Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Pa
tentanspruchs 1.The invention relates to a measuring device according to the preamble of Pa
claim 1.
Solche Meßeinrichtungen kommen dort zur Anwendung, wo die Größe der Linear-
und/oder Winkelbewegungen von Vorrichtungen erfaßt werden soll. Es sind bereits
eine Vielzahl von Einrichtungen in From von Drehgebern und Lineargebern bekannt.
Die Messungen erfolgen elektrisch, optisch oder mittels Ultraschall. Die Einsatzmög
lichkeiten dieser Einrichtungen sind jedoch begrenzt. So sind elektrische Lineargeber
störanfällig bezüglich elektrischen Feldern. Optische Sensoren mit offenen
Lichtstrecken sind nicht wetterfest und störanfällig gegenüber Lichtquellen. Ultra
schallmeßvorrichtungen sind nicht hochauflösend genug und benötigen eine elektri
sche Energieversorgung der Sensoreinheit an der Meßstelle. So gibt es bis jetzt kei
ne Meßeinrichtung, mit der beispielsweise die Einfederungen von Schleifleisten von
Stromabnehmern elektrisch angetriebener Fahrzeuge optimal erfaßt werden kann.Such measuring devices are used where the size of the linear
and / or angular movements of devices to be detected. There are already
a variety of devices known from rotary encoders and linear encoders.
The measurements are carried out electrically, optically or by means of ultrasound. The operational poss
however, these facilities are limited. This is how electric linear encoders are
susceptible to electrical fields. Optical sensors with open ones
Light paths are not weatherproof and prone to interference from light sources. Ultra
Sound measuring devices are not high enough and require an electri
cal power supply of the sensor unit at the measuring point. So far there is no kei
ne measuring device with which, for example, the deflections of contact strips from
Current collectors of electrically powered vehicles can be optimally detected.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung der eingangs ge
nannten Art aufzuzeigen, bei der die Nachteile ausgeschlossen sind, die dem Stand
der Technik anhaften, und die zudem umfassende Einsatzmöglichkeiten bietet.The invention has for its object a measuring device of the beginning ge
named type, in which the disadvantages are excluded, which the state
adhere to the technology, and which also offers extensive applications.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of patent claim 1.
Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ist so ausgebildet, daß die Linear- und/oder
Winkelbewegungen einer Vorrichtung mechanisch an die Meßeinrichtung übertragen,
optisch erfaßt und in elektrische Signale umgesetzt werden. Die Größe der Signale
ist direkt proportional zu der Größe der Bewegungen. Die erfindungsgemäße
Meßeinrichtung ist so ausgebildet, daß sie eine Vielzahl von Anforderungen und
Randbedingungen, die teilweise oder immer bzw. auch gleichzeitig in einem Einsatz
bereich auftreten, problemlos erfüllen kann. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung
ist für den Einsatz in Bereichen geeignet, in denen analoge, hochauflösende Mes
sungen von Winkelsignalen und Wegsignalen mit sehr kleinen Auflösungen gefordert
sind. Die Übertragungstrecke der Meßsignale zwischen Meßeinrichtung und
Auswertungseinheit kann dabei mehr als 100 m betragen. Zwischenverstärker sind
nicht erforderlich. Eine galvanische Trennung zwischen Meßeinrichtung und Auswer
tungseinheit mit einer Durchschlagfestigkeit von 50 kV behindert die Messungen
nicht. Eine absolute Wetterfestigkeit gegenüber Schnee, Eis, Hagel, Feuchtigkeit und
UV-Strahlung ist gegeben. Das gleiche gilt auch für eine Temperaturbeständigkeit
zwischen -100°C und +80°C. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung hat Lang
zeitstabilität, da bei ihr keine Sensordrift auftritt. Sie ist zudem wasser- und vakuum
dicht und kann bei Bedarf von einem explosionsgeschützten Gehäuse umgeben wer
den. Die Meßeinrichtung ist absolut störungsunempfindlich gegenüber elektrischen
und magnetischen Feldern sowie optischen und akustischen Störungen. Zudem ist
sie korrosionsbeständig gegenüber Säuren und Laugen. Zudem ist sie gegenüber Er
schütterungen unempfindlich. Hieraus ergibt sich ein spezieller Anwendungsbereich
der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung für die Erfassung der Bewegungen von
Schleifleisten an Stromabnehmern elektrisch angetriebener Fahrzeuge.The measuring device according to the invention is designed so that the linear and / or
Mechanically transfer angular movements of a device to the measuring device,
optically detected and converted into electrical signals. The size of the signals
is directly proportional to the size of the movements. The invention
Measuring device is designed so that it has a variety of requirements and
Boundary conditions that are used partially or always or simultaneously at the same time
area occur, can easily meet. The measuring device according to the invention
is suitable for use in areas in which analog, high-resolution mes
solutions of angle signals and path signals with very small resolutions required
are. The transmission path of the measurement signals between the measuring device and
The evaluation unit can be more than 100 m. Repeaters are
not mandatory. A galvanic isolation between measuring device and ejector
unit with a dielectric strength of 50 kV impedes the measurements
Not. Absolute weather resistance to snow, ice, hail, moisture and
UV radiation is present. The same applies to temperature resistance
between -100 ° C and + 80 ° C. The measuring device according to the invention has Lang
time stability, since there is no sensor drift. It is also water and vacuum
tight and can be surrounded by an explosion-proof housing if necessary
the. The measuring device is absolutely insensitive to electrical interference
and magnetic fields as well as optical and acoustic interference. In addition is
they are corrosion-resistant to acids and alkalis. She is also opposite to Him
insensitive to vibrations. This results in a special area of application
the measuring device according to the invention for detecting the movements of
Contact strips on pantographs of electrically powered vehicles.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.Further inventive features are characterized in the dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher er
läutert.The invention is based on schematic drawings he he
purifies.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung im Schnitt, Fig. 1 shows a measuring device according to the invention in section;
Fig. 2 eine drehbare Scheibe mit aufgesetzter keilförmiger Blende, Fig. 2 is a rotatable disk having an attached wedge-shaped aperture,
Fig. 3 die Meßeinrichtung gemäß Fig. 1 in Verbindung mit einem Stromabnehmer.
Fig. 3 shows the measuring device of FIG. 1 in connection with a pantograph.
Die in Fig. 1 dargestellte Meßeinrichtung 1 umfaßt eine Sensoreinheit 2 mit zwei
Lichtleiterköpfen 3 und 4, zwei Lichtleitern 5 und 6 sowie eine drehbare Scheibe 7
(Fig. 2), auf der eine keilförmige Blende 8 installiert ist. Der Aufbau der verwendeten
Lichtleiterköpfe 3 und 4 und der Lichtleiter 5 und 6 ist bereits seit langem aus dem
Stand der Technik bekannt. Er wird deshalb hier nicht mehr näher erläutert. Die bei
den Lichtleiterköpfe 3 und 4 sind in einem definierten Abstand voneinander so ange
ordnet, daß ihre optischen Achsen in einer Ebene liegen und zwischen beiden ein
ringförmiger Spalt 9 ausgebildet werden kann. Jeder Lichtleiterkopf 3, 4 ist mit einem
der Lichtleiter 5, 6 verbunden. Die beiden Lichtleiterköpfe 3, 4 sind so angeordnet,
daß Licht, das aus einem der Lichtleiter 3, 4 austritt verlustfrei in den zweiten Lichtlei
ter 4, 3 geleitet wird. Das zweite Ende des Lichtleiters 5 ist an einen elektrooptischen
Wandler 10A anschlossen, während das zweite Ende des Lichtleiters 6 mit einem
optoelektrischen Wandler 10E verbunden ist. Beide Wandler 10A und 10E sind über
je eine elektrische Signalleitung 10R, 10S mit einer Auswerteeinheit 10 verbunden,
die vorzugsweise als Mikroprozessor ausgebildet ist. Von dem elektrooptischen
Wandler 10A wird Licht emittiert. Der Wandler 10A wird mit einem elektrischen Signal
der Auswerteeinheit 10 gesteuert. Das von den Wandler 10A ausgesendete Licht wird
über den Lichtleiter 5 dem Lichtleiterkopf 3 zugeführt. Die Lichtstrahlen, die entlang
der einzelnen Fasern (hier nicht dargestellt) des Lichtleiters 5 geführt werden, treten
parallel nebeneinander aus dem Lichtleiterkopf 3 aus und gelangen über den Lichtlei
terkopf 4 koaxial in die Fasern (hier nicht dargestellt) des Lichtleiters 6, die in dem
Lichtleiterkopf 4 enden. Die in Fig. 2 dargestellte Scheibe 7 ist drehbar gehaltert. Ihr
Drehachse 7D verläuft mittig durch die Scheibe 7. Sie ist senkrecht zur Längsachse
der Lichtleiterköpfe 3, 4 angeordnet. Wie Fig. 2 zeigt, ist die keilförmige Blende 8 auf
der Scheibe 7 installiert. Die keilförmige Blende 8 ist so geformt, daß sie sich über ei
nen definierten Bereich auf dem Rand der Scheibe 7 erstreckt. Die Abmessungen der
Scheibe 7 und ihr Positionierung in Bezug auf die beiden Lichtleiterköpfe 3 und 4 ist
so gewählt, das die Blende 8 durch den Spalt 9 senkrecht zum Strahlengang des
Lichts geführt werden kann. Die Drehachse der Scheibe 7 ist mechanisch mit einem
Hebel 12 verbunden, der aus dem Gehäuse 1G der Meßeinrichtung 1 heraus nach
außen geführt ist. Das zweite Ende dieses Hebels 12 kann mit einer Vorrichtung 100
verbunden werden, deren Linear- und/oder Winkelbewegungen gemessen werden
sollen. Mit der Meßeinrichtung 1 wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
die Größe der Einfederung von Schleifleisten 101 eines Stromabnehmers 100 erfaßt.
Der Hebel 12 ist mit dem Scheitelrohr 102 des Stromabnehmers 100 verbunden, der
mit den Schleifleisten 101 in Verbindung steht. Die Einfederungen der Schleifleisten
102 werden mechanisch auf den Hebel 12 übertragen. Der Hebel 12 wiederum be
wirkt eine Drehung der Scheibe 7. Die Größe dieser Drehung ist proportional zur
Größe der Einfederung der Schleifleisten 101. Je größer die Drehung der Scheibe 7
ist, um so kleiner ist die Menge des Lichts, die noch vom Lichtleiterkopf 3 zum Licht
leiterkopf 4 gelangt. Die Intensität des Lichts, das über den Lichtleiter 4 zum opto
elektrischen Wandler 10E zurückgeführt wird, wird mit der Intensität des Lichts vergli
chen, das von dem elektrooptischen Wandler 10A ausgesendet wird. Die Auswertung
erfolgt mit Hilfe der elektrischen Signale, welche die Auswerteeinheit 10 an den
Wandler 10A abgibt, bzw. vom Wandler 10E empfängt. Das daraus ermittelte Meßsi
gnal wird gespeichert und kann für die Steuerung der Vorrichtung 100 verwendet
werden. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung 1 ist so ausgebildet, daß die Auswer
teeinheit 10 in einer Entfernung von mehreren Metern beispielsweise innerhalb des
elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (hier nicht dargestellt) installiert werden kann, zu
dem der Stromabnehmer 100 gehört. Die ermittelte Information kann problemlos über
die Lichtleiter 5, 6 (hier nicht dargestellt) auch über eine große Entfernung übertragen
werden kann, ohne dabei von äußeren Störfaktoren verändert zu werden. Die
Meßeinrichtung 1 ist von in einem Gehäuse 1G umgeben, das vakuum- und wasser
dicht ausgebildet werden kann. Der Hebel 12 bildet die einzige Verbindung zwischen
der Meßeinrichtung 1 und der Vorrichtung 100. Er ist durch eine wasserdicht ausge
bildete Öffnung (hier nicht dargestellt) nach außen geführt.The measuring device 1 shown in Fig. 1 comprises a sensor unit 2 having two light guide heads 3 and 4, two optical fibers 5 and 6 as well as a rotatable disc 7 (Fig. 2) on which a wedge-shaped diaphragm 8 is installed. The structure of the light guide heads 3 and 4 and the light guides 5 and 6 used has long been known from the prior art. It is therefore not explained in more detail here. The at the light guide heads 3 and 4 are arranged at a defined distance from each other so that their optical axes lie in one plane and an annular gap 9 can be formed between the two. Each light guide head 3 , 4 is connected to one of the light guides 5 , 6 . The two light guide heads 3 , 4 are arranged so that light that emerges from one of the light guides 3 , 4 loss-free in the second Lichtlei ter 4 , 3 is passed. The second end of the light guide 5 is connected to an electro-optical converter 10 A, while the second end of the light guide 6 is connected to an opto-electrical converter 10 E. Both converters 10 A and 10 E are each connected via an electrical signal line 10 R, 10 S to an evaluation unit 10 , which is preferably designed as a microprocessor. Light is emitted from the electro-optical converter 10 A. The converter 10 A is controlled with an electrical signal from the evaluation unit 10 . The light emitted by the converter 10 A is fed to the light guide head 3 via the light guide 5 . The light rays, which are guided along the individual fibers (not shown here) of the light guide 5 , emerge from the light guide head 3 in parallel next to one another and arrive via the light guide head 4 coaxially into the fibers (not shown here) of the light guide 6 , which in the Fiber optic head 4 ends. The disc 7 shown in Fig. 2 is rotatably supported. Its axis of rotation 7 D runs centrally through the disk 7 . It is arranged perpendicular to the longitudinal axis of the light guide heads 3 , 4 . As shown in FIG. 2, the wedge-shaped aperture is installed on the disk 7 8. The wedge-shaped diaphragm 8 is shaped such that it extends over a defined area on the edge of the disk 7 . The dimensions of the pane 7 and its positioning in relation to the two light guide heads 3 and 4 are selected so that the diaphragm 8 can be guided through the gap 9 perpendicular to the beam path of the light. The axis of rotation of the disc 7 is mechanically connected to a lever 12 which is guided out of the housing 1 G of the measuring device 1 to the outside. The second end of this lever 12 can be connected to a device 100 , the linear and / or angular movements of which are to be measured. With the measuring device 1 , the size of the deflection of contact strips 101 of a current collector 100 is detected in the exemplary embodiment shown here. The lever 12 is connected to the top tube 102 of the current collector 100 , which is connected to the contact strips 101 . The deflections of the contact strips 102 are transferred mechanically to the lever 12 . The lever 12 in turn acts on a rotation of the disk 7 . The size of this rotation is proportional to the size of the deflection of the contact strips 101 . The greater the rotation of the disk 7 , the smaller the amount of light that still passes from the light guide head 3 to the light guide head 4 . The intensity of the light that is returned via the light guide 4 to the opto-electrical converter 10 E is compared with the intensity of the light that is emitted by the electro-optical converter 10 A. The evaluation is carried out with the aid of the electrical signals which the evaluation unit 10 emits to the converter 10 A or receives from the converter 10 E. The measurement signal determined therefrom is stored and can be used for controlling the device 100 . The measuring device 1 according to the invention is designed such that the evaluation unit 10 can be installed at a distance of several meters, for example within the electrically powered vehicle (not shown here) to which the pantograph 100 belongs. The determined information can easily be transmitted over the optical fiber 5 , 6 (not shown here) even over a large distance without being changed by external interference factors. The measuring device 1 is surrounded by in a housing 1 G, which can be made vacuum and water tight. The lever 12 forms the only connection between the measuring device 1 and the device 100 . It is led out through a watertight opening (not shown here).