DD248883A1 - ARRANGEMENT FOR TOUCHLESS SPEED AND ANGLE SPEED MEASUREMENT - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur beruehrungslosen Drehzahl- und Winkelgeschwindigkeitsmessung nach dem Prinzip eines optoelektronischen Wandlersystems und wird in einer bevorzugten Anwendung zur Messung des Fluiddurchsatzes von Hydraulikmotoren eingesetzt. Das Ziel der Erfindung hinsichtlich einer einfach sowie robust aufgebauten Messanordnung hoher Genauigkeit soll insbesondere durch eine zwangsgefuehrte Lichtuebertragung zwischen Sender und Empfaenger erreicht werden. Nach der Erfindung wird der Strahlengang zwischen Sender und Empfaenger ueber Lichtleitkabel gefuehrt, die an der mit Hell-Dunkel-Zonen versehenen Kreisscheibe unterbrochen und mit ihren Enden um einen die Dicke der Kreisscheibe geringfuegig uebersteigenden Abstand gegenuebergestellt sind. Fig. 1The invention relates to an arrangement for berührunglosen speed and angular velocity measurement according to the principle of an opto-electronic transducer system and is used in a preferred application for measuring the fluid flow rate of hydraulic motors. The aim of the invention with regard to a measuring arrangement of high accuracy which is simple and robust, is to be achieved, in particular, by means of positively guided light transmission between the transmitter and the receiver. According to the invention, the beam path between the transmitter and the receiver is guided via light guide cables which are interrupted at the circular disk provided with light-dark zones and are confronted with their ends by a distance slightly exceeding the thickness of the circular disk. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Drehzahl- und Winkelgeschwindigkeitsmessung nach dem Prinzip eines optoelektronischen Wandlersystems, das die Rotation der Welle von Motoren oder dgl. über die Unterbrechung eines kontinuierlichen oder definiert modulierten Lichtstrahls in eine elektrische Impulsfolge umsetzt. Durch eine Verknüpfung der Motorkennlinie und der Zahl der Impulse je Umdrehung der Motorwelle kann mit dieser Anordnung der Massenstrom durch Hydraulikmotoren gemessen werden.The invention relates to an arrangement for non-contact speed and angular velocity measurement according to the principle of an optoelectronic transducer system that converts the rotation of the shaft of motors or the like. Via the interruption of a continuous or defined modulated light beam into an electrical pulse train. By linking the motor characteristic and the number of pulses per revolution of the motor shaft can be measured by hydraulic motors with this arrangement, the mass flow.

Darüber hinaus ergeben sich mit dieser Anordnung Einsatzmöglichkeiten für die Fälle, in denen Drehbewegungen in Impulsfolgen umzusetzen sind.In addition, with this arrangement possible applications for the cases in which rotational movements are to be implemented in pulse trains.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es ist ein inkrementaler rotatorischer Geber bekannt, der als Lichtquelle eine Glühlampe und als Lichtempfänger eine Fotodiode bzw. einen Fototransistor benutzt. Zur Lichtunterbrechung wird eine entsprechend strukturierte Glasplatte verwendet. Die Strahlungsführung erfolgt über ein Linsensystem, das den Glühfaden der Lampe punktförmig auf dem Fotoempfänger abbildet. Ungünstig ist in dieser Anordnung die geringe Flexibilität hinsichtlich der Sektorform der Unterbrecherscheibe. Anpassungen sind mit Strahlungsverlusten über Blenden verbunden.An incremental rotary encoder is known which uses a light bulb as light source and a photodiode or phototransistor as light receiver. To interrupt the light, a correspondingly structured glass plate is used. The radiation guidance takes place via a lens system, which images the filament of the lamp in a punctiform manner on the photoreceptor. Unfavorable in this arrangement is the low flexibility with regard to the sector shape of the breaker disk. Adjustments are associated with radiation losses through diaphragms.

Günstiger ist dagegen die Anordnung in der DE-PS 2416113, in der spezielle Lichtempfänger mit einem rechteckigen Querschnitt verwendet werden. Die Verfügbarkeit derartiger Lichtempfänger ist jedoch begrenzt und mit erheblichen Kosten verbunden.Cheaper, however, is the arrangement in DE-PS 2416113, are used in the special light receiver with a rectangular cross-section. However, the availability of such light receivers is limited and associated with considerable costs.

Eine weitergehende Verbesserung ist in der DE-PS 2404081 gegeben, in der das Licht durch eine besondere Formgebung der Segmente der Unterbrecherscheibe mit einem Tastverhältnis der Hell-Dunkel-Zonen von 1 unterbrochen wird. Es fehlt jedoch eine entsprechende Anpassung der Form von Lichtsender und -empfänger, so daß das angestrebte Ziel der Gleichheit von HeII- und Dunkelzonen nur näherungsweise realisiert wird."A further improvement is given in DE-PS 2404081, in which the light is interrupted by a special shaping of the segments of the interrupter disc with a duty cycle of the light-dark zones of FIG. However, there is no corresponding adaptation of the form of light transmitter and receiver, so that the desired goal of equality of HeII and dark zones is only approximately realized. "

Lösungen, wie sie weiterhin in der DD-PS 151658 und der US-PS 41 72994 angegeben sind, haben den Nachteil eines hohen Aufwandes an optischen Bauteilen zu deren Justage.Solutions, as further indicated in DD-PS 151658 and US-PS 41 72994, have the disadvantage of a high cost of optical components for their adjustment.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in einer Anordnung zur berührungslosen Drehzahl- und Winkelgeschwindigkeitsmessung, die einfach sowie robust aufgebaut ist und darüber hinaus genaue Meßergebnisse ermöglicht.The object of the invention is an arrangement for non-contact speed and angular velocity measurement, which is simple and robust and also allows accurate measurement results.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch eine zwangsgeführte Lichtübertragung zwischen Sender und Empfänger das optische System vom mechanischen System weitestgehend unabhängig zu gestalten und damit eine große Variationsbreite für die geometrische Ausbildung der Anordnung, die Kodierbarkeit der Unterbrecherscheibe sowie die Geometrie von Lichtsender und Empfänger zu ermöglichen.The object of the invention is to make by a positively guided light transmission between the transmitter and receiver, the optical system from the mechanical system largely independent and thus to allow a wide range of variation for the geometric design of the arrangement, the codability of the interrupter disc and the geometry of light emitter and receiver ,

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an der Welle des Sensors eine lichtdurchlässige kreisförmige Scheibe befestigt ist, die mit einem Raster von axial verlaufenden Streifen versehen ist. Zahl und Form dieser Streifen sind in weiten Grenzen variierbar und unabhängig von der Geometrie der Lichtsender und -empfänger wählbar. Gleichzeitig können auf einer Scheibe mehrere Segmentreihen angeordnet werden, die unabhängig voneinander angeordnet und abgetastet werden. Als Lichtquelle sind sowohl Halbleiterbauelemente als auch Glühlampen einsetzbar.According to the invention the object is achieved in that on the shaft of the sensor, a translucent circular disc is fixed, which is provided with a grid of axially extending strips. The number and shape of these strips can be varied within wide limits and can be selected independently of the geometry of the light transmitters and receivers. At the same time, a plurality of rows of segments can be arranged on a disk, which are arranged and scanned independently of each other. As a light source both semiconductor devices and incandescent lamps can be used.

Die Lichtübertragung zwischen Senderund Empfänger wird mittels Lichtleitkabel vorgenommen, wobei für Anordnungen mit mehreren Segmentabschnitten auf einer Kreisscheibe nur eine Lichtquelle verwendet und durch Aufspaltung der Fasern des Lichtleitkabels jeder Segmentabschnitt gesondert ausgeleuchtet wird. Die Form der Segmente jedes Abschnittes ist unabhängig und frei wählbar.The light transmission between the transmitter and receiver is carried out by means of optical fiber, being used for arrangements with several segment sections on a circular disk, only one light source and separately illuminated by splitting the fibers of the optical fiber each segment section. The shape of the segments of each section is independent and freely selectable.

Im Bereich der Kreisscheibe sind die Lichtleitkabel unterbrochen und mit ihren Enden um einen die Dicke der Kreisscheibe geringfügig übersteigenden Abstand gegenübergestellt, wobei die Eingänge der empfängerseitigen Zweige der Lichtleitkabel jeweils in eine der Segmentform auf der Kreisscheibe angepaßte Gestalt fixiert sind. Die verbleibenden Enden dieser Lichtleitkabel weisen die Form der einzelnen Lichtempfänger auf, bei Anordnungen mit mehreren Segmentabschnitten ist jedem derselben ein Empfänger zugeordnet.In the area of the circular disk, the light-conducting cables are interrupted and their ends are juxtaposed by a distance slightly exceeding the thickness of the circular disk, the inputs of the receiver-side branches of the optical fiber cables being respectively fixed in a shape adapted to the circular shape on the circular disk. The remaining ends of these optical fibers are in the form of individual light receivers, in multi-segment assemblies, each receiver is associated with one receiver.

Lichtquelle und -empfänger können räumlich beliebig angeordnet und hinsichtlich ihrer Bauform unangepaßt verwendet werden. Die Formanpassung sowohl auf der Empfänger- bzw. Senderseite als auch auf beiden Seiten der Unterbrecherscheibe wird durch eine entsprechende Formgebung des Lichtleitkabels realisiert. Eine völlige räumliche Trennung von Sender bzw. Empfänger von der Unterbrecherscheibe ist ebenfalls möglich.Light source and receiver can be arranged spatially arbitrarily and used unadjusted in terms of their design. The shape adaptation both on the receiver or transmitter side as well as on both sides of the interrupter disc is realized by a corresponding shaping of the optical fiber cable. A complete spatial separation of the transmitter or receiver from the interrupter disc is also possible.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die zueinander versetzte Anordnung der verschiedenen Lichtübergänge in den einzelnen Hell-Dunkel-Zonen sowie die innere Ausbildung der Kreisscheibe, die in bevorzugter Ausführung aus zwei lichtdurchlässigen Einzelscheiben mit zwischengeklemmten Planfilm besteht.Advantageous embodiments of the invention relate to the staggered arrangement of the different light transitions in the individual light-dark zones and the internal formation of the circular disc, which consists in a preferred embodiment of two translucent individual discs with clamped plane film.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. In the drawing show:

Fig. 1: die Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung, ausgelegt für zwei Meßbereiche, Fig.2: einen Ausschnitt aus der Kreisscheibe mit drei verschiedenen Segmentgruppen und-formen sowie den zugehörigenFig. 1: the sectional view of an inventive arrangement designed for two measuring ranges, Figure 2: a section of the circular disc with three different segment groups and forms and the associated

Impulsgruppen, Fig. 3: eine schematische Darstellung der Lichtfortleitung zwischen Senderund Empfänger, dargestellt für die Kreisscheibenposition A-A nach Fig.2.Fig. 3: a schematic representation of the light propagation between transmitter and receiver, shown for the circular disk position A-A according to Fig.2.

Nach Fig. 1 ist die Antriebswelle 1 mit den Kugellagern 3 in dem als Spritzgußteil fertigbaren Gehäuseboden 2 gelagert. Die Verschlüsse 6 und 7 dienen der Kugellagerfixierung, dem mechanischen Schutz der optischen Anordnung und der Verhinderung des Eindringens von Staub und Flüssigkeiten in das Innere des Sensors. Die Verschlußkappe 7 trägt zusätzlich in diesem Beispiel zwei lichtdurchlässige Kreisscheiben 10, zwischen die ein fototechnischer Planfilm mitderSektorierung in Hell-Dunkel-Zonen geklemmt ist. Für den Fall des direkten Auftragens metallisierter Sektoren ist nur eine Kreisscheibe 10 notwendig. Das Licht wird im Sender 11 erzeugt und in den Lichtleitkabeln 12 weitergeleitet. Die Formanpassung an die Lichtunterbrechungsscheibe erfolgt in dem als Spritzgußteil fertigbaren Ring 8, der auch gleichzeitig der mechanischen Stabilität dient. Der Ring 5 erfüllt eine analoge Aufgabe auf der Lichtempfangsseite. Er enthält die Lichtleitkabel 13, die zusammen mit den lichtelektrischen Empfängern 14 im Ring 4 befestigt sind. Der Ring 4 dient der Formanpassung an die Empfänger 14 sowie der mechanischen Stabilisierung. Bei entsprechendem fertigungstechnischen Aufwand kann der Ring 4 auch entfallen, sofern Ring 5 den Notwendigkeiten entsprechend bearbeitet werden kann. Für diesen Fall muß im Ring 5 sowohl die Formung für die Lichtunterbrechungssektoren auf einer Seite erfolgen als auch die Anpassung und Halterung für die Lichtempfänger auf der Gegenseite. Der Sender 11 und die Lichtleitkabel 12 sind nur stilisiert angedeutet. Zusammen mit der Vorverstärker- und Impulsformelektronik sowie der Helligkeitsregelung der Lichtquelle bildet die oben beschriebene Anordnung einen kompakten Sensor, der von der Kappe 9 mechanisch und elektrisch geschützt wird.According to Fig. 1, the drive shaft 1 is mounted with the ball bearings 3 in the housing bottom 2, which can be manufactured as an injection-molded part. The shutters 6 and 7 are for ball bearing fixation, mechanical protection of the optical assembly, and prevention of dust and liquid intrusion into the interior of the sensor. The cap 7 additionally carries, in this example, two translucent circular disks 10, between which a phototechnical plane film with scanning in light-dark zones is clamped. In the case of direct application metallized sectors only a circular disc 10 is necessary. The light is generated in the transmitter 11 and forwarded in the optical cables 12. The shape adaptation to the light interrupting disk takes place in the ring 8, which can be manufactured as an injection-molded part, and at the same time serves for mechanical stability. The ring 5 performs an analogous task on the light receiving side. It contains the light guide cables 13, which are fastened together with the photoelectric receivers 14 in the ring 4. The ring 4 is used to match the shape of the receiver 14 and the mechanical stabilization. With appropriate manufacturing effort of the ring 4 can also be omitted, if ring 5 can be processed according to the needs. In this case, both the shaping for the light interruption sectors must be done on one side in the ring 5 as well as the adjustment and support for the light receiver on the opposite side. The transmitter 11 and the light guide 12 are indicated only stylized. Together with the preamplifier and pulse shape electronics as well as the brightness control of the light source, the arrangement described above forms a compact sensor which is mechanically and electrically protected by the cap 9.

Fig. 2 veranschaulicht, daß Form und Fläche der Hell-Dunkel-Zonen in weiten Grenzen variierbar sind. Realisiert ist diese Kreisscheibe 10 aus einem lichtdurchlässigen Material. Die Hell-Dunkel-Zonen werden durch einen fototechnischen Planfilm oder durch fotochemischen Metallauftrag bzw. -teilabbau realisiert. .Fig. 2 illustrates that the shape and area of the light-dark zones can be varied within wide limits. Realized this disc 10 is made of a translucent material. The light-dark zones are realized by a photo-technical plan film or by photochemical metal deposition or partial removal. ,

In Fig. 3 wird schließlich das Prinzip des Lichtwegesund der Verteilung der Strahlungsenergie hinsichtlich der Einzelabschnitte der Kreisscheibe 10 sowie die angedeutete Formanpassung mittels der Lichtleitkabel 12 und 13 verdeutlicht. Die vom Sender 11 ausgestrahlte Lichtenergie wird vom Lichtleitkanal 12 aufgenommen und nach dessen Aufspaltung in die Kabelstränge 12.1 bis 12.3 (allgemein 12.η mit η = 1 )-den Sektoren der Kreisscheibe 10 zugeleitet. Die Enden aller Kabelstränge 12.1 bis 12.3 sowie 13.1 bis 13.3 sind der Segmentform angepaßt. Unterbrochen wird der Lichtweg durch die Kreisscheibe 10, mit deren Hilfe eine Modulation des Lichtstrahls erreicht wird. Dieses modulierte Licht gelangt über die Lichtleitkabel 12 auf die fotoelektrischen Empfänger'14.In Fig. 3, finally, the principle of the light path and the distribution of the radiation energy with respect to the individual sections of the circular disc 10 and the indicated shape adaptation by means of the light guide cables 12 and 13 illustrates. The emitted by the transmitter 11 light energy is absorbed by Lichtleitkanal 12 and after splitting into the cable strands 12.1 to 12.3 (generally 12.η with η = 1) -the sectors of the circular disk 10 fed. The ends of all cable strands 12.1 to 12.3 and 13.1 to 13.3 are adapted to the segment shape. The light path is interrupted by the circular disk 10, with the help of which a modulation of the light beam is achieved. This modulated light passes via the light guide 12 on the photoelectric Empfänger'14.

Ein Vorteil dieser Lösung ist die große optische Flexibilität und Einfachheit hinsichtlich der Form von Lichtsender und -empfänger sowie ihrer räumlichen Anordnung, da der optische Weg bis zur Segmentscheibe bzw. von dieser zum Lichtempfänger durch Lichtleitkabel realisiert ist. Weiterhin ist von Vorteil, daß die Segmentform frei wählbar ist und auch bei mehreren Segmentgruppen mit einer einzigen Lichtquelle, die über das Lichtleitkabel eine Energieaufspaltung erfährt, gearbeitet werden kann.An advantage of this solution is the great optical flexibility and simplicity with regard to the shape of light emitter and receiver and their spatial arrangement, since the optical path to the segment disc or from this to the light receiver is realized by light guide. A further advantage is that the segment shape is freely selectable and even with multiple segment groups with a single light source, which undergoes an energy split over the optical fiber, can be worked.

Claims (6)

1. Anordnung zur berührungslosen Drehzahl- und Winkelgeschwindigkeitsmessung, bestehend aus einer lichtoptischen Anordnung, die lichtemittierende Sender und lichtempfindliche, mit einer Impulsauswerteeinrichtung verbundene Empfänger umfaßt sowie einer mit der Arbeitswelle oder dgl. umlaufenden, im Strahlengang befindlichen Kreisscheibe, die mehrere Bereiche kreisringförmig verteilte, den Strahlengang intermittierend freigebende Hell-Dunkel-Zonen aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß der Strahlengang zwischen Sender (11) und Empfänger (14) über Lichtleitkabel (12; 13) geführt ist, die an der Kreisscheibe (10) unterbrochen und mit ihren Enden um einen die Dicke der Kreisscheibe (10) geringfügig übersteigenden Abstand gegenübergestellt sind, wobei für alle Bereiche von Hell-Dunkel-Zonen ein gemeinsamer Sender (11) vorgeshen und das Lichtleitkabel (12) der Anzahl der Bereiche entsprechend aufgezweigt ist.1. Arrangement for non-contact speed and angular velocity measurement, consisting of a light-optical arrangement comprising light-emitting transmitter and photosensitive, connected to a pulse evaluation receiver and one with the working shaft or the like. Circumferential, located in the beam path circular disk, which distributed several areas circular, the Beam path has intermittently releasing light-dark zones, characterized in that the beam path between transmitter (11) and receiver (14) via optical fiber (12, 13) is guided, which is interrupted on the circular disc (10) and with its ends around a the thickness of the circular disc (10) are compared with slightly greater distance, wherein for all areas of light-dark zones, a common transmitter (11) vorgeshen and the light guide cable (12) is branched off the number of areas accordingly. 2. Anordnung zur berührungslosen Drehzahl- und Winkelgeschwindigkeitsmessung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Enden der Lichtleiter (12; 13) an der Kreisscheibe (10) der Form der Hell-Dunkel-Zonen und am Sender (11) sowie Empfänger (14) jeweils deren lichtführender Fläche angeaßt sind.2. Arrangement for non-contact speed and angular velocity measurement according to item 1, characterized in that the ends of the light guides (12, 13) on the circular disc (10) of the shape of the light-dark zones and the transmitter (11) and receiver (14 ) are respectively angeeaßt their light-guiding surface. 3. Anordnung zur berührungslosen Drehzahl- und Winkelgeschwindigkeitsmessung nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die gegenübergestellten Enden der Lichtleitkabel (12; 13) der einzelnen Heil-Dunkel-Zonen im Bereich der Kreisscheibe (10) radial und umfangbezogen versetzt angeordnet sind.3. Arrangement for non-contact speed and angular velocity measurement according to points 1 and 2, characterized in that the opposite ends of the light guide cables (12; 13) of the individual healing dark zones in the region of the circular disc (10) are arranged offset radially and circumferentially , 4. Anordnung zur berührungslosen Drehzahl- und Winkelgeschwindigkeitsmessung nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Kreisscheibe (10) aus zwei lichtdurchlässigen Einzelscheiben besteht, zwischen die ein Planfilm mit fototechnisch aufgebrachten Hell-Dunkel-Zonen geklemmt ist.4. Arrangement for non-contact speed and angular velocity measurement according to the points 1 to 3, characterized in that the circular disc (10) consists of two translucent individual discs, between which a plane film is clamped with photo-technically applied light-dark zones. 5. Anordnung zur berührungslosen Drehzahl- und Winkelgeschwindigkeitsmessung nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Kreisscheibe (10) aus einer lichtdurchlässigen Einzelscheibe besteht, deren eine Oberfläche metallisierte lichtundurchlässige Zonen enthält, die fotochemisch im Additiv- oder Subtraktivverfahren aufgebracht sind.5. Arrangement for non-contact speed and angular velocity measurement according to the points 1 to 3, characterized in that the circular disc (10) consists of a translucent single disc whose surface contains metallized opaque zones which are applied photochemically in the additive or subtractive process. 6. Anordnung zur berührungslosen Drehzahl- und Winkelgeschwindigkeitsmessung nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Kreisscheibe (10) aus lichtundurchlässigem Material besteht, in das die lichtdurchlässigen Heil-Zonen fotochemisch eingebracht sind.6. Arrangement for non-contact speed and angular velocity measurement according to the points 1 to 3, characterized in that the circular disc (10) consists of opaque material, in which the translucent healing zones are incorporated photochemically.