DE4328686C2 - Meßeinrichtung zur berührungslosen Drehzahlmessung von Laufrädern von Strömungsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur berührungslosen Drehzahlmes­ sung von Laufrädern von Strömungsmaschinen, insbesondere Laufräder von Ab­ gasturboladern von Brennkraftmaschinen, wobei die Strömungsmaschine zumin­ dest einen durch eine Rohrwand definierten axialen Strömungsweg aufweist, welcher mit einem Anschlussrohr strömungsverbindbar ist, wobei die Rohrwand in einem mit zumindest einer Laufschaufel des Laufrades in optischen Kontakt stehenden Aufnehmerbereich zumindest einen Wanddurchbruch aufweist und im Bereich des Wanddurchbruches ein optischer Sensorkopf an der Rohrwand befes­ tigt ist, welcher zumindest einen Lichtemitter und/oder zumindest einen Detektor aufweist, und wobei im Aufnehmerbereich außen an der Rohrwand ein Trägerrohr für den Sensorkopf vorgesehen ist, dessen Längsachse zu einer optischen Achse des Lichtemitters oder des Detektors parallel ist.

Zur Beurteilung des Ansprech- bzw. Druckverhaltens eines Abgasturboladers muss die Laderdrehzahl mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden.

In der MTZ Motortechnische Zeitschrift 53 (1992) wird auf Seite 10 eine Messein­ richtung zur Erfassung der Drehzahl eines Turboladers beschrieben, auf dessen Abgasturboladerwelle auf der Verdichterseite für die Dauer der Drehzahlmessung eine magnetisierte Mutter auf die Verdichterseite montiert wird. Diese magneti­ sierte Mutter erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, durch das eine Wechsel­ spannung in der Spule eines am Ansaugstutzens des Verdichtergehäuses mon­ tierten passiven Aufnehmers induziert wird, deren Frequenz proportional zur La­ derdrehzahl ist. Diese Messeinrichtung hat allerdings den Nachteil, dass der Tur­ bolader für die Messung zerlegt und mit der magnetisierten Mutter präpariert werden muss. Durch das bei Drehung der Welle auf die Mutter wirkende magne­ tische Wechselfeld kann es außerdem zu einem Lösen der Mutter mit beträchtli­ chen Folgeschäden kommen.

Die DE 34 01 858 C1 beschreibt eine Vorrichtung zur optoelektronischen Erfas­ sung der Drehzahl einer Welle eines Turboladers, wobei in einem Wanddurch­ bruch eine Hülse mit einem Lichtleiterbündel vorgesehen ist, über welches Licht auf eine reflektierende Fläche emittiert und das reflektierte Licht einem Detektor zugeführt wird. Die Lichtleiter sind dabei auf eine Sechskantmutter eines Lader­ rades gerichtet. Diese Messanordnung ist aber nur für bestimmte Konstruktionen von Laderrädern geeignet und bedingt optisch zugängliche Befestigungsschrau­ ben mit zumindest einer reflektierenden ebenen Mantelfläche. Eine nachträgliche Feineinstellung der Messeinrichtung ist nicht möglich. Um brauchbare Messer­ gebnisse zu erhalten, muss die Hülse mit den Lichtleitern weit in den Strö­ mungsweg eingeführt werden, was sich nachteilig auf die Strömung auswirkt.

Aus der DD 212 326 C ist ein Durchflussmessgerät bekannt, das die Menge des durchströmenden Mediums mittels eines Messrades quantifiziert, wobei im Auf­ nahmekörper des Flügelrades eine als Sender dienende Lichtemitterdiode einer­ seits und ein als Empfänger dienender Fototransistor andererseits so angeordnet sind, dass die Flügelstirnseiten als impulserzeugender Reflektor wirken. Licht­ emitterdiode und Fototransistor sind dabei in der Messradebene angeordnet, wo­ bei die Lichtstrahlen in einer Normalebene auf die Drehachse des Messrades aus­ gesendet und empfangen werden. Eine Verwendung der Flügelstirnseiten als im­ pulserzeugende Reflektoren ist nur bei abgeflachten Flügelspitzen möglich, was diese Methode für Drehzahlmessungen bei Laufrädern von Abgasturboladern ausschließt.

Weiters ist es bekannt, die durch die Restunwucht bei Rotation des Laufrades auftretenden Vibrationsschwingungen als Signal für die Drehzahlmessung durch einen piezoelektrisch-seismischen Sensor heranzuziehen. Bei Verwendung von schwingungsarmen Laufrädern oder bei Vorhandensein von größeren Fremd­ schwingungen ist eine eindeutige Feststellung eines Drehzahlimpulses allerdings nur mehr schwer möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und eine Messeinrichtung zur berührungslosen Drehzahlmessung von Laufrädern von Strö­ mungsmaschinen zu schaffen, die auf einfache und sichere Art und ohne Demontage der Strömungsmaschine eine genaue Erfassung der Drehzahl ermög­ licht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest eine optische Achse des Sensorkopfes in zumindest einer Stellung des Laufrades auf einen reflektie­ renden Laufschaufelbereich gerichtet ist, und dass zur Montage und Adaption des Sensorkopfes zwischen Trägerrohr und Sensorkopf eine, vorzugsweise als verrie­ gelbares Kugelgelenk ausgebildete Winkelverstelleinrichtung vorgesehen ist. Da­ bei wird ein durch den Lichtemitter ausgesandter Lichtimpuls an einer Verdichter­ radschaufel reflektiert, und durch den Detektor aufgefangen. Durch die Winkel­ verstelleinrichtung kann die Messeinrichtung an die Geometrie der Strömungs­ maschine angepasst werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der mindestens einen Wanddurchbruch auf­ weisende Aufnehmerbereich an der Rohrwand eines an das Gehäuse der Strö­ mungsmaschine axial anflanschbaren Anschlussrohres angeordnet ist. Dies er­ möglicht den raschen Aufbau der Messeinrichtung, ohne größere mechanische Veränderungen an der Strömungsmaschine durchführen zu müssen.

Eine optimale Geometrieanpassung kann besonders dadurch erreicht werden, dass zur axialen Positionierung des Sensorkopfes zwischen Trägerrohr und Sen­ sorkopf eine Längenverstelleinrichtung vorgesehen ist, welche vorzugsweise aus einer den Sensorkopf umgebenden Spannmutter besteht, die auf eine mit dem Trägerrohr starr oder drehbar verbundene Spannhülse aufgeschraubt ist.

In einer sehr kompakten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante ist vorgese­ hen, dass Lichtemitter und Detektor auf einem einzigen Sensorkopf angeordnet sind. Eine kostengünstige und genaue Messeinrichtung gemäß der Erfindung kann dadurch erhalten werden, dass zumindest ein im Infrarotbereich arbeiten­ der Lichtemitter und zumindest ein im Infrarotbereich arbeitender Detektor vor­ gesehen ist. Eine möglichst einfache Messeinrichtung lässt sich realisieren, wenn als Lichtemitter mindestens eine Leuchtdiode vorgesehen ist.

Um eindeutige Messsignale zu erhalten, ist es besonders bei höheren Drehzahlen vorteilhaft, dass zur Erzeugung eines reflektierenden Laufschaufelbereiches zu­ mindest eine Laufschaufel anpoliert ist.

Wird die Messeinrichtung zur Erfassung von Turboladerdrehzahlen verwendet, ist es vorteilhaft, dass der Aufnehmerbereich am Eingangsrohr des Verdichters an­ geordnet ist. Dadurch kann eine frühzeitige Verschmutzung des optischen Sen­ sorkopfes weitgehend vermieden werden.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Messeinrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine Detailansicht der Messeinrichtung aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht des Sensorkopfes aus der Richtung eines an der Laufschaufel reflektierten Lichtstrahles in vergrößerter Darstel­ lung,

Fig. 4 ein Prinzipbild des Messaufbaues der erfindungsgemäßen Mess­ einrichtung, Fig. 5 und 6 ein Beispiel eines durch die erfindungs­ gemäße Messeinrichtung aufgenommenen Drehzahlsignals.

In Fig. 1 ist ein Abgasturbolader 1 mit einem Verdichterteil 2 und einem Turbi­ nenteil 3 dargestellt, wobei das Laufrad 4 des Verdichters 2 über die Welle 5 mit dem Laufrad 6 der Turbine 3 starr verbunden ist. Das Gehäuse des Abgasturbo­ laders 1 trägt das Bezugszeichen 1'. Das Abgas gibt einen Teil seiner Abgas­ energie an das Turbinenlaufrad 6 ab, welches über die Welle 5 das Verdichterlaufrad 4 antreibt, welches wiederum die durch die Pfeile 9 symbolisierte Ansaugluft auf ein höheres Druck­ niveau bringt. Die Drehachse der Welle 5 ist mit 5' be­ zeichnet. Die Ansaugluft 9 tritt durch die Anschlußrohre 10 und 11 in den Verdichterteil 2 ein, passiert das Ver­ dichterlaufrad 4 und verläßt den Verdichter 2 über die Ver­ dichterspirale 2'. Der zum Verdichterlaufrad 4 führende axiale Strömungsweg 12 wird durch die Rohrwände 10', 11', sowie den Wänden 13' des rohrförmigen Anschlußstutzens 13 definiert. Wie in Fig. 2 ersichtlich ist, weist die Rohrwand 11' in einem Be­ reich des Anschlußrohres 11, welcher mit zumindest einer Lauf­ schaufel 4' des Laufrades 4 in optischem Kontakt steht - im folgenden als Aufnehmerbereich 14 bezeichnet - einen Wand­ durchbruch 15 mit einem mit der Rohrwand 11' verbundenen Trä­ gerrohr 27 auf, in welchem ein optischer Sensorkopf 16 ange­ ordnet ist, welcher zwei Lichtemitter 17 und einen Detektor 18 aufweist. Die Achse 27' des Trägerrohres 27 ist etwa zu einer der optischen Achsen 17" und 18" parallel. Die Lichtemitter 17 senden Infrarotstrahlen, in der Zeichnung durch die strich­ lierten Linien 17' angedeutet, in die Richtung einer Lauf­ schaufel 4'. An einer reflektierenden Fläche 4" der Lauf­ schaufel 4' wird der Infrarotstrahl 17' reflektiert und an den Sensorkopf 16 zurückgelenkt, wo der mit 18' bezeichnete re­ flektierte Infrarotstrahl vom Detektor 18 aufgefangen wird, welcher das Lichtsignal in ein elektrisches Signal umwandelt.

Der Sensorkopf 16 kann über eine aus einem Kugelgelenk 8' be­ stehende Winkelverstelleinrichtung 8 innerhalb eines Winkelbe­ reiches 30 gedreht werden. Durch Anziehen der Fest­ stellmutter 8" ist die gewählte Winkellage des Sensorkopfes 16 fixierbar. Zur axialen Positionierung des Sensorkopfes 16 ist weiters eine Längenverstelleinrichtung 7 vorgesehen, welche aus einer Spannhülse 7" und einer auf diese aufschraubbaren Spannmutter 7' besteht.

Fig. 3 zeigt einen Sensorkopf 16 aus der Sicht eines an der Laufschaufel 4 reflektierten Lichtstrahles 18'. Deutlich sind zwei Lichtemitter 17 zu erkennen, welche vorteilhafterweise im Infrarotbereich arbeitende Leuchtdioden sein können. Der re­ flektierte Strahl 18' trifft auf den Detektor 18 auf und er­ zeugt dabei ein elektrisches Meßsignal.

Das vom Sensor 16 abgegebene elektrische Signal wird durch die Sensorleitung 16' einer Signalaufbereitungseinrichtung 19, be­ stehend aus einem Verstärkerteil 20 und einem Filterteil 21, zugeführt und kann anschließend einer Anzeige- und Auswerte­ einheit 22, bestehend aus einem Frequenz/Spannungswandler 23 und einem Anzeigegerät 24, und/oder über einen Ana­ log/Digitalwandler 25 an eine Meßdatenerfassungseinrichtung 26 weitergeleitet werden. Dies ist in Fig. 4 schematisch darge­ stellt.

Fig. 5 zeigt ein durch die erfindungsgemäße Meßeinrichtung aufgenommenes Drehzahlmeßsignal 28 in einem Diagramm in wel­ chem die Sensorspannung U₁ über der Zeit t aufgetragen ist. Die vom Sensor 16 gelieferte Spannung U₁ ist dabei noch in ei­ nem nicht aufbereiteten Zustand. Nach Verstärkung, Filterung und Triggerung erhält man die in Fig. 5 dargestellten Dreh­ zahlimpulse 29, welche als Spannungsimpulse U₂ über der Zeit t aufgetragen sind.

Claims (9)

1. Messeinrichtung zur berührungslosen Drehzahlmessung von Laufrädern von Strömungsmaschinen, insbesondere Laufräder (4, 6) von Abgasturbola­ dern (1) von Brennkraftmaschinen, wobei die Strömungsmaschine zumin­ dest einen durch eine Rohrwand (11') definierten axialen Strömungsweg aufweist, welcher mit einem Anschlussrohr (10) strömungsverbindbar ist, wobei die Rohrwand (11') in einem mit zumindest einer Laufschaufel (4') des Laufrades (4) in optischem Kontakt stehenden Aufnehmerbereich (14) zumindest einen Wanddurchbruch (15) aufweist und im Bereich des Wand­ durchbruches (15) ein optischer Sensorkopf (16) an der Rohrwand (11') be­ festigt ist, welcher zumindest einen Lichtemitter (17) und/oder zumindest einen Detektor (18) aufweist, und wobei im Aufnehmerbereich (14) außen an der Rohrwand (11') ein Trägerrohr (27) für den Sensorkopf (16) vorge­ sehen ist, dessen Längsachse (27') zu einer optischen Achse (17", 18") des Lichtemitters (17) oder des Detektors (18) parallel ist, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zumindest eine optische Achse (17", 18") des Sensorkopfes (16) in zumindest einer Stellung des Laufrades (4) auf einen reflektierenden Laufschaufelbereich (4") gerichtet ist, und dass zur Montage und Adaption des Sensorkopfes (16) zwischen Trägerrohr (27) und Sensorkopf (16) eine Winkelverstelleinrichtung (8) vorgesehen ist.

2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der min­ destens einen Wanddurchbruch (15) aufweisende Aufnehmerbereich (14) an der Rohrwand (11') eines an das Gehäuse (1') der Strömungsmaschine (1) axial anflanschbaren Anschlussrohres (11) angeordnet ist.

3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Positionierung des Sensorkopfes (16) zwischen Trägerrohr (27) und Sensorkopf (16) eine Längenverstelleinrichtung (7) vorgesehen ist, welche vorzugsweise aus einer den Sensorkopf (16) umgebenden Spann­ mutter (7') besteht, die auf eine mit dem Trägerrohr (27) starr oder dreh­ bar verbundene Spannhülse (7") aufgeschraubt ist.

4. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass Lichtemitter (17) und Detektor (18) auf einem einzigen Sensorkopf (16) angeordnet sind.

5. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zumindest ein im Infrarotbereich arbeitender Lichtemit­ ter (17) und zumindest ein im Infrarotbereich arbeitender Detektor (18) vorgesehen ist.

6. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Lichtemitter (17) mindestens eine Leuchtdiode vorgese­ hen ist.

7. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Erzeugung eines reflektierenden Laufschaufelbereiches (4") zumindest eine Laufschaufel (4') anpoliert ist.

8. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur berührungslosen Drehzahlmessung von Laufrädern von Abgasturboladern, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Aufnehmerbereich (14) am Eingangsrohr (11) des Verdichters (2) angeordnet ist.

9. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Winkelverstelleinrichtung (8) als verriegelbares Kugelge­ lenk (8') ausgebildet ist.