DE102017006370A1 - Doppelflansch-Drehmomentaufnehmeranordnung mit Redundanz - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen flanschförmigen Drehmomentaufnehmer und insbesondere einen Drehmomentaufnehmer, der vorzugsweise in sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt wird und folgende Merkmale aufweist: eine Messelement (1), an dem Dehnungsmessstreifen (2) befestigt sind, zwei parallel zueinander angeordnete scheibenförmige Befestigungsflansche (3, 4), zwischen denen das Messelement (1) sich erstreckt und die zusammen mit dem Messelement (1) einstückig gefertigt sind, und eine erste und eine zweite Drehzahlmessvorrichtungen (5, 6; 7,8), wobei jedem der Befestigungsflansche (3, 4) eine Drehzahlmessvorrichtung (5, 6; 7, 8) zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Nutzung des Drehmomentaufnehmers zur Bestimmung eines Drehmoments.

Description

• Die Erfindung betrifft einen flanschförmigen Drehmomentaufnehmer und insbesondere einen Drehmomentaufnehmer, der in sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt wird.
• Drehmomentaufnehmer der Flanschtype sind aus dem Stand der Technik bekannt und nutzen als Sensor z. B. Dehnungsmessstreifen. Drehmomentaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen ermöglichen sehr genaue Messungen des Drehmoments und werden u. a. zur Reglung hochtouriger Turbinen eingesetzt. Neben der hohen Messgenauigkeit werden oft noch eine hohe Zuverlässigkeit und ein geringes Gewicht gefordert. Die Forderung nach einer hohen Zuverlässigkeit ergibt sich daraus, dass beim Ausfall des Drehmomentaufnehmers keine Systemreglung mehr möglich ist und die Maschine, Turbine oder Anlage stark beschädigt werden könnte. Wenn eine solche Forderung besteht ist es üblich, diese Messsysteme redundant auszulegen. In solchen Fällen, bei denen das Gewicht und speziell das Massenträgheitsmoment des Drehmomentaufnehmers unerheblich sind, können z.B. zwei Drehmomentaufnehmer hintereinander geschaltet werden. Wie vorstehend erwähnt, kommt es aber häufig darauf an, die Masse und das Bauvolumen des Drehmomentaufnehmers möglichst gering zu halten.
• Diese Anforderungen sind auch in dem Dokument DE 102009016105 A1 gestellt. Die darin beschriebene technische Lösung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Beanspruchung rotierender Wellen von Turbomaschinen und Flugtriebwerken. Um die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen dieser Art zu vermeiden, die eine Mehrzahl von Bauteilen an der rotierenden Welle benötigen, sieht die Erfindung vor, dass mittels einer magnetischen Kodierung der Welle als Signalgeber ein Signal für die auf die Welle einwirkende Beanspruchung erzeugt wird und dass das Signal für die Größe der Belastung von gehäusefesten Signalsensoren erkannt und ausgewertet wird.
• Es gibt weiterhin einen speziellen Einsatzfall: Wenn sich eine Maschine auf Grund eines Ausfalls des Drehmomentaufnehmers nicht mehr regeln lässt, soll sie zumindest heruntergefahren werden können. Die dazu nötigen Messsignale müssen keine besonders hohe Genauigkeit aufweisen. Demzufolge wäre ein redundant geschalteter Drehmomentaufnehmer mit geringerer Genauigkeit geeignet, die Bedingungen einer derartigen Notregelung zu erfüllen. Dieser zusätzliche Drehmomentaufnehmer soll jedoch nur eine geringe Masse und auch ein geringes Bauvolumen aufweisen. Die Probleme beim Durchfahren von kritischen Drehzahlbereichen werden auch in dem Dokument EP 1908926 A1 diskutiert.
• Somit besteht die Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer Drehmoment-Messanordnung mit einer hohen Messgenauigkeit, die jedoch bei Ausfall seiner Sensorik nicht zu einem Totalausfall führt, sondern lediglich zu einem Teilverlust an Genauigkeit. Weiterhin soll diese Messanordnung ein möglichst geringes Gewicht und auch geringes Bauvolumen aufweisen.
• Diese Aufgabe wird mit einem Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1 und einem Messverfahren nach Anspruch 3 gelöst.
• Die Drehmoment-Messanordnung nach Anspruch 1 ist ein Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen: einem Messelement, an dem Dehnungsmessstreifen befestigt sind, zwei parallel zueinander angeordneten scheibenförmigen Befestigungsflanschen, zwischen denen sich das Messelement erstreckt und die zusammen mit diesem einstückig gefertigt sind, und zwei Drehzahlmessvorrichtungen, wobei jedem der Befestigungsflansche eine Drehzahlmessvorrichtung zugeordnet ist.
• Diese Drehmoment-Messanordnung weist nachfolgende Eigenschaften und Vorteile auf: Es wird ein Messelement mit Dehnungsmessstreifen zur präzisen Messung des Betriebsdrehmoments verwendet. Es gibt zwei unabhängig voneinander arbeitende Drehzahlmessvorrichtungen, welche die aktuelle Drehzahl messen und gleichzeitig den Torsionswinkel zwischen den Befestigungsflanschen erfassen. Der Torsionswinkel ist die Messgröße, die als Notfall-Drehmoment-Messgröße verfügbar ist, wenn das Messelement zur Bereitstellung des Betriebsdrehmoments ausgefallen ist.
• Die Drehzahlmessvorrichtungen bestehen aus je einer inkrementellen Geberanordnung, die pro Umdrehung in Verbindung mit einer dazugehörigen Detektionseinheit eine Vielzahl von Impulsen bereitstellt.
• Der Vorteil dieser Anordnung ist die Nutzung der zwei Drehzahlmessvorrichtungen für mehrere Zwecke. Einerseits kann die Drehzahl redundant gemessen werden, was die Sicherheit der Systemreglung im Normalbetrieb erhöht. Andererseits kann ein Torsionswinkel bestimmt werden, der dem aktuell anliegenden Drehmoment entspricht, allerdings mit einer geringeren Genauigkeit als das Drehmomentmessergebnis, das aus den Dehnungsmessstreifen ermittelt wird. Somit stehen zwei unabhängige Drehmomentmessergebnisse und zwei unabhängige Drehzahlmessergebnisse zur Verfügung. Weiterhin kann auch aus den zwei unabhängigen Drehzahlmessergebnissen durch Mittelwertbildung eine genauere Drehzahl ermittelt werden, sodass dadurch in Verbindung mit dem genauen Drehmomentmessergebnis, das die Dehnungsmessstreifen zur Verfügung stellen, eine genauere Leistungsermittlung, z. B. einer Turbine möglich ist. Falls die Messung des Betriebsdrehmoments mittels der Dehnungsmessstreifen ausfällt, wird das Drehmomentmessergebnis genutzt, das aus dem Torsionswinkel abgeleitet werden kann. Dieses Drehmomentmessergebnis ist nicht so hoch aufgelöst wie das mittels Dehnungsmessstreifen ermittelte Drehmomentmessergebnis, es reicht aber hinsichtlich der Genauigkeit aus, um eine Anlage sicher herunter zu fahren.
• Nach Anspruch 2 arbeiten die zwei Drehzahlmessvorrichtungen nach unterschiedlichen Messprinzipen. Durch diese Maßnahme wird die Robustheit des Gesamtsystems gegenüber Störgrößen erhöht, weil die beiden Messprinzipien auf bestimmte Störgrößen unterschiedlich reagieren. Wenn eine bestimmte Störgröße auftritt und dadurch eines der beiden Drehzahlmesssysteme gestört wird, ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass die gleiche Störgröße auch das Drehzahlmesssystem stört, das nach einem anderen Messprinzip arbeitet.
• Das Drehmomentmessverfahren nach Anspruch 3 weist unter Verwendung eines Doppelflansch-Drehmomentaufnehmers nach Anspruch 1 folgende Verfahrensschritte auf:
1. a. Messen eines ersten Drehmoments am Messelement, das wenigstens einen Dehnungsmessstreifen aufweist,
2. b. Bestimmen eines zweiten Drehmoments mittels der beiden Drehzahlmessvorrichtungen,
3. c. Kalibrieren des aktuellen zweiten Drehmoments auf den aktuellen Wert des ersten Drehmoments,
4. d. Vergleichen, ob der Messwert des zweiten Drehmoments mit dem Messwert des ersten Drehmoments übereinstimmt; wenn das nicht der Fall ist, wird Verfahrensschritt c durchgeführt,
5. e. Falls mittels einer Überwachungs- und Schalteinheit eine Abnormität des aktuellen Drehmoments erkannt wird, erfolgt ein Abschalten des ersten Drehmomentmesssignals und ein Zuschalten des zweiten Drehmomentmesssignals, das aus dem Torsionswinkel der Befestigungsflansche mittels der beiden Drehzahlmessvorrichtungen ermittelt wird.
• Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert:
• 1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Drehmomentmessflansches,
• 2 zeigt schematisch einen Algorithmus zur Messwertermittlung.
• Die 1 zeigt einen Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen: einem Messelement (1), an dem Dehnungsmessstreifen (2) befestigt sind. Dieses Messelement (1) besteht aus Federstahl und ist mit zwei parallel zueinander angeordneten scheibenförmigen Befestigungsflanschen (3, 4) einstückig gefertigt. Jedem der beiden Befestigungsflansche (3, 4) ist eine Drehzahlmessvorrichtung (5, 6; 7, 8) zugeordnet. Im vorliegenden Beispiel arbeitet die Drehzahlmessvorrichtung (5, 6) nach einem optische Abtastprinzip und die Drehzahlmessvorrichtung (7, 8) nach einem magnetischen Abtastprinzip. Durch Nutzung von zwei unterschiedlichen Messprinzipien wird aus Differenzen in der Drehzahlanzeige die Fehlfunktion oder der Ausfall einer der beiden Drehzahlmessvorrichtungen erkannt und dadurch eine höhere Sicherheit bei der Drehzahlmessung erreicht.
• Dieser Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer weist nachfolgende Eigenschaften und Vorteile auf: Das Messelement (1) mit den Dehnungsmessstreifen (2) wird zur genauen Messung eines Betriebsdrehmoments genutzt und nachfolgend als Drehmoment-Geber (DM-MS1) bezeichnet. Parallel dazu ist aus den von den Drehzahlmessvorrichtungen ermittelten Drehzahlen ein Drehzahlmittelwert bildbar. Wegen des genauen Betriebsdrehmomentmesswerts (MS1) des Drehmoment-Gebers (DM-MS1) und der aus den zwei Drehzahlmesswerten ermittelten Durchschnittsdrehzahl kann eine exakte Leistungsmessung z.B. an einer schnell laufenden Turbine vorgenommen werden. Weiterhin werden die beiden Drehzahlmessvorrichtungen (5, 6; 7, 8) zur Bestimmung des Torsionswinkels zwischen den beiden Befestigungsflanschen (3, 4) und somit als Drehmoment-Geber (DM-MS2) verwendet, sodass ein zweites Drehmomentmesssignal (MS2) bereitgestellt wird. Mittels einer Kalibriervorrichtung (10) wird dieses zweite und weniger genaue Drehmomentmesssignal (MS2) permanent mit dem genaueren Betriebsdrehmomentmesssignal (MS1) verglichen und auf dieses kalibriert. Diese Kalibrierung erfolgt im vorliegenden Beispiel alle 0,3 Sekunden. Somit ist sichergestellt, dass das zweite Drehmomentmesssignal (MS2) immer nahezu den gleichen Wert wie das genaue Betriebsdrehmomentmesssignal (MS1) aufweist. Mittels einer Kontrollvorrichtung (11) wird die Wirkung der Kalibriervorrichtung (10) überwacht. Falls das Drehmomentmesssignal (MS2) noch nicht den Wert des Drehmomentmesssignals (MS1) erreicht hat, wird der Kalibrierschritt wiederholt. Weiterhin ist eine Vergleichs- und Schaltvorrichtung (12) vorgesehen, die permanent mit dem Messsignal (MS1) und dem kalibrierten Messsignal (MS2) gespeist wird. Falls die Vergleichs- und Schaltvorrichtung (12) eine vorbestimmte Abnormität des Messsignals (MS1) erkennt, schaltet die Vergleichs- und Schaltvorrichtung (11) das Messsignal (MS1) ab und auf das Messsignal (MS2) um und fährt in einem Not-Regel-Modus die Turbine oder Anlage in einen sicheren Betriebszustand oder zum Stillstand. Unter einer vorbestimmten Abnormität des Messsignals (MS1) wird ein abnormaler zeitlicher Verlauf des Messsignals (MS1) verstanden, der keiner realen Betriebssituation entsprechen kann, vergl. 2.
• 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
• DE 102009016105 A1 [0003]
• EP 1908926 A1 [0004]

Claims (3)

1. Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit folgenden Merkmalen: - einem Messelement (1), an dem Dehnungsmessstreifen (2) befestigt sind, - zwei parallel zueinander angeordneten scheibenförmigen Befestigungsflanschen (3, 4), zwischen denen das Messelement (1) sich erstreckt und die zusammen mit dem Messelement (1) einstückig gefertigt sind, und - eine erste und eine zweite Drehzahlmessvorrichtungen (5, 6; 7,8), wobei jedem der Befestigungsflansche (3, 4) eine Drehzahlmessvorrichtung (5, 6; 7, 8) zugeordnet ist.
2. Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die erste Drehzahlmessvorrichtung (5, 6) nach einem anderen Messprinzip als die zweite Drehzahlmessvorrichtung (7, 8) arbeitet.
3. Drehmomentmessverfahren mit einem Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer nach Anspruch 1, wobei das Drehmomentmessverfahren nachfolgende Verfahrensschritte aufweist: a. Messen eines ersten Drehmomentsignals (MS1) am Messelement (1), b. Bestimmen eines zweiten Drehmomentsignals (MS2) aus dem Torsionswinkel zwischen den Befestigungsflanschen (3, 4) mittels der Drehzahlmessvorrichtungen (5, 6; 7, 8), c. Kalibrieren des aktuellen zweiten Drehmomentsignals (MS2) auf den aktuellen Wert des ersten Drehmomentsignals (MS1), d. Vergleichen, ob der Wert des zweiten Drehmoments (MS2) mit dem Wert des ersten Drehmoments (MS1) übereinstimmt; wenn das nicht der Fall ist, wird Verfahrensschritt c wiederholt, e. Prüfen auf Abnormitätsverhalten des ersten Drehmomentsignals (MS1); falls eine Abnormität des Drehmomentsignals (MS1) erkannt wird, erfolgt ein Abschalten des Drehmomentsignals (MS1) und ein Zuschalten des Drehmomentsignals (MS2).

Images