Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berüh rungslosen Rotationsmessung, umfassend einen auf einer Rotati onsachse drehbar gelagerten Rotationskörper mit einer n-fachen Drehsymmetrie.

Die vorliegende Erfindung liegt im Gebiet der, insbesondere opti schen, berührungslosen Messtechnik zur Charakterisierung von Bewegungen, insbesondere Drehwinkel und Rotation. In diesem Zu sammenhang ist der Begriff der optischen Messtechnik nicht auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums be schränkt, sondern umfasst auch den ultravioletten Bereich, den Inf rarotbereich und andere Frequenzbereiche, die sich optisch charak terisieren lassen, wie etwa den HF- und Mikrowellenbereich, oder im noch kurzwelligeren Bereich, beispielsweise dem Röntgenbe- reich. Hierbei können spezifische Eigenschaften des jeweiligen Fre quenzbereichs ausgenutzt werden, wie etwa der Dämpfungsgrad der in der Anwendung vorliegenden Medien. Ein Anwendungsbei- spiel hierfür ist ein Strömungssensor mit einem Rotationskörper, der durch die Strömung eines Fluids gedreht wird, welches für sichtba res Licht beispielsweise intransparent ist. In einem solchen Fall wird eine Messfrequenz verwendet, für die das Fluid transparent ist.

Der Stand der Technik der berührungslosen Rotationsmessung ist umfangreich und umfasst Drehzahlmessungen mit Impulsgeber, Sensoren mit winkelaufgelöster Signalerfassung, analoge optische Sensoren wie beispielsweise rotierende Polarisationsfilter, intensi- tätsabhängige Reflexionsmessungen an einem rotierenden Rad, Lichtstrahlablenkung an einer segmentierten, reflektierenden Welle ebenso, wie magnetische Messverfahren, bei denen Veränderungen eines Magnetfelds durch Rotation erfasst werden. Das Messprinzip mit Impulsgebern auf der Basis von Lichtschranken beispielsweise ist so, dass ein Impulssignal oder wenige Impulssig nale pro Umdrehung erzeugt werden. Die Messung erfolgt berüh rungsfrei und dadurch ohne mechanische Belastungen. Es werden allerdings kein Drehwinkel, keine Vorzugslage und keine Unwucht erkannt. Bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit treten große zeitli che Abstände zwischen den Signalimpulsen auf. Die Signalrate wird hier durch den Prozess bestimmt, nicht durch das Messwerterfas sungssystem bzw. die Auswerteeinheit. Sensoren mit winkelaufgelöster Signalerfassung umfassen häufig eine optisch fein segmentierte Scheibe, die mit einer oder mehreren Lichtschranken abgetastet wird, um die Änderung des Rotationswin kels zu ermitteln. Digital codierte Segmentscheiben ermöglichen die diskrete Bestimmung absoluter Drehwinkel. Diese Segmentscheibe muss auf einer Welle befestigt sein. Hierdurch ergeben sich hohe mechanische Anforderungen an die Positionierung, Halterung der optischen Sensoreinheiten hoch sind. Bei der Verwendung eines rotierenden Polarisationsfilters in Kombi nation m it einem feststehenden Polarisationsfilter kann bei der Nut zung mehrerer Detektoren und Polarisationsfilter die Lichtamplitude der Quelle kompensiert werden und m ittels phasenversetzter Signa- le eine hohe Winkelauflösung erzeugt werden. Diese Technik ist allerdings m it hohen Kosten verbunden und mit hohen mechani schen Anforderungen an die Anordnung der Polarisationsfilter auf der rotierenden Welle. Es sind außerdem mehrere Detektoren für die genaue Erfassung des Absolutwinkels erforderlich.

Bei einer intensitätsabhängigen Reflexionsmessung an einem rotie renden Rad ist, beispielsweise auf der zylindrischen Oberfläche ei nes Rotors, eine intensitätsabhängige Strukturierung aufgebracht, beispielsweise ein Graukeil oder ein drehwinkelabhängiges Muster. Auch in diesem Fall lässt sich ein Drehwinkel im gesamten Rotati onsbereich von 0° bis 360° erfassen. Allerdings muss ein intensi tätsabhängiges Muster auf der Welle angebracht werden. Dies ist nicht beliebig m iniaturisierbar. Ferner ist beispielsweise im Bereich der Mikrosystemtechnik und Mikrofluidik die benötigte Gestaltung des Rotationskörpers häufig nicht möglich.

Die Lichtstrahlablenkung einer segmentierten, reflektierenden Welle mit Erfassung des Drehwinkels m ithilfe einer segmentierten Emp fangseinheit bzw. mehrerer Empfänger erlaubt ebenfalls eine präzi- se Bestimmung des Drehwinkels, die berührungslos realisiert wird. Die Signalerfassung selbst, beispielsweise m ittels eines Laser strahls und einer Zeilenkamera, ist allerdings aufwendig und auf grund der Auslesegeschwindigkeit der Zeilenkamera ist die Rotati onsgeschwindigkeit, bei der dieses Verfahren funktioniert, begrenzt. Aufgrund der Reflexion ist das Verfahren auch nur innerhalb eines bestimmten Winkelsegments anwendbar, beispielsweise bis zu 180°. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Rotationsmessung zur Verfügung zu stellen, die robust und mit ho her Messgenauigkeit sowie wenig Aufwand realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur berührungslo sen Rotationsmessung, umfassend wenigstens einen auf einer Ro tationsachse drehbar gelagerten Rotationskörper mit einer n-fachen Drehsymmetrie sowie ein strahldivergentes oder strahlkonvergentes Messsystem, welches wenigstens eine Strahlungsquelle, wenigs tens einen Strahlungsempfänger, eine Auswertungsvorrichtung und einen optischen Pfad zwischen der wenigstens einen Strahlungs quelle und dem wenigstens einen Strahlungsempfänger umfasst, in welchem der wenigstens eine Rotationskörper angeordnet ist, wobei die Strahlungsquelle ausgebildet ist, eine in Richtung auf den we nigstens einen Rotationskörper zu divergente oder konvergente Strahlung auf den wenigstens einen Rotationskörper in einer Rich tung quer, insbesondere senkrecht, zur Rotationsachse des wenigs tens einen Rotationskörpers auszusenden, deren Einhüllende einen maximalen Umfangsrotationskreis des wenigstens einen Rotations körpers einschließt, wobei a) der wenigstens eine Rotationskörper die Strahlung in einer Transmissionsanordnung entsprechend einer momentanen Winkellage des wenigstens einen Rotationskörpers teilweise abschattet und der wenigstens eine Strahlungsempfänger auf einer der Strahlungsquelle gegenüberliegenden Seite des we nigstens einen Rotationskörpers angeordnet ist und einen nicht abgeschatteten Teil der divergenten Strahlung erfasst, und/oder b) der wenigstens eine Rotationskörper die Strahlung in einer Re flexionsanordnung entsprechend einer momentanen Winkella ge des wenigstens einen Rotationskörpers teilweise reflektiert und der wenigstens eine Strahlungsempfänger auf der gleichen Seite wie die Strahlungsquelle relativ zum wenigstens einen

Rotationskörper angeordnet ist und einen reflektierten Teil der Strahlung erfasst, wobei die Auswertungsvorrichtung eingerichtet ist, aus der Menge der erfassten Strahlung und/oder wenigstens einer daraus abgelei teten Größe wenigstens eine Rotationszustandsgröße des wenigs tens einen Rotationskörpers zu ermitteln.

Hierbei ist n im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer eine endliche positive ganze Zahl. Der Fall n = 1 bedeutet dabei, dass sich das Messsignal erst nach einer vollständigen Rotation des Ro tationskörpers um 360° wiederholt.

Die Erfindung beruht auf dem Grundprinzip, die sich im Verlauf ei- ner Rotation des Rotationskörpers ständig ändernde scheinbare Ausdehnung des Rotationskörpers aufgrund seiner Form, von der Seite betrachtet, zur Signalgebung zu nutzen und die empfangenen Signale m it dem jeweiligen Rotationswinkel oder anderen Rotati onszustandsgrößen zu korrelieren. Die einzige Querschnittsform eines Rotationskörpers, m it der eine solche Messung prinzipiell nicht funktioniert, ist die Kreisform (bei der Kreisform ist n = °°), da sich im Laufe einer Umdrehung eines zylindrischen Objekts die Pro jektion des zylindrischen Rotationskörpers quer zur Rotationsachse nicht ändert, also kein zeitlich veränderliches Signal zur Verfügung steht. Mit einer derartigen Anordnung kann nur die Lage des Rotati onskörpers in den Richtungen senkrecht zur Drehachse bestimmt werden. Bei einem strukturierten Rotationskörper ändert sich im Laufe einer Umdrehung dessen Projektion quer zur Rotationsachse auf eine charakteristische Weise, die zur Rotationszustandsbestim mung genutzt wird. Die Menge der Abschattung bzw. des nicht abgeschatteten Lichts ändert sich daher periodisch mit der Periode einer Umdrehung oder mehrmals per vollständiger Umdrehung. So ergibt sich ein zeitlich moduliertes Strahlungssignal, welches in Bezug auf Rotationszu standsgrößen wie die Winkellage, Winkelgeschwindigkeit, Winkel- beschleunigung, Rotationsrichtung oder Ruhelage, ausgewertet werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt die Messfrequenz der Strahlung vorzugsweise im sichtbaren optischen Bereich, im Infrarotbereich, im UV-Bereich, HF-Bereich, im Mikro wellenbereich oder bei noch kürzeren Wellenlängen, insofern diese durch geeignete Materialien des Rotationskörpers abgeschattet werden können. Materialien, die für die verschiedenen Wellenlän genbereiche intransparent, teiltransparent oder transparent sind, sind bekannt, und die vorliegende Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht auf bestimmte Materialien beschränkt. Durch geeigneten Ein- satz verschiedener Materialien mit verschiedener Transparenz für die verwendete Messfrequenz lässt sich optisch eine Periodizität von n = 1 erstellen, dass also eine Wiederholung des Messsignals erst nach einer vollständigen Umdrehung des Rotationskörpers um 360° um die Rotationsachse erfolgt, obwohl der Rotationskörper selbst beispielsweise eine höherzählige Rotationssymmetrie auf weist.

Der Vorteil einer reflektiven Anordnung gegenüber einer auf Ab schattung basierenden liegt in einer kompakteren Bauform und in der einfacheren Ankopplung des optischen Messsystems von nur einer Seite. Auch hier kann eine vorhandene segmentierte Welle genutzt werden, solange sie zumindest teilweise das Licht reflektiert und sich ihre Reflexionseigenschaften im Laufe der Zeit nicht zu sehr ändern. Die Menge des von der Empfangseinheit erfassten Lichts bzw. Strahlung oder Strahlungsenergie hängt in diesem Fall ebenfalls von den geometrischen Verhältnissen ab, weist jedoch wiederum die für die Rotations- bzw. Drehwinkelmessung notwendi ge Periodizität im Laufe der Rotation des Rotationskörpers auf.

Unter Größen, die im Rahmen der Erfindung aus der Menge der er fassten Strahlung abgeleitet sind, werden u.a. der zeitliche Verlauf, etwa in erster, zweiter oder höherer Ableitung verstanden, ebenso wie aus mehreren Signalen zusammengesetzte Messgrößen wie Differenzen oder Quotienten der gemessenen Lichtmengen ver schiedener Strahlungsempfänger. Die Tatsache, dass die Strahlung anisotrop, also divergent oder konvergent ist, also eine Aufspreizung oder das Gegenteil einer Aufspreizung aufweist, führt in das System eine Nichtlinearität ein, die dazu führt, dass verschiedene Rotationswinkel des Rotations körpers voneinander unterschieden werden können, die bei einer Verwendung eines parallelen Strahlenbündels nicht voneinander unterscheidbar wären, wobei die Verwendung mehrerer Strahlungs empfänger, die von unterschiedlichen Bereichen des Rotationskör pers abgeschaltet werden, bei der Auflösung von Mehrdeutigkeiten vorteilhaft ist.

Alternativ kann bei einem strahlkonvergenten System, bei dem meh rere Strahlungsquellen Strahlung konvergent auf einen einzigen Empfänger senden, ebenfalls eine Auflösung von Mehrdeutigkeiten erreicht werden, indem die mehreren Strahlungsquellen voneinan- der unterscheidbar betrieben werden oder voneinander unter scheidbar sind, beispielsweise durch eindeutig unterscheidbare Mo dulation, etwa durch abwechselndes Strahlen, oder die Verwendung und empfängerseitige Unterscheidung unterschiedlicher Wellenlän gen, wenn der Empfänger eine Auflösung nach Farben bzw. Wellen längen zulässt. Als kostengünstige Lösung werden in einer Ausführungsform eine Standard-LED als Strahlungsquelle und ein oder zwei Standard- Photodioden als Strahlungsempfänger genutzt. Das erfindungsge mäße System bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf Mik rosysteme angewendet werden und ist auch in MEMS- bzw. MO- EMS-Technologie (Mikroelektromechanische bzw. Mikrooptoelekt- romechanische Systeme) herstellbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwirklicht ein berührungsloses Messprinzip des Drehwinkels und davon abgeleiteter Größen wie Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung und ist als kos tengünstige Anordnung realisierbar, da die Anforderungen an die Präzision der Optiken nicht sehr hoch sind. Die meist nichtlinearen Signalverläufe können durch Kalibration erfasst und verarbeitet werden. Der aktuelle Winkel kann zu jedem Zeitpunkt bestimmt werden, die zeitliche Auflösung der Winkelmessung wird somit durch das Messwerterfassungssystem bestimmt und nicht durch die Rotation, wie beispielsweise bei Inkrementalgebern, die im Ruhezu stand keine Signale liefern. Es sind auch keine zusätzlichen Anfor derungen an den Rotationskörper vorhanden, wie beispielsweise bezüglich einer Magnetisierung, farblichen Gestaltung oder der

Verwendung von Polarisationselementen. Dies bedeutet, dass vor handene Rotationskörper auch mit einem erfindungsgemäßen Sys tem nachgerüstet werden können. Hierzu muss die Mechanik der Welle, auf der der Rotationskörper angeordnet ist, nicht zerlegt werden.

Die Rotationsmessung weist außerdem einen hohen Dynamikbe- reich auf, während hingegen die mechanische Präzision zwischen Rotor und Messanordnung nicht sehr hoch sein muss. Eine Lage veränderung der Rotationsachse des Rotationskörpers in Achsrich- tung ist ohne Einfluss auf die Messung. Eine Lageveränderung in horizontaler Richtung, also von der Strahlungsquelle weg oder auf die Strahlungsquelle zu, wird nach einer Umdrehung bzw. bei we nigstens zwei Empfängern direkt bei jeder Winkellage erkannt wer den und kann automatisch kompensiert werden. Auch eine Lage veränderung in vertikaler Richtung wird anhand des Zeitverlaufs er- kannt und kann modellbasiert kompensiert werden. Das System kann hierfür robust ausgelegt werden. Durch die mögliche Erken nung derartiger Fehlergrößen, stehen zusätzliche Informationen zur Verfügung. So können auch Schwingungen der Welle erkannt und analysiert werden, was eine Fehlerüberwachung der Welle erlaubt. So können defekte Lager, Verschleiß oder unsymmetrische Lasten erkannt werden. Die entsprechenden Veränderungen der detektier- ten Verlaufskurven sind für diese Fehlerfälle jeweils charakteristisch und können modelliert oder berechnet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Bestimmung des Drehwinkels, der Drehrichtung, der Drehwinkelgeschwindigkeit, der Lage oder weiterer abgeleiteter Größen mithilfe eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus und ohne bzw. mit nur minimalen Eingrif fen in die rotierende Mechanik. Das Messprinzip kann auf bereits vorhandene, in der Rotationsebene profilierte Rotoren oder Wellen angewandt werden, wie beispielsweise ein Strömungsflügelrad oder eine kantige oder ovale Welle. Ebenso ist auch möglich, einen Rota tionskörper speziell für eine Anwendung zu optimieren, diesen nachträglich in einem bereits vorhandenen System zu ergänzen o- der ihn in einem neuentwickelten Drehwinkelsensor zu integrieren. Insbesondere bei einem Strömungssensor ist das Flügelrad vor zugsweise strömungstechnisch optimiert, unter anderem mit gerin- ger Masse, geringem Rotationsträgheitsmoment, reibungsarmer La gerung und angepasster Formgebung.

Mithilfe einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglichten winkelaufgelösten Signalerfassung ist es möglich, mit einer vom Messsystem vorgegebenen Messrate Rotationszustandsgrößen wie die Rotationsgeschwindigkeit auch bei niedrigen Drehzahlen zu er fassen. Zusätzlich können durch die Rotationswinkelmessung Aus lenkungen aus der Ruhelage, Pendelbewegungen und unsymmetri- sehe Rotationen erfasst werden, wie sie häufig bei niedrigen Strö mungsgeschwindigkeiten auftreten. Derartige Informationen sind wichtig für die Fehleranalyse und Messwertkorrektur, beispielsweise bezüglich Anlaufverhalten, Folgeverhalten bei Strömungsgeschwin digkeitsänderungen oder Schlupfkompensation. Sie tragen somit zu einer Steigerung der Messgenauigkeit derartiger Strömungssenso ren bei.

Das erfindungsgemäße Messprinzip funktioniert prinzipiell auch bei Rotationskörpern mit einer hochzähligen Rotationssymmetrie. Sehr hohe n führen jedoch dazu, dass die Periodizität sehr kurz wird und die verfügbare Amplitude der Änderung der Strahlungsmenge, die bei den Strahlungsempfängern ankommt, sehr klein wird. So ist bei spielsweise bei n = 30 nur noch ein Winkelzug von 12° auflösbar. Vorzugsweise ist deshalb der Rotationskörper mit n-facher Dreh- Symmetrie mit 1 < n < 20, vorzugsweise mit 1 < n < 1 0, ausgebildet. Dies ist bezogen auf die Abschattungseigenschaften des Rotations körpers. Mit entsprechenden Werten für n ist eine gute Auflösung und eine ausreichend große Periodizität des Messsignals erreich bar. Alternativ oder zusätzlich dazu ist der Rotationskörper als Flü- gelrad mit n Flügeln oder als im Querschnitt regelmäßiger oder un regelmäßiger polygonaler Körper mit n Ecken und n Kanten ausge bildet. Da dieses Messverfahren auf einer Amplitudenmessung basiert, ist es sinnvoll die Quelle(n) zu stabilisieren bzw. ihre Emission zu refe- renzieren um mögliche Schwankungen zu kompensieren, die auch im Messsignal enthalten wären. Auch eine gezielte Modulation der Quelle kann genutzt werden, um Quereinflüsse wie bspw. Fremd licht zu kompensieren.

Vorzugsweise wird die Strahlung als divergenter oder konvergenter Strahlungsfächer oder als zwei oder mehr divergierende oder kon vergierende Strahlenbündel ausgesandt. Ein divergenter Strah lungsfächer ist in diesem Fall ein auseinanderstrebendes Strahlen bündel, während divergierende Strahlenbündel separate Strahlen bündel bezeichnen, die jeweils divergent oder aber auch parallel sein können und in verschiedene, divergierende Richtungen laufen. Bei konvergenten Strahlungsfächern bzw. Strahlenbündeln verhält es sich umgekehrt. Mit allen vier Varianten lässt sich das erfin dungsgemäße Messprinzip verwirklichen. In der optischen Anordnung wird die Umschaltung von einem diver genten System zu einem konvergenten System in einfacher Weise durch Austausch von Lichtquelle(n) und Empfänger(n) erreicht. So ergibt sich im strahlkonvergenten System ein konvergentes Ab strahlverhalten.

Vorteilhafterweise sind wenigstens zwei Strahlungsempfänger um fasst, die angeordnet sind, Teile der Strahlung zu empfangen, die an entgegengesetzten Seiten des Rotationskörpers vorbeigelangen bzw. reflektiert werden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass an den entgegengesetzten Seiten des Rotationskörpers charakteris tisch je nach Rotationslage die Abschattung bzw. Reflexion durch den Rotationskörper während dessen Rotation unterschiedlich ver- läuft, so dass Mehrdeutigkeiten, die bei der Verwendung nur eines Strahlungsempfängers auftreten würden, beseitigt werden können. Alternativ können auch zwei Strahlungsempfänger entlang der Rota tionsachse des Rotationskörpers nebeneinander, aber auf der glei- chen Seite des Rotationskörpers, angeordnet sein, wobei in diesem Fall der Rotationskörper vorzugsweise in seiner axialen Richtung unterschiedlich ausgestaltet ist, sodass diese beiden Strahlungs empfänger unterschiedliche zeitliche Verläufe ihrer Messsignale empfangen und auf diese Weise eine Bestimmung der Rotationszu- Standsgrößen möglich ist.

Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können auch mehrere derartige Anordnungen auf einer Welle nebeneinander angebracht werden, wobei vorzugsweise ein Winkelversatz zwischen den Systemen rea- lisiert wird.

Die vorhergehenden und die folgenden Ausführungen gelten für den Einsatz eines Rotationskörpers oder mehrerer Rotationskörper, auch, wenn nur beispielhaft von einem Rotationskörper die Rede ist.

Über die Verwendung eines einzelnen Rotationskörpers hinaus er laubt eine Verwendung mehrerer Rotationskörper mit vorzugsweise unterschiedlichen Symmetrien n eine feinere und unabhängige Be stimmung von Rotationszustandsgrößen. Dies gilt besonders, wenn die verschiedenen n unterschiedliche Primzahlen sind, aber auch, wenn sie sich um einen festen Faktor unterscheiden, beispielsweise 2, 3, 4, 5 oder mehr, so dass sich eine feine Unterteilung ergibt, die durch eine Messung m it gröberer Unterteilung unterstützt wird, so dass das Risiko von Fehlzählungen durch eine Art Kontrollmessung minim iert wird. Bei Verwendung von wenigstens zwei Rotationskör pern m it verschiedenen n, die verschiedene Primzahlen darstellen, lässt die Kombination der Messungen außerdem einen Rückschluss auf den Absolutwert des Rotationswinkels zu.

Die Messung an den unterschiedlichen Rotationskörpern kann dadurch weiter voneinander unabhängig gemacht werden, dass durch Zwischenwände ein Übersprechen von Licht verhindert wird, oder dass mit unterschiedlichen Farben oder Wellenlängen von elektromagnetischer Strahlung gemessen wird, wobei insbesondere jedem Rotationskörper eine eigene Strahlungsquelle und/oder ein eigener Strahlungsempfänger zugeordnet wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Auswertungsvorrichtung eingerichtet, ein Verhältnis und/oder eine Differenz der von den we nigstens zwei Strahlungsempfängern empfangenen Strahlung zu bilden. So ist eine Quotientenbildung dazu geeignet, Fluktuationen der Strahlungsquelle auszuschließen, da diese sich in dem Quotien ten herausteilen. Eine Differenzmessung ergibt ein Kompositsignal, welches eine verbesserte Auflösung von Mehrdeutigkeiten bereit stellen kann. Wenn vorteilhafterweise zwei oder mehr strahldivergente und/oder strahlkonvergente Messsysteme, insbesondere mit einer gemein samen Auswertungsvorrichtung, umfasst sind, wobei die zwei oder mehr strahldivergenten Messsysteme unter einem Winkel zueinan der bezüglich des Rotationskörpers angeordnet sind, wobei insbe- sondere die zwei oder mehr strahldivergenten Messsysteme geo metrisch gegeneinander abgeschirmt sind und/oder bei Betrieb mit unterschiedlichen Messfrequenzen, alternativ oder zusätzlich mit Frequenzfiltern, insbesondere Bandpassfiltern oder Kantenfiltern, gegeneinander abgeschirmt sind, dann ist es möglich, die Genauig- keit der Messung zu verbessern und Mehrdeutigkeiten der Messsig nale zu unterdrücken. Eine Ausführungsform besteht aus einer Kombination von abschat- tungs- und reflexionsbasierten Messsystemen.

Eine besonders einfache Ausführungsform besteht darin, dass zwei Strahlungsempfänger als flächige Strahlungsempfänger ausgebildet sind, die jeweils einen Teil der divergenten Strahlung abdecken, während in einer anderen, ebenfalls einfachen Ausführungsform zwei, insbesondere in Bezug auf die Rotationsachse des Rotations körpers zueinander symmetrische, Kombinationen aus jeweils einem kleinflächigen Strahlungsempfänger und jeweils einem fokussieren den Element umfasst sind, insbesondere einer Linse oder Lin senkombination oder einem fokussierenden Spiegel, mittels dessen ein jeweiliger Teil der divergenten Strahlung auf den kleinflächigen Strahlungsempfänger fokussiert wird. Die erstgenannte Ausfüh- rungsform kann auf Fokussierung der Elemente auf Empfängerseite verzichten, während die zweite alternative Ausführungsform, in de nen Fokussierung der Elemente verwendet werden, kleinflächige Strahlungsempfänger verwendet, welche sehr kostengünstig und reaktionsschnell sind.

In Ausführungsformen der Erfindung sind Spiegel vorhanden, die auf Seiten der Strahlungsquelle die Strahlung aufweiten oder bün deln, und/oder die auf Seiten des wenigstens einen Strahlungsemp fängers die Teile der Strahlung beiderseits des Rotationskörpers bündeln oder aufweiten. Auf diese Weise wird ein anisotroper, also divergierender oder konvergierender optischer Strahlengang herge stellt, der sehr kleinbauend verwirklicht werden kann. Als spiegeln de Elemente bieten sich Hohlspiegel an, jedoch können auch kon vexe Spiegel eingesetzt werden. Derartige Hohlspiegel können sehr kostengünstig innerhalb eines Sensorgehäuses durch Verspiege lung einer geeigneten Form realisiert werden. Wenn der Rotationskörper wenigstens abschnittsweise teiltranspa rent oder transparent bzw. teilreflektierend oder reflektierend aus gebildet ist, eröffnet dies weitere Möglichkeiten zur Signalformung und Verbesserung der Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten. Der Rotationskörper kann im Falle einer teilreflektierenden oder reflek tierenden Ausbildung vorteilhafterweise reflektierend spiegelnd oder rau streuend reflektierend ausgebildet sein. Vorzugsweise weist in einer Reflexionsanordnung der Reflektor eine raue reflektierende Oberfläche auf. Gegenüber einer glatten spiegelnden Oberfläche kann hierdurch der mit einem Detektor erfassbare Drehwinkelbe reich deutlich erhöht werden.

Eine Gestaltung des Rotationskörpers, in dem von innen nach au ßen hin die Transparenz bzw. Reflektivität des Rotationskörpers gegenüber der verwendeten Messfrequenz ansteigt, kann so ge wählt werden, dass ein weitgehend linearer Signalverlauf eingestellt wird. Bei einem Rotationskörper, der beispielsweise m it mehreren Flügeln ausgestattet ist, können die einzelnen Flügel, die ansonsten geometrisch gleichartig ausgebildet sein können, mit unterschiedli- chen Transparenzverläufen ausgebildet sein, um charakteristische Signalverläufe zu erzeugen, die in einer Signalanalyse in der Aus wertungsvorrichtung voneinander unterscheidbar sind, sodass die Periodizität des Messsignals auf 360° maximiert wird. Ebenfalls er öffnet dies die Möglichkeit, beispielsweise in Richtung der Rotati- onsachse axial nebeneinanderliegende Bereiche des Rotationskör pers m it unterschiedlicher Transparenz zu versehen und bei der Messung die Bereiche m it unterschiedlicher Transparenz getrennt voneinander zu behandeln sodass auch in diesem Fall Mehrdeutig keiten, die bei der Verwendung nur eines Systems noch auftreten könnten, unterdrückt werden.

Vorzugsweise ist oder sind ein oder mehrere optische Elemente zur Optimierung, insbesondere Linearisierung, einer Intensitätsvertei lung der divergenten oder konvergenten Strahlung umfasst. Dies bedeutet in einer Ausführungsform, dass ein reflektierendes Ele ment auf Seiten der Strahlungsquelle so geformt ist und gegebenen- falls mit einer solchen Reflexivität bzw. dessen Verlauf ausgestattet ist, dass sich ein Profil der Lichtintensität innerhalb des Strahlungs feldes einstellt, welches zu einer Optimierung, beispielsweise Linea risierung, der Signalverläufe führt. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Filter, beispielsweise eine teiltransparente Scheibe mit voreingestelltem Transparenzverlauf, eingesetzt werden, welche als Filter die Intensitätsverteilung der Strahlung modelliert.

Vorzugsweise ist eine Einrichtung zur Stabilisierung oder Referen- zierung der Lichtquelle umfasst, mittels der die Lichtquelle stabili- siert oder Schwankungen in der Strahlungsintensität der Lichtquelle in den gemessenen Signalen kompensiert werden. Eine Stabilisie rung beispielsweise durch Stabilisierung der Stromstärke und/oder Stromspannung, die der Lichtquelle zugeführt wird bzw. werden, oder durch Messung einer momentanen Lichtstärke, die an die Stromquelle rückgekoppelt wird, verbessert die Messgenauigkeit. Ebenfalls kann die Messung der momentanen Lichtstärke der Licht quelle als Referenz für die gemessenen Signale benutzt werden, beispielsweise durch Bildung des Verhältnisses aus gemessenem Signal und gemessener momentaner Lichtstärke.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur berührungslosen Rotationsmessung in einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst, bei dem eine divergente oder konvergente Strahlung auf den wenigstens einen Rotationskörper der Vorrichtung in einer Richtung quer, insbesonde re senkrecht, zur Rotationsachse des wenigstens einen Rotations körpers geworfen wird, wobei a) an wenigstens einer Seite des wenigstens einen Rotationskör pers vorbei gelangende Strahlung in wenigstens einem Strah lungsempfänger der Vorrichtung erfasst wird und/oder b) wenigstens ein Teil der von dem wenigstens einen Rotations körper reflektierten Strahlung in wenigstens einem Strahlungs empfänger der Vorrichtung erfasst wird, und aus der Menge der erfassten Strahlung und/oder wenigstens einer daraus abgeleiteten Größe wenigstens eine Rotationszu standsgröße der Rotation des wenigstens einen Rotationskörpers ermittelt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht die gleichen Eigen schaften, Merkmale und Vorteile wie die zuvor beschriebene erfin dungsgemäße Vorrichtung und beruht im Wesentlichen auf der Auswertung von Detektor-Analogsignalen, die durch Schattenwurf eines abschattenden Rotationskörpers bzw. durch den Wurf des Licht- bzw. Strahlungskegels eines reflektierenden Rotationskörpers im divergenten Strahlungsfeld entstehen.

Wie bereits erwähnt, kann das entstehende Messsignal bzw. können die entstehenden Messsignale je nach Eigenschaften des Feldes der ausgesandten Strahlung und der Form und der Verteilung der Transparenz des Rotationskörpers nichtlinear sein, in jedem Fall charakteristisch. Da allerdings der Verlauf der Menge des empfan genen Lichtspiels bzw. der empfangenen Strahlung für jede Win keleinstellung des Rotationskörpers bei vorhandenem Strahlungs feld reproduzierbar ist und entweder berechnet oder vermessen werden kann, ist es eine Frage der Kalibrierung der Vorrichtung, aus konkreten Messwerten im Betrieb auf einen Rotationszustand bzw. eine Rotationszustandsgröße rückzuschließen.

Im einfachsten Fall werden ein, zwei oder mehrere Messsignale be züglich Strahlungsintensitäten erfasst und an die Auswertungsvor- richtung weitergeleitet, welche dann mithilfe einer Look-Up-Tabelle oder einer einfachen Berechnung aufgrund von Modellen oder be kannten Messwerten die Rotationszustandsgröße ermittelt. Die Auswertungsvorrichtung selbst kann als prozessorbasierter Compu ter, aber auch in einfacher Weise beispielsweise als FPGA (field programmable gate array) ausgebildet sein. Die Erfindung ist hie rauf nicht beschränkt.

Die Auswertung der Wechselanteile und der Gleichanteile der Emp fangssignale ermöglicht außerdem die Kompensation individueller Veränderungen der optischen Lichtpfade. Zur weiteren Verbesse rung der Messgenauigkeit ist vorgesehen, die Strahlungsquelle zu modulieren, so dass der Einfluss von Fremdlicht bzw. Störlicht aus der Umgebung unterdrückt werden kann. Wenn mittels wenigstens zwei Strahlungsempfängern Strahlung er fasst wird, die auf entgegengesetzten Seiten des Rotationskörpers vorbeigelangt ist, und aus den erfassten Mengen an Strahlung eine Differenz und/oder ein Verhältnis berechnet wird, aus dem wenigs tens eine Rotationszustandsgröße der Rotation des Rotationskör- pers erm ittelt wird, so hat dies den Vorteil, dass bei einer Berech nung des Verhältnisses Fluktuationen in der Lichtintensität bzw. Strahlungsintensität keinen Einfluss auf das Messergebnis haben, da beide Kanäle in gleicher Weise hiervon betroffen sind. Eine Dif ferenzmessung der beiden Kanäle führt zu einem zusammengesetz- ten Signal, welches zur Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten einge setzt werden kann. Die Messung von Verhältnissen kann auch zur Kompensation von längerfristigen Drifts verwendet werden. Vorteilhafterweise wird oder werden als Rotationszustandsgröße eine Winkellage, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung und/oder Rotationsrichtung des Rotationskörpers ermittelt.

Die für diese Rotationszustandsgrößenbestimmung genutzten Stör kompensationen, bspw. der Lagefehler des Rotors, können als zu sätzliche Information zur Lage der Drehachse ausgegeben werden. Die Signalverläufe für einen Regelfall, in dem der Rotationskörper auf seiner vorherbestimmten Rotationsachse rotiert, sind einfach zu messen oder zu berechnen und wiederholen sich mit jeder Umdre hung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemä ße Verfahren bieten zusätzlich die Möglichkeit, aus Abweichungen von regelhaften Messungen auf Abweichungen vom Regelbetrieb zu schließen, insbesondere Schwingungen und/oder Verschiebungen der Rotationsachse oder unsymmetrische Last. Jede Abweichung des Rotationskörpers bezüglich der Normallage, also auf die nomi nale Rotationsachse zentriert, führt zu einer Beeinflussung des Messsignals in wenigstens einem Kanal. Diese charakteristische Abweichung kann zu einer Berechnung der Abweichung von der nominalen Rotationsachse verwendet werden, deren zeitlicher Ver lauf außerdem dazu verwendet werden kann, permanente Verschie bungen oder auch zeitlich veränderliche Abweichungen wie Vibrati- onen oder Erschütterungen zu ermitteln.

Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung er findungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprü chen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsge mäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen. Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemei nen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelhei ten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung im

Querschnitt, Fig. 2 Signalverläufe von Messgrößen und abgeleiteten

Messgrößen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 1 ,

Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf eines Messsignals eines aus laufenden Rotationskörpers,

Fig. 4a) - 4d) Varianten erfindungsgemäßer Vorrichtungen in schematischer Darstellung,

Fig. 5a) - 5d) Varianten erfindungsgemäß einsetzbarer Rotations körper im Querschnitt,

Fig. 6a) - 6d) Varianten erfindungsgemäß einsetzbarer Rotations körper in Draufsicht,

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Reflexionsan ordnung und

Fig. 8 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung in Refle xionsanordnung.

In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung zur berüh- rungslosen Rotationsmessung in einer schematischen Querschnitts darstellung. Zentral befindet sich ein als Flügelrad mit 2 Flügeln ausgebildeter Rotationskörper 12, der auf einer zentralen Rotati onsachse 14, die in die Bildebene hineinreicht, rotierend gelagert ist. Ein strahldivergentes Messsystem 20 für den Rotationskörper 12 umfasst eine kleine Strahlungsquelle 22 als Teil eines Sendesys tems, welches neben der Strahlungsquelle 22 einen als Flohlspiegel ausgebildeten Spiegel 23 und ein Filterelement 25 umfasst, wobei der Spiegel 23 Strahlung von der Strahlungsquelle 22 in Richtung auf den Rotationskörper 12 lenkt und das Filterelement 25, welches optional ist, dazu dient, als Blende die Strahlung zu begrenzen und gegebenenfalls mit verlaufender Transparenz zu modellieren. Es ergibt sich somit ein divergierender optischer Pfad 24, der durch Einhüllende 26, 26' nach außen begrenzt ist. Dieser optische Pfad 24 umfasst den maximalen Umfangsrotationskreis 16 des Rotati- onskörpers 12 quer zur Rotationsachse 14 des Rotationskörpers 12.

In dem in Figur 1 gezeigten Ausgangsbeispiel ist die Einhüllende 26, 26' eine Tangente an den Umfangsrotationskreis 16, sodass bei jeder vollen Umdrehung des Rotationskörpers 12 die obere Hälfte des optischen Pfads bzw. die untere Hälfte des optischen Pfads 24 jeweils einmal vollständig abgeschattet ist, und zwar zu unter schiedlichen Zeiten, entsprechend einem Phasenversatz. In alterna tiven Ausführungsformen kann der optische Pfad 24 so gewählt sein, dass er seitlich gegenüber dem maximalen Umfangsrotations- kreis 16 weiter ist, sodass auch im Fall der maximalen Abdeckung noch Licht bzw. Strahlung an dem Rotationskörper 12 vorbei ge langt. Eine solche Anordnung ist robust gegenüber Vibrationen oder Lageveränderungen des Rotationskörpers 12 auf der Rotationsach se 14.

Auf der der Strahlungsquelle 22 gegenüberliegenden Seite des Ro- tationskörpers 12 befinden sich Strahlungsempfänger 32, 34, die jeweils Strahlung empfangen, die in der oberen Hälfte bezifferte un teren Hälfte des optischen Pfad 24 an dem Rotationskörper 12 vor beigelangt. Hierzu wird die vorbeigelangte Strahlung mittels als Hohlspiegel ausgebildeter Spiegel 33, 35 auf die kleinflächigen Strahlungsempfänger 22, 34 fokussiert. In dem gezeigten Aus gangsbeispiel kann es sich bei der Strahlungsquelle 22 um eine Standard-LED handeln, während die Strahlungsempfänger 32, 34 in einfacher Weise als Photodioden ausgebildet sein können. Anstelle von sichtbarem Licht können auch unsichtbare Wellenlängenberei- che, beispielsweise Infrarot, Ultraviolett, HF (Hochfrequenz) oder Mikrowellen zum Einsatz kommen.

Die Krümmungen des Spiegels 23 und der Spiegel 33, 35 sind so aufeinander abgestimmt, dass bei allgemein divergierendem opti- sehen Pfad 24 in Form eines Lichtfächers eine Punktabbildung der Strahlungsquelle 22 auf die Strahlungsempfänger 32, 34 erfolgt.

Schematisch ist noch eine Auswertungsvorrichtung 40 dargestellt, die die Messsignale der Strahlungsempfänger 32, 34 empfängt und verarbeitet, Rotationszustandsgrößen aus den Messsignalen ermit telt und gegebenenfalls die Strahlungsquelle 22 steuert.

Aus dem strahldivergenten System der Figur 1 lässt sich durch ein fache optische Umkehrung ein strahlkonvergentes System machen. Dazu wird die Strahlungsquelle 22 durch einen Strahlungsempfän ger ersetzt und die beiden Strahlungsempfänger 32, 34 durch Strah lungsquellen. Damit ist das Strahlenbündel am Ort des Rotations- körpers 12 nicht mehr divergent, sondern konvergent.

Um auch in diesem Fall eine Unterscheidung zwischen der oberen und der unteren Hälfte der Anordnung herzustellen, können die Strahlungsquellen verschiedenfarbig sein oder unterschiedlich mo duliert werden, beispielsweise durch abwechselnde Beschaltung oder durch hochfrequente Modulationen mit voneinander unter schiedlichen Frequenzen, die sich in einer anschließenden Fre quenzanalyse des Messsignals wiederum voneinander trennen las- sen. Die beiden gewünschten Messsignale sind dann als Amplitu denmodulation auf einem Trägersignal verfügbar. Die Modulations geschwindigkeit des Trägersignals sollte dabei vorzugsweise we nigstens doppelt so groß sein wie die größte zu erwartende Fre quenz des eigentlichen Messsignals und ist durch die Schaltge- schwindigkeit der Strahlungsquellen nach oben begrenzt.

Figur 2 zeigt für das Ausgangsbeispiel der Figur 1 einen typischen Verlauf der Messsignale in Bezug auf die Menge des detektierten Lichts in willkürlichen Einheiten auf der vertikalen Achse in Abhän- gigkeit des Drehwinkels des Rotationskörpers 12, der für einen Drehwinkel zwischen 0° und 540° aufgetragen ist, entsprechend einundeinhalb vollständiger Umdrehungen. Der Rotationskörper 12 hat eine 2-zählige Rotationssymmetrie, sodass sich jedes einzelne Messsignal nach 180° wiederholt. Zur Verdeutlichung sind die ver- schiedenen Signalverläufe in zwei der drei 180°-Perioden bezeich net, um zu verdeutlichen, dass sich wiederholende Verläufe jeweils einen zusammenhängenden Signalverlauf bilden.

Mit PD1 und PD2 sind die direkten analogen Messsignale der Strah lungsempfänger 32 bzw. 34 bezeichnet. Diese sind auf einen Maxi malwert von 1 normiert und schwanken zwischen 0 bei vollständiger Abdeckung und 1 bei minimaler Abdeckung, d. h., wenn der Rotati- onskörper 12 in der Darstellung von Figur 1 in seiner waagerechten Position ist. Dies ist bei den Drehwinkelpositionen 0°, 180°, 360° und 540° der Fall. Innerhalb jeder einzelnen Periode von 180° ist allerdings erkennbar, dass die Verläufe der Messsignale PD1 und PD2 zueinander spiegelsymmetrisch sind und das Minimum von 0 zunächst im Messsignal PD2, in diesem Fall bei ca. 68°, und erst später im Messsignal PD1 , in diesem Fall bei ca. 1 12°, erreicht wird. Dies ist eine direkte Folge der divergenten Aufweitung des Strah lungsfeldes. Für den Fall, dass das Messsignal PD1 vom Strah- lungsempfänger 32 stammt und das Messsignal PD2 vom Strah lungsempfänger 34, bedeutet dies, dass der Körper 12 sich in der Darstellung der Figur 1 gegen den Uhrzeigersinn um die Rotations achse 14 dreht. Dies ist damit zu erklären, dass bei der Rotation des Rotationskör pers 12 in Figur 1 aus der waagerechten Lage heraus gegen den Uhrzeigersinn nach einer Rotation um ca. 30°, wie in Figur 1 darge stellt, trotz gleicher Winkellage verschiedene Anteile des divergen ten Strahlungsfeldes abgeschattet werden. So ist der auf der rech- ten Seite dargestellte Flügel des Rotationskörpers 12, der in die obere Hälfte hineinragt, absolut zwar genauso weit von der gestri chelt gezeichneten Symmetrieachse des Messsystems entfernt wie das Ende des links dargestellten Flügels des Rotationskörpers 12, schattet jedoch aufgrund der höheren Ausweitung des Feldes an dieser Stelle einen kleineren Anteil der Strahlung in der oberen Hälfte ab als in der unteren Hälfte abgeschattet wird. Bei einem nicht divergenten Strahlengang wäre der Anteil des abgeschatteten Lichts in der oberen Hälfte und in der unteren Hälfte gleich. Spie gelbildliche Positionen des Rotationskörpers 12, wie z. B. 60° und 120°, wären nicht zu unterscheiden.

Ebenfalls dargestellt ist ein Differenzsignal PD1 -PD2, welches in seiner Form an eine Sinusform angenähert ist und somit für eine Signalverarbeitung gegebenenfalls einfacher zu handhaben ist. Fer ner sind auch die Verhältnisse PD1/PD2 und PD2/PD1 dargestellt, die in diesem Fall zwischen ca. 0,3 und 3,5 variieren und jeweils wiederum zueinander in den 180°-Signalzügen spiegelbildlich zuei nander verlaufen. Diese abgeleiteten Signalverläufe sind hochgra dig nichtlinear, für den Aufbau des Messsystems und des Rotati onskörpers 12 stark charakteristisch und eignen sich sehr gut für eine Ermittlung von Rotationszustandsgrößen. Jede Abweichung des Rotationskörpers 12 von seiner zentralen Rotationsachse 14 aufgrund von Schwingungen o.ä. führt zu einer Abweichung der gemessenen Verläufe von den in Figur 2 dargestellten idealen Ver läufen und kann zur Fehlerzustandsermittlung verwendet werden. Figur 3 zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf eines Messsignals, beispielsweise des Signals PD1 des Strahlungsempfängers 32, im Falle einer sich verlangsamenden Rotation. Die horizontale Achse listet Abtastpunkte auf und ist proportional zum zeitlichen Verlauf. Die Messung kann mit einer Frequenz von beispielsweise mehreren 1000 oder 10.000 Abtastungen pro Sekunde erfolgen. Das normier te Signal variiert zwischen ca. 0,03 im Minimum und 1 im Maximum. Dies bedeutet, dass auch im Zeitpunkt der maximalen Abschattung noch Licht am Rotationskörper 12 vorbeigelangt. Nach einer Serie von etwa gleich langen Rotationszyklen verlangsamt sich die Rota- tion ungefähr ab dem Abtastpunkt 30.000, bis die Rotation nach dem Abtastpunkt 60.000 im Wesentlichen ganz aufhört. Zwischen ca. 63.000 und 80.000 findet ein Ausschwingen mit einer Rückbe wegung und die endgültige Einstellung in die Vorzugslage statt. In den Figuren 4a) bis 4d) sind verschiedene Varianten erfindungs gemäßer Vorrichtungen 10 schematisch im Querschnitt dargestellt. Diese Vorrichtungen 10 umfassen jeweils Rotationskörper 12 und strahldivergente Messsysteme 201 , 202, 203, 204. Das in Figur 4a) dargestellte Messsystem 201 ist sehr einfach gestaltet und enthält eine Strahlungsquelle 22, die von einem Punkt aus ohne optische Ablenkungselemente ein divergentes Strahlungsfeld aussendet. Auf der anderen Seite in Bezug auf einen Rotationskörper 12 sind zwei flächige Strahlungsempfänger 32, 34 oberhalb und unterhalb einer Symmetrieachse (gestrichelt, ohne Bezugszeichen) dargestellt, die den nicht abgeschalteten Teil der Strahlung von der Strahlungsquel le 22 aufnehmen. Diese Variante kommt ohne weitere optische Ele- mente aus und ist daher sehr einfach aufgebaut.

Hiervon unterscheidet sich die Variante des Messsystems 202 aus Figur 4b) darin, dass auf der Seite der Strahlungsquelle 22, die in diesem Fall als eine sehr kleine Strahlungsquelle ausgebildet ist, ein Spiegel 23 und ein Filterelement 25 gemäß der Ausführungsform aus Figur 1 vorhanden sind, die zusammen die Verteilung des Strahlungsfeldes im optischen Pfad modellieren. Auf Seiten der Strahlungsempfänger sind jedoch wiederum zwei flächige Strah lungsempfänger 32, 34 eingesetzt, so dass die Notwendigkeit der Fokussierung empfangsseitig entfällt.

Das Messsystem 203 gemäß Figur 4c) stellt sich in der gezeigten Querschnittsdarstellung wie die obere Hälfte des divergenten Mess systems 20 aus Figur 1 dar. Obwohl auch ein einzelnes Messsystem erfindungsgemäß einsetzbar ist, kann ein zweites, gleich geartetes Messsystem in der Bildebene hinter dem dargestellten Messsystem 203 angeordnet sein. Durch eine ansprechende unterschiedliche Ausgestaltung der hiesigen Teile des Rotationskörpers, die von dem ersten Messsystem 203 und dem dahinterliegenden zweiten Mess- System gesehen werden, lässt sich jedoch eine unabhängige zweite Messung verwirklichen, sodass auch in diesem Fall wieder Diffe renzmessungen oder Messungen von Verhältnissen inklusive Pha- senversatz zur Beseitigung von Mehrdeutigkeiten möglich werden. Ein zweites Messsystem könnte insofern auch unter einem anderen Winkel bezüglich des Rotationskörpers 12 angeordnet sein, um ei nen entsprechenden Phasenversatz herzustellen.

Das divergente Messsystem 204 gemäß Figur 4d) ist daran ange passt, dass der Rotationskörper 12 in diesem Fall nicht ein Flügel 100 ist, sondern einen dreieckigen Querschnitt hat, sodass ein nicht unerheblicher Teil des zentralen Strahlengangs immer abgeschattet ist. Daher wurde der Strahlengang in einem oberen und einen unte ren Strahlengang aufgeteilt, zwischen denen eine Lücke klafft, die etwas weniger breit ist als der dauerhaft abgeschattete zentrale Teil des optischen Pfads. Die Krümmungen der Spiegel 25, 33, 35 sind an die veränderten geometrischen Verhältnisse angepasst, ansons- ten entspricht diese Anordnung wiederum derjenigen aus Figur 1 .

In Figur 5a) bis 5d) sind 4 verschiedene Beispiele von Rotationskör pern im Querschnitt schematisch dargestellt. Bei dem in Figur 5a) dargestellten Rotationskörper 12 handelt es sich um ein Flügelrad 121 m it zwei Flügeln, das um eine Rotationsachse 14, beispielswei se in Richtung der gestrichelten Pfeile, rotiert. Bei den Rotations körpern von 122, 123 und 124 Figuren 5b) bis 5d) handelt es sich um regelmäßige Polygone, näm lich im Querschnitt ein Dreieck, ein Quadrat und ein Sechseck. Solche Querschnittsformen sind bei- spielsweise als Messabschnitte für rotierende Wellen in Transm issi on und/oder Reflexion sehr geeignet, während das Flügelrad 121 als Strömungsmessgerät, beispielsweise in einem Flügelradzähler, vorzugsweise Einsatz findet. In den Figuren 6a) bis 6d) sind verschiedene Beispiele von Rotati onskörpern 12 auf einer Rotationsachse 14 in einer frontalen An sicht gezeigt. Es kann sich beispielsweise jeweils um ein Flügelrad handeln. In den verschiedenen Figuren sind schraffierte Bereiche für die verwendete Strahlung intransparent, während die nicht schraffierten und mit Bezugszeichen 50 gekennzeichneten Bereiche für die verwendete Strahlung transparent oder teilweise transparent sind. So lässt sich der Messsignalverlauf günstig einstellen, um eine genaue und sichere Ermittlung von Rotationszustandsgrößen zu er lauben.

Während in Figur 6a) eine Standardanordnung mit einer symmetri- sehen Gestaltung der Rotorflügel des Rotationskörpers dargestellt ist, die eine Zuordnung des Drehwinkels innerhalb von 180° ermög licht, ist der Rotor in Figur 6b) unsymmetrisch gestaltet, um eine Zuordnung des Drehwinkels innerhalb von 360° zu ermöglichen. Das entlang seiner Rotationsachse zweigeteilte bzw. asymmetrische Flügelrad aus der Figur 6c) hat eine Kombination strahlungsdurch lässiger und strahlungsundurchlässiger Flächen jedem Rotorflügel und kann in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4c) beispielsweise Verwendung finden, wenn zwei voneinan- der entkoppelte strahldivergente Messsysteme 203 nebeneinander angeordnet sind und jedes davon einen Abschnitt des Rotationskör pers 12 beleuchten, die voneinander unterschiedliche Transparenz verteilungen aufweisen und somit zu unterschiedlichen Signalver läufen während der Rotation des Rotationskörpers 12 führen. So lässt sich durch die unsymmetrische Gestaltung des Rotationskör pers 12 eine Zuordnung des Drehwinkels innerhalb von 360° errei chen. Gleichzeitig ist ein optischer Zugang nur in einer Flalbebene notwendig. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 6d) ist die Rotorfläche so ausgebildet, dass diese seitlich überstrahlt wird, oder alternativ der Rotor als halbdurchlässig ohne Überstrahlen der Fläche ausgebildet ist, so dass ein erhöhter permanenter Gleichlichtanteil vorhanden ist, der zur Kompensation von Störungen in der Übertragungsstre cke verwendet werden kann. Die Figuren 7 und 8 zeigen schematisch zwei Varianten erfindungs gemäßer Vorrichtungen mit konvergenten Messsystemen 301 , 302 in schematischen Darstellungen. Wie in Fig. 7 dargestellt, strahlt eine systematisch dargestellte Strahlungsquelle 22 einen divergie renden Lichtfächer auf den im Querschnitt quadratischen Rotations- körper 12. Dieser weist eine raue reflektierende Oberfläche auf, so dass die Strahlung mit einer gewissen Verteilung zurückgestreut wird und auf zwei Strahlungsempfänger 32, 34 trifft. Sowohl die Strahlungsquelle 22 als auch die Strahlungsempfänger 32, 34 sind schematisch dargestellt. Die Diffusität bzw. Spekularität der Vertei- lung der Rückstreuung ist durch die keulenförmigen Strahlverteilun gen in Fig. 7 und Fig. 8 angedeutet.

Die Strahlungsquelle 22 kann in einer Ebene mit den Strahlungs empfänger 32, 34 angeordnet sein, wobei der Lichtfächer zwischen den beiden Strahlungsempfängern 32, 34 herläuft. Durch die Rotati on des Rotationskörpers 12 wird sich die Verteilung des reflektierten Lichts auf den beiden Strahlungsempfänger 32, 34 in charakteristi scher Weise ändern, so dass aus dem Messsignal eines oder beider Strahlungsempfänger 32, 34 die entsprechenden Rotationsgrößen des Rotationskörpers 12 ableiten lassen.

Im Unterschied zu dem Messsystem 301 sind die beiden Strah lungsempfänger 32, 34 im Messsystem 302 der Figur 8 nebenei nander und mit nur geringem Zwischenraum platziert. Auch in die- sem Fall handelt es sich um eine reflektierende Anordnung, wobei die Strahlungsquelle 22 in einer auf den Beobachter der Figur 8 ori entierten Richtung die Lichtquelle 22 oberhalb der Strahlungsemp- fänger 32, 34 angeordnet ist und seinen Lichtfächer über die Strah lungsempfänger 32, 34 hinweg schräg nach unten auf den Rotati onskörper 12 wirft. Das reflektierte Licht trifft wiederum auf die Strahlungsempfänger 32, 34.

Auch die Messsysteme der Figuren 7, 8 lassen sich als strahlkon vergente Messsysteme konfigurieren, indem die Strahlungsempfän ger und Strahlungsquellen jeweils ausgetauscht werden. Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu ent nehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombinati on als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausfüh rungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombinati- on mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekenn zeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.

Bezuaszeichenliste

10 Vorrichtung

12 Rotationskörper

14 Rotationsachse

16 maximaler Umfangsrotationskreis 20 strahldivergentes Messsystem

22 Strahlungsquelle

23 Spiegel

24 optischer Pfad

25 Filterelement

26, 26' Einhüllende

32, 34 Strahlungsempfänger

33, 35 Spiegel

40 Auswertungsvorrichtung

50 transparenter Bereich

121 Flügelrad

122-124 polygonaler Körper

201 -204 strahldivergentes Messsystem

301 , 302 Messsystem in Reflexionsanordnung

PD1 Messsignal Empfänger 1

PD2 Messsignal