DE2008742A1

DE2008742A1 - Strömungsdetektor

Info

Publication number: DE2008742A1
Application number: DE19702008742
Authority: DE
Inventors: Lawrence Wilson Corning N.Y. Langley (V.St.A.)
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1969-03-06
Filing date: 1970-02-25
Publication date: 1970-10-15
Also published as: FR2034694A7; US3587610A

Description

Anmelderin: Corning Glass Works

Corning, New York, USA

Strömungsdetektor

Die Erfindung betrifft einen Strömungsdetektor, d. h. eine strömungsmittelbetriebene Vorrichtung zum Abtasten und gegebenenfalls Messen der Bewegung eines Maschinenelements, z. B. der Rotationsbewegung eines Zahnrads in Werkzeugmaschinen, Fahrzeugen und dergleichen.

Die Bewegungsmessung von Maschinenelementen erfolgt bisher meist mechanisch oder elektrisch durch einen z. B. auf der Helle einer Werkzeugmaschine angebrachten Permanentmagneten, der durch eine ortsfest angebrachte Magnetspule fährt. Strömiinf^vorrichtungen mit einem Strömungsmittel fester, flüssiger oder gasförmiger Phase haben demgegenüber den Vorteil geringerer Störanfälligkeit, da sie ohne bewegliche TeTlie arbeiten. Es war bisher jedoch nicht möglich, die

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Linear- oder Rotationsbewegung für empfindliche Regelsysteme rasch genug zu messen. Nachteilig waren ferner das Auftreten von Störsi^nalen und mangelnde Empfindlichkeit, z. B. Abhängigkeit von den Toleranzen der Detektorbauteile. '

Die Erfindung hat einen Strömungsdetektor zur Aufgabe, der die Bewegung von Maschinenelemente!-!, wie z. B. die Rotationsbewegung eines Zahnrads r*sch, zuverlässig, störungsfrei und mit grosser Genauigkeit erfosst und gegebenenfalls misst.

Die Aufgabe wird erfindunrsp;emä3s dadurch gelöst, dass auf die Bewegung des Maschinenelemente durch eine Strömungsänderung ansprechende Mittel ein Strömungs-Fl:ip-Flop proportional zur Bewegung des Maschinenelemente hin und her schalten.

Dies geschieht zweckmässipkerweise im Beispielfall der Messung der Rotationsbewegung eines Zahnrads dadurch, dass ein Paar über die Kanäle an eine Druckmittelquelle angeschlossene Strömungsmittelöffnungen zur Messung der Rotationsbewegung eines Zahnrads dicht über den Spitzen der Zähne liegen, wobei der gegenseitige Abstand der Öffnungen sich von dem Winkelabstand benachbarter Zähne unterscheidet, und die Re-

y gelkanäle des Strömungs-Flip-Flops stromaufwärts von den Öffnungen en die Kanäle anf^pchlopeen sind.

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In den Zeichnungen zeigt die Figur 1 teilweise im Schnitt und schematisch den Strömungsdetektor der Erfindung; die Figur 2 schematisch einen an den Detektor anschliessbaren Integrator; und die Figur 3 eine graphische Darstellung des vom Detektor in den Integrator eingegebenen Signals sowie des Integratorausgangssignsls bei einer Zahnbewegung des Messobjektp, (des Zahnrads 12 der Fig. 1).

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel soll z. B. die Bewegung des Zahnrads 12 erfasst oder gemessen werden, etwa um einen Stell- oder Regelwert für eine Werkzeugmaschine zu erhalten. Das 7*>hnrad ist in p^nem Gehäuse 16 so gelagert, dass zwischen den Zahnspitzen PO und der kreisförmig gekrümmten GehäTisewond 22 ein kleiner Abstand besteht und das Ttei in dem freien Gehäuseraum 24 rotiert. Der Winkelabstand jeweils benachbarter Zähne ist mit P bezeichnet. Erfindungsgemäss wird die Zahnradbewegung durch die aus dem Bückstaudetektor 26 und einem Strömung-s-Flip-Flop 28 aufgebaute Vorrichtung gemessen.

Eine Druckmittelquelle liefert ein geeignetes Strömungsmittel unter Druck in die Kanäle 32 und 34-, die mit öffnungen 36, 38 dicht übf>r dem umfang des Zahnrads innerhalb des Z-»hnraderehäuses 22 enden. Der Abstand D zwischen den öffnungen 36, 38 ist verschieden von dem Winkelabstand P zwischen be-

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nachbarten Zähnen, ζ. B. 1/2, 1.1/2 oder 2.1/2, so das? niemals beide öffnungen gleichzeitig auf einen Zahn gerichtet sind.

Zur gegenseitigen Isolierung der Kanäle 32, 34- können zwischen die Druckquelle 30 und die öffnungen 36, 38 die Strömungswiderstände 40, 42 eingescheitet sein. Sobald eine der öffnungen auf einen Zahn zeigt, entsteht ein Rückstau bzw.· Druckanstieg in den ent sr> rechend en Strömungskanal, z. B. bei Rotation des Zahnrads in Pfeilrichtung 14 in dem Kanal 34-, sobald die öffnung über dem Z?hn 18' liegt; die andere öffnung, z. B. die öffnung 36 liegt in diesem Pelle stets über einem Einschnitt zwischen zwei Zähnen und bleibt unbeeinflusst.

An die Kanäle 32, 3^ ist ein bistabiler Strömungsverstärker oder Flip-Flop 28 angeschlossen. Dieser liegt mit der Einlassdüse 44 an der Strömungsmittelquelle 46. Über die Düse 44 und die Wechselwirkungskammer 48 fliesst das Strömungsmittel Je nach Beaufschlagung durch die Regelkanäle 56, 58 in den einen oder anderen der beiden, mit Abzügen versehe- · nen Auslasskanäle 50, 52. Zwischen diesen liegt gleichachsig mit der Einlassdüse 44 der für das Ausgangssignal vorgesehene Ausgangskanal 5^·. Die Regelkanäle 56, 58 sind an einer zwischen den Strömungswiderständen 40, 42 und den öffnungen... 36, 38 liegenden Stelle mit den Fallen 32 bzw. 3^- verbunden.

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Für Jede Bewegung des Znhnrads um den Winkelabstand P wird der Flip-Flop zweimal geschaltet (z. B. vom Auslass 50 in den Auslass 52 und zurück), so dass in dem Ausgangskanal 54· zwei Ausgangssignale entstehen. Die Auslegung muss dabei natürlich so bemessen sein, dass der in einem der Kanäle 32, 34- auftretende Rückstau für die Schaltung des Flip-Flops gerade ausreicht. Da die Auslasskanäle 50, 52 mit Abzügen versehen sind, tritt ein Ausgangssignal in dem Ausgangskanal 54- nur während der Umschaltung auf, nicht aber in den dazwischen liegenden Pausen. Da für den zur Schaltung erforderlichen Rückstau eine bestimmte Relativlage zwischen den öffnungen 3¹S, 38 und dem Zahnrad erforderlich ist, sind Fehlanzeigen somit ausgeschlossen.

Anstelle einer Impulsfolge zur digitalen Erfassung der Geschwindigkeit oder Rotationsbewegung des Zahnrads 12 kann auch durch ein Analogsignal die kontinuierliche Anzeige der Winkelgeschwindigkeit erhalten werden, wenn das Ausgangssignal des Flip-Flop integriert wird. Hierzu eignet sich der in der Figur 2 schematisch dargestellt Integrator 56. Hinter die geschlossene Kammer 58 bestimmten Volumens ist ein Strömungswiderstand 60 geschaltet. Wie durch den Pfeil 62 angedeutet, wird das vom Ausgangskanal 54· kommende Signal auf d^en zur Kammer 58 führenden Integratoreingang 64-gegeben und nach dem Durchgang stromabwärts vom Widerstand von dem Ausgang 68 abgenommen.

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Die Figur 3 zeigt das aus einer Reihe von zunächst sehr dicht und später in gröaseren Abständen aufeinanderfolgenden Strömungsimpulsen 70 bestehende Eingangssignal A, das zu dem durch die gezackte Kurve B dargestellten Ausgangesignal integriert wird. Dabei steigt die Grosse des AuegangBsignals bei abnehmendem Impulsabstand (also steigender Impulsfrequenz) und zeigt damit zunehmende Geschwindigkeit an und umgekehrt.

Gegebenenfalls können auch kompliziertere, strömungsmittelbetriebene Verstärkersysteme eingesetzt werden. Die beherrschbare Rotationsgeschwindigkeit z. B, des Zahnrads 12 ist natürlich auf die Schaltzeit des Flip-Flop 28 begrenzt, z. B. von 1 Mikrosekunde, bei einer Zeitkonstante des Integrators von 0,1-1 Sek. Durch Einsatz eines Impulsverstärkers lassen sich die Bewegungsimpulse öuf die gleiche Breite und Höhe ausrichten. Die Verwendung einer Diode verringert die durch den Verstärker auf den Integratoreingang gegebene Last und verbessert die Integration.

Die Vorrichtung ist z. B. als Tachometer, zur Geschwindigkeitseingabe des Servoregelsystems von Werkzeugmaschinen, zur Brems- oder Fahrgestellkontrolle von Luft-, Strassen- *und Schienenfahrzeugen usw. günstig verwendbar. Da die Abtastung des in den Flip-Flop eingespeisten Messwerts durch

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Rückstau erfolgt, wird eine Fontaminierunr oder Verunreinigung des Strömungssystems der Vorrichtung vermieden.

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Claims

Patentansprüche

Strömungsdetektor zur Feststellung der Bewegung eines Maschinenelements, z. B. eines Zahnrads und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Bewegung des Maschinenelements durch eine Strömungsänderung ansprechende Mittel ein Strömungs-Flip-Flop (28) proportional zur Bewegung des Maschinenelements hin und hergehalten.
2. Strömungsdetektor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Rotationsbewegung eines Zahnrads ein Paar über die Kanäle (32₅ 3*0 an eine Druckmittelquelle (30) angeschlossene Strömungsmittelöffnungen (36, 38) dicht über den Spitzen der Zähne (20) liegen, wobei der gegenseitige Abstand der Öffnungen sich von dem Winkelabstand (P) benachbarter Zähne unterscheidet, und die Regelkanäle (56, 58) des Strömungs-Flip-Flops stromaufwärts von den Öffnungen (36, 38) an die Kanäle (32, 3*0 angeschlossen sind.

3· Strömungsdetektor gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der üb'er die Einlassdüse (44) an seine eigene Strömungsmittelquelle angeschlossene Flip-Flop zwischen den mit Abzügen versehenen beiden Auslasskanälen (50, 52) einen gleichachsig sit dem Einlasskanal (^) liegenden Ausgangskanal (54) aufweist.

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4·. Strömungsdetektor gemäss Anspruch 2 oder 3? dadurch gekennzeichnet, dass in die Kanäle (32, 3²O zwischen die Strömtingsmittelquelle (30) und die öffnungen (36, 38) ö^e ein Strömungswiderstand (40, 4-2) geschaltet wird.

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