DE4428396A1

DE4428396A1 - Vorrichtung zur berührungsfreien Messung einer Drehgeschwindigkeit und einer Drehrichtung

Info

Publication number: DE4428396A1
Application number: DE19944428396
Authority: DE
Inventors: Walter Koenigsdorfer
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1994-08-11
Filing date: 1994-08-11
Publication date: 1996-02-15

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Meßtechnik. Sie geht aus von einer Vorrichtung zur berührungsfreien Messung einer Drehgeschwindigkeit und einer Drehrichtung nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Die Vorrich tung ist insbesondere für die Messung der Fahrtrichtung und -geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen geeignet.

Stand der Technik

Eine solche Vorrichtung wird schon in der Zeitschrift "Messen Prüfen Automatisieren", April 1985, Seiten 190 ff. beschrieben. Bei schienengebundenen Fahrzeugen kommen heute vor allem Wiegand Sensoren oder optische Sensoren zum Einsatz. Der Wiegand Sensor ist in der Zeitschrift "Industrie-Elektrik + Elektronik", 25. Jahrgang 1980, Nr. 21, auf den Seiten 703 ff. beschrieben.

Nachteilig bei den optischen Drehgebern ist, daß ihr Einsatz aufgrund der großen Schmutzbelastung in elektri schen Lokomotiven stark eingeschränkt wird. Problematisch beim Wiegand-Sensor, der ja auf einem magnetischen Effekt beruht, ist vor allem die schlechte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Aufgrund dieser den heutigen Drehrichtungs- und Drehge schwindigkeitserfassungssystemen anhaftenden Unzuläng lichkeiten ist es bis heute nicht möglich, die Geschwin digkeit von Lokomotiven auf einfache und zuverlässige Art berührungslos zu messen.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung zur berührungsfreien Messung einer Drehge schwindigkeit bzw. einer Drehrichtung anzugeben, welche einfach aufgebaut ist, gegen Verschmutzung unempfindlich ist und keine Probleme bezüglich EMV-Vorschriften stellt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs ge nannten Art durch die Merkmale des ersten Anspruchs ge löst.

Kern der Erfindung ist es also, daß das Geberrad ein asymmetrisches, dreidimensionales, dem Sensor zugewandtes Oberflächenprofil aufweist. Der Sensor mißt den Abstand zum Oberflächenprofil auf optischem Wege. Dieser Abstand ändert sich aufgrund der Drehbewegung des Rades mit der Zeit. Die Asymmetrie des Profils ist notwendig, um die Drehrichtung feststellen zu können.

In einem bevorzugten und realisierten Ausführungsbeispiel ist das Profil sägezahnförmig ausgebildet. Das Profil kann je nach geforderter Auflösung der Messung auch peri odisch ausgeführt sein, d. h. mehr als einen Zahn umfas sen.

Vorzugsweise wird ein Sensor bestehend aus einem Empfän ger und einem Sender verwendet. Vom Sender emittiertes Licht wird am Oberflächenprofil reflektiert und im Emp fänger detektiert. Aufgrund des sich ändernden Abstandes zwischen Empfänger und Geberradoberfläche schwankt die Intensität des empfangenen Lichtsignals mit der Form des Oberflächenprofils. Nach Maßgabe dieses Signals können nun in einer Verarbeitungseinheit die Drehgeschwindigkeit und die Drehrichtung bestimmt werden.

Ein solcher Sensor, der für optische Entfernungsmessung geeignet ist, wird zum Beispiel unter der Bezeichnung "Fiber-Optic Sensor FOS 5" von der Firma Mettler/Toledo vertrieben. Für die genaue Funktionsweise eines derarti gen Sensors wird auf das entsprechende Datenblatt verwie sen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht darin, daß die Vorrichtung nur eine Lichtleiterstrecke (Hin- und Rückleiter) benötigt und damit einfach aufgebaut ist. Da die Messung optisch erfolgt, ist die Anordnung zudem un empfindlich gegenüber elektromagnetischen Einflüssen und Temperaturschwankungen. Wird die Vorrichtung zudem an ge eigneter Stelle angeordnet, z. B. im Gehäuse des Fahrmo tors, so ist sie praktisch unempfindlich gegenüber Ver schmutzungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer erfindungs gemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 Eine detaillierte Ansicht des Sensors und des Oberflächenprofils;

Fig. 3a, b Den Verlauf des vom Empfänger gelieferten Si gnals bei Drehung des Geberrades nach Fig. 1 im Gegenuhrzeigersinn (a) bzw. im Uhrzeigersinn (b).

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenge faßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrich tung. Sie besteht im wesentlichen aus einem Geberrad 1, einem Sensor 2 und einer Verarbeitungseinheit 3. Das Ge berrad 1 kann Teil eines Antriebes sein. Besonders bevor zugt wird die Vorrichtung nach der Erfindung bei Schie nenfahrzeugen eingesetzt. In diesem Fall kann das Geber rad beispielsweise in das Fahrmotorgehäuse zwischen der Wicklung und dem Lager eingesetzt werden. Damit ist die Vorrichtung besonders gut gegen Verschmutzungen geschützt. Beim Sensor 2 handelt es sich um einen opti schen Sensor, der den Abstand zum Geberrad 1 zu messen vermag. Die Verarbeitungseinheit 3 umfaßt die notwendi gen elektronischen Wandler-, Zähl-, Anzeige- und Rechen schaltungen.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im folgenden anhand der Fig. 2 und 3a, b erläu tert. Beim im Zusammenhang mit der Erfindung verwendeten Sensor 2 handelt es sich um einen optische Entfernungs messer. Dieser umfaßt im grundsätzlich einen Sender 5 und einen Empfänger 6. Der Sender 5 strahlt Licht, gege benenfalls über eine optische Faser 7, zum Geberrad. Dort wird das Licht reflektiert und in den Empfänger 6 zurück gestrahlt. Je nach Abstand d zwischen Sender 5 und Geber rad 1 bzw. Empfänger 6 und Geberrad 1 ist die Intensität des zurückgestrahlten Lichts größer oder kleiner. Weist nun das Geberrad 1 wie nach der Erfindung ein dreidimen sionales, dem Sensor 3 zugewandtes Oberflächenprofil 4 auf, so variiert der Abstand d bei der Drehung des Geber rades 1, und aufgrund des empfangenen Signals kann die Drehgeschwindigkeit bestimmt werden. Ist das Profil 4 zu dem noch in Laufrichtung des Geberrades 1 asymmetrisch, so kann die Drehrichtung bestimmt werden. Falls sich das Rad 1 im Uhrzeigersinn dreht, erhält man ein Signal im Empfänger 6 wie in Fig. 3b; falls sich das Rad 1 im Ge genuhrzeigersinn dreht, erhält man ein Signal wie in Fig. 3a.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die dargestellten sägezahnförmigen Profile 4. Diese werden jedoch bevor zugt, da die Flankensteilheit des Sägezahns linear ist. Dadurch kann die Auswertschaltung in der Verarbeitungs einheit 3 vergleichsweise einfach aufgebaut sein; andern falls müßte die Nichtlinearität noch elektronisch kom pensiert werden.

In der Verarbeitungseinheit 3 wird das empfangene Signal abgetastet und anhand der wiederkehrenden Flanken die Drehgeschwindigkeit bestimmt. Dies kann im einfachsten Falls durch Zählen erfolgen. Die Drehrichtung wird nach Maßgabe der detektierten Flankensteilheit bestimmt.

Wieviele Zähne bzw. Profileinheiten verwendet werden ist unerheblich. Mindestens eine Einheit würde für die Funk tion genügen. Aufgrund der höheren Auflösung werden aber vorzugsweise mehrere verwendet.

Bezugszeichenliste

1 Geberrad
2 optischer Sensor
3 Verarbeitungseinheit
4 Oberflächenprofil
5 Sender
6 Empfänger
7 optische Faser
d Abstand zwischen Sensor und Geberrad
t Zeit
I Intensität

Claims

1. Vorrichtung zur berührungsfreien Messung einer Dreh geschwindigkeit und einer Drehrichtung eines Geber rades (1), umfassend einen optischen Sensor (2) und eine Verarbeitungseinheit (3) zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit bzw. der Drehrichtung aus dem im optischen Sensor (2) detektierten Signal, wobei die dem Sensor (2) zugewandte Oberfläche des Geberrades (1) eine reflektierende Struktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Oberfläche mindestens ein asymmetrisches, dreidimensionales Profil (4) umfaßt und der optische Sensor (2) einen Abstand d zwischen dem bezüglich des Geberrades (1) mechanisch feststehenden optischen Sensor (2) und dem Oberflächenprofil (4) des Geberrades (1) mißt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil (4) sägezahnförmig ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der optische Sensor (2) einen Sender (5) und einen Empfänger (6) umfaßt, wobei der Emp fänger (6) vom Sender (5) emittiertes und am Ober flächenprofil (4) des Geberrades (1) reflektiertes und damit zum Abstand d zwischen dem Oberflächenpro fil (4) und dem Empfänger (6) proportionales Licht detektiert und die Verarbeitungseinheit (3) aus der Intensität des reflektierten Lichtes ein zur Drehge schwindigkeit und zur Drehrichtung proportionales Signal erzeugt.