ITVE950034U1

ITVE950034U1 - SINGLE BEAM COLLIMATION MEASURING SYSTEM OF THE TORQUE MOMENT OF THE ANGULAR SPEED AND THE DIRECTION OF ROTATION OF ROTATING AXES

Info

Publication number: ITVE950034U1
Application number: IT95VE000034U
Authority: IT
Inventors: Paolo Codazzi
Original assignee: Paolo Codazzi
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 1997-04-20
Also published as: IT239204Y1; DE29618123U1; ITVE950034V0

Description

DESCRIZIONE DEL MODELLO DI UTILITÀ' avente per titolo "SISTEMA DI MISURA A COLLIMAZIONE A FASCIO SINGOLO DEL MOMENTO TORCENTE, DELLA VELOCITA’ ANGOLARE E DEL SENSO DI ROTAZIONE DI ASSI ROTANTI", DESCRIPTION OF THE UTILITY MODEL entitled "SINGLE BEAM COLLIMATION SYSTEM FOR THE TORQUE, ANGULAR SPEED AND DIRECTION OF ROTATION OF ROTATING AXES",

L'invenzione oggetto della presente richiesta di brevetto consiste in un originale sistema elettromeccanico atto ad effettuare la misura del momento torcente, deila velocita' angolare e del senso di rotazione di assi rotanti, utilizzando una sorgente di radiazioni focalizzata e puntiforme, un sensore adatto a rivelare codesta radiazione posto sull'asse della sorgente di radiazioni e ad una certa distanza dalla stessa e due dischi calettati sull'asse rotante dotati di un determinato numero di feritoie calibrate (v. Disegno Principale). La sorgente di radiazioni dovrà' essere focalizzata e puntiforme. Il segnale fornito dal sensore sara' di tipo elettrico. Questo segnale verrà' quindi inviato ad un sistema elettronico che provvedere' ad effettuare le necessarie elaborazioni ed a fornire come risultato la misura delle grandezze di cui al titolo. Il sistema cosi' realizzato e' a collimazione a fascio singolo poiché' nel sistema e' presente una sola sorgente ed un solo rivelatore posti in collimazione tra loro. The invention which is the subject of this patent application consists of an original electromechanical system suitable for measuring the torque, the angular speed and the direction of rotation of rotating axes, using a source of focused and point-like radiation, a sensor suitable for detecting this radiation placed on the axis of the radiation source and at a certain distance from it and two discs keyed on the rotating axis equipped with a certain number of calibrated slots (see Main Drawing). The radiation source must be focused and point-like. The signal provided by the sensor will be of the electrical type. This signal will then be sent to an electronic system which will carry out the necessary processing and provide as a result the measurement of the quantities referred to in the title. The system thus created is single-beam collimation since in the system there is only one source and only one detector placed in collimation with each other.

Attualmente lo stato della tecnica prevede sistemi basati su altri principi e dalle prestazioni piu' scadenti quanto a precisione, affidabilita', ripetibilità' della misura e manutenzione periodica richiesta. Currently, the state of the art provides systems based on other principles and with poorer performance in terms of accuracy, reliability, repeatability of the measurement and periodic maintenance required.

Le tecniche sinora piu' usate sono due: A) quella ad estensimetri di tipo "Strain Gauge"; B) quella mediante trasmettitori di impulsi sincronizzati con l'asse in rotazione. The most used techniques so far are two: A) the strain gauge type "Strain Gauge"; B) that by means of pulse transmitters synchronized with the rotating axis.

A) Questa tecnica, che prevede l'uso di estensimetri di tipo Strain Gauge posizionati secondo predeterminati angoli sull'asse in modo da misurare lo sforzo sopportato dallo stesso, obbliga a sistemare sull'asse in rotazione tutta la circuìteria elettronica che trasduce il segnale fornito dagli estensimetri. L'alimentazione dell’elettronica avviene normalmente tramite contatti striscianti sistemati sull'asse. I dati oggetto della misura possono essere prelevati sempre tramite contatti striscianti oppure trasmessi per mezzo di onde herziane ad un opportuno ricevitore posto in un luogo piu' riparato. A) This technique, which involves the use of strain gauges of the Strain Gauge type positioned according to predetermined angles on the axis in order to measure the stress borne by the same, forces all the electronic circuitry that transduces the signal supplied to be placed on the rotating axis. from strain gauges. The power supply of the electronics normally takes place via sliding contacts placed on the axis. The data object of the measurement can always be collected through sliding contacts or transmitted by means of Herzian waves to a suitable receiver placed in a more sheltered place.

I principali svantaggi di questo metodo di misura consistono nel fatto che le prestazioni degli estensimetri degradano nel tempo e non sempre sono perfettamente lineari. Inoltre e' necessario effettuare un montaggio accurato degli estensimetri sull'asse sia per quanto riguarda la tenacità' del fissaggio, sia per quanto riguarda l'angolo di orientamento. Infine la presenza di contatti striscianti pregiudica l'affidabilita' nel tempo del sistema, obbliga a manutenzione periodica e rende possibile la sua applicazione solo ad assi che ruotino piuttosto lentamente al fine di limitare l’usura. La soluzione della trasmissione dei dati tramite onde herziane non risolve drasticamente il problema poiché' spesso i luoghi in cui vengono sistemati tali sistemi di misura sono interessati da disturbi elettromagnetici generati da apparecchiature estranee che possono rendere inefficace la trasmissione dei dati. The main disadvantages of this measurement method are that the performance of strain gauges degrade over time and are not always perfectly linear. Furthermore, it is necessary to carry out an accurate assembly of the strain gauges on the axis both as regards the tenacity of the fastening and as regards the angle of orientation. Finally, the presence of sliding contacts jeopardizes the reliability of the system over time, requires periodic maintenance and makes it possible to apply it only to axes that rotate rather slowly in order to limit wear. The solution of data transmission through Herzian waves does not drastically solve the problem since often the places where such measurement systems are placed are affected by electromagnetic disturbances generated by extraneous equipment that can make data transmission ineffective.

B) Questa tecnica si basa sulla misura dello sfasamento del segnale elettrico generato da due trasmettitori di impulsi che, a loro volta sono azionati da due ingranaggi sistemati sull'asse in rotazione. Gli ingranaggi sistemati sull'asse ingranano su due ingranaggi piu' piccoli calettati sugli alberi dei due generatori di impulsi. In questo caso i due trasmettitori di impulsi e le due relative coppie di ingranaggi devono essere posti ad una distanza di diversi metri tra loro in modo da poter avere una torsione apprezzabile dell'asse e quindi uno sfasamento del segnale elettrico notevole. Una variante di tale metodo prevede l'uso di due ruote foniche (anziché1 di due copppie d'ingranaggi) calettate sull'asse e due generatori di impulsi sistemati in corrispondenza di ciascuna ruota. Tipicamente i due trasmettitori di impulsi sono dei dispositivi ottici a collimazioni Quindi il sistema e' a collimazione a doppio fascio, poiché' ogni trasmettitore di inpulsi e' dotato di un proprio fascio. B) This technique is based on the measurement of the phase shift of the electrical signal generated by two pulse transmitters which, in turn, are driven by two gears arranged on the rotating axis. The gears arranged on the axis mesh on two smaller gears keyed on the shafts of the two pulse generators. In this case, the two pulse transmitters and the two related pairs of gears must be placed at a distance of several meters from each other in order to have an appreciable torsion of the axis and therefore a significant phase shift of the electrical signal. A variant of this method provides for the use of two phonic wheels (instead of two pairs of gears) keyed on the axle and two pulse generators arranged in correspondence with each wheel. Typically the two pulse transmitters are optical collimation devices. Therefore the system is double-beam collimation, since each pulse transmitter is equipped with its own beam.

Un sistema di questo tipo presenta diversi svantaggi. Innanzitutto l'accoppiamento meccanico tra i due ingranaggi calettati sull'asse in rotazione ed i due ingranaggi posti sugli alberini dei due trasmettitori di impulsi, e' sorgente di errori dovuti ai laschi meccanici che inevitabilmente si instaurano col passar del tempo a causa dell'usura. Inoltre l'accoppiamento meccanico necessita dì un certa manutenzione. A ciò' va aggiunto il fatto fondamentale che il sistema prevede due trasmettitori di impulsi che in fase di taratura devono essere fra loro sincronizzati. Infine poiché' i due sistemi di ingranaggio-ingranaggio-trasmettitore di impulsi devono essere posti ad una distanza di diversi metri tra loro, il sistema di misura diviene improponibile se non per assi di notevoli lunghezze e quindi preclude l'applicazione di questo metodo a sistemi meccanici di dimensioni ridotte. Per tutti i motivi sopra elencati un sistema di questo tipo non da' nel tempo garanzia di precisione, ripetibilità' ed affidabilita' della misura. I sistemi di questo tipo sono complessi e delicati dal punto di vista meccanico. Un altro notevole incoveniente e' che, se si utilizzano le due coppie di ingranaggi, la velocita' di rotazione dell'asse deve essere piuttosto bassa a causa dei laschi degli accoppiamenti tra gli ingranaggi suddetti e delle inevitabili vibrazioni dell'asse stesso. Da ciò' si deduce che tali sistemi sono adatti solo a motori primi che presentino basse velocita’ di rotazione (tipicamente quelli adatti alla propulsione navale) impedendo l'applicazione nella maggior parte degli altri casi. A system of this type has several disadvantages. First of all, the mechanical coupling between the two gears keyed on the rotating axis and the two gears placed on the shafts of the two pulse transmitters, is a source of errors due to the mechanical slack that inevitably occurs over time due to wear. . Furthermore, the mechanical coupling requires some maintenance. To this must be added the fundamental fact that the system provides two pulse transmitters which must be synchronized with each other during the calibration phase. Finally, since the two gear-gear-pulse transmitter systems must be placed at a distance of several meters from each other, the measurement system becomes impossible except for axes of considerable lengths and therefore precludes the application of this method to systems. mechanical of reduced dimensions. For all the reasons listed above, a system of this type does not give a guarantee of accuracy, repeatability and reliability of the measurement over time. Systems of this type are complex and delicate from a mechanical point of view. Another significant drawback is that, if the two pairs of gears are used, the axis rotation speed must be rather low due to the slack of the couplings between the aforementioned gears and the inevitable vibrations of the axis itself. From this it can be deduced that these systems are only suitable for prime movers that have low rotation speeds (typically those suitable for marine propulsion) preventing their application in most other cases.

Con l'invenzione che di seguito si esporrà' ci si propone invece di superare tutti gli inconvenienti presentati dai sistemi attualmente noti allo stato dell'arte. Il sistema proposto infatti presenta una maggiore precisione della misura, una migliore ripetibilità' della stessa, e' molto piu' affidabile, e inoltre non necessita di manutenzione e tarature periodiche atte a compensare l'usura delle componenti meccaniche (contatti striscianti o ingranaggi) poiché' non vi sono parti che vengono a contatto. Non essendoci parti in contatto non sussistono piu' i problemi dovuti alle vibrazioni dell'asse ed alle eventuali risonanze meccaniche. Tali problemi rendono impossibile l'applicazione dei sistemi oggi allo stato dell'arte ad elevate velocita' di rotazione dell'asse. A favore del trovato si aggiunge che la taratura iniziale e' notevolmente piu' semplice e non richiede strumenti particolari o personale specializzato, e nella maggioranza dei casi non sono necessarie tarature periodiche successive. With the invention which will be explained below, it is proposed instead to overcome all the drawbacks presented by the systems currently known in the state of the art. In fact, the proposed system has a greater accuracy of the measurement, a better repeatability of the same, it is much more reliable, and moreover it does not require maintenance and periodic calibrations to compensate the wear of the mechanical components (sliding contacts or gears) since 'there are no parts that come into contact. Since there are no parts in contact, there are no more problems due to axis vibrations and any mechanical resonances. These problems make it impossible to apply state-of-the-art systems at high axis rotation speeds. In favor of the invention it is added that the initial calibration is considerably simpler and does not require particular tools or specialized personnel, and in most cases subsequent periodic calibrations are not necessary.

Il sistema si compone di due dischi, calettati sull'asse in rotazione, dotati di un certo numero di feritoie, da determinare di volta in volta in base al campo di variazione della velocita' angolare dell'asse (v. Disegno Principale). I due dischi devono essere identici. Essi dovranno essere montati sull'asse ad una distanza L (v. Disegno Principale) variabile in base alle dimensioni dello stesso, ma comunque di molto inferiore a quella necessaria nel caso dei sistemi basati su trasmettitori di impulsi sincronizzati con l'asse rotante. Distanze maggiori daranno luogo a misure piu' precise. I due dischi dovranno essere montati il piu' possibile paralleli, quindi dovranno essere ruotati fino a quando la proiezione ortogonale delle feritoie di un disco sull'altro vadano a coprire una porzione dell’area delle feritoie dell'altro disco (v. Tav. 1 - a). I dischi andranno quindi bloccati rigidamente in modo tale da evitare possibili loro vicendevoli involontarie rotazioni dovute a slittamenti del fissaggio sull'asse in rotazione. A questo punto la parte meccanica del sistema e’ già' montata e tarata. La sorgente di radiazioni dovrà' essere sistemata perpendicolarmente ai due dischi, e quindi parallelamente all'asse rotante, in modo tale da interessare con il suo fascio la zona delle feritoie (v. Disegno Principale). La sorgente di radiazioni sara' tipicamente luce laser poiché' essa risulta particolarmente focalizzata e puntiforme. Si potranno pero' utilizzare, sempre con la medesima efficacia, altri tipi di sorgenti quali ad esempio la luce convenzionale focalizzata, le onde elettromagnetiche, i raggi X, i raggi gamma, le emissioni di particelle ionizzanti, i fotoni, etc.., a condizione che queste siano focalizzate e puntiformi onde poter assicurare una sufficiente precisione della misura. Il fascio emesso dalla sorgente dovrà' essere perpendicolare ai due dischi dotati di feritoie, e quindi parallelo all'asse, e dovrà' collimare sul rivelatore. Il rivelatore, che dovrà' essere del tipo adatto a rilevare le radiazioni emesse dalla sorgente di radiazioni, emetterà' un segnale di tipo elettrico facilmente elaborabile. Poiché' la rotazione delle feritoie e' solidale con l'asse, queste lascieranno passare il fascio emesso dalla sorgente di radiazioni con una frequenza che dipenderà' dalla velocita' angolare dell'asse. Dalla frequenza, che potrà' essere misurata con un frequenzimetro di tipo elettronico e dal numero N di feritoie presenti sulla circonferenza dei dischi, si potrà' ricavare la velocita' di rotazione dell'asse. Inoltre andra' misurato il tempo T1 per il quale la radiazione emessa dalla sorgente, dopo essere passata attraverso le feritoie presenti sui due dischi, andra' ad eccitare il rivelatore montato dalla parte opposta. Il tempo T1 non e’ costante poiché' oltre a dipendere dalla velocita' di rotazione dell'asse, dipende anche dalla percentuale di sovrapposizione dei due dischi (v. Tav. 1 - a, b, c). Tale percentuale varia a seconda del momento torcente a cui e' soggetto l'asse. Piu' precisamente il tempo T1 diminuisce se l'asse gira in un senso (v. Tav. The system consists of two discs, keyed on the rotating axis, equipped with a certain number of slots, to be determined each time according to the range of variation of the angular speed of the axis (see Main Drawing). The two discs must be identical. They must be mounted on the axis at a distance L (see Main Drawing) which varies according to its dimensions, but in any case much less than that necessary in the case of systems based on pulse transmitters synchronized with the rotating axis. Greater distances will result in more precise measurements. The two discs must be mounted as parallel as possible, so they must be rotated until the orthogonal projection of the slots of one disc onto the other cover a portion of the slots area of the other disc (see Table 1 - to). The discs must therefore be rigidly locked in such a way as to avoid possible reciprocal involuntary rotations due to sliding of the fixing on the rotating axis. At this point the mechanical part of the system is already assembled and calibrated. The radiation source must be placed perpendicular to the two discs, and therefore parallel to the rotating axis, in such a way as to affect the area of the slits with its beam (see Main Drawing). The radiation source will typically be laser light since it is particularly focused and point-like. However, other types of sources such as conventional focused light, electromagnetic waves, X-rays, gamma rays, emissions of ionizing particles, photons, etc., can be used, always with the same efficacy, to provided that these are focused and point-like in order to ensure sufficient accuracy of the measurement. The beam emitted by the source must be perpendicular to the two discs with slits, and therefore parallel to the axis, and must collimate on the detector. The detector, which must be of the type suitable for detecting the radiations emitted by the radiation source, will emit an electrical signal that can be easily processed. Since the rotation of the slots is integral with the axis, these will let the beam emitted by the radiation source pass with a frequency that will depend on the angular velocity of the axis. From the frequency, which can be measured with an electronic frequency meter and from the number N of slots present on the circumference of the discs, it is possible to obtain the rotation speed of the axis. Furthermore, the time T1 for which the radiation emitted by the source, after passing through the slits on the two discs, will excite the detector mounted on the opposite side will be measured. The time T1 is not constant because in addition to depending on the rotation speed of the axis, it also depends on the percentage of overlap of the two discs (see Table 1 - a, b, c). This percentage varies according to the torque to which the axis is subject. More precisely, the time T1 decreases if the axis rotates in one direction (see Tab.

1 - b), mentre aumenta se l'asse gira in senso inverso (v. Tav. 1 - c). In questo modo e' anche possibile determinare il senso di rotazione dell'asse. Infatti se il tempo T1 di collimazione del fascio che, passando attraverso le due feritoie va a collimare sul sensore, e' maggiore del tempo teorico che si avrebbe con momento torcente nullo per quella determinata velocita' angolare, allora la rotazione avverrà' in un verso; viceversa se il tempo di collimazione e' minore del tempo teorico che si avrebbe con momento torcente nullo per quella determinata velocita' angolare, allora la rotazione avverrà' nel verso opposto. 1 - b), while it increases if the axis rotates in the opposite direction (see Table 1 - c). In this way it is also possible to determine the direction of rotation of the axis. In fact, if the collimation time T1 of the beam which, passing through the two slits, collimates on the sensor, is greater than the theoretical time that would occur with zero torque for that determined angular speed, then the rotation will take place in one direction. ; vice versa if the collimation time is less than the theoretical time that would occur with zero torque for that determined angular speed, then the rotation will take place in the opposite direction.

Tutto quanto detto sopra si può' riassumere in due formule. All of the above can be summarized in two formulas.

Per la velocita' di rotazione si ha: RPM=f(n, N, T) , dove n e' il numero di impulsi conteggiati dal rivelatore di radiazioni (a causa delle interruzioni del fascio dovute alle feritoie), N e1 il numero di feritoie presenti sulle circonferenze dei due dischi e T e' il periodo di conteggio. For the rotation speed we have: RPM = f (n, N, T), where n is the number of pulses counted by the radiation detector (due to the interruptions of the beam due to the slits), N and 1 the number of slots present on the circumferences of the two discs and T is the counting period.

Per il momento torcente si ha. Mt=f(D, L, T1, G, ω) , dove D e' il diametro dei dischi in corrispondenza delle feritoie, L e' la distanza tra i due dischi, T1 e' il tempo durante il quale il fascio può' colpire il rivelatore passando attraverso una singola coppia di feritoie dei due dischi, G e' una costante del materiale di cui e' costituito l'asse, ω e' la velocita' di rotazione dell'asse (v. Disegno Principale). For the twisting moment we have. Mt = f (D, L, T1, G, ω), where D is the diameter of the discs at the slots, L is the distance between the two discs, T1 is the time during which the beam can ' hit the detector passing through a single pair of slits of the two discs, G is a constant of the material of which the axis is made, ω is the rotation speed of the axis (see Main Drawing).

Formule fisiche piu' dettagliate si possono ricavare con un semplice procedimento matematico. More detailed physical formulas can be obtained with a simple mathematical procedure.

Per effettuare la misurazione delle grandezze di cui al titolo, il segnale elettrico ricavato dal rivelatore dovrà' essere opportunamente elaborato da un sistema elettronico che potrà' interfacciarsi con l'esterno per fornire le misure calcolate, e/o ricevere dall'esterno informazioni per integrarle con le misurazioni effettuate. Ciò' avviene ad esempio quando viene fornito, in ingresso, il consumo energetico del motore primo che aziona l'asse. Con tale informazione, e conoscendo il momento torcente dell'asse, e' possibile calcolare l'efficienza (consumo specifico) del motore primo stesso. To carry out the measurement of the quantities referred to in the title, the electrical signal obtained from the detector must be suitably processed by an electronic system that can interface with the outside to provide the calculated measurements, and / or receive information from the outside to integrate them. with the measurements made. This happens, for example, when the energy consumption of the prime mover driving the axis is supplied at the input. With this information, and knowing the torque of the axis, it is possible to calculate the efficiency (specific consumption) of the prime mover itself.

Da quanto sopra descritto si evince che la misura cosi' effettuata e' di tipo diretto poiché' si basa sulla misura diretta del fenomeno fisico e quindi non e' affetta dagli errori tipici delle misure di tipo indiretto (come nei sistemi ad estensimetri). Inoltre la misura viene eseguita tramite una sola collimazione del fascio emesso dalla sorgente che va a colpire il rivelatore, cioè' e' a fascio singolo e non doppio (come invece sono i sistemi a trasmettitori di impulsi sincronizzati con l'asse rotante). Il vantaggio fondamentale della collimazione a fascio singolo consiste nella non necessita' di dover effettuare delicate sincronizzazioni di due fasci indipendent soggetti, come spesso accade, a notevoli vibrazioni. From what has been described above it is clear that the measurement thus carried out is of the direct type since it is based on the direct measurement of the physical phenomenon and therefore is not affected by the typical errors of indirect type measurements (as in strain gauge systems). Furthermore, the measurement is performed by means of a single collimation of the beam emitted by the source that hits the detector, that is, single and not double beam (as instead are systems with pulse transmitters synchronized with the rotating axis). The fundamental advantage of single beam collimation is that it does not need to carry out delicate synchronizations of two independent beams subject, as often happens, to considerable vibrations.

Claims

CLAIMS: This patent application is intended to protect any system for measuring the torque, angular speed and direction of rotation of rotary axes that uses a single-beam collimation system as described above. These rights will also extend to systems, based on the same measurement procedure, which in addition also provide an indication of all the possible quantities derived from the three indicated in the title. Any derived quantities are for example the power to the axis, the work done by the axis, the totalisation of the revolutions completed by the axis itself. These rights also extend to systems, based on the measurement procedure described above, which using the information relating to the energy consumption of the prime mover driving the axis, give an indication of the efficiency and / or specific consumption of the prime mover. or other indications that can be derived from these. The rights deriving from the patent will still be valid, regardless of the particular type of radiation source and radiation detector used, since from time to time the market and good technique will recommend the use of the most appropriate source and detector. In fact, the patent does not concern the type of source and the type of detector used, but rather the whole electromechanical measurement system and the procedure to be followed to obtain a measurement.