CN117642599A - 用于测量在离心力载荷下旋转转子的参照转子角度的扩径的方法 - Google Patents
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Abstract
在用于测量旋转转子(5)根据转子转速的扩径的方法中，与转子表面相间隔地布置第一距离传感器(14)，所述第一距离传感器无接触地按时间检测从所述第一距离传感器(14)至转子表面的距离并且生成按时间的电气的第一距离信号。零位标记传感器(16)按时间探测设在转子(5)上的零位标记。在沿转子(5)的轴向远离第一距离传感器(14)的、已知其扩径和表面形廓的第一基准表面(19)处布置有第二距离传感器(15)。为了消除干扰变量，可以将由第二距离传感器测取的信号与第一距离传感器的信号相抵消。
Description
本发明涉及一种通过仅一个传感器测量在离心力载荷下旋转转子的参照转子角度的扩径或扩张或膨胀的方法，其中，设有用于测量基准表面的扩径的另外的传感器，已知基准表面的扩径和表面形廓并且用于检测干扰变量。
转子在旋转时承受离心力载荷并且因此发生扩径，即转子的直径增加。在最简单的情况下，扩径与速度成平方地增加。如果想确切地知道转子在按规定使用时所经历的扩径尺寸，以便将其考虑在内，则必须测量转子旋转时的扩径。目前采用的用于确定转子扩径的方法只获得关于转子直径变化的结果。然而在某些情况下，各个转子段的扩径也是令人感兴趣的。
在转子旋转时可能发生转子振动，这种转子振动包含在由距离传感器产生的距离信号中。这可能是由不平衡或冲击引起的一阶振动。此外，由于转子轴承、如滑动轴承的影响，也会产生频率低于或高于一阶振动的振动。此外，转子围绕其摆动的中心点在不同转速时也会发生移动。转子通常以竖直轴线安装在滑动轴承中，并且因此会发生侧向移动，并且在不同转速下产生不同的稳定点。上述影响因素和尤其转子轴线随速度变化的位移被称为干扰变量或干扰振荡，并且与测量的距离信号相叠加，从而影响测量结果的准确性。
另外根据Günther,P.：利用光学传感器系统测量高速转子的径向膨胀和翻滚运动，《机械系统与信号处理》，第25卷(2011年)，第319至330页，介绍了一种利用光学传感器系统测量高速转子径向膨胀和翻滚运动的方法。传感器系统包括三个激光多普勒距离传感器，它们沿转子圆周在相同高度和角度位置上排列，并且与转子相间隔，并且相互间的角度间隔为120°。为了确定三个距离传感器的准确的角度定向，在转子上安装触发传感器信号的光学标记，其中，利用三个传感器的触发信号之间在旋转频率方面的时间延迟来确定传感器的准确的角度距离。在测量过程中，传感器的电子输出信号以与转子速度相适应的采样率进行采样，并且根据旋转频率设置为，在转子旋转一圈时达到一定数量的测量点。在每个采样步骤中，通过求解线性方程组来计算质量中心和径向膨胀率，并且最后根据更多的连续测量点计算出假定为圆柱形测量对象的转子的径向膨胀率平均值。转子扩径与旋转角度无关。
文献DE 101 44 643A1描述了一种测量系统，具有多个非接触式测量的距离传感器，这些距离传感器与转子-定子系统的定子相连并且布置在转子上，其中，布置两对彼此相反地对置的距离传感器，用于检测定子和转子之间的径向距离。为了确定转子的位移，一对距离传感器的测量信号以相反的符号相加。为了确定转子的径向扩径，将所有四个距离传感器的测量信号以正号相加。没有提供用于检测转子扩径与旋转角度关系的装置。
文献DE 10 2013 110 632 B4公开了一种借助两个距离传感器测量转子扩径的方法，它们的距离信号被耗费地相互抵消。
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于测量旋转转子的根据转子转速的扩径的方法，其中可以简单地消除出现的干扰变量。
所述技术问题通过权利要求1和权利要求5的技术特征解决。优选的设计方案在从属权利要求中给出。
所述技术问题按照本发明通过一种用于测量旋转转子的根据转子转速的扩径的方法解决，其中，在与转子表面的初始间距处布置第一距离传感器，所述第一距离传感器无接触地按时间检测从所述第一距离传感器至转子表面的距离并且生成按时间的电气的第一距离信号，所述转子配有零位标记传感器，所述零位标记传感器按时间探测设在转子上的零位标记并且生成按时间的电气的零位标记信号，其中，按时间的第一距离信号和按时间的零位标记信号被输送给电气的评估装置，并且由所述评估装置进行处理，方式是，根据所述零位标记信号计算出转速和与转子旋转的每个时间点相配属的旋转角度，每个与时间点相配属的旋转角度与同时间的距离信号联合成参照旋转角度的距离信号，并且由此计算出所述转子的与旋转角度和转速相关的扩径，其中，在沿转子的轴向远离第一距离传感器的第一基准表面(其扩径和表面形廓已知)处与该基准表面以初始间距相间隔地布置有第二距离传感器，所述第二距离传感器无接触地按时间检测从所述第二距离传感器至该基准表面的距离并且生成按时间的电气的第二距离信号，所述第二距离信号被输送给电气的评估装置，并且其中，在沿转子的轴向远离第一和第二距离传感器的第二基准表面(其扩径和表面形廓已知)处与所述第二基准表面以初始间距相间隔地布置有第三距离传感器，所述第三距离传感器无接触地按时间检测从所述第三距离传感器至该基准表面的距离并且生成按时间的电气的第三距离信号，所述第三距离信号被输送给电气的评估装置，为了修正由所述第一距离传感器测取到的第一距离信号，所述评估装置处理所述第二和第三距离信号，方式是，在从所述第二距离信号和第三距离信号中减去已知的表面扩张和表面形廓之后，将其中残留的干扰振荡通过三角几何法几何地按比例地从所述第一距离传感器的第一距离信号中去除。
所述技术问题还通过一种用于测量旋转转子的根据转子转速的扩径的方法解决，其中，在与转子表面的初始间距处布置第一距离传感器，所述第一距离传感器无接触地按时间检测从所述第一距离传感器至转子表面的距离并且生成按时间的电气的第一距离信号，所述转子配有零位标记传感器，所述零位标记传感器按时间探测设在转子上的零位标记并且生成按时间的电气的零位标记信号，其中，按时间的第一距离信号和按时间的零位标记信号被输送给电气的评估装置，并且由所述评估装置进行处理，方式是，根据所述零位标记信号计算出转速和与转子旋转的每个时间点相配属的旋转角度，每个与时间点相配属的旋转角度与同时间的距离信号联合成参照旋转角度的距离信号，并且由此计算出所述转子的与旋转角度和转速相关的扩径，其中，在沿转子的轴向远离第一距离传感器的第一基准表面(其扩径和表面形廓已知)处与该基准表面以初始间距相间隔地布置有第二距离传感器，所述第二距离传感器无接触地按时间检测从所述第二距离传感器至该基准表面的距离并且生成按时间的电气的第二距离信号，所述第二距离信号被输送给电气的评估装置，并且为了修正由所述第一距离传感器测取到的第一距离信号，处理所述第二距离信号，方式是，在从所述第二距离信号中减去已知的表面的扩张和形廓之后，将其中残留的干扰振荡通过三角几何法和已知的转子的枢转点几何地按比例地从所述第一距离传感器的第一距离信号中去除。
在此可以规定，与所述第一基准表面以初始间距相间隔地布置第三距离传感器，所述第三距离传感器无接触地按时间检测从所述第三距离传感器至该基准表面的距离并且生成按时间的电气的第三距离信号，所述第三距离信号被输送给电气的评估装置，并且所述转子倾斜或倾翻作为干扰变量通过抵消第二距离信号和第三距离信号被消除，并且从所述第二距离信号中去除所述第一距离传感器的第一距离信号中残留的干扰振荡。由此可以考虑到所述转子的倾翻，方式是，所诉倾翻作为干扰变量被几何地确定并且从转子的评估信号中消除修正的重量。
本发明可以在考虑到出现的干扰变量的情况下，针对由测量获得的转子表面路径上的、由与零点相关的旋转角度确定的每一个点，确定转子在离心力作用下发生的并且根据转速的扩径。
扩径的测量也在基准面上进行，从基准面上的扩径是已知的，由此在进行实际距离测量的同时就可以以简单的方式确定干扰变量，并且从转子的距离测量中减去干扰变量。由此，只通过较少的传感器就能快速实施简单的测量。在已知的测量方法中，每个转子测量路径必须使用两个传感器。而在根据本发明的方法中，每个测量轨迹只需一个传感器。在本发明中，基准表面可以是转子的组成部分、部件或区域。
基准表面也可以是与转子相连的部分、部件或区域，它们的扩径情况是已知的并且它们例如可以螺栓旋拧在转子上或以其他方式固定在转子上。在此可以涉及具有至少一个基准表面的基准件、例如基准销。基准表面的扩径也可以通过单独测量提前确定，或者根据表面的设计使扩径小到可以忽略不计。
如果没有给出轴承的各向同性，可以有利地规定，设有至少一个另外的、尤其第四和第五距离传感器，所述第四和第五距离传感器与所述基准表面中的一个以初始间距相间隔地布置并且无接触地按时间检测从所述第四距离传感器至表面的距离并且生成按时间的电气的第四距离信号，所述第四距离传感器连同另外的布置在基准表面处的距离传感器中的一个以相对于已置入的第二和第三距离传感器的沿周向的其它角度(优选90°或更小)布置。由此可以相应地考虑到效果。
以下结合本发明的实施例详细阐述本发明。在附图中：
图1示出用于测量旋转的转子的扩径的设备的示意图，
图2示出具有两个基准表面的示意性的测量结构，
图3示出具有一个基准表面的示意图的测量结构。
图1示出用于高速离心旋转并测量旋转的转子的扩径的示例性的设备，其示例性地阐述了本发明的设计方案的应用可能性。所述设备包括柱形的保护容器1，所述保护容器在测量运行时容纳且围绕旋转的转子。所述保护容器1可以被盖子2封闭，在所述盖子的位于保护容器1外部的上侧上布置有具备轴4的传动器3。所述轴4导引穿过盖子2并且在盖子2的下侧上具有用于固定待测量的转子5的法兰。通过电机6实现轴4的驱动，所述电极通过皮带传动装置7与所述传动器3相连。所述盖子2安置在液压的升降单元9的臂8上，通过所述升降单元使得盖子2可以从保护容器1上升起和放置在所述保护容器上。壳体10布置在升降单元9的支架上，在所述壳体10中安置有升降单元9的液压的控制器。封闭的保护容器1可以借助真空泵11倍抽真空，从而避免驱动损耗和容纳内腔的过大的升温。电气的控制单元12用于控制电机6、升降单元9和真空泵11。
为了测量转子5的扩径，可以在盖子2上安置无接触式测量的距离传感器14，所述距离传感器与转子表面存在微小的间距。另外的距离传感器15可以与示意性示出的具有基准表面的构件、在此为销栓相间隔地布置。这种布置方式还在图3中示意性地示出。
此外，在盖子2上在轴4的露出的区段旁布置有零点传感器16，所述零点传感器探测轴4上的零位标记。对零位标记的探测也与转子5相关，因为转子5借助法兰与轴4固定地连接。所述距离传感器14、15和零点传感器16通过未示出的导线与评估装置17相连，所述评估装置包括由评估程序程序化的计算机。所述距离传感器14、15产生模拟电压，该模拟电压在评估装置17的输入端转变为数字距离信号。零点传感器16的电压信号也被数字化。
为了测量转子5的扩径，所述盖子2通过升降单元9放置在保护容器1上。由此，所述转子5和距离传感器14、15到达保护容器1的内腔中，使得此时可以由控制单元12可控地实施测量运行。在测量运行过程中，所述转子5通过电机6经由传动器3和轴4被驱动并且以不同的转速旋转。
在测量开始时，在一个设计方案中在低转速情况下实施多次参考运行，这些参考运行用于确定两个距离传感器14、15的初始距离。随后，为了测量扩径，所述转子5被加速到非常高的转速。在不变的转速下同时检测两个距离传感器14、15的距离信号和零点传感器16的零位标记信号，并且发送给评估装置17并且由评估装置按照时间进行处理。本发明的本质的优点在于，也可以在高速运行中实施测量，这又进一步地节省了时间。
所述评估装置17借助零位标记信号计算出距离信号的旋转角度基准，并且对于以恒定速度进行测量的设计方案而言，可以从多个转子旋转数圈的测得的距离信号中计算出平均值。在高速测量的情况下可以得出关于转速的参照角度的扩径。
所述评估装置17在此使用两个距离传感器14、15中每一个的参照角度的、尤其取平均值的距离信号。距离传感器14的距离信号包括测得的参照旋转角度的、与转子5的扩径相关的距离，该距离与转速相关并且还与旋转角度相关。所述距离信号还包括与转速相关的初始距离以及另外的干扰变量。同样地也适用于由距离传感器15测得的距离信号。为了计算扩径，将转子测量路径的距离信号减去基准表面的距离信号，其中，按比例的减法运算取决于测量路径的位置的几何比例，这也可以通过采用三角几何法得出。由此消除同样在基准表面中出现干扰信号。
图2示出具有两个基准表面的示意性的测量结构，并且图3示出具有设计为基准销的基准件的示意性的测量结构。如前示例性地所述地，转子5通过法兰18与驱动轴相连。在转子5和法兰18之间可以存在按照本发明被称作基准表面或基准面的区域，从中已知在离心力荷载下的扩径和表面形廓。在此，也可以涉及单独的、能够与转子5相连的具有一个或多个基准表面的基准件、例如基准销，所述基准件旋拧在转子5上。分别根据转子5或转子5在测量设备中的固定的设计方案，所述转子5可以一定程度上被围在两个基准销19、20之间地布置。在图3中则仅示出一个基准销19。
为了检测例如在法兰18上的零位标记，设有零点传感器16。此外，与转子相间隔地布置有距离传感器14，所述距离传感器14无接触地检测距离信号。此外，为了检测距离信号可以在基准销19和传感器之间设有第二距离传感器15。在所示的设计方案中，与另外的基准销20相间隔地布置有第三距离传感器21。
在图3的极为简化的设计方案中，相对于第一距离传感器14和具有至少一个基准表面的基准件19附加地仅设有第二距离传感器15。在此，在从由第二距离传感器15测得的第二距离信号中减去表面的已知扩径和形廓之后，剩余的干扰振荡可以通过三角几何法和转子5的已知枢转点从第一距离传感器14的第一距离信号中几何成比例地去除。由此也可以考虑到转子5的倾翻或倾斜。
也可以考虑到倾斜，方法是，倾斜作为干扰变量通过第二距离信号和第三距离信号的抵消而被消除并且从第一距离传感器14的第一距离信号中消除第二距离信号中残留的干扰振荡。
也就是说，本发明的方法可以通过仅一个传感器(在已知枢转点时)或者至少两个另外的传感器消除在测量在离心力载荷下旋转转子的参照转子角度的扩径时出现的干扰成分，一个或多个传感器检测具有已知几何形状和随转速扩径的一个或多个基准表面处的距离信号，并且所述距离信号与由距离传感器检测到的与转子的距离信号相抵消。由于每个测量平面只需要一个传感器和一个或两个另外的传感器来记录干扰变量，因此测量装置的结构设计非常简单，并且可以很容易地消除干扰成分。此外，根据本发明的方法还可以在高速运行过程中对扩径进行瞬态测量。
为了进一步减少干扰影响并且改进考虑三角几何的准确性，还可以在另外的基准表面上设有另外的距离传感器。如上所述地，这些测量基本上都会考虑在内。
本发明的另外的优点在于，在转子5上的1F类特征(例如凹槽)不会影响扩径的确定，就此在转速下的扩径和基准面的几何形状(例如完全的圆形)是已知的。但在已知的方法中必须进行复杂的1F类滤波。
Claims (6)
1.一种用于测量旋转转子(5)的根据转子转速的扩径的方法，其中，在与转子表面的初始间距处布置第一距离传感器(14)，所述第一距离传感器无接触地按时间检测从所述第一距离传感器(14)至转子表面的距离并且生成按时间的电气的第一距离信号，所述转子(5)配有零位标记传感器(16)，所述零位标记传感器按时间探测设在转子(5)上的零位标记并且生成按时间的电气的零位标记信号，其中，按时间的第一距离信号和按时间的零位标记信号被输送给电气的评估装置(17)，并且由所述评估装置进行处理，方式是，根据所述零位标记信号计算出转速和与转子旋转的每个时间点相配属的旋转角度，与每个与时间点相配属的旋转角度与同时间的距离信号联合成参照旋转角度的距离信号，并且由此计算出所述转子(5)的与旋转角度和转速相关的扩径，其中，在沿转子(5)的轴向远离第一距离传感器(14)的第一基准表面(19)处与该基准表面(19)以初始间距相间隔地布置有第二距离传感器(15)，第一基准表面的扩径和表面型廓已知，所述第二距离传感器无接触地按时间检测从所述第二距离传感器(15)至该基准表面(19)的距离并且生成按时间的电气的第二距离信号，所述第二距离信号被输送给电气的评估装置(17)，并且其中，在沿转子(5)的轴向远离第一距离传感器和第二距离传感器(14、15)的第二基准表面(20)处与所述第二基准表面(20)以初始间距相间隔地布置有第三距离传感器(21)，第二基准表面的扩径和表面型廓已知，所述第三距离传感器无接触地按时间检测从所述第三距离传感器(21)至该基准表面(20)的距离并且生成按时间的电气的第三距离信号，所述第三距离信号被输送给电气的评估装置(17)，为了修正由所述第一距离传感器(14)测取到的第一距离信号，所述评估装置处理所述第二距离信号和第三距离信号，方式是，在分别从所述第二距离信号(15)和第三距离信号(21)中减去已知的表面扩张和形廓之后，将其中残留的干扰振荡通过三角几何法几何地按比例地从所述第一距离传感器(14)的第一距离信号中去除。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，除了考虑已知的扩径和表面形廓，还附加地还考虑到所述转子(5)的倾斜或倾翻，方式是，所述倾斜或倾翻作为干扰变量通过抵消第二距离信号和第三距离信号被消除，并且从所述第二距离信号中去除所述第一距离传感器(14)的第一距离信号中残留的干扰振荡。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，设有至少一个另外的、尤其第四距离传感器，所述第四距离传感器与所述基准表面(19、20)中的一个以初始间距相间隔地布置并且无接触地按时间检测从所述第四距离传感器至基准表面(19、20)的距离并且生成按时间的电气的第四距离信号，其中，所述第四距离传感器连同另外的布置在基准表面(19、20)处的距离传感器(15、21)中的一个以相对于第二距离传感器和第三距离传感器(15、21)的沿周向的其它角度布置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在多个另外的基准表面处设有多个另外的距离传感器。
5.一种用于测量旋转转子(5)的根据转子转速的扩径的方法，其中，在与转子表面的初始间距处布置第一距离传感器(14)，所述第一距离传感器无接触地按时间检测从所述第一距离传感器(14)至转子表面的距离并且生成按时间的电气的第一距离信号，所述转子(5)配有零位标记传感器(16)，所述零位标记传感器按时间探测设在转子(5)上的零位标记并且生成按时间的电气的零位标记信号，其中，按时间的第一距离信号和按时间的零位标记信号被输送给电气的评估装置(17)，并且由所述评估装置进行处理，方式是，根据所述零位标记信号计算出转速和与转子旋转的每个时间点相配属的旋转角度，每个与时间点相配属的旋转角度与同时间的距离信号联合成参照旋转角度的距离信号，并且由此计算出所述转子(5)的与旋转角度和转速相关的扩径，其中，在沿转子(5)的轴向远离第一距离传感器(14)的第一基准表面(19)处与该基准表面(19)以初始间距相间隔地布置有第二距离传感器(15)，第一基准表面的扩径和表面型廓已知，所述第二距离传感器无接触地按时间检测从所述第二距离传感器(15)至该基准表面(19)的距离并且生成按时间的电气的第二距离信号，所述第二距离信号被输送给电气的评估装置(17)，并且为了修正由所述第一距离传感器(14)测取到的第一距离信号，处理所述第二距离信号，方式是，在从所述第二距离信号中减去已知的表面扩张和形廓之后，将其中残留的干扰振荡通过三角几何法和已知的转子(5)的枢转点几何地按比例地从所述第一距离传感器(14)的第一距离信号中去除。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定距离传感器(14、15、21)的初始间距，根据多次在低转速下的参考运行形成平均值。
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