Vorrichtung zum Erf ssen der_Drehzahl_ von. fluidgetriebenen. Antrieben
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl von fluidgetriebenen Antrieben, mit einem Gehäuse, in dem der Antrieb untergebracht ist, mit einer Zuleitung zum Zuführen von Druckluft zum Antrieb, mit einer Rückleitung zum Ableiten von Druckluft aus dem Gehäuse, und mit einem Sensor, der StrömungsSchwankungen der pulsierenden Abluft in der Rückleitung erfaßt.
Fluid-, insbesondere luftgetriebene Antriebe, bei welchen die erfindungsgemäße Vorrichtung verwirklicht werden kann, sind beispielsweise Turbinen, insbesondere druckluftbetriebene Turbinenlaufräder eines Dentalgerätes , Luftmotoren, Lamellenmotoren und Schwingmotoren. Allgemein gesprochen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bei allen fluidgetriebenen Antrieben verwirklicht werden, bei welchen das abströmende Fluid, nämlich eine Flüssigkeit oder ein Gas, wie Luft, mit pulsierenden Strömungsschwankungen abströmt, wobei die Frequenz der Geschwindigkeit z.B. der Drehzahl des Antriebes proportional ist.
Dentalantriebe und andere Handbearbeitungswerkzeuge werden häufig mit Druckluft betrieben. Wenn die Druckluft mit weitgehend kon- stantem Druck zugeführt wird, bedingt dies, daß die Leerlaufdrehzahl dieser pneumatischen Antriebssysteme die Arbeit-Nenndrehzahl weit übersteigt und bei Belastung entsprechend der Last abnimmt. Dies hat zum einen den Nachteil einer unerwünschten Geräuschentwicklung mit störenden, hohen Frequenzen und hohem Schallpegel im Leerlauf und zum anderen eine bei der Bearbeitung häufig unerwünschte Änderung der Drehzahl bei unterschiedlicher Belastung.
Um ein exaktes Arbeiten mit fluidgetriebenen Antrieben, z.B. bei Schleif- oder Bohroperationen mit luftgetriebenen Dentalantrieben, bei möglichst konstanter Turbinendrehzahl zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Drehzahl des Turbinenlaufrades zu erfassen und die Zufuhr von Druckfluid so zu verändern, daß sich eine weitgehend konstante Drehzahl ergibt .
Insbesondere bei Dentalturbinen ist ein möglichst kleines Turbinen-
- 2 - laufrad und Gehäuse erforderlich, so daß kaum Platz für einen Dreh- zahlsensor herkömmlicher Bauart vorhanden ist. Zusätzlich kommt erschwerend hinzu, daß die Turbine von Dentalturbinen sterilisierbar sein muß und damit besonderen Anforderungen hinsichtlich der ther- mischen und chemischen Belastung sowie der Druckbelastung des Sensors und der zugeordneten Elektronik genügen muß. In der Praxis sind Sensoren bekannt, die z.B. nach dem Prinzip einer optischen Lichtschranke arbeiten oder relativ aufwendig anzuordnende Magnete mit einer Spule (Induktionsprinzip) , aus der die Drehzahl abgeleitet wird.
Aus der EP 549 910 A ist es bekannt, im unmittelbaren Bereich des Turbinenrades einen piezoelektrischen Sensor anzuordnen, auf den die vom Turbinenlaufrad abgelenkte, pulsierende Strömung aufprallt, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird, aus dem die Drehzahl des Turbinenlaufrades abgeleitet werden kann. Nachteilig bei einer derartigen Anordnung ist jedoch, daß die Anordnung eines derartigen piezoelektrischen Sensors im Gehäuse technisch aufwendig ist und dieser durch die unmittelbare Anordnung im Gehäuse neben dem Turbi- nenlaufrad auch einem gewissen Verschleiß beziehungsweise der Gefahr einer Verschmutzung ausgesetzt ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Signale vom Sensor über Schleifringe zur Regeleinheit übertragen werden müssen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die erwähnten Nachteile nicht aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Da der Sensor bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht unmittelbar im Gehäuse des Antriebes angeordnet ist, besteht nicht das Problem, diesen im Gehäuse unterzubringen. Des weiteren besteht die vorteilhafte Möglichkeit, daß der Sensor in einem Bereich angeordnet ist, in dem äußere Einflüsse, wie Erschütterungen, Erwärmungen und ähnliches, die z.B. von dem durch den fluidgetriebenen Antrieb angetriebenen Werkzeug herrühren, den Sensor nicht nachteilig beeinflussen, nämlich das Erfassen der StrömungsSchwankungen nicht stö- ren. Bei Dentalantrieben ergibt sich der Vorteil, daß der Sensor
- 3 - nicht sterilisiert werden muß, so daß die beim Stand der Technik erforderliche Beständigkeit des Sensors gegen die Sterilisierbedingungen, Temperatur, Sterilisiermedien und gegebenenfalls Reinigungslösungen nicht gegeben sein muß.
Bei dem bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung, den Dentalturbinen, ergibt sich der Vorteil, daß das Gehäuse der Dentalturbine klein gehalten werden kann, da der Sensor nicht in dem Gehäuse untergebracht ist.
Der Sensor kann z.B. Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in der Rückleitung messen. Bevorzugt ist allerdings, daß der Sensor zum Erfassen von Druckschwankungen im Fluid ausgeführt ist.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß bei geeigneter Gestaltung des Abströmbereiches des Druckfluids, insbesondere der Druckluft, aus dem Gehäuse auch in der Rückleitung die Amplituden der Druckschwankungen im Fluid oder Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids so groß sind, daß diese ohne weiteres erfaßt und ausgewertet werden können. Da im Abstand vom Turbinen- gehäuse auch keine beengten Platzverhältnisse mehr vorliegen, ist es möglich, den Sensor so zu gestalten, daß ein sehr sensibles Erfassen dieser Schwankungen möglich ist.
Da die Pulsation des Druckfluids bei fluid-, insbesondere luftgetriebenen Turbinenantrieben um so größer ist, je kleiner der Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse und je kleiner die Abströmöffnung im Verhältnis zur Turbinenschaufelbreite ist, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß die in Drehrichtung des Turbinenlaufra- des gemessene Breite der Spitzen der Turbinenlaufradschaufeln vorzugsweise zwischen 50% und 100% der in der gleichen Richtung gemessenen Breite der Anschlußöffnung der Rückleitung im Gehäuse beträgt .
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung kann grundsätzlich bei allen fluidgetriebenen Antrieben, wie Turbinen, insbesondere Dentalturbinen, Luftmotoren, Lamellenmotoren oder Schwingmotoren, verwirklicht werden, wobei das Antriebsfluid (Druckfluid) eine Flüssigkeit oder ein Gas, in diesem
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Fall vornehmlich Luft, sein kann.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen am Beispiel einer Dentalturbine, in welchen in
Fig. 1 und Fig. 2 schematisch eine luftgetriebene Turbine mit unterschiedlichen Stellungen des Turbinenlaufrades dargestellt ist.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Dentalturbine hat ein Turbinenlaufrad 1, ein Gehäuse 3 und ein am Gehäuse 3 angeordnetes Griff- stück 7. Das im Gehäuse 3 laufende Turbinenlaufrad 1 wird über eine Zuleitung 2 mit Druckluft als Druckfluid beaufschlagt. Über die Rückleitung 4 wird der Großteil der Druckluft wieder abgeführt, ein Teil entweicht über Spalte in der Lagerung usw.
Der Abluftstrom in der Rückleitung 4 ist nicht kontinuierlich, sondern pulsiert mit der Frequenz der sich an einer Anschlußδffnung 8 der Rückleitung 4 im Gehäuse vorbeibewegenden Laufradschaufeln 9. Diese Frequenz ist also bei sonst gleichen Parametern der Drehzahl der Turbine direkt proportional. Die Schwankungen der Abstromge- schwindigkeit und die Druckschwankungen, also die Pulsation des Druckfluids (Druckluft) in der Rückleitung 4, sind umso größer, je kleiner die in Drehrichtung gemessene Breite der Anschlußöff ung 8 im Verhältnis zur in gleicher Richtung gemessenen Breite der Spitzen 10 der Laufradschaufeln 9 ist. Dieser Effekt kommt daher, daß die Anschlußöffnung 8 beim Vorbeibewegen der Laufradschaufein 9 vorübergehend teilweise verschlossen wird, so daß in der Rückleitung 4 eine pulsierende Luftströmung entsteht. Je größer dabei das Verhält- nis von Breite der Schaufelspitze 10 zur Breite der Anschlußöffnung
8 ist, umso größer sind die Druckamplituden.
Das Verhältnis der Breite der Schaufelspitze 10 zur Breite der Anschlußöffnung 8 wird üblicherweise zwischen 50% bis 100% liegen, kann aber auch etwa 60%, 70%, 80% oder 90% betragen.
Zum Erfassen dieser Druckschwankungen ist im Abstand vom Gehäuse 3 an der Rückleitung 4 eine rohrförmige Abzweigung 6 vorgesehen, an deren Ende ein Sensor 5, z.B. ein Halbleiterdrucksensor oder ein Mikrophon angeordnet ist. Die vom Sensor 5 erzeugten Meßsignale
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Um störende Schwingungen der Luft (des Fluids) in der Ableitung 4, die das Meßergebnis verfälschen oder eine exakte Messung überhaupt unmöglich machen könnten, auszufiltern, kann die Auswerteelektronik 11 eine Einheit zur Analyse des Spektrums des Meßsignales des Sensors 5 aufweisen, um Störsignale auszufiltern und ein verwertbares Meßsignal zu erhalten.
Die Anordnung des Sensors 5 an einer Ableitung 6 bietet den Vorteil, daß der Sensor 5 nicht direkt der strömenden Druckluft ausgesetzt ist und somit einem geringeren Verschleiß und einer geringeren Gefahr von Verschmutzung ausgesetzt ist. Durch den Umstand, daß der Sensor 5 nicht im Gehäuse 3 bzw. in dessen unmittelbarer Umgebung angeordnet ist, muß auf seine Baugröße auch nicht so große Rücksicht genommen werden und er ist auch nicht unmittelbar schädlichen Einflüssen beim Arbeiten mit der Dentalturbine und beim Sterilisieren der Turbine ausgesetzt, was auch für die allenfalls vorhandene Verstärker- und Auswerteelektronik 11 zutrifft.
Der Sensor 5 kann aber auch, falls eine Ableitung 6 unzweckmäßig ist, direkt an bzw. in der Rückleitung 4 angeordnet werden.
Der Abstand des Sensors 5 vom Gehäuse 3 richtet sich nach den jeweiligen Umständen und ist in jedem Fall mit Rücksicht darauf, daß in der Rückleitung 4 Turbulenzen und Strömungszustände auftreten können, welche die Messung verfälschen können, und mit Rücksicht auf die nach den jeweiligen Gegebenheiten bzw. der Konstruktion des Antriebes der Turbine vorhandene Amplitude der Druckschwankungen festzulegen.
Auch wenn im Vorstehenden immer von Druckluft als dem den Antrieb, insbesondere das Turbinenlaufrad, antreibenden Medium die Rede war, versteht es sich, daß auch jedes andere Fluid, also gasförmige oder flüssige Medium als Antriebsmedium Verwendung finden kann.
Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrieben werden:
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Zum Messen der Drehzahl eines fluidgetriebenen Antriebes, vornehmlich eines Turbinenlaufrades (1), insbesondere eines druckluftbetriebenen Turbinenlaufrades eines Dentalgerätes, wird ein Sensor (5) vorgeschlagen, der an einer Rückleitung (4) im Abstand vom Gehäuse (3) der Turbine angeordnet ist. Der Sensor (5) erfaßt die pulsierenden Druckschwankungen in der Rückleitung (4) und führt diese einer Verstärker- und Auswerteelektronik (11) zu.
Da der Sensor (5) im Abstand vom Turbinengehäuse (3) und nicht in diesem angeordnet ist, besteht nicht das Problem der sehr beengten Platzverhältnisse im Turbinengehäuse (3) , insbesondere bei Dentalturbinen. Außerdem ist der Sensor (5) nicht in einem Bereich angeordnet, der sterilisiert werden muß, so daß der Sensor (5) nicht gegen Sterilisierbedingungen und Reinigungslösungen beständig ausge- führt sein muß.