DE7240626U

DE7240626U - Optische drehmessvorrichtung

Info

Publication number: DE7240626U
Application number: DE19727240626
Authority: DE
Original assignee: FERRARIS DEVELOPMENT AND ENGINEERING CO Ltd
Current assignee: FERRARIS DEVELOPMENT AND ENGINEERING CO Ltd
Priority date: 1971-11-05
Filing date: 1972-11-06
Publication date: 1973-02-22
Also published as: DE2254253A1; GB1416679A; JPS4858882A

Description

Patentanwälte Dlpl.-lng. R. BEETZ eel*. Dlpl-tng. K. UAMPRECHT

Dr.-lng. R. BEETZ Jr. M·η·Η·η 22, Stelrwdorfrtr. M

41-19.6320 6, 11. 1972

FERRARIS DEVELOPMENT AND ENGINEERING COMPANY LIMITED LONDON (Großbritannien)

Optische Drehmeßvorrichtung

Die Erfindung betrifft die Messung der Drehung eines Drehkörpers, insbesondere die Messung der Drehung der Rotorspindel eines Anemometers oder Durchflußmessers für Luft oder Gase. Die GB-PS 765 206 beschreibt eine Art eines Anemometers oder Durchflußmessers für Luft oder Gase, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet werden kann.

Die Drehung einer Welle kann gemessen werden durch Erfassung von Lichtimpulsen, die durch Reflexion von einer Reflexionseinrichtung erzeugt werden, die sich mit der WeI-Ie dreht, und zwar eines Lichtstrahls, der von einer verhältnismäßig ortsfesten Lichtquelle ausgeht.

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Durch die Erfindung wird zunächst ein Drehkörper angegeben, von dem mindestens ein Umfangsoberflächenabschnitt so bearbeitet ist, daß er eine Lichtreflexionsfläche aufweist.

Die Erfindung schafft ferner eine optische Drehmeßvorrichtung zur Erzeugung eines Signals, das die Drehung eines Drehkörpers anzeigt, und zwar mit mindestens einer Lichtreflexionsfläche, die sich mit dem Drehkörper dreht, mit einer Lichtquelle und mit einer lichtempfindlichen Einrichtung, die gegenüber dem Drehkörper relativ ortsfest ist und eine solche Lage einnimmt, daß sie Lichtimpulse empfängt, die das von der Lichtquelle emittierte und das von der Lichtreflexionsfläche oder einer der Lichtreflexionsflächen des Drehkörpers bei dessen Drehung reflektierte Licht umfassen, wobei die lichtempfindliche Einrichtung durch Lichtimpuise erregt wird, die von der öder den LiontrsfIsxionsflächen empfangen werden, um das die Drehung des Drehkörpers anzeigen de Signal zu erzeugen, wobei die oder jede Lichtreflexionsfläche einen bearbeiteten Umfangsoberflächenabschnitt des Drehkörpers aufweist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine auf dem Umfangsabschnitt einer Welle durch ein Diamantspitzenwerkzeug bearbeitete Oberfläche als Reflexionsfläche für die Erzeugung der Lichtimpulse geeignet ist, durch die eine Drehung der Welle erfindungsgemäfi gemessen wird.

Die Drehspindel eines Anemometers oder Durchflußmessers für Luft oder Gase der in der GB-PS 765 206 beschriebenen Art kann einfach und billig dahingehend abgeändert werden, daß auf ihr eine derartige bearbeitete Oberfläche vorgesehen wird, so daß die optische Drehmeßvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden kann, und zwar anstatt oder zusätzlich zu

dem Zählzahntrieb und dem Zähler oder Drehzahlanzeigezeiger gemäß der GB-PS 765 206. Die Menge an Werkstoff der Welle, die abgetragen werden muß, um eine derartige Reflexionsfläche

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der Welle nicht beeinträchtigt wird. Ferner wird das Trägheitsmoment der Drehelemente des Instruments durch das Abtragen des Werkstoffs der Welle, um die Reflexionsfläche zu erzeugen, verringert und nicht erhöht, was vorteilhaft ist, denn eine Erhöhung des Trägheitsmoments wäre ein unerwünschter Nebeneffekt der Anbringung eines Spiegels oder einer anderen Reflexionseinrichtung an der Welle. Das Vorsehen der optischen Drehmeßvorrichtung gemäß der Erfindung in einem Anemometer oder einem Durchflußmesser der in der GB-PS 765 P06 beschriebenen Art ermöglicht eine Anzeige der Drehung der Drehspindel an einem vom Anemometer oder Durchflußmesser entfernten Punkt.

Wenn zwei bearbeitete Reflexionsflächen auf einem Drehkörper ausgebildet werden, der für eine Uhrzeigersinn- oder Gegenuhrzeigersinn-Drehung vorgesehen ist, und so angeordnet werden, daß ein Lichtstrahl von Jeder bearbeiteten Reflexionsfläche reflektiert wird, um eine zugehörige von zwei photoelektrischen Einrichtungen zu erregen, dann können die resultierenden Ausgangssignale von den photoelektrischen Einrichtungen so verarbeitet werden, daß sie den Drehsinn der Welle anzeigen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:

I" Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines

Anemometers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt II-II von Fig. Ij

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Pig. 5 einen seitlichen Aufriß eines Teils einer Welle und anderer Bauteile der Vorrichtung zur Messung der Drehung der Welle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 3;

Fig. 5 das Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung, die Teil der Vorrichtung von Fig» 3 und 4 ist;

Fig. 6 schematisch die Signale, die während des Betriebs der Vorrichtung von Fig. 3-5 erzeugt werden;

Fig. 7 eine Ansicht ähnlich Fig. 3 eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ; und

Fig. 8 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 7.

Gemäß Fig. 1 und 2 hat ein Anemometer 10 ein Gehäuse 11, das eine kreisrunde Kammer 12 begrenzt. Ein Rotor 13 ist in der Kammer 12 drehbar gelagert und hat eine Rotorspindel 14, die im Gehäuse 11 um ihre Achse drehbar gehaltert ist, sowie zwei axiale Flügel 15, die an der Rotorspindel 14 befestigt sind und von dieser sich radial nach außen erstrecken. Das Gehäuse 11 begrenzt zehn Einlaßschlitze 16, durch die der zu messende Luft- oder Gasstrom zugeleitet wird, wobei die Einlaßschlitze 16 so angeordnet sind, daß die Luft oder das Gas einer Spiralbahn in der Kammer 12 folgt und auf die Flügel I5 auftrifft.

Die Rotorspindel 14 springt durch eine Endwand der Kammer 12 in einen Getriebekasten I7 vor, der einen Zählzahntrieb lE aufnimmt. Derartige Manometer sind in allen Einzelheiten in der GB-PS 765 206 beschrieben, weshalb hier nicht genauer auf

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den Aufbau und den Betrieb des Anemometers 10 zur Messung von Fluidströmen eingegangen zu werden braucht.

Eine Reflexionsfläche 19 1st durch Bearbeitung desjenigen Teils der Welle 15, der sich im Getriebekasten 17 befindet, mittels eines Diamantspitzenwerkzeugs ausgebildet. Die Reflexionsfläche 19 kann konvex, konkav oder eoen sein. Eine Lichtquelle 20, zweckmäßigerweise eine P-N-Galliumarsenid-IniYarotlichtquelle, ist in dem Getriebekasten I7 montiert und so angeordnet, daß sie einen Infrarotlichtstrahl emittiert, dessen Achse senkrecht zur Achse der Welle 14 verläuft und axial mit der Reflexionsfläche 19 fluchtet. Eine lichtempfindliche Einrichtung 21, zweckmäßigerweise ein N-P-N-Planarsilizium-Lichtsensor, der spektral passend zu einer P-N-Gallium-Arsenid-Infrarotlichtquelle gewählt ist, befindet sich ebenfalls innerhalb des Getriebekastens 17·

Durch die Lichtquelle 20 wird ein Lichtstrahl auf die Welle 14 gerichtet. Wenn sich die Welle 14 im Gehäuse 11 dreht, werden Lichtimpulse von der Reflexionsfläche I9 reflektiert, und die lichtempfindliche Einrichtung 21, die diese reflektierten Lichtimpulse empfängt, wird entsprechend erregt. Die Erregung der lichtempfindlichen Einrichtung 21 ist so vorgesehen, daß sie ein Signal in einer geeigneten entfernt angebrachten Anzeigeeinrichtung erzeugt, wobei das Signal die Drehung der Welle 14 angibt.

Der Zählzahntrieb 18 und der zugehörige Zähler- oder Drehzahlanzeigezeiger 22 können auf Wunsch weggelassen werden, wenn die Anzeige des gewünschten Signals durch die Fernanzeigeeinrichtung ausreicht.

Gemäß Fig. 3 und 4 sind zwei Planflächen Ml und M2 in die zylindrische Umfangs- oder Mantelfläche einer Welle S

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durch ein Diamantspitzenwerkzeug eingearbeitet. Fig. j5 zeigt, daß die Planflächen Ml und M2 axial auf der Welle S voneinander entfernt sind, und Fig. 4 gibt zu erkennen, daß sie auch azimutal auf der Welle S voneinander entfernt sind. Ein Lichtspalt L, der parallel zur Achse der Welle S verläuft, ist so angeordnet, daß er einen Lichtstrahl zur Welle S schickt. Der Lichtstrahl ist lang genug, damit er auf eine der beiden Planflächen Ml und M2 fällt, die mit dem Lichtppalt L während der Drehung der Welle S fluchtet. Zwei photoelektrische Einrichtungen PTl und PT2 sind voneinander um einen Abstand getrennt, der gleich dem axialen Abstand der Planflächen Ml und M2 ist, und zweckmäßigerweise in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die radial von der Welle S ausgeht. Die Einrichtung PTl fluchtet axial mit der Planfläche Ml, und entsprechend die Einrichtung PT2 mit der Planfläche M2. Ein Lichtschirm B erstreckt sich zwischen die beiden photoelektrischen Einrichtungen PTl und PT2 zur Welle S.

Wenn die Welle S umläuft, werden Lichtimpulse abwechselnd von den Reflexionsflächen reflektiert, die durch die Planfläche Ml oder M2 gebildet sind. Ein von der Planfläche Ml emittierter LichtimpuliS erregt die photoelektrische Einrichtung PTl, während ein von der Planfläche M2 emittierter Lichtimpuls die photoelektrische Einrichtung PT2 erregt. Die Winkelgeschwindigkeit der Welle S kann gemessen werden durch Messung des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen, die entweder von der PlanflächeM oder der Planfläche M2 stammen. Eine abwechselnde Erregung der beiden photoelektrischen Einrichtungen PTl und PT2 kann so vorgesehen werden, daß das Zeitintervall zwischen der Emission von Lichtimpulsen durch die beiden Planflächen Ml und M2 gemessen wird, was mit der Winkelgeschwindigkeit der Welle S verknüpft ist.

Hinsichtlich Fig. 5 und 6 sei angenommen, daß der Drohsinn der Welle S der Uhrzeigersinn ist, und zwar gesehen in Fig. 4, und daß die Welle mit einer konstanten Drehzahl umläuft. Damit ist das Zeitintervall zwischen jeder Erregung der photoelektrischen Einrichtung PTl und der nächstfolgenden Erregung der photoelektrischen Einrichtung PT2 kürzer als das Zeitintervall zwischen jeder Erregung der photoelektrischen Einrichtung PT2 un<i der nächstfolgenden Erregung der photoelektrischer Einrichtung PTl. Der von der photoelektrischen Einrichtung PTl erzeugte Ausgangsimpuls (vgl. Fig. 6) wird durch einen Verstärker Al verstärkt und durch einen Impulsformer PSl umgeformt, um ungefähr einen positiven Rechteckimpuls zu ergeben, der schematisch als PTl in Fig. 6 abgebildet ist. Der Impulspegel 1 triggert ein Monoflop oder monostabiles Kippglied

ä MONO 1, so daß das normale positive Spannungsausgangssignal

des Monoflops 1 auf Null fällt für ein vorbestimmtes Zeit-Intervall, das als monostabile Periode bekannt ist. Der Impuls PTl wird auch in ein NAND-Glied B eingespeist, das das normale positive Spannungsausgangssignal von einem Monoflop oder monostabilen Kippglied MONO 2 gleichzeitig empfängt. Das resultierende Ausgangssignal B vom NAND-Glied B wird durch den Uhrzeigersinn-Zähler BCD2 gezählt if ' und durch ein Sichtgerät DIG2 angezeigt, um eine Anzeige \ . der Drehzahl und des Drehsinns der Welle S zu orgeben.

' Der von der photoelektrischen Einrichtung PT2 erzeugte

Ausgangsimpuls wird durch den Verstärker A2 verstärkt und

\ durch den Impulsformer PS2 umgeformt, um ungefähr einen

«■ positiven Rechteckimpuls zu bilden, der schematisch als

PT2 in Fig. 6 abgebildet ist. Der Ii.ipuls PT2 triggert das Monoflop MONO 2, so daß das normale positive Spannungsausgangssignal des Monoflops MONO 2 während der monostabilen

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Periode auf Null fällt. Gleichzeitig wird der Impuls PT2 in ein NAND-Glied A eingespeist. Die monostabile Zeitperiode des Monofiops MONO i 1st lang genug, um zu gewährleisten, daß der Impuls PT2 in das NAND-Glied A gespeist wird, bevor das Monoflop MONO 1 rückgesetzt wird, so daß das Eintreffen des Impulses PT2 am NAND-Glied A nicht zu einer Änderung des Ausgangssignals vom NAND-Glied A führt. Die monostabile Periode des Monofiops MONO 2 ist kürzer als das Zeitintervall zwischen jeder Erregung der photoelektrischen Einrichtung PT2 und der nächstfolgenden Erregung der photoelektrischen Einrichtung PTl. Somit wird das Monoflop MONO 2 rüükgesetzt vor der nächstfolgenden Erregung der photoelektrischen Einrichtung PTl.

Wenn der Drehsinn der mit konstanter Drehzahl umlaufen-

~~ den welle S umgekehrt wird, ist das Zeitintervall zwischen

jeder Erregung der photoelektrischen Einrichtung PT2 und der nächstfolgenden Erregung der photoelektrischen Einrichtung PTl kürzer als das Zeitintervall zwischen jeder Erregung der photoelektrischen Einrichtung PTl und der nächstfolgenden Erregung der photoelektrischen Einrichtung PT2. Damit werden die Ausgangssignale vom NAND-Glied A vom Gegenuhrzeigersinn-Zähler BCDl gezählt und durch das entsprechende Sichtgerät DIGl angezeigt.

Die monostabilen Zeitperioden der beiden Monofiops MONO 1 und MONO 2 sind einstellbar und so gewählt, daß sie beide länger als das kürzere Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Erregungen der beiden photoelektrischen Einrichtungen PTl und PT2 und kürzer als das längere Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Erregungen der beiden photoelektrischen Einrichtungen PTl und PT₁,2 sind.

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Die.in Pig. 3-5 abgebildete Vorrichtung kann in verschiedenster Weise abgeändert werden. Zum Beispiel brauchen die beiden photoelektrischen Einrichtungen PTl und PT2 nicht in einer gemeinsamen Ebene montiert zu sein. Ferner können die beiden NAND-Glieder A und B durch UND-Glieder ersetzt werden. Die eingearbeiteten Reflexionsflächen brauchen nicht eben zu sein wie im vorgeschriebenen Ausführungsbeispiel, sondern sie können gewünschtenfalls auch eine konvexe oder konkave Form haben.

In Fig. 7 und 8 ist eine Welle abgebildet, auf der zwei Reflexionsflächen M3 und M4 in die zylindrische Mantelfläche der Welle durch ein Diamantspitzenwerkzeug angearbeitet sind, wobei die Flächen M35 und M4 axial fluchten und azimutal voneinander entfernt sind. Die Ebene der OI SäVio M^ λ b¥ r%o-no"l 1 öl mm AaKsC rlayi Walle Q t.räViinov^ >4Ίβ

Ebene der Fläche M^ gegen die Achse der Welle S geneigt ist. Die Achsen der photoelektrischen Einrichtungen PTl und PT2 sind zueinander geneigt, wobei die Achse der photoelektrischen Einrichtung PTl relativ zur Fläche MJ so angeordnet ist, daß sie durch von dieser reflektiertes Licht erregt wird, während die Achse der photoelektrischen Einrichtung PT2 so relativ zur Fläche M4 angeordnet ist, daß sie durch von dieser reflektiertes Licht erregt wird. Die Art und Weise, in der die Erregung der photoelektrischen Einrichtungen PTl und PT2 ausgenutzt wird, um eine Messung der Drehzahl und des Drehsinns der Welle S zu erzielen, ist aus der vorhergehenden Erläuterung anhand von Fig. 5 und ersichtlich.

Zufriedenstellende Reflexionsflächen für die Erfindungszwecke können erzeugt werden durch Bearbeitung von Eisenmetallen wie rostfreien Stählen oder anderen Werkstoffen

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vrie Kupfer, und zwar mit Werkzeugen, die Schneiden aus Diamant oder einem anderen geeigneten Edelstein haben. V/s im der Werkstoff der W?!!*? zu h?.rt- i-st- (7--.ΤΊ- ein Hartstahl ist), kann die Oberfläche der Welle mit einer Schicht aus einem anderen Werkstoff plattiert werden, z.B. Kupfer, der zufriedenstellend bearbeitet werden kann. Die Schicht kann ungefähr 0,05 mm (0,002 Zoll) dick sein. Die Lichtstreuung, die durch die Reflexion von einer so bearbeiteten Fläche auf Grund einer Bearbeitung mit einem Wolframkarbldspitzen-Werkzeug verursacht wird, und zwar eines parallelen Lichtbündels, das auf diese Fläche gerichtet wird, ist so groß, daß der optische Wirkungsgrad einer derartigen Fläche vielleicht unangemessen ist. Das Ausgangssignal von einer photoelektrischen Einrichtung, die von Lichtimpulsen erregt wird, die von einer derartigen Reflexionsfläche reflektiert werden, dürfte stärker· verstärkt werden als ein Ausgangs« signal von einer photoelektriscM'n Einrichtung, die durch Licht erregt wird, das von einer mit einem Diamantspitzenwerkzeug bearbeiteten Fläche stammt, und zwar in einem Ausmaß, das hohe Anforderungen an den Verstärkungsfaktor der Verstärkungseinrichtung stellt.

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Claims

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1. Optische Drehmeßvorrichtung zur Erzeugung eines Signals, das die Drehung eines Drehkörpers anzeigt, mit mindestens einer Lichtreflexionsfläche, die mit dem Drehkörper drehbar ist, mit einer Lichtquelle und mit einer lichtempfindlichen Einrichtung, die gegenüber dem Drehkörper ortsfest ist, wobei die lichtempfindliche Einrichtung so angeordnet ist, daß sie Lichtimpulse empfängt, die das von der Lichtquelle emittierte und durch die oder eine der Lichtreflexionsflächen bei Drehung des Drehkörpers reflektierte Licht umfassen, und wobei die lichtempfindliche Einrichtung durch Lichtimpulse erregt wird, die von der oder den Lichtreflexionsflächen empfangen sind, um das die Drehung des Drehkörpers anzeigende Signal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtreflexionsfläche oder Lichtrei'lexionsflächen einen bearbeiteten Umfangs- oder Manteloberflä'henabschnitt (19, Ml, M2, M3, M4) des Drehoder Wellenkörpers (14, S) haben.

2. Optische Drehmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsgute Jeder Licntreflexionsfläche (19, Ml, M2, Mj5, M4) von dem unter Verwendung eines Diamantspitzenwerkzeugs erzielten Standard ist.

J. Optische Drehmeßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei derartige Lichtreflexionsoberflächenteile (Ml, M2j Mj5, M4) vorgesehen sind, die azimutal auf dem Drehkörper (S) voneinander entfernt sind, und daß die lichtempfindliche Einrichtung zwei photoelekti-ische Einrichtungen (PTl, PT2) aufweist, deren jede Licht empfängt, das von einer zugehörigen der beiden lichtreflektierenden Oberflächenabschnitt (Ml, M2; M3, M4) stammt.

4. Optische Drehmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Einrichtungen (PTl, PT2) sich in einer gemeinsamen Ebene befinden, die radial vom Drehkörper (S) ausgeht.

5. Optische Drehmeßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden lichtreflektierenden Oberflächenabschnitte (Ml, M2) voneinander axial in Bezug auf die Drehachse des Drehkörpers (S) getrennt sind.

6. Optische Drehmeßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden lichtreflektierenden Oberflächenabschnitte (M]5, M4) axial in Bezug auf die Drehachse des Drehkörpers (S) fluchten, und daß der Winkel, den der eine lichtreflektierende Oberflächenabschnitt mit der Drehachse des Drehkörpers (S) einschließt,verschieden von dem Neigungswinkel des anderen lichtreflektierenden Oberflächenabschnitts zur Drehachse des Drehkörpers (S) ist (Fig. 7).

7. Optische Drehmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Abschirmung (B), durch die die lichtempfindlichen Einrichtungen (PTl, PT2) gegen direktes Licht von der Lichtquelle (L) abgeschirmt sind.

8. Optische Drehmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder lichtreflektierende Oberflächenabsehnitt (19, Ml, M2, Mj5, M4) konkav, konvex oder eben ist.

9. Anemometer für Luft oder Gas, mit einem eine Kammer begrenzenden Gehäuse sowie einem Rotor innerhalb der Kammer, der eine Spindel aufweist, die in dem Gehäuse um ihre Achse

drehbar gelagert 1st und axiale Flügel trägt, und schließlich mit einer optischen Drehmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkörper die Spindel (14) des Rotors (IjJ) aufweist, daß die Lichtquelle (20) vom Gehäuse (11) getragen 1st, und daß die lichtempfindliche Einrichtung (21) ortsfest innerhalb der Kammer (12) angebracht ist.

10. Drehkörper für die optische Drehmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Umfangs- oder Mantel-Oberflächenabschnitt (19, Ml, M2, M3, M4) des Drehkörpers, der in Form eines lichtreflektierenden Oberflächenabschnitts bearbeitet ist.