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Einrichtung zur genauen Messung der Drehzahl oder der Drehzahländerungen
einer Mas chinenwelle Die Messung der Drehzahl einer Maschinenwelle erfolgt vielfach
mittels einer mit ihr gekuppelten elektrischen Gebermaschine (Tachometerdynamo),
deren Spannung ein Maß für die Drehzahl ist. Für sehr genaue Drehzahl- oder Beschleunigungsmessungen
macht aber die mechanische Ausführung der Kupplung Schwierigkeiten. Es zeigt sich
dann meist eine periodische Abwicklung in der Anzeige, die von der Exzentrizität
der angekuppelten Welle oder im Falle einer Zahnradankupplung vom periodischen Gang
infolge ungenauer Teilung des Zahnrades, das auf der zu messenden Welle sitzt, herrührt.
Besonders unangenehm macht sich diese Erscheinung bemerkbar, wenn es sich um die
Messung der Drehzahl bzw. die Drehzahländerungen einer langsam laufenden Welle handelt
und man aus meßtechnischen Gründen gezwungen ist, durch eine Ubersetzung ins Schnelle
die Gebermaschine mit höherer Drehzahl zu betreiben. Eine Fälschung der Anzeige
kann auch dadurch entstehen, daß die Welle, besonders bei Belastung, im Lager wandert
bzw. hochläuft.
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Es ist bekannt, mehrere Drehzahl-Gebermaschinen hintereinanderzuschalten
und gegenseitig um einen beliebigen Winkel versetzt mit der Antriebswelle zu kuppeln.
Dadurch werden die Oberwellen geringer Frequenz, die von der Drehzahl oder Polzahl
abhängen, möglichst aufgehoben. Die Summenspannung dient dann als Maß für die Drehzahl.
Die Erfindung befaßt sich mit der Aufhebung derjenigen Oberwellen und Abweichungen,
die durch die Ungenauigkeiten der mechanischen Kupplung
das Meßgerät
fälschen. Diese Ungenauigkeiten -sind unvermeidbar, ob die Kupplung durch Zahn-oder
Reiberad oder anders erfolgt; sie ließen sich auch bisher durch genaueste Ausinittung
und Bearbeitung der Zahnräder nicht beseitigen.
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Bei Geschwindigkeitsmessern mit einer Tachometermaschine, deren Rotor
durch die Meßwelle selbst und durch auf ihren Umfang angeordnete Permanentmagnete
gebildet wird, hat man zum Ausgleich von Schwankungen in der Luftspaltbreite zwischen
Rotor und Statorspule gegenüber dieser eine zweite gleiche Spule angeordnet. Diese
Maßnahme, welche lediglich den Aufbau der Tachometermaschine selbst betrifft, hat
jedoch mit der der [Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe nichts zu tun.
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Zur Eliminierung der Oberwellen und Abweichungen, welche, durch die
Ungenauigkeiten der Maschinenkupplung zwischen Prüfling und Gebern hervorgerufen,
das Meßergebnis fälschen, sind erfindungsgemäß zwei oder mehrere gleiche und selbständige
Geber, die zur Unterdrückung von Harmonischen und Winkellage nach gegeneinander
versetzt sind, in bezug auf die Welle des Prüflings paarweise symmetrisch angeordnet.
Als Geber finden zweckmäßig zwei oder mehrere hintereinandergeschaltete, untereinander
gleiche und selbständige Gebermaschinen Anwendung, die paarweise symmetrisch an
ein Zahnrad gelegt sind, das von der Welle, deren Drehzahl oder Drehzahländerung
zu messen ist, angetrieben wird.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung än Hand einer solchen Anordnung
beispielsweise veranschaulicht.
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Fig. I zeigt eine Einrichtung zur Drehzahlmessung mittels zweier
Gebermaschinen. Die Gebermaschinen G, und G2 werden über Zahnräder Z, und Z2 vom
Zahnrad Z, das auf der Welle W sitzt, deren Drehzahl gemessen werden soll, angetrieben.
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Die Gehäuse der beiden Gebermaschinen sind durch eine Platte starr
miteinander verbunden, so daß sich die- Gebermaschinen in Bezug auf den Wellenmittelpunkt
diametral gegenüberliegen. Elektrisch werden die Spannungen der beiden Gebermaschinen
addiert. nehmen wir an, das Zahnrad Z sei mit der Exzentrizität e auf der Welle
W aufgebracht, so ergibt sich für die größte Abweichung der Spannungswert u dieser
Gebermaschine u = c (r + e), worin r den Halbmesser der Welle bedeutet. Wenn sich
die Welle um I809 gedreht hat, ist u = c (r - (r-e).
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Für die erfindungsgemäße Anordnung gilt, wenn ut und zur die Spannungen
zweiter Gebermaschinen sind = 1 + 2 = c zu (r + e) + zu (re) =2-c r.
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Diese Anordnung ergibt also- Unabhängigkeit der Anzeige von der Exzentrizität
e. Für alle übrigen Winkellagen der Welle läßt sich ebenfalls die Unabhängigkeit
der Anzeige von der Exzentrizität e nachweisen. Auch das Wandern der Welle im Lager
und ein periodischer Gang infolge ungenauer Teilung des Zahnrades Z bleiben bei
der Anordnung nach der Erfindung ohne Einfluß auf das Meßergebnis.
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In Fig. 2 sind waagerecht die 3600 einer vollen Umdrehung, lotrecht
die - Augenblicksspannungswerte der Gebermaschinen aufgetragen, die um bestimmte
Drehwinkel gegeneinander versetzt sind.
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Die Lage der Gebermaschinen ist über dem Spannungsverlauf durch Punkte
markiert, zugehörige Spannungswerte sind durch lotrechte Linien dargestellt. Die
Anordnung wird so getroffen, daß die Summe der Augenblickswerte bei ungeänderter
Drehzahl den doppelten Wert der Waagerechten 4 einhält.
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Durch Anordnung von zwei um 1800 versetzten Gebermaschinen G,, G2
werden, wie Fig. 2 an der Grundwelle I (volle Lotrechte) und der dritten Harmonischen
3 (strichlierte Lotrechte) zeigt, alle ungeraden Harmonischen in der Anzeige unterdrückt.
Ebenso läßt sich durch vier hintereinandergeschaltete Gebermaschinen G3 bis G6,
die um 90'9 versetzt angeordnet sind, die Grundwelle und sämtliche ungeraden Harmonischen
sowie die zweite Harmonische 2 (strichpunktierte Lotrechte) unterdrücken. Durch
geeignete Anordnung von noch mehr Gebermaschinen lassen sich, wie aus Fig. 2 unmittelbar
zu ersehen ist, auch weitere höhere gerade Harmonische unterdrücken.
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Bedingung bei allen Anordnungen ist lediglich, daß sich die relative
Lage der Gebermaschinen untereinander nicht verändert. Selbst wenn sich der ganze
Rahmen, der die Gebermaschinen trägt, senkrecht zur Wellenachse bewegt, erscheint
diese Bewegung, gegebenenfalls Schwingung kleiner Amplitude, nicht in der Anzeige.
Will man ferner, daß das Hochlaufen der Maschinenwelle im Lager nicht in der Anzeige
erscheint, so legt man die Verbindungslinie der beiden Gebermaschinen bzw. die Verbindungslinie
zweier gegenüberliegender Gebermaschinen bei Anordnung von vier Maschinen in die
Richtung des Hochlaufens der Welle.
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Als Drehzahl-Gebermaschinen sind grundsätzlich Gleich- oder Wechseistrommaschinen
verwendbar.
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Die Spannungen der Wechselstrom-Gebermaschinen können schon wechselstromseitig
oder erst nach ihrer Gleichrichtung addiert werden. Die Summenspannung dient als
Maß für die Drehzahl.
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Sämtliche bisherigen Überlegungen gelten auch für den Fall, daß man
nicht die Spannung von Gebermaschinen als Abbild für die Drehzahl nimmt, sondern
die Frequenz. Im Falle einer Ungleichförmigkeit, z. B. infolge von Exzentrizität
der Übertragungswellen, tritt eine Frequenzmodulation auf, ebenso wie früher eine
Spannungsmodulation.
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Als geeignete Maschinen und Einrichtungen sind z. B. Wechselstrnmgebermaschinen
und Lochscheiben bekannt. In solchem Fall dienen also als Geber eine mit dem Prüfling
umlaufende Lochscheibe und zwei oder mehrere paarweise
symmetrisch
in bezug auf die Welle angeordnete optische Einrichtungen (Lichtquelle und Photozelle),
welche der Drehzahl proportionale Impulse pro Zeiteinheit erzeugen.
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PATENTANSPRCCHE: I. Einrichtung zur Messung der Drehzahl oder Drehzahländerungen
einer Maschinenwelle mit zwei oder mehreren gleichen und selbständigen Gebern, die
zur Unterdrückung von Harmonischen der Winkellage nach gegeneinander versetzt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Geber paarweise symmetrisch in bezug auf die Welle
angeordnet sind.
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2. Einrichtung zur Messung der Drehzahl oder der Drehzahländerungen
einer Maschinenwelle nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß als Geber zwei
oder mehrere hintereinandergeschaltete, untereinander gleiche und selbständige Drehzahlgebermaschinen
Anwendung finden, die paarweise symmetrisch an ein Zahnrad gelegt sind, das von
der Welle, deren Drehzahl oder Drehzahländerung zu messen ist, angetrieben wird.