Übertragungsvorrichtung

Abstract

 Eine Vorrichtung zur Übertragung von in wenigstens eine Wechselspannungskomponente zerlegbaren Signalen zwischen einem Rotor und einem Stator von einer Sendeeinheit auf eine Empfangseinheit mit Hilfe von Ringspulenpaaren, de­ren Spulenwindungen Teile der Sende- bzw. Empfangseinheit bilden und die unter induktiver Kopplung koaxial zur Drehachse des Rotors angeordnet sind, soll hinsichtlich der Erzeugung drehzahlverknüpfter Meßwerte weitergebildet werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß zur Spannungsversorgung von Bauteilen auf dem Rotor minde­stens ein Ringspulenpaar (13,14;15,16) vorgesehen ist, daß mindestens ein weiteres Ringspulenpaar (17,18) für die Übertragung der auf dem Rotor mit einer Meßvorrich­tung zu messenden Größen vom Rotor zum Stator vorhanden ist, daß zur Abtastung der Rotordrehzahl ein Sensorele­ment (43) vorgesehen ist, und daß eine Schalteinheit (44) vorgesehen ist, mit deren Hilfe die mit der Rotordrehzahl verknüpften Meßwerte weiterverarbeitet bzw. angezeigt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von in wenigstens eine Wechselspannungskomponente zerleg­baren Signalen zwischen einem Rotor und einem Stator von einer Sendeeinheit auf einer Empfangseinheit mit Hilfe von Ringspulenpaaren, deren Spulenwindungen Teile der Sende- bzw. Empfangseinheit bilden und die unter indukti­ver Kopplung koaxial zur Drehachse des Rotors angeordnet sind.

[0002] In vielen technischen Aufgabenstellungen, beispielsweise bei dem Analysenverfahren unter Verwendung einer Ultra-­zentrifuge nach der DE-PS 29 43 942 ist es erforderlich, elektrische Signale, die als analoge oder digitale Werte vorliegen, nach entsprechender Zwischenverstärkung von einem Rotor auf einen Stator zu übertragen und dort anzu­zeigen oder weiterzuverarbeiten. In Gegenrichtung wird auch in manchen Fällen die Übertragung von Steuer- oder Schaltbefehlen durch elektrische Signale vom Stator auf den Rotor verlangt.

[0003] Bekannt ist die Verwendung von Schleifringanordnungen, die jedoch bei relativ geringen Spannungen der zu über­tragenden Signale und insbesondere bei hohen Drehzahlen des Rotors auf prinzipielle Schwierigkeiten stößt. Zum Stande der Technik gehören ferner die in der Elektroaku­stik bekannten verschiedenen magnetischen, elektrostati­schen und Lichtabtastsysteme, mit denen die auf einem be­wegbaren Träger z.B. einer Bildplatte gespeicherten Signale durch Abtastung auf eine feststehende Emp­fangseinheit übertragen werden.

[0004] Eine besondere Schwierigkeit bei der Signalübertragung liegt im allgemeinen dann vor, wenn mit dem Rotor ein oder mehrere Meßvorrichtungen rotieren, deren zeitlich veränderliche Meß- bzw. Ausgangswerte auf eine festste­hende Empfangseinheit übertragen werden sollen.

[0005] In der DE-PS- 28 46 583 ist eine Vorrichtung zum Übertra­gen von Meßsignalen über einen Übertrager von einer Ro­tor- auf eine Statorseite und zum Übertragen einer Ver­sorgungsspannung über den gleichen Übertrager von der Stator- auf die Rotorseite beschrieben. Dies erfolgt da­durch, daß auf der Statorseite zum Erzeugen der Versor­gungsspannung ein Leistungsoszillator mit niedriger Aus­gangsimpedanz vorgesehen ist, der eine wesentlich höhere Frequenz als die frequenzmodulierten Meßsignale aufweist, wobei der Oszillator über einen Kondensator an den Über­trager gekoppelt ist, und bei dem zwischen dem Kondensa­tor und der Übertragungsspule die Auskopplung der Meß­signale an einem unter den Übertragungsbedingungen hoch­ohmigen Punkt erfolgt, wobei auf der Rotorseite eine Gleichrichteranordnung für die Versorgungsspannung und ein Signalerzeuger für die Meßsignale angeordnet ist und die Meßsignale in einem Punkt zwischen dem Gleichrichter und der Übertragungsspule einkoppelbar sind. Eine solche Doppelausnutzung der als Ringspulen ausgebildeten Teil­spulen des Übertragers bereitet schaltungstechnische Schwierigkeiten.

[0006] Zum Stande der Technik gehört ferner eine Anordnung zur Temperaturmessung an umlaufenden Wellen aus der DE-PS 958 600. Dabei sind zwei induktive Übertrager in Verbindung mit einer Brückenschaltung vorgesehen, in de­ren einen Zweig ein Widerstandsthermometer eingeschaltet ist. Die Brücke erhält ihre Speisespannung über das Ringspulensystem des einen Übertragers, während das an­dere Ringspulensystem eines weiteren Übertragers den Meßwert an das Anzeigeinstrument weitergibt.

[0007] Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszubil­den, daß zwischen einem Rotor und einem Stator eine be­rührungslose Übertragung von Meßwerten und Energie in Verbindung mit einer drehzahlabhängigen Auswertung oder Weiterverarbeitung erreicht werden kann. Dabei soll ins­besondere auch die Signalübertragung bei mit hoher Ge­schwindigkeit, beispielsweise oberhalb von 5000 U/min, rotierenden Rotoren ermöglicht werden.

[0008] Die Lösung dieser Aufgabenstellung besteht erfindungsge­mäß darin, daß zur Spannungsversorgung von Bauteilen auf dem Rotor mindestens ein Ringspulenpaar vorgesehen ist, daß mindestens ein weiteres Ringspulenpaar für die Über­tragung der auf dem Rotor mit einer Meßvorrichtung zu messenden Größen vom Rotor zum Stator vorhanden ist, daß zur Abtastung der Rotordrehzahl ein Sensorelement vorge­sehen ist, und daß eine Schalteinheit vorgesehen ist, mit deren Hilfe die mit der Rotordrehzahl verknüpften Meßwerte weiterverarbeitet bzw. angezeigt werden.

[0009] Die auf dem Rotor bzw. am Stator angeordnete Sende- bzw. Empfangseinheit kann dabei in verschiedener Weise ausge­bildet sein. Im allgemeinen werden mit elektronischen Bauteilen bestückte Rotor- bzw. Statorplatinen verwendet. Lassen sich auf dem Rotor zunächst nur relativ schwache elektrische Signale geringer Spannung bzw. von geringer Energie erzeugen, so besteht die Möglichkeit, einen Vor­verstärker unmittelbar am Entstehungsort der Signale, beispielsweise in unmittelbarer Nähe einer Meßvorrich­tung, auf der Rotorplatine anzuordnen und die bereits verstärkten Signale über die Sendeeinheit zur feststehen­den Empfangseinheit zu übertragen.

[0010] Im einzelnen sind die verschiedensten Ausbildungen und Schaltungsmöglichkeiten für die Sende- und Empfangsein­heit je nach der gegebenen Problemstellung möglich. We­sentlich in jedem Falle die Erzeugung eines die Spulen­paare verkettenden drehzahlunabhängigen magnetischen Flusses.

[0011] Die Übertragung von Signalen kann dabei sowohl vom Rotor auf den Stator, als auch umgekehrt erfolgen. Es ist fer­ner möglich, über mindestens ein Ringspulenpaar Signale zwischen relativ zueinander in Drehrichtung befindlichen Teilen zu übertragen. Die Übertragung kann in beiden Richtungen auch intermittierend ausgeführt werden.

[0012] In weiterer Ausbildung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, mindestens ein weiteres Ringspulenpaar zur Übertra­gung von Schalt- bzw. Steuersignalen vorzusehen, welche bei auf dem Rotor angeordneten Bauteilen Schaltvorgänge auslösen.

[0013] Eine zweckmäßige Ausführungsform der oben beschriebenen elementaren Vorrichtung kann darin bestehen, daß die Ringspulen den Ausnehmungen eines Teilkerns liegen, wobei der Abstand der beiden Teilkerne einen Luftspalt bildet. Eine solche Ausbildung ist an sich bei magnetischen Spei­chervorrichtungen durch die EP-PS 0 133 802 bekannt. Die Teilkerne können vorteilhaft als zum Spalt hin einseitig offene Kreisscheibenkerne ausgebildet sein. Als Material für die Teilkerne lassen sich die verschiedensten in der Übertragertechnik bekannten Spulenkernmaterialien, z.B. Ferrite verwenden, wobei sich die Materialauswahl im we­sentlichen nach den zu übertragenden Frequenzbereichen richtet.

[0014] Nach dem beschriebenen Grundprinzip lassen sich elektri­sche Signale, beispielsweise auf dem Rotor abgenommene Meßgrößen, bei entsprechender Vorverstärkung ab 4µV ein­wandfrei übertragen.

[0015] Im allgemeinen erscheint die Signalübertragung im Hoch­frequenzbereich oberhalb von 30 kHz zweckmäßig. Die zu übertragenden elektrischen Signale können dabei vorteil­haft als Codierung bzw. als Modulation einer Trägerfre­quenz übertragen werden. Dabei lassen sich beispielsweise Meßwerte als digitales Signal seriell mit einer Träger­frequenz von ca. 200 kHz codiert und mit einem 8 bit Da­tencode mit Start- und Stoppbit und einem Paritätsprü­fungsbit von der Rotorplatine auf die Statorplatine über die gekoppelten Ringspulen induktiv übertragen.

[0016] In der Statorplatine erfolgt eine Frequenzidentifikation, und es kann gegebenenfalls zweckmäßig eine Umwandlung der Signale in eine normierte computerlesbare Schnittstellen­codierung erfolgen.

[0017] Eine zusätzliche Verbesserung kann gegebenenfalls dadurch erreicht werden, daß zwischen zwei benachbarten Ringspu­len am Rotor bzw. Stator ein Abschirmring aus elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise aus gut leitfähigen metallenen Werkstoffen, z.B. aus Kupfer oder Aluminium angeordnet ist. Dadurch wird eine unerwünschte Signal­ übertragung zwischen den einzelnen Übertragungspfaden vermieden. Durch Zwischenschaltung eines Abgleichpoten­tiometers oder dergleichen läßt sich ein solcher Ab­schirmring über eine Veränderung der Dämpfung vorteilhaft zur Frequenzfeinabstimmung der Sende- bzw. Empfangsein­heit benutzen (Mittenfrequenzabgleich des Trägers).

[0018] Durch die Merkmale der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Übertragung von elektrischen Signalen bzw. Spannungen geschaffen, welche eine Darstellung bzw. Auswertung der auf dem Rotor vorgegebenen Meßwerte in Verknüpfung mit der Rotordrehzahl auch bei hohen Drehzahlen und raschen Signaländerungen ermöglicht.

[0019] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegen­standes der Erfindung schematisch dargestellt, aus dem sich weitere Erfindungsmerkmale ergeben; es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Übertragungsvor­richtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den als einseitig offener Kreisscheibenkern ausgebildeten Stator aus Fig. 1,

Fig. 3 ein Funktionsschema einer Übertragungsvorrich­tung unter Benutzung der in Fig. 1 dargestell­ten Übertragungsvorrichtung.

[0020] In Figur 1 und 2 ist eine Übertragungsvorrichtung ge­zeigt, welche elektrische Signale zwischen einem Rotor und einem Stator und umgekehrt überträgt. Der Rotor ent­hält einen kreisscheibenförmigen Teilkern 1, welcher mit einer Drehlagerung 2 versehen ist und dessen Antrieb über in der Zeichnung nicht dargestellte Antriebselemente er­ folgt. Koaxial zu dem drehbaren kreisscheibenförmigen Teilkern 1 ist ein weiterer kreisscheibenförmiger fest­stehender Teilkern 3 angeordnet. Die beiden Teilkerne 1 und 3 bestehen aus Ferrit.

[0021] Zwischen den Teilkernen 1 und 3 ist ein freier Luft­spalt 4 (es wäre auch ein Vakuumspalt bzw. ein Flüssig­keitsspalt möglich!) von etwa 1 mm vorhanden. In den bei­den Teilkernen 1,3 befinden sich ringförmige Nutenausneh­mungen 5,7,9 und 11 sowie 6,8,10 und 12, in denen induk­tiv gekoppelte koaxiale Ringspulen 13,15,17 und 19 sowie 14,16,18 und 20 liegen.

[0022] Die Ringspulen des Rotors 13,15,17 und 19 sind wie ange­deutet mit einer elektronische Schalt- bzw. Meßelemente enthaltenden Rotorplatine 21 verbunden.

[0023] Die Ringspulen des Stators 14,16,18 und 20 stehen mit entsprechenden ortsfesten Bauelementen 22,23,24,25 zur Signalanzeige bzw. Signalverarbeitung in Verbindung. Da­bei kann es sich um beliebige Anordnungen zur digitalen oder analogen Signalverarbeitung und Anzeige handeln, die gegebenenfalls wenigstens teilweise in einer Statorpla­tine zusammengefaßt sind.

[0024] Zwischen den Ringspulen des Rotors 13,15,17,19 und des Stators 14,16,18,20 sind jeweils in das Material der Teilkerne 1,3 eingebettete Abschirmringe 26,27,28 und 29,30,31 eingelegt, welche als Kurzschlußringe dienen und ein unerwünschtes Übersprechen zwischen den einzelnen Sy­stemen verhindern.

[0025] In Figur 3 ist ein Funktionsschema einer Meßeinrichtung dargestellt. Dabei dient das innerste Ringspulenpaar 13,14 zur Spannungsübertragung von einer Wechselspan­nungsquelle 32 des Stators auf eine Gleichrichtereinheit 33 des Rotors, welche die Betriebsspannung für eine Ro­torplatine 21 liefert.

[0026] Ein weiteres Ringspulenpaar 15,16 ist zur Übertragung ei­ner Hilfsspannung aus einer Wechselspannungsquelle 34, auf eine Gleichrichtereinheit 35 vorgesehen. Diese Hilfs­spannung kann mit Hilfe eines Schalters 36 eingeschaltet werden.

[0027] Für die Übertragung der auf dem Rotor in einer Meßvor­richtung zu messenden Größen wird das Ringspulenpaar 17,18 benutzt. Die von einem beliebigen Meßgerät stam­mende Meßspannung U_M wird in der Rotorplatine 21 durch eine Verstärkerschaltung verstärkt und in dem A/D-Umset­zer 37 digitalisiert. Die digitalen gegebenenfalls einer Trägerfrequenz aufmodulierten Signale werden über das Ringspulenpaar 17,18 zur Empfängerplatine 38 übertragen.

[0028] Damit auf der Rotorplatine 21 entsprechende Schaltvor­gange ausgelöst werden können, -beispielsweise kann eine Umschaltung des Verstärkungsgrades des Meßverstärkers zur Anpassung an unterschiedliche Meßbereiche zweckmäßig sein- ist ein zusätzliches Ringspulenpaar 19,20 zur Über­tragung von Schaltbefehlen vorgesehen. Ein Drucktaster 39 gibt über ein Impulsgerät 40 einen Schaltimpuls in eine rotorseitige Schalteinrichtung 41, welche beispielsweise den Verstärkungsgrad des Meßverstärkers auf der Rotorpla­tine 21 stufenweise verändert.

[0029] Von der Statorplatine 38 werden die von der Rotorplatine 21 übertragenen Signale zur direkten Computerverarbeitung an einen Computer 42 weitergeleitet.

[0030] Zur Überwachung der Drehzahl des Rotors ist ein bei­spielsweise durch einen rotorseitigen Permanentmagneten betätigtes Sensorelement 43 vorgesehen, welches der Dreh­zahl entsprechende Signale in eine Anzeigeeinheit 44 ein­gibt. Die Anzeigeeinheit 44 steht mit der Statorplatine 38 in Verbindung und ermöglicht über einen angeschlosse­nen Plotter 45 eine graphische Darstellung des Verlaufs der Meßspannung U_M in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl.

[0031] Die Vorrichtung aus dem oben angegebenen Ausführungsbei­spiel wurde speziell für die Durchführung eines Analysen­verfahrens nach DE-PS 29 43 942 entwickelt.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Übertragung von in wenigstens eine Wechselspannungskomponente zerlegbaren Signalen zwi­schen einem Rotor und einem Stator von einer Sende­einheit auf eine Empfangseinheit mit Hilfe von Ringspulen, deren Spulenwindungen Teile der Sende- bzw. Empfangseinheit bilden, und die unter induktiver Kopplung koaxial zur Drehachse des Rotors angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungsver­sorgung von Bauteilen auf dem Rotor mindestens ein Ringspulenpaar (13,14;15,16) vorgesehen ist, daß min­destens ein weiteres Ringspulenpaar (17,18) für die Übertragung der auf dem Rotor mit einer Meßvorrich­tung zu messenden Größen von Rotor zum Stator vorhan­den ist, daß zur Abtastung der Rotordrehzahl ein Sen­sorelement (43) vorgesehen ist, und daß eine Schalteinheit (44) vorgesehen ist, mit deren Hilfe die mit der Rotordrehzahl verknüpften Meßwerte wei­terverarbeitet bzw. angezeigt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres Ringspulenpaar (19,20) zur Übertragung von Schalt- bzw. Steuersignalen vor­gesehen ist, welche bei auf dem Rotor angeordneten Bauteilen (21) Schaltvorgänge auslösen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspulen in Ausnehmungen (5-12) eines Teil­kerns (1,3) liegen, wobei der Abstand der beiden Teilkerne den Spalt (4) bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkerne (1,3) als zum Spalt (4) hin einsei­tig offene Kreisscheibenkerne ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu übertragenden elektrischen Meßsignale di­gitalisiert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu übertragenden elektrischen Meßsignale als Codierung bzw. als Modulation einer Trägerfrequenz vorliegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarten Ringspulen (z.B. 13,15) ein Abschirmring (26) aus elektrisch leitfähi­gem Material angeordnet ist.

Zeichnung