CN101932914A - 用于确定旋转角的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定第一轴部分和第二轴部分之间的角α的方法。其中首先通过第一轴信号确定第一轴部分的0°位置，且通过第二轴信号确定第二轴部分的0°位置。然后通过傅立叶分析将第一轴信号和第二轴信号分别分解为简谐振动的频率分量，其中，为第一轴信号形成频率fn1且为第二轴信号形成频率fn2。频率分别形成为其第n阶由辐值an和相位φn组成的复数相量zn，其中每个相量zn描述了各频率fn的角速度ωn。对于频率fn1和频率fn2，将复数相量zn的各相位角φn除以阶次n，以此形成归一化的复数相量Nn。将归一化的复数相量Nn复数相加，使得由频率fn1形成第一相加复数相量zg1，且由频率fn2形成第二相加复数相量zg2。相加的复数相量zg的长度则等于各个单个复数相量zn的长度的算术和。由第一相加复数相量zg1和第二相加复数相量zg2张成的角度对应于角度α。

Description

用于确定旋转角的方法
为传递转矩，在机器中可使用旋转轴联轴器。对于机器，可能要求通过联轴器连接的部分轴不相互旋转地在它们零位置相互联接，且要求两个部分轴旋转过的旋转角是已知的。
在可松开联轴器中，在每次重新联接后必须新确定旋转角。此类可松开联轴器例如在燃气和蒸汽轮机发电站(GUD)中使用，其中，燃气轮机通过轴与蒸汽轮机连接。可松开联轴器在此布置在燃气轮机和蒸汽轮机之间。对于发电站设备的全过程，确定部分轴之间的旋转角具有特别的意义。
迄今为止，对旋转轴中的旋转角的测量通常如下进行：
将两个轴通过可松开联轴器以任意角度相互连接。两个轴的0°位置通过零标记限定，例如通过缺口限定。两个缺口相互旋转且张成所检测的联接角。
根据现有技术，缺口通过光学或感应传感器测量，利用其可记录时间分辨的信号。对于两个部分轴的每个获得信号曲线。现在，当转数已知时，联接角可由两个轴的信号之间的时间差计算出。
测量的信号的精度是不精确的，其原因是轴内通常的缺口的信号宽度窄，且此外可能存在干扰信号。由此导致的误差总计可达±30°。
为自动计算联接角，根据所述时间差由阶次分析确定各第一阶的角度。在实践中，为此使用商用的双通道FFT分析器或阶次分析器，它们从时间信号和各0°缺口计算出各1x相位值，由所述1x相位值的差计算得到联接角。
用于确定第一轴部分和第二轴部分之间的角的已知方法的缺点特别地是计算结果的误差大。信号干扰，例如由网络波动引起的信号干扰也导致有误差的结果。
本发明所要解决的技术问题是建议一种方法，以此方法可以以小于±1°的误差计算旋转机器中的第一轴部分和第二轴部分之间的角。
通过一种方法解决了此技术问题，其中，作为旋转角的参考的第一轴部分的0°位置提供了第一轴信号，且第二轴部分的0°位置提供了第二轴信号。第一轴信号和第二轴信号分别通过傅立叶分析被分解为简谐振动的频率分量。其中对于第一轴信号形成频率fn1且对于第二轴信号形成频率fn2，其中，各频率分别表示为由其第n阶的辐值an和相位φn组成的复数相量zn，其中每个相量zn描述了各自的频率fn的角速度ωn。然后对于频率fn1和频率fn2，将复数相量zn的各自的相位角φn分别除以其阶次n，以此形成归一化的复数相量Nn，且将归一化的复数相量Nn复数相加，使得由频率fn1形成第一相加复数相量zg1，且由频率fn2形成第二相加复数相量zg2。相加的复数相量zg的长度等于各个单个复数相量zn的长度的算术和。由第一相加复数相量zg1和第二相加复数相量zg2张成的角度对应于角度α。
本发明基于如下考虑，即用于从更高阶次的频率向第一阶频率回推的理论方法使得脉冲形测量信号的精度提高。
轴信号包括频率分量，且在考虑所记录的轴信号的角度时包括阶次分量。例如在转数为50Hz时，第一阶为50Hz，第二阶为100Hz，等。因为阶次已含有转数，所以第一阶总是为转数，且更高的阶次n为转数的n倍。所有所考虑的频率分量或阶次分量的加和给出了轴信号。不同阶次的频率通过轴信号的傅立叶分析得到。
本发明现在利用了如下事实，即所考虑的阶次越高，则旋转角确定的精度越高。在根据本发明的方法中，因此考虑了更高分量的相位，且如果在第一阶频率范围内出现了干扰频率(例如，网络发散)则对于测量不考虑第一阶频率。但更高阶次的频率/相位不能直接回推到0°相位信息，因为更高阶次的频率/相位由于角函数的周期性而不是唯一的。因此，在更高阶次的频率中出现了多个角度。通过将多个更高阶次的频率一起考虑，实现了角度的唯一计算。这通过将更高阶次的频率以复数相量图示且复数相加来进行。复数相加在此起到平均的作用。相加的复数相量的长度等于各个单个复数相量的长度的算术和。相加复数相量的角λ现在近似等于部分轴相互旋转过的角α。
通过根据本发明的方法，可以以最小误差计算第一轴部分和第二轴部分之间的角。这特别地通过对各频率的平均和对具有误差的分量的去除来实现。
在方法的优选的形式中，为确定第一相加复数相量zg1和第二相加复数相量zg2分别仅使用角φn，其中第一相加复数相量zg1或第二相加复数相量zg2的长度与各个单个复数相量zn的长度的算术和相一致。考虑到周期性，相量组合的所有其他的变量源自对正确相位的重建的错误假定且导致具有误差的结果。
在对该方法的进一步的改进中，为计算第一相加复数相量zg1或第二相加复数相量zg2，不使用受到误差信号或测量误差影响的频率fn。优选地，在此不使用第一阶频率。
合适地，第一轴信号和第二轴信号分别对应于脉冲形轴信号。脉冲形轴信号对应于脉冲形轴信号的频率分量的理论相位φn。
有利地，第一轴部分和第二轴部分通过联轴器相互连接。但也可构思任何另外的可松开连接。
此技术问题此外通过一种可实施根据本发明的方法的设备解决。此类设备在此可以是计算机支持的测量和估值单元，所述测量和估值单元可测量周期时间差且可按照根据本发明的方法估值。
如下根据附图详细解释根据本发明的方法的实施例。各图为：
图1示出了步骤a)，测量和确定时间信号和时间差，
图2示出了阶次跟踪，
图3示出了步骤b)，轴信号的傅立叶分析的仿真，
图4示出了步骤c)，角度的确定。
图1中左侧示出了轴设备的分解图示，图示的所述轴设备例如通常是燃气轮机设备和蒸汽轮机设备。燃气轮机设备在此通过轴1与蒸汽轮机连接。轴1包括两个部分轴，所述部分轴通过可松开联轴器2相互连接。第一部分轴3与燃气轮机连接且具有标识出第一部分轴的0°位置的第一缺口4。第二部分轴5与蒸汽轮机连接且具有标识出第二部分轴5的0°位置的第二缺口6。记录第一测量信号8的第一传感器7布置在第一部分轴3上。记录第二测量信号10的第二传感器9布置在第二部分轴5上。
投影图11示出了两个部分轴的略微错开的俯视图。在图中可见，两个部分轴的0°位置相互旋转过角α。
图1中右侧图示了两个传感器的测量结果。在上方的图12中图示了第二传感器9的测量结果。在下方的图13中示出了第一传感器7的测量结果。在图中图示了周期的矩形响应。由两个矩形响应的运行时间移动15可计算旋转角。
在图2中，上方的图示出了轴信号的辐值与阶次跟踪的关系。下方的图示出了相位与阶次跟踪的关系。
在图3中，作为例子对于两个脉冲形轴信号之一进行了傅立叶分析。图示了前四个简谐振动，即第一阶频率至第四阶频率的理论位置。所有频率分量分的和形成了轴信号14。可见，第二阶频率至第四阶频率具有比第一阶频率更高的周期性。
在图4中图示了第一阶频率的回推的仿真。序列Orig对应于没有归一化的前四阶频率的复数相量。序列1对应于用于回推的正确假设。另外的序列是在考虑到周期性时的回推变量的可能组合且导致回推的错误假定。

Claims (8)

1.一种用于确定第一轴部分和第二轴部分之间的角α的方法，其中
a)由第一轴信号提供第一轴部分的0°位置，且由第二轴信号提供第二轴部分的0°位置，
b)通过傅立叶分析将第一轴信号和第二轴信号分别分解为简谐振动的频率分量，其中对于第一轴信号形成频率fn1且对于第二轴信号形成频率fn2，其中频率分别形成为其第n阶由辐值an和相位φn组成的复数相量，其中每个相量zn描述了各频率fn的角速度ωn，
c)对于频率fn1和频率fn2，将复数相量zn的各相位角φn除以它的阶次n，从而形成归一化的复数相量Nn，且将归一化的复数相量Nn复数相加，使得由频率fn1形成第一相加复数相量zg1，且由频率fn2形成第二相加复数相量zg2，其中相加的复数相量zg的长度则等于各个单个复数相量zn的长度的算术和，且
d)由第一相加复数相量zg1和第二相加复数相量zg2张成的角度等于角度α。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，为确定第一相加复数相量zg1和第二相加复数相量zg2分别仅使用角φn，其中第一相加复数相量zg1或第二相加复数相量zg2的长度与各个单个复数相量zn的长度之和唯一地相一致。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，为计算第一相加复数相量zg1或第二相加复数相量zg2，不使用受到干扰信号或测量误差影响的频率fn。
4.根据权利要求3所述的方法，其中不使用第一阶频率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，第一轴信号和第二轴信号分别对应于脉冲形轴信号。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，第一轴部分和第二轴部分通过联轴器相互连接。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中第一轴信号和第二轴信号的确定在第一轴部分和第二轴部分旋转时进行。
8.一种用于执行根据权利要求1至7所述的方法的设备。
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