DE1223029C2 - Anordnung zum Messen und Regeln elektrischer Messwerte an rotierenden Maschinenteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen und Regeln elektrisch erfaßter Meßwerte eines rotierenden Maschinenteils mit einem im rotierenden Maschinenteil befindlichen, eine Wechselstrombrückenschaltung beeinflußenden Meßwertgeber und mit einer in dem zugehörigen feststehenden Maschinenteil befindlichen Meßanordnung, die mit dem Meßwertgeber induktiv verbünden ist, ferner mit einem an die Meßanordnung angeschlossenen Stellglied, das den Meßwert und damit den Zustand des rotierenden Maschinenteils auf den Sollwert bringt.

Auf vielen Gebieten der Fertigungstechnik ist es erforderlich, die Temperatur von oder Drehmomente in rotierenden Maschinenteilen zu messen und zu regeln. Ein Beispiel hierfür sind die sogenannten Galetten von Textilmaschinen. Über diese Galetten laufen Kunststoffäden. In einem Bereich von etwa 100 bis 300° C müssen die Galetten auf ' einer bestimmten Temperatur gehalten werden, die von der Art der Kunststoffaser und von dem Verwendungszweck abhängig ist.

Gemäß dem Stand der Technik wird die Temperatur solcher Galetten elektrisch gemessen. Ein temperaturabhängiger Widerstand wird in eine Bohrung in der Galette eingesetzt. Die Größe des Widerstandes wird als Maß für die Temperatur der Galette benützt. Der Widerstand dreht sich mit der Galette. Zur Widerstandsmessung benötigt man eine Spannung, die über Schleifringe zugeführt werden muß. Diese Schleifringe haben Übergangswiderstände, die sich im Laufe der Zeit verändern können. Sie erfordem einen genauen Lauf des rotierenden Maschinenteils und eine sorgfältige Pflege, da sie sonst ihren Übergangswiderstand in unüberblickbarem Maße verändern, so daß die Messung unbrauchbar wird. Der temperaturabhängige Widerstand ist an eine Brücke in einem feststehenden Maschinenteil angeschlossen. Die Schwierigkeiten, die sich bei dieser Anordnung ergeben, sind also durch die galvanische und mechanische Verbindung zwischen dem rotierenden und dem feststehenden Maschinenteil durch die Schleifringe bedingt.

Bekannt ist eine Anordnung zum Überlastschutz für die Läuferwicklungen von Elektromaschinen, bei dem ein von der Temperatur der Läuferwicklung abhängiger Strom vom Läufer induktiv auf ein feststehendes Maschinenteil übertragen wird (deutsche Patentschrift 1151194). Es handelt sich hierbei um eine Grenzwertsteuerung. Erreicht die Temperatur im Läufer den maximal zulässigen Wert, dann wird

ein Warnsignal ausgelöst. Die induktive Übertragung des temperaturabhängigen Stromes vom Läufer auf ein feststehendes Maschinenteil ist mit Meßfehlern behaftet, da die Verluste des Übertragers, seine Streuung usw. in die Messung eingehen.

Bekannt ist weiter eine Temperaturmeßeinrichtung für die Rotore von Ultrazentrifugen, deren Temperatur durch ein von dem Rotor getragenes temperaturempfindliches Element gemessen wird (deutsche Auslegeschrift 1 084 942). Die Übertragung des Meßwertes vom Rotor auf ein feststehendes Maschinenteil erfolgt durch eine konzentrisch im Rotor angeordnete Nadel, die in einen im feststehenden Maschinenteil angeordneten und mit Quecksilber gefüllten Napf eintaucht.

Zum berührungslosen Messen von Temperaturen ist es auch bekannt, einen NTC-Widerstand als frequenzbestimmendes Element eines .RC-Tonfrequenzgenerators zu verwenden, mit der von diesem Generator erzeugten Tonfrequenz einen Sender zu modulieren und die Trägerfrequenz dieses Senders drahtlos zu übertragen, vgl. den Aufsatz »Anwendungsmöglichkeiten von iVTC-Widerständen« in der Zeitschrift »Funk-Technik«, 1951, Nr. 15 S. 419 bis 421.

Schließlich ist noch eine Einrichtung zum berührungslosen Messen der Betriebstemperatur einer Zentrifuge bekannt (deutsche Auslegeschrift 1186 804), bei der ein Thermistor in einem Zentrifugenteil angeordnet und elektrisch mit einer Spule verbunden ist. Induktiv ist diese Spule mit einer im Stator angeordneten Spule gekoppelt, die in einem Zweig einer Wechselstrommeßbrücke liegt. Auch diese Einrichtung hat Meßfehler, da die mit der Zentrifuge rotierende Spule und die im Stator angeordnete feststehende Spule einen Übertrager bilden, der einen Gleichstromwiderstand, eine Streuung usw. hat. Bei Messen von Spannungsbeträgen führen die Übertragerverluste durch Streuung usw. zu Meßfehlern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Messen und Regeln elektrisch erfaßter Meßwerte eines rotierenden Maschinenteils so auszubilden, daß die Regelung möglichst wenig von der Streuung der induktiven Übertragung beeinträchtigt und deren Meßfehler somit verschwindend gering gehalten werden können und daß eine bloße Messung in bezug auf Streueffekte völlig fehlerfrei durchgeführt werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch, daß unter Verwendung einer Wien-Robinson-Brücke als Brükkenschaltung diese in dem rotierenden Maschinenteil angeordnet und in ihre Zweige veränderliche Widerstände als Meßwertgeber geschaltet sind, daß am Brückeneingang und Brückenausgang je eine Induktionsspule liegt und diese beiden Spulen auf der Außenseite des rotierenden Maschinenteils an der Trennfläche zum feststehenden Maschinenteil angeordnet sind, daß in der feststehenden Meßanordnung an der Trennfläche zu dem rotierenden Maschinenteil zwei weitere Induktionsspulen angeordnet sind, daß ferner die eine feststehende Induktionsspule an einen einstellbaren Frequenzgenerator und an den Eingang eines gesteuerten Gleichrichters und die andere feststehende Induktionsspule an den anderen Eingang des gesteuerten Gleichrichters angeschlossen ist, der ein Anzeigegerät erregt und über das Stellglied auf das den Meßwert verändernde Organ einwirkt, und daß der Frequenzgenerator während des Regeins auf eine feste, dem Sollwert entsprechende Frequenz eingestellt ist und während des bloßen Messens auf diejenige Frequenz eingestellt wird, bei der die in der anderen feststehenden Induktionsspule induzierte Spannung ihre Phase umkehrt und die am Anzeigegerät angezeigte Spannung Null ist.

Eine Wien-Robinson-Brücke hat die Eigenschaft,

ίο daß sie bei vorgegebenen Widerstands- und Kapazitätswerten nur bei einer Frequenz abgeglichen ist. Wenn also durch den erfindungsgemäß verwendeten Frequenzgenerator eine Spannung bestimmter Frequenz von der einen feststehenden Induktionsspule induktiv auf die im Brückeneingang liegende rotierende Induktionsspule übertragen wird, erscheint am Brückenausgang dann keine Spannung, wenn die Brücke abgeglichen ist. Dieser Fall liegt dann vor, wenn die Meßwertgeber bei einer Temperaturmessung oder -regelung gerade den Wert erreicht haben, bei dem die Brücke im Gleichgewicht steht. Selbst wenn die Spannung am Brückenausgang bei Abgleich nicht exakt Null wird, da sich ideale Verhältnisse nicht verwirklichen lassen, wird die Meß- oder Regelgenauigkeit in der Nähe des Abgleichpunktes hierdurch nicht beeinflußt. Eine Wien-Robinson-Brücke hat nämlich zusätzlich noch die Eigenschaft, daß die am Brückenausgang liegende Spannung bei Durchwandern des Abgleichpunktes ihre Phase um 180° dreht. Der erfindungsgemäß verwendete gesteuerte Gleichrichter kann diese Phasendrehung unabhängig von absoluten Spannungsbeträgen exakt ermitteln. Unabhängig von möglichen Meßfehlern, die sich durch ungenaue Übertragung von absoluten Spannungsbeträgen ergeben, arbeitet die erfindungsgemäße Anordnung in der Nähe des Abgleichpunktes damit fehlerfrei, da die Phasendrehung der am Brückenausgang liegenden Spannung um 180° der entscheidende unverfälschbare und immer exakt feststellbare Hinweis für das Erreichen des Sollwertes ist. ■ ■ ·

Bei der bloßen Messung, das heißt bei abgeschalteter Regelung, beeinflußt die Streuung der induktiven Übertragung die Messung überhaupt nicht, da hier nur um den Abgleichpunkt herum gearbeitet wird. Die Brücke wird manuell oder durch ein Servosystem durch Verstellen der Frequenz abgeglichen. Dann kehrt die Spannung am Brückenausgang ihre Phase um und wird Null oder ein Minimum, da sich ideale Verhältnisse nicht erreichen lassen. Unabhängig von diesem absoluten Spannungsbetrag erfaßt aber der gesteuerte Gleichrichter die Phasendrehung, die ein eindeutiger Hinweis für den Abgleich der Brücke ist. Da die Frequenz von den Verhältnissen der induktiven Übertragung unbeeinflußt bleibt, ist somit die Messung fehlerfrei.

Bei einem Abweichen der Temperatur von diesem Sollwert nach oben oder unten verändern sich auch die in zwei Brückenzweigen liegenden Meßwiderstände in der einen oder anderen Richtung. Gleichzeitig erscheint am Brückenausgang eine Spannung, die gegenüber der am Brückeneingang eingespeisten Spannung in der Phase nach- oder voreilt. Auch die Amplitude dieser Spannung ist in Abhängigkeit von

der Verstimmung der Brücke und von der Abweichung zwischen Istwert und Sollwert veränderlich. Der gesteuerte Gleichrichter vergleicht die Phasenabweichung zwischen dieser Spannung und der Bezugs-

spannung, die er unmittelbar von dem Frequenzgenerator erhält, und liefert eine positive oder negative Gleichspannung. Damit läßt sich an dem Anzeigegerät sowohl der Betrag als auch die Richtung der Temperaturabweichung ablesen.

Soll mit der. erfindungsgemäßen Anordnung eine Temperatur geregelt oder gemessen werden, verwendet man temperaturabhängige Widerstände. Soll mit der erfindungsgemäßen Anordnung dagegen ein Drehmoment geregelt oder gemessen werden, verwendet man als Meßwertgeber Dehnungsmeßstreifen, die auf die Welle aufgesetzt werden.

Zur konstruktiven Verwirklichung des obengenannten Grundgedankens sieht die Erfindung gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung vor, daß die beiden festen Induktionsspulen je in einem Kopf angeordnet sind, der den Umfangsrand des rotierenden Maschinenteils überdeckt. Hierdurch wird es möglich, die rotierenden und die feststehenden Induktionsspulen in enger Nachbarschaft anzuordnen.

Es reicht aus, wenn die rotierenden Induktionsspulen nicht den ganzen Umfangsrand des rotierenden Maschinenteils einnehmen, sondern nur einen Bruchteil der Länge des Umfanges haben. Immer dann, wenn eine rotierende Induktionsspule an einer feststehenden Induktionsspule vorbeiläuft, werden die beiden Spulen elektromagnetisch miteinander verkettet. Da bei einer Wien-Robinson-Brücke Eingang und Ausgang miteinander vertauscht werden können, ist es gleichgültig, welche der beiden rotierenden Induktionsspulen gerade an einer der beiden feststehenden Induktionsspulen vorbeiläuft. Jedesmal wird der Meßwert übertragen, das heißt z\veimal pro Umdrehung.

In Weiterbildung des obengenannten Kunstruktionsgedankens sieht die Erfindung vor, daß die rotierenden Induktionsspulen auf einer Ringscheibe sitzen, die auf den Umfang des rotierenden Maschinenteils aufgesetzt ist, und die festen Induktionsspulen auf einen Ringkern aufgewickelt sind, der einen radialen Schlitz hat und mit diesem Schlitz beidseitig über die Ringscheibe greift.

Dies ermöglicht eine konstruktiv einfache Form, eine innige elektromagnetische Verkettung der rotierenden und der feststehenden Induktionsspulen. Weiter lassen sich die rotierenden Induktionsspulen als Flachspulen ausbilden und damit einfach auf die Ringscheibe aufsetzen.

Die Ringscheibe kann man dort auf das rotierende Maschinenteil aufsetzen, wo sie seine Funktion, wie z. B. die Aufnahme eines Kunststoffadens, nicht stört.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß zwischen dem einen Eingang des gesteuerten Gleichrichters und der einen festen Induktionsspule ein Verstärker und ein Phasenkorrekturglied liegen. Das Phasenkorrekturglied gleicht konstante Phasenfehler aus, die zwischen Frequenzgenerator und der zweiten feststehenden Induktionsspule auftreten.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ist

F i g. 1 eine Darstellung des elektrischen Teils in Form eines Schaltbildes,

Fi g. 2 eine Draufsicht auf die Stirnseite des rotierenden Maschinenteils und die beiden Köpfe an der feststehenden Meßanordnung und

F i g. 3 ein Schnitt, einmal entlang der Schnittlinie A-A und einmal entlang der Schnittlinie B-B.

F i g. 1 zeigt innerhalb des gestrichelten Vierecks die zum rotierenden Maschinenteil 10 gehörende Wien-Robinson-Brücke mit der einen Induktionsspule 12, den beiden Kapazitäten 13, 14, den beiden festen Widerständen 15, 16, den beiden veränderlichen temperaturabhängigen Widerständen 17, 18 und der zweiten Induktionsspule 20.

Zur feststehenden Meßanordnung gehören die beiden Induktionsspulen 22 und 24. Die Induktionsspule 22 ist an einen Frequenzgenerator 26 angeschlossen. Die Induktionsspule 24 führt zu einem Verstärker 28, der über ein Phasenkorrekturglied 30 zum einen Eingang eines gesteuerten Gleichrichters 32 führt. Der andere Eingang des gesteuerten Gleichrichters ist an den Frequenzgenerator 26 angeschlossen. Der gesteuerte Gleichrichter 32 steuert einen weiteren Verstärker 34, der ein Anzeigegerät 36 erregt. Hinter bzw. parallel zum Anzeigegerät 36 liegt eine Regelanordnung für die Heizung. Diese Regeiao anordnung, die einen Kraftschalter enthält, gehört nicht zum Gegenstand der Erfindung. Da sie keine Besonderheiten bietet, wird sie nicht näher erläutert. Der Frequenzgenerator 26 liefert eine Spannung bestimmter Frequenz. Diese Spannung wird von der feststehenden Induktionsspule 22 auf die rotierende Induktionsspule 12 übertragen. An der zweiten rotierenden Induktionsspule 20 erscheint nur dann eine Spannung, wenn die Brücke nicht abgeglichen ist. Diese Spannung überträgt sich auf die zweite feststehende Induktionsspule 24 und wird von dort dem einen Eingang des gesteuerten Gleichrichters 32 zugeführt. Dieser liefert eine Ausgangsspannung, deren Betrag von der Amplitude der eingegebenen Wechselspannung und deren Vorzeichen von dem Phasenverhältnis zwischen der eingegebenen Wechselspannung und derjenigen Spannung ist, die ihm unmittelbar vom Frequenzgenerator 26 zugeführt wird. Entsprechend dem Betrag und dem Vorzeichen der Gleichspannung wird das Anzeigegerät 36 mehr oder weniger große positive oder negative Werte anzeigen. Diese sind ein Maß für die Abweichung der Isttemperatur vom Sollwert in Positive oder Negative.

Falls das rotierende Maschinenteil gerade die Solltemperatur hat, haben die beiden Widerstände 17, 18 einen solchen Wert, daß die Brücke bei der eingespeisten Frequenz abgeglichen ist und die Spannung an der Spule 20 gleich oder fast Null ist. Das Anzeigegerät 36 schlägt nicht aus.
Bei der Verwendung der Anordnung zum bloßen Messen speist man eine veränderliche Frequenz ein. Man verändert die von dem Frequenzgenerator 26 erzeugte Frequenz so lange, bis die Brücke abgeglichen ist und das Anzeigegerät 36 Null oder ein Minimum anzeigt. Die Isttemperatur wird dann am Frequenzgenerator 26 abgelesen, der in Grad Celsius geeicht ist.

Bei Verwendung der Anordnung zum Regeln wird der Sollwert als konstante Frequenz am Frequenzgenerator 26 vorgegeben. Das Kraftschaltglied, das am Ausgang des Verstärkers 34 liegt, wird so lange erregt, bis Brückenabgleich erreicht ist und die Spannung am Ausgang des Gleichrichters 32 zu einem Minimum wird.
Die F i g. 2 und 3 zeigen den mechanischen Teil.

Das rotierende Maschinenteil 10 sitzt auf der Welle 38. Von der feststehenden Meßanordnung sind in F i g. 2 die beiden Köpfe 40, 41 eingezeichnet, die die feststehenden Induktionsspulen 22 und 24 enthalten.

Weiter erkennt man in F i g. 3 die elektrischen Zuleitungen 42, die zu dem Heizelement 44 führen. F i g. 2 läßt die Anordnung und Ausbildung eines Teils der elektrischen Elemente erkennen. Die beiden rotierenden Induktionsspulen 12 und 20 sitzen auf dem Umfang des rotierenden Maschinenteils 10. Die beiden temperaturabhängigen unveränderlichen Widerstände 17,18 sind in Axialrichtung in das Maschinenteil 10 eingesetzt. Die beiden Kapazitäten 13, 14 sind in je zwei Kondensatoren unterteilt. Der eine Kondensator jedes Paares hat dabei einen Tempera-

turkoeffizienten, der entgegengesetzt zum Koeffizienten des anderen Kondensators des gleichen Paares ist.

F i g. 3 zeigt die Ringscheibe 46, auf der die rotierenden Induktionsspulen 12 und 20 sitzen. Zur feststehenden Meßanordnung gehört der Kopf 40, in dem ein Ringkern 48 angeordnet ist. Der-Ringkern 48 nimmt die eine feststehende Induktionsspule 24 auf. Der Ringkern hat weiter einen radialen Schlitz ίο 50, in den die Ringscheibe 46 mit den rotierenden Induktionsspulen 12 oder 20 hineingreift.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 618/370

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Messen und Regeln elektrisch erfaßter Meßwerte eines rotierenden Maschinenteils mit einem im rotierenden Maschinenteil befindlichen, eine Wechselstrombrückenschaltung beeinflußenden Meßwertgeber und mit einer in dem zugehörigen feststehenden Maschinenteil befindlichen Meßanordnung, die mit dem Meßwertgeber induktiv verbunden ist, ferner mit einem an die Meßanordnung angeschlossenen Stellglied, das den Meßwert und damit den Zustand des rotierenden Maschinenteils auf den Sollwert bringt, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung einer Wien-Robinson-Brücke (13, 14, 15, 16, 17, 18) als Brückenschaltung diese in dem rotierenden Maschinenteil (10) angeordnet und in ihre Zweige veränderliche Widerstände (17, 18) als Meßwertgeber geschaltet sind, daß am Brückeneingang und Brückenausgang je eine Induktionsspule (12, 20) liegt und diese beiden Spulen auf der Außenseite des rotierenden Maschinenteils (10) an der Trennfläche zum feststehenden Maschinenteil angeordnet sind, daß in der feststehenden Meßanordnung an der Trennfläche zu dem rotierenden Maschinenteil (10) zwei weitere Induktionsspulen (22, 24) angeordnet sind, daß ferner die eine feststehende Induktionsspule (22) an einen einstellbaren Frequenzgenerator (26) und an den Eingang eines gesteuerten Gleichrichters (32) und die andere feststehende Induktionsspule (24) an den anderen Eingang des gesteuerten Gleichrichters (32) angeschlossen ist, der ein Anzeigegerät (36) erregt und über das Stellglied auf das den Meßwert verändernde Organ einwirkt, und daß der Frequenzgenerator (26) während des Regeins auf eine feste, dem Sollwert entsprechende Frequenz eingestellt ist und während des bloßen Messens auf diejenige Frequenz eingestellt wird, bei der die in der anderen feststehenden Induktionsspule (24) induzierte Spannung ihre Phase umkehrt und die am Anzeigegerät angezeigte Spannung Null ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 zum Regeln und Messen der Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderlichen Widerstände (17, 18) temperaturabhängig sind und das Stellglied auf ein Heizelement (44) einwirkt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 zum Regeln und Messen des Drehmoments, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderlichen Widerstände (17,18) Dehnungsmeßstreifen sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Induktionsspulen (22, 24) je in einem Kopf (40) angeordnet sind, der den Umfang des rotierenden Maschinenteils (10) überdeckt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Induktionsspulen (12, 20) auf einer Ringscheibe (46) sitzen, die auf den Umfang des rotierenden Maschinenteils (10) aufgesetzt ist, und die festen Induktionsspulen (22, 24) auf einen Ringkern (48) aufgewickelt sind, der einen radialen Schlitz (50) hat und mit diesem Schlitz (50) beidseitig über die Ringscheibe (46) greift.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Induktionsspulen (12,10) Flachspulen sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Eingang des gesteuerten Gleichrichters (32) und der zweiten festen Induktionsspule (24) ein Verstärker (28) und ein Phasenkorrekturglied (30) liegen.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgenerator (26) eine Temperaturskala trägt.