EP2203730A2 - Messvorrichtung zur erfassung des betriebszustands einer welle, verfahren sowie wellenanordnung mit der messvorrichtung - Google Patents

Messvorrichtung zur erfassung des betriebszustands einer welle, verfahren sowie wellenanordnung mit der messvorrichtung

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Publication number
EP2203730A2
EP2203730A2 EP08839450A EP08839450A EP2203730A2 EP 2203730 A2 EP2203730 A2 EP 2203730A2 EP 08839450 A EP08839450 A EP 08839450A EP 08839450 A EP08839450 A EP 08839450A EP 2203730 A2 EP2203730 A2 EP 2203730A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaft
torque
signal
measuring device
operating state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08839450A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Hagemann
Christian Schaaf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP2203730A2 publication Critical patent/EP2203730A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/104—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving permanent magnets
    • G—PHYSICS
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    • G01L3/08—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving optical means for indicating
    • G—PHYSICS
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    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/12—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving photoelectric means

Definitions

  • Measuring device for detecting the operating state of a shaft for detecting the operating state of a shaft, method and shaft arrangement with the measuring device
  • the invention relates to a measuring device for detecting the torque operating state of a shaft in the form of a torque, a torque change and / or an equivalent size with a signal generator which is rotatably connected to the shaft and / or connected to a signal receiver, which for detection is formed of the signal generator and outputs a measurement signal with a speed-dependent component as a function of the detection of the signal generator, and with an evaluation device for determining the torque operating state of the shaft based on and / or by evaluation of the measurement signal.
  • the invention further relates to a corresponding method for detecting a torque operating state of a shaft and a shaft arrangement with the measuring device.
  • the measurement of a torque or a torque change of a shaft during operation is often part of a monitoring of a manufacturing or working machine.
  • the knowledge of the torque is necessary to z. For example, it is possible to make estimates about work quality, load or wear of the respective machines.
  • the metrological determination of the torque is often carried out with a serially coupled intermediate member whose torsion is measured and converted over predetermined characteristics into a torque.
  • optical measuring methods are used, in which the displacement of two spaced apart from each other at an axial distance reference marks in the circumferential direction is detected metrologically.
  • Other measuring systems evaluate the torsion of the intermediate member with mechanical or magnetic measuring means.
  • the intermediate elements necessary for the measuring methods limit the applicability of this type of measuring method to shafts which transmit only small torques.
  • the distortion of the torque-loaded shaft is measured directly on the basis of different measuring methods.
  • the shaft is provided, for example with strain gauges (DMS), which detect the distortion.
  • DMS strain gauges
  • Methods are also known in which the change in a magnetic field is measured due to twisting of the shaft and a torque is derived therefrom. These methods evaluate path differences in a sub-millimeter range due to the twist and are therefore susceptible to interference due to the system in difficult operating environments such as soiling, heat and the like.
  • Common practice is to use the electric current of the drive motor of the shaft as a basis for calculating an estimate of a torque actually transmitted through the shaft.
  • the motor current or the motor power is offset with a speed of the shaft tapped off at any desired position, and from this a torque is estimated.
  • the latter solution is evaluated disadvantageously, as these too slow reaction times, inaccurate measurements and a constantly changing reference base should show.
  • it is proposed in the article, instead of determining the torque over the motor current, to apply a magnetic coding on the shaft and to determine the torque over the magnetic field changing due to the stress or distortion irrespective of the rotational speed or direction of rotation of the shaft.
  • the invention has for its object to provide a measuring device, a method and a shaft assembly with the measuring device, which allow a robust yet accurate detection of torque, a torque change and / or an equivalent size.
  • a measuring device for detecting a torque operating state of a shaft, wherein the torque operating state describes the torque transmitted via the shaft, or its change and / or a variable equivalent thereto.
  • the measuring device comprises a signal generator, which is rotatably connected to the shaft and / or connected, wherein the signal generator rotates during operation of the shaft with this.
  • the signal generator can be a separate component, which is fastened on or on the shaft in any desired manner.
  • the signal generator is realized as an integral and / or integral with the shaft component.
  • the signal generator can be designed in the most general definition for the output and / or change of any signal, in particular a magnetic, optical, electrical, electromagnetic, capacitive and / or inductive signal.
  • the measuring device further comprises a signal receiver, which is designed to detect the signal generator.
  • the signal receiver can be realized as a passive signal receiver, wherein a signal actively output by the signal generator is detected or as an active signal receiver, wherein the signal receiver sends a test signal to the signal generator, this modifies the test signal and the signal receiver then receives the modified test signal.
  • the signal receiver is designed in such a way that, depending on the detection of the signal generator, a measurement signal is output with a component which is dependent on the rotational speed of the shaft.
  • the measuring device shows an evaluation device which determines the torque operating state of the shaft on the basis of or by evaluation of the measurement signal.
  • the evaluation orientation is designed in terms of programming and / or circuitry so that the determination of the torque operating state is carried out and / or supplemented by analyzing signal components of the measuring signal with a cut-off frequency greater than the current rotational frequency.
  • the rotational frequency of the shaft is used as a slowly changing variable for determining the torque operating state, but the high-frequency components of the measurement signal for highly dynamic determination of the torque operating state of the shaft used.
  • the measurement signal is evaluated in such a way that the rotational speed and at least one further characteristic variable are determined from the measurement signal, wherein the further parameter is used to determine the torque operating state.
  • the parameter is designed in particular as a time-dependent information signal, wherein the information-carrying components of the information signal are located in a frequency range greater than the cutoff frequency.
  • the determination of the torque operating state is performed using a high-pass filtered measurement signal having a cut-off frequency greater than the current rotational frequency and / or the maximum rotational frequency of the shaft.
  • the measuring signal is preferably designed as a local and / or angular time signal, which provides a time-dependent location and / or angle information of the shaft.
  • the measurement signal can also be realized as a speed and / or acceleration signal.
  • a consideration of the invention is that precisely high-frequency torque changes can be detected by a change in the synchronous operation of the shaft, as long as the synchronization of the shaft is recorded sufficiently accurately by measurement. In turn, it is possible from the deviations of the synchronism of the shaft conclusions on the current torque and / or to draw an actual torque change and / or to an equivalent size to this.
  • the measuring device thus has the advantage of being able to measure the torque or the torque change of a shaft with high precision with a comparatively simple and therefore robust measuring structure.
  • the cutoff frequency is a multiple, preferably at least a tenfold, in particular a hundredfold, in particular a thousand times the rotational frequency and / or the maximum rotational frequency of the shaft.
  • the torque operating state of the shaft is determined using a further auxiliary variable, the further auxiliary variable being dependent on the current torque of the shaft.
  • a particularly preferred alternative for the auxiliary size is a variable proportional to the current and / or to the power and / or to the voltage of a motor driving the shaft and / or of a generator driven by the shaft.
  • the shaft driving unit is not designed as an electric motor, but for example as an internal combustion engine, for example, a speed, consumption or the like of the engine is used to form the further auxiliary size.
  • the latter has a plurality of coding features which can be distributed and / or distributed around the shaft in the direction of rotation.
  • more than 100 coding features are mounted on a shaft.
  • the coding features are each of the same design and / or arranged equidistantly in the direction of rotation.
  • the coding features are arranged in a common radial plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft, so that they each also have the same axial position.
  • the signal generator or the coding features on a magnetic coding, which is detected by the signal receiver.
  • the magnetic coding is - for example compared to an optical see coding - even in harsh industrial environments very robust and prone to failure.
  • signal transmitter and signal receiver are designed as an incremental encoder device, which provides at least 10, preferably at least 100, in particular at least 1000 signals per revolution of the shaft.
  • the number of coding features corresponds to the number of signals.
  • Another object of the invention relates to a method for measuring a torque of a shaft having the features of claim 11, preferably using the measuring device described above.
  • a measuring signal is recorded with a speed-dependent component of the shaft and carried out by analyzing signal components of the measuring signal with a cut-off frequency greater than the current rotational frequency of the shaft, the determination of Drehmoment Suites- state and / or supplemented.
  • the determination of the torque operating condition is made using an auxiliary amount previously described.
  • Another object of the invention relates to a shaft arrangement, in particular in a rolling mill, for example for steel, in a printing unit, for example, for paper, in a wind turbine, for example, for the rotor, in a marine propulsion, for example, to drive the screw , with a drive shaft for driving a cylinder, generator, a screw or the like, wherein the drive shaft for the transmission of high power of more than 100 kW, in particular more than 1 MW and in particular more than 10 MW is formed and / or arranged , wherein the torque operating state with a measuring device as described above or is carried out with a corresponding measurement method.
  • the signal transmitter is arranged in or on a torque-loaded intermediate member.
  • the implementation ensures that the signal generator is not positioned on a free, unloaded shaft end.
  • the signal transmitter is arranged on an intermediate member in the kinematic chain between the torque generator and the torque consumer.
  • the torque generator is designed, for example, as a motor and the torque consumer as the rolls of the rolling mill or the printing unit.
  • the signal generator is mounted directly in front of the torque consumer, in particular on its input shaft.
  • the torque generator is powered by, for example, wind or hydro, or is designed as an internal combustion engine.
  • the torque consumer is designed as a generator, propeller, etc. In these embodiments, too, it is preferred that the signal generator is positioned in the region of the torque consumer.
  • the advantages of preferred embodiments of the invention are in particular that can be determined by the use of a high-precision speed measurement and a significant increase in the signal sampling torque operating conditions with an accuracy that could previously only be achieved, for example, by gauging enbasischen systems.
  • the invention is characterized by the advantages of a simple sensor technology, a simple application technique and a low economic outlay.
  • the speed sensor is positioned in the region of the torque load and in particular is not arranged on the torque-free shaft end of the motor shaft.
  • the invention makes use of the fact that damping effects determined by the measuring method, which result from the mechanics, are determined with the aid of analytical methods, such as transfer functions, state controllers, neural networks, fuzzy logic, etc., and implemented in the calculation of the torque.
  • FIG. 1 is a highly schematic block diagram of a measuring device for determining a torque operating state as a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a highly schematic representation of the signal generator
  • a shaft arrangement 1 shows in a highly schematic block diagram a shaft arrangement 1, which comprises a torque generator 2, such as an electric motor or combustion engine, at least one torque transmitting drive shaft 3 and a torque consumer 4, wherein a torque from the torque generator 2 via the drive shaft 3rd is transmitted to the torque consumer 4.
  • the torque consumer is designed, for example, as a rolling mill, pressure roll of a printing press, generator or the like.
  • a signal transmitter 5 is arranged on the drive shaft 3, which distributes a multiplicity of coding features 6 in the circumferential direction.
  • the coding features 6 are preferably designed as magnetic codings, the number of which in this embodiment preferably being more than 2000.
  • a signal receiver 7 For detecting the coding features 6 of the signal generator 5, a signal receiver 7 is set up, which scans the coding features 6 without contact. The signal receiver 7 generates a measurement signal from the scanning signals, which thus provides a time-dependent signal.
  • the measurement signal is transmitted to an evaluation device 8, which determines based on the high-frequency components, in particular components with frequencies greater than the rotational frequency of the drive shaft 3, a torque and / or a torque change in the transmission of the drive shaft 3.
  • 2 power signals are transmitted as an auxiliary variable of the torque generator, which can be formed, for example, in an electric motor as current and / or voltage signals and in an internal combustion engine as speed or consumption.
  • a possible alternative embodiment is to detect slowly changing components of the torque via the change in the performance data of the torque generator 2 and to determine faster changes in the torque via the evaluation of the high-frequency measurement signal. To determine the rapid changes, for example, the time intervals of two successive increments, the shape or the edge steepness of the individual pulses of the increments are evaluated.
  • FIG. 2 shows in a highly schematized manner a possible embodiment of the transmitter-receiver region in the shaft arrangement in FIG. 1.
  • the coding features 6 are designed as magnetic codings in strip form with axial alignment. To ensure trouble-free detection of the coding features by the signal receiver, the strips are spaced in the circumferential direction at a distance of 5 mm to 10 mm. In order nevertheless to obtain a sufficiently high number of signals per revolution, a plurality of signal receivers 7 are arranged in the direction of rotation and axially offset from one another, so that each coding feature 6 is read several times per revolution, in this example four times.

Landscapes

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung, ein Verfahren sowie eine Wellenanordnung mit der Messvorrichtung vorzuschlagen, welche eine robuste und zugleich genaue Messung des Drehmoments, einer Drehmomentänderung und/oder einer dazu äquivalenten Größe erlauben. Es wird eine Messvorrichtung zur Erfassung des Drehmomentbetriebszustands einer Welle (3) in Form eines Drehmoments, einer Drehmomentänderung und/oder einer dazu äquivalenten Größe vorgeschlagen, mit einem Signalgeber (5), welcher drehfest mit der Welle (3) verbindbar und/oder verbunden ist, mit einem Signalempfänger (7), welcher zur Detektion des Signalgebers ausgebildet ist und in Abhängigkeit der Detektion des Signalgebers ein Messsignal mit einer drehzahlabhängigen Komponente ausgibt, und mit einer Auswertevorrichtung (8) zur Bestimmung des Drehmomentbetriebszustand der Welle (3) auf Basis und/oder durch Auswertung des Messsignals, wobei die Auswertevorrichtung (8) ausgebildet ist, durch Analyse von Signalbestandteilen des Messsignals mit einer Grenzfrequenz größer als die aktuelle Umlauffrequenz der Welle die Bestimmung des Drehmomentbetriebszustands durchzuführen und/oder zu ergänzen.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Messvorrichtung zur Erfassung des Betriebszustands einer Welle, Verfahren sowie Wellenanordnung mit der Messvorrichtung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung des Drehmoment- betriebszustands einer Welle in Form eines Drehmoments, einer Drehmomentänderung und/oder einer dazu äquivalenten Größe mit einem Signalgeber, welcher drehfest mit der Welle verbindbar und/oder verbunden ist, mit einem Signalempfänger, welcher zur Detektion des Signalgebers ausgebildet ist und in Abhängigkeit der Detektion des Signalgebers ein Messsignal mit einer drehzahlabhängigen Komponente ausgibt, und mit einer Auswertevorrichtung zur Bestimmung des Drehmomentbetriebszustand der Welle auf Basis und/oder durch Auswertung des Messsignals. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein entsprechendes Verfahren zur Erfassung eines Drehmoment- betriebszustands einer Welle und eine Wellenanordnung mit der Messvorrichtung. Die Messung eines Drehmoments oder einer Drehmomentänderung einer Welle im Betrieb ist oftmals Teil einer Überwachung einer Fertigungs- oder Arbeitsmaschine. Die Kenntnis des Drehmoments ist notwendig, um z. B. Abschätzungen über Arbeitsqualität, Belastung oder Verschleiß der jeweili- gen Maschinen treffen zu können.
Die messtechnische Ermittlung des Drehmoments erfolgt oftmals mit einem seriell eingekoppelten Zwischenglied, dessen Verwindung gemessen und über vorgegebene Kennlinien in ein Drehmoment umgerechnet wird. Bei- spielsweise werden optische Messverfahren verwendet, bei denen die Ver- schwenkung von zwei im axialen Abstand voneinander beabstandete Referenzmarken in Umlaufrichtung messtechnisch erfasst wird. Andere Messsysteme werten die Verwindung des Zwischenglieds mit mechanischen oder magnetischen Messmitteln aus. Die für die Messverfahren notwendigen Zwi- schenglieder begrenzen jedoch die Anwendbarkeit dieser Art der Messverfahren auf Wellen, welche nur geringe Drehmomente übertragen.
Bei einer anderen Art der Drehmomentmessung wird auf Basis unterschiedlicher Messverfahren die Verwindung der drehmomentbeanspruchten Welle direkt gemessen. Bei diesen Messverfahren wird die Welle beispielsweise mit Dehnungsmessstreifen (DMS) versehen, welche die Verwindung erfassen. Es sind auch Verfahren bekannt, bei denen die Änderung eines magnetischen Feldes aufgrund einer Verwindung der Welle gemessen und daraus ein Drehmoment abgeleitet wird. Diese Verfahren werten aufgrund der Ver- Windung entstehende Wegunterschiede in einem Submillimeterbereich aus und sind daher systembedingt bei schwierigen Betriebsumgebungen, wie zum Beispiel bei Verschmutzung, Hitzeeinwirkung und dergleichen, störanfällig. Gängige Praxis ist es, auf den elektrischen Strom des Antriebsmotors der Welle als Berechnungsgrundlage für eine Abschätzung eines tatsächlich über die Welle übertragenen Drehmoments zurückzugreifen. Hierbei wird der Motorstrom bzw. die Motorleistung mit einer an beliebiger Position abgegrif- fenen Drehzahl der Welle verrechnet und daraus ein Drehmoment abgeschätzt. In dem Artikel „Messen direkt an der Welle" von Lutz May, erschienen in „Computer & Automation" 8/05, Seite 73 ff. wird die letztgenannte Lösung nachteilig bewertet, da diese zu langsame Reaktionszeiten, ungenaue Messungen und eine sich ständig verändernde Referenzbasis zeigen soll. Als Lösung wird in dem Artikel vorgeschlagen, statt der Bestimmung des Drehmoments über den Motorstrom eine magnetische Kodierung auf der Welle anzubringen und das Drehmoment über das sich aufgrund der Belastung oder Verwindung ändernde magnetische Feld unabhängig von der Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung der Welle zu bestimmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung, ein Verfahren sowie eine Wellenanordnung mit der Messvorrichtung vorzuschlagen, welche eine robuste und zugleich genaue Erfassung des Drehmoments, einer Drehmomentänderung und/oder einer dazu äquivalenten Größe erlau- ben.
Diese Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie mit einer Wellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß wird eine Messvorrichtung zur Erfassung eines Drehmo- mentbetriebszustands einer Welle vorgeschlagen, wobei der Drehmoment- betriebszustand das über die Welle übertragene Drehmoment, bzw. dessen Änderung und/oder eine dazu äquivalente Größe beschreibt. Die Messvorrichtung umfasst einen Signalgeber, welcher drehfest mit der Welle verbindbar und/oder verbunden ist, wobei der Signalgeber im Betrieb der Welle mit dieser rotiert. Der Signalgeber kann zum einen ein separates Bauteil darstellen, welches in beliebiger Weise an oder auf der Welle befes- tigt wird. Alternativ hierzu ist der Signalgeber als ein integral und/oder einstückig mit der Welle verbundener Bestandteil realisiert. Der Signalgeber kann in der allgemeinsten Definition zur Ausgabe und/oder Änderung eines beliebigen Signals, insbesondere eines magnetischen, optischen, elektrischen, elektromagnetischen, kapazitiven und/oder induktiven Signals, ausgebildet sein.
Die Messvorrichtung umfasst weiterhin einen Signalempfänger, welcher zur Detektion des Signalgebers ausgebildet ist. Der Signalempfänger kann als passiver Signalempfänger realisiert sein, wobei ein von dem Signalgeber aktiv ausgegebenes Signal erfasst wird oder als aktiver Signalempfänger, wobei der Signalempfänger ein Testsignal an den Signalgeber sendet, dieser das Testsignal modifiziert und der Signalempfänger dann das modifizierte Testsignal empfängt.
Der Signalempfänger ist programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch so ausgebildet, dass in Abhängigkeit der Detektion des Signalgebers ein Messsignal mit einer Komponente, welche abhängig von der Drehzahl der Welle ist, ausgegeben wird.
Ferner zeigt die Messvorrichtung eine Auswertevorrichtung, welche auf Basis oder durch Auswertung des Messsignals den Drehmomentbetriebszustand der Welle bestimmt.
Der Erfindung folgend wird vorgeschlagen, dass die Auswerteausrichtung programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch so ausgebildet ist, dass durch Analyse von Signalbestandteilen des Messsignals mit einer Grenzfrequenz größer als die aktuelle Umlauffrequenz die Bestimmung des Dreh- momentbetriebszustands durchgeführt und/oder ergänzt wird.
In Abgrenzung zum bekannten Stand der Technik wird somit nicht nur die Umlauffrequenz der Welle als eine sich zeitlich langsam verändernde Größe zur Bestimmung des Drehmomentbetriebszustands herangezogen, sondern die hochfrequenten Anteile des Messsignals zur hochdynamischen Bestimmung des Drehmomentbetriebszustands der Welle verwendet. Vorzugswei- se wird das Messsignal so ausgewertet, dass die Drehzahl und mindestens eine weitere Kenngröße aus dem Messsignal ermittelt werden, wobei die weitere Kenngröße zur Bestimmung des Drehmomentbetriebszustands herangezogen wird. Die Kenngröße ist insbesondere als ein zeitabhängiges Informationssignal ausgebildet, wobei die informationstragenden Anteile des Informationssignals in einem Frequenzbereich größer als die Grenzfrequenz angesiedelt sind.
Optional wird die Bestimmung des Drehmomentbetriebszustandes unter Verwendung eines hochpassgefilterten Messsignals mit einer Grenzfrequenz größer als der aktuellen Umlauffrequenz und/oder der Maximalumlauffrequenz der Welle durchgeführt.
Das Messsignal ist vorzugsweise als Orts- und/oder Winkel-Zeitsignal ausgebildet, welches eine zeitabhängige Orts- und/oder Winkelinformation der Welle bereitstellt. Alternativ oder ergänzend kann das Messsignal auch als Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungssignal realisiert sein.
Eine Überlegung der Erfindung ist es, dass gerade hochfrequente Drehmomentänderungen durch eine Änderung des Gleichlaufs der Welle nachweis- bar sind, soweit der Gleichlauf der Welle ausreichend genau messtechnisch aufgenommen wird. Im Gegenzug ist es möglich, aus den Abweichungen des Gleichlaufs der Welle Rückschlüsse auf das aktuelle Drehmoment und/oder auf eine aktuelle Drehmomentänderung und/oder auf eine äquivalente Größe hierzu zu ziehen. Die Messvorrichtung weist somit den Vorteil auf, mit einem vergleichsweise einfachen und somit robusten Messaufbau das Drehmoment oder die Drehmomentänderung einer Welle hochgenau messen zu können.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist die Grenzfrequenz ein mehrfaches, vorzugsweise mindestens ein Zehnfaches, insbesondere ein Hundertfaches, im Speziellen ein Tausendfaches der Umlauffrequenz und/oder der maximalen Umlauffrequenz der Welle. Diese hochfrequenten Signalbestandteile des Messsignals tragen die Informationen über das momentane Drehmoment bzw. über die momentane Drehmomentänderung.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Drehmomentbe- triebszustand der Welle unter Verwendung einer weiteren Hilfsgröße bestimmt, wobei die weitere Hilfsgröße abhängig von dem aktuellen Drehmoment der Welle ist. Eine besonders bevorzugte Alternative für die Hilfsgröße ist eine zu dem Strom und/oder zu der Leistung und/oder zu der Spannung eines die Welle antreibenden Motors und/oder eines von der Welle angetrie- benen Generators proportional ausgebildete Größe. Für den Fall, dass die die Welle antreibende Einheit nicht als Elektromotor, sondern zum Beispiel als Verbrennungsmotor ausgebildet ist, wird beispielsweise eine Drehzahl, ein Verbrauch oder dergleichen des Motors zur Bildung der weiteren Hilfsgröße herangezogen.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Realisierung des Signalgebers weist dieser eine Mehrzahl von Kodierungsmerkmalen auf, die in Umlaufrichtung um die Welle verteilbar und/oder verteilt sind. Vorzugsweise sind mehr als 100 Kodierungsmerkmale auf einer Welle angebracht. Prinzipiell können die Kodierungsmerkmale in Umlaufrichtung mit unterschiedlichen Abständen zueinander und/oder jeweils verschiedenartig ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, welche die Auswer- tung des Messsignals erleichtert, sind die Kodierungsmerkmale jedoch jeweils gleich ausgebildet und/oder in Umlaufrichtung äquidistant zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Kodierungsmerkmale in einer gemeinsamen Radialebene senkrecht zu der Drehachse der Welle angeordnet, so dass diese jeweils auch die gleiche axiale Position aufweisen.
Bei einer besonders robusten und daher bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Signalgeber bzw. die Kodierungsmerkmale eine magnetische Kodierung auf, die von dem Signalempfänger detektiert wird. Gerade die magnetische Kodierung ist - beispielsweise verglichen mit einer opti- sehen Kodierung - auch im harten industriellen Umfeld sehr robust und störungsanfällig einsetzbar.
Insbesondere ist vorgesehen, dass Signalgeber und Signalempfänger als eine inkrementale Encodereinrichtung ausgebildet sind, welche pro Umlauf der Welle mindestens 10, vorzugsweise mindestens 100, insbesondere mindestens 1000 Signale bereitstellt. Hierbei kann es zum einen vorgesehen sein, dass die Anzahl der Kodierungsmerkmale der Anzahl der Signale entspricht. Zum anderen können auch eine Mehrzahl oder ein mehrstufiger Signalempfänger verwendet werden, welcher bzw. welche örtlich versetzt zu- einander ein Kodierungsmerkmal an verschiedenen Umlaufpositionen der Welle ablesen. So wird beispielsweise bei einer Welle mit 100 Kodierungsmerkmalen und 5 verteilten Signalempfängern ein Messsignal bereitgestellt, welches 500 Signale pro Umdrehung umfasst.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Drehmoments einer Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 11 , vorzugsweise unter Verwendung der zuvor beschriebenen Messvorrichtung. Bei dem Messverfahren wird ein Messsignal mit einer drehzahlabhängigen Komponente der Welle aufgenommen und durch Analyse von Signalbestandteilen des Messsignals mit einer Grenzfrequenz größer als die aktuelle Umlauffrequenz der Welle die Bestimmung des Drehmomentbetriebszu- Stands durchgeführt und/oder ergänzt. Optional erfolgt die Bestimmung des Drehmomentbetriebszustands unter Verwendung einer Hilfsgröße, die zuvor beschrieben wurde.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Wellenanordnung, ins- besondere in einem Walzwerk, zum Beispiel für Stahl, in einem Druckwerk, zum Beispiel für Papier, in einer Windkraftanlage, zum Beispiel für den Rotor, in einem Schiffsantrieb, zum Beispiel zum Antrieb der Schraube, mit einer Antriebswelle zum Antrieb eines Zylinders, Generators, einer Schraube oder dergleichen, wobei die Antriebswelle zur Übertragung von hohen Leis- tungen von mehr als 100 kW, insbesondere mehr als 1 MW und im speziellen mehr als 10 MW ausgebildet und/oder angeordnet ist, wobei der Dreh- momentbetriebszustand mit einer Messvorrichtung wie sie zuvor beschrieben wurde bzw. mit einem entsprechenden Messverfahren durchgeführt wird.
Bei einer bevorzugten Implementierung der Wellenanordnung wird der Signalgeber in bzw. auf einem drehmomentbelasteten Zwischenglied angeordnet. Insbesondere wird bei der Implementierung darauf geachtet, dass der Signalgeber nicht an einem freien, unbelasteten Wellenende positioniert ist. Dagegen ist es bevorzugt, dass der Signalgeber an einem Zwischenglied in der kinematischen Kette zwischen Drehmomenterzeuger und Drehmomentverbraucher angeordnet ist. Der Drehmomenterzeuger ist dabei beispielsweise als ein Motor und der Drehmomentverbraucher als die Walzen des Walzwerks oder des Druckwerks ausgebildet. Vorzugsweise ist der Signalgeber unmittelbar vor dem Drehmomentverbraucher, insbesondere an des- sen Eingangswelle angebracht. Bei alternativen Ausführungsformen wird der Drehmomenterzeuger zum Beispiel durch Windkraft oder Wasserkraft angetrieben oder ist als ein Verbrennungsmotor ausgebildet. Der Drehmomentverbraucher ist als Generator, Schiffsschraube etc. ausgebildet. Auch bei diesen Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass der Signalgeber im Bereich des Drehmomentverbrauchers positioniert ist.
Zusammengefasst liegen die Vorteile von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung insbesondere darin, dass durch Einsatz einer hochgenauen Drehzahlmessung und einer deutlichen Erhöhung der Signalabtastrate Drehmomentbetriebszustände mit einer Genauigkeit ermittelt werden können, welche bislang nur beispielsweise durch messstreif enbasierte Systeme erzielt werden konnten. Somit zeichnet sich die Erfindung durch die Vorteile einer einfachen Sensorik, einer simplen Applikationstechnik und eines gerin- gen wirtschaftlichen Aufwands aus. Besonders bevorzugt wird der Drehzahlgeber im Bereich der Drehmomentbelastung positioniert und insbesondere nicht am drehmomentfreien Wellenende der Motorwelle angeordnet. Bei der Erfindung wird ausgenutzt, dass durch das Messverfahren ermittelte Dämpfungseffekte, die sich durch die Mechanik ergeben, mit Hilfe analytischer Methoden, wie zum Beispiel Übertragungsfunktionen, Zustandsregler, neuronale Netze, Fuzzy Logic etc. ermittelt und in die Berechnung des Drehmoments implementiert werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigen:
Figur 1 eine stark schematisierte Blockdarstellung einer Messvorrichtung zur Bestimmung eines Drehmomentbetriebszustands als eines erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung; Figur 2 eine stark schematisierte Darstellung des Signalgeber-
Empfängerbereichs in Figur 1.
Die Figur 1 zeigt in einer stark schematischen Blockdarstellung eine Wellen- anordnung 1 , welche einen Drehmomenterzeuger 2, wie zum Beispiel einen Elektromotor oder Verbrennungsmotor, mindestens eine drehmomentübertragende Antriebswelle 3 und einen Drehmomentverbraucher 4 umfasst, wobei ein Drehmoment von dem Drehmomenterzeuger 2 über die Antriebswelle 3 an den Drehmomentverbraucher 4 übertragen wird. Der Drehmo- mentverbraucher ist beispielsweise als Walzwerk, Druckwalze einer Druckmaschine, Generator oder dergleichen ausgebildet.
In einem drehmomentbelasteten Bereich ist auf der Antriebswelle 3 ein Signalgeber 5 angeordnet, welcher in Umlaufrichtung verteilt eine Vielzahl von Kodierungsmerkmalen 6 zeigt. Die Kodierungsmerkmale 6 sind vorzugsweise als magnetische Kodierungen ausgebildet, wobei deren Anzahl bei dieser Ausführungsform vorzugsweise mehr als 2000 beträgt.
Zur Detektion der Kodierungsmerkmale 6 des Signalgebers 5 ist ein Signal- empfänger 7 eingerichtet, welcher die Kodierungsmerkmale 6 berührungslos abtastet. Der Signalempfänger 7 generiert aus den Abtastsignalen ein Messsignal, welches somit ein zeitabhängiges Signal bereitstellt.
Das Messsignal wird an eine Auswertevorrichtung 8 übergeben, welche auf Basis der hochfrequenten Anteile, insbesondere Anteile mit Frequenzen größer als die Umdrehungsfrequenz der Antriebswelle 3 ein Drehmoment und/oder eine Drehmomentänderung bei der Übertragung der Antriebswelle 3 ermittelt. Optional werden als Hilfsgröße von dem Drehmomenterzeuger 2 Leistungssignale übermittelt, welche beispielsweise bei einem Elektromotor als Strom- und/oder Spannungssignale und bei einem Verbrennungsmotor als Drehzahl oder Verbrauch ausgebildet sein können.
Eine mögliche Ausführungsalternative liegt darin, langsam ändernde Komponenten des Drehmoments über die Änderung der Leistungsdaten des Drehmomenterzeugers 2 zu erfassen und schnellere Änderungen des Drehmoments über die Auswertung des hochfrequenten Messsignals zu ermitteln. Zur Ermittlung der schnellen Änderungen werden beispielsweise die zeitlichen Abstände von zwei aufeinander folgenden Inkrementen, die Form oder die Flankensteilheit der Einzelpulse der Inkremente ausgewertet.
Die Figur 2 zeigt in stark schematisierter Weise eine mögliche Ausführungs- form des Sender-Empfängerbereich bei der Wellenanordnung in der Figur 1. Die Kodierungsmerkmale 6 sind als magnetische Kodierungen in Streifenform mit axialer Ausrichtung ausgebildet. Um eine störungsfreie Detektion der Kodierungsmerkmale durch die Signalempfänger sicherzustellen, sind die Streifen in Umlauf richtung mit einem Abstand von 5 mm bis 10 mm beabstandet. Um dennoch eine ausreichend hohe Anzahl von Signal pro Umlauf zu erhalten, sind mehrere Signalempfänger 7 in Umlaufrichtung und axial zueinander versetzt angeordnet, so dass jedes Kodierungsmerkmal 6 pro Umlauf mehrfach, in diesem Beispiel vierfach ausgelesen wird.
Bezugszeichenliste
1 Wellenanordnung
2 Drehmomenterzeuger 3 Antriebswelle
4 Drehmomentverbraucher
5 Signalgeber
6 Kodierungsmerkmal
7 Signalempfänger 8 Auswertevorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Messvorrichtung zur Erfassung des Drehmomentbetriebszustands einer Welle (3) in Form eines Drehmoments, einer Drehmomentänderung und/oder einer dazu äquivalenten Größe
mit einem Signalgeber (5), welcher drehfest mit der Welle (3) verbindbar und/oder verbunden ist,
mit einem Signalempfänger (7), welcher zur Detektion des Signalgebers ausgebildet ist und in Abhängigkeit der Detektion des Signalge- bers ein Messsignal mit einer drehzahlabhängigen Komponente ausgibt,
und mit einer Auswertevorrichtung (8) zur Bestimmung des Drehmo- mentbetriebszustand der Welle (3) auf Basis und/oder durch Auswer- tung des Messsignals,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswertevorrichtung (8) ausgebildet ist, durch Analyse von Signalbestandteilen des Messsignals mit einer Grenzfrequenz größer als die aktuelle Umlauffrequenz der Welle die Bestimmung des Drehmomentbetriebszustands durchzuführen und/oder zu ergänzen.
2. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz ein mehrfaches, vorzugsweise mindestens ein 10-faches, insbesondere mindestens ein 100-faches und im speziellen mindestens ein 1000-faches der Um- lauffrequenz beträgt.
3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) ausgebildet ist, den Betriebszustand unter Verwendung einer weiteren Hilfsgröße zu bestimmen, wobei die weitere Hilfsgröße abhängig von dem aktuellen Drehmoment der Welle (3) ist.
4. Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Hilfsgröße als eine zu dem Strom eines die Welle antreiben- den Motors (2) und/oder eine von der Welle angetriebenen Generator
(4) proportional ausgebildete Größe ist.
5. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (5) eine Mehrzahl von Kodierungsmerkmalen (6) aufweist, die in Umlaufrichtung um die Welle (3) verteilbar und/oder verteilt sind.
6. Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierungsmerkmale (6) gleich ausgebildet und/oder äquidistant zu- einander in Umlaufrichtung angeordnet sind.
7. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierungsmerkmale (6) in einer gemeinsamen Radialebene senkrecht zu der Drehachse der Welle (3) ange- ordnet sind.
8. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (5) eine magnetische Kodierung aufweist, die von dem Signalempfänger (7) detektiert wird.
9. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Signalgeber (5) und Signalempfänger (7) als inkrementale Encodereinrichtung ausgebildet sind.
10. Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Encodereinrichtung mindestens 10, vorzugsweise mindestens 100, insbesondere mindestens 1000 Signale pro Umdrehung bereitstellt.
11. Verfahren zur Erfassung eines Drehmomentbetriebszustands einer Welle (3) in Form eines Drehmoments, einer Drehmomentänderung und/oder einer dazu äquivalenten Größe, wobei durch eine Messvorrichtung vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche ein Messsignal mit einer drehzahlabhängigen Komponente der Welle (3) aufgenommen und durch Analyse von Signalbestandteilen des Messsignals mit einer Grenzfrequenz größer als die aktuelle Umlauf- frequenz der Welle (3) eine Bestimmung des Drehmomentbetriebszustands durchgeführt und/oder ergänzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentbetriebszustand der Welle (3) unter Verwendung der drehzahlabhängigen Komponente und einer weiteren Hilfsgröße erfolgt, wobei die Hilfsgröße vorzugsweise als ein über den Motorstrom eines die Welle antreibenden Motors bestimmter Drehmomentwert ausgebildet ist.
13. Wellenanordnung (1), insbesondere Walzwerk, Druckwerk, Windkraftanlage, Schiffsantrieb etc., mit einer Antriebswelle (3) zum Antrieb eines Zylinders, Generators, Schraube, einer Walze oder dergleichen, wobei die Antriebswelle zur Übertragung von hohen Leis- tungen von mehr als 100 kW, vorzugsweise mehr als 1 MW, insbesondere mehr als 10 MW ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmomentbetriebszustand der Antriebswelle (3) mit einer Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen 11 bis 12 bestimmt wird.
14. Wellenanordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber in oder auf einem drehmomentbelasteten Zwischenglied (3) angeordnet ist.
15. Wellenanordnung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet dass der Signalgeber (5) auf einem oder dem Zwischenglied in der kinematischen Kette zwischen Drehmomenterzeuger (2) und Drehmomentverbraucher (4) angeordnet ist.
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