WO2000008433A1 - Messanordnung für sich drehende elemente - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a measuring arrangement for rotating or oscillating elements, with which measured values of the rotating elements, such as torques, speeds, temperatures on rotating or oscillating elements, are measured and displayed.
  • Measuring arrangements with transmission of the measured values for rotating elements are already known, in which the measured values are transmitted to the outside by telemetry or other non-contact transmission systems. With these transmission systems, not only can the measured values be transmitted and recorded and possibly registered, but these measurement signals can also be used for regulating and control purposes in order to influence a method, for example.
  • measuring arrangements with transmission of the measured values are very complex and cost-intensive and are therefore only used where this is indispensable - for example if the recording of the measured values is urgently required or a system is controlled using these measured values. Nevertheless, it is often desirable to obtain easily readable information about rotating parts, which has so far failed due to the cost of the known measuring arrangements.
  • a measuring arrangement for rotating elements which has: - A generator attached to a rotating element (10) with:
  • At least one display that rotates or oscillates with the rotating element and is controlled by the circuit.
  • the arrangement according to the invention therefore has u. a. the following advantages: since the energy supply is provided by the measured element itself, the measuring arrangement according to the invention is completely self-sufficient, i.e. it does not require external energy; no transmission of the measured values by telemetry or other non-contact transmission arrangements is necessary, therefore no connections to recording devices have to be provided - and it is also very inexpensive. Installation is also carried out without great effort, as is the case with commercially available torsionally rigid or torsionally flexible couplings, since no additional assembly work, no wiring and no calibration are required on site - maintenance work is also eliminated.
  • the display is controlled in such a way that it only briefly displays at certain points on the path of movement of the rotating element, so that an image standing at this point is produced for the human eye. It is also possible to provide sensors for measuring physical variables such as temperature, speed of rotation, etc. in / on the rotating element, which are then processed in the circuit and transmitted to the at least one display.
  • the circuit advantageously has a voltage regulator.
  • the circuit comprises a full bridge strain gauge, a bridge amplifier which amplifies the output signal of the bridge and an analog / digital converter which digitizes the amplified signal.
  • a switching cam is preferably provided on the magnetic disk for generating a display pulse, so that the display is only actuated when the switching cam is rotated past and displays in a stroboscopic manner - this means with LED display that this only lights up intermittently at the same place.
  • Figure 1 is a drawing of a dog clutch with built-in measuring arrangement according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a preferred embodiment of the circuit.
  • the measuring arrangement according to the invention is attached to a rotating element 10, here part of a claw coupling.
  • FIG. 2 shows the more precise structure of a preferred exemplary embodiment of the measuring arrangement.
  • This has a generator 20, 14 as an "independent" energy supply unit.
  • the latter has generator coils 20 which rotate with the rotating drive part and in which current is generated and one on the hub arranged on the drive element 10, here determined by means of a retaining pin 18. By rotating the generator coils 20 past the magnetic disk 14, current is generated which is used to operate an LED seven-segment display 12.
  • the entire measuring and evaluation electronics is supplied with power by this generator attached to the hub, the coils 20 being integrated in the coupling part 10 and rotating with the coupling.
  • the magnetic disc 14 is connected to the coupling hub 10 by a bearing and is fixed with the retaining pin 18 so that the coils 20 turn past the stationary magnetic disc 14 and generate electricity. This current is smoothed and reduced to the necessary level by a voltage regulator.
  • a strain gauge full bridge 32 is provided for the measurement of the torque, for example, the output voltage of which is amplified with a bridge amplifier 26 and passed on to an analog / digital converter with a peak value memory (peak hold) 30.
  • the analog / digital converter controls an LED seven-segment display, which does not light up continuously, but instead only indicates by means of an impulse at a constant location of the orbit, ie "flashes". This location can be freely selected by rotating the magnetic disk 14, since the switching cam 16 for generating the pulse is attached to this disk.
  • the flashing of the LED display at only one constant location of the rotating coupling results - although the LED display coincides with the Coupling rotates, at higher speeds, a still picture in the constant location - as is generally known from film projectors or other image construction.
  • the analog / digital converter can be equipped with a peak value memory 30 (peak hold) which outputs the measured peak value constantly over a longer period of time . It is therefore also possible to determine peak torques that occur in certain operating states.
  • a measurement of the behavior of a drive can be made possible without complex external power supply, expensive electronic processing or wear-prone transmission devices.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung für sich drehende Elemente, mit einem an einem sich drehenden Element befestigten Generator, einem Schaltkreis zur Verarbeitung der vom Generator erzeugten Spannung und mindestens eine mit dem sich drehenden Element mitdrehende oder mitoszillierende, vom Schaltkreis angesteuerte Anzeige.

Description

Meßanordnung für sich drehende Elemente
Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung für sich drehende oder oszillierende Elemente, mit der Meßwerte der sich drehenden Elemente, wie Drehmomente, Drehzahlen, Temperaturen auf rotierenden oder oszillierenden Elementen gemessen und angezeigt werden.
Die Überwachung von rotierenden oder oszillierenden Elementen, wie Antriebselementen, Kupplungen, Zwischenwellen, Bohrrohren etc. Ist häufig erwünscht. Bspw. Kann dadurch eine Überlastung von Antriebssträngen vermieden werden oder aber - wie bei Bohrgestängen - anhand des gemessenen Drehmomentes überprüft werden, ob bspw. Bohrköpfe auszuwechseln sind oder Kupplungsteile verschlissen sind und ausgetauscht werden müssen.
Es sind bereits Meßanordnungen mit Übertragung der Meßwerte für sich drehende Elemente bekannt, bei denen die Meßwerte durch Telemetrie oder andere berührungslose Übermittlungssysteme nach außen übertragen werden. Mit diesen Übermittlungssystemen können nicht nur die Meßwerte übertragen und erfaßt und ggf. registriert werden, sondern diese Meßsignale können auch zu Regel- und Steuerzwecken genutzt werden, um damit bspw. ein Verfahren zu beeinflussen.
Meßanordnungen mit Übertragung der Meßwerte sind aber sehr aufwendig und kostenintensiv und kommen daher nur dort zur Anwendung, wo dies unverzichtbar ist - bspw. wenn die Aufzeichnung der Meßwerte dringend erforderlich oder die Regelung einer Anlage über diese Meßwerte erfolgt. Dennoch ist es häufig erwünscht, leicht ablesbare Informationen über sich drehende Teile zu erhalten, was bisher an den Kosten der bekannten Meßanordnungen scheiterte.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfachere kostengünstigere Meßanordnung für rotierende oder oszillierende Elemente zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Meßanordnung für sich drehende Elemente gelöst, die aufweist: - einen an einem sich drehenden Element (10) befestigten Generator mit:
- einer feststellbaren Magnetscheibe (14)
- einem am sich drehenden Element (10) befestigten, mit diesem umlaufenden Generatorspulenring (20), der neben der Magnetscheibe (14) dreht,
- einen Schaltkreis zur Verarbeitung der vom Generator erzeugten Spannung, und
mindestens eine mit dem sich drehenden Element mitdrehende oder mitoszillierende, vom Schaltkreis angesteuerte Anzeige.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, daß nun erfindungsgemäß auf die direkte Übermittlung/Aufzeichnung der Meßwerte verzichtet wird, da es in vielen Fällen unnötig ist, diese aufzuzeichnen oder zu Steuer- und Regelzwecken zu verwenden, kann eine einfache, aber wirksame Meßanordnung geschaffen werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt daher u. a. die folgenden Vorteile: Da die Energieversorgung durch das gemessene Element selbst erfolgt, ist die erfindungsgemäße Meßanordnung vollständig autark, d.h. sie benötigt keine Energie von außen; es ist keine Übertragung der Meßwerte durch Telemetrie oder andere berührungslose ÜbertragungsAnordnungen notwendig, daher müssen keine Verbindungen zu Aufzeichnungsgeräten bereitgestellt werden - außerdem ist sie sehr kostengünstig. Auch der Einbau erfolgt ohne großen Aufwand wie bei handelsüblichen drehstarren oder drehelastischen Kupplungen, da keine zusätzlichen Montagearbeiten, keine Verkabelung und keine Kalibrierung vor Ort notwendig ist - auch Wartungsarbeiten entfallen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Anzeige so angesteuert wird, daß sie nur an bestimmten Stellen der Bewegungsbahn des sich drehendes Element kurzzeitig anzeigt, so daß für das menschliche Auge ein an dieser Stelle stehendes Bild entsteht. Es können auch Meßfühler zur Messung physikalischer Größen, wie Temperatur, Umdrehungsgeschwindigkeit, etc. in/an dem sich drehenden Element vorgesehen sein, die dann an im Schaltkreis verarbeitet und an die mindestens eine Anzeige übermittelt werden.
Vorteilhafterweise weist der Schaltkreis einen Spannungsregler auf.
Es ist in dem meisten Fällen, in denen das gemessene Signal schwach ist, sinnvoll, einen Verstärker für gemessene Signale vorzusehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schaltkreis eine DMS- Vollbrücke, einen Brückenverstärker, der das Ausgangssignal der Brücke verstärkt und einen Analog/Digital-Wandler, der das verstärkte Signal digitalisiert, auf.
Um zu vermeiden, daß stets stark schwankende Werte angezeigt werden, ist es sinnvoll einen Spitzenwertspeicher nach dem A/D-Wandler vorzusehen, der die Anzeige ansteuert.
Bevorzugt ist ein Schaltnocken an der Magnetscheibe zur Erzeugung eines Anzeigeimpulses vorgesehen, so daß die Anzeige nur beim Vorbeidrehen an dem Schaltnocken angesteuert wird und stroboskopartig anzeigt - dies bedeutet bei LED-Anzeige, daß diese nur intermittierend stets am gleichen Ort aufleuchtet.
Es entsteht somit bei Messung eines sich drehenden Antriebselements, wie einer Klauenkupplung, bei schneller Umdrehung des Antriebs eine für das Auge „stillstehende" Anzeige. Der Beobachter nimmt aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges die Anzeige als stehendes Bild wahr (umgekehrter Stroboskopeffekt).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, auf das sie aber keineswegs eingeschränkt ist, sowie anhand der begleitenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt :
Fig. 1 eine Zeichnung einer Klauenkupplung mit eingebauter erfindungsgemäßer Meßanordnung; und Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Schaltkreises.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist an einem rotierenden Element 10, hier einem Teil einer Klauenkupplung, die erfindungsgemäße Meßanordnung angebracht.
Aus Fig. 2 ist der genauere Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Meßanordnung ersichtlich Diese weist einen Generator 20, 14 als „eigenständige" Energieversorgungseinheit auf. Dieser besitzt mit dem sich drehenden Antriebsteil mitdrehende Generatorspulen 20, in denen Strom erzeugt wird, und eine auf der Nabe des Antriebselements 10 angeordnete, hier mittels eines Haltestiftes 18 festgestellte Magnetscheibe 14 auf. Durch das Vorbeidrehen der Generatorspulen 20 an der Magnetscheibe 14 wird Strom erzeugt, der zum Betrieb einer LED-Sieben- Segment-Anzeige 12 verwendet wird.
Die gesamte Meß- und Auswerteelektronik wird von diesem an der Nabe befestigten Generator mit Strom versorgt, wobei die Spulen 20 im Kupplungsteil 10 integriert sind und mit der Kupplung umlaufen. Die Magnetscheibe 14 ist mit der Kupplungsnabe 10 durch ein Lager verbunden und wird mit dem Haltestift 18 festgestellt, so daß die Spulen 20 an der stillstehenden Magnetscheibe 14 vorbeidrehen und Strom erzeugen. Dieser Strom wird geglättet und durch einen Spannungsregler auf das notwendige Maß reduziert.
Für die Messung z.B. des Drehmomentes ist in diesem Fall eine DMS-Vollbrücke 32 vorgesehen, deren Ausgangsspannung mit einem Brückenverstärker 26 verstärkt und auf einen Analog/Digital-Wandler mit Spitzenwertspeicher (Peak Hold) 30 weitergeleitet wird. Der Analog/Digital-Wandler steuert eine LED-Siebensegment-Anzeige an, die nicht kontinuierlich leuchtet, sondern mittels eines impulses nur an einem konstanten Ort der Umlaufbahn anzeigt, also „aufblitzt". Dieser Ort kann durch Verdrehen der Magnetscheibe 14 frei gewählt werden, da an dieser Scheibe der Schaltnocken 16 zur Erzeugung des Impulses angebracht ist. Durch das Aufblitzen der LED-Anzeige an nur einem konstanten Ort der sich drehenden Kupplung entsteht - obwohl sich die LED-Anzeige mit der Kupplung dreht, bei höheren Drehzahlen ein stehendes Bild an dem konstanten Ort - wie dies allgemein von Filmprojektoren oder aber sonstigem Bildaufbau bekannt ist.
Dieses - für das menschliche Auge aufgrund dessen langsamer Reaktion - stehende Bild erlaubt das Ablesen des ermittelten Meßwertes auf der LED-Anzeige. Um zu verhindern, daß durch eine ständig wechselnde Anzeige die Ablesbarkeit erschwert oder sogar unmöglich wird, kann der Analog/Digital-Wandler mit einem Spitzenwertspeicher 30 (Peak Hold) ausgestattet sein, der in einer definierten Zeit den gemessenen Spitzenwert über eine längere Zeit konstant ausgibt. Somit ist es auch möglich, auftretende Spitzendrehmomente bei bestimmten Betriebszustän- den zu ermitteln.
So kann erfindungsgemäß eine Messung des Verhaltens eines Antriebs ermöglicht werden, ohne aufwendige externe Stromversorgung, teure elektronische Verarbeitung oder verschleißanfällige Übertragungsvorrichtungen.
Ferner ist es auch möglich, in dieser Anordnung weitere Meßfühler - bspw. Temperaturfühler, die mit dem rotierenden Teil umlaufen, zu integrieren, wodurch dann das thermische Verhalten des rotierenden Elements dargestellt werden kann - bspw. durch eine weitere LED-Anzeige.
Obwohl die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert wurde, ist sie keineswegs auf dieses beschränkt, sondern bezieht sich auch auf die dem Fachmann geläufigen Abwandlungen, wie sie durch den Schutzbereich der Ansprüche definiert sind.
Bezugszeichenliste
10 Kupplung
12
14 Magnetscheibe
16 metallischer Schaltnocken
18 festzustellender Haltestift
20 mitdrehende Generatorspulen zur Stromversorgung
22 Näherungsinitiator zur Erzeugung des Stroboskopimpulses
24 Meßwertausgabe/Anzeige
26 Brückenverstärker
28 Impulsaufbereitung für Stroboskopimpuls
30 A/D-Wandler mit Peak-Hold
32 DMS-Vollbrücke

Claims

Patentansprüche
1. Meßanordnung für sich drehende Elemente, gekennzeichnet durch:
- einen an einem sich drehenden Element (10) befestigten Generator mit:
- einer feststellbaren Magnetscheibe (14)
- einem am sich drehenden Element (10) befestigten, mit diesem umlaufenden Generatorspulenring (20), der neben der Magnetscheibe (14) dreht,
- einen Schaltkreis zur Verarbeitung der vom Generator erzeugten Spannung, und
- mindestens eine mit dem sich drehenden Element (10) mitdrehende oder mitoszillierende, vom Schaltkreis angesteuerte Anzeige (12).
2. Meßanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige (12) so angesteuert wird, daß sie nur an bestimmten Stellen der Bewegungsbahn des sich drehendes Element (10) kurzzeitig anzeigt, so daß für das menschliche Auge ein an dieser Stelle stehendes Bild entsteht.
3. Meßanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Meßfühler zur Messung physikalischer Größen, wie Drehmoment, Temperatur, Umdrehungsgeschwindigkeit, etc. in/an dem sich drehenden Element (10) aufweist, die dann im Schaltkreis verarbeitet und an eine Anzeige (12) übermittelt werden.
4. Meßanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis einen Spannungsregler aufweist.
5. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker vorgesehen ist, der das gemessene Signal verstärkt.
6. Meßanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine DMS-Vollbrücke, einen Brückenverstärker (26), der das Ausgangssignal der Brücke verstärkt und einen Analog/Digital- Wandler (30), der das verstärkte Signal digitalisiert, aufweist.
7. Meßanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spitzenwertspeicher nach dem A/D-Wandler (30) vorgesehen ist, der die Anzeige ansteuert.
8. Meßanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige eine LED-Anzeige ist.
9. Meßanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltnocken (16) an der Magnetscheibe (14) zur Erzeugung eines Anzeigeimpulses vorgesehen ist, so daß die Anzeige (12) nur beim Vorbeidrehen am Schaltnocken (16) angesteuert wird und stroboskopartig anzeigt.
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