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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwingungsmesseinrichtung für Wellen, insbesondere für Drehschwingungsmessungen an schnellaufenden Verbrennungsmotoren mit einer Aufnahme-, einer Übertragungs- und einer Auswerteeinrichtung.
Bei derartigen Schwingungsmesseinrichtungen war bisher ein zumeist eine federnd aufgehängte seismische Masse mit relativ grossem Eigengewicht aufweisender Aufnehmer vorgesehen. Der Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, dass die Lagerung zwischen der seismischen Masse und dem Übertragungssystem auf Grund des unvermeidlichen Lagerspiels zu Störungen des Messsignals führt. Insbesondere bei Drehschwingungsmessungen an Wellen von Verbrennungsmotoren muss auch mit Querbewegungen der untersuchten Wellen gerechnet werden, welche der Schwingungsaufnehmer mitmachen muss. Diese Querbewegungen erzeugen Kräfte in der Lagerung der seismischen Masse, die zu vorzeitigem Verschleiss der Lagerung führen, welche durch die oszillierenden Bewegungen innerhalb kleiner Winkel besonders ungünstig beansprucht ist.
Bei rotierenden Wellen verursacht ausserdem die auf die seismische Masse einwirkende Fliehkraft eine drehzahlabhängige Veränderung der Auslenkung der Masse infolge der veränderlichen Lager- bzw. Gleitführungsreibung. Bei hohen Drehzahlen der Welle kann dadurch die Messung von Drehschwingungen der Welle stark verfälscht oder unmöglich werden. Weiters führt der auf Grund des Lagerspiels unvermeidliche Anlagewechsel der seismischen Masse innerhalb der Lagerung zu Stossvorgängen, die am Ausgang des Aufnehmers Störsignale hervorrufen, die von den eigentlichen Messsignalen kaum zu trennen sind. Ein weiterer Nachteil der Systeme mit beweglicher seismischer Masse ist deren relativ grosses Eigengewicht, welches besonders bei hohen Drehzahlen den Wellenlauf störend beeinflussen kann.
Schliesslich sind bei diesen Systemen Resonanzerscheinungen nicht immer zu vermeiden, welche das Messergebnis verfälschen können.
Ziel der Erfindung ist es, eine Messeinrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die es auf einfache Weise ermöglicht, die genannten Nachteile der bekannten Einrichtungen zu vermeiden, sowie die durch Querbewegungen der untersuchten Wellen hervorgerufenen Signale zu kompensieren und bei der sich die Aufnahmeeinrichtung durch einen sehr einfachen und leichten Aufbau auszeichnet. Insbesondere sollen grössere federnd aufgehängte Massen vermieden werden, um den Wellenlauf auch bei höheren Drehzahlen möglichst wenig zu beeinflussen. Ausserdem soll sichergestellt werden, dass durch unvermeidliche Ungenauigkeiten im Aufnahmesystem hervorgerufene Störungen als solche eindeutig erkennbar und daher kompensierbar sind.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass an der zu messenden Welle, vorzugsweise an einer an dieser befestigten Halterung, mindestens zwei Beschleunigungsaufnehmer, z. B. auf piezoelektrischer Basis, zu beiden Seiten der Drehachse an einem Durchmesser mit ihren Hauptachsen tangential zu einer Umfangslinie der Welle angeordnet sind, deren Signale über die, vorzugsweise Schleifringe aufweisende Übertragungseinrichtung der Auswerteeinrichtung zuführbar sind, welche zwei hintereinandergeschaltete Integrierstufen umfasst, wobei die Summe oder die Differenz der von den Beschleunigungsaufnehmern stammenden Signale zur Schwingungsmessung verwendet wird.
Durch eine derartige Anordnung wird erreicht, dass neben den gewünschten Signalen in Richtung der Geberachsen, z. B. infolge von Drehschwingungen, die bei Auftreten von Biegeschwingungen unvermeidbaren Signalanteile infolge von Querbeschleunigungen gleiche Amplitudengrösse haben. Damit ist es auf einfache Weise möglich, durch entsprechende Auswahl der Auswerteeinrichtung die von den Querbeschleunigungen herrührenden Signalanteile zu kompensieren, so dass nur die gewünschten, z. B. von Drehschwingungen herrührenden Signale der weiteren Auswertung zuführbar sind. Die Einrichtung gemäss der Erfindung weist keine beweglichen Teile auf, so dass die Nachteile der bekannten Aufnehmersysteme bezüglich Verschleiss, Störungen, Resonanzen usw. ausgeschaltet sind.
Um die Übertragung der Ausgangssignale der Beschleunigungsaufnehmer zu erleichtern, ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass jedem Beschleunigungsaufnehmer ein mit diesem und der Übertragungseinrichtung verbundener hochohmiger Impedanzwandler zugeordnet ist.
Nach einem besonders bevorzugten Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Anschlüsse der Beschleunigungsaufnehmer bzw. der zugehörigen Impedanzwandler an ein gemeinsames Potential gelegt sind und jede der über die Übertragungseinrichtung geführten Ausleitungen der zweiten Anschlüsse der Aufnehmer bzw. Impedanzwandler über je einen Widerstand geführt und diese Widerstände, vorzugsweise mittels eines Schalters, miteinander verbunden sind und die Signalaufnahme für die erste Integrierstufe bzw. einen dieser gegebenenfalls vorgeschalteten Verstärker an der Verbindungsstelle der beiden
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Widerstände erfolgt und dass die zweiten Anschlüsse jeweils über einen zweiten Widerstand an einem gemeinsamen Potential liegen.
Durch eine derartige Anordnung von Beschleunigungsaufnehmern wird erreicht, dass Drehbeschleunigungen an den Ausgängen der Aufnehmer phasengleiche Signale hervorrufen, wogegen Querbeschleunigungen der zu messenden Welle in Richtung Hauptachsen der Aufnehmer gegenphasige Signale an deren Ausgängen hervorrufen. Dadurch ist es möglich, diese gegenphasigen Signale durch entsprechendes Verknüpfen der zweiten Anschlüsse der Aufnehmer zu unterdrücken und deren gemeinsame Auswertung mit den durch die Drehbeschleunigungen hervorgerufenen Signalen zu unterbinden. Dabei erfolgt eine Unterdrückung der durch Querbeschleunigungen der zu untersuchenden Welle in Richtung der Hauptachsen der Aufnehmer hervorgerufenen Signale dadurch, dass diese gegenphasigen Signale eine gegensinnige Änderung der von den parallelgeschalteten Aufnehmern bzw.
Impedanzwandlern abgegebenen Signalgrösse zur Folge haben. Durch die Zusammenschaltung der zweiten Anschlüsse wird jedoch eine Mittelwertbildung erreicht, so dass, falls die Kennlinien der Aufnehmer gleich sind, das abgenommene Signal auch beim Auftreten von Querbeschleunigungen der Welle gleichbleibt bzw. ausschliesslich von den Drehbeschleunigungen der zu untersuchenden Welle abhängt.
Die Beschleunigungsaufnehmer sind nur in ihrer Hauptachse sensibel. Infolge von Herstellungstoleranzen bewirken jedoch auch Kräfte, die in rechtem Winkel zur Aufnehmer-Hauptachse stehen, kleine Signale, die scheinbar von Drehbeschleunigungen herrühren. Diese durch Querbeschleunigungen der zu untersuchenden Welle quer zu den Hauptachsen der Beschleunigungsaufnehmer hervorgerufenen Signale sind relativ gering und betragen bei den meisten Aufnehmern etwa 2% der durch gleich grosse, in Richtung der Hauptachse wirkende Beschleunigungskräfte hervorgerufenen Signale. Je nach der geforderten Genauigkeit können diese Einflüsse entweder unberücksichtigt bleiben oder können durch entsprechende Beschaltung oder Bewertung des Ergebnisses vermindert bzw. berücksichtigt werden.
Da mindestens zwei Beschleunigungsaufnehmer verwendet werden, können sich auf Grund der stets geringfügig unterschiedlichen Kennlinien der Aufnehmer Ungenauigkeiten ergeben, doch ist es auf sehr einfache Weise möglich, diese durch entsprechende Beschaltung auszugleichen.
In Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die beiden Beschleunigungsaufnehmer in gleicher Richtung angeordnet sind und dass die ersten Anschlüsse der Aufnehmer bzw. der zugehörigen Impedanzwandler an ein gemeinsames Potential gelegt sind, und die zweiten Anschlüsse der Impedanzwandler über je einen Widerstand ebenfalls an ein gemeinsames Potential gelegt sind, und ferner die zweiten Anschlüsse der Aufnehmer bzw. der Impedanzwandler mit einem Differenzverstärker verbunden sind und der Ausgang dieses Differenzverstärkers an den Eingang der ersten Integrierstufe angeschlossen
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vorhergehenden Anordnung erzielt wird und gleichzeitig durch die Verwendung des Differenzverstärkers das Nutzsignal verstärkt wird. Es ist daher keine weitere Verstärkungseinrichtung erforderlich.
Eine für viele Anwendungsfälle sehr vorteilhafte Ausführungsform kann auch darin bestehen, dass wahlweise umschaltbar entweder die zweiten Anschlüsse der Aufnehmer bzw. der Impedanzwandler über den Differenzverstärker am Eingang der ersten Integrierstufe liegen, oder ein zweiter Anschluss an einen Inverter gelegt und der Ausgang dieses Inverters mit dem andern zweiten Anschluss der Aufnehmer bzw. der Impedanzwandler über je einen Widerstand verbunden, und diese Verbindungsstelle mit dem Eingang der ersten Integrierstufe verbunden ist. Dadurch ist es möglich, einerseits, wie bisher, Drehschwingungen zu erfassen und anderseits in einem Messvorgang durch einfaches Umschalten auch auftretende Querbewegungen festzustellen.
In diesem Fall werden nämlich durch die Summierung der Signale der gleichgerichteten Aufnehmer die von den Drehschwingungen herrührenden Signale kompensiert. Befestigt man die Halterung für die Aufnehmer an der zu messenden Welle gegenüber dieser verdrehbar, so kann das Maximum der Querbewegungen und damit auch die Ebene, in der diese auftreten, bestimmt werden.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann bei allen bisher beschriebenen Anordnungen von Beschleunigungsaufnehmern vorgesehen sein, dass zum gegenseitigen Empfindlichkeitsabgleich der Beschleunigungsaufnehmer mit den angeschlossenen Impedanzwandlern an den genannten zweiten Anschlüssen ein einstellbarer Spannungsteiler angeschlossen ist, wobei der Schleifer des Teilers mit dem positiven Potential verbunden ist. Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, dass die Kennlinien der Beschleunigungsaufnehmer, bei denen eine lineare Charakteristik vorausgesetzt werden kann, sehr leicht
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gleichgestellt werden können. Dies ist auf einfache Weise dadurch zu erreichen, dass die Spannungssignale am Ausgang der Impedanzwandler bei einer gegebenen Drehbeschleunigung auf gleiche Amplitudenabsolutwerte gebracht werden.
Die mit Impedanzwandlern versehenen Beschleunigungsgeber stellen eine gesteuerte Stromquelle dar, wobei der Strom ein Mass für die Beschleunigung ist. Dieser Strom wird über zwei Widerstände in eine Spannung umgewandelt. Um nun die Empfindlichkeiten beider aus Beschleunigungsgeber und Impedanzwandler bestehenden Gebersysteme gleichzustellen, sind lediglich die Widerstände entsprechend zu verändern. Dieser Abgleich wird mit dem genannten Potentiometer durchgeführt.
Ein sehr einfach herstellbares und äusserst zuverlässig arbeitendes Übertragungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Übertragungseinrichtung in bekannter Weise Schleifringe aufweist und pro Schleifring mindestens zwei miteinander verbundene Bürsten vorgesehen sind, die von einer, an den radial aussenliegenden Stirnflächen der Bürsten anliegenden, in sich geschlossenen Feder umspannt sind, wobei zur Führung dieser Feder in dem Bürstenhalter eine umlaufende Ringnut vorgesehen ist.
Durch die Anordnung von mindestens zwei Bürsten ist sichergestellt, dass auch beim Abheben einer Bürste die Signalübertragung in keiner Weise gestört oder unterbrochen wird. Ausserdem wird durch die Reibung der Feder an den Wandungen eine erwünschte Dämpfung erreicht, wodurch auch die Gefahr des Abhebens einer Bürste vermindert wird.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Aufnahme-und Übertragungseinrichtung, Fig. 2 einen Teil der Anordnung analog zu Fig. l, jedoch bei gleichgerichteten Beschleunigungsaufnehmern, Fig. 3 eine Prinzipschaltung zur Gewinnung eines von der Drehbeschleunigung abhängigen Signals, Fig. 4 eine Auswerteschaltung für die Verwendung gleichgerichteter Aufnehmer, Fig. 5 ein Schema einer Auswertekette und Fig. 6 und 7 einen Längs- bzw. Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Übertragungseinrichtung.
Wie schematisch aus Fig. 1 ersichtlich, sind an einer auf der zu untersuchenden Welle befestigten Halterung--G-- zwei Beschleunigungsaufnehmer-Al und A2-- symmetrisch zur Drehachse an einem Durchmesser angeordnet, wobei die beiden Aufnehmer gegeneinander um 180 verdreht sind. Dadurch ergeben sich bei Drehbeschleunigungen gleichphasige Signale in beiden Aufnehmern, bei einer Querbeschleunigung der Welle in Richtung der Hauptachsen der Aufnehmer-Al und A2-- jedoch gegenphasige Signale. Die Beschleunigungsaufnehmer-Al und A2-- sind mit dem Impedanzwandler --JW1 bzw. JW2-- verbunden und mit ihren einen Anschlüssen zusammengeschaltet und mit einem Schleifring - verbunden.
Dieser Schleifring --3-- ist gemeinsam mit drei weiteren Schleifringen --1, 2 und 4-isoliert auf einem durch die strichlierte Linie --5-- angedeuteten Wellenstummel angeordnet. Die Ausgänge der Impedanzwandler-JW1 und JW2-- sind mit den Schleifringen --1 und 2-- verbunden, von denen über Bürsten die Spannungen +U1 bzw. +U2 abgenommen werden, während das Potential-U über den Schleifring --3-- den Aufnehmern --Al und A2-- zugeführt wird. Der Schleifring --4-- dient dazu, die Halterung --G-- an eine gemeinsame Masseleitung der übrigen Elemente der Messeinrichtung anschliessen zu können.
In der Teildarstellung gemäss Fig. 2 sind die beiden Beschleunigungsaufnehmer --Al, A2-- beidseits der Achse --5-- der Welle gleichgerichtet angeordnet. Drehbeschleunigungen erzeugen an den Ausgängen der Aufnehmer nun gegenphasige Signale und Querbeschleunigungen gleichphasige Signale. Die Nutzsignalbildung erfolgt durch eine Differenzbildung der beiden Gebersignale, die z. B. auf einfache Weise mit einem Differenzverstärker, wie in Fig. 4 dargestellt, realisiert werden kann.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, werden die über die Schleifringe --1 und 2-- geführten zweiten Anschlüsse der Aufnehmer-Al und A2-- bzw. der zugeordneten Impedanzwandler --JW1 und JW2-- zu Widerständen --R1 bzw. R2-- geführt, die über einen Schalter --S-- miteinander verbindbar sind. Weiters führt von dem Schalter --S-- eine Leitung zur Buchse --NV--, an welche ein Nachverstärker --NV-- oder eine erste Integriersehaltung-Jl-anschliessbar ist.
Um einen Abgleich der beiden Beschleunigungsaufnehmer-Al und A2-- zu ermöglichen, ist an beiden über die Schleifringe --1 und 2-- geführten zweiten Anschlüssen ein veränderbarer Spannungsteiler --T-- angeschlossen, damit die Empfindlichkeiten der aus Beschleunigungsaufnehmer und Impedanzwandler bestehenden Geberelemente auf gleich grosse Werte eingestellt werden können. Die Widerstände --R3 und R4-- beidseits des Spannungsteilers --T-- stellen dabei die Brückenergänzungswiderstände dar.
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Der Abgleich der beiden Beschleunigungsaufnehmer --Al, A2-- erfolgt in der Weise, dass die Halterung-G--auf eine Einrichtung aufgespannt wird, welche eine Drehschwingung mit bekanntem Winkelausschlag bekannter Frequenz und einfacher Schwingungsform, z. B. Sinusform, simuliert. Mit Hilfe des Spannungsteilers --T-- werden die Signale der beiden Beschleunigungsaufnehmer-AI, A2--, welche eine lineare Charakteristik aufweisen, so lange verändert, bis sich gleich grosse Signale an den mit dem Spannungsteiler --T-- und den zweiten Ausgängen der Aufnehmer A2-- verbundenen Buchsen --Bl, B2-- ergeben, an denen ein Oszilloskop --OS-- angeschlossen ist (Fig. 5), an dem dies durch Deckungsgleichheit der Signale erkennbar ist.
Die gesamte Messkette kann, wie aus Fig. 5 ersichtlich, zweckmässig aus einer Verknüpfungs- bzw.
Abgleicheinheit --C--, bestehen, deren Aufbau aus Fig. 3 ersichtlich ist, und deren mit dem Schalter - verbundene und daher das aus den Signalen der beiden Aufnehmer A2-- gemittelte Signal führende Buchse --NV-- mit einem Nachverstärker --NV-- verbunden ist. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers --NV-- wird zwei hintereinandergeschalteten Integrierstufen --J1, J2-- zugeführt, so dass das Ausgangssignal der Drehschwingung der untersuchten Welle entspricht. Dieses Signal wird in einem Frequenzanalysator --A-- analysiert und mittels eines Pegelschreibers --PS-- aufgezeichnet.
Durch das an die Buchsen-Bl und B2-- der Abgleicheinbeit --c-- angeschlossene Oxzilloskop werden Querbeschleunigungen der Welle in Richtung der Hauptachsen der Aufnehmer A2-- dadurch erkennbar, dass deren Signale in diesem Fall nicht mehr deckungsgleich sind.
Fig. 4 zeigt analog zu Fig. 3 in etwas anderer Darstellung eine Auswerteschaltung bei Verwendung
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An Stelle eines Differenzverstärkers wäre es auch möglich, eines der beiden Signale von den Beschleunigungsaufnehmern zu invertieren und dann beide Signale, analog wie bei der Anordnung nach Fig. 3, zu summieren. Dies könnte besonders dann von Vorteil sein, wenn bei gleichgerichteten Beschleunigungsaufnehmern wahlweise Drehschwingungen oder Biegeschwingungen gemessen werden sollen. In diesem Fall ist lediglich der Inverter mittels Schalter überbrückbar auszubilden.
In den Fig. 6 und 7 sind die Einzelheiten der erfindungsgemässen, durch Schleifringe gebildeten Übertragungseinrichtung ersichtlich. Die Schleifringe --1 bis 4-- sind auf dem Wellenstummel-5aufgesetzt und werden durch je vier Bürsten --6-- abgegriffen, die in radialen Durchbrüchen des ringförmigen Bürstenhalters --8-- geführt und untereinander elektrisch verbunden sind. Die Anpressung
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Endhaken miteinander verhakt sind, so dass die Feder in sich geschlossen ist. Jede Feder --7-- und damit die vier Bürsten --6-- sind mit einem zur Abgleicheinheit führenden Leiter --10-- verbunden. Zur Erzielung einer guten Dämpfung ist diese Feder --7-- in einer umlaufenden Nut --9-- des Bürstenhalters angeordnet.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind nur zwei Aufnehmer A2-- vorgesehen, doch ist es auch durchaus möglich, z. B. vier Aufnehmer zu verwenden.