DE1224956B - Anordnung zur Messung der Verdrehung rotierender Wellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIl

Deutsche Kl.: 42 k -1/04

Nummer: 1224 956

Aktenzeichen: D 44164IX b/42 k

Anmeldetag: 15. April 1964

Auslegetag: 15. September 1966

Bei Untersuchungen an rotierenden Maschinen muß als wichtige Größe immer wieder das von der untersuchten Maschine abgegebene oder aufgenommene Drehmoment gemessen werden. Ein bekanntes Mittel hierzu ist das Torsionsdynamometer, bei dem die Verdrehung eines Torsionsstabes ein Maß für das Drehmoment liefert.

Mit steigenden Drehzahlen nehmen jedoch die Schwierigkeiten beim Gebrauch mechanisch-stroboskopisch arbeitender Vorrichtungen zur Messung der Verdrehung rotierender Wellen mehr und mehr zu. In allen Fällen muß man schließlich auf den Gebrauch dieser Geräte verzichten und nimmt optische und elektronische Mittel zur Hilfe. Meist wird man sich für eine elektronische Anordnung entscheiden. Es stehen dann folgende Möglichkeiten zur Verfügung:

1. Messung der Zeitdifferenz zwischen zwei Impulsen. Diese werden auf magnetischem oder optisch-elektrischem Wege von der rotierenden Welle abgenommen, wobei die Impulsgeber an den Enden eines Wellenstückes angebracht sind, dessen Verdrehung gemessen werden soll. Die ZeitdiSerenz zwischen den beiden Impulsen ist zusammen mit der Drehzahl ein Maß für den Torsionswinkel. Der Nachteil des Verfahrens liegt darin, daß insbesondere bei hohen Drehzahlen die Zeitmeßgenauigkeit sehr hoch sein muß, und daß andererseits die Drehzahl in die Winkelmessung eingeht.

2. Messung der Verdrehung mittels Dehnungsmeßstreifen. Die Meßstreifen sind in einer Brückenschaltung auf die Meßstrecke (Torsionswelle) aufgeklebt. Es kommt nur ein Arbeiten mit Trägerfrequenzspeisung der Meßbrücke in Frage. Die Erregerspannung und die Meßspannung müssen entweder über Schleifringe oder rotierende Transformatoren zu- bzw. abgeführt werden. Schleifringe bringen unvermeidlich die bekannten Schwierigkeiten durch Ubergangswiderstände an den Schleifkontakten mit sich und sind bei hohen Drehzahlen nicht mehr anwendbar. Drehtransformatoren sind konstruktiv in vielen Anordnungen nur sehr schwer unterzubringen und lassen sich festigkeitsmäßig auch nicht bis zu den höchsten Drehzahlen beherrschen.

3. Messung der Phasenverschiebung zwischen zwei Wechselspannungen. An den Enden der Meßstrecke (Torsionsstab) sind hier je ein Wechselstromgenerator, an sich beliebiger Art, angebracht. Beim Auftreten einer Wellenverdrehung zwischen beiden Generatoren ändert sich die

Anordnung zur Messung der Verdrehung
rotierender Wellen

Anmelder:

Deutsche Versuchsanstalt für Luft- und

Raumfahrt e.V., Mülheim/Ruhr, Flughafen

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Bernhard Dittie, Porz-Wahn

*5 Phasenlage der beiden Spannungen zueinander. Sie kann als Maß für den Verdrehungswinkel eingesetzt werden. Durch die »Polzahl« der Generatoren läßt sich eine Winkelübersetzung mechanisch-elektrisch erzielen, die bereits große Phasenverschiebungen bei kleinen Torsionswinkeln ergibt. Geräte, die nach diesem Verfahren ausgelegt sind, weisen oft eine starke Drehzahlabhängigkeit der Anzeige auf.

4. Stroboskopische Ablesung einer rotierenden Skala durch Hochfrequenz-Blitzgeräte großer Lichtstärke. Auch hierbei werden elektronische Mittel zur Auslösung der Blitze zu Hilfe genommen. Schließlich erfordert das Blitzgerät selbst einen elektronischen Aufwand.

Ein Nachteil, der allen Verfahren mit Ausnahme der unter 2. und 4. beschriebenen anhaftet, ist die Unmöglichkeit, die Geräteanzeige, in welcher Form sie auch erfolgt, direkt in Abhängigkeit vom Drehmoment zu eichen, und es sind immer mindestens 2 Eichvorgänge notwendig: Abhängigkeit des Torsionswinkels vom Drehmoment und Abhängigkeit der Anzeige vom Drehwinkel.

Vorliegender Erfindung liegt der dringende Bedarf nach einem Torsionsmeßverfahren zugrunde, bei dem folgende Bedingungen erfüllt werden sollen:

1. Direkte statische Eichbarkeit der Anzeige in Drehmomentwerten.

2. Verwendbarkeit bis zu höchsten Drehzahlen.

3. Unabhängigkeit der Anzeige von der Drehzahl. 4. Keine Anwendung von Schleifkontakten.

5. Meßgenauigkeit möglichst besser als 1 °/o.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Verdrehung rotierender Wellen, insbesondere zur Bestimmung der von rotierenden Maschinen abgegebenen oder aufgenommenen Leistung, bei der als Meßelement ein Torsionsstab dient, an dessen Enden je ein Wechselspannungsgenerator angebracht ist, und

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die infolge des Drehmomentes auftretende Verschiebung der Phasenlage zwischen den von den beiden Wechselspannungsgeneratoren gelieferten Spannungen durch meßbares Verstellen eines der beiden Wechselspannungsgeneratoren nach der Nullabgleichsmethode mit Hilfe zweier von den Wechselspannungsgeneratoren gelieferten Impulsreihen - gemessen wird, die eine mit einem Anzeigegerät in Verbindung stehende elektronische Kippschaltung steuern. Diese Anordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige des Nullabgleich^ ein bistabiler Multivibrator als Frequenzteiler benutzt wird, dessen zwei Impulseingänge getrennt voneinander durch die beiden Impulsreihen gesteuert wer-den.

Anordnungen zur- Messung der Verdrehung rotierender Wellen mit HiKe von Kippschaltungen sind bekannt. Die Kippschaltungen dienen aber nicht, wie es bei dem erfindungsgemäßen Torsionsdynamometer der Fall ist, zur Indikation des Phasen-Nullabgleichs, sondern zur direkten Anzeige der Phasenlage. So ist z. B. zur Drehmomentanzeige eine Röhren-Mischschaltung bekannt,, .'die nur dann eine Ausgangsspannung liefert, wenn an den Steuergittern der Mischröhre gleichzeitig Signalspannungen gleicher Polarität anliegen. Es handelt sich also um eine Torschaltung bzw. ein Und-Gattef."Die Kippschaltung dient lediglich dazu, die von den Generatoren stammenden Impulse in Rechteckform zu bringen und ist dem Mischrohr vorgeschaltet. Im Gegensatz hierzu benutzt die vorliegende Erfindung einen bistabilen Multivibrator als Frequenzteiler zur Indikation der Phasengleichheit. Er wird nicht' mat Rechteckspannungen, sondern mit deren Differential, nämlich mit der jeweiligen positiven oder mit der negativen Flanke angesteuert. Es stellt sich eine stabile Indikation des Nullpunktes auch bei überlagerten Schwingungen selbsttätig ein.

Es ist auch bekannt, den bei sehr kleinen Drehmomenten bzw. Phasenverschiebungen der beiden Impulsreihen auftretenden Fehler durch Reststromanzeige unter Hinzufügen einer dritten Röhre zu kompensieren, die parallel zu einer der beiden in der Kippschaltung enthaltenen Röhren angesteuert wird, und deren Anodenstrom-Mittelwert zur anzeigenden Messung in einem- Instrument herangezogen wird.

Bei. einer ebenfalls bekannten Meßanordnung liegen zwei Impulsreihen verschiedener Frequenz an den beiden Eingängen der bistabilen Kippschaltung: Bei sehr kleiner Frequenzdifferenz kann der Zeiger eines Anzeigeinstrumentes der Schlupffrequenz folgen und durch Hin- und Herpendeln anzeigen, daß eine Synchronisation der Frequenzen bzw. Drehzahlen noch nicht erfolgt ist. Der Stillstand des Instrumentenzeigers zeigt die erfolgte Synchronisation an, wobei es an sich gleichgültig ist, an welcher Stelle der Skala der Zeiger steht. Es kommt hier nicht darauf an, eine Phasenverschiebung zu messen bzw. zu kompensieren, sondern eine Frequenzdifferenz zu Null zu machen. Abgesehen davon, daß die Problemstellung eine andere ist, soll auch die bistabile Schaltung hier nicht als Frequenzteiler wirken.

Bei den bisher bekannten Torsionsmeßanordnungen dienen die dort angewendeten Kippschaltungen nicht zur Indikation' des Phasen-Nullabgleichs, sondern durch Integration des Strom- bzw. Spannungs-Verlaufes an den Ausgängen der Schaltung zur direkten Anzeige der Phasenlage. Im Gegensatz hierzu wird bei dem erfindungsgemäßen Torsionsdynamometer die Eigenschaft des bistabilen Multivibrators ausgenutzt, daß im unmittelbaren Bereich des NuIlabgleichs dieser infolge seiner Umschaltträgheit die Ein- und Ausschaltimpulse nicht mehr voneinander trennt, sondern dann als Frequenzteilerstufe wirkt, wobei bei exaktem Nullabgleich seine Ausgangsspannung eine symmetrische Rechteckform annimmt und an dem nachgeschalteten Anzeigeinstrument demzufolge genau den halben Maximalausschlag hervorruft.

In Anlehnung an das Verfahren der Phasenwinkelmessung werden durch einen Nullpunktabgleich, der entweder auf rein mechanischem Wege oder durch eine Nachlaufsteuerung mit Fernanzeige der Stellung der Justierorgane erfolgt, sämtliche Ungenauigkeiten, die in der elektronischen Apparatur zusätzlich entstehen, eliminiert. Die Größe der Meßgenauigkeit ist dadurch auf die Güte der mechanischen Ausführung der Geber und Justierorgane zurückgeführt. Durch Anwendung von Wechselspannungsgeneratoren mit nichtbewickeltem Rotor können die umlaufenden Massen klein gehalten werden. Es kommen dafür in Frage: Zahnscheiben, Lochscheiben, Schlitzscheiben in Verbindung mit magnetischen oder fotoelektrischen Aufnehmern. Dadurch besteht praktisch keine Drehzahlbegrenzung mehr. Durch die Wahl der Nullpunktmethode ist an sich auch die Drehzahlabhängigkeit der Anzeige beseitigt. Um jedoch auch eine direkte Anzeige zur Betriebsüberwachung ohne automatischen Nullabgleich zu erreichen, wird von einer Amplitudenbegrenzung Gebrauch gemacht. Die von den^-Generatoren abgegebenen Spannungen werden in Rechteckspannungen konstanter, frequenzunabhängig ger Amplitude umgewandelt. .

Die Forderung nach direkter statischer Eichbarkeit wird weitgehend dadurch erfüllt, daß nach einem Eichvorgang, der den Verdrehungswinkel des Stabes in Abhängigkeit vom Drehmoment erfaßt, nur eine Justierung der zur Verschiebung der Spannungsaufnehmer vorgesehenen Mikrometerschrauben bei unbelastet laufendem Dynamometer erforderlich ist (Nullpunkteinstellung). Die Verschiebung der Spannungsaufnehmer (in dem weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel sind es zwei Fotozellen) erfolgt tangential zu den umlaufenden Lochreihen, so daß in die Eichung lediglich noch der Lochkreisdurchmesser und die Tangensfunktion eingehen. Nur für die Eichung bei der anzeigenden Meßmethode ist ein zweiter Vorgang erforderlich, der jedoch beliebig oft während des Betriebes des belasteten Dynamometers durchgeführt werden kann. Dieser Eichvorgang soll noch näher erläutert werden:

Beide Mikrometerschrauben befinden sich in Ruhestellung, das Anzeigemeßwerk zeigt dann bei laufendem Dynamometer einen der Verdrehung entsprechenden Wert an. Nun wird die bei Durchführung der Nullpunktmethode nicht betätigte Schraube so lange aus ihrer Ruhelage verdreht, bis Phasengleichheit eingestellt ist. Durch Verstellen der anderen (auch bei Durchführung der Nullpunktmethode betätigten) Mikrometerschraube wird nun eine Stabverdrehung simuliert, die auf die Anzeige dieselben Auswirkungen hat wie eine echte Verdrehung des Torsionsstabes. Es kann die Zugehörigkeit von Anzeige- und Verdrehwinkel aufgenommen werden.

Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels und mit Hilfe der A b b. 1 und 2 näher erläutert.

Abb. 1 stellt eine Torsionsdynamometer-Anordnung schematisch dar, und

Abb. 2 zeigt einige Impulsdiagramme, die zum Verständnis der Wirkungsweise, insbesondere der Multivibratorschaltung und der Anzeigeanordnung, beitragen sollen.

Als Meßstrecke dient eine Torsionswelle 1 (A b b. 1), die an beiden Enden je eine Lochscheibe 2 und 3 trägt. Zwischen den Scheiben befindet sich eine Lichtquelle 4, deren Licht über ein Linsensystem 5 und 6 durch die Öffnungen der rotierenden Scheiben auf zwei fotoelektrische Wandler 7 und 8 fällt. Diese sind in je einem Gehäuse untergebracht, das sich durch je eine Mikrometerschraube 9 und 10 spielfrei gegen den Druck einer Spiralfeder in tangentialer Richtung zur Lochreihe verschieben läßt. Diese Gehäuse können auch so angeordnet sein, daß sie sich auf einem Kreisbahnausschnitt (mit dem Lochkreisradius) verschieben lassen. Im ersten Falle entspricht die Verschiebung dem Tangens, im zweiten Falle dem Bogenmaß des Verdrehungswinkels am Torsionsstab.

Die am Eingangswiderstand der beiden folgenden Verstärker 11 und 12 anliegende, fotoelektrisch erzeugte Wechselspannung wird verstärkt und durch Amplitudenbegrenzer 13 und 14 in Rechteckspannung umgeformt. Die Rechtecke werden elektronisch differenziert und gleichgerichtet (15 und 16) und nur der positive bzw. negative Impuls weiter verwendet. In einer Phasenvergleichsschaltung 17, die aus einem bistabilen Multivibrator besteht, dessen beide Impulseingänge 23 und 24 gemäß der Erfindung getrennt voneinander durch die beiden Impulsreihen 1" und 2" (Abb. 2b) gesteuert werden, wobei der Multivibrator als Frequenzteiler wirkt, werden die Phasenlagen der beiden Impulsreihen verglichen und anzeigend gemessen. Die vorher erfolgte Umformung der Phasendifferenz in Rechteckspannungen, deren zeitliche Dauer der Phasenverschiebung proportional ist, hat dabei eine lineare Anzeige zur Folge, die beliebig oft in Abhängigkeit vom Verdrehungswinkel während des Betriebes nachgeeicht werden kann. Das ist möglich durch die Simulierung einer Verdrehung des Stabes durch Verschieben der Spannungsaufnehmer mit den Mikrometerschrauben. Als Anzeigegerät dient ein Drehspulinstrument 18. Zur Betriebskontrolle des Gerätes können die Impulse beider Impulsreihen in einer Addierschaltung 19 addiert und auf die Vertikal-Ablenkplatten eines Kathodenstrahlrohrs 20 gegeben werden. Von einer der beiden Impulsreihen wird die Frequenzteilerstufe 21 gesteuert, deren Ausgangsspannung in eine Sägezahnspannung umgeformt wird (22) und so die Horizontalablenkung des Strahls besorgt.

Die Messung erfolgt derart, daß an einer Mikrometerschraube (z. B. 8) die Phasenlage beider Spannungen auf Null abgeglichen wird. Die Verschiebung gegenüber der Ruhestellung dieser Mikrometerschraube ist direkt ein Maß für den Verdrehwinkel und damit für das Drehmoment. Beläßt man beide Mikrometerschrauben in ihrer Ruhelage, so ist der Zeigerausschlag des Drehspulinstrumentes 18 das Maß für das Drehmoment. Theoretisch wäre auch das Bild auf dem Kathodenstrahlrohr 20 zur Anzeige des Nullabgleichs heranzuziehen, weil ja die Impuls-Amplituden addiert werden. In der Praxis schwanken jedoch durch die von der laufenden Maschine hervorgerufenen Vibrationen die Impulse leicht in ihrer Lage zueinander. Infolge der natürlichen Trägheit des Anzeigeinstrumentes 18 ist aber der Nullabgleich mit. HiUe des Multivibrators und des Instruments erheb-' lieh leichter und genauer durchzuführen als mit Hilfe" des Schirmbildes auf dem Kathodenstrahlrohr.
Als Phasenvergleichsstufe wird ein bistabiler Multi-' vibrator eingesetzt und zur Anzeige des Phasen-Null- · abgleichs ein Wirkungswechseleffekt beim bistabilen' Multivibrator ausgenutzt. Diesen Effekt veranschaulichen die Diagramme der Abb. 2. Normalerweise

ίο (A b b. 2 a) wird der auch für die Messung der Phasendifferenz benutzte bistabile Multivibrator von der ersten Impulsreihe 1' eingeschaltet, von der zeitlich verschobenen zweiten Impulsreihe 2' wieder ausgeschaltet, wie bei 3' angedeutet. Wird nun die Zeit

is zwischen erstem und zweitem Impuls beim Abgleich auf Phasengleichheit zu Null (Abb. 2b), so nimmt der Multivibrator beide Impulse 1" und 2" derart wahr, als läge eine Impulsreihe parallel an beiden Eingängen des Multivibrators. Er wirkt dann nicht mehr als Wandler für eine proportionale Umformung der Phasenverschiebung in eine Anzeige am Drehspulinstrument, sondern als Frequenzteilerstufe und erzeugt eine symmetrische Rechteckspannung der halben Impulsfrequenz. Wenn man nun den einen fotoelektrischen Wandler über die Lage hinaus verschiebt, die Phasengleichheit bewirkt, so liefert der bistabile Multivibrator wieder eine Anzeigespannung für die Phasenlage. Betrachtet man einen vollen Abgleichvorgang, so wird folgendes geschehen:

Beide fotoelektrische Wandler 7 und 8 befinden sich in der Stellung, die bei unbelastetem Dynamometer Phasengleichheit bewirkt. Bei Belastung wird nun eine Phasenverschiebung zwischen beiden Impulsreihen 1' und 2' entsprechend dem Drehmoment vorliegen. Das Drehspulinstrument mißt den Mittelwert der Rechteckspannung 3' am Multivibratorausgang. Wird nun ein Wandler in Richtung der Stabverdrehung nachgeschoben, so nehmen Phasenverschiebung und Instrumentenanzeige ab. Bei Erreichen des Nullabgleichs würde das Instrument »Null« anzeigen, wenn nicht der oben beschriebene Effekt einträte. Wird der Wandler noch ein wenig weiter verschoben, so wird die Phasendifferenz zwischen den Impulsreihen leicht negativ, was aber gleichbedeutend mit einem Sprung zur praktisch maximal möglichen positiven Phasenverschiebung ist und damit zum maximalen Ausschlag am Drehspulinstrument führt. Kurz vor dem Nullabgleich zeigt also das Instrument fast Null an, kurz nach dem NuIlabgleich fast Vollausschlag. Bei exaktem Nullabgleich wirkt — wie beschrieben — der bistabile Multivibrator als Frequenzteiler und liefert eine symmetrische Rechteckspannung 3". Das Instrument zeigt dann halben Vollausschlag. Das Umschlagen im Bereich des Nullabgleichs von fast Null über halben zum vollen Ausschlag erfolgt nicht spontan, zwar in einem sehr kleinen Phasenwinkelbereich (also innerhalb einer sehr kleinen Zeitspanne), jedoch stetig. Man kann also von einem Umschlagbereich sprechen. Dieser ist abhängig von der Steilheit der steuernden Impulsflanken und von der endlichen Umschaltzeit des bistabilen Multivibrators.

Der Umschlag der Anzeige über die gesamte Skalenlänge hat eine hohe Genauigkeit für den NuIlabgleich zur Folge. Bereits mit einfachen Mitteln lassen sich sehr steile und kurze Impulse erzeugen, so daß sich auch schon mit geringem Aufwand Meßgenauigkeiten um 0,2% und besser erzielen lassen.

Je steller die Impulsflanken sind und je geringer die Umschaltträgheit des bistabilen Multivibrators ist, um so größer wird die Meßgenauigkeit.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden bei einem tragbaren technischen Aufwand sämtliche eingangs erwähnten Forderungen an ein Torsionsdynamometer erfüllt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung der Verdrehung rotierender Wellen, insbesondere zur Bestimmung der von rotierenden Maschinen abgegebenen oder aufgenommenen Leistung, bei der als Meßelement ein Torsionsstab dient, an dessen Enden je ein Wechselspannungsgenerator angebracht ist, und die infolge des Drehmomentes auftretende Verschiebung der Phasenlage zwischen den von den beiden Wechselspannungsgeneratoren gelieferten Spannungen durch meßbares Verstellen eines der beiden Wechselspannungsgeneratoren nach der Nullabgleichmethode mit Hilfe zweier von den. Wechselspannungsgeneratoren gelieferten Impulsreihen gemessen wird, die eine mit einem Anzeigegerät in Verbindung stehende elektronische Kippschaltung steuern, dadurch . gekennzeichnet, daß zur Anzeige des NuIlabgleichs ein bistabiler Multivibrator (17) als Frequenzteiler benutzt wird, dessen zwei Impulseingänge (23, 24) getrennt voneinander durch die beiden Impulsreihen (1", 2") gesteuert werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselspannungsgeneratoren vorzugsweise fotoelektrische Anordnungen benutzt werden (2, 5, 7 bzw. 3, 6, 8).

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Anzeigeinstrument ein Drehspulinstrument (Ϊ8) benutzt wird.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom bistabilen Multivibrator (17) gelieferte Ausgangsspannung zu einer automatisch geregelten Verstellung eines Wechselspannungsgenerators (7) bis zum Nullabgleich herangezogen wird.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung eines Wechselspannungsgenerators (J, A b b. 1) zum Zwecke des Nullabgleichs der Phasenlage

- durch Fernsteuerung mit Fernanzeige der geometrischen Zuordnungen erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 826 071, 881265,
535, 909 002;

»Elektronik«, 1963, Heft 9, S. 266 bis 268.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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