FI121152B - Menetelmä ja järjestely pyörimisliikkeen määrittämiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä ja järjestely pyörimisliikkeen määrittämiseksi

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy kappaleen pyörimisliikkeen määrittämiseen, ja erityisesti edulliseen tapaan tuottaa koneturvallisuuteen liittyvä nopeusmittauksen 5 kahdennus.

Tavanomaiset kosketuksettomat nopeuden mittaustavat perustuvat induktiivisiin, kapasitiivisiin, magneettisiin tai valoa käyttäviin ratkaisuihin, joissa anturi, eli lyhyen etäisyyden läheisyyskytkin on asetettu tyypillisesti hyvin lähelle pyörivän kappaleen akselia, jonka lieriöpinnalle kiinnitetyn vastapalan 10 tai vastapalojen ohitus voidaan ilmaista tarkasti anturipulsseina. Tätä vastapa-laa voidaan luonnehtia passiiviseksi järjestelmän osaksi. Tällaisessa nopeuden mittauksessa tyypillinen pulssitiheys on 1 pulssi akselin kierrosta kohden, jolloin mittausta kutsutaan harvapulssimittaukseksi. Harvapulssimittauksen luonteeseen liittyen mittaus ei ole varsin tarkka, vaan esimerkiksi mittaukseen ai-15 heutuu viivettä nopeuden muuttuessa.

Tällaisen pyörimisliikkeen mittauksen tarkoituksena on tuottaa tieto itse pyörimisliikkeestä, eikä niinkään tarkkaa mittaustulosta pyörimisen täsmällisestä nopeudesta, jota voitaisiin käyttää esimerkiksi nopeuden säädön ta-kaisinkytkentätietona. Tavanomaisen harvapulssimittauksen tehtävänä on tyy-20 pillisesti koneturvallisuuteen liittyvän toisen mittaustuloksen tuottaminen. Tietyissä käyttöolosuhteissa vaaditaan usein kaksi toisistaan riippumatonta mittausta pyörimisnopeudesta, esimerkiksi turvalaitteiden toimintaan liittyen.

Mittauksen kahdentamisen kannalta onkin tarpeetonta toteuttaa molemmat kahdennetuista mittauksista tarkoilla ja usein kustannuksiltaan suurilla 25 antureilla silloin, kun toista mittausta käytetään ainoastaan pyörimisliikkeen havainnointiin.

Täsmällisten mittausten suorittamiseen on tunnetusti käytettävissä kosketuksellisia takometreja ja pulssiantureita. Lisäksi akselille voidaan asentaa kiinteästi magnetoitu tai muu kosketukseton koodirengas. Tällaisen käyt-30 täminen vastaa suurehkojen kustannustensa ja asennuksensa vaikeuden suhteen mainittuja kosketuksellisia ratkaisulta.

Koneturvallisuuden ja mittauksen kahdennuksen suhteen onkin tarvetta luotettavalle mittaustavalle, jonka vaatiman asennuksen suorittaminen on yksinkertaista ja joka on kustannuksiltaan edullinen ja käyttövarma.

2

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on siten kehittää menetelmä ja menetelmän toteuttava laitteisto siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkaistua. Keksinnön tavoite saavutetaan menetelmällä ja järjestelyllä, joille on tunnusomais-5 ta se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että pyörivään kappaleeseen, tyypillisesti tämän akselin päähän, sijoitetaan sensori, joka vastaa akselin pään ulkopuolelle sijoitetun anturin kyselyihin. Näiden kyselyiden tehon perusteella voidaan 10 määrittää sensorin sijainti suhteessa anturiin, jolloin pyörivä liike ilmenee tehon vaihteluna. Sensorin ja anturin yhdistelmä on edullisesti RFID-tyyppinen, joita käytetään tunnetusti kohteiden identifioimiseen sijoittamalla tunnisteen sisältämä sensori kohteeseen ja lukemalla tähän tunnisteeseen sisälletyt tiedot anturilla.

15 Keksinnön mukaisen menetelmän ja järjestelyn etuna on tarvittavan laitteiston asennuksen huomattava yksinkertaisuus. Asennuksen suorittamiseen ei tarvita tarkkoja linjauksia eikä mittauksia. Sekä anturin ja sensorin mekaaninen sijoitus ei ole järjestelyn ja menetelmän toiminnan kannalta kriittistä. Järjestelyssä voidaan myös käyttää kooltaan erisuuruisia sensoreita ilman, että 20 tarvitaan erityistä sovittamista.

Keksinnössä käytettävät laitteet on mahdollista tehdä hyvin ympäristöolosuhteita sietäviksi, sillä laitteet eivät ole riippuvaisia omista laakeroinneista tai muista vastaavista kuluvista mekaanisista osista. Tämä on merkittävä etu erityisesti teollisuusympäristössä, jossa olosuhteet mittalaitteille ovat usein 25 raskaat.

Keksinnön laitteisto on immuuni esimerkiksi mitattavien kappaleiden tärinöille ja vastaaville häiriöille. Tärinät saattavat aiheutua esimerkiksi mitattavan telan akseliston ja vaihteiston tärinöistä. Laitteisto on lisäksi huollon kannalta yksinkertainen, sillä huolloksi riittää pelkkä puhdistus muun puhdistuksen 30 yhteydessä.

Järjestelyn anturin voi sijoittaa mitattavaa akselia helpompiin olosuhteisiin, eli esimerkiksi vaikka plexilasin taakse.

Keksinnön järjestelyn kaapelointi järjestelmäohjaimeen tarvitsee ainoastaan kaksi paria, toisen aputehon syöttöä varten ja toisen signalointiin.

3

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää periaatteellista kuvaa keksinnön järjestelystä, ja 5 Kuvio 2 esittää periaatteellisella tasolla saatavia tehokäyriä.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuviossa 1 on esitetty periaatteellisella tasolla keksinnön järjestelyn kokoonpano. Järjestelyssä on sensori 2 sijoitettuna akselin 1 päähän. Anturi 3 on puolestaan sijoitettuna kiinteästi siten, että anturi 3 on akselin pään ulko-10 puolella ja akselin vaippapinnan ulkopuolella. Sensori sijaitsee pyörivässä kappaleessa, kuten telan akselin päässä siten, että kappaleen ollessa pyörivässä liikkeessä sensorin ja anturin välinen etäisyys vaihtelee kappaleen asentokulman mukana. Anturi 3 asennetaan edelleen siten, että sensori 2 on luettavissa anturilla 3. Anturi on yhdistetty viestiyhteydellä järjestelmän ohjaimeen 15 4, ja tämä edelleen viestiyhteydellä prosessin ohjaimeen tai muuhun vastaavan ylemmän tason järjestelmään.

Keksinnössä käytettävä anturi ja sensori ovat RFID-järjestelmän (Radio Frequency Identification) osat, jotka toimivat siten, että anturi on aktiivinen ja lähettää kyselyn järjestelmän taajuudella. Sensori vastaanottaa kyselyn, 20 ja saa tästä kyselystä tarvitsemansa energian omaa lähetystään varten, ja vastaa kyselyyn radioteitse ennalta määrätyllä tavalla. Tunnetuissa kappaleiden identifioimiseen liittyvissä sovelluksissa RFID-sensori lähettää yksilöllisen tun-nistekoodinsa anturille vasteellisena anturin kyselylle.

Keksinnön menetelmän mukaisesti pyörivää liikettä määritetään an-25 turin ja sensorin välisen lähetystehon perusteella. Keksinnön mukaisessa menetelmässä ja järjestelyssä ei niinkään olla kiinnostuneita sensorin lähettämästä informaatiosta, vaan joko anturin tai sensorin lähetystehosta, josta keksinnön mukaisesti määritetään pyörimisliike.

Keksinnön menetelmän eräässä suoritusmuodossa anturi lähettää 30 ajallisesti määrävälein kyselyn, ja anturin 3 lähetystehoa säädetään siten, että lähetysteho on juuri ja juuri riittävä siihen, että sensori 2 voi vastaanottaa anturin kyselyn. Sensorin vastatessa kyselyyn anturin seuraavan kyselyn lähetys-tehoa pudotetaan ennalta asetetulla määrällä, esimerkiksi 3dB askeleella. Jos anturin kyselyyn ei saada vastausta sensorilta, lähetystehoa puolestaan kasva-35 tetaan ennalta asetetulla määrällä, esimerkiksi 1dB askeleella. Jatkettaessa 4 toimintaa edellä kuvatulla tavalla pienentämällä ja kasvattamalla lähetystehoa riippuen sensorin vastauksesta tai vastauksen puuttumisesta, saadaan määräajoin lähetyn kyselyn tehon kuvaajasta jaksollinen sinimäisesti vaihteleva käyrä, jonka taajuus vastaa pyörivän kohteen taajuutta, ja ilmaisee siten kohteen 5 pyörimisen.

Lähetystehon säätäminen toteutetaan suoritusmuodon mukaisesti vasteellisena sille, saadaanko anturin lähettämään kyselyyn vastaus. Tarvittavan lähetystehon suuruus on osapuilleen verrannollinen etäisyyden neliöön. Tällöin akseliin sijoitetun sensorin ollessa lähimpänä anturia on tarvittava pie-10 nin yhteyden saava lähetysteho pienimmillään. Samalla tavoin silloin, kun anturin ja sensorin välinen etäisyys on suurimmillaan, yhteyden muodostamiseen tarvittava pienin mahdollinen lähetystehokin on suurimmillaan.

Keksinnön menetelmän toisen suoritusmuodon mukaisesti anturi 3 lähettää kyselyitä määrävälein käyttäen vakiotehoa. Sensori 2 vastaanottaa 15 kyselyn, ja lähettää vastauksensa anturille 3. Tässä suoritusmuodossa anturin vastaanottamaa tehoa määritetään pyörimisliikkeen havaitsemiseksi ja määrittämiseksi. Edellä esitetyllä tavalla tehon ja etäisyyden välillä on neliöllinen suhde, jolloin anturin vastaanottama teho muuttuu anturin ja sensorin välisen etäisyyden muuttuessa pyörimisliikkeen vaikutuksesta. Mittaamalla vastaan-20 otettua tehoa saadaan siten aikaan sinimäisesti muuttuva käyrä, jonka yksi jakso vastaa pyörivän kappaleen yhtä kierrosta.

Keksinnön mukaisen järjestelyn yhdessä suoritusmuodossa järjestelmän ohjain 4 säätää anturin 3 lähetystehoa edellä kuvaillulla tavalla, jolloin järjestelmän ohjain kerää tiedon siitä, saatiinko lähetettyyn kyselyyn vastaus. 25 Järjestelmän ohjain määrittää kerätyistä tehotiedoista pyörimisnopeuden, ja lähettää tämän ylemmälle ohjaustasolle. Pyörimisnopeuden lisäksi voidaan myös määrittää tästä riippuvia johdannaissuureita, kuten kulmakiihtyvyys, kierrosluku tai kiertymäkulma. Mainitut johdannaissuureet voidaan myös määrittää järjestelmän ohjaimessa 4, jolloin järjestelmän ohjain lähettää ylemmälle tasol-30 le valmiiksi lasketut arvot.

Järjestelmän ja menetelmän suoritusmuoto, jossa haetaan pienin mahdollinen lähetysteho, toimii myös suhteellisten tasaisten sähkömagneettisten häiriöiden yhteydessä. Järjestelmä on myös immuuni likaantumiselle, sillä lika on tyypillisesti läpinäkyvää sähkömagneettiselle säteilylle. On selvä, että 35 muuttuvia olosuhteita varten on kuitenkin jätettävä hieman asetteluvaraa signaalien tasojen nostamista varten.

5

Koska signalointi on digitaalista, on ratkaisutaso aina selkeä. Kyselyiden ja vastausten ymmärtäminen loppuu, kun vastauksen signaa-li/kohinasuhde alittaa noin 15 dB. Vastakappaleeseen lähetetty teho on vähintään 6 dB suurempi, eli kyselyn signaali/kohinasuhde on vähintään 22 dB.

5 Pyörimisnopeuden eli kulmanopeuden laskenta suoritetaan saadun tehokäyrän perusteella siten, että pyörähdyskulma, joka saadaan suoraan te-hokäyrästä, jaetaan siihen kuluneella pyörähdysajalla. Toisin sanottuna tutkitaan saadun tehokäyrän jaksollisuutta esimerkiksi käytetyn tehon pienimmästä arvosta seuraavaan pienimpään arvoon, jolloin pyörivä kappale on kiertynyt 10 yhden kierroksen. Tähän jaksoon kulunut aika on siten yhden kierroksen aika, ja kulmanopeus on helposti laskettavissa. Kokonaisen pyörähdyksen sijasta voidaan määrittää myös aika minimilähetystehon huipusta sen pienimpään arvoon, jolloin kappale on kiertynyt puoli kierrosta. Kulma- ja nopeusmittauksen resoluutiot riippuvat kyselyjen tiheydestä, päivitysvälistä sekä tehon resoluuti-15 osta.

Toisessa järjestelyn suoritusmuodossa anturin vastaanottaman tehon suuruutta määritetään ja järjestelmän ohjain laskee saadusta tehokäyrästä pyörimisnopeuden ja mahdollisia johdannaissuureita edellä kuvaillulla tavalla. Keksinnön mukaisesti on myös mahdollista, että järjestelmän ohjain laskee ai-20 noastaan pyörimisnopeuden, ja johdannaissuureet lasketaan ylemmällä tasolla.

Keksinnön mukaisesti toimittaessa bittitaajuuden, lähetystaajuuden eli kantoaallon taajuuden ja kyselytaajuuden sopivalla valinnalla voidaan vaikuttaa aikaresoluutioon ja mitattavaan maksiminopeuteen. Joka tapauksessa 25 keksinnöllä saavutetaan parempi kulmaresoluutio kuin perinteisillä harvapuls-simenetelmillä.

Keksinnön järjestelyn erään suoritusmuodon mukaan pyörivään kappaleeseen on sijoitettu kaksi sensoria 2, 5. Kahden sensorin käyttämisellä saadaan tietoon myös pyörivän kappaleen pyörimissuunta. Näiden kahden 30 sensorin sijaintia toisiinsa nähden ei tarvitse määrittää tarkasti. Sopiva kulma-ero sensorien välillä on esimerkiksi noin 60...90 astetta pyörähdysakselista nähden. Pyörimissuunta voidaan selvittää, sillä kumpikin sensori vastaa vain omaan kyselyynsä. Tällöin kuhunkin sensoriin liittyvissä tehokäyrissä on aikaero, joka vastaa sensorien vaihekulmaeroa. Pyörimissuunta voidaan havaita 35 esimerkiksi sinimäisten tehokäyrien huippujen järjestyksestä. Tällaisen järjes- 6 telyn ja menetelmän suoritusmuodon etuna on se, että tämä voidaan toteuttaa ainoastaan yhdellä anturilla.

Kuviossa 2 on esitetty periaatteellisella tasolla keksinnöllä saatavat tehokäyrät 12, 15. Nämä tehokäyrät on saatu käytettäessä kahta sensoria 2, 5.

5 Kuviosta voidaan päätellä, että pyörivän kappaleen pyörimissuunta on sellainen, että tehokäyrän 12 tuottava sensori käy ennen tehokäyrän 15 tuottavaa sensoria lähimmässä pisteessä anturiin nähden. Kuvion 2 käyrät eivät sisällä järjestelylle ja menetelmälle tyypillistä diskreettisyyttä, vaan käyrät on muodostettu jatkuviksi esimerkeiksi, On kuitenkin selvää, millaiset diskreeteistä pisteis-10 tä muodostuvat käyrät keksinnöllä saadaan aikaan. Näiden keksinnöllä aikaansaatavien tehokäyrien diskreettien pisteiden aikaväli on vakio käytettäessä vakiokyselytaajuutta.

Edelle keksintöä on selitetty viitaten erityisesti RFID-järjestelmän komponentteihin. Keksintö voidaan toteuttaa kuitenkin muillakin vastaavilla 15 tekniikoilla, joissa kyselyn energiaa hyödynnetään vastauksen lähettämiseen.

Pyörivä kappale, jonka pyörimistä keksinnöllä voidaan määrittää voi olla lähes mielivaltainen. Pyörähdyskappale voi olla esimerkiksi tela tai rulla, jonka pyörähdysakselin säde on vähintään noin 5 cm.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin-20 nön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (10)

1. Menetelmä pyörimisliikkeen havaitsemiseksi, joka menetelmä käsittää vaiheet, joissa järjestetään pyörivän kappaleen (1) pyörähdysakselin päähän, etäi-5 syydelle pyörähdysakselista sensori (2), järjestetään pyörivän kappaleen pyörähdysakselin pään ulkopuolelle anturi (3) siten, että sensorin ja anturin välinen etäisyys muuttuu kappaleen kiertyessä pyörähdysakselinsa ympäri, lähetetään kysely anturilta (3) sensorille (2), 10 vastaanotetaan kysely sensorilla (2), ja vasteellisena kyselyn vas taanottamiselle lähetetään vastaus sensorilta (2) anturille (3), määritetään signalointiin käytettyä tehoa, ja havaitaan pyörimisliike signaloinnin tehon muutoksen perusteella, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, joissa anturi lähet-15 tää kyselyn määrävälein ja anturin (3) lähettämän kyselyn lähetystehoa muutetaan vasteellisena sensorin (2) lähettämälle vastaukselle siten, että jos sensorilta saadaan vastaus, niin seuraavan kyselyn lähetystehoa pienennetään, ja jos sensorilta ei saada vastausta, niin seuraavan kyselyn lähetystehoa kasvatetaan, jolloin määritettävä teho on anturin lähetysteho.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähetystehoa pienennetään vasteellisena vastauksen saamiselle sensorilta enemmän kuin mitä lähetystehoa kasvatetaan vasteellisena vastauksen puuttumiselle, edullisesti lähetystehoa pienennetään 3dB portailla ja kasvatetaan 1dB portailla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheen, jossa määritetyn tehon perusteella määritetään pyörivän kappaleen pyörimisnopeus, määritetyn tehon muuttuessa pyörivän kappaleen asentokulman funktiona.

4. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1 - 3 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että pyörivään kappaleeseen on järjestetty kaksi sensoria (2, 5), ja sensoreiden kyselyt tapahtuvat toisistaan poikkeavilla koodeilla, jolloin anturi (3) on sovitettu lähettämään kyselyt vuorottaisesti sensoreille kahden eri signalointiin käytetyn tehon määrittämiseksi, jolloin kahdesta tehosta määritetään pyörivän kappaleen pyörimissuunta.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sensori on passiivinen komponentti, joka saa energiaa anturin lähettämästä kyselystä, jolloin sensori ja anturi ovat erityisesti RFID-komponentteja.

6. Järjestely pyörimisliikkeen havaitsemiseksi, joka järjestely käsittää 5 sensorin (2) järjestettynä pyörivän kappaleen (1) pyörähdysakselin päähän ja etäisyydelle pyörähdysakselista, anturin (3) järjestetään pyörivän kappaleen pyörähdysakselin pään ulkopuolelle siten, että sensorin (2) ja anturin (3) välinen etäisyys muuttuu kappaleen kiertyessä pyörähdysakselinsa ympäri, jolloin 10 anturi (3) on sovitettu lähettämään kyselyn sensorille (2), sensorilla (2) on sovitettu vastaanottamaan kyselyn, ja vasteellisena kyselyn vastaanottamiselle lähettämään vastauksen anturille (3), järjestelyn käsittäessä lisäksi välineet signalointiin käytetyn tehon määrittämiseksi, 15 ja välineet pyörimisliikkeen havaitsemiseksi signaloinnin tehon muu toksen perusteella, tunnettu siitä, että anturi (3) on sovitettu lähettämään kyselyn määrävälein ja anturin (3) lähettämän kyselyn teho on sovitettu säädettäväksi siten, että anturin (3) vastaanottaessa vastauksen, seuraavan kyselyn tehoa pienennetään, ja mikäli anturi (3) ei vastaanota vastausta, seuraavan 20 kyselyn tehoa kasvatetaan, jolloin järjestelyssä määritettävä signalointiin käytetty teho on anturin käyttämän kyselyn teho.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että anturin (3) lähetystehoa pienennetään vasteellisena vastaukselle vastaanottamiselle enemmän, kuin mitä sitä kasvatetaan vasteellisena vastauksen puut- 25 tuuliselle, edullisesti lähetystehoa pienennetään 3dB portailla ja kasvatetaan 1dB portailla.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestely käsittää lisäksi järjestelmän ohjaimen (4), joka on viestiyhteydessä anturin kanssa ja joka on sovitettu määrittämään signalointiin käytetyn 30 tehon perusteella pyörivän kappaleen pyörimisnopeuden, määritetyn tehon muuttuessa pyörivän kappaleen asentokulman funktiona.

9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 6 - 8 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että pyörivään kappaleeseen on järjestetty kaksi sensoria (2, 5), jotka sijaitsevat pyörähdysakseliin nähden kulmassa toisiinsa nähden, 35 jolloin anturi on sovitettu lähettämään kyselyt vuorottain sensoreille näiden omatessa yksilölliset tunnuskoodit, jolloin järjestelyssä määritetään kahta sig naloinnissa käytettyä tehoa pyörivän kappaleen pyörimissuunnan määrittämiseksi.

10. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 6 - 9 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että sensori (2, 5) on passiivinen komponentti, joka saa 5 energiaa lähetystään varten anturin lähettämästä kyselystä, jolloin sensori ja anturi ovat erityisesti RFID-komponentteja.