DE4328686A1 - Meßeinrichtung zur berührungslosen Drehzahlmessung von Laufrädern von Strömungsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur berührungslosen Drehzahlmessung von Laufrädern von Strömungsmaschinen, insbe­ sondere Laufräder von Abgasturboladern von Brennkraft­ maschinen, wobei die Strömungsmaschine zumindest einen durch eine Rohrwand definierten axialen Strömungsweg aufweist, wel­ cher mit einem Anschlußrohr strömungsverbindbar ist.

Zur Beurteilung des Ansprech- bzw. Druckverhaltens eines Ab­ gasturboladers muß die Laderdrehzahl mit ausreichender Genau­ igkeit erfaßt werden.

In der MTZ Motortechnische Zeitschrift 53 (1992) wird auf Seite 10 eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Art zur Erfassung der Drehzahl eines Turboladers beschrieben, auf des­ sen Abgasturboladerwelle auf der Verdichterseite für die Dauer der Drehzahlmessung eine magnetisierte Mutter auf die Verdich­ terseite montiert wird. Diese magnetisierte Mutter erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, durch das eine Wechselspannung in der Spule eines am Ansaugstutzens des Verdichtergehäuses mon­ tierten passiven Aufnehmers induziert wird, deren Frequenz proportional zur Laderdrehzahl ist. Diese Meßeinrichtung hat allerdings den Nachteil, daß der Turbolader für die Messung zerlegt und mit der magnetisierten Mutter präpariert werden muß. Durch das bei Drehung der Welle auf die Mutter wirkende magnetische Wechselfeld kann es außerdem zu einem Lösen der Mutter mit beträchtlichen Folgeschäden kommen.

Weiters ist es bekannt, die durch die Restunwucht bei Rotation des Laufrades auftretenden Vibrationsschwingungen als Signal für die Drehzahlmessung durch einen piezoelektrisch-seismi­ schen Sensor heranzuziehen. Bei Verwendung von schwin­ gungsarmen Laufrädern oder bei Vorhandensein von größeren Fremdschwingungen ist eine eindeutige Feststellung eines Dreh­ zahlimpulses allerdings nur mehr schwer möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und eine Meßeinrichtung zur berührungslosen Dreh­ zahlmessung von Laufrädern von Strömungsmaschinen zu schaffen, die auf einfache und sichere Art und ohne Demontage der Strö­ mungsmaschine eine genaue Erfassung der Drehzahl ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Rohrwand in einem mit zumindest einer Laufschaufel des Laufrades in op­ tischen Kontakt stehenden Aufnehmerbereich zumindest einen Wanddurchbruch aufweist und im Bereich des Wanddurchbruches ein optischer Sensorkopf an der Rohrwand befestigt ist, wel­ cher zumindest einen Lichtemitter und/oder zumindest einen De­ tektor aufweist, wobei zumindest eine optische Achse des Sen­ sorkopfes in zumindest einer Stellung des Laufrades auf einen reflektierenden Laufschaufelbereich gerichtet ist. Dabei wird ein durch den Lichtemitter ausgesandter Lichtimpuls an einer Verdichterradschaufel reflektiert, und durch den Emitter aufgefangen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der mindestens einen Wand­ durchbruch aufweisende Aufnehmerbereich an der Rohrwand eines an das Gehäuse der Strömungsmaschine axial anflanschbaren An­ schlußrohres angeordnet ist. Dies ermöglicht den raschen Auf­ bau der Meßeinrichtung, ohne größere mechanische Veränderungen an der Strömungsmaschine durchführen zu müssen. Um eine sichere und genaue räumliche Anordnung der Meßeinrichtung zu gewährleisten ist vorgesehen, daß im Aufnehmerbereich außen an der Rohrwand ein Trägerrohr für den Sensorkopf vorgesehen ist, dessen Längsachse vorzugsweise zu einer optischen Achse des Lichtemitters oder des Detektors parallel ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zur Montage und Adaption des Sensorkopfes zwischen Sensorkopf und Rohrwand eine, vorzugsweise als ver­ riegelbares Kugelgelenk ausgebildete, Winkelverstelleinrich­ tung vorgesehen ist. Dadurch kann die Meßeinrichtung an die Geometrie der Strömungsmaschine angepaßt werden.

Eine optimale Geometrieanpassung kann besonders dadurch er­ reicht werden, daß zur axialen Positionierung des Sensorkopfes zwischen Trägerrohr und Sensorkopf eine Längenverstelleinrich­ tung vorgesehen ist, welche vorzugsweise aus einer den Sensor­ kopf umgebenden Spannmutter besteht, die auf eine mit dem Trägerrohr starr oder drehbar verbundene Spannhülse auf ge­ schraubt ist.

In einer sehr kompakten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß Lichtemitter und Detektor auf einem ein­ zigen Sensorkopf angeordnet sind. Eine kostengünstige und ge­ naue Meßeinrichtung gemäß der Erfindung kann dadurch erhalten werden, daß zumindest ein im Infrarotbereich arbeitender Lichtemitter und zumindest ein im Infrarotbereich arbeitender Detektor vorgesehen ist.

Eine möglichst einfache Meßeinrichtung läßt sich realisieren, wenn als Lichtemitter mindestens eine Leuchtdiode vorgesehen ist.

Um eindeutige Meßsignale zu erhalten, ist es besonders bei höheren Drehzahlen vorteilhaft, daß zur Erzeugung eines reflektierenden Laufradschaufelbereiches zumindest eine Lauf­ radschaufel anpoliert ist.

Wird die Meßeinrichtung zur Erfassung von Turboladerdrehzahlen verwendet, ist es vorteilhaft, daß der Aufnehmerbereich am Eingangsrohr des Verdichters angeordnet ist. Dadurch kann eine frühzeitige Verschmutzung des optischen Sensorkopfes weit­ gehend vermieden werden.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Meßeinrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine Detailansicht der Meßeinrichtung aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht des Sensorkopfes aus der Rich­ tung eines an der Laufschaufel reflektierten Lichtstrahles in vergrößerter Darstellung,

Fig. 4 ein Prinzipbild des Meßaufbaues der erfin­ dungsgemäßen Meßeinrichtung, Fig. 5 und 6 ein Beispiel eines durch die erfindungsgemäße Meß­ einrichtung aufgenommenen Drehzahlsignales.

In Fig. 1 ist ein Abgasturbolader 1 mit einem Verdichterteil 2 und einem Turbinenteil 3 dargestellt, wobei das Laufrad 4 des Verdichters 2 über die Welle 5 mit dem Laufrad 6 der Turbine 3 starr verbunden ist. Das Gehäuse des Abgasturboladers 1 trägt das Bezugszeichen 1′. Das Abgas gibt einen Teil seiner Abgas­ energie an das Turbinenlaufrad 6 ab, welches über die Welle 5 das Verdichterlaufrad 4 antreibt, welches wiederum die durch die Pfeile 9 symbolisierte Ansaugluft auf ein höheres Druck­ niveau bringt. Die Drehachse der Welle 5 ist mit 5′ be­ zeichnet. Die Ansaugluft 9 tritt durch die Anschlußrohre 10 und 11 in den Verdichterteil 2 ein, passiert das Ver­ dichterlaufrad 4 und verläßt den Verdichter 2 über die Ver­ dichterspirale 2′. Der zum Verdichterlaufrad 4 führende axiale Strömungsweg 12 wird durch die Rohrwände 10′, 11′, sowie den Wänden 13′ des rohrförmigen Anschlußstutzens 13 definiert. Wie in Fig. 2 ersichtlich ist, weist die Rohrwand 11′ in einem Be­ reich des Anschlußrohres 11, welcher mit zumindest einer Lauf­ schaufel 4′ des Laufrades 4 in optischem Kontakt steht - im folgenden als Aufnehmerbereich 14 bezeichnet - einen Wand­ durchbruch 15 mit einem mit der Rohrwand 11′ verbundenen Trä­ gerrohr 27 auf, in welchem ein optischer Sensorkopf 16 ange­ ordnet ist, welcher zwei Lichtemitter 17 und einen Detektor 18 aufweist. Die Achse 27′ des Trägerrohres 27 ist etwa zu einer der optischen Achsen 17′′ und 18′′ parallel. Die Lichtemitter 17 senden Infrarotstrahlen, in der Zeichnung durch die strich­ lierten Linien 17′ angedeutet, in die Richtung einer Lauf­ schaufel 4′. An einer reflektierenden Fläche 4′′ der Lauf­ schaufel 4′ wird der Infrarotstrahl 17′ reflektiert und an den Sensorkopf 16 zurückgelenkt, wo der mit 18′ bezeichnete re­ flektierte Infrarotstrahl vom Detektor 18 aufgefangen wird, welcher das Lichtsignal in ein elektrisches Signal umwandelt.

Der Sensorkopf 16 kann über eine aus einem Kugelgelenk 8′ be­ stehende Winkelverstelleinrichtung 8 innerhalb eines Winkelbe­ reiches 30 gedreht werden. Durch Anziehen der Fest­ stellmutter 8′′ ist die gewählte Winkellage des Sensorkopfes 16 fixierbar. Zur axialen Positionierung des Sensorkopfes 16 ist weiters eine Längenverstelleinrichtung 7 vorgesehen, welche aus einer Spannhülse 7′′ und einer auf diese aufschraubbaren Spannmutter 7′ besteht.

Fig. 3 zeigt einen Sensorkopf 16 aus der Sicht eines an der Laufschaufel 4 reflektierten Lichtstrahles 18′. Deutlich sind zwei Lichtemitter 17 zu erkennen, welche vorteilhafterweise im Infrarotbereich arbeitende Leuchtdioden sein können. Der re­ flektierte Strahl 18′ trifft auf den Detektor 18 auf und er­ zeugt dabei ein elektrisches Meßsignal.

Das vom Sensor 16 abgegebene elektrische Signal wird durch die Sensorleitung 16′ einer Signalaufbereitungseinrichtung 19, be­ stehend aus einem Verstärkerteil 20 und einem Filterteil 21, zugeführt und kann anschließend einer Anzeige- und Auswerte­ einheit 22, bestehend aus einem Frequenz/Spannungswandler 23 und einem Anzeigegerät 24, und/oder über einen Ana­ log/Digitalwandler 25 an eine Meßdatenerfassungseinrichtung 26 weitergeleitet werden. Dies ist in Fig. 4 schematisch darge­ stellt.

Fig. 5 zeigt ein durch die erfindungsgemäße Meßeinrichtung aufgenommenes Drehzahlmeßsignal 28 in einem Diagramm in wel­ chem die Sensorspannung U₁ über der Zeit t aufgetragen ist. Die vom Sensor 16 gelieferte Spannung U₁ ist dabei noch in ei­ nem nicht aufbereiteten Zustand. Nach Verstärkung, Filterung und Triggerung erhält man die in Fig. 5 dargestellten Dreh­ zahlimpulse 29, welche als Spannungsimpulse U₂ über der Zeit t aufgetragen sind.

Claims (10)

1. Meßeinrichtung zur berührungslosen Drehzahlmessung von Laufrädern von Strömungsmaschinen, insbesondere Laufräder von Abgasturboladern von Brennkraftmaschinen, wobei die Strömungsmaschine zumindest einen durch eine Rohrwand de­ finierten axialen Strömungsweg aufweist, welcher mit einem Anschlußrohr strömungsverbindbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rohrwand (11′) in einem mit zumin­ dest einer Laufschaufel (4′) des Laufrades (4) in opti­ schen Kontakt stehenden Aufnehmerbereich (14) zumindest einen Wanddurchbruch (15) aufweist und im Bereich des Wanddurchbruches (15) ein optischer Sensorkopf (16) an der Rohrwand (11′) befestigt ist, welcher zumindest einen Lichtemitter (17) und/oder zumindest einen Detektor (18) aufweist, wobei zumindest eine optische Achse (17′′, 18′′) des Sensorkopfes (16) in zumindest einer Stellung des Laufrades (4) auf einen reflektierenden Laufschaufelbe­ reich (4′′) gerichtet ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens einen Wanddurchbruch (15) aufweisende Aufnehmerbereich (14) an der Rohrwand (11′) eines an das Gehäuse (1′) der Strömungsmaschine (1) axial anflanschba­ ren Anschlußrohres (11) angeordnet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Aufnehmerbereich (14) außen an der Rohr­ wand (11′) ein Trägerrohr (27) für den Sensorkopf (16) vorgesehen ist, dessen Längsachse (27′) vorzugsweise zu einer optischen Achse (17′′, 18′′) des Lichtemitters (17) oder des Detektors (18) parallel ist.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Montage und Adaption des Sensorkopfes (16) zwi­ schen Trägerrohr (27) und Sensorkopf (16) eine, vorzugs­ weise als verriegelbares Kugelgelenk (8′) ausgebildete Winkelverstelleinrichtung (8) vorgesehen ist.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur axialen Positionierung des Sen­ sorkopfes (16) zwischen Trägerrohr (27) und Sensor­ kopf (16) eine Längenverstelleinrichtung (7) vorgesehen ist, welche vorzugsweise aus einer den Sensorkopf (16) um­ gebenden Spannmutter (7′) besteht, die auf eine mit dem Trägerrohr (27) starr oder drehbar verbundene Spann­ hülse (7′′) aufgeschraubt ist.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtemitter (17) und Detektor (18) auf einem einzigen Sensorkopf (16) angeordnet sind.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein im Infrarotbereich ar­ beitender Lichtemitter (17) und zumindest ein im Infra­ rotbereich arbeitender Detektor (18) vorgesehen ist.

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtemitter (17) mindestens eine Leuchtdiode vorgesehen ist.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines reflektierenden Laufradschaufelbereiches (4′′) zumindest eine Laufrad­ schaufel (4′) anpoliert ist.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, zur be­ rührungslosen Drehzahlmessung von Laufrädern von Ab­ gasturboladern, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufneh­ merbereich (14) am Eingangsrohr (11) des Verdichters (2) angeordnet ist.