Verfahren und Einrichtung zur Messung der Verdrehung eines Wellenstückes während dessen Umlauf
Zur Bestimmung der Leistungsaufnahme oder -abgabe einer rotierenden Maschine ist die Kenntnis des von ihr aufgenommenen bzw. abgegebenen Drehmomentes erforderlich. Ein Weg zur Bestimmung dieses Drehmomentes besteht darin, dass die Verdrehung eines bestimmten Stückes der die Leitung übertragenden, auf Torsion beanspruchten Welle gemessen und daraus das Drehmoment berechnet wird. Zur Messung der Verdrehung ist der Unterschied des Drehwinkels zwischen den beiden Endquerschnitten des zur Drehmomentenbestimmung benützten rotierenden Wellen stückes auf eine feststehende Messeinrichtung zu übertragen.
Ein bekanntes Verfahren besteht darin, dass an den beiden Enden des Wellenstückes zwei Marken angebracht werden, die bei unverdrehtem Wellenstück in einer bestimmten Winkellage der Welle gleichzeitig ein Signal auf ein feststehendes Messgerät übertragen. Bei verdrehter Welle werden dann diese Signale mit einem gewissen zeitlichen Abstand auf das feste Messgerät übertragen, und eine Messung dieses Zeitunterschiedes erlaubt bei gleichzeitiger Kenntnis der Drehzahl der Welle den Verdrehungswinkel des auf Torsion beanspruchten Wellenstückes zu bestimmen.
Da aber die Verdrehwinkel solcher Wellenstücke stets relativ klein sind, erfordert dieses Verfahren, insbesondere wenn es sich um eine relativ rasch laufende Welle handelt, die Messung sehr kleiner Zeitunterschiede, was unter Umständen Schwierigkeiten bereiten kann.
Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil. Sie betrifft ein Verfahren zur Messung der Verdrehung eines Wellenstückes bei dessen Umlauf und besteht darin, dass von mit unterschiedlichem Winkelabstand an den beiden Enden des Wellenstückes angebrachten Impulserzeugern bei umlaufender Welle ausgehende Impulse durch feststehende Impulsempfänger aufgenommen werden und die durch die Relativdrehung der beiden Wellenenden gegeneinander hervorgerufene Lageverschiebung in der Koinzidenz der von den beiden Enden des Wellenstückes ausgehenden Impulse gemessen wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Diese Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Enden des umlaufenden Wellenstückes, dessen Verdrehung gemessen werden soll, je ein System von auf einem Kreise angeordneten, mit dem entsprechenden Ende des Wellenstückes umlaufenden Impulserzeugern vorgesehen ist, wobei die Impulserzeuger des einen Systems einen etwas geringeren Abstand voneinander haben als die Impulserzeuger des andern Systems, und dass ferner ein von feststehenden Impulsempfängern gesteuertes Messgerät vorgesehen ist, welches den Zeitunterschied misst zwischen dem Durchlauf jenes Impulserzeugers des einen Systems, der bei unverdrehter Welle mit einem Impulserzeuger des andern Systems koinzidiert, und dem Durchlauf jenes Impulserzeugers des ersten Systems,
der bei verdrehter Welle mit einem Impulserzeuger des andern Systems koinzidiert.
In Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens vereinfacht dargestellt. Fig. 2 zeigt ferner ein Diagramm für den zeitlichen Verlauf der auf die Impulsempfänger übertragenen Impulse.
Von einer im Sinne des eingetragenen Pfeils a umlaufenden Welle b ist ein Stück c von der Länge L für die Messung des übertragenen Drehmomentes M bestimmt. An den beiden Enden des Wellenstückes c sind Scheiben d1 und d2 mit Zahnkränzen e1 und e2 befestigt, so dass sie mit der Welle b umlaufen. Die Zähne f1 bzw. f2 der Zahnkränze e1 und e. bilden je ein System von auf einem Kreis angeordneten, elektromagnetisch wirkenden Impulserzeugern, indem sie beim Umlauf der Welle den Magnetfluss in feststehenden, als Impulsempfänger dienenden Induktionsspulen g1 bzw. g2 periodisch verändern.
Ist z1 bzw. Z2 die Anzahl der Zähne der beiden Zahnkränze e1 und eo, so ist die Winkelteilung, das heisst der Abstand zwischen den einzelnen Impulserzeugern #1 = 2 #/z1 bzw. #2 = 2 #/z2. Da für den Zahnkranz e2 eine etwas grössere Zähnezahl vorgesehen ist als für den Zahnkranz el, ist r1 grösser als z2.
Es wird angenommen, dass die mit 0 bezeichneten Zähne bei unverdrehtem Wellen stück c gleichzeitig bei den Impulsempfängern g1 und g2 vorbeigehen.
Die folgenden Zähne sind mit 1, 2, 3 usw. numeriert.
Ist nun das Wellenstück c infolge der Wirkung des Drehmomentes M um einen Winkel # verdreht, so trifft nicht mehr der Zahn 0 des Kranzes e1gleich- zeitig mit einem Zahn des Kranzes e2 auf den Impulsempfänger g, bzw. g2, sondern es ist dies erst für einen um einen Winkel < P1 = Q @ Tt/(T1 - #2) = qJ Z2 (Z2 - Z1) entfernten Zahn der Fall. Im gezeigten Beispiel ist dies der Zahn 6.
Zur Messung der Verdrehung des Wellenstückes c während dessen Umlauf wird nun so verfahren, dass die von den mit unterschiedlichem Winkelabstand T1 bzw. z, an den beiden Enden des Wellenstückes c angebrachten Impulserzeugern, das heisst von den Zähnen f1 bzw. f2 ausgehenden Impulse durch die feststehenden Impulsempfänger g1 bzw. g2 aufgenommen werden und die durch die Relativdrehung der beiden Enden des Wellenstückes c gegeneinander um den Winkel # hervorgerufene Lageverschiebung #1 in der Koinzidenz der von den beiden Enden des Wellenstückes c ausgehenden Impulse gemessen wird.
Zu diesem Zweck ist ein Zeitmessgerät h mit Zähler i vorgesehen, welches durch die Impulsempfänger g1 und g2 derart gesteuert wird, dass es über einen Anschluss A beim Durchlauf des Zahnes 0, also jenes Impulserzeugers des Zahnkranzes et, der bei unverdrehter Welle mit einem Impuls erzeuger, nämlich dem Zahn 0 des Zahnkranzes e2, koinzidiert, über den Impulsempfänger g1 in Gang gesetzt wird.
Dies kann durch eine besondere Ausbildung des Zahnes 0 des Kranzes et, z. B. eine Erhöhung, oder eventuell durch Vorsehen einer Zahnlücke, bewirkt werden. Es kann aber auch ein besonderer Impulsgeber und besonderer Impulsempfänger vorgesehen werden, welcher bei der entsprechenden Stellung des Zahnes 0 des Kranzes e1 die Ingangsetzung des Zeitmessgerätes h veranlasst.
Bei verdrehtem Wellenstück c lassen nun die Zahnfolgen J1 und f2 Impulse auf die Empfänger g1 und g2 ausgehen, deren zeitlicher Verlauf durch die beiden Wellenlinien m1 und m2 der Fig. 2 schematisch dargestellt ist.
Das Gerät h misst die Zeit, die von seiner Ingangsetzung bis zum Durchlauf des Zahnes 6 des Kranzes et, also bis zum Durchlauf jenes Impulserzeugers dieses Systems verstreicht, der bei verdrehter Welle mit einem Zahn des Kranzes e2, also mit einem Impulserzeuger des andern Systems, koinzidiert.
Dies wird gemäss Fig. 1 dadurch erreicht, dass eine Doppelgitter-Thyratron-Röhre k mit den beiden Gittern q1 und q, vorgesehen ist, welche mit den Impulsempfängern g1 bzw. g2 verbunden sind. Die Grösse der von den Impulsempfängern g1 und g2 ausgehenden Steuerspannungen ist so bemessen, dass die Röhre k nur zündet, wenn die Impulse zeitlich zusammenfallen oder nahezu zusammenfallen, das heisst, bei mindestens angenäherter Koinzidenz der Impulse der beiden Impulserzeugersysteme. In diesem Fall wird über einen Anschluss B des Zeitmessgerätes die Beendigung des Zeitmessvorganges veranlasst.
Bei Kenntnis der Drehgeschwindigkeit der Welle kann nun aus der gemessenen Zeit der Winkel 01 und daraus weiter der Verdrehwinkel # = #1 # (z2-z1)/z2 berechnet werden.
Das Zeitmessgerät h ist zweckmässig als Gerät für die Zählung der Anzahl von in der zu messenden Zeit ablaufenden Zeitintervallen vorgegebener Grösse gebaut. Es können hierbei beispielsweise die von einem der Impulserzeugersysteme ausgehenden Impulse selbst oder auch von einem geeichten Schwingungssystem ausgehende Impulse gezählt werden.
Das beschriebene Verfahren ergibt den Vorteil, dass statt des relativ kleinen Verdrehwinkefs # des Wellenstückes c bzw. der entsprechend kleinen Zeit der wesentlich grössere Winkel q=v1 bzw. die entsprechend grössere Zeit gemessen werden kann. Dieser Vorteil ergibt sich besonders dann, wenn die Zahl der Impulserzeuger des einen Systems sich von der Zahl der Impulserzeuger des andern Systems um nur eins unterscheidet, das heisst, wenn beim beschriebenen Beispiel der Unterschied der Zähnezahlen der beiden Zahnkränze Z2-Z1= 1 wäre. Dann wäre (P = çllZ2
Statt eines Zahnkranzes kann als Impulserzeugersystem beispielsweise auch ein umlaufendes Magnettonband und als Impulsempfänger ein feststehender Abnahmekopf vorgesehen werden.
Statt Impulserzeugersysteme mit elektromagnetischer Wirkung können auch solche anderer Art, z. B. mit optischer Wirkung, verwendet werden.
Das Messgerät h kann auch insbesondere so eingerichtet werden, dass es sowohl die Impulszahl pro Zeiteinheit und die Impulszahl im Bereich #1 misst und aus dem Produkt der beiden unmittelbar einen Wert bildet, der der von der Welle übertragenen Leistung proportional ist.
Method and device for measuring the rotation of a shaft section during its revolution
In order to determine the power consumption or output of a rotating machine, it is necessary to know the torque it absorbs or outputs. One way of determining this torque is to measure the twisting of a certain section of the torsion-loaded shaft that transmits the line, and from this the torque is calculated. To measure the rotation, the difference in the angle of rotation between the two end cross-sections of the rotating shaft piece used to determine the torque must be transferred to a stationary measuring device.
A well-known method consists in applying two marks to the two ends of the shaft section which, if the shaft section is not rotated, simultaneously transmit a signal to a stationary measuring device in a certain angular position of the shaft. If the shaft is twisted, these signals are then transmitted to the fixed measuring device at a certain time interval, and a measurement of this time difference allows the angle of twist of the part of the shaft under torsion to be determined while knowing the speed of the shaft.
However, since the angles of rotation of such shaft sections are always relatively small, this method requires the measurement of very small time differences, especially when it is a relatively fast-moving shaft, which can cause difficulties under certain circumstances.
The invention avoids this disadvantage. It relates to a method for measuring the rotation of a shaft section during its rotation and consists in the fact that impulses emanating from pulse generators attached at different angular distances to the two ends of the shaft section are received by stationary pulse receivers and those caused by the relative rotation of the two shaft ends against each other Shift in position in the coincidence of the pulses emanating from the two ends of the shaft section is measured.
The invention also relates to a device for performing this method. This device is characterized in that at the two ends of the rotating shaft piece, the rotation of which is to be measured, a system of pulse generators arranged on a circle and rotating with the corresponding end of the shaft piece is provided, with the pulse generator of one system being a somewhat smaller one Distance from each other than the impulse generators of the other system, and that a measuring device controlled by fixed impulse receivers is provided, which measures the time difference between the passage of that impulse generator of one system, which coincides with an impulse generator of the other system when the shaft is not rotated, and the passage that impulse generator of the first system,
which coincides with a pulse generator of the other system when the shaft is rotated.
In Fig. 1 of the accompanying drawing, an embodiment of a device for performing the method according to the invention is shown in simplified form. Fig. 2 also shows a diagram for the time course of the pulses transmitted to the pulse receiver.
A piece c of length L of a rotating shaft b in the sense of the entered arrow a is intended for the measurement of the transmitted torque M. At the two ends of the shaft piece c, disks d1 and d2 are attached with gear rings e1 and e2 so that they rotate with the shaft b. The teeth f1 and f2 of the ring gears e1 and e. each form a system of electromagnetically acting impulse generators arranged on a circle by periodically changing the magnetic flux in stationary induction coils g1 or g2 serving as impulse receivers as the shaft rotates.
If z1 or Z2 is the number of teeth of the two gear rims e1 and eo, then the angular division, i.e. the distance between the individual pulse generators, is # 1 = 2 # / z1 or # 2 = 2 # / z2. Since a slightly larger number of teeth is provided for the ring gear e2 than for the ring gear el, r1 is greater than z2.
It is assumed that the teeth marked 0 with the shaft piece c not twisted pass the pulse receivers g1 and g2 at the same time.
The following teeth are numbered 1, 2, 3, etc.
If the shaft piece c is now rotated by an angle # due to the effect of the torque M, the tooth 0 of the ring e1 no longer hits the pulse receiver g or g2 at the same time as a tooth of the ring e2, but this is only for a tooth removed by an angle <P1 = Q @ Tt / (T1 - # 2) = qJ Z2 (Z2 - Z1) is the case. In the example shown, this is tooth 6.
To measure the rotation of the shaft piece c during its rotation, the procedure is such that the impulses emanating from the impulse generators attached at different angular distances T1 and z to the two ends of the shaft piece c, i.e. from the teeth f1 and f2, are caused by the fixed pulse receiver g1 or g2 and the positional displacement # 1 caused by the relative rotation of the two ends of the shaft piece c against each other by the angle # is measured in the coincidence of the pulses emanating from the two ends of the shaft piece c.
For this purpose, a timing device h with counter i is provided, which is controlled by the pulse receivers g1 and g2 in such a way that it is connected to a connection A when tooth 0 passes through, i.e. that pulse generator of the ring gear et that generates a pulse when the shaft is not rotated , namely the tooth 0 of the ring gear e2, coincides, is set in motion via the pulse receiver g1.
This can be done by a special design of the tooth 0 of the wreath et, z. B. an increase, or possibly by providing a tooth gap. However, a special pulse generator and special pulse receiver can also be provided which, when the tooth 0 of the ring e1 is in the appropriate position, causes the timing device h to be started.
When the shaft piece c is rotated, the tooth sequences J1 and f2 now send out pulses to the receivers g1 and g2, the time course of which is shown schematically by the two wavy lines m1 and m2 in FIG.
The device h measures the time that elapses from its start-up to the passage of the tooth 6 of the ring et, i.e. until the passage of that impulse generator of this system, which with a twisted shaft with a tooth of the ring e2, i.e. with a pulse generator of the other system, coincides.
According to FIG. 1, this is achieved in that a double-grid thyratron tube k is provided with the two grids q1 and q, which are connected to the pulse receivers g1 and g2, respectively. The magnitude of the control voltages emanating from the pulse receivers g1 and g2 is such that the tube k only ignites when the pulses coincide or almost coincide, i.e. when the pulses of the two pulse generator systems are at least approximately coincident. In this case, the termination of the timing process is initiated via a connection B of the timing device.
If the rotational speed of the shaft is known, the angle 01 and from this the angle of rotation # = # 1 # (z2-z1) / z2 can now be calculated from the measured time.
The timing device h is expediently built as a device for counting the number of time intervals of a predetermined size that run off in the time to be measured. In this case, for example, the impulses emanating from one of the impulse generating systems themselves or also impulses emanating from a calibrated oscillation system can be counted.
The method described has the advantage that instead of the relatively small angle of rotation # of the shaft piece c or the correspondingly short time, the significantly larger angle q = v1 or the correspondingly larger time can be measured. This advantage arises particularly when the number of pulse generators in one system differs from the number of pulse generators in the other system by only one, i.e. if, in the example described, the difference in the number of teeth on the two sprockets is Z2-Z1 = 1. Then (P = çllZ2
Instead of a ring gear, for example, a rotating magnetic tape can be provided as the pulse generator system and a stationary pick-up head as the pulse receiver.
Instead of pulse generator systems with electromagnetic effects, those of other types, e.g. B. with optical effect can be used.
The measuring device h can also, in particular, be set up in such a way that it measures both the number of pulses per unit of time and the number of pulses in range # 1 and, from the product of the two, directly forms a value that is proportional to the power transmitted by the shaft.