DE102008060191A1

DE102008060191A1 - Messeinrichtung zum Erfassen von Drehbewegungen einer Welle

Info

Publication number: DE102008060191A1
Application number: DE200810060191
Authority: DE
Inventors: Franz Dr.-Ing. Hillenbrand; Daninel Dipl.-Ing. Reese
Original assignee: IMC MESSSYSTEME GmbH; IMC MESSYSTEME GmbH
Current assignee: IMC MESSSYSTEME GmbH; IMC MESSYSTEME GmbH
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-29
Also published as: DE102008060191B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung (1) zum Erfassen von Drehbewegungen einer Welle mit einer drehbewegungsabhängig beaufschlagten Sensoreinrichtung (3), einem aus den Drehbewegungen Energie gewinnenden Energiesammler (36) und einer von dem Energiesammler (36) mit Betriebsenergie versorgten elektronischen Schaltungseinrichtung (29). Um eine solche Messeinrichtung vergleichsweise einfach und verschleißarm auszugestalten, enthält die Sensoreinrichtung mindestens einen mechanisch-elektrischen Wandler (3), der sich mit der waagerecht ausgerichteten Welle dreht und eine radial zur Welle beweglich angeordnete seismische Masse aufweist. Mit dem mechanisch-elektrischen Wandler (3) ist mechanisch und elektrisch einerseits der Energiesammler (36) und andererseits die eine Funkeinheit (35) aufweisende elektronische Schaltungseinrichtung (29) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum Erfassen von Drehbewegungen einer Welle mit einer drehbewegungsabhängig beaufschlagten Sensoreinrichtung, einem aus den Drehbewegungen Energie gewinnenden Energiesammler und einer von dem Energiesammler mit Betriebsenergie versorgten elektronischen Schaltungseinrichtung.
Eine Messeinrichtung dieser Art ist aus der britischen Patentanmeldung GB 2 138 609 A bekannt. Bei dieser bekannten Messeinrichtung weist die Sensoreinrichtung eine als Klinkenrad ausgebildete Scheibe auf, die fest auf der Welle angebracht ist, deren Drehbewegungen erfasst werden sollen; mit der Scheibe wirkt ein Stab zusammen, der außen am Klinkenrad anliegt und bei einer Drehbewegung des Klinkenrades durch die äußere Kontur des Klinkenrades jeweils nacheinander zunächst nach außen ausgelenkt wird, um danach an einer steilen Zahnflanke wieder nach innen zurück zu fallen. Diese Schwenkbewegungen des Stabes werden mittels eines Magneten erfasst, der an einem Ende des Stabes angebracht ist und sich in einer Spule hin und her bewegt. Die dadurch induzierte Spannung wird mittels eines Leistungsdetektors als Energiesammler zur Sicherstellung der Energieversorgung der bekannten Messeinrichtung verwendet. Außerdem wird die induzierte Spannung als Messsignal in einer Schaltungselektronik ausgewertet, wobei die Energieversorgung für die Schaltungselektronik durch den Leistungsdetektor sichergestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung der eingangs angegebenen Art konstruktiv vergleichsweise einfach und verschließfrei auszugestalten.
Zur Lösung dieser Aufgabe enthält bei einer Messeinrichtung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Sensoreinrichtung mindestens einen mechanisch-elektrischen Wandler, der sich mit der waagerecht ausgerichteten Welle dreht und eine radial zur Welle beweglich angeordnete seismische Masse aufweist;
der Energiesammler enthält mindestens einen weiteren mechanisch-elektrischen Wandler, der sich mit der waagerecht ausgerichteten Welle dreht und eine radial zur Welle beweglich angeordnete seismische Masse aufweist, und die elektronische Schaltungseinrichtung enthält eine sich mit der Welle drehende Funkeinheit.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Messeinrichtung besteht darin, dass sich bei ihr der mindestens eine mechanisch-elektrische Wandler mit der Welle dreht, mit dieser also fest verbunden ist, so dass ein Verschleiß nicht auftreten kann; darüber hinaus ist der Verbindung dieses Wandlers mit der Welle einfach, weil es nur auf eine mechanische Entsprechendes gilt hinsichtlich des weiteren mechanisch-elektrischen Wandlers. Ein weiterer Vorteil wird in der Verwendung einer Funkeinheit gesehen, mit der auf einfache Weise Drehbewegungsmesswerte von der Messeinrichtung nach außen übertragen werden können. Außerdem benötigt die erfindungsgemäße Messeinrichtung keine ortsfeste Halterung.
Bei einer weiteren Lösung der oben angegebenen Aufgabe enthält bei einer Messeinrichtung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Sensoreinrichtung mindestens einen mechanisch-elektrischen Wandler, der sich mit der waagerecht ausgerichteten Welle dreht und eine radial zur Welle beweglich angeordnete seismische Masse aufweist, und mit dem mechanisch-elektrischen Wandler ist mechanisch und elektrisch einerseits der Energiesammler und andererseits die eine Funkeinheit enthaltende elektronische Schaltungseinrichtung verbunden.
Außer den oben aufgezeigten Vorteilen der einen erfindungsgemäßen Lösung hat die weitere erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, dass sie prinzipiell nur mit einem mechanisch-elektrischen Wandler auskommt.
Bei der erfindungsgemäßen Messeinrichtung können mechanisch-elektrische Wandler unterschiedlicher Ausführung eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn der mechanisch-elektrische Wandler ein induktiver Wandler mit einer seismischen Masse in form eines Magneten ist, der radial zur Welle federnd innerhalb einer elektrischen Spule gehalten ist. Ein solcher Wandler ist nämlich nicht nur einfach herstellbar, sondern auch leicht montierbar.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der mechanisch-elektrische Wandler ein piezoelektrischer Wandler mit einer radial auslenkbar angebrachten seismischen Masse. Ein derartiger Wandler ist für sich bekannt und ebenfalls leicht montierbar. Außerdem könnte ein solcher Wandler mikromechanisch ausgeführt werden.
Um eine Unwucht der erfindungsgemäßen Messeinrichtung zu vermeiden, kann diametral zu dem mechanisch-elektrischen Wandler einer Ausgleichsmasse mit der Welle fest verbunden sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn dem mindestens einen mechanisch-elektrischen Wandler diametral gegenüber in Bezug auf die Welle ein ergänzender mechanisch-elektrischer Wandler sich mit der Welle drehend angeordnet ist. Durch die Anordnung eines zweiten mechanisch-elektrischen Wandlers läßt sich nämlich nicht nur mehr Energie gewinnen und im Energiesammler speichern, sondern auch außer der Drehzahl auch die Position der Welle bestimmen.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung dann aufgebaut, wenn sich der mindestens eine mechanisch-elektrische Wandler auf einer senkrecht ausgerichteten Scheibe befindet, die fest mit der waagerecht ausgerichteten Welle verbunden ist. Die Montage des Wandlers ist dann sehr einfach.
Eine solche Ausgestaltung ist besonders dann vorteilhaft, wenn mehrere mechanisch-elektrische Wandler jeweils paarweise einander diametral gegenüber auf der Scheibe unwuchtfrei angeordnet sind. In diesem Falle ist die Energieversorgung besonders gut sichergestellt und auch die Ermittlung der Drehzahl der Welle und ihre Position besonders genau bestimmbar, wenn dazu die Ausgangsgrößen aller mechanisch-elektrischen Wandler herangezogen werden.
Als vorteilhaft wird es auch erachtet, wenn bei der erfindungsgemäßen Messeinrichtung der Energiesammler und die Funkeinheit auf einer weiteren senkrecht ausgerichteten Scheibe unwuchtfrei angeordnet sind, die fest mit der Welle verbunden ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Scheiben nach Art einer gedruckten Leiterplatte ausgeführt sind und radiale Ausnehmungen haben, mit denen sie auf die Welle geschoben werden; sind dabei die radialen Ausnehmungen der beiden Scheiben diametral zueinander angeordnet, dann ist damit ein in einer Ebene unwuchtfreier Aufbau gewonnen, der eine Anbringung der Scheiben auch in einem mittleren Bereich der Welle und nicht nur an deren Ende zulässt.
In diesem Zusammenhang ist es ferner vorteilhaft, wenn ein zweigeteilter, ringförmiger Scheiben-Tragkörper vorgesehen ist, der mittels Schrauben zusammen gefügt und dabei mit der Welle verspannt ist. Dadurch ist insgesamt eine Messeinrichtung geschaffen, die nicht nur an dem Ende einer Welle, sondern auch zwischen Lagerstellen der Welle leicht anbringbar ist.
Vorteilhaft ist des ferner, wenn bei der erfindungsgemäßen Messeinrichtung in dem ringförmigen Scheiben-Tragkörper einander diametral gegenüber liegend jeweils ein Hilfsenergiespeicher angeordnet ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messeinrichtung nach Art einer Sprengzeichnung, in
2 ein Ausführungsbeispiel eines mechanisch-elektrischen Wandlers in Form eines induktiven Wandlers, in
3 ein Ausführungsbeispiel für die elektrische Schaltung der in 1 dargestellten Messeinrichtung und in
4 das Ausführungsbeispiel nach 1 in zusammen geschraubtem Zustand dargestellt.
Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messeinrichtung 1, die unter anderem eine Scheibe 2 aufweist. Auf der Scheibe 2 sind mehrere mechanisch-elektrische Wandler 3 mit jeweils einer seismischen Masse so angeordnet, dass sie eine unwuchtfreie Anordnung auf der Scheibe 2 bilden. Dabei sind jeweils zwei mechanisch-elektrische Wandler 3 auf einem Radialstrahl hintereinander angeordnet; diametral gegenüber ist jeweils ein weiteres Paar von mechanisch-elektrischen Wandlern auf der Scheibe 2 vorgesehen.
Jeder dieser mechanisch-elektrischen Wandler 3 kann als ein induktiver Wandler ausgeführt sein, wie er in der 2 gezeigt und unten näher beschrieben ist. Es kommt auch ein Einsatz von piezo-elektrischen Wandlern in Frage, die mit einer seismischen Masse versehen sind.
Die Scheibe 2 ist ferner mit einem radialen Schlitz 4 versehen, der es gestattet, die Scheibe 2 von der Seite her auf eine nicht gezeigte Welle aufzuschieben, deren Drehbewegungen erfasst werden sollen. Die Scheibe 2 kann daher nicht nur an einem Ende der nicht gezeigten Welle angebracht werden, sondern auch ohne weiteres in einem mittleren Bereich zwischen zwei Lagerstellen der Welle.
Die Messeinrichtung 1 weist ferner eine weitere Scheibe 5 auf, die auf ihrer in der 1 nicht sichtbaren Seite einen Energiesammler und eine Schaltungsanordnung mit einer Funkeinheit trägt. Auch die weitere Scheibe 5 ist mit einem radialen Schlitz 6 versehen, um sie von der Seite her auf die nicht dargestellte Welle aufschieben zu können. Sowohl die eine Scheibe 2 als auch die weitere Scheibe 5 sind aus einem Material hergestellt, wie es für gedruckte Leiterplatten verwendet wird, und tragen dementsprechend in der 1 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Leiterbahnen. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Elementen auf den Leiterbahnen 2 und 5 sind durch ebenfalls in der 1 nicht gezeigte Leitungen vorgenommen.
Die Scheiben 2 und 5 sind auf die nicht dargestellte Welle hinsichtlich der Ausrichtung ihrer Schlitze 4 und 6 so aufgebracht, wie es in der 1 gezeigt ist, um einen unwuchtfreien Aufbau zu gewinnen. Entsprechendes gilt für die Anordnung des Energiesammlers und der Schaltungsanordnung mit der Funkeinheit.
Die Messeinrichtung 1 weist ferner einen Scheiben-Tragkörper auf, der aus zwei Teilen 7 und 8 besteht. Beide Teile 7 und 8 des Scheiben-Tragkörpers weisen Flanschansätze 9 bzw. 10 auf, die die nicht dargestellte Welle im montierten Zustand umgreifen. Die beiden Teile 7 und 8 des Scheiben-Tragkörpers werden mittels Schrauben 11 auf der nicht gezeigten Welle fest verspannt. Die Teile 7 und 8 weisen jeweils einen Hilfsenergiespeicher 12 bzw. 13 auf.
Nachdem die Teile 7 und 8 des Scheiben-Tragkörpers auf der Welle befestigt sind, werden auf ihren Stirnseiten die Scheiben 2 und 5 festgeschraubt und damit der Aufbau der Messeinrichtung 1 komplettiert. Eine perspektivische Darstellung der zusammengebauten Messeinrichtung 1 zeigt die 4.
In der 2 ist ein mechanisch-elektrischer Wandler in Form eines induktiven Wandlers 20 schematisch dargestellt. Der induktive Wandler 20 weist eine Spule 21 auf einem Eisenkern 22 auf. Innerhalb der Spule 21 ist ein Dauermagnet 23 als seismische Masse mittels Federn 24 und 25 so aufgehängt, dass sich der Dauermagnet 23 in Richtung der Pfeile 26 und 27 bewegen kann. Der induktive Wandler 20 ist, wenn er in einer Messeinrichtung gemäß 1 verwendet wird, auf der Scheibe 2 so angeordnet, dass er mit seiner Längsachse 28 radial ausgerichtet ist.
Unabhängig davon, ob in der Messeinrichtung 1 mechanisch-elektrische Wandler 3 in Form von induktiven oder piezo-elektrischen Wandlern eingesetzt werden, wird von ihnen bei der Drehbewegung der nicht dargestellten Welle eine Spannung erzeugt, die sinusförmig verläuft, weil bei jeweils einer Umdrehung der Welle mit der Messeinrichtung der auf die Wandler ausgeübten Zentrifugalkraft einmal die auf die seismische Masse ausgeübte Schwerkraft entgegen wirkt und sich zum anderen zu der Zentrifugalkraft addiert.
Die 3 zeigt die gesamte elektrische Schaltung der Messeinrichtung 1 nach 1 mit der Schaltungsanordnung 29 mit der Funkeinheit. Die elektrischen Ausgänge A1 bis An der mechanisch-elektrischen Wandler 3 gemäß 1 sind mit einer Konditionierungselektronik 30 verbunden. Dieser Konditionierungselektronik 30 ist an einem Ausgang 31 ein Mikrocontroller 32 und ein Analog-Digital-Umsetzer 33 der Schaltungsanordnung 29 nachgeordnet. In diesen werden die elektrischen Signale am Ausgang der Konditionierungselektronik 30 so verarbeitet, dass an einem Eingang 34 einer Funkeinheit 35 mit Antennen Signale anstehen, die ein Maß für die Drehbewegung darstellten, wobei unter Drehbewegung sowohl die Drehzahl als auch die Winkelstellung der Welle gemeint ist.
Zur Energieersorgung des Mikrocontrollers 32, des Analog-Digital-Umsetzers 33 und der Funkeinheit 35 dient ein Energiesammler 36, der eingangsseitig mit der Konditionierelektronik 30 verbunden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- GB 2138609 A [0002]

Claims

Messeinrichtung (1) zum Erfassen von Drehbewegungen einer Welle mit • einer drehbewegungsabhängig beaufschlagten Sensoreinrichtung (3), • einem aus den Drehbewegungen Energie gewinnenden Energiesammler (36) und • einer von dem Energiesammler (36) mit Betriebsenergie versorgten elektronischen Schaltungseinrichtung (29), dadurch gekennzeichnet, dass • die Sensoreinrichtung mindestens einen mechanisch-elektrischen Wandler (3) enthält, der sich mit der waagerecht ausgerichteten Welle dreht und eine radial zur Welle beweglich angeordnete seismische Masse aufweist, • der Energiesammler (36) mindestens einen weiteren mechanisch-elektrischen Wandler enthält, der sich mit der waagerecht ausgerichteten Welle dreht und eine radial zur Welle beweglich angeordnete seismische Masse aufweist, und • die sich mit der Welle drehende elektronische Schaltungseinrichtung (29) eine Funkeinheit (35) enthält.
Messeinrichtung (1) zum Erfassen von Drehbewegungen einer Welle mit • einer drehbewegungsabhängig beaufschlagten Sensoreinrichtung (3), • einem aus den Drehbewegungen Energie gewinnenden Energiesammler (36) und • einer von dem Energiesammler (36) mit Betriebsenergie versorgten elektronischen Schaltungseinrichtung (29), dadurch gekennzeichnet, dass • die Sensoreinrichtung mindestens einen mechanisch-elektrischen Wandler (3) enthält, der sich mit der waagerecht ausgerichteten Welle dreht und eine radial zur Welle beweglich angeordnete seismische Masse aufweist, und • mit dem mechanisch-elektrischen Wandler (3) mechanisch und elektrisch einerseits der Energiesammler (36) und andererseits die eine Funkeinheit (35) aufweisende elektronische Schaltungseinrichtung (29) verbunden ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass • der mechanisch-elektrische Wandler ein induktiver Wandler (20) mit einer seismischen Masse in form eines Magneten (23) ist, der radial zur Welle federnd innerhalb einer elektrischen Spule 21) gehalten ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass • der mechanisch-elektrische Wandler ein piezoelektrischer Wandler mit einer radial auslenkbar angebrachten seismischen Masse ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • dem mindestens einen mechanisch-elektrischen Wandler (3) diametral gegenüber in Bezug auf die Welle ein ergänzender mechanisch-elektrischer Wandler sich mit der Welle drehend angeordnet ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • sich der mindestens eine mechanisch-elektrische Wandler (3) auf einer senkrecht ausgerichteten Scheibe (2) befindet, die fest mit der waagerecht ausgerichteten Welle verbunden ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass • mehrere mechanisch-elektrische Wandler (3) jeweils paarweise einander diametral gegenüber auf der Scheibe (2) unwuchtfrei angeordnet sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass • der Energiesammler (36) und die Funkeinheit (35) auf einer weiteren senkrecht ausgerichteten Scheibe (5) unwuchtfrei angeordnet sind, die fest mit der Welle verbunden ist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass • die Scheiben (2, 5) nach Art gedruckter Leiterplatten ausgeführt sind.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass • die Scheiben (2, 5) radiale Schlitze (4, 6) zum Umgreifen der Welle aufweisen.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass • ein zweigeteilter, ringförmiger Scheiben-Tragkörper (7, 8) vorgesehen ist, der mittels Schrauben (11) zusammen gefügt und dabei mit der Welle verspannt ist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass • die eine und die weitere Scheibe (2, 5) beiderseits außen an dem ringförmigen Scheiben-Tragkörper (7, 8) angebracht sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass • in dem ringförmigen Scheiben-Tragkörper (7, 8) einander diametral gegenüber liegend jeweils ein Hilfsenergiespeicher (12, 13) • angeordnet ist.