DE69105945T2 - Vorrichtung zur messung der axialbelastungen eines schaftes. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Zug- oder Druck-Axialbelastung eines Schaftes.
• Eine mögliche Anwendung für solche Vorrichtungen ist das Messen der Betätigungskräfte in dem Steuerschaft von bestimmten Ventilen. Die bekannten Vorrichtungen ermöglichen, diese Kraft direkt zu messen aufgrund der Dehnung oder der Kontraktion des Schafts oder aufgrund eines Betätigungsdrehmoments am Ausgang des Servomotors, der den Schaft steuert. Einige dieser Vorrichtungen sind zu empfindlich, um sich für alle vorsehbaren Betriebsbedingungen zu eignen, vor allem bei hoher Temperatur, unter Bestrahlung oder bei Auftreten von Stößen. Andere erfordern die Demontage von bestimmten Teilen des Ventils, was inkompatibel ist mit einer Messung während des Normalbetriebs. Es gibt auch noch Vorrichtungen, die das Messen der Kräfte mittels eines Parameters wie der Verschiebung der flexiblen Scheiben eines Lastbegrenzers ermöglichen. Man kann dann widerstandsfähige Sensoren wählen, die keine Demontage von Teilen erforderlich machen, jedoch ist diese auf indirekte Weise erzielte Genauigkeit unzureichend.
• Hauptgegenstand der Erfindung ist es, die Axialkräfte in dem Schaft direkt zu messen durch eine robuste Vorrichtung, die keine Demontage von Teilen des Ventils erfordert. Andererseits ist es wesentlich, daß diese Vorrichtung leicht montiert und demontiert werden kann, was nicht der Fall der für diese Art von Messung in einem anderen Zusammenhang häufig verwendeten Systeme mit Dehnungsmeßgeräten ist. Ein Dehnungsmeßgerät wird in GB-A- 2 168 498 beschrieben.
• Die Vorrichtung setzt sich in ihrer allgemeinsten Form zusammen aus zwei Ringen, jeder gebildet aus zwei Hälften, demontierbar zusammengebaut und auf dem Schaft festgeklemmt mittels einer inneren Kontaktfläche, wenigstens einem berührungsfreien Abstandssensor, befestigt an einem der Ringe, und einer Meßeinrichtung, die ermöglicht, den Abstand zwischen diesem Abstandssensor und dem anderen Ring zu messen. Der Abstandssensor ist materiell getrennt von dem anderen Ring, so daß zwischen den Ringen keine Kraft übertragen wird und diese somit an ihrem Platz auf dem Schaft bleiben, der ihre einzige Verbindungseinrichtung bildet.
• Vorzugsweise gibt es zwei Abstandssensoren, diametral entgegengesetzt auf den Ringen, um Meßfehler zu vermeiden, verursacht durch parasitäre Biegebeanspruchungen des Schafts. Eine Vereinfachung der Anwendung ergibt sich durch die Befestigung der Abstandssensoren an ein und derselben Hälfte des Rings, was impliziert, daß die Hälften des Rings ungleiche Maße aufweisen.
• Die vorgesehene Ausführung benutzt Abstandssensoren der magnetischen Art, die ein Feld aufbauen, das sich in einem magnetischen Ziel schließt. Genauer, ein Abstandssensor umfaßt einen Ferritblock, der eine Erregerspule enthält sowie eine weitere magnetische Spule zum Messen, und sendet ein Feld aus auf ein Ziel, gebildet durch ein gegenüberstehendes magnetisches Teil.
• Die Verläßlichkeit der Messungen ist größer, wenn die Ringe einen Innenbund aufweisen, der sich auf dem Schaft abstützt, vorzugsweise auf einem zum anderen Ring entgegengesetzten Teil, um eine höhere Empfindlichkeit zu erhalten.
• Schließlich kann die Vorrichtung ein Montageteil umfassen, das ebenso wie eine Hälfte jedes Rings versehen ist mit demontierbaren Einrichtungen zur gegenseitigen Verbindung und Einrichtungen zur gegenseitigen Positionierung.
• Dadurch ist gewährleistet, daß die Ringe im Moment der Montage mit einem gleichförmigen Abstand voneinander angeordnet sind.
• Die Erfindung wird nun mehr im Detail beschrieben anhand der folgenden beigefügten, beispielhaften und nicht einschränkenden Figuren, die eine bevorzugte Ausführung der Erfindung beschreiben:
• - die Figur 1 ist eine Ansicht der Vorrichtung in montiertem Zustand entsprechend einem Diametralschnitt des Schafts;
• - die Figur 2 ist eine Unteransicht des oberen Rings;
• - die Figur 3 stellt die verwendeten Abstandssensoren im Detail dar;
• - die Figur 4 ist eine Radialansicht des Montageteils; und
• - die Figur 5 ist eine Draufsicht dieses Teils.
• Man mißt die Axialbeanspruchung eines Schaftes 1, der bei der vorgesehenen Anwendung zu einem Ventil gehört und der einen Verschluß 2 steuert, der an einem seiner Enden befestigt ist. Die Steuerung wird ausgeführt durch einen Servomotor 3 am anderen Ende der Stange 1. Es handelt sich darum, periodisch zu überprüfen, ob der Servomotor 3 auf den Schaft 1 ausreichend große Axialkräfte ausüben kann, um den Verschluß 2 bewegen zu können, vor allem gegen die Reibungen und die Druckkräfte des Fluids, dessen Abfluß der Verschluß ändert. Bei solchen Geräten gibt es normalerweise einen Zwischenraum zwischen einem Gestell mit einer Stopfbuchse 4, auf dessen anderer Seite sich der Verschluß 2 befindet, und einem Ventilhaltebügel 5, auf dessen anderer Seite sich der Servomotor 3 befindet. Der Schaft 1 ist in diesem Zwischenraum nackt. Hier bringt man die Vorrichtung an.
• Diese setzt sich zusammen aus einem oberen Ring 10, getrennt von einem unteren Ring 11 durch einen Luftspalt 12. Bis auf einige Details sind die Ringe 10 und 11 gleich und symetrisch angeordnet beiderseits des Luftspalts 12. Jeder von ihnen umfaßt auf seiner Außenfläche eine Vertiefung 13 mit trapezförmigem Querschnitt und auf seiner Innenfläche einen Kragen 14 zum Klemmen auf einem beliebigen Teil des Schafts 1, der vollkommen glatt ist. Der Kragen 14 jedes Rings 10 oder 11 ist entgegengesetzt zum anderen Ring 10 oder 11 angebracht, so daß die durch die Krägen 14 begrenzte Länge des Schafts 1, dessen Dehnung man mißt, so groß wie möglich ist. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Höhe der Krägen 14 klein ist, um während der Dehnung oder der Kontraktion des Schafts 1 jedes Rutschen zu vermeiden. Jedoch muß jedes Markieren des Schafts durch zu große Berührungsdrücke vermieden werden. Daher kann man für die Krägen 14 eine Höhe etwas kleiner als 1 mm empfehlen.
• Die Vorrichtung ist versehen mit zwei gleichen Sensoren 15. Jeder dieser Sensoren ist am oberen Ring 10 befestigt. Für den Fall, daß das den unteren Ring 11 bildende Material nicht magnetisch sein sollte, ist an diesem Ring ein Ziel aus magnetischem Material befestigt. Jeder Sensor 15 befindet sich am Luftspalt 12 und steht dem entsprechenden Ziel 17 gegenüber.
• In der Figur 2, die nur den oberen Ring 10 darstellt, sieht man, daß dieser gebildet wird durch zwei ungleiche Hälften 18 und 19. Die größere Hälfte, Trägerhälfte 18 genannt, erstreckt sich über etwas mehr als die Hälfte des Umfangs und trägt die beiden Sensoren 15, die sich somit in bezug auf den Schaft 1 diametral gegenüberstehen mit einer guten Genauigkeit, auch dann, wenn der Zusammenbau der beiden Ringhälften 18 und 19 nicht vollkommen ist. Dieser Zusammenbau erfolgt durch zwei Schrauben 20. Dazu wird die kleinere Hälfte oder Anflanschhälfte 19 mit zwei parallelen und tangentialen Gewindelöchern 21 versehen, auf beiden Seiten des Innenkragens 14, und die Trägerhälfte 18 ist versehen mit zwei Bohrungen mit Senkungen für Zylinderkopfschrauben, die sich bei der Montage vor den Gewindelöchern 21 befinden. Dann werden die Schrauben 20 in die angesenkten Bohrungen 22 eingeführt und in die Gewindelöcher 21 geschraubt, bis die Schraubenköpfe anschlagen am Boden der Senkungen. Vorteilhafterweise verwendet man sogenannte "unverlierbare" Schrauben, die dann einen nichtgewindeten Teil umfassen, mit dünnerem Querschnitt direkt unter den Köpfen 20. Die Bohrungen 22 sind an der Stelle, die diese nichtgewindeten Teile bei der Montage erreichen müssen, mit einigen Gewindegängen versehen. Wenn die beiden Hälften 18 und 19 nicht zusammengebaut sind, kommt die Spitze bzw. das obere Ende der Gewinde der Schrauben 20, an der Grenze zum dünneren Querschnitts, zum Anschlag an diesen wenigen Gewindegängen der Bohrungen 22, was die Schrauben 20 daran hindert, herausgezogen zu werden aus der Trägerhälfte 18, es sei denn man schraubt sie heraus, was nur bewußt geschehen kann.
• Die Trägerhälfte 18 umfaßt außerdem ein radiales Gewindeloch 23, zentral und auf halber Höhe, dessen Funktion weiter unten beschrieben wird.
• Der untere Ring 11 ist genau gleich, ausgenommen das ferromagnetische Ziel 17, das er trägt.
• Nun werden mit Hilfe der Figur 3 die Sensoren 15 beschrieben. Die unteren Teile 17 sind kleine ferromagnetische Blöcke, die ein Ziel bilden. Die Sensoren 15 sind komplexer, denn sie umfassen, außer einem Ferritblock oder -topf 30, einen Primärkreis 31 und einen Sekundärkreis 32. Jeder dieser Kreise wird gebildet durch einen Draht, aufgewickelt zu einer Spule 33 oder 34, eingepaßt in den Topf 30. Der Primärkreis 31 ist an einen Oszillator 35 angeschlossen und an einen Spannungs-Strom-Umsetzer 36. Der Sekundärkreis 32 seinerseits ist angeschlossen an einen Verstärker und an ein Bandfilter 37, einen Demodulator 38 und an ein Bandfilter 39. Die Spule 33 des Primärkreises 31 erzeugt in dem Ferrittopf 30 ein Magnetfeld, dessen Linien sich in dem ferromagnetischen Block schließen, um Schleifen zu bilden. Die Charakteristika dieses Feldes hängen ab von der Dicke des Luftspalts und folglich von der Reluktanz der magnetischen Vorrichtung, und sie werden gemessen durch die Spule 34 des Sekundärkreises 32, die hineingetaucht ist.
• Wenn die Amplitude des Versorgungsstroms des Primärkreises 31 konstant ist, hängt die Ausgangsspannung des Sekundärkreises 32 ab von der Verlängerung des Schaftes 1 gemäß einer praktisch hyperbolischen Gesetzmäßigkeit. Es ist der aus den Elementen 37, 38 und 39 bestehende elektronische Kreis, der diese Spannung linearisiert und konditioniert.
• Die Figuren 4 und 5 zeigen eine halbkreisförmige Schale 40 für die Montage der Vorrichtung. Sie umfaßt auf ihrer Innenfläche zwei Vorsprünge 41 mit trapezförmigem Querschnitt, dazu bestimmt, in die Vertiefungen 13 der Trägerhälften 18 einzudringen, sowie in ihrer Mitte zwei Radialbohrungen 42, die in der Mitte der Vorsprünge 41 münden.
• Der Montage der Vorrichtung auf den Schaft 1 geht ein Schritt voraus, bei dem die Trägerhälften 18 der beiden Ringe 10 und 11 auf die Schale 40 geschraubt werden mittels Schrauben 43, eingeführt in die Bohrungen 42 und die Gewindelöcher 23, so daß die Vorsprünge 41 eindringen in die Vertiefungen 13 und die Trägerhälften 18 somit festgemacht sind. Diese Anordnung garantiert die Parallelität der Trägerhälften 18 mit einem wohldefinierten und unveränderlichen Abstand. Das Ganze wird dann angebracht am Schaft 1 und angedrückt, so daß die Innenkrägen 14 ihn berühren. Nun ist es möglich, die Anflanschhälften 19 nacheinander mit den Trägerhälften 18 zusammenzubauen. Die Ringe 10 und 11 sind nun solide am Schaft 1 befestigt und es ist möglich, die Schale 40 zu entfernen und mit den Messungen zu beginnen.
• Andere Konstruktionen der Vorrichtung sind möglich. Man kann insbesondere andere als magnetische Sensoren vorsehen: vor allem kapazitive, optische, mit Wirbelstrom oder mit Ultraschall. Solche Sensoren ermöglichen, wie die induktiven Sensoren, jede mechanische Verbindung zwischen den Ringen zu vermeiden, z.B. durch ein verfügbares, ein Dehnungsmeßgerät enthaltendes Element, das infolge einer schlechten Montage ungenau sein und die Verformungen des Aufbaus stören könnte aufgrund der Unsymetrie, die es in das System einführen würde.
• Die getrennten und auf einem glatten Schaft durch die Reibung einer Innenfläche festgeklemmten Ringe können an verschiedenen Stellen des Schafts leicht montiert und demontiert werden, um zu der bequemsten Messung zu gelangen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Messung der Axialbelastungen eines Schaftes (1), umfassend zwei Ringe (10, 11), jeder gebildet durch zwei Hälten (18, 19), zusammengebaut auf lösbare Weise und auf dem Schaft festgeklemmt mittels einer Kontakt-Innenfläche (14), wenigstens einen Aufnehmer (15), nur an einem der Ringe befestigt, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (31, 32), die ermöglicht, den Abstand (12) zwischen dem Aufnehmer und dem anderen Ring zu messen, wobei die Ringe nur über den Schaft miteinander verbunden sind.

2. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei auf dem Ring (10) diametral gegenüberliegende Aufnehmer (15) umfaßt.

3. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringhälften ungleiche Abmessungen aufweisen, wobei die an dem oberen Ring befestigten Aufnehmer an derselben Ringhälfte befestigt sind.

4. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringhälften miteinander verbunden sind durch Schrauben, deren Elastizität in Längsrichtung einen konstanten Halt der Ringe auf dem Schaft gewährleisten, wenn dieser sich dehnt oder schrumpft unter der Wirkung von Kräften, die auf ihn ausgeübt werden.

5. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer (15) kontaktfreie Linearbewegungsaufnehmer sind.

6. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer (15) vom induktiven, kapazitiven, optischen Typ und Wirbelstrom- oder auch Ultraschall- Typ sein können.

7. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (10, 11) einen Innenbund (14) aufweisen, der sich auf dem Schaft abstützt.

8. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbund (14) sich bei jeden Ring auf einem dem anderen Ring entgegengesetzten Teil befindet.

9. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Montageteil (40) umfaßt, wobei das Montageteil und eine Hälfte von jedem der Ringe versehen ist mit lösbaren Einrichtungen zur gegenseitigen Verbindung (42, 43, 23) und Einrichtungen zur gegenseitigen Positionierung (41, 13).

10. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Montageteil (40) Vorsprünge (41) mit trapezförmigem Querschnitt aufweist, die eindringen in die Vertiefungen (13) der Ringe.