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PATENTANSPRÜCHE
1. Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen mit einem permanenten, wenigstens gegenüber einer Induktionsspule beweglich gelagerten und in einem magnetischen Feld angeordneten Magnet, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Hülse (4) mit frontal angebrachten, festen Magneten (9, 10), deren Pole gleichlaufend orientiert sind, in einem gemeinsamen Stirnraum ein axial beweglicher permanenter Magnet (1) mit entgegengesetzt orientierten Polen angeordnet ist, durch dessen Hohlraum (12) frei ein Träger (3) durchgeht, der mit seinen beiden Enden in den Deckeln (7, 8) mit den angeführten festen Magneten (9, 10) verankert ist, wobei auf diesem Träger (3) wenigstens eine der Induktionsspulen (5, 6) aufgewickelt ist.
2. Induktionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Magnete (9, 10) ringförmig sind.
3. Induktionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicke der Hülse (4) zu dem äusseren Durchmesser des beweglichen permanenten Magnetes (1) im Bereich von 0,01 bis 1,0 liegt.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen.
Die Vibrationen gehören zu den wichtigsten, den Betriebszustand der Maschinen charakterisierenden Parametern. Das Messen der Vibrationen ist ausserordentlich wichtig bei schnellaufenden Rotationsmaschinen und Anlagen, insbesondere in der Energetik und im Transport, z. B. bei Verbrennungs- und Dampfturbinen, Flugzeugmotoren und bei Expandem.
Bei den genannten Einrichtungen, insbesondere bei Flugzeugmotoren und energetischen Anlagen sind die Vibrationsgeber oft erhöhten Temperaturen, einer grossen Beschleunigung und Amplitude ausgesetzt, die in bestimmten BetriebsregimenWerte von bis einigen hundert Mikrometern ereicht, wowegen im gewöhnlichen stabilisierten Betrieb die Schwingungsamplitude nur einige Mikrometer beträgt.
Weitere an die Vibrationsgeber gestellten Anforderungen sind kleine Abmessungen und ein kleines Gewicht, eine lineare Charakteristik im ganzen Messbereich und eine elektromagnetische Störstabilität.
Gegenwärtig werden gewöhnliche Induktionsgeber benutzt, bei denen ein permanenter Magnet auf einer elastischen Membrane zwischen zwei fest befestigten Spulen angeordnet ist. Bei der Bewegung des Gebers wird in den Spulen die elektromotorische Kraft induziert, die mit einer geeigneten Apparatur verstärkt und gemessen wird. Der Nachteil dieser Induktionsgeber liegt darin, dass unter schweren Bedingungen, insbesondere bei einer beträchtlichen Erhöhung der Vibrationsamplitude, die Membranen platzen.
Bei einem anderen bekannten Induktionsgeber ist dieser durch einen verschiebbaren permanenten Magnet gebildet, welcher in einer Hülse angebracht und beidseitig mit zwei Federn befestigt ist. Rund um die Hülse ist eine Induktionsspule angeordnet. Bei der Bewegung des verschiebbaren Magnets wird in der Spule eine elektromotorische Kraft induziert. Der Nachteil dieses Induktionsgebers liegt in einer niedrigen Empfindlichkeit unter Einfluss der Reibung in der Hülse und infolge des Drehmoments, das durch die Feder auf den permanenten Magnet entwickelt wird und das denselben an die Hülsenwände drückt. Ausserdem begrenzt die Masse und die eigene Federfrequenz die Anwendung dieser Geber auf einen verhältnismässig engen Frequenzund Beschleunigungsbereich. Auch die Federherstellung ist schwierig.
Ein weiteres bekanntes Verfahren liegt in der Anwendung von piezoelektrischen Schwingungsgebern. Es wird die Fähigkeit einiger Kristalle ausgenützt, mechanische Kräfte in elektrische Spannung umzusetzen, die proportional der bei der Schwingung entstehenden Beschleunigung der Masse des piezoelektrischen Gebers ist. Der Vorteil besteht einerseits in der Fähigkeit, grosse Beschleunigungen und Schwingungsamplituden zu ertragen und andererseits in kleinen Abmessungen. Nachteilig ist dagegen die Übermittlung von schwachen Signalen; weiterhin sind die Geber sehr empfindlich gegen das ungleichmässige Temperaturfeld in der Umgebung.
Es sind auch Induktionsgeber bekannt, bei denen ein beweglicher permanenter Magnet in einem magnetischen Feld angeordnet ist, das mit zwei festen Magneten gebildet ist. Diese Magnete sind entgegengesetzt zu dem beweglichen Magnet orientiert. Der bewegliche Magnet bewegt sich in einer Hülse, um welche pseudobifilar eine Induktionsspule aufgewickelt ist. Bei der Bewegung des permanenten Magnets wird in dieser Spule die elektromotorische Kraft induziert, die verstärkt und gemessen wird. Diese Induktionsgeber sind sehr zuverlässig und weisen kleine Abmessungen auf, aber die Verminderung des Durchmessers unter 30mm und der Länge unter 60mm ist sehr schwierig.
Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, den grössten Teil der erwähnten Nachteile zu beseitigen. Bei einem Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen, mit einem permanenten, wenigstens gegenüber einer Induktionsspule beweglich gelagerten und in dem magnetischen Feld angeordneten Magnet wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in einer Hülse mit frontal angeordneten festen Magneten, deren Pole gleichlaufend orientiert sind, in deren gemeinsamen Stimraum ein axial beweglicher permanenter Magnet mit entgegengesetzt orientierten Polen angeordnet ist, durch dessen Hohlraum frei ein Träger durchgeht, der mit seinen beiden Enden in den Deckeln mit den angeführten festen Magneten verankert ist, wobei auf diesem Träger wenigstens eine der Induktionsspulen aufgewickelt ist.
Die festen Magnete können ringförmig sein. Das Verhältnis der Dicke der Hülse zu dem äusseren Durchmesser des beweglichen permanenten Magnets kann im Bereich von 0,01 bis 1,0 liegen.
Der erfindungsgemässe Induktionsgeber hat weit kleinere Abmessungen als die bekannten Induktionsgeber und verträgt beträchtliche Beschleunigungen und Vibrationsamplituden. Er ist anspruchslos im Betrieb und ein ungleichmässiges Temperaturfeld hat keinen praktischen Einfluss auf seine Charakteristik.
Das Verhältnis der Dicke der Hülse zu dem äusseren Durchmesser des beweglichen permanenten Magnets im Bereich von 0,01 bis 1,0 gewährleistet eine gute magnetische Dämpfung von Schwingungen dieses Magnets. Der Körper aus ferritischem Material schirmt die Induktionsspulen von elektromagnetischen Störungen ab.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Induktionsgebers ist in der beigelegten Zeichnung veranschaulicht, die den Querschnitt des erfindungsgemässen Induktionsgebers zeigt.
Der Induktionsgeber besteht aus einem geschlossenen walzenförmigen Körper 11, an dem ein Deckel 7 fest gelagert ist und ein zweiter Deckel 8 mit einem Träger 3 zusammengeschraubt ist, auf welchem die Induktionsspulen 5,6 aufgewickelt sind. Der Träger 3 und die Induktionsspulen 5,6 sind in einem Hohlraum 12 eines beweglichen permanenten Magnets 1 mit einer Antifriktionshülle 2 angebracht. Die festen Magnete 9, 10 sind gegen den beweglichen Magneten 1 entgegengesetzt orientiert. Diese entgegengesetzte Orientierung der beiden festen Magnete 9, 10 zu dem beweglichen permanenten Magneten 1 bildet axiale Abstosskräfte, so dass das magnetische Feld als federndes Druckelement mit einer sehr günstigen Charakteristik wirkt.
Die angeführten Abstosskräfte in beliebiger Lage des Induktionsgebers verhindern eine unmittelbare Berührung des beweglichen permanenten Magneten 1 mit den festen Magneten 9, 10. In der beschriebenen Ausführung ist die Antifriktionshülle 2 aus verchromtem Messing und eine Hülle 4 aus nichtrostendem Stahl gebildet. Auf dem Träger 3 sind die Induktionsspulen 5,6 pseudobifilar aufgewickelt. Der Körper 11 des Induktionsgebers ist aus ferromagnetischem Material.
Da sich die Induktionsspulen 5,6 im Innern des beweglichen
permanenten Magnets 1 in einem sehr gleichmässigen magnetischen Feld mit einer grossen Dichte der Kraftlinien befinden, wird in diesen bei der Bewegung des beweglichen permanenten Magnets ein verhältnismässig starkes elektrisches Signal induziert, was eine Verminderung der Windungszahl der Induktionsspulen 5,6 und damit auch eine Verminderung der Abmessungen des Induktionsgebers und seiner Masse bedeutet.
Die robuste Ausführung des Induktionsgebers gewährleistet einen verlässlichen Betrieb. Die äusseren elektromagnetischen Störungssignale werden wirksam mit dem ferromagnetischen Körper 11 abgeschirmt. Das Verhältnis der Dicke der Hülse 4 aus antimagnetischem Material zu dem äusseren Durchmesser des beweglichen permanenten Magneten 1 im Bereich der Werte von 0,01 bis 1,0 ermöglicht die Schliessung des magnetischen Kreises dieses Magnets über den Körper 11, der aus ferritischem Material ist. Dieser so geschlossene magnetische Kreis dämpft wirksam unerwünschte Schwingungen des beweglichen permanenten Magnets 1 bei gleichzeitiger Einhaltung genügender Empfindlichkeit des Gebers.
Bei der Befestigung des Induktionsgebers auf einem schwingenden Gegenstand, z. B. auf dem Lagerständer einer Verbrennungsturbine, beginnt sich der permanente Magnet 1 gegenüber dem Träger 3 mit den Induktionsspulen 5,6 gegenüber der Hülse 4 und gegenüber den festen Magneten 9, 10 zu bewegen. Bei dieser Bewegung schneiden die Kraftlinien des beweglichen permanenten Magneten 1 die Wicklung der Induktionsspulen 5, 6, in denen die elektromotorische Kraft induziert wird, die dann in einer geeigneten Apparatur verstärkt und gemessen wird. Bei der pseudobifilaren Wicklung der Induktionsspulen 5 6 ist die resultierende elektromotorische Kraft die Summe der elektromotorischen Teilkräfte, die in den einzelnen Induktionsspulen 5, 6 induziert sind.
Die magnetische Dämpfung der Bewegung des beweglichen permanenten Magnets 1 verhindert eine grosse Schwingungserregung, wenn die Vibrationsfrequenz der Maschine nahe der Eigenfrequenz des Induktionsgebers, bzw.
eines höheren harmonischen Frequenzvielfachen liegt.
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PATENT CLAIMS
1. Induction transmitter for sensing vibrations with a permanent magnet, at least movably mounted with respect to an induction coil and arranged in a magnetic field, characterized in that in a sleeve (4) with front-mounted fixed magnets (9, 10), the poles of which run in unison an axially movable permanent magnet (1) with oppositely oriented poles is arranged in a common end space, through the cavity (12) of which a carrier (3) passes freely, the ends of which are in the covers (7, 8) the stated fixed magnet (9, 10) is anchored, at least one of the induction coils (5, 6) being wound on this carrier (3).
2. Induction transmitter according to claim 1, characterized in that the fixed magnets (9, 10) are annular.
3. Induction transmitter according to claim 1, characterized in that the ratio of the thickness of the sleeve (4) to the outer diameter of the movable permanent magnet (1) is in the range of 0.01 to 1.0.
The present invention relates to an induction transmitter for sensing vibrations.
The vibrations are one of the most important parameters that characterize the operating state of the machines. Measuring the vibrations is extremely important for high-speed rotary machines and systems, especially in energy and transport, e.g. B. in combustion and steam turbines, aircraft engines and expanders.
In the facilities mentioned, in particular in aircraft engines and energy systems, the vibration transmitters are often exposed to elevated temperatures, high acceleration and amplitude, which in certain operating regimes reach values of up to a few hundred micrometers, whereas in normal stabilized operation the vibration amplitude is only a few micrometers.
Other requirements placed on the vibration transmitter are small dimensions and a small weight, a linear characteristic in the entire measuring range and electromagnetic interference stability.
Current induction sensors are currently used, in which a permanent magnet is arranged on an elastic membrane between two firmly attached coils. When the encoder moves, the electromotive force is induced in the coils, which is amplified and measured using suitable equipment. The disadvantage of these induction transmitters is that the diaphragms burst under severe conditions, in particular with a considerable increase in the vibration amplitude.
In another known induction transmitter, this is formed by a displaceable permanent magnet which is attached in a sleeve and is fastened on both sides with two springs. An induction coil is arranged around the sleeve. When the displaceable magnet moves, an electromotive force is induced in the coil. The disadvantage of this induction transmitter lies in a low sensitivity under the influence of the friction in the sleeve and as a result of the torque which is developed by the spring on the permanent magnet and which presses it against the sleeve walls. In addition, the mass and the spring frequency limit the use of these encoders to a relatively narrow frequency and acceleration range. Spring production is also difficult.
Another known method is the use of piezoelectric vibrators. The ability of some crystals to convert mechanical forces into electrical voltage is used, which is proportional to the acceleration of the mass of the piezoelectric sensor that occurs during vibration. The advantage is on the one hand the ability to endure large accelerations and vibration amplitudes and on the other hand in small dimensions. In contrast, the transmission of weak signals is disadvantageous; Furthermore, the sensors are very sensitive to the uneven temperature field in the area.
Induction transmitters are also known, in which a movable permanent magnet is arranged in a magnetic field which is formed by two fixed magnets. These magnets are oriented opposite to the movable magnet. The movable magnet moves in a sleeve, around which an induction coil is wound pseudobifilarly. When the permanent magnet moves, the electromotive force is induced in this coil, which is then amplified and measured. These induction sensors are very reliable and have small dimensions, but reducing the diameter under 30mm and the length under 60mm is very difficult.
The object of the invention is to eliminate most of the disadvantages mentioned. In the case of an induction transmitter for sensing vibrations, with a permanent magnet, which is at least movably mounted with respect to an induction coil and is arranged in the magnetic field, this object is achieved according to the invention in that in a sleeve with frontally arranged fixed magnets, the poles of which are oriented in the same direction, in their Common stimulus is an axially movable permanent magnet with oppositely oriented poles is arranged, through the cavity freely passes through a carrier, which is anchored with its two ends in the lid with the fixed magnets, wherein at least one of the induction coils is wound on this carrier.
The fixed magnets can be ring-shaped. The ratio of the thickness of the sleeve to the outer diameter of the movable permanent magnet can range from 0.01 to 1.0.
The induction transmitter according to the invention has far smaller dimensions than the known induction transmitter and tolerates considerable accelerations and vibration amplitudes. It is undemanding in operation and an uneven temperature field has no practical influence on its characteristics.
The ratio of the thickness of the sleeve to the outer diameter of the movable permanent magnet in the range from 0.01 to 1.0 ensures good magnetic damping of vibrations of this magnet. The body made of ferritic material shields the induction coils from electromagnetic interference.
An embodiment of the induction transmitter according to the invention is illustrated in the accompanying drawing, which shows the cross section of the induction transmitter according to the invention.
The induction transmitter consists of a closed roller-shaped body 11, on which a cover 7 is fixedly mounted and a second cover 8 is screwed together with a carrier 3, on which the induction coils 5, 6 are wound. The carrier 3 and the induction coils 5, 6 are mounted in a cavity 12 of a movable permanent magnet 1 with an anti-friction sleeve 2. The fixed magnets 9, 10 are oriented opposite to the movable magnet 1. This opposite orientation of the two fixed magnets 9, 10 to the movable permanent magnet 1 forms axial repulsive forces, so that the magnetic field acts as a resilient pressure element with a very favorable characteristic.
The abovementioned repulsive forces in any position of the induction transmitter prevent direct contact of the movable permanent magnet 1 with the fixed magnets 9, 10. In the embodiment described, the anti-friction sleeve 2 is made of chromed brass and a sleeve 4 of stainless steel. The induction coils 5, 6 are wound pseudobifilarly on the carrier 3. The body 11 of the induction transmitter is made of ferromagnetic material.
Since the induction coils 5,6 inside the movable
permanent magnet 1 are in a very uniform magnetic field with a large density of the lines of force, a relatively strong electrical signal is induced in the movement of the movable permanent magnet, which leads to a reduction in the number of turns of the induction coils 5, 6 and thus also a reduction in Dimensions of the induction transmitter and its mass means.
The robust design of the induction sensor ensures reliable operation. The outer electromagnetic interference signals are effectively shielded by the ferromagnetic body 11. The ratio of the thickness of the sleeve 4 made of antimagnetic material to the outer diameter of the movable permanent magnet 1 in the range of values from 0.01 to 1.0 enables the closure of the magnetic circuit of this magnet via the body 11, which is made of ferritic material. This closed magnetic circuit effectively dampens unwanted vibrations of the movable permanent magnet 1 while maintaining sufficient sensitivity of the encoder.
When mounting the induction transmitter on a vibrating object, e.g. B. on the bearing stand of a combustion turbine, the permanent magnet 1 begins to move relative to the carrier 3 with the induction coils 5, 6 relative to the sleeve 4 and relative to the fixed magnets 9, 10. During this movement, the lines of force of the movable permanent magnet 1 cut the winding of the induction coils 5, 6, in which the electromotive force is induced, which is then amplified and measured in a suitable apparatus. In the case of the pseudobifilar winding of the induction coils 5 6, the resulting electromotive force is the sum of the partial electromotive forces which are induced in the individual induction coils 5, 6.
The magnetic damping of the movement of the movable permanent magnet 1 prevents great vibration excitation if the vibration frequency of the machine is close to the natural frequency of the induction transmitter or
of a higher harmonic frequency multiple.