CN1044855A

CN1044855A - 透平叶片到达时间处理机

Info

Publication number: CN1044855A
Application number: CN89109450A
Authority: CN
Inventors: 卡尔克里斯琴考克; 罗伯特穆尔奥茨; 卡洛弗雷德里克皮特劳尼; 小查尔斯威廉埃诺夫
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1988-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1990-08-22
Also published as: IT1236893B; JPH02216018A; IT8922742A0; KR900010377A; ES2019770A6; IT8922742A1; US5015949A; CA2006286A1

Abstract

检测透平叶片通过时间的装置包括一传感器，它用有每次叶片通过传感器时产生一输入信号。自动增益控制电路包括数字乘法器，峰值检波器及误差放大器调节输入信号幅度。每次输入信号越过参考轴时零交叉检测器产生一输出信号。预触发比较器在与传感器上叶片所预期到达时间相符合时产生一门信号。门器件响应于门信号，传送输出信号，该信号出现在传感器上叶片所预期到达时间内。单稳态振荡器在与叶片通过传感器的时间相符时产生一数字脉冲。

Description

本发明一般是针对传感器，而且特别是针对在旋转机构中检测振动的传感器。

透平叶片因其复杂的设计在一些频率下会遭遇到振动，该频率相应于在已知振动模式中叶片的固有频率。每一种模式是和不同的振动形式相连系的，诸如沿着透平旋转轴的振动，垂直于透平旋转轴的振动等等。为了防止叶片超过其正常位置附近的振动，正常设计实际上是使叶片构造成让这些振动模式置于蒸汽透平的运转频率的谐波之间。然而，制造上的容差，叶片装在转子时的变化，由于腐蚀使叶片几何形状的变化以及透平运转时频率的变化，连同其他的因素，使模式频率接近于运转频率的谐波。

模式接近到运转频率的谐波会引起共振並按着对蒸汽透平有物理损伤。当振动的幅度超过某一程度时，在叶片里会建立起要不得的应力，如果这种情况未被检测出和检修，叶片最终会破裂而引起极化费钱的机器的被迫停机。因此，为了防止这样的损伤必需有探测这种振动的方法。

历史上，蒸汽透平的振动模式是通过放置应变计在旋转叶片上並把信息遥送到固定的接收器上而测得的。该方法有三个重大的缺点。首先，由于蒸汽通过透平叶片引起的腐蚀，应变计只有很短的寿命。第二，如果所有的被监视的叶片排成一排，则由一个叶片要求一个应变计。第三，连续和可靠地对应变计提供电源，而且要把来自转动轴轮的信号可靠地传输到固定接收器上产生很大的困难。为此，研制出其他类型的传感器。

本申请是关于题为“用于精确检测叶片经过时间”的共同未决的申请，其序号为89104091，并作为本发明转让给同样的受让人。上述的共同未决申请是针对一个用于检测旋转机器的叶片通过固定传感器的过程装置（passing means）。该传感器在每次叶片经过传感器时产生输出信号。在每次输入信号跨越一个参考轴时，零交义的检测器产生输出信号。一个移相器将输入信号移相，产生与传感器上叶片所预期到达的时间相符合的门信号。门器件对门信号响应使输出信号导通，它是在传感器上叶片所预期的到达时间的期间产生的。

在上述的共同未决申请中公开的本发明需要中路校准並与在本装置中使用的任何特定的传感器联用。这种校准是必要的，由于与任何特定的传感器相关具有不同特点的信号幅度，以及由于信号的幅度也取决于透平叶片端部和传感器表面之间的距离。此外，该装置对输入信号的频率敏感，因此必须设计成适用于任何一特定频率范围的信号。

这样就需要一个透平叶片到达时间处理机，可以自动地补偿输入信号振幅之差，而对输入信号频率不敏感。

本发明涉及一种用于检测旋转机器经过一个固定传感器时的透平叶片的过程。该传感器在每次叶片经过该传感器时产生输出信号。自动增益控制电路调整输入信号的幅度。该自动增益控制电路包括一个数字乘法器，一个峰值检测器和误差放大器。一个零交叉检测器在每次输入信号越过一个参考轴时产生输出信号。一个予触发器比较器产生一个与所预期的叶片在传感器上到达时间相符合的门信号。门器件对门信号响应以产生输出信号，它是在所预期的在传感器上叶片到达时间之时产生的。单稳态振荡器产生与传感器经过叶片的时间相符合的数字脉冲。

在此也描述了一种检测方法，检测旋转机械的叶片通过固定传感器过程。该方法包括每次叶片经过固定传感器产生一个输入信号的步骤。得到调整的输入信号的幅度。每次输入信号越过一个参考轴时产生输出信号。门信号的产生是与在传感器上所预期的叶片到达时间相符合。输出信号响应于门信号有选择地导通。数字脉冲与叶片经过传感器的时间相符合时产生。

本发明结合了以下特点：对于输入信号的自动增益控制和用于数字产生“到达时间”信号的装置，而与输入信号的频率无关。本发明的这些和其他优点及好处将从下面最佳实例的描述而变得更加明显。

为使本发明更清楚地被理解和易于实践，下面仅用举例並参照附图描述实施例，其中：

图1示出了根据本发明指导所构成的电路，用于处理由磁传感器产生的信号。

图2A-2G示出了各种信号的曲线，以用于说明图1中所示电路的运转。

图3示出了典型的磁传感器。

图1示出了与本发明的透平叶片到达时间处理器在一起的装置10的简化电路图，装置10的功能是自动调节输入信号的幅态，然后处理这些调整的信号以识别“透平叶片到达”事件产生的时间。自动增益控制电路的功能是调节输入信号的幅度，该电路示于图1虚线之中，而信号处理电路示于虚线之外。

由磁传感器50产生的信号，如图3所示，输入到差分放大器12的一个反向和一个非反向输入端之间。在本发明装置10中所用的一种差分放大器型号是Burr-Brown公司可提供的元件INA117。阻抗匹配电阻器14也接在差分放大器12的反向和非反向输入之间，电压信号V_A是提供在差分放大器12的输出端获得。

电压信号V_A通过由电容器15、46、47和电阻48和49构成的RC网络输入到运算放大器16的非反向输入端。电容器15、46和47是串联在差分放大器12的输出端和运算放大器16的非反向输入之间的。电阻器48连接在电容器47的阳极和地线之间，而电阻49是连接在电容器15的阴极和地线之间。运算放大器16的输出端是与运算放大器16的反向输入相连接，同时也通过电阻17和电容器15的阳极相连接。运算放大器16的功能是作为一个高通滤波器使用以去除任何60Hz成份的可能与输入信号的耦合。高通滤波器16既可接到电路中也可以从电路中移去，这是由开关18转换到适当的位置而定。高通滤波器使用的运算放大器的一种型式是National Semicondnctor提供的元件LE347。

高通滤波器16输出上获得的电压信号由开关20设置到适当位置而输入到乘法器19输入的y₁或y₂。使用开关20使高通滤波器16的输出信号发送到乘法器19输入端的y₁或y₂上，提供了使输入信号反向的能力，同时是一种有效地改变传感器50的极性的方便方法，而不需要重新接线。乘法器19的输入x₁连接到缓冲器29的一个输出端，而其输入端x₂接地。本发明装置10中使用的乘法器19的一种型号是从Analog Devices提供的AD532元件。

在乘法器19输出端上提供的电压信号通过电阻器22输入到运算放大器21的一个反向输入。运算放大器21的一个非反向输入接地，而运算放大器21的一个输出端通过电阻23与运算放大器21的反向输入相连接。运算放大器21是作为一个反向放大器使用，並通过适当选择电阻器22和23可呈现增益20。在本发明装置10中作为反向放大器21使用的运算放大器的一种型号是LF347元件。反向放大器21的输出端上可提供电压信号V_B。

电压信号V_B输入到比较器24的反向输入，该比较器设计为一个峰值检波器。比较器24的非反向输入通过电阻器62接地。比较器24的非反向输入同时与比较器24的反向输出相连和通过电容器63接地。用于峰值检波器24的器件的一种型号是National Semiconductor提供的LM311元件。

峰值检波器24的一个反向输出信号输入到作为缓冲器的运算放大器25的一个非反向输入。运算放大器25的一个输出端与运算放大器25的一个反向输入相连接。元件LF347是可为缓冲器25使用的运算放大器的一种型号。电压信号V_C在缓冲器25的一个输出端上提供。

电压信号V_C通过电阻27输入到作为误差放大器使用的运算放大器26的一个反向输入。运算放大器26的非反向输入连接到一个参考电压V_R，例如是+5VDC。运算放大器26的一个输出通过电阻器28连接到运算放大器26的一个反向输入。该差放大器26可通过适当选择电阻27和28呈现增益20。误差放大器26可使用的四件的型号是元件LF347。

误差放大器26输出上获得的信号输入到作为缓冲器使用的运算放大器29的非反向输入上。运算放大器29的输出端连接到运算放大器29的一个反向输入。在缓冲器29输出上提供的电压信号V_D输入到乘法器19的x₁端。缓冲器29可使用的器件型号是元件LF347。

反向放大器21输出上给出的电压信号V_B输入到作为缓冲器使用的运算放大器30的一个非反向输入上。运算放大器30的输出端与运算放大器30的一个反向输入相连接。运算放大器30输出端上获得的一个电压信号输入到一个R-L-C网络，该网络由电阻31，电感器32和电容器33组成。这个R-L-C网络相似地与作为缓冲器使用的运算放大器34的非反向输入相连接。运算放大器34的一个输出端与运算放大器34的一个反向输入相连接。R-L-C网络和缓冲器34的串联起着一个低通滤波器的作用，以减少高频噪声。元件LF347可用于两个缓冲器30和34。

电压信号V_B也输入到作为缓冲器使用的运算放大器44的一个非反向输入。运算放大器44的一个输出端连接到运算放大器44的一个反向输入。在缓冲器器件44的一个输出端上提供的电压信号V_B可用作监视。元件LF347可作为缓冲器件44使用。

缓冲器34输出端上提供的电压信号V_E输入到比较器35和36的两个反非向输入上。比较器35的作用是作为予触发比较器使用，而比较器36是作为零交叉比较器使用。比较器35的非反向输入连接到一个参考电压V_R，例如+1.2V DC。比较器36的一个非反向输入连接到一个参考电压V_R，例如是-0.12V DC。电压比较器器件LM360可由National Semiconductor提供，使用在予比较器35和零交叉比较器36两者中。

在予触发比较器35的输出端提供的电压信号V_F输入到予触发器38的时钟输入端。Texas lnstruments提供的器件74LS74A可用于予触发触发器38。一个予置端和予触发触发器38的D端固定为+5V DC。在予触发触发器38的Q输出上提供的电压信号V_G是非门40的输入。可使用Texas lnstruments提供的器件74LS00作为非门40。在零交叉比较器36的输出端上提供的电压信号V_H是非门40的第二个输入。

在非门40输出上提供的电压信号V_I输入到单稳态42的 A输入。Texas lnstruments提供的器件74LS221可作为单稳态42使用。单稳态42的清除输入和B输入两者都固定为+5V DC。在单稳态42的 Q输入上提供的电压信号V_U输入到予触发触发器38的清除端。电容器41与单稳态42的CEX和RCEX端並联连接，而电阻器43连接在单稳态42终端RCEX和+5V DC电源之间。在单稳态42的 Q输出上给出电压信号V_J。

在运用中，滤波后的输入信号V_A输入到示于图1中虚线之中的自动增益控制电路中，该电路包括乘法器19，反向放大器21，峰值检测器24，缓冲器25和29，以及误差放大器26。自动增益控制器电路的功能是将电压信号调整到在正常10V峰到峰值电平。分析表明，自动增控制电路显示一个传输函数，可用下述方程式表示：

｜VB｜=( (1+β)/(β) )V_R

(\frac{{｜V}_{A} ｜}{{｜V}_{A} ｜+ \frac{10}{αβ}})

其中｜V_B｜＝电压信号V_B的峰值的绝对值;

｜V_A｜＝电压信号V_A的峰值的绝对值;

α＝电阻器23与电阻器22的欧姆电阻值的无量纲比率;

β＝电阻器28与电阻器27的欧姆电阻值的无量纲比率;

V＝在误差放大器26的非反向输入上的参考电压。

对自动增益控制电路工作的例子，可使α＝β＝20和V_R＝0.5V DC上述方程式简化为：

｜V_B｜=5.25( (｜V_A｜)/(｜V_A｜) +0.025)

对于｜V_A｜＞＞0.025V，｜V_B｜很接近于5.25V，如果｜V_A｜＝1V，那么｜V_B｜＝5.122V;如果｜V_A｜＝10V，那么｜V_B｜＝5.2369V。以上例子表明对于V_A的幅度的10∶1变化，电压V_B的幅度V_B保持在5.25伏的2.5%之内。

电压信号V_B由器件30缓冲並输入到低通滤波器以降低高频噪声。所形成的电压信号V_E示于图2A。然后，电压信号V_E由予触发比较器35与正参考电压，例如+1.2V DC进行比较。在予触发比较器35的反向输出端的电压信号V_F相应于逻辑电平“1”，而电压信号V_E总是大于1.2V。电压信号V_F示于图2B。

电压信号V_F是作为时钟输入到正边沿触发的触发器38。D输入和予置输入两者都总是固定在逻辑“1”的电压上。当电压信号V_F为“高”时，触发器38（电压信号V_G）的Q输出也是“高”的。这些信号的上升边沿之间的微小延迟相应于触发器38的传播延迟。电压信号V_G示于图2C中。

电压信号V_E也输入到零交叉比较器，在此它与负的参考电压，例如-0.12VDC进行比较。在零交叉检测器36的输出端的电压信号V_H相应于逻辑电平“1”，而电压信号V_E总是小于-0.12V。电压信号V_H示于图2D中。

电压信号V_I为“低”时而输入值V_G和V_H都总是在逻辑“1”的电平。电压信号V_I示于图2E中。输入到单稳器42的A端的电压信号V_I的下降边沿使单稳器42（电压信号V_J）的Q输出变到“高”和 Q输出（电压信号V_K）变到“低”。这些信号V_J和V_K的宽度大约等于0.7μs。该脉冲宽度是由电容器41和电阻器43的值所决定的。电压信号V_J和V_K分别示于图2F和2G中。

电压信号V_J输入到处理机的电路（未示出），用于以已知的方式决定透平叶片的振动。电压信号V_K输入到触发器38的清除端，以使电压信号V_G回到逻辑“0”电平。

本发明的电路10的设计可防止由于输入信号V_A的振幅有变化，並在输入信号V_A上存在噪声时引起不规则触发的“到达时间”脉冲V_J。首先上文描述的自动增益控制电路以标定的峰到峰值调节电压信号V_E的幅度。其次，电压信号V_H的上升边沿（当电压信号V_E的数值降低而回到相应于透平叶片通过磁传感器50的时候，电压信号V_H的上升边沿相应于电压信号V_E越过参考电压-0.12V的时间）只允许触发单稳器42，以便当电压信号V_G在逻辑“1”电压时使电压信号V_J上产生脉冲。只有当电压信号V_E的数值正在增加而越过+1.2V参考轴时，电压信号V_G达到逻辑“1”电平。因而，当电压信号V_E越过-0.12V参考轴而相应于透平叶片通过磁传感器时，首先检测出电压信号V_E的正弦波的正向部分，本发明的电路10予测出该时间。使电压信号V_E不规则地越过-0.12V参考轴的任何噪声将不会错误地在电压信号V_J上产生脉冲，並给出不正确的透平叶片“到达时间”的信息。

本发明的电路10还设计成，其工作对于输入信号V_A的频率是不敏感的。当电压信号V_E跨越+1.2V参考轴並当其数值正在增加的时候，予测出透平叶片在磁传感器50上的“到达时间”的触发器38所产生的电压信号V_G被触发，而且实际上是不依赖于输入信号V_A的频率。

能与图1中的电路10联合使用的传感器10示于图3中。磁传感器50是自激发的可变磁阻敏感器，它不需要电源。通过计算齿轮上的齿数，这种传感器常被用作检测转速。适合的传感器可以从市场上得到而且能获得不同的结构和特定应用的封装设计。

例如与本发明联合使用的传感器，具有很高强度的磁体52。传感器的外壳54是由一块不锈钢棒材加工而成，並通过EB焊接封装到一个特殊密封的连接器56中。磁体52是结合极性片58而工作的。拾音线圈60产生信号，该信号由信号引线传送到图1中的差分放大器12中。

传感器50的内部应适于在550°F（287.8℃）下工作。该传感器能从North American Phillips的Airpax分部或Electro-Products购得。传感器例如传感器50的装配在透平机中是为人熟知的。例如参看的美国1986年3月4日在Luongo发行专利No.4，573，358。传感器到表面的距离可以在150到250mils之间（即0.0381到0.0635mm之间）变化。

虽然本发明是联系到实例来说明的，应该了解，对于那些在技术上有一般熟练程度的人们，许多的修改和变化都是很容易的。这种披露和以下的权利要求的目的是要包括所有这些修改和变化。

Claims

1、用于精确检测旋转机械上的单个叶片经过固定传感器的过程的装置包括有：

固定传感器装置，用于每次叶片通过上述传感器装置时产生一个输入信号；

响应于上述传感器装置的自动增益控制装置，用于调节上述输入信号的幅度；

响应于上述自动增益控制装置的装置，用于产生输出信号，该信号表示在叶片通过上述传感器装置的时间。

2、权利要求1的装置，其中上述自动增益控制装置包括一个数字乘法器。

3、权利要求2的装置，其中上述自动增益控制装置还包括一个峰值检测装置，用于产生峰值检测输出信号，它代表上述输入信号的幅度。

4、权利要求3的装置，其中上述峰值检测装置包括一个比较器。

5、权利要求3的装置，其中上述自动增益控制装置还包括一个误差放大器装置，用于产生误差放大器输出信号，它代表上述峰值检测输出信号和误差放大器参考信号之差。

6、权利要求5的装置，其中上述误差放大器装置包括一个运算放大器。

7、权利要求1的装置，其中上述固定传感器装置包括磁性传感器。

8、权利要求1的装置，其中响应于上述自动增益控制装置的上述装置包括零交叉检测装置，它用于每次上述输入信号越过参考轴时产生一个输出信号;产生与叶片在上述传感器装置的预期到达时间，相符合的门信号的装置;用于传输上述输出信号的与上述门信号相适应的门装置，该输出信号当叶片在上述传感器装置的预期到达时间的期间发生;以及响应于上述导通输出信号的装置，用于在与叶片通过上述传感器装置的时间相符合时产生数字脉冲。

9、权利要求8的装置，其中上述零交叉检测装置包括一个第一比较器，用于在第一输入端接受上述输入信号以及用于在第二输入端接受第一参考信号，因而，在输出端上可获得上述输出信号。

10、权利要求9的装置，其中用于产生门信号的上述装置包括一个第二比较器，在第一输入端接受上述输入信号以及在第二输入端接受第二参考信号，因而，在输出端上获得上述门信号。

11、权利要求10的装置还包括一个触发器，用于把上述门信号传送到上述门装置，直到上述触发器被清除时。

12、权利要求11的装置，其中上述门装置包括一个数字逻辑门。

13、权利要求12的装置，其中上述逻辑门包括一个与非门。

14、权利要求13的装置，其中用于产生数字脉冲的上述装置包括一个单稳态振荡器。

15、用于精确检测旋转机械上的单个叶片通过固定传感器的过程的装置，包括有：

固定传感器装置，用于每次叶片通过上述传感器装置产生一个输入信号;

响应于上述传感器装置的自动增益控制装置，用于调节上述输入信号的幅度;

零交叉检测装置，用于每次上述输入信号越过参考轴时产生数字输出信号;

用于与叶片在上述传感器装置预料到达时间相符合时产生数字门信号的装置;

响应于上述数字门信号的门装置，用于传送上述数字输出信号，该信号出现在叶片在上述传感器装置所预期的到达时间内;以及

响应于上述传送数字输出信号的装置，用于与叶片通过上述传感装置相符合的时间产生数字脉冲。

16、检测旋转机械的单个叶片通过固定传感器的过程的方法，包含的步骤是：

每次叶片通过固定传感装置产生一个输入信号;

调节上述输入信号的幅度;

每次上述输入信号越过参考轴时产生一个输出信号;

与叶片在上述传感器装置所预期的到达时间相符合时产生一个门信号;有选择地传送与上述门信号响应的上述输出信号;以及

在与叶片通过上述传感器装置的时间相符合时产生数字脉冲。

17、权利要求16的方法，其中产生输入信号的步骤包括用固定磁性传感器产生输入信号的步骤。