle 4 für die Pulscodemodulation. Am Boden einer Auf­ nahmekammer 5 ist der primäre, feststehende Teil 6 des Schalenkern­ transformators angeordnet, in dessen hohler Achse die Empfangsdiode 7 eingesetzt ist. Von der Schnittstelle 3 wird die zum primären Teil 6 des Schalenkerntransformators gehörende Wicklung gespeist, während die Empfangsdiode 7 auf den Pulscodemodulator 4 geschaltet ist.

In die Kammer 5 ragt ein zylindrischer Vorsprung 8 des gleichfalls durch eine gestrichelte Linienführung veranschaulichten Rotors 9 hinein. In die Stirnfläche des zylindrischen Fortsatzes 8 ist der sekundäre, rotierende Teil 10 des Schalenkerntransformators einge­ setzt. Der feststehende Teil 6 und der rotierende Teil 10 sind im übrigen koaxial in Bezug auf die Systemachse ausgerichtet, so daß sich die jeweiligen Wicklungen gegenüberliegen. Vor allem ist die zentral eingesetzte Sendediode 11 auf die Empfangsdiode 7 ausge­ richtet. über diese Sendediode wird ein serieller Datenstrom über­ tragen, der die codierten Meßwerte enthält. Dieser Datenstrom wird von der Empfängerdiode 7 aufgenommen und der PCM-Schnittstelle 4 zugeleitet.

Die Schnittstelle 2 für das digitale Steuersignal beaufschlagt die ringartig äquidistant angeordneten Sendedioden 12, deren Signale von der rotorseitigen Empfangsdiode 13 bei Drehung des Rotors 9 aufgenommen werden. Damit wird die Übertragung zwischen Stator und Rotor im Hinblick auf die Steuerung der Ladungsverstärker ge­ sichert.

Für die Energieversorgung ist ein Leistungsoszillator, der zeich­ nerisch nicht wiedergegeben ist, vorgesehen. Hiervon ausgehend wird der Schalenkerntransformator mit einer Spannung von 30 Volt und einer Stromstärke von 1,5 Ampere bei einer Frequenz von 250 kHz betrieben. Die induktiv übertragene Energie wird vom rotierenden Teil 11 des Schalenkerntransformators galvanisch der Speisespannungsaufbereitung 14 zugeführt, die die Energieversorgung der beispielsweise angeschlossenen Meßrolle übernimmt, indem die positiven und negativen Spannungen bezogen auf Massepotential vor­ gegeben werden.

Das von der Empfangsdiode 13 in der bereits erwähnten Weise aufge­ nommene Steuersignal führt zur digitalen Steuersignalaufbereitung 15 und wird von dort zur Ansteuerung der Ladungsverstärker bei der Meßrolle eingesetzt.

Im Rotor 9 sind schließlich noch die Bausteine für die Meßwertüber­ nahme und -verarbeitung angeordnet. Zunächst werden die Eingangs­ signale als analoge Werte in ihrer Vielzahl auf den Multiplexer 16 geschaltet. Der Datenstrom führt sodann über das Filter 17 zum A/D-Wandler 18 und von dort zum PCM-Umsetzer 19, der die Sendediode 11 mit dem Datenstrom beaufschlagt.

In der Praxis hat sich die Anordnung der Bausteine wie in der vor­ stehend beschriebenen schematischen Darstellung bewährt. Die Bau­ steine 14 bis 19 finden demgemäß Aufnahme im Rotor, der zweckmäßig in eine axiale Aufnahmebohrung einer Meßrolle oder dergleichen ein­ gesetzt ist.

Die vorstehend dargestellte Drehübertragung erlaubt die Verarbei­ tung einer sehr großen Signalmenge. Sie läßt sich ohne Schwierig­ keiten mit einer Frequenz von 10 MHz auslegen, so daß die Aussage­ fähigkeit über die zu messenden Werte mit sehr guter Präzision ge­ währleistet ist.

Claims (6)

1. Drehübertrager mit einem Stator (1) und einem den Stator (1) konzen­ trisch umlaufenden Rotor (9) zur Übertragung von an einem Rotations­ körper aufgenommenen Meßsignalen, die von dem Rotor (9) nach einer rotorseitigen Verarbeitung mittels einer rotorseitig zentral eingesetzten Sendediode (11) mit axialem Lichtweg auf einen statorseitigen lichtopti­ schen Empfänger (7) auf den Stator (1) übertragen werden, wobei eine Energieversorgung zur rotorseitigen Signalverarbeitung berührungsfrei und induktiv vom Stator (1) auf den Rotor (9) eingespeist wird und die Potentiale zwischen Rotor und Stator getrennt sind und der Stator zur Steuerung der rotorseitigen Messsignalverarbeitung am Außenumfang äquidistant verteilte Sendedioden (12) aufweist, deren Signale von ei­ ner rotorseitig zentral umlaufenden lichtoptischen Empfangsdiode (13) aufgenommen werden.

2. Drehübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die induktive Einkuppelung ein zur Rotorachse konzentrischer Schalenkern­ transformator (6, 10) vorgesehen ist, dessen Primärwicklung mit dem Stator (1) verbunden ist und dort eine Schnittstelle (3) für seine elektri­ sche Versorgung aufweist, während seine Sekundärwicklung entspre­ chend mit dem Rotor (9) verbunden ist, mit dem der Sekundärteil (10) konzentrisch rotiert.

3. Drehübertrager nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die als aktive Sensoren ausgeführten Geber an wenigstens einen zum rotierenden Teil gehörenden Ladungsverstärker angeschlos­ sen sind, dessen Ausgang auf einen im Rotor (9) befindlichen Meß­ wertübertragungs-Sender (16, 17, 18, 19) geschaltet ist, über den die lichtoptische Übertragung auf die zum Stator gehörende Empfangsdiode (7) berührungsfrei stattfindet.

4. Drehübertrager nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Meßsignale der Sensoren nach ihrer Ladungsver­ stärkung im Rotor (9) ein Multiplexer (16) vorgesehen ist, über den die Meßsignale nach einer Filterung über einen A/D-Wandler (18) einem PCM-Umsetzer (19) zugeführt werden, von wo aus ein serieller Daten­ strom ausgegeben wird, um die zentral im Sekundärteil (10) des Schalen­ kerntransformators befindliche Sendediode (11) zu steuern, im Anschluß an welche der Datenstrom von der im Primärteil (6) des Schalenkern­ transformators befindlichen Empfangsdiode (7) aufgenommen und auf eine PCM-Schnittstelle (4) gegeben wird.

5. Drehübertrager nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die vom Sekundärteil (10) des Schalenkerntransformators über­ nommene Energieversorgung eine Speisespannungsaufbereitung im Rotor (9) derart besteht, daß die positiven und negativen Spannungs­ grenzen festgesetzt werden.

6. Drehübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äquidistant verteilten Sendedioden (12) mittels eines digitalen, einstellbaren Steuergerätes (Schnittstelle 2) beaufschlagt sind.