DE602004007401T2 - Einrichtung für einen drehmoment- oder scherkraftsender zur bestimmung der faserkonzentration oder -viskosität in breisuspensionen und verfahren zum zurücksetzen der senderwelle in einem drehmoment- oder scherkraftsender - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rückmeldevorrichtung für Drehmomentgeber, beispielsweise für die Faserstoffkonzentration und – viskosität, welcher nach dem Kräftegleichgewichtsprinzip arbeitet.
• Drehgeber für Scherkräfte in Faserstoffsuspensionen oder für reine Viskositätsmessungen in anderen Medien, werden seit langem in der verarbeitenden Industrie verwendet. Das Grundprinzip basiert auf der Tatsache, dass ein Messkörper in einem Medium gedreht wird und der entstehende Drehmomentwiderstand an einem Messkörper oder einem Sensor, wie er oft genannt wird, gemessen und in ein geeignetes Ausgangssignal umgewandelt, welches die vorhandene Faserkonzentration oder -viskosität wiedergibt.
• Ein allgemein verbreiteter Weg zur Durchführung der zuvor genannten Arten von Messungen besteht in der Messung der Winkelabweichung zwischen zwei konzentrischen Wellen, von denen die äußere mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit getrieben wird, und die innere, welche über den Messkörper durch den Drehmomentwiderstand beeinflusst wird, mit der äußeren Welle elastisch verbunden ist. Die zwischen den beiden Wellen auftretende Winkelabweichung ist von dem auf den Messkörper wirkenden Drehmoment abhängig. In der Steuer- und Regeltechnik wird dies als das Bewegungsgleichgewichtsprinzip bezeichnet. Ein derartiges System hat jedoch offensichtliche Nachteile, wie Materialalterung und/oder -korrosion, Temperatureinwirkungen und dergleichen, welche die Eigenschaften des Systems beeinflussen, und des weiteren die Tatsache, dass das System, um in der Lage zu sein, schnelle Entwicklungen zu erfassen, eine hohe Eigenfrequenz haben muss, was wiederum eine geringe Empfindlichkeit bedingt. Das System ist zudem mehr oder weniger nicht-linear. Mittels eines Rückkopplungssystems, welches die innere Welle ungeachtet der Größe des entstandenen Drehmoments auf eine Nullposition bringt, und zum Messen der Kraft, welche das Rückkopplungssystem auf diese Welle aufbringen muss, damit diese die Nullposition einnimmt, verringert sich das Risiko des Eintritts der genannten Nachteile erheblich. Ein derartiges System, das in der Steuer- und Regeltechnik als eine Rückkopplung aufweisend und nach dem Kräftegleichgewichtsprinzip arbeitend bezeichnet wird, wird linearer und die Reaktionszeit wird durch die Bandbreite des Systems bestimmt.
• Rückkopplungssysteme sind, wie sich aus dem vorangehenden Text ergibt, bei Drehmomentmessungen nicht neu und gegenwärtig existieren elektromagnetische Systeme,. Die relativ kompliziert sind und eine geringe Effizienz aufweisen. Eine Komplikation besteht in diesem Zusammenhang darin, dass ein qualitativ hochwertiges weichmagnetisches Material in den zu magnetisierenden Teilen verwendet werden muss. Diese Materialien sind derart gewählt, dass sie eine minimale Remanenz in der Magnetisierungskurve des Eisens ergeben, d.h. die Differenz in dem Flusssystem ist in der selben Amperewindung bei der Auf- bzw. der Abwärtsmagnetisierung so gering wie möglich. Der Idealfall ist, dass die Kräfte, welches das System liefern soll, nur von den Amperewindungen abhängen. Alles andere, beispielsweise die Remanenz, zeigt sich in der Endphase der Messung als Ungenauigkeit. Diese Materialien sind relativ teuer und schwer zu bearbeiten und erfordern eine zeitaufwendige Wärmebehandlung in einer Hartlötumgebung. Eine Oberflächenbehandlung ist erforderlich, da eine erhebliche Korrosionsneigung besteht, und die Verfügbarkeit der Materialien in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen und Abmessungen ist gering.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Remanenz des Systems zu minimieren, eine andere Aufgabe ist es, im elektromagnetischen Kreis die Verwendung eines handelsüblichen und leicht bearbeitbaren Baustahls zu ermöglichen, der leicht verfügbar ist und normale Funktionstendenzen aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein genaues und kompaktes System mit geringem Gewicht und hoher Effizienz aufzuzeigen.
• Die Erfindung schafft ein Rückkopplungssystem für Drehmomentgeber, das auf ausgezeichnete Weise seinen Zweck erfüllt, während gleichzeitig die vorgenannten Aufgaben gelöst werden. Die Polschuhe, die an der Messwelle vorgesehen sind und in dem Kraftfeld des Elektromagneten drehen, bewirken Wirbelströme, welche die Remanenz auf einen Pegel verringern, der niedriger als bei existierenden Systemen ist, trotzdem in den magnetisierten Teilen ein herkömmlicher Baustahl verwendet wird. Somit können die Herstellungskosten auf einem niedrigeren Niveau gehalten werden als bisher. Die kompakte Ausbildung mit einer Rückkopplungsspule anstelle der herkömmlichen zwei trägt ebenfalls dazu bei das Gewicht gering zu halten. Die Ausbildung mit doppelten Polschuhen ergibt ein statisch und dynamisch ausgewogenes System, während sie gleichzeitig große Übertragungsflächen auf beiden Seiten der Spalte zwischen den Polschuhen und den Stahlteilen der elektromagnetischen Spule ermöglicht. Letzteres trägt zu einer Effizienz bei, welche diejenige vorheriger Ausbildungsformen weit übertrifft, und im Vergleich mit einer früheren Ausbildungsform zeigt sich, dass die Effizienz um den Faktor 3 gestiegen ist.
• Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, welche zeigen:
• 1 einen typischen Aufbau eines Scherkraftgebers, auf den die vorliegende Erfindung anwendbar ist,
• 2 ein Detektorsystem,
• 3 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Rückkopplungsvorrichtung,
• 4 eine Querschnittsdarstellung A-A der Magnetschaltung von 3, und
• 5 eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung, aus welcher sich der Aufbau des Rückkopplungssystems ergibt.
• In 1 ist ein Drehmoment- oder Scherkraftgeber dargestellt, der ein Verbindungsteil 2 aufweist, das an ein Prozessrohr anschweißbar oder auf andere Weise befestigbar ist. In dem Verbindungsteil 2 ist dort, wo ein aus einem Mediumrohr 3 kommendes Messmedium 4 vorbeiströmt, ein Messkörper 5 an dem Geber 1 zusammen mit einer Schraube 6 vorgesehen, welche sicherstellt, dass ein repräsentativer Teil des Messmediums stets um den Messkörper 5 herum vorhanden ist. Die Schraube 6 und der Messkörper 5 werden von einem Motor 7 über ein Getriebe 8 angetrieben, welches mit einer Hohlwelle 9 verbunden ist, in welcher die Schraube 6 und der Messkörper 5 direkt bzw. indirekt angeordnet sind. Eine elastische Verbindung 10 zwischen der Hohlwelle 9 und der Messwelle 11 ermöglicht, dass beide Wellen 9, 11 bei einer Veränderung der Scherkraft/des Drehmoments, welche/welches von dem Medium 4 auf den Messkörper 5 ausgeübt wird, eine gegenseitige Winkelabweichung aufweisen. Die Winkelabweichung wird in einem Wandler 12 erkannt, und die Rückkopplungskraft, die erforderlich ist, um den Wert des Winkelsignals zu erreichen, der gleich einem voreingestellten Punkt ist, wird in ein für diesen Zweck geeignetes Signal umgewandelt, das dem elektromagnetischen Kreis zugeführt wird, der in dem erfindungsgemäßen Rückkopplungssystem vorhanden ist.
• Die momentane Winkelabweichung zwischen der Hohlwelle 9 und der Messwelle 11 ist auf verschiedene Arten detektierbar. Ein alternatives und allgemein verwendetes Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt, in der eine Scheibe 13 mit einer Anzahl von Zähnen 14 an der Hohlwelle 9 angebracht ist, und ferner eine Scheibe 15 mit der gleichen Anzahl von Zähnen an der Messwelle 11 vorgesehen ist. Eine Detektoreinheit in Form eines Lichtsensors 16, der eine Lichtquelle mit einem Lichtdetektor umfasst, misst kontinuierlich die Winkelabweichung zwischen beiden Wellen durch Messen der Unterschiede in den Lichtöffnungen zwischen den beiden Zahnscheiben.
• Wie zuvor erwähnt, gehen mit der Verwendung des Kräftegleichgewichtsprinzips bei Drehmomentgebern und bei der entsprechenden Ausbildung eines Rückkopplungssystems große Vorteile einher. 3 zeigt eine Endansicht und 5 eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung. 4 ist ein Querschnitt durch die elektromagnetischen Teile des Rückkopplungssystems. Das System umfasst eine elektromagnetische Rückkopplungsspule 18, die zwei Polschuhe 19 umgibt. Die Polschuhe 19 sind an Lagerstellen 20 gelagert. Außer dem dem Elektromagneten nächstgelegenen Teil weist jeder Polschuh auf der anderen Seite seiner Lagerstelle 20 ein Gleichgewichtsteil auf, dessen Gewicht und Schwerpunkt derart gewählt sind, dass die Zentrifugalkräfte das betreffende System nicht beeinflussen. Die Lagerstellen 20 sind an dem Ende der Hohlwelle 9 angebracht und jeder Polschuh ist mit der Messwelle 11 über Zugstangen 21 und einen Übertragungsarm 22 verbunden, der an einem Ende der Messwelle 11 angebracht ist. Durch die Wicklung 23 der elektromagnetischen Spule fließt ein Strom, dessen Stärke die Größe der Lichtöffnung 17 wiedergibt, welche ihrerseits die Winkelabweichung zwischen der Hohlwelle 9 und der Messwelle 11 angibt. Bei dieser Winkelabweichung handelt es sich, wie zuvor erwähnt, um ein Maß des Scherkraftdrehmoments, welches das gemessene Medium 4 auf den Messkörper 5 aufbringt. Neben der Tatsache, dass die Größe der Lichtöffnungen 17 mit der Größe des Scherkraftdrehmoments variiert, variiert auch der Spalt 24, der zwischen den magnetischen Teilen der Rückkopplungsspule und den magnetischen Teilen der Polschuhe 19 gegeben ist. Wenn ein Strom durch die Spule 23 fließt, wird in den magnetischen Teilen ein Magnetkraftfeld 25 gebildet. Die Stärke des Kraftfelds 25 hängt von dem Strom ab, der durch die Spule fließt, sowie von der Entfernung zwischen den magnetischen Teilen der Polschuhe und der Rückkopplungsspule. Auf jeder Seite des Spalts 24 weisen die magnetischen Teile unterschiedliche Polarität auf und ziehen einander an. Je größer der Strom, desto größer die Anziehungskräfte, und umgekehrt. Wenn das Drehmoment/die Scherkraft kurzfristig ansteigt, nimmt die Entfernung 24 zu, während die Lichtöffnungen 17 sich gleichzeitig proportional verändern, der Wandler 12 verstärkt den Strom an die Rückkopplungsspule 18 und das Magnetkraftfeld 25 vergrößert sich und zieht die Polschuhe 19 auf den voreingestellten Punkt zurück. Da die Polschuhe 19 über die Zugstangen 21 und den Übertragungsarm 22 mit der Messwelle 11 ver bunden sind, wird die rückkehrende Welle 11 an ihre Ausgangsposition verbracht. Der Strom an die Spule ist nun jedoch aufgrund des höheren Scherkraftdrehmoments größer. Die Größe des Stroms ist ein Maß des Scherkraftdrehmoments und wird in ein für den Zweck geeignetes Ausgangssignal umgewandelt.

Claims (3)

1. Vorrichtung für einen Drehmoment- oder Scherkraftgeber zum Bestimmen der Faserkonzentration oder Viskosität in Faserstoffsuspensionen, welcher eine Winkelabweichung zwischen zwei konzentrischen Wellen (9, 11) misst, von welchen die äußere mit einer konstanten Drehzahl angetrieben wird, während die innere, die von einem vorhandenen Drehmomentwiderstand in der Suspension über einen Messkörper (5) beeinflusst wird, elastisch mit der äußeren verbunden ist, wobei die auftretende Winkelabweichung eine Funktion des auf den Messkörper (5) aufgebrachten Drehmoments ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Rückkopplungssystem aufweist, um die innere Welle oder Messwelle (11) zu veranlassen, ungeachtet der Größe des Drehmoments eine Nullposition einzunehmen, wobei das System eine elektromagnetische Rückkopplungsspule (18) aufweist, die zwei Polschuhe (19) umgibt, welche an Lagerpunkten (20) am Ende der in Form einer Hohlwelle (9) ausgebildeten äußeren Welle gelagert sind, wobei gleichzeitig jeder Polschuh (19) mit der Messwelle (11) verbunden ist, wodurch ein mittels eines Wandlers (12) erzeugter und von der vorliegenden Winkelabweichung abhängiger Strom der Wicklung (23) der Spule (18) zugeführt wird, wo ein Magnetkraftfeld (25) erzeugt wird, dessen Stärke durch den durch die Spule (18) fließenden Strom und die Entfernung (24) bestimmt ist, die sich zwischen den Polschuhen (19) und den magnetischen Teilen der Rückkopplungsspule ergibt, wobei die letzteren eine andere Polarität annehmen und ein Rücksetzen der Polschuhe (19) zusammen mit der Messwelle (11) auf einen vorgegebenen Stellpunkt bewirken, und wobei die Stromstärke ein Maß des vorliegenden Scherkraftdrehmoments ist, das in ein geeignetes Ausgangssignal umwandelbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Polschuh (19) mit der Messwelle (11) über Zugstangen (21) und einen Übertragungsarm (22), der am Ende der Messwelle (11) angebracht ist, verbunden ist.
3. Verfahren zum Rücksetzen der Messwelle in einem Drehmoment- und/oder Scherkraftgeber mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 1, um diesen zu veranlassen, unabhängig von der Größe des vorliegenden Drehmoments die Nullposition einzunehmen, und um die Kraft zu messen, welche ein Rückkopplungssystem auf die Messwelle aufbringen muss, damit diese die Nullposition einnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Wandler (12) an die Wicklung (23) der magnetischen Rückkopplungsspule (18) gesendete und die vorliegende Winkelabweichung zwischen der Hohlwelle (9) und der Messwelle (11) angebende Strom ein Magnetkraftfeld (25) in den magnetischen Teilen des Systems bildet, und wobei die Stärke des Kraftfeldes durch den Strom, der durch die Spule (18) fließt, und die Entfernung oder den Spalt (24) bestimmt ist, der zwischen den magnetischen Teilen der Polschuhe (19) und der Rückkopplungsspule (18) gebildet ist, wodurch die magnetischen Teile auf jeder Seite des Spalts (24) unterschiedliche Polarität annehmen und einander anziehen, und wenn das Drehmoment und/oder Scherkraftdrehmoment kurzfristig ansteigt, nimmt der Spalt (24) gleichzeitig mit der proportionalen Veränderung der Winkelabweichung zwischen den Wellen zu, wobei der Wandler (12) den Strom an die Spule (18) erhöht und das Magnetkraftfeld (25) zunimmt und die Polschuhe (19) gleichzeitig mit der Rückstellung der Messwelle (11) in deren Ausgangsposition zu einem vorgegebenen Stellpunkt zurückzieht.