DE60308068T2

DE60308068T2 - Optisches system und verfahren zur variablenüberwachung in einem drehglied

Info

Publication number: DE60308068T2
Application number: DE60308068T
Authority: DE
Inventors: Lodewikus Pieter SWART; 575 34th Avenue Ludi KRUGER; A. Anatoli CHTCHERBAKOV; Japie Albertus VAN WYK
Original assignee: University of Johannesburg
Current assignee: University of Johannesburg
Priority date: 2003-04-02
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2023-12-06
Also published as: ZA200507969B; EP1614240B1; ATE338394T1; EP1614240A1; DE60308068D1; AU2003291221A1; WO2004088884A1; US20080011943A1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein System und Verfahren unter Anwendung von optischen Mitteln, um Variablen, die ein rotierendes Teil betreffen, im Betrieb zu messen oder zu überwachen.
Es ist möglich, Torsion bei rotierenden Systemen durch Dehnungsmeßstreifen, die auf dem rotierenden Teil, wie einer Welle, montiert sind, zu messen. Die Montagewinkel der Dehnungsmeßstreifen auf der Welle werden so gewählt, daß sie Zug- oder Druckbeanspruchung messen. Dieses System und Verfahren erfordert jedoch den Einsatz von Schleifringen, um die elektrischen Signale von dem rotierenden Teil zu einer stationären Meßstation zu übertragen. Dies bringt zusätzliche Komplexität, Unzuverlässigkeit und elektrisches Rauschen in die Meßergebnisse.
Ein Weg, um Torsion ohne physikalischen Kontakt mit dem rotierenden Teil zu messen, ist die Verwendung von akustischen Oberflächenwellen (SAWs). Eine akustische Oberflächenwelleneinrichtung kann fest auf einer ebenen Region auf dem Teil montiert sein, und, wenn das Teil ein Drehmoment erfährt, beansprucht das Drehmoment den Sensor und macht daraus einen drahtlosen, passiven, leichtgewichtigen Drehmomentdetektor. Obgleich diese Technik keine Schleifringe erfordert, ist sie anfällig für elektrisches Rauschen.
Ein anderes bekanntes System und Verfahren mißt Torsion auf eine beträchtliche Entfernung vom Teil durch magnetische Programmierung des Teils und unter Nutzung geschützter Schaltungstechnik und Signalaufbereitung. Das System mißt die Veränderung des durch die Drehung der Welle erzeugten Magnetfeldes, wenn ein Drehmoment angelegt wird. Ein wichtiger Nachteil dieses Systems ist, daß das Teil aus ferromagnetischem Material mit einem Gedächtnis für die Magnetisierung hergestellt sein muß.
Das US-Patent 4,746,791 offenbart einen Sensor zur Überwachung einer Variablen, die ein rotierendes Teil betrifft. Der Sensor weist eine optische Quelle an einer festen Station, einen Transducer und ein optischen Übertragungssystem zwischen der Quelle und dem Transducer auf.
Aufgabe der Erfindung
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein berührungsfreies System und Verfahren zur Messung und/oder Überwachung von Variablen eines rotierenden Teils im Betrieb bereitzustellen, mit denen die genannten Nachteile zumindest verringert werden können, wie die Anmelderin glaubt.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein System zur Überwachung einer Variablen betreffend ein rotierendes Teil bereitgestellt, wobei das System aufweist:

– eine Quelle optischer Energie zur Aussendung von optischer Energie;
– mindestens einen optischen Transducer, der auf dem Teil befestigbar ist und welcher Transducer im Gebrauch von der Quelle empfangene optische Energie in Übereinstimmung mit bzw. Abhängigkeit von Änderungen der Variablen moduliert; und ein optisches Übertragungssystem, das zwischen der Quelle und dem Transducer befestigbar bzw. anordenbar ist, zur Übertragung ausgesendeter optischer Energie durch den freien Raum zwischen dem Teil und der Quelle.

Die Variable kann eine beliebige oder mehrere sein von Dehnung, Rotationsgeschwindigkeit, Temperatur am oder in der Nähe des Teils, Drehmoment, mit dem das Teil beaufschlagt wird, Torsion im Teil, Biegemoment, Spannung, Druck usw.
Die optische Quelle kann an einer stationären Plattform bzw. Stelle montiert werden und kann eine optische Breitbandquelle, wie eine Superlumineszenz-Diode (SLD) oder einer frequenzdurchstimmbare bzw. frequenzvariierende Schmalbandquelle, aufweisen, die an einer ersten Länge eines Lichtleiters angeschlossen ist.
Das optische Übertragungssystem kann eine erste Linse und eine zweite Linse aufweisen, wobei die erste Linse an der stationären Plattform bzw. Stelle im wesentlichen in Ausrichtung mit der zweiten Linse befestigbar ist, welche am Teil befestigbar ist. Die erste und die zweite Linse kann ein Paar von Gradienten-Index-(GRIN)-Linsen aufweisen.
Der Transducer kann eine zweite Länge eines Lichtleiters und Mittel zur optischen Energie-Modulierung, die mit der zweiten Länge des Lichtleiters verbunden sind, aufweisen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Systems können die Mittel zur Modulierung ein erstes, optische Energie reflektierendes Element und ein beabstandetes zweites, optische Energie reflektierendes Element aufweisen. Die ersten und zweiten Elemente können ein erstes und ein zweites Bragg-Gitter mit ersten bzw. zweiten, wellenlängenmäßig beabstandeten Mittenfrequenzen bzw. -Wellenlängen aufweisen. Bei anderen Ausführungsformen können die Modulationsmittel die Phase eines interferometrischen Signals oder die Amplitude eines optischen Signals ändern.
Die ersten und zweiten Gitter können auf dem Teil beabstandet relativ zueinander befestigt werden und bei anderen Ausführungen in einem zumindest teilweise überlappendem Verhältnis relativ zueinander befestigt werden. Die Gitter können mit 90° relativ zueinander befestigt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und zweiten Gitter auf dem rotierenden Teil mit einem Winkel von 45° auf jeder Seite einer Längsachse des Teils befestigt.
Mittel zur Separation von optischer Energie, die sich von der Quelle ausbreitet, und reflektierter Energie, die sich in entgegengesetzter Richtung vom Transducer ausbreitet, können in der ersten Länge des Lichtleiters bereitgestellt werden. Die Separationsmittel können einen optischen Zirkulator mit einem ersten Anschluß, der mit der Quelle verbunden ist, einem zweiten Anschluß, der mit der ersten Linse verbunden ist, und einem Ausgang aufweisen.
Der Ausgang des Zirkulators kann mit einem Mittel, das sensitiv zum Modulieren von optischer Energie ist, verbunden sein. Das Mittel kann Mittel, die für die Modulation im optischen Bereich sensitiv sind, aufweisen, alternativ kann es einen geeigneten Konverter und Mittel, die für die resultierenden elektrischen Signale sensitiv sind, aufweisen.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Überwachung einer Variablen betreffend ein rotierendes Teil, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

– Übertragen von optischer Energie durch den freien Raum zu dem Teil;
– auf dem Teil bewirken, daß die Energie in Übereinstimmung mit bzw. Abhängigkeit von der überwachten Variablen moduliert wird;
– Übertragen der modulierten Energie vom Teil und durch den freien Raum zu einer stationären Station bzw. Stelle; und
– Analysieren der modulierten Energie an der stationären Station bzw. Stelle.

Kurze Beschreibung der beigefügten Diagramme
Die Erfindung wird nun weiter nur beispielhaft, unter Bezugnahme auf die beigefügten Diagramme beschrieben, wobei
1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen berührungsfreien, optischen Systems zur Überwachung einer Variablen, die ein rotierendes Teil betrifft, zeigt;
2(a) eine diagrammhafte Darstellung einer ersten Ausführungsform des Systems mit einem Transducer des Systems, der auf eine rotierende Welle montiert ist, zeigt;
2(b) eine ähnliche diagrammhafte Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Systems zeigt;
3 ein typisches Diagramm eines Spektrums der Wellenlängenseparation gemessen mit dem erfindungsgemäßen System und Verfahren gemessen zeigt;
4 ein Diagramm eines Spektrums zeigt, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wurde und Änderungen in der Wellenlän genseparation für drei verschiedene Drehmomentwerte illustriert, die an die Welle angelegt wurden; und
5 eine Kurve zeigt, die einen Vergleich zwischen theoretisch kalkulierten Werten und Meßwerten der Änderung der Wellenlängenseparation gegen das Drehmoment darstellt.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Das erfindungsgemäße System ist in einer berührungslosen Anordnung zur Überwachung bestimmter Variablen, die ein rotierendes Teil im Betrieb betreffen, im allgemeinen durch das Bezugszeichen 10 in 1 und 2 bezeichnet.
Das rotierende Teil kann beispielsweise eine langgestreckte Welle 12, die zur Rotation entlang einer Längsachse 14 montiert ist, sein.
Das System weist eine optische Quelle 16 montiert an einer stationären Plattform bzw. Stelle 18, die die Meßstation trägt, auf. Die optische Quelle 16 kann eine Breitbandquelle, wie eine Superlumineszenz-Diode (SLD) oder alternativ eine frequenzdurchstimmbare bzw. frequenzvariierende Schmalbandquelle (nicht gezeigt), aufweisen. Die Diode ist an eine erste Länge 20 eines Lichtleiters gekoppelt, und die erste Länge des Lichtleiters ist mit einem ersten Eingang 22 von Mitteln zur Separierung von optischer Energie verbunden, wie einen Zirkulator 24. Ein zweiter Anschluß 26 des Zirkulators ist über einen Lichtleiter 28 mit einer ersten Linse 30 eines optischen Energieübertragungssystems 32 verbunden. Ein Ausgang 34 des Zirkulators ist mit einem bekannten optischen Spektrum-Analysator 36 verbindbar.
Das System weist weiter einen Transducer 38 auf, der auf der Welle montiert ist, und welcher Transducer im Gebrauch von der Quelle 16 empfangene optische Energie in Übereinstimmung mit bzw. Abhängigkeit von Änderungen in der zu überwachenden Variablen moduliert. Der Transducer weist eine zweite Länge 40 eines Lichtleiters und zwei längliche, frequenzsensitive optische Reflektorelemente, die mit dem Lichtleiter verbunden sind, auf. Die zwei Elemente können ein erstes Bragg-Gitter 42 mit einer ersten Mittenwellenlänge und ein zweites Bragg-Gitter 44 mit einer zweiten und unterschiedlichen Mittenwellenlänge auf weisen. Wie am besten in 2(a) sichtbar, sind in einer Ausführungsform die Gitter voneinander beabstandet montiert, mit einem rechten Winkel relativ zueinander und jedes in einem Winkel von etwa 45° relativ zur der longitudinalen Achse 14 der Welle 12. Die zweite Länge des Lichtleiters 40 ist an einem Ende mit einer zweiten Linse 46 des vorgenannten Übertragungssystems 32 verbunden. Das Übertragungssystem 32 überträgt optische Energie durch den freien Raum 48 zwischen der Stelle bzw. Plattform 18 und dem rotierenden Teil 12, wie nachfolgend beschrieben.
Die zweite Linse 46 ist zentral bzw. mittig in einer kreisförmigen Scheibe 50 angebracht, die an einem Ende eines Rohres 52 befestigt ist. Am anderen Ende des Rohres ist eine Kugellageranordnung 54 vorgesehen, die einen stationären inneren Ring 56 und einen drehbaren äußeren Ring 58, der durch Kugeln 60 in der bekannten Art getrennt ist, aufweist. Die erste Linse 30 ist zentral bzw. mittig im inneren Ring 56 montiert, um im wesentlichen axial in Linie mit der zweiten Linse 46 zu sein. Ein flexibler Balg 62 ist antriebsweise vorgesehen, um das Rohr 52 mit der Welle 12 zu verbinden.
Optische Energie breitet sich von der Quelle 16 in eine erste Richtung über den Zirkulator 24, die Linse 30, den freien Raum 48, die Linse 46 und den optischen Lichtleiter 40 aus. Licht einer ersten Wellenlänge wird durch Gitter 42 reflektiert und pflanzt sich in die Gegenrichtung fort. Ähnlich wird Licht einer zweiten Wellenlänge durch das Gitter 44 reflektiert. Die Werte der Wellenlängen sind proportional zu der Beanspruchung in der Welle. Die reflektierte Energie wird von der Energie, die sich in die erste Richtung fortpflanzt, durch den Zirkulator 24 getrennt. Die reflektierte Energie wird zum Analysator 36 geleitet.
Ein typisches Diagramm der reflektierten Energie gegen die bzw. über der Wellenlänge aufgetragen, die vom Analysator 36 erhalten wird, ist durch 64 in 3 gezeigt. Energie, die durch das Gitter 42 reflektiert wurde, ist in 3 durch 66 dargestellt, und Energie, die durch das Gitter 44 reflektiert wurde, ist durch 68 dargestellt. Dort ist ein Abstand oder eine Differenz 70 zwischen den Wellenlängen 66 und 68.
In 4 ist ein Diagramm entsprechend dem Diagramm in 3 gezeigt, aber für drei unterschiedliche Werte des Drehmoments, das an die Welle angelegt wird. Ein erstes Diagramm ohne Drehmomentbeaufschlagung der Welle hat eine erste Differenz 70, wie unter 72 dargestellt. Wenn die Welle mit einem Drehmoment von 40 Nm belastet wird, ändert sich die Differenz zwischen den Wellenlängenänderungen auf einen Wert 76, und bei einem Drehmoment von 95 Nm steigt die Differenz auf einen Wert 78.
In 5 sind Meßwerte der Wellenlängendifferenz gegen das angelegte Drehmoment mit Quadraten gekennzeichnet und werden mit theoretisch berechneten Werten, die durch eine gerade Linie dargestellt sind, verglichen.
Es wurde gefunden, daß die Gegentaktverschiebung der Wellenlängen zwischen den reflektierten Signalen proportional zu der Torsion ist und daß eine Gleichtaktverschiebung, die eine Veränderung des Mittelwerts der Wellenlängen ist, proportional zu der Temperatur der Gitter und daher zur Welle oder zu einer Region um der Welle ist. Weil das Meßsystem und das Verfahren es ermöglichen, Beanspruchungs- und Temperatureffekte zu separieren, ist es möglich Temperaturänderungen zu kompensieren.
Es ist auch möglich mit dem erfindungsgemäßen System und dem erfindungsgemäßen Verfahren eine oder mehrere von anderen Variablen, wie Temperatur, Drehmoment, Dehnung, Spannung, Biegemoment und Druck, zu messen. Beispielsweise eine Amplitudenmodulation, die durch leichte Fehlausrichtung der Linsen 30 und 46 in den Signalen bewirkt wird, enthält Information betreffend die Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Welle.
Obwohl die optischen Sensoren primär Beanspruchung und Temperatur messen, ist es mit anderen Konfigurationen der Sensoren möglich, simultane Messungen von Temperatur, Biegemomentänderung, Torsion und Rotationsgeschwindigkeit durchzuführen.
In der in 2(b) dargestellten Konfiguration, wo für die gleichen Teile die selben Bezugszeichen wie in der 2(a) benutzt werden, sind die Gitter 42 und 44 im wesentlichen am selben Ort in teilweise überlappendem Verhältnis auf der Welle 12 positioniert. Diese Konfiguration ermöglicht Messungen zeitabhängiger oder rotationswinkelabhängiger Biegemomente. Ein Gleichtaktsignal, das die sich normalerweise nur langsam ändernde Temperatur an der Welle betrifft, kann von dem Signal, das das zeitabhängige Biegemoment betrifft, durch einen geeigneten Tiefpaß- oder Bandpaßfilter, der nach der Detektierung der optischen Signale angeschlossen ist, separiert werden.

Claims

System zur Überwachung einer Variablen betreffend ein rotierendes Teil (12), wobei das System aufweist: – eine Quelle optischer Energie (16) zur Aussendung von optischer Energie, wobei diese Quelle an einer stationären Position bzw. Stelle (18) befestigbar ist; – mindestens einen optischen Transducer (38), der im Gebrauch von der Quelle (16) empfangene optische Energie in Übereinstimmung mit bzw. Abhängigkeit von Änderungen der Variablen betreffend das Teil (12) moduliert; und – ein optisches Übertragungssystem, das zwischen der Quelle (16) und dem Transducer (38) befestigbar ist, zur Übertragung ausgesendeter optischer Energie durch den freien Raum von der stationären Position bzw. Stelle (18) zum Transducer (38) und der modulierten optischen Energie vom Transducer (38) zur stationären Position bzw. Stelle (18); dadurch gekennzeichnet, daß der opische Transducer (38) an dem rotierenden Teil (12) befestigbar ist.
System nach Anspruch 1, wobei die optische Quelle (16) eines von einer optischen Breitbandquelle und einer frequenzdurchstimmbaren bzw. frequenzvariierenden Schmalbandquelle aufweist, gekoppelt mit einer ersten Länge (20) eines Lichtleiters.
System nach Anspruch 2, wobei das optische Übertragungssystem eine erste Linse (30) und und eine zweite Linse (46) aufweist, wobei die erste Linse (30) an der stationären Position bzw. Stelle (18) im wesentlichen in Ausrichtung mit der zweiten Linse (46) befestigbar ist, die am Teil (12) befestigbar ist.
System nach Anspruch 3, wobei die erste Linse (30) und die zweite Linse (46) ein Paar von Gradienten-Index-Linsen aufweisen.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Transducer (38) eine zweite Länge (40) eines Lichtleiters, der an dem rotierenden Teil (12) befestigbar ist, und eine optische Energie modulierende Anordnung (42, 44), die mit der zweiten Länge (40) eines Lichtleiters verbunden ist, aufweist.
System nach Anspruch 5, wobei die modulierende Anordnung (42, 44) ein erstes optische Energie reflektierendes Element (42) und ein zweites optische Energie reflektierendes Element (44) aufweist.
System nach Anspruch 6, wobei das erste (42) und zweite (44) Element ein erstes bzw. zweites Bragg-Gitter mit jeweiligen Mittenfrequenzen aufweisen, die in der bzw. nach ihrer Wellenlänge beabstandet sind.
System nach Anspruch 6 oder 7, wobei das erste (42) und zweite (44) Element auf dem Teil (12) beabstandet relativ zueinander befestigt sind.
System nach Anspruch 6 oder 7, wobei das erste (42) und zweite (44) Element auf dem Teil einander zumindest teilweise überlappend befestigt sind.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei das erste (42) und zweite (44) Element auf dem Teil (12) mit 90 Grad relativ zueinander befestigt sind.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei sich das erste Element (42) und das zweite Element (44) jeweils mit einem Winkel von 45 Grad zu der longitudinalen Achse (14) des rotierenden Teils (12) erstrecken.
System nach einem der Ansprüche 3 bis 10, aufweisend ein Mittel (24) zur Separation von optischer Energie, die von der Quelle (16) ausgesendet wird, und modulierter Energie, die sich vom Transducer (38) fortpflanzt bzw. ausbreitet.
System nach Anspruch 12, wobei das Mittel (24) einen optischen Zirkulator mit einem ersten Anschluß (22), der mit der Quelle (16) verbunden ist, einem zweiten Anschluß (26), der mit der ersten Linse (30) verbunden ist, und einem Ausgang (34) aufweist.
System nach Anspruch 13, wobei der Ausgang (34) des Zirkulators (24) mit einem Mittel verbunden ist, das sensitiv ist, um die opische Energie zu modulieren.
Verfahren zur Überwachung einer Variablen betreffend ein rotierendes Teil (12), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Übertragen von optischer Energie von einer stationären Position bzw. Stelle (18) durch freien Raum zu dem Teil (12); – Empfangen der übertragenen Energie und bewirken, daß die Energie in Übereinstimmung mit bzw. Abhängigkeit von der überwachten Variablen moduliert wird; – Übertragen der modulierten Energie durch den freien Raum; und – Empfangen und Analysieren der modulierten Energie an der stationären Position bzw. Stelle (18); dadurch gekennzeichnet, daß die übertragene Energie am Teil empfangen und, nach Modulation, vom Teil zur stationären Position bzw. Stelle (18) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei während der Modulation der Energie ein erstes und ein zweites optische Energie reflektierendes Element (42, 44) an dem rotierenden Teil (12) verwendet werden, wobei diese Elemente optische Energie einer ersten bzw. einer zweiten Wellenlänge reflektieren, und wobei eine Änderung eines Mittelwerts der Wellenlängen mit einer ersten Variablen betreffend das rotierende Teil (12) verknüpft wird und eine Änderung einer Differenz der Wellenlängen mit einer zweiten Variablen betreffend das rotierende Teil (12) verknüpft wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die erste Variable die Temperatur auf dem Teil und die zweite Variable das Drehmoment, das auf das Teil (18) ausgeübt wird, ist.