DE2445866C3 - Elektrische Differenzdrehzahl-Meßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Differenzdrehzahlmeßeinrichtung für zwei koaxial zueinander angeordnete Drehglieder, bei der auf beiden Drehgliedern Marken angebracht sind und ein feststehender Meßfühler beim Auftreten von DrehzaHdifferenzen elektrische Impulse erzeugt, die in einem Zähler ausgewertet werden.

Solche Meßeinrichtungen werden zur Schlupfmessung an Reibungskupplungen sowie zur Positionsmessung an Verstellantrieben in einem umlaufenden System eingesetzt. Ein Anwendungsbeispiel für letzteres ist die Messung einer stellwertbezogenen Drehzahl eines in einem Pumpenläufer eingebauten Stellmotors für die Pumpschaufelverstellung.

Eine bekannte Einrichtung ermittelt die.Differenzdrehzahl aus dem Meßergebnis zweier Drehzahlen durch Differenzbildung. Sie benutzt dafür zwei berührungslose Drehzahlabtaster und einen Differenzzähler. Der eine Drehzahlabtaster zählt die Antriebsdrehzahl und ist am subtrahierenden Eingang des Differenzzählers angeschlossen. Der zweite Drehzahlabtaster zählt die Antriebsdrehzahl oder die Verstelldrehzahl im umlaufenden System, die der Antriebsdrehzahl überlagert ist. Er ist am addierenden Eingang des Differenzzählers angeschlossen. Der Zähler bildet die Differenz, die dem Schlupf oder Verstellweg entspricht. Die Vorteile dieser Meßeinrichtung liegen in der berührungslosen rückwirkungsfreien Meßweiterfassung, der hohen möglichen Auflösung des Meßwertes und dem festen Übertragungsmaßstab, der gegenüber Störgrößen wie Temperatur, Alterung, Verstärkungsänderung und Spannungsschwankung weitgehend unempfindlich ist. Dazu kommt noch die digitale Form des Meßwertes für eine vorteilhafte Auswertung.

Die bekannte Meßeinrichtung stellt allerdings hohe Anforderungen an den Differenzzähler. So muß selbst in Fällen, bei denen die Frequenz der Differenzdrehzahl niedrig ist, der Zähler immer auf die absolut mögliche

ίο Drehzahlfrequenz ausgelegt werden. Beispielsweise ergibt sich bei der Verstelldrehzahlmessung im umlaufenden System als Zählerauslegefrequenz die Summe der beiden absoluten Drehzahlfrequenzen. Außerdem ergibt sich ein ungünstiges Verhältnis zwischen den gemessenen Werten und dem darin enthaltenden interessierenden Wert. Dadurch wirken sich relativ kleine Meßfehler stark aus. Die hohen Zählfrequenzen erfordern in der Regel elektronische Zähler. Dadurch läßt sich der Vorteil der natürlichen Meßwertspeicherung elektromechanischer Zähler bei Stromausfall nicht nutzen. Die hohen Zählfrequenzen erfordern auch elektronische Drehzahlabtaster. Dadurch müssen Maßnahmen gegen Störspannungseinflüsse ergriffen werden. Die Messung benötigt zwei Zählkanäle. Dadurch entsteht eine weitere Forderung an den Zähler. Er muß ständig die beiden gleichzeitig ankommenden Zählinformationen, die eine subtrahierend und die andere addierend, fehlerfrei verarbeiten können. Auftretende Fehler akkumulieren sich.

Des weiteren ist eine elektrische Differenzdrehzahl-Meßeinrichtung bekannt (DE-PS 12 22 291), bei der das Differenzdrehzahlsignal optisch gebildet wird. Ein allseitig einfallender Lichteinfall wird durch zwei Trommellochblenden gesteuert und im Zentrum optoelektrisch erfaßt.

Das optoelektrische Signal muß jedoch verstärkt werden. Es können Störspannungen auftreten. Eine Lichtquelle ist erforderlich. Sie darf nicht versagen. Bei lichtdämmenden Medien, wie z. B. Öl oder bei Verschmutzungsgefahr, kann die Einrichtung nicht eingesetzt werden. Der Schnittpunkt der Drehachse muß zur Aufnahme des optoelektrischen Elementes zur Verfügung stehen. Die Signalübertragung aus dem Schnittpunkt erfordert besondere konstruktive Maßnahmen. Dadurch ist die Einsatzmöglichkeit beschränkt. Schließlich ist eine Geräuschbildung durch die rotierenden Lochblenden zu erwarten.

Auch ist eine Einrichtung bekannt (DE-Gbm 72 18 746), bei der eine Lichtschranke mit dem einen Läufer umläuft und eine Zahnscheibe abtastet, die mit dem anderen Läufer verbunden ist. Das Differenzdrehzahlsignal entsteht jedoch im rotierenden System und muß über Schleifringe nach außen übertragen werden. Dadurch geht der zunächst erreichte Vorteil einer berührungslosen Drehzahlabtastung wieder verloren. Zwischen dem stationären und dem rotierenden Teil muß eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden. Es müssen Maßnahmen gegen eine Störspannungsbildung ergriffen werden. Reibungsverluste an

(Ό den Schleifringen erfordern Antriebsleistung und entwickeln Wärme. Durch eintretenden Verschleiß ist diese Einrichtung nicht wartungsfrei. Die Lichtschranke ist Fliehkräften ausgesetzt.

Ferner ist eine berührungslose magnetische Abiast-

⁶J einrichtung für elektrische Leistungsverbrauchszähler bekanntgeworden (FR-PS 21 72 879). Sie dient der Vorbeugung von Fehirr.;:sungen und vermeidet durch die Ausbildung einer M^netrrisrke rna^anetische Gc-

gendrehmomente. Sie besitzt jedoch keine Möglichkeit einer Differenzbildung zwischen zwei Drehzahlen. Eine weitere magnetische Abtasteinrichtung (DE-PS 8 91 371) besitzt zwar, über einen Frequenzgeber, eine unzulängliche Möglichkeit zur Differenzbildung zwischen zwei Drehzahlen. Bei ihr sind jedoch hierzu störanfällige Hilfsmittel nötig, die eine Differenzdrehzahlmessung verhindern, welche berührungslos einen im ruhenden System angeordneten Meßfühler allein in Abhängigkeit der Differenzdrehzahl beeinflußt, wie es als gelöste Aufgabe beim Anmeldungsgegenstand der Fall ist. So benötigt die bekannte Einrichtung insbesondere eine Erregung (Fig.!, Wicklung 2). Induktive Wicklungen sind aber vorzügliche Empfänger für Störfelder und Störfrequenzen. Bei Stromausfall versagt außerdem der Meßfühler, dessen Anordnung darüber hinaus zusätzlich nachteilig ist. Er muß nämlich vom ruhenden System aus beide Rotoren abtasten können und diese Notwendigkeit verhindert die Eignung des Frequenzgebers für eine Differenzdrehzahlmessung, wenn, wie in den meisten Fällen, nur ein Rotor vom ruhenden System aus zugänglich ist.

Es iat Aufgabe der Erfindung diese Nachteile zu vermeiden,d. h. eine Differenzdrehzahl-Meßeinrichtung zu schaffen, die berührungslos einen im ruhenden System angeordneten Meßfühler allein in Abhängigkeit der Differenzdrehzahl beeinflußt und die keil <; störanfälligen Hilfsmittel, wie zweiter Zählkanal, Lichtempfänger oder Schleifringe usw. benötigt.

Die Aufgabe wird bei der DifferenzdrehzahlmeOeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem einen Drehglied ein Permanentmagnet und auf dem anderen Drehglied eine zweiteilige ringförmige Leitvorrichtung mit Nasen angebracht ist und daß ein magnetfeldempfindlicher Meßfühler vorgesehen ist.

In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung ist dieser Magnet axial magnetisiert, die Teile der Leitvorrichtung sind zueinander in axialem Abstand und den Polen des Magneten radial außen gegenüberstehend und der Meßfühler ist radial außen zur Leitvorrichtung angeordnet. Des weiteren ist es alternativ denkbar, wenn der Magnet radial magnetisiert ist, die Teile der Leitvorrichtung in axialem Abstand dazu angeordnet sind und den Magneten U-förmig umgreifen und daß der Meßfühler in der Achse der Leitvorrichtung angeordnet ist. Eine Ausführung hierzu kann darin bestehen, daß der Magnet am Achsende des Motorläufers eines Verstellantriebes und die Leitvorrichtung am Spaltrohr des Pumpenläufers einer Pumpe mit Schaufelverstellung angeordnet ist.

Durch die ringförmige Ausbildung der Leitvorrichtung zum Abtaster hin bildet sich zunächst aus der Drehzahl der Leitvorrichtung kein Drehzahlsignal. Erst wenn sich die Marke und die Tastfläche der Leitvorrichtung gegeneinander verschieben, entsteht ein Signal. Es entspricht der relativen Drehzahlveränderung der beiden Läufer. Das Signal ist von den absoluten Drehzahlen unabhängig.

Der Stellbefehl für den Verstellantrieb bestimmt gleichzeitig die Zählrichtung, und der Zählrichtungsspeicher sorgt für die Beibehaltung der Zählrichtung beim Auslauf des Verstellmotors.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung hat folgende Vorteile. Sie benötigt für die Differenzwerterfassung nur noch einen Meßkanal. Der Zähler hat nicht mehr die Aufeabe der niffprenzhjldun·⁷ Es fpnixot (W Hip Schlupfmessung ein einfacher Ereigniszähler und für die numerische Positionsanzeige ein Zähler mit umschaltbarer Zählrichtung. Die geforderte Zählgeschwindigkeit ergibt sich nicht mehr aus der absoluten Drehfrequenz, sondern aus der Differenzfrequenz. Dadurch kommt man häufig mit einem elektromechanischen Zähler aus. Seine natürliche Speicherung des Meßwertes bei Stromausfall kann ausgenutzt werden. Schließlich sind die Anforderungen hinsichtlich Frequenz und Ver-

,o schleißfestigkeit an den Abtaster aus dem gleichen Grunde geringer. Das erlaubt in vielen Fällen die Benutzung eines Abtasters mit mechanischem Kontakt. Die damit erreichbaren hohen Meßströme sind gegenüber Störspannungen weitgehend unempfindlich.

An zwei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Differenzdrehzahlmeßeinrichtung am Beispiel einer Schlupfmessung zwischen zwei Läufern, die über eine Reibungskupplung verbunden sind;

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Differenzdrehzahlmeßeinrichtung zur numerischen Positionsanzeige einer in einem Pumpenläufer untergebrachten Schaufeiverstellvorrichtung.

In Fig. 1 und la sind ein Läufer 1 und ein I aufer 5 über eine Reibungskupplung verbunden. Bei Kupplungsverschleiß oder bei Überlastung der Antriebsseite entsteht ein Schlupf, der eine Differenz zwischen den beiden Läuferdrehzahlen verursacht. Zur Messung der Differenzdrehzahl ist auf dem Läufer 1 eine aus einem Dauermagneten bestehende Marke 2 angebracht. Am anderen Läufer 5 sind zwei aus weichmagnetischem Werkstoff bestehende ringförmige mit je einer Abtastnase 4a und 46 versehene Leitvorrichtungen 3a und 36 befestigt. Ihre Nasen 4a und 46 zeigen mit ihren Abtastflächen zur Marke hin. Durch die Anordnung tasten gleichzeitig die Abtasifläche der Nase \a den einen Pol und die Abtastfläche der Nase 46 den anderen Pol des die Marke 2 darstellenden Dauermagneten ab.

wenn die Marke 2 vor den Abtastflächen steht. Die Marke und die beiden Leitvorrichtungen sind durch geeignete Werkstoffe magnetisch von ihrer Umgebung isoliert. Zwischen den beiden Leitvorrichtungsringen bildet sich beim Passieren der Marke ein Magnetfeld aus, das den außen angeordneten Abtaster 6 beeinflußt. Der in dem Abtaster 6 eingebaute Reedkontakt schaltet die Stromquelle 7 an den Zähler 8, der die Schaltungen zählt. Wenn die Drehzahl der beiden Läufer gleich ist. ändert sich der Schaltzustand des Abtasters 6 nicht. Erst wenn durch eine Differenzdrehzahl eine Verschiebung der Marke zu den Nasen der Leitvorrichtungen einsetzt, ändert sich das Magnetfeld zwischen den Ringen und damit der Schaltzustand des Abtasters 6 entsprechend. Die Änderung der Schaltzustände wird gezählt und entspricht der Differenzdrehzahl. Der Abtaster 6 wird für höhere Differenzfrequenzen mit einem Hallgene^rator oder einem magnetempfindlichen Halbleiter ausgerüstet. Eine diametrale Anordnung des Magneten als Marke und die gegenseitige Versetzung der Nasen 4a und 46 um 180^c«q5 ergibt für die Signalbildung anstelle einer Feldänderung einen Polwechsel mit Nulldurchgane zwischen den Ringen der Leitvorrichtung.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 ist im Läufer einer Pumpe mit Schaufelverstellung ein Verstellantrieb untergebracht. Er treibt über eine Spindel eine verschiebbare Verstellmutter 9 an. Die Schaufeln der Pumpe sind mit der Verstellmutter 9 verbunden Sie lassen sich durch die ^erschicbun'⁷ der VersteurniMVsr 9

verstellen. Die Drehzahl des Verstellantriebes ist somit ein Maß für die Schaufellage.

Der Verstellantrieb besteht aus einem Motorläufer 10, aus einem Spaltrohr 11 und einem Stator 12 mit Feldwicklungen. Der Motorläufer 10 ist mit der Spindel verbunden. Das Spaltrohr U dichtet den Motorläuferraum ab und läuft mit dem Pumpenläufer um. Der Stator 12 mit den Feldwicklungen ist ruhend mit dem Pumpeneinlauf verbunden. Am Motorläufer 10 des Verstellantriebes ist als Drehzahlmarke ein Dauermagnet 13 mit diametral angeordneten Polen angebracht. Am unteren Ende des Spaltrohres 11 sind zwei ringförmige Leitvorrichtungen 14a und 146 aus ferritischen weichmagnetischen Werkstoffen befestigt, die mit der Drehzahl des Pumpenläufers umlaufen. Sie bilden gleichzeitig den Boden des Spaltrohres 11. Die Nasen 15a und 156 als Teile der Leitvorrichtungen 14a und 146 sind untereinander um 180° ==^1 versetzt angeordnet und zeigen mit ihren Abtastflächen zu den Polendes Magneten. Die Leitvorrichtungen 14aund 146 sind untereinander und gegenüber ihrer Umgebung magnetisch isoliert. Solange die Feldwicklungen des Stators 12 nicht erregt werden, läuft der Motorläufer 10 durch .-,cine Anordnung im Pumpenläufer mit der Drehzahl des Pumpenläufers um. Bei Erregung setzt sich der Motorläufer 10 mit seiner eigenen Drehzahl und Drehrichtung in Bewegung, die gegenüber der des Pumpenläufers abweicht. Es erfolgt dadurch die gewünschte Verstellung der Schaufellage. Gleichzeitig verschieben sich durch die Läuferverdrehungen die Magnetpole 13 gegenüber den Abtastflächen der Nasen 15a und 156.

ίο Zwischen den beiden ringförmigen Leitvorrichtungen 14a und 146 wechselt dementsprechend das Magnetfeld. In einem zwischen den beiden Leitvorrichtungen angeordneten niagnetfeldempfindlichen Abtaster 16 entsteht ein der Drehzahldifferenz entsprechendes

iS Signal, das über eine Zählrichtungsvorwahl 17 einen Vor- und Rückwärtszähler 18 für die numerische Positionsanzeige steuert. Die Stellbefehlseinrichtung für den Verstellantrieb ist mit einem Zählrichtungsschalter 19 verbunden. Der Zählrichtungsschalter 19 steuert die Zählrichtungsvorwahl 17, die gleichzeitig als Zählrichtungsspeicher durch eine Selbsthalteschaliung ausgebildet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Differenzdrehzahlmeßeinrichtung für zwei koaxial zueinander angeordnete Drehglieder, bei der auf beiden Drehgliedern Marken angebracht sind und ein feststehender Meßfühler beim Auftreten von Drehzahldifferenzen elektrische Impulse erzeugt, die in einem Zähler ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem einen Drehglied (1; 10) ein Permanentmagnet (2; 13) und auf dem anderen Drehglied (5; 11) eine zweiteilige ringförmige Leitvorrichtung (3a, 3b; 14a, Hb) mit Nasen (4a, Ab; 15a, \5b) angebracht ist und daß ein magnetfeldempfindlicher Meßfühler (6, 16) vorgesehen ist.

2. MeSeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) axial magnetisiert ist, daß die Teile (3a, 3b) der Leitvorrichtung zueinander in axialem Abstand und den Polen des Magneten radial außen gegenüberstehend und der Meßfühler (6) radial außen zur Leitvorrichtung angeordnet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (13) radial magnetisiert ist, die Teile (14a, Hb) der Leitvorrichtung in axialem Abstand dazu angeordnet sind und den Magneten U-förmig umgreifen und daß der Meßfühler (16) in der Achse der Leitvorrichtung angeordnet ist.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (13) am Achsende des Motorläufers (10) eines Verstellantriebes und die Leitvorrichtung am Spaltrohr (11) des Pumpenläufers einer Pumpe mit Schaufelverstellung angeordnet ist.