DD141202A1

DD141202A1 - Einrichtung zur messung des drehmomentes und damit zusammenhaengender groessen an wellenleitungen

Info

Publication number: DD141202A1
Application number: DD21018078A
Authority: DD
Inventors: Heyo Mennenga; Dietmar Schedler
Original assignee: Heyo Mennenga; Dietmar Schedler
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1980-04-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung des Drehmomentes an Wellenleitungen und damit zusammenhängender Größen wie Wellenleistung und Wellenenergie und auch Wellendrehzahl und ist besonders zur Anwendung an den Propellerwellen von Schiffen vorgesehen, kann aber auch an anderen Wellen eingesetzt werden. Ziel der Erfindung ist eine Einrichtung, die eine laufende Überwachung des von Antriebsanlagen gelieferten Drehmomentes erlaubt, so daß Überlastungen derselben vermieden werden können. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur digitalen Messung des Drehmomentes, der Wellenleistung und der Wellenenergie zu schaffen, die vom Arbeitsprinzip her die besten bekannten Einrichtungen an Genauigkeit erreicht und übertrifft und bei der keine einrichtungsspezifischen Spezialanfertigungen für Impulsgeber oder Markenträger und deren Abtastung notwendig sind. Sie wird gelöst durch die Verwendung inkrementaler Drehwinkelgeber mit Nullimpuls, die von der Welle über mechanische Mittel angetrieben werden und deren Zählimpulsausgänge nach digitaler Verarbeitung unter Verwendung von Tor- und Zählschaltungen Meßwerte für das Dehmoment, die Wellenleistung und die Wellenenergie ergeben.

Description

** I *** gas

Erfindungsbeschreibung

a) Titel:

Einrichtung zur Messung des Drehmomentes und damit zusammenhängender Größen an Wellenleitungen

b) Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung des Drehmomentes an Wellenleitungen und damit zusammenhängender Größen wie Wellenleistung und Wellenenergie und auch Wellendrehzahl und ist besonders zur Anwendung an den Propellerwellen von Schiffen vorgesehen, kann aber auch an anderen Wellen eingesetzt werden,

c) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind zahlreiche Lösungen zur Messung des Drehmomentes rotierender Wellen bekannt, von denen die wichtigsten nach folgender Übersicht eingeteilt werden können:

Einrichtungen zur Messung des Drehmomentes an rotierenden_Wellen - Übersicht

A) Messung der drehmomentproportionaleh Oberflächendehnung mittels Dehnmeßstreifen, Saiten o. a_e

B) Messung der drehmomentbeeinflußten magnetischen Eigenschaften

10 1

C) Messung des Torsionswinkels, den zwei um eine Länge 1 auseinanderliegende Wellenquerschnitte gegeneinander drehmomentproportional einnehmen

C.) mit markentragenden oder Impuls bildenden Mitteln, die mit der Welle starr verbunden sind und die mit der ?/elle koaxial umlaufen

Cp) mit markentragenden oder impulsbildenden Mitteln, die neben der Welle laufend und mit dieser über Zahnradoder Zugmittelgetriebe so verbunden sind, daß ihr Drehwinkel ein konstantes Vielfaches des Wellendrehwinkels

ist ' .. .

Hier sollen nur die Einrichtungen, die in die Gruppe Cp nach vorstehender Übersicht einzuordnen sind, betrachtet werden« Jene Einrichtungen,, die in die Gruppe Ou nach vorstehender Übersicht einzuordnen sind, verwenden bei der Verarbeitung der mit Hilfe der markentragenden oder impulsbildenden Mittel gebildeten Signale zum Teil ähnliche Anordnungen wie die nach Cp, was auch berücksichtigt wird«,

Die im Folgenden beschriebene Erfindung ist in die'Gruppe Cp entsprechend der vorstehenden Übersicht einzuordnen, so daß auch hauptsächlich auf Einrichtungen, die die Merkmale nach Co aufweisen, Bezug genommen wird. Solche Einrichtungen sind beschrieben ins

- USA-Patent 3640131

- USA-Patent 3081624

- Prospektmaterial der Firma Bordmeßtechnik Hoppe, Hamburg

"Hiehtelektroniseher, schleifringloser Leistungs-, Drehmomenten- und Drehzahlmesser für Propellerantriebe" (im weiteren als Hoppe-Anlage bezeichnet)

Hinsichtlich der Signalverarbeitung soll die in die Gruppe C, entsprechend obiger Übersicht einzuordnende Einrichtung, beschrieben im DDR-WP 124678, ebenfalls betrachtet v/erden.

Die vorstehend erwähnten' Einrichtungen nach USA-Patent 3081624, die Hoppe-Anlage und die Einrichtung nach DDR-YO? 124678 haben den lachteil gemeinsam, daß Gebereinrichtungen bzw, markentragende Mittel und zu letzteren gehörige Abtasteinrichtungen verwendet werden, die speziell für die jeweilige Einrichtung mit hoher Präzision zu fertigen sind, was insbesondere "bei den für Meßanlagen an Propellerwellen üblichen kleinen Stückzahlen sehr kostenintensiv und damit nachteilig ist. Diesen Nachteil weist die Einrichtung nach USA-Patent 3640131 zwar nicht auf, da auch aus anderen Einsatzfällen bekannte optische oder andere Tachogeneratoren Anwendung finden. Wegen·der geringen Auflösung dieser Geber muß jedoch eine Phasenmessung durch Impulsaustastung durchgeführt werden., bei der sich dann eine der Drehzahl umgekehrt proportionale Ausgangsgröße ergibt« Das hat zwei lachteile; zum ersten steigt der Meßfehler der Einzelmessung mit der Drehzahl an, und es sind zweitens relativ aufwendige zusätzliche Mittel notwendig, um die zur Messung des Drehmomentes notwendige Unabhängigkeit von der Drehzahl zu erreichen,

Die Hoppe-Anlage arbeitet rein analog und bietet nicht die bei modernen Anlagen zu fordernde Möglichkeit des Rechneranschlusses _β Bei der hier vorgenommenen analogen Signalverarbeitung sind Temperaturänderungen und Bauelementealterungen von fehlervergrößerndem Einfluß· "

Bei der Einrichtung nach DDR-WP 124678 und ähnlich arbeitenden Einrichtungen muß man, um einen kleinen Fehler zu erreichen, die Eigenschaften der Mittelung statistischer Signale ausnutzen, d_e h., man muß eine möglichst große Zahl von Abtastungen pro Umdrehung erreichen, wobei bei jeder Abtastung möglichst viele Impulse (bei gegebenem Drehmoment) erfaßt werden müssen«. Hat die einzelne Abtastung· einen gewissen statistischen Fehler, und ist r die Zahl der zur Mittelung verwendeten Abtastwerte, so ist der Fehler dieses Mittelwertes um den Faktor 1/ ^P kleiner als der der Einzelmessung. Man versucht also, einmal durch Gewinnung einer großen Zahl von

' " - ⁴ - 210 180

Impulsen bei der Einzel ab tastung den statistischen Fehler der Einzelmessung klein zu halten (dazu wird im DDR-WP 124678 eine ImpulsTervielfachung verwendet) und zum zweiten die Zahl der Abtastungen (Mittelungen) möglichst, groß zu machen, worin man mit der zur Verfügung stehenden Meßzeit begrenzt ist· Die Realisierung der Forderung, Meßwerte mit kleinem Fehler in kurzen Zeiten bereitzustellen, führt auf die Forderung, die Teilung der markentragenden Mittel bzw· den Impulsabstand (im Bogenmaß) möglichst.klein zu machen« Dabei ist man jedoch bei der Einrichtung nach DDR-WP 124678 und ähnlich arbeitenden Einrichtungen durch die Eindeutigkeitsforderung beschränkt, nach der der Marken- oder Impulsabstand größer sein muß als der größte bei der Messung auftretende Verdrehwinkel der markentragenden oder impulsbildenden Mittel gegeneinander« Das begrenzt die Auflösung oder erfordert sehr große Meßzeiten, so daß hier vom Meßprinzip her eine Begrenzung besteht_o Dazu kommt, daß die Einzelabtastung relativ grober Marken im Verhältnis zum Verdrehwinkel einen großen Fehler (hervorgerufen z. B· durch Schwankungen der Empfängerempfindlichkeit oder der Triggerschwellen) hervorrufen kann.

d) Ziel der Erfindung -

Ziel der Erfindung ist eine Einrichtung, die eine laufende Überwachung des von Antriebsanlagen gelieferten Drehmomentes erlaubt, so daß Überlastungen derselben vermieden werden können und die die zur Betriebsoptimierung, zur Betriebsbeurteilung und zum wirtschaftliehen Vergleich von Anlagen notwendigen Größen Weilenleistung und Wellenenergie und auch ein Signal für die Wellendrehzahl liefert und dies in digitaler und in einer zur Weiterverarbeitung durch Rechner geeigneten Form«

e) Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur digitalen Messung des Drehmomentes, der Wellenleistung und der Wellenenergie zu schaffen, die vom Arbeitsprinzip her die besten

bekannten Einrichtungen an Genauigkeit erreicht oder übertrifft und bei der keine einrichtungsspezifischen Spezialanfertigungen für Impulsgeber oder Markenträger und deren Ab™ tastung notwendig sind»

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Impulsgeber für den Drehwinkel an jedem der beiden Wellenquerschnitte, deren Torsion gegeneinander gemessen werden soll, als inkrementale Drehwinkelgeber mit' Nullimpuls bekannte Geber, wie sie für Weg» und. Winkelmessungen an Werkzeugmaschinen hergestellt werden, Verwendung finden, die sich neben der Welle befinden und von dieser über mechanische Mittel phasenstarr angetrieben werden, wobei die Ausgangssignale der Geber, d. h, die Zählimpulsfolgen (auch nach einer eventuellen Vervielfachung) und die Nullimpulse auf Zähler gegeben werden, die jeweils nach einer bestimmten Zahl von D eingelaufenen Zählimpulsen einen Impuls D«. bzw« Dp abgeben und die durch die Nullimpulse des jeweiligen Gebers in eine Anfangslage zurückgestellt werden (Synchronisation), wobei diese Impulse D₁, und Dp so wirken, daß mit dem Impuls D^ ein erstes Tor geöffnet und mit dem Impuls D₂ dieses erste Tor geschlossen wird, und an den Eingang dieses ersten Tores die (eventuell auch vervielfachten) Zählimpulse eines der Geber gelegt werden« Dabei ist vorausgesetzt, daß, wenn das Wellendrehmoment Null ist, die Geber so justiert werden, daß ihre Nullimpulse gleichzeitig auftreten oder daß eine andere bekannte Anfangslage eingenommen wird. Stimmen beim Drehmoment Null die Nullimpulse überein, d. h. treten sie bei M=O gleichzeitig auf, so läuft bei einem Öffnungs- und Schließvorgang durch das erste Tor eine Zahl von

K ν n_r _in m = __£_ , y_w (Gleichung 1)

2.x n_w

Impulsen, die dem Wellentorsionswinkel und damit dem Wellendrehmoment proportional ist·

In vorstehender Gleichung sind

K - Geberkonstante, d. h. die Zahl der vom Drehwinkelgeber* pro Umdrehung· von einer Zählimpulsspur abgegebenen Impulse. Der Kehrwert 2 Jt Ai wird als Auflösung bezeichnet.

ν - Vervielfachungsfaktor» Durch Verwendung von zwei phasenverschobenen Zählimpulsspuren oder auf andere bekannte Weise ist eine Vervielfachung der Zählimpulse möglich*

- drehmoment proportional er Verdrehwinkel der beiden Querschnitte gegeneinander

Dabei ist

Vw= f~TT (Gleichung 2)

M - zu. messendes Drehmoment der Welle

G - Gleitmodul, Materialkonstante des Y/ellenmaterials

- polares Trägheitsmoment der Welle

- Abstand der Meßorte

- durch die mechanische Kopplung zwischen Welle und Geber festgelegtes Verhältnis der Geberdrehzahl n_ß und Wellendrehzahl n^_e Es ist auch Ü =

Es ist f_w der Verdrehwinkel beider Querschnitte der Welle gegeneinander und if q die damit verbundene dreh momentbewirkte Verdrehung beider Geber gegeneinander*

Die weitere Verarbeitung der aus dem ersten Tor austretenden Impulse wird in Anordnungen vorgenommen, die zusammen mit dem vorher Beschriebenen Gegenstand der Erfindung sind.

Zur Bildung eines drehmomentproportionalen, ausgebbaren Wertes erfolgt erfindungsgemäß die Aufsummierung der aus dem erwähnten ersten Tor auslaufenden Impulse während einer Zahl von ρ Geberumdrehungen in einem ersten Zähler.

Zur Messung und Signalisierung der ρ Geberumdrehungen dienen Zählstufen (p-Teiler), auf die die Uullimpulse eines der Geber gegeben werden und die nach jeweils ρ eingelaufenen UuIlimpulsen einen Ausgangsimpuls abgeben. Mt dem Auftreten eines UuI!impulses eines der Geber wird die Aufsummierung im vorher gelöschten ersten Zähler begonnen und nach ρ Geberura« drehungen abgeschlossen» lach Abschluß dieser Aufsummierung ist der Stand des ersten Zählers dann:

% ^s fir ^^V w · ^Ü · ¹T- P ' (Gleichung 3*1)

oder

•R-2 2

% " 2ΊΓ D ^Y * ^Ü * ^p · fw (Gleichung 3«2)

Dabei kennzeichnet der Faktor ν K / D die pro Geberumdrehung auftretenden Öffnungs- und Schließvorgänge des ersten Tores« Der zum Ende des Summationsvorganges im ersten Zähler auftretende Zählerstand, der weiterverarbeitet werden kann, ist dem Drehmoment proportional·

Zur Bildung eines der Wellenleistung proportionalen 7/ertes wird erfindungsgemäß die aus dem ersten Tor austretende Impulsfolge über ein zweites Tor auf einen zweiten Zähler gegeben und in diesem aufsummiert« Das zweite Tor wird nach Löschung des zweiten Zählers durch einen von einer an sich bekannten Zeitgeberschaltung gelieferten Impuls für die Zeit TT₁ geöffnet und nach Ablauf der Zeit ¹T^ wieder geschlossen, Uach Ablauf der Zeit T * ist die Zahl der in den zweiten Zähler eingelaufenen Impulse

tr ,, ν TC

%-zr- . ν . U»_w .T, e n_Q ¹^p (Gleichung 4*1)

— 8-210 180

Das Produkt *% .n^.v.K/D ist gleich der Zahl von Impulsfolgen, die aus dem ersten Tor während der Zeit <T ₁ austretene Damit ist

„.2 2

^L ⁼ ""p'ör— ^ ' Πί * φ γ, ^ηψ (Gleichung 4.2)

und dieser Zählerstand ist der Wellenleistung proportional, deren Messung damit ebenfalls realisiert ist.

Um schließlich einen Wert für die Wellenenergie zu erhalten,. werden erfindungsgemäß die aus dem ersten Tor auslaufenden Impulse in einem dritten Zähler aufsummiert. Ist seit der Nullstellung dieses dritten Zählers die Zeit 1" ο vergangen, so ist der Inhalt dieses dritten Zählers

K² v² Ü²

Np = —rr '-,-ν ' ' - {/> « n_w . TO (Gleichung 5)

JC/ C. JL D /Vv · c*

und somit der in der Zeit T₂ übertragenen Wellenenergie proportional.

f) Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäßen Lösungen sollen nun anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen

Pig» 1: Eine erste Einrichtung zur Messung und Anzeige von Werten, die dem We 11endrehmoment, der Wellenleistung und der Wellenenergie sowie der Wellendrehzahl proportional sind

Pig. 2: Anordnung der Drehwinkelgeber in Verbindung mit der Welle . .

Pig« 3s Beispiel für die Ausgangssignale eines Drehwinkelgebers

Pig. 4: Darstellung eines bekannten Verfahrens der Impuls- Vervielfachung

Fig. 5: Darstellung der in der Einrichtung nach Pig· 1 auftretenden Impulsfolgen

Pig* 6: Ausschnitt aus einer weiteren Einrichtung zur Messung von Wellendrehmoment, Wellenleistung und Wellenenergie

Fig. 2 zeigt die Anordnung der beiden verwendeten Drehwinkelgeber 1 an der Welle« Im gewählten Beispiel werden die Rotoren der Drehwinkelgeber 1.1 und 1.2, deren Gehäuse feststehen, über Zahnräder 2 und 3 von der Welle angetrieben. Das Übersetzungsverhältnis ist ü s d| / a« = η« / η^_β Der Antrieb der Geber durch die Welle ist auch über Zugmittelgetriebe, z. B. Zahnriemen oder auf andere Weise möglich.

Die Ausgangssignale dieser identischen Drehwinkelgeber zeigt für den Geber 1.1 schematisch Pig. 3« Der Nullimpuls IL tritt hier einmal pro Umdrehung auf. Die Zählimpulse einer Zählspur treten K-mal pro Umdrehung auf. K ist die Geberkonstante. In Fig. 3 ist K - 50 gewählt worden. Werte von K = 1000, K = 2000, K = 2500 oder auch-K = 5000 sind für derartige Geber üblich* Es soll hier bemerkt werden, daß auch Geber verwendet werden können, die zusätzlich zur Zählimpulsfolge statt der Nullimpulsfolge (ein Impuls pro Umdrehung) eine weitere Impulsfolge mit mehr als einem Impuls pro Umdrehung liefern. Sind in dieser Spur q Impulse pro Umdrehung enthalten, muß je«* doch wegen der zu fordernden Eindeutigkeit die Bedingung q <c ν K / D erfüllt sein. Die Nullimpulse werden nur zur Synchronisation und zur Einstellung des Nullpunktes der Anordnung verwendet«

Fig. 4 stellt ein Beispiel für eine im übrigen bekannte Art der Vervielfachung der Zählimpulse dar, um diesen verwendeten Begriff zu erläutern. Der Geber liefert zwei um eine Viertelperiode versetzte Impulsfolgen A und B. Durch Differentation der Flanken beider Signale und Zusammenfassung entsteht eine Impulsfolge mit der vierfachen Frequenz. Diese Art der Vervielfachung ist neben anderen Möglichkeiten in der Literatur beschrieben und ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Pig. 1 stellt die erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung von Wellendrehmoment, Wellenleistung und Wellenenergie dar. Die beiden Zählimpulsausgänge A₁ und B- bzw. JU und Bp der Drehwinkelgeber -1.1 und 1.2, die im gewählten Beispiel Pig. entsprechen mögen, sind mit den Eingängen der Vervielfacherschaltungen 5e1 und 5·2 verbunden, in denen z. B. entspre~ chend Fig. 4 die Vervielfachung der Impulsfolgen erfolgt. Die Ausgänge der Vervielfacherschaltungen 5·1 und 5*2 sind mit den Eingängen von Teilerschaltungen 6.1 und 6.2 verbunden. Diese liefern jedesmal, wenn eine bestimmte Zahl von D Zählimpulsen der Impulsfolgen ZV 1 bzw. ZV 2 in den Teiler eingelaufen ist, einen Aus gangs impuls D. bzY/. Dp« Durch den Nullimpuls der Geber, also durch die Impulse IL bzw. N_? ν/er den diese Teilerschaltungen vorzugsweise durch Nullstellen derselben synchronisiert. Dafür verwendbare Schaltungen sind aus der Literatur bekannt. Un die Synchronisation einfach durchführen zu können, sollte der Paktor (K ν /D) ganzzahlig sein, so daß der synchronisierende Nullimpuls mit einem D₁- oder Dp-Impuls zusammenfällt«

Der Ausgangsimpuls D₁ des Teilers 6.1 ist mit dem E-S-Plip-Plop 7, zusammengesetzt aus den beiden KAM)-GIiedern T.1 und 7*2, so verbunden, daß bei Auftreten des Impulses D₁ der mit dem ersten'Tor 8 verbundene Plip~Plop-Ausgang, an dem das Signal P auftritt, dieses Tor freigibt. Der Ausgangsimpuls Dp des Teilers 6*2 setzt das Plip-Plop dann wieder so, daß dessen Ausgangssignal P das erste Tor 8 wieder sperrt· Das erste Tor 8 wird von einem UND-Glied gebildet. Ist das Ausgangssignal des Plip-Flops 7P=H, können die eventuell auch vervielfachten Zählimpulse hier des Gebers 1.1 das erste Tor 8 passieren. Pur P=T wird das erste Tor 8 für die Impulsfolge ZV 1 gesperrt.

Dies erläutert auch Pig. 5. In Pig« 5 stellt ZV 1 die Zählimpulsfolge des ersten Gebers 1.1 nach der Vervielfachung dar. N- ist der Nullimpuls des ersten Drehwinkelgebers 1.1, der einmal pro Umdrehung auftritt.

2 10 180

Mit N₁ tritt der Impuls D₁ auf (Synchronisation). Für das hier gewählte Beispiel mit D = 10 tritt D₁ nach jeweils 10 weiteren Impulsen der Impulsfolge ZV 1 auf, ZV 2 ist die Zählimpulsfolge des zweiten Gebers 1.2 nach der Vervielfachung. Auch hier tritt D~ mit dem Nullimpuls JL auf (Synchronisation). Nach jeweils D = 10 Impulsen der Impulsfolge ZV 2 tritt ein Impuls Dp auf. D. stellt nun am R-S-Flip-Flop 7 das Signal F=H, so daß das erste Tor 8 geöffnet wird. Die Impulse der Impulsfolge ZV 1 können dann dieses Tor passieren. Mit Auftreten von Dp wird F=T gestellt und damit das erste Tor 8 bis zum Eintreffen eines neuen D₁ Impulses wieder geschlossen. Im Beispiel nach Fig« 5 laufen damit in jedem Öffnungs-Schließ-Zyklus fünf Impulse durch das Tor 8. Diese fünf Impulse sind ein Maß für die Verdrehung beider Geber gegeneinander und damit für den Verdrehwinkel der Welle, so auch des Wellendrehmomentes. Wir beziehen uns nun wieder auf Fig. 1.

Die Ausgangsimpulse des ersten Tores 8 bilden die Impulsfolge E. Der Ausgang des ersten Tores 8 ist mit dem Zähleingang C des ersten Zählers 11 verbunden, der den dem Wellendrehmoment proportionalen Wert erfaßt. Mit Auftreten eines bestimmten Nullimpulses N₁ des Drehwinkelgebers 1.1 wird der Zähler durch diesen über den Nullimpulsteiler 9 wirkenden Impuls am Rückstell (R)-Eingang zurückgestellt. Dann läuft die aus dem Tor 8 auslaufende Impulsfolge in diesen ersten Zähler 11 ein und die Impulse werden auf summiert. Nach einer durch den NuIlimpulsteiler 9 festgelegten Zahl von ρ Nullimpulsen N₁ tritt ein Impuls auf, der das Laden des dann vorhandenen Zählerinhaltes N_M in den Speicher 15.1 veranlaßt und dann den ersten Zähler 11 wieder zurückstellt. Unmittelbar danach beginnt die neuerliche Zählung. Der dann, im Speicher stehende Wert N^ ist dem Wellendrehmoment proportional, wie Gleichung 3*2 zeigt. Die mit dem Speicher verbundene Anzeigeeinheit 16.1 kann diesen Wert zur Anzeige bringen.

10 1

Die Ausgangsimpulsfolge E des ersten Tores 8 wird weiter auf ein zweites Tor 10 geschaltet, das als UND-Glied ausgebildet wurde. Am zweiten Eingang dieses UND-Gliedes 10 liegt ein von der Zeitgeberschaltung 18 gelieferter Impuls T₁, der für eine Zeit ^ * Η-Potential annimmt und so das zweite Tor 10 für die Zeit /^. öffnet. Pur die Zeit ¹^ - kann die aus dem ersten Tor 8 austretende Impulsfolge E in den zweiten Zähler 12 einlaufen, und die Impulse werden in diesem zweiten Zähler 12 aufsummiert. Each Ablauf von/^ - geht der Impuls T₁ kurzzeitig auf T-Potential, veranlaßt damit das Laden des dann erreichten Zählerstandes N-r in den Speicher 15·2 und (verzögert) das Rückstellen des Zählers 12, der dann sofort mit T₁ = H wieder die Zählung aufnimmt. Der nach Ablauf von 'ζ ₁ im Zähler aufgelaufene Zählerstand Er ist durch Gleichung 4.2 gegeben und der Wellenleistung proportional. Die' Anzeige dieses Wertes kann mit Hilfe der Anzeigeeinheit 16.2 erfolgen*

Die Ausgangsimpulsfolge E des ersten Tores 8 wird weiter auf den Eingang des dritten Zählers 13 geführt. Ist seit der Nullstellung dieses Zählers die Zeit T vergangen, so ist der Inhalt dieses Zählers durch Gleichung 5 gegeben und damit der Wellenenergie proportional. Der Zähler 13 wird zweckmäßigerweise aus zwei hintereinandergeschalteten Stufen zusammengesetzt. Die erste Stufe 13.1 ist ein elektronischer Zähler, der jeweils bei Überlauf einen Impuls an die elektromechanischen Zählstufen 13*2 liefert. Der Stand der elektromechanischen Zählerstufen wird angezeigt. Damit ist gesichert, daß auch bei kurzzeitigem Stromausfall der über lange Zeit integrierte Wert für die Wellenenergie erhalten bleibte

Schließlich kann noch ein weiterer vierter Zähler 14 verwendet werden, in den über ein Tor 17, realisiert durch ein UND-Glied, die Zählimpulse ZV 1 oder ZV 2, hier ZV 1, einlaufen können. Das Tor 17 wird durch einen von der Zeitgeberschaltung erzeugten Impuls T^ für eine Zeit χ ₀ geöffnet und wieder geschlossen.

Nach Ablauf dieser Zeit rft „ ist der erreichte Zählerstand

¹¹W

und damit der Wellendrehzahl proportional. Statt der Impulse ZV 1 oder ZV 2 können auf das Tor auch die Impulse N.. oder H₂, A₁ oder Ap, IL oder Bp geschaltet werden; immer ergibt sich nach Ablauf der Zeit ^p ein der Wellendrehzahl .proportionaler Zählerstand.

Nach Ablauf von ^p geht T₂ kürzzeitig auf T-Potential, veranlaßt damit das Laden des Zählerstandes N in den Speicher und das Rückstellen des vierten Zählers 14. Unmittelbar danach beginnt erneut die Summierung. Der der Drehzahl der Welle proportionale Wert N kann mit der Anzeigeeinheit 16.4 zur Anzeige gebracht werden.

Die Speicher 16.I, 16„2 und·16.4 sowie die Zählstufen 13.2 weisen parallele Ausgänge auf, die hier durch jeweils eine Leitung angedeutet worden sind (20.W, 20.L, 20.M und 20„n). Diese Leitungen führen zu weiteren Einheiten, z. B. einem Rechner, einem Regler oder Fernanzeigen usw., so daß für diese Einheiten digitale Eingangssignale zur Verfügung stehen.

Die vorstehend beschriebene Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung hat noch den Nachteil, daß bei Drehmomenten in der Größenordnung von Null durch Toleranzen oder Justierfehler der Ausgangsimpuls des zweiten Teilers 6.2, der Impuls D₂, vor dem Ausgangsimpuls des ersten Teilers, dem Impuls D₁, auftreten kann. Die dann auftretenden Zählerstände kann man · nicht fehlerfrei auswerten. Um diesen Fehler zu vermeiden, wird mit einem Off set S gearbeitet. Hierzu werden d^ie Geber bei einem Drehmoment von Null (M = O) so gegeneinander verdreht, daß der Impuls D₁ bei Beachtung aller Toleranzen immer sicher vor dem Impuls Dp auftritt. Es v/erde angenommen, daß diese Offsetverschiebung so groß sei, daß im Mittel m = S Impulse zwischen den Impulsen D₁ und Dp auftreten, wobei S eine ganze positive Zahl ist.

-η- 2 10 130

Dieser Offsetwert S muß, um. richtige'Anzeigen zu erhalten, im Folgenden dann wieder subtrahiert werden. Um dies zu realisieren, werden für den ersten Zähler 11, für den zweiten Zähler 12*und für den dritten Zähler. 13 Vor-Rückwärts-Zählstufen verwendet, die bei Auftreten von Impulsen an den DV-Eingängen vorwärts, bei Auftreten von Impulsen an den CR-Eingängen rückwärts zählen. Pig. 6 zeigt einen Ausschnitt der verwendeten Anordnung mit Offsetkorrektur. Die Glieder 7*1, 7.2, 8, 9 und 10 entsprechen der Anordnung nach Mg. 1. Pur die Zähler 11, 12 und 13 wurden Vor-Rückwärts-Zähler eingesetzt. Zusätzlich zu Pig. 1 wurden eingefügt das Tor 22, das R-S-Plip-Plop, bestehend aus den NAND-Gliedern 21·1 und 21.2, der Zähler 19 und das MD-Glied 23*

Die Schaltung arbeitet nun so, daß mit Auftreten des D₁=Impulses das R-S-Plip-Plop 7«1/7·2 so gestellt wird, daß das Tor 8 geöffnet wird. Bis zum Eintreffen des das Tor 8 sperrenden Impulses D„ läuft die Zählung in den einzelnen Zählern wie oben beschrieben ab.

Mit Auftreten von Dp wird das erste Tor 8 gesperrt, durch Umschalten des R-S-Plip-Plop 21.1/21.2 das Tor 22 geöffnet, durch das nun die Zählimpulsfolge ZV 1 auf die Rückwärtszähleingänge CR der einzelnen Zähler 11, 12 und 13 läuft. Gleichzeitig wird der Zähler 19 freigegeben, und dieser zählt ebenfalls die ZV 1 Impulse. Während dieser Phase erfolgt die Offset subt rakt ion. Der Zähler 19 gibt, nachdem die dem Offsetwert S entsprechende Zahl von Impulsen der Zählimpulsfolge ZV 1 in ihn eingelaufen ist, einen T-Impuls ausgangsseitig ab, der das R-S-Plip-Plop 21.1/21.2 zurückstellt, womit das Tor 22 gesperrt wird und die Offsetsubtraktion beendet ist. Um dies fehlerfrei durchführen zu können, müssen die oben definierten Zahlen die Bedingung D^m (\_ia3;) + S erfüllen, um Eindeutigkeit zu sichern. Vorzugsweise kann der Zähler 19 programmierbar ausgeführt werden, um Toleranzen der Einstellung elektronisch ausgleichen zu können.

10 1!

Die spezifischen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind:

1. Der Markenabstand der Geber darf, gemessen als Winkel, kleiner sein als der größte auftretende Verdrehwinkel der Geber gegeneinander, ohne daß die Forderung nach Eindeutigkeit verletzt wird,- so daß die Auflösung der Meßeinrichtung durch die dadurch mögliche feinere Unterteilung des Maßstabes gegenüber bekannten Mitteln ganz wesentlich erhöht wird·

Der Grund dafür ist, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung im Gegensatz zu der im DDR-WP 124678 beschriebenen und verwandten Einrichtungen, bei denen die Impulse der Geber sowohl für die Auslösung der Messung als auch für die Synchronisation verwendet werden, hier die Zählimpulsfolgen für die Messung und der zusätzliche Hullimpuls für die Synchronisation verwendet werden*

Hieraus folgt auch, wie schon erwähnt, daß statt der FuIlimpulsspur (ein Impuls pro Umdrehung) auch eine solche Spur verwendet werden kann, von der mehr als ein Impuls pro Umdrehung abgenommen wird. Der Winkelabstand dieser Impulse muß nun aber größer sein als der größte Verdrehwinkel beider Geber gegeneinander, wobei eventuelle Offsetverschiebungen berücksichtigt werden müssen.

2. Weiter werden durch die hohe Auflösung in kurzen Zeiten sehr viele Abtastwerte gewonnen. Die anschließende Aufsummierung in den Zählern stellt eine Mittelung der Einzelwerte dar. Durch die hohe Zahl der Abt as t?/er t e verringert sich der statistische Fehleranteil beträchtlich. Bei der Drehmomentenmessung werden zur Bildung des anzuzeigenden, drehmomentproportionalen Wertes im ersten Zähler K ν ρ / D Abtastwerte aufaddiert, die jede für sich einen statistischen Fehler aufweisen«

Der statistische Fehler der schließlichen Summe ist nach den bekannten Gesetzen der Statistik um den Faktor 1 /KvKp / D'kleiner als der der Einzelimpulsfolge,

ΊΟ 1

Damit ist die Messung des Drehmomentes mit hoher Genauigkeit realisiert. Entsprechend verhält es sich bei der Messung von Wellenleistung und Wellenenergie.

3. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung können Geber verwendet werden, die in großer Präzision und mit großen Stückzahlen industriell gefertigt werden. Das vereinfacht die Herstellung der Einrichtung und verringert die Kosten.

Claims

Erfindungsansprüche

1. Einrichtung zur Messung von Drehmomenten und damit zusammenhängender Größen an Wellenleitungen, bei der der Verdreh- oder Torsionswinkel, den zwei um eine bestimmte Länge auseinanderliegende Wellenquerschnitte gegeneinander drehmomentproportional einnehmen, unter Verwendung von markentragenden und drehwinkelabhängig impulsbildenden Mitteln, kurz Gebern genannt, gemessen wird, die neben der Welle laufen und mit dieser über Zahnradoder andere Getriebe so verbunden sind, daß ihr Drehwinkel ein konstantes Vielfaches des Wellenverdrehwinkels am jeweiligen Querschnitt ist und die Geber bei einem Drehmoment von UuIl eine.definierte Anfangslage bezüglich der Verdrehung gegeneinander haben, gekennzeichnet dadurch, daß

als Geber inkrementale Drehwinkelgeber mit Nullimpuls (1.1 und 1.2) verwendet werden, deren Zählimpulsausgänge (A. und B₁ bzw. Ap und Bp) auch nach einer zusätzlichen Verknüpfung der Ausgangsimpulse je eines Gebers auf Teiler (6,1 bzw. 6.2) gegeben werden, die jeweils nach einer für beide Teiler gleichen Zahl von eingelaufenen Impulsen einen Ausgangsimpuls (D. und Dp) abgeben, wobei die Teiler durch die Nullimpulse (N₁ bzw. ITp) der Geber (1.1 bzw. 1.2) durch Stellen in eine definierte Lage, vorzugsweise durch Nullsetzen oder Löschen synchronisiert werden, und weiter die Ausgänge der Teiler (6.1 bzw. 6.2) so geschaltet sind, daß mit dem einen Impuls ein erstes Tor (8) geöffnet wird und mit dem anderen Impuls dieses erste Tor (8) geschlossen wird und am Eingang dieses ersten Tores (8) die Zählimpulsfolge eines der Geber anliegt, die in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Teiler (6.1 bzw. 6.2) dieses Tor passieren kann oder nicht und das Ausgangssignal dieses ersten Tores während einer bestimmten, durch einen UuIlimpulsteiler (9) festgelegten Zahl von Nullimpulsen eines der Geber in einem ersten Zähler aufsummiert wird und daß die aus dem ersten Tor (8) austretende Impulsfolge (E) auch über weitere Tore auf weitere zählende Glieder gegeben wird.

2. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Ausgang des ersten Tores (8) mit einem zweiten Tor (10) verbunden ist, welches durch einen von einer Zeitgeberschaltung (18) gelieferten Impuls (T₁) für eine bestimmte Zeit geöffnet wird und der Ausgang dieses zweiten Tores (10) mit dem Vorwärts-Zähleingang eines zweiten Zählers (12) verbunden ist.

3. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die·Ausgangsimpulsfolge des ersten Tores (8) auf einen dritten Zähler (13) gegeben-wird.'

4* Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß Geber verwendet werden, die zusätzlich zu der oder zu den Zählimpulsspureη statt der Nullimpulsspur mit einem Impuls pro Geberumdrehung eine solche zusätzliche Spur aufweisen, die mehr als einen Impuls pro Geberumdrehung liefert.

5· Einrichtung nach den Punkten 1, 2 und 3,. gekennzeichnet dadurch, daß die Geber so justiert v/erden, daß bereits bei einem Drehmoment von Null eine Zahl von Impulsen durch das erste Tor (8) tritt, der erste Zähler (11), der zweite Zähler (12) und der dritte Zähler (13) als Vorwärts/ Rückwärts-Zähler ausgebildet werden und daß diese Zähler die aus dem ersten Tor (8) austretenden und auch über Zwischenglieder auf die Zähler gelangenden Impulse vorwärts zählen und nach Abschluß einer einzelnen Abtastung für eine durch einen weiteren auch programmierbaren Zähler (19) festgelegte Zahl von Zählimpulsen rückwärts zählen, wobei die Zahl der rückwärts gezählten Impulse gleich jener ist, die bei den Einzelabtastungen im Mittel bei einem Drehmoment von Null auftritt.