NO300940B1 - Anordning for maling av torsjon pa roterende akslinger - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angir en ny anordning og freingangsmåte for måling av belastede roterende akslingers torsjonsvinke1. Når denne er kjent, kan vrimomentet beregnes, og derved også den effekt som akslingen overfører når man samtidig måler omdreiningshastigheten (RPM).

Målingen av den virkelige effekt man overfører ved hjelp av roterende akslinger fra en motor, turbin etc. og til driftsanordninger av alle typer, så som propellere, hjul etc. har til nå vært basert på bruk av strekklapper pålimt akslingen. Målesignalet fra strekk 1appene blir så transmittert til avleseinstrumentene ved hjelp av telemetri eller sleperinger. På akslingen er det da påmontert et målesystem og telernetrisender som roterer med. Dr i ftsspenningen får systemet enten fra et på akslingen påmontert batteri eller på nyere systemer tilført trådløst.

Et av de nyeste systemene anvender ha 11effektsensorer. Disse senser på fortannete hjul som er plassert i en viss innbyrdes avstand. Ved hjelp av tidsforskyvningen sorn oppstår mellom tennene på de fortannete hjulene, kan aksel vridningen beregnes. 1 dette systemet anvendes det to sensorer; en sensor plassert ved hvert tannhjul. Et slikt system er beskrevet, i tidsskriftet "Antriebstechnik" 33 (1994) Nr. 8, side 53: "Entwicklung eines robusten beruhrungs1 osen Drehzahl-Dr e hrnome n t -Me s s y s t ems''.

US Patent No. 4.52U.681 er et system som anvender pulsteknikk med roterende avblendere i en viss innbyrdes avstand på akslingen. Akse Ivridningen måles også i denne utførelsen ved hjelp av tidsforskyvningen mellom impulser. E>et brukes her en sensor plassert ved hver avblenderanordning. Ved hjelp av elektroniske tellekretser måler rnan tidsforsinkelsen mellom signalene fra to sensorer. US 4.520.681 anvender enten optiske eller magnetiske sensorer og er basert på prinsipper som ligner på eller er identiske rned de som anvendes i det ovenfor nevnte systemet som er beskrevet på side 53 i tidsskriftet "Antriebstechnik" 33 11994) Nr. 8

Det er et felles trekk ved de ovenfor nevnte systemer at de må bruke to sensorer for å kunne detektere akse 1vridningen.

For å oppnå en tilstrekkelig grad av nøyaktighet er man avhengig av at triggerpunktene på de to sensorene ikke driver i forhold til hverandre. Elding og/eller temperaturendring kan medvirke til at triggerpunktene på to-sensor-systemer driver i ulik grad. Dermed vil målenøyaktigheten reduseres. Denne oppfinnelsen måler vrldningsvinke1 en ved å bruke kun ett sensorsystem. Dette eliminerer muligheten for at de målte signaler driver i tid i hver sin retning fra de to målepunkter, og oppfinnelsen fremstår derved som et nytt prinsipp med høy grad av nøyaktighet og langtidsstabilitet. Disse trekkene ved anordningen oppnås slik de er beskrevet i den karakteristiske delen av oppfinnelsens patentkrav 1, samt ved den fremgangsmåten som er beskrevet i det selvstendige kravet 4.

Fig.l viser målesystemet utformet med en lyskilde som sender og en lysfølsom diode e.l. med tilhørende elektronikk som mottager. Lyskilden, senderen, kan være en LASER lyskilde eller en LED (Light Ernitting Diode). Fra senderen (1) sendes lyset i en smal stråle (2) parallelt med den roterende akslingen (4). Når akslingen roterer brytes lysstrålen av de på akslingen påmonterte avblendere (3a) og (3b). Disse er plassert i en viss, passende innbyrdes avstand. De på denne måten genererte lysimpulser mottas av mottageren (5) og omformes i e1ektronikkde1 en (6) til passende impulser. Avblenderne vil ved akslingens belastning vris en viss vinkel

i forhold til hverandre.

Avblendingstiden øker fra tiden t uten belastning til t + At under belastning. Prinsippet for dette er vist på fig.4 hvor avblendingsanordningene (3a) og (3b) som er montert på den roterende akslingen i en viss innbyrdes avstand, er forskjøvet en tid 4t i forhold til hverandre. Fig. 2 viser en prinsipiell løsning hvor det brukes fiberoptisk kabel (.9). Denne er brudt to steder ved avblenderne (3a) og (3b). Lyset, sendes her fra optikken (1) over luftspalten ved (3a) og videre gjennom optikken (7), lyslederen (9), linsen (10) og over nok en luftspalte ved (3b) til mottageropt ikken (11) som er koblet til fotodioden (.6) med tilhørende elektronikk for pulsgenerering. Fordelen ved å bruke fiberoptisk kabel for lystransmis jonen. ei- at lyset kan passere eventuelle hindringer f.eks. lager fig. 2 (8). Avstanden mellom avblenderne kan på denne måten gjøres større og målenøyaktigheten økes. Fig. 3A viser et arrangement hvor det anvendes to fortannete skiver sorn avblendingsanordning. Som vist på fig. 3A, sendes lyset fra en kilde (12) merket S/M gjennorn en fiberoptisk kabel (13) og frem til den optiske sender (14). Etter at lysstrålen (15) har passert, den roterende, fortannete skive (16), fanges det pulserende lyset opp i den optiske lysmottaker (17) som er tilkoblet det optiske fiber (18). Lyset transmitteres gjennom fiber (18) til den seriekoblete optiske sender (19). Lysstrålen (20) passerer den roterende, fortannete skive (21), fanges opp av den optiske mottager (22) og transmitteres videre gjennom det optiske fiber (23) og frem til en lysfølsorn sensor (12) merket S/M.

PS denne måten avblendes lyset eller hakkes opp i mange impulser pr. omdreining av akslingen. Den innbyrdes forskyvningen av tennene på avb 1 end i ngsski verte (.16) og (21) bestemmer lengden på lysirnpulsene. Dette er et mål for akse 1 vridningen , tors jonsmornentet, og derved for belastningen.

Fig. 3.B viser den til fig 3A komplementære anordning. Lysbanen i fig.3A er i en seriekobling ved at den samme lysstråle (15) og (20) passerer to luttspalter ved henholdvis (16) og (21). I anordningen fig. 3B sendes ut to like lysstråler fra kilden (12) merket S/M. Lyset som transmitteres gjennorn fiberet merket (24a) passerer lysspalten ved skiven (16) og det tilsvarende lyset som transmitteres' gjennorn fiberet (24b) passerer lysspalten ved skiven merket (21). Begge lysstråler (26) og (30) blir opphakket av fortanningen på de respektive skiver (16a) og (21a). Skivene <l6a.) og (21a) er i en invertert utførelse i forhold til skivene (16) og (21) på fig. 3A. Skivene (16a) og (21a) har kort lysåpning og lang avblending. Et passende forhold mellom lysåpning og avblending er 1:4. Det pulserende lyset transmitteres gjennorn henholdvis fiber (28a) og fiber (28b) frern til et lyssamleledd (32). I lyssamle1eddet blir lyssignalene som mottas fra de to inngående optiske fibre (28a, 28b.) summert. Ut fra mottageren (32) transmitteres de resulterende lysimpulser gjennorn fiberet (33) frern til den lysfølsomme detektor (12) merket S/M.

Anordningene vist i fig.3A og fig.3B vil i prinsippet gi identiske informasjoner til den lysfølsomme detektoren i (12). Det kan imidlertid være fordelaktig å bruke anordningen som vist på fig.3B da dempningen av lyssignalet blir mindre ved at det kun er en luftspalte i hver lysbane. Det vil videre være fordelaktig å bruke korte lysimpulser og lange mørkeperioder som vist på tegningen fig. 3B. Man vil ellers få et konstant "offset" lyssignal i utgangsfiberet (33) etter summasjon av lyssignalene fra (28a) og (28b).

Fig. 5 (34.) og (35) viser impulsene etter at lysstrålen har passert•tenner/lysåpninger merket Al...An og Bl...Bn på de to skivene i fig. 3A (16) og (.21). Som det fremgår av fig. 3B, er skivene (16a) og (21a) den inverterte utførelsen av (16) og (21) .

På den samme akslingen er begge skivene identiske og plassert i en passende avstand fra hverandre.

Den innbyrdes stilling til avb le ridings ski vene (16) og (21) er relativt ukritisk i ubelastet tilstand, men normalt monteres de slik på akslingen at Bl...Bn faller i mellomrommene rnellorn Al...An og slik at tennene (lysåpninyene) ikke kommer til å overlappe hverandre under belastning. Fig. 5 (34) og (35) illustrerer dette. Når akslingen roterer, vil man i den lysfølsomme mottageren (12) tig.3A, henholdvis fig.3B, rnotta lysimpulser som vist på fig. 5 (36). Ubelastet aksling vil ha tidsforskyvningen t mellom tennene (lysåpningene) A og B. Belastet vil denne øke til t + fat, hvor At som nevnt ovenfor er et uttrykk for belastningen.

De av mottageren (12) i fig. 3A henholdsvis fig.3B mottatte impulser av formen (36) tig. 5 blir detektert og omformet til elektroniske impulser. Tiden mellom to påfølgende stigende flanker blir målt ved hjelp av dertil egnete elektroniske te 11ekretser. De fallende flankene behandles på samme måte.

Fig. 5 (37) viser impulser som er detektert på de stigende flankene til A og B. Fig. 5 (38) viser tilsvarende de fallende flankene. Få denne måten får man to sett impulser som tilsamrnen pr. omdreining er to ganger antallet avblendingstenner (lysåpninger).

Begge impu 1 sser i ene , sorn altså både representerer de stigende flankene (37) og de fallende flankene (38), blir akkumulert i hurtige te 11ekretser.

Dette gir en tidssum som gjennomsnittberegnes og følgelig oppdateres etter et passende antall omdreininger.

Når man korrigerer for t, sorn representerer forskyvningen i ubelastet tilstand, kan & t beregnes som et gjennomsnitt etter et valgfritt antall omdreininger, eventuelt etter en valgfritt bestemt tid.

Omdreiningshastigheten (RPM) bestemmes ved at teJ1ekretsene beregner tiden for hver omdreining. På denne måten kan man beregne RPM med meget stor nøyaktighet. Det brukes en høy k1okkefrekvens (stor oppløsning).

På basis av den gjennomsnittsberegnete £t samt RPM kan man nå i en tilkoblet datamaskin beregne akslingens vrimoment samt den effekt som overføres.

Den praktiske utformingen av denne oppfinnelsen, kan gjennomføres som vist på fig.6. Det sendes lys fra kilden S (45) gjennom de optiske fibrene merket (24a) og (24b) og frem til gaffe 1 formete optiske overførings1 edd (39) og (4u) som sender lyset i en meget smal stråle over en luftspa 1te med bredde. 5 - 1 u mm.

Tilsvarende som vist på figurene 3A og 3B, blir lyset pulsert av de roterende skivene rned passende utformete tenner/blendere idet disse roterer i de optiske gaflenes lysåpning.

Fra de to gaflene (39) og (40) sendes lyset i optiske fibre merket henholdsvis (28a.) og (28b) til 1 yssaml e. 1 eddet (32). Summen av lysimpu1 sene tilføres mottakeren (41) gjennom fiberet (33). 1 dette fiberet vil lys impulsene ha formen (36) fig.5. Mottakeren er en lysfølsom diode/transistor med meget kort stigetid. Utgangssignalene fra mottageren er i form av elektriske pulser på standard TTL nivå. Disse behandles videre i de ekstremt hurtige tei lektet sene (47) som behandler signalene i sann tid og lagrer den store mengden med informasjon mellom hver oppdatering. Dette blir styrt ved hjelp av to-veis kommunikasjon på RS485 nivå (48) fra en standard PC (49).

For å eliminere feil som er forårsaket av periodiske bevegelser, f.eks. vibrasjoner, midles signalene som uttrykker vridningsvinkelen. over et stort antall omdreininger.

De målte data gir grunnlag for beregning av RPM, vridningsmoment og akselet fekten. Disse dataene presenteres både digitalt og grafisk på dataskjerm (50). Eventuelt kan de presenteres på LCD skjerm.

Det karakteristiske ved denne oppfinnelsen er at man bruker kun ett detektorsystem bestående av en lyskilde som sender og kun en fotodiode med tilhørende elektronikk sorn mottager. I anordningen hvor fremføringen av lyset er som vist på fig.3B og fig.6, kan det alternativt brukes to lyskilder, en for hver lysleder ( f iber.) (24e.) og (24b). Dette er et praktisk spørsmål. Det er videre karakteristisk for oppfinnelsen at lyset ledes fra sender til mottager ved hjelp av en fiberoptisk kabel, med den fordel dette gir med hensyn til plasseringen av avblendingsskivene på akslingen.

Lyssignalet kan således ledes forbi hindringer, f.eks. skott og lagre. Avstanden mellom må 1 e~punktene , avbl endi ngsski vene, kan gjøres størst mulig, noe som øker målenøyaktigheten. På tegningene fig.3A, fig.3B og fig.6 er anordningen vist med ett lager. I prinsippet er det intet til hinder for at man kan passere flere aksel lagre med lyssignalene.

Fig. 7 viser to mulige utforminger (51) og (52) av avblendingsskivene. Med utformingen (51) senser man på de mørke impulsene og med utformingen (52) senser man på de lyse impulsene. I prinsippet kan begge metoder brukes. De viste impulsserier som mottas av den lysfølsomme sensor etter at 1ysstrå1 en(e) har passert begge avblendingsskivene på akslingen, (51A) og (51B), henholdsvis (52A) og (52B), er merket Al, Bl A12. B12. Antallet tenner/blendere på de skivene som her er vist er 12. slik at Al Bl2 svarer til en omdreining av akslingen. Sirkelen merket 53 indikerer plasseringen av lysstrå 1 en (e) . Sorn beskrevet ovenfor, vil den innbyrdes avstand ine 1 1 orn impulsene Al. Bl etc. gi et rnål for torsjonen.

Claims (8)

1. Anordning for måling av roterende akslingers (4) torsjon ved å beregne tiden mellom passeringen av faner (16,21) plassert i passende avstand fra hverandre langs akslingen (4) karakterisert ved bruk av to optiske fibre (24a,24b) for overføring av lyssignaler til to luftgap (39,40), hvor fanene (16,21) så vel som luftgapene er plassert i passende avstand fra hverandre langs akslingen (4), ett lyssamleledd (32) for summering av de i luftgapene pulserte lysstråler, en ytterligere fiber (33) for signaloverføring samt en enkelt lysfølsom sensor for behandling av lyssignalene e 1 ler bruk av en optisk fiber (13) for overføring av lyssignaler til et første luftgap (39), en optisk lysmottaker (17), en optisk fiber (18) og en optisk sender (19) for overføring av lyssignaler til et annet luftgap (40), hvor fanene (16,21) så vel som luftgapene er plassert i passende avstand fra hverandre langs akslingen (4), en optisk mottaker (22) for mottak av de i luftgapene pulserte lysstråler, en ytterligere fiber (33) for sinaloverføring samt en enkelt lysfølsom sensor for behandling av lyssignalene.

2. Anordning ifølge krav 1 karakterisert ved at luftgapene er utført som to optiske gafler (39,40).

3. Anordning ifølge krav 1 karakterisert ved bruk av elektroniske pulstellekretser (47) for lagring av informasjon om akslingens torsjon samt en datamaskin (49) for behandling av signalene.

4. Fremgangsmåte for måling av roterende akslingers (4) torsjon ved å beregne tiden mellom passeringen av faner (16,21) plassert i passende avstand fra hverandre langs akslingen (4) karakterisert ved at to lysstråler overføres gjennom to optiske fibre (24a,24b) til to luftgap (39,40) hvor fanene (16,21) og luftgapene er plassert i passende avstand fra hverandre langs akslingen (4) og at de i luftgapene (39,40) pulsete lysstrålene summeres i et lyssamleledd (32) og at lyssignalene som dannes på denne måten deretter blir overført gjennom et optisk fiber (33) til en lysfølsom sensor (41) som omformer lyssignalene til elektriske pulser el ler bruk av en optisk fiber (13) for overføring av en lysstråle til et første luftgap (39), en optisk lysmottaker (17), en optisk fiber (18) og en optisk sender (19) for overføring av lyssignaler til et annet luftgap (40), hvor fanene (16,21) så vel som luftgapene er plassert i passende avstand fra hverandre langs akslingen (4), en optisk mottaker (22) for mottak av de i luftgapene pulserte lysstråler, en ytterligere fiber (33) for signaløverføring samt en enkelt lysfølsom sensor som mottar lyssignalene og omformer disse til elektriske pulser.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4 karakterisert ved bruk av optiske gafler (39,40) for utforming av luftgapene, og ved at en enkelt lysfølsom sensor (41) omformer lyssignalene til elektroniske impulser som overføres til elektroniske pulste11ekretser (47) hvor informasjonen lagres og deretter overføres via to-veis kommunikasjon (48) til en datamaskin (49) som på grunnlag av de mottatte signaler beregner torsjosmomentet, omdreiningshastigheten og akse 1 effekten.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4 karakterisert ved bruk av den lysfølsomme sensor (41) for omforming av lyssignaler til elektroniske impulser som representerer tiden både mellom de stigende og de fallende flankene til lysimpulsene slik at det i løpet av et antall akselomdreininger blir akkumulert dobbelt antall tidforskyvninger.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 4 karakterisert ved at både tidene mellom de stigende flanker og tiden mellom de fallende flanker akkumuleres over en viss ønsket valgbar tid og deretter gjennomsnittberegnes hvorved det fremkommer et uttrykk for tidsforskyvningen som representerer akse 1vridningen når omdreiningshastigheten er kjent.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 4 karakterisert ved bruk av inverterte signaler slik at avblending erstattes med lys og omvendt.