Anordnung zur Messung mechanischer Gröss Messwertwandll
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung mechanischer Grössen mit Hilfe von piezoelektrischen Messwertwandlern mit an den Messstellen angeordneten piezoelektrischen Gebern, diesen zugeordneten elektrischen Verstärkern und Geräten zur Verarbeitung der Messwerte.
Bekanntlich besitzen die piezoelektrischen Messwertwandler erhebliche Vorteile gegenüber den induktiven, kapazitiven und DMS-Wandlern, insbesondere hinsichtlich der Lebensdauer und der thermischen Belastbarkeit.
Die induktiven und kapazitiven Wandler weisen bewegte mechanische Teile auf, die einer Abnützung unterliegen, so dass die Lebensdauer schon aus diesem Grund beschränkt ist. Bei den piezoelektrischen Messwertwandlern, die meist Quarzkristalle verwenden, treten diese Nachteile nicht auf. Die piezoelektrischen Wandler sind thermisch verhältnismässig hoch belastbar, können erforderlichenfalls einfach gekühlt werden und besitzen keine mechanisch bewegten Teile, so dass ihre Lebensdauer annähernd unbegrenzt ist. Sie werden daher auch mit Erfolg vielfach angewendet, z. B. zur Messung des Druckes und des Druckverlaufes in den Zylindern von Brennkraftmaschinen und Kompressoren, zur Beschleunigungsmessung, zur Überwachung von Motoren und Triebwerken usw.
Bei der praktischen Durchführung von Messungen mit Hilfe von piezoelektrischen Gebern sind jedoch in einigen Anwendungsfällen Schwierigkeiten aufgetreten, insbesondere Störungen durch sogenannte Brummeinstreuungen, durch die die Messergebnisse verfälscht werden. Diese Störungen dürften zumindest teilweise darauf zurückzuführen sein, dass am Aufstellungsort der Geber und an jenem der Verstärker nicht immer dasselbe, konstante elektrische Potential herrscht, so dass zufolge der zwischen den an Masse gelegten Punkten der Messanordnung vorhandenen, oft erheblichen Potentialdifferenz Störströme entstehen.
Beispielsweise ist auf Schiffen zwischen voneinander entfernten Stellen eine nu von 100 V und @eidung dieser Stör @t sich als un dur@ @ktrischen Sy stem nd von Geber und eine Anpassung h nicht reali sier@ erdem ist es Vor wendung von Tiel erheblich tiefer s nicht immer zutr@ roter Verwen duu zugeordnetem wa@ e Anordnung des xialkabels zur Ver zu schaffen, wob ems an Masse lieg@ ssanordnungen nicht r allem, weil alle quelle gespeist wer Schiffen oder Fluf usserdem hat sich ag der Geber schc iebszeit, z.
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Es hat sich nämlich gezeigt, dass durch die Verwendung von zweipoligen, elektrisch symmetrischen Gebern anstelle der bisher ausschliesslich verwendeten asymmetrischen piezoelektrischen Geber die störenden Brummeinstreuungen praktisch zur Gänze vermieden und wirklichkeitstreue Messergebnisse erzielt werden. Dabei ist weder die Verwendung komplizierter Tiefpassfilter noch eine isolierte Anordnung der Geber und auch keine Speisung der Verstärker durch getrennte Stromnetze notwendig. Die Verstärker können symmetrisch oder asymmetrisch ausgeführt sein.
Die erfindungsgemässe Messanordnung zeichnet sich somit durch verhältnismässig einfachen Aufbau aus und ist mit Vorteil zur Messung und Überwachung von verschiedenen Vorgängen, insbesondere zur ununterbrochenen Betriebsüberwachung von Verbrennungsmotoren und Triebwerken, geeignet.
Beispielsweise können mit Hilfe der erfindungsge mässen Messanordnung die Kompressions- und Verbrennungsdrücke der Zylinder von Schiffsmotoren aufgenommen und überwacht werden, wobei die zweipoligen, elektrisch symmetrischen piezoelektrischen Druckgeber dauernd von den Verbrennungsgasen beaufschlagt sein können, ohne dass die Gefahr von schädlichen Isolationsbrücken besteht. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Betriebsüberwachung von Flugzeugtriebwerken, wobei die Schwingungen der Triebwerkswelle und der Verdichterwelle durch zweipolige, elektrisch symmetrische piezoelektrische Accelerometer überwacht werden ( Vibration monitoring system ).
Die Messwerte können auf verschiedene Weise verarbeitet werden; sie können entweder direkt als Beschleunigungswerte auge zeigt oder durch ein- oder zweimaliges Integrieren als Geschwindigkeitswert oder als Amplitude der Wellenschwingungen erhalten werden. Ferner ist es möglich, die Messwerte auf Magnetbänder zur späteren Kontrolle aufzuzeichnen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Abschirmung der elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den piezoelektrischen Gebern und den Verstärkern an wenigstens einer Stelle elektrisch unterbrochen, z. B. aufgetrennt sein. Diese Massnahme hat sich vor allem beim Vorliegen erheblicher Erd- bzw. Masseströmen zur Verhinderung von magnetischen Einstreuungen als vorteilhaft erwiesen. Die einzelnen Teile der Abschirmung sind dabei gegeneinander elektrisch isoliert und getrennt an Masse gelegt. Vorzugsweise bestehen die Verbindungsleitungen zwischen den piezoelektrischen Gebern und den Verstärkern aus normalen, zweipoligen Kabeln mit von einer Ummantelung gebildeter Abschirmung.
Dadurch entfällt die Verwendung von teuren Koaxialkabeln und ergibt sich vor allem der Vorteil, dass die üblicherweise im Rumpf und in den Tragflächen von Flugzeugen vorsorglich verlegten Reserveleitungen für die erfindungsgemässe Messanordnung verwendet werden können, so dass ein in der Praxis meist unmögliches nachträgliches Einziehen von Leitungen überflüssig ist.
Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen die Fig. 1 und 2 je ein Schaltschema einer erfindungsgemässen Messanordnung.
In beiden Ausführungsbeispielen besteht die Messanordnung aus drei piezoelektrischen Messwertwandlern 1, drei diesen zugeordneten Verstärkern 2 und dazwischen angeordneten Verbindungsleitungen 3. An die Verstärker 2 sind über Leitungen 4 Geräte 5 zur Verarbeitung der Messwerte angeschlossen, die über weitere Leitungen 6 mit Anzeige- oder Aufieichnungs- instrumenten 7 verbunden sind. Die piezoelektrischen Messwertwandler 1 bestehen je aus einem Gehäuse 8, das an Masse liegt und in dem die beiden Elektroden 9 und 10 sowie die Piezokristalle untergebracht sind.
Die Verbindungsleitung 3 weist zwei die Elektroden 9, 10 mit dem Eingang des Verstärkers 2 verbindende Leitungsdrähte 11 und 12 auf, die zweckmässig verdrillt und mit einer mantelförmigen Abschirmung 13 versehen sind, welche mit dem Gehäuse 8 des Messwertwandlers 1 verbunden ist und dadurch an Masse liegt.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind symmetrische Verstärker vorgesehen, die eine eigene, von den Verstärkereingängen getrennte Masseleitung 14 aufweisen, über welche alle drei vorgesehenen Verstärker 2 miteinander verbunden sind. Die Verstärker 2 gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind dagegen asymmetrisch ausgebildet, wobei die Eingangsleitungen 12 aller drei Verstärker durch die Verstärker hindurchgeführt sind und über eine an Masse liegende Leitung 15 miteinander in Verbindung stehen. Die gesamte Messanordnung ist dabei nur an einer einzigen Stelle geerdet bzw. an Masse angeschlossen, so dass auch bei diesem Ausführungsbeispiel Störungen, welche bei Verwendung von mehreren Erdungspunkten mit Potentialdifferenzen auftreten können, vermieden werden.
Ferner ist bei der Ausführung nach Fig. 2 die Abschirmung 13 der Verbindungsleitung 3 an der mit 16 bezeichneten Stelle aufgetrennt, so dass über die Abschirmung 13 keine unmittelbare elektrische Verbindung zwischen dem Gehäuse 8 der Messwertwandler 1 und den Verstärkern 2 besteht.
In der Wirkungsweise besteht praktisch kein Unterschied zwischen den Messanordnungen nach den Fig. 1 und 2. Die an den Messstellen angeordneten Messwertwandler 1 nehmen die zu messenden mechanischen Grössen auf, verwandeln diese in elektrische Messsignale und geben die Signale über die Verbindungsleitungen 3 an die Verstärker 2 weiter. Dort werden die Signale verstärkt und über die Leitungen 4 an die Verarbeitungsgeräte 5 weitergeleitet, wo sie gefiltert, gleichgerichtet und gegebenenfalls nach ein- oder mehrmaliger Integration an die Anzeigeinstrumente 7 gegeben werden. Durch die Verwendung von zweipoligen, elektrisch symmetrischen Messwertwandlem 1 wird verhindert, dass durch sogenannte Brummeinstreuungen die Messergebnisse verfälscht werden.
Die in Fig. 2 gezeigte elektrische Unterbrechung der Abschirmung 13 an der Stelle 16 hat den Zweck, magnetische Einstreuungen durch allenfalls vorhandene Erd- oder Masseströme zu vermeiden.
Die erfindungsgemässe Messanordnung kann beispielsweise für die ununterbrochene Betriebsüberwachung von Flugzeugtriebwerken mit Vorteil verwendet werden. Dabei werden zur Schwingungsüberwachung der Verdichter- und Turbinenwelle auf besonderen Montageblöcken jedes Triebwerkes zwei oder mehrere als Accelerometer ausgebildete piezoelektrische Messwertwandler angeordnet, denen ein Verstärker und die weiteren Ge räte zur Verarbeitung der Messwerte zugeordnet sind.
Auf einem Flugzeug mit vier Triebwerken sind also insgesamt acht Messkanäle vorgesehen, durch die die Schwingungen der überwachten Wellen festgestellt und angezeigt oder auf Magnetbänder zur späteren Kontrolle aufgezeichnet werden. Es handelt sich dabei um eine wirksame Überwachung der Triebwerke, wobei auftretende Funktionsstörungen oder Triebwerksschäden, die zu aussergewöhnlichen Schwingungen der Wellen führen, unverzüglich aufgezeigt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Betriebsüberwachung von Schiffsmotoren, wobei piezoelektrische Druckgeber den Ablauf der Verbrennung und die Kompression in jedem Zylinder überwachen. Beispielsweise können der Spitzenwert des Verbrennungsdruckes, der Spitzenwert des Kompressionsdruckes oder die entsprechenden Mittelwerte festgestellt und ausgewertet werden.
Arrangement for the measurement of mechanical size Messwertwandll
The invention relates to an arrangement for measuring mechanical quantities with the aid of piezoelectric transducers with piezoelectric transmitters arranged at the measuring points, electrical amplifiers assigned to them and devices for processing the measured values.
It is known that piezoelectric transducers have considerable advantages over inductive, capacitive and strain gauge transducers, in particular with regard to service life and thermal load capacity.
The inductive and capacitive converters have moving mechanical parts that are subject to wear, so that the service life is limited for this reason alone. These disadvantages do not occur with the piezoelectric transducers, which mostly use quartz crystals. The piezoelectric transducers have a relatively high thermal load capacity, can be simply cooled if necessary and have no mechanically moving parts, so that their service life is almost unlimited. They are therefore often used with success, z. B. to measure the pressure and the pressure curve in the cylinders of internal combustion engines and compressors, to measure acceleration, to monitor engines and engines, etc.
In the practical implementation of measurements with the aid of piezoelectric transmitters, however, difficulties have arisen in some application cases, in particular interference from so-called hum interferences which falsify the measurement results. These disturbances are likely to be at least partly due to the fact that the same, constant electrical potential does not always prevail at the installation site of the encoder and that of the amplifier, so that interference currents often arise due to the often considerable potential difference between the points of the measuring arrangement connected to ground.
For example, on ships between locations that are distant from one another, a nu of 100 V and this disturbance is not realizable as a unidirectional system of the encoder and an adaptation h, in addition, it is considerably lower before the use of Tiel s not always true red use duu allocated horizontal arrangement of the xialkabel to provide, whereby the ground lay arrangements not for everything, because all sources are fed by ships or river and the encoder has to wait, e.g.
B. dur @ @ by forming @, through which such measurement ano operated, z. B. for von Schiffsmot ht who is used as a basis to enable the with unadulterated measurement results in the event of visual channel measurement, measurement value converters, operating over wax engines. According to the invention, this is achieved in that, in the case of multi-channel measurement, the piezoelectric transducers connected to the amplifiers via shielded electrical connecting lines are designed to be electrically symmetrical and bipolar.
It has been shown that the use of two-pole, electrically symmetrical sensors instead of the asymmetrical piezoelectric sensors that have hitherto been exclusively used, practically completely avoids disturbing hum interference and achieves realistic measurement results. Neither the use of complicated low-pass filters nor an isolated arrangement of the encoders and no powering of the amplifiers from separate power networks is necessary. The amplifiers can be symmetrical or asymmetrical.
The measuring arrangement according to the invention is thus characterized by a relatively simple structure and is advantageously suitable for measuring and monitoring various processes, in particular for the uninterrupted monitoring of the operation of internal combustion engines and power units.
For example, with the help of the measuring arrangement according to the invention, the compression and combustion pressures of the cylinders of ship engines can be recorded and monitored, whereby the two-pole, electrically symmetrical piezoelectric pressure transducers can be continuously exposed to the combustion gases without the risk of damaging insulation bridges. Another important field of application is the operational monitoring of aircraft engines, whereby the vibrations of the engine shaft and the compressor shaft are monitored by two-pole, electrically symmetrical piezoelectric accelerometers (vibration monitoring system).
The measured values can be processed in various ways; they can either be obtained directly as acceleration values or as a speed value or as the amplitude of the shaft vibrations by integrating them once or twice. It is also possible to record the measured values on magnetic tapes for later control.
In a further embodiment of the invention, the shielding of the electrical connection lines between the piezoelectric sensors and the amplifiers can be electrically interrupted at at least one point, e.g. B. be separated. This measure has proven to be particularly advantageous in the presence of significant earth or mass currents in order to prevent magnetic interference. The individual parts of the shield are electrically isolated from one another and connected to ground separately. The connecting lines between the piezoelectric sensors and the amplifiers preferably consist of normal, two-pole cables with a shield formed by a sheath.
This eliminates the need to use expensive coaxial cables and, above all, has the advantage that the reserve lines usually laid as a precaution in the fuselage and wings of aircraft can be used for the measuring arrangement according to the invention, so that subsequent pulling in of lines, which is usually impossible in practice, is superfluous is.
The invention is explained in more detail in the following description with reference to two exemplary embodiments, which are shown in the drawing. In this, FIGS. 1 and 2 each show a circuit diagram of a measuring arrangement according to the invention.
In both exemplary embodiments, the measuring arrangement consists of three piezoelectric transducers 1, three amplifiers 2 assigned to them and connecting lines 3 arranged between them. Devices 5 for processing the measured values are connected to the amplifiers 2 via lines 4, which via further lines 6 with display or recording instruments 7 are connected. The piezoelectric transducers 1 each consist of a housing 8 which is connected to ground and in which the two electrodes 9 and 10 as well as the piezo crystals are accommodated.
The connecting line 3 has two lead wires 11 and 12 connecting the electrodes 9, 10 to the input of the amplifier 2, which are appropriately twisted and provided with a jacket-shaped shield 13 which is connected to the housing 8 of the transducer 1 and is therefore connected to ground .
In the exemplary embodiment according to FIG. 1, symmetrical amplifiers are provided which have their own ground line 14, which is separate from the amplifier inputs and via which all three amplifiers 2 provided are connected to one another. The amplifiers 2 according to the exemplary embodiment according to FIG. 2, on the other hand, are designed asymmetrically, the input lines 12 of all three amplifiers being passed through the amplifiers and being connected to one another via a line 15 connected to ground. The entire measuring arrangement is grounded or connected to ground only at a single point, so that in this exemplary embodiment too, interference which can occur when using several grounding points with potential differences is avoided.
Furthermore, in the embodiment according to FIG. 2, the shielding 13 of the connecting line 3 is separated at the point designated 16, so that there is no direct electrical connection between the housing 8 of the transducer 1 and the amplifiers 2 via the shielding 13.
There is practically no difference in the mode of operation between the measuring arrangements according to FIGS. 1 and 2. The measuring transducers 1 arranged at the measuring points pick up the mechanical quantities to be measured, convert them into electrical measuring signals and transmit the signals via the connecting lines 3 to the amplifiers 2 continue. There the signals are amplified and passed on via the lines 4 to the processing devices 5, where they are filtered, rectified and, if necessary, given to the display instruments 7 after integration one or more times. The use of two-pole, electrically symmetrical measured value converters 1 prevents the measurement results from being falsified by so-called hum interference.
The electrical interruption of the shielding 13 at the point 16 shown in FIG. 2 has the purpose of avoiding magnetic interference from any earth or mass currents that may be present.
The measuring arrangement according to the invention can be used with advantage, for example, for the uninterrupted operational monitoring of aircraft engines. To monitor the vibration of the compressor and turbine shaft, two or more accelerometer designed piezoelectric transducers are arranged on special mounting blocks of each engine, to which an amplifier and the other devices for processing the measured values are assigned.
A total of eight measurement channels are provided on an aircraft with four engines, through which the vibrations of the monitored waves are determined and displayed or recorded on magnetic tapes for later control. This involves effective monitoring of the engines, with any malfunctions or engine damage that lead to unusual shaft vibrations being shown immediately. Another area of application is the operational monitoring of marine engines, with piezoelectric pressure transducers monitoring the combustion process and the compression in each cylinder. For example, the peak value of the combustion pressure, the peak value of the compression pressure or the corresponding mean values can be determined and evaluated.