CN1678913A - 用于确定旋转的机器部件的转速的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于确定旋转机器部件(5)的转速的装置(1)具有至少一个信号输入端(13)，其可以引入一个转速传感器(10)的输出信号(11)；以及一个计算单元(20)，借助于该单元可以从转速传感器(10)的输出信号(11)中至少计算旋转机器部件(5)的转速，和至少两个信号输出端(25)，用于输出由所述计算单元(20)计算的转速。其中，借助于该至少两个信号输出端(25)的第一输出端(251)可以输出各当前转速，而借助于该至少两个信号输出端(25)的第二输出端(252)仅仅可以输出其值包含在一个预定转速范围内的当前转速，该转速范围是旋转机器部件(5)的实际转速运行范围的一个真子集。在此，如果转速值包含在预定的转速范围、特别是围绕额定转速的范围中，则借助于第二信号端(252)以较高的精度输出该转速值。

Description

用于确定旋转的机器部件的转速的装置

技术领域

本发明涉及一种装置，利用该装置可以确定旋转的机器部件、特别是涡轮机叶轮的转速。

背景技术

用于确定旋转的机器部件的转速的装置属于测量技术的技术领域：其用来监视例如涡轮机轴转速，并可以用在用于调整涡轮机轴转速的系统中。

在许多技术领域中会遇到这样的机器，其为了满足相应的任务具有至少一个旋转的机器部件。

例如，用于产生电能的涡轮机、如燃气轮机和蒸气轮机具有叶轮，其将包含在涡轮机相应的驱动介质中的能量转换成旋转能量，使得可以通过一个与该涡轮机连接的发电机产生电能。

由这种发电机产生的交流电压的频率直接取决于所连接的涡轮机的转速。

为了保证供电网络的供电安全性，有必要将电网频率恒定地保持在所希望的值上(在欧洲例如是50Hz)。

可能出现的电网问题反映在偏离所希望的电网频率的实际瞬时电网频率上。

例如，如果由供电网络所提供的功率不充足，则瞬时主导的电网频率降低，以满足连接在供电网络上的用电器具的瞬时功率需求。在这种情况下，由于过载使得供电网络的一个或多个涡轮机的转速或多或少地强烈降低。

为了能够识别涡轮机的这种转速下降和/或在涡轮机运行期间实现转速的调节，确定转速是必需的。

公知一种用于确定物体转速的装置(DE 3425472，G01P3/481类，1986)，其包括一个转速发送器，其中在特定时间段中对脉冲进行计数并检查，所确定的值是等于还是大于为计算转速而预定的值。在检查结果肯定时，传递转速值以供后续处理。

与本发明最接近的是转速边界值的信号发生器(发明证书UdSSR第1877639号，G01P3/48类，1991)，其包括一个转速发送器和一个比较装置，该比较装置检查转速是否处于运行范围之外，其中，在转速偏离运行范围的情况下，该比较装置产生一个关于频率过高或者过低的信号。

不过，该信号发生器不能检查转速改变的速度，即，其不能对测量通道的状态进行诊断。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于确定旋转的机器部件的转速的装置，该装置工作可靠并且可以低成本地实现。

按照本发明，上述技术问题是通过一种用于确定旋转的机器部件的转速的装置解决的，该装置包括下列部件：

-至少一个信号输入端，其可以引入转速传感器的输出信号，

-一个计算单元，借助于该单元可以从转速传感器的输出信号中至少计算旋转的机器部件的转速，和

-至少两个信号输出端，用于输出由所述计算单元计算的转速，其中，借助于该至少两个信号输出端的第一输出端可以输出各当前转速，而借助于该至少两个信号输出端的第二输出端仅仅可以输出其值包含在一个预定转速范围的当前转速，该转速范围是旋转的机器部件的实际转速运行范围的一个真子集。

借助于转速传感器采集旋转的机器部件、特别是涡轮机叶轮的转速，并将其引入到本发明装置的信号输入端。

计算单元将在信号输入端上所加的值转换为旋转的机器部件的转速，其中，根据所使用的转速传感器以及输出信号的类型，在该计算单元中执行对应的计算程序。

例如，可以沿涡轮机叶轮的圆周设置等距离的标记或者轮齿，由光学或者感应的转速传感器对该标记或者轮齿进行检测并计数。如果此时了解叶轮的一转对应多少标记，则连同一转所需要的时间可以容易地借助于计算单元计算出当前的转速。

无论旋转的机器部件才刚刚启动并具有很低的转速，还是处于标准转速运行或甚至处于过转速运行，至少两个信号输出端的第一输出端在运行的每个时刻都输出旋转的机器部件的当前转速。因此，借助于该至少两个信号输出端的第一端在各种运行情况下提供旋转的机器部件的当前转速，例如用于转速显示和/或如借助于涡轮机调节器的进一步处理。

因为信号输出端一般仅仅能够以有限的精度表示其相应的信号输出值，因此借助于信号输出端表示的信号输出范围越大，则当前所加的信号输出值就越不精确。

为了在一个仅仅包括实际转速运行范围的一个子范围的期望转速运行范围内得到当前旋转机器部件的转速的尽可能精确的值，在本发明的装置中设置了至少两个信号输出端的第二输出端。

该期望转速运行范围优选地包括旋转机器部件的额定转速，该旋转机器部件在正常运行中按照该额定转速旋转。

因为借助于至少两个信号输出端的第二输出端只需表示旋转机器部件的实际可能转速范围的一个子范围，因此，可用来从所述子范围表示转速值的精度，大于用来借助于两个信号输出端的第一输出端从整个转速范围表示该转速值的精度。

例如，为了在额定转速范围内(如果所述子范围包括额定转速的话)借助于转速调节器实现对旋转机器部件及其精确的转速调节，可以利用所述提高的表示和输出精度。

在涡轮机的情况下，可以尤其良好地借助于涡轮机调节器维持具有额定转速的正常运行，因为可以借助于至少两个信号输出端的第二输出端非常精确地提供至少涡轮机调节器所需的当前转速的测量值，从而尤其是可以迅速和精确地调节与期望额定转速的偏差。

优选地，转速传感器的输出信号是一个脉冲信号，而信号输入端是一个用于采集脉冲的脉冲输入端，特别是频率优选在60至3000Hz之间的电压脉冲。

在该实施方式中，从由转速传感器输出并由信号输入端读入的脉冲的频率中确定旋转机器部件的转速。

例如，可以沿涡轮机叶轮的圆周设置多个轮齿，这些轮齿经过安装在叶轮附近的转速传感器，并由该转速传感器借助于通过轮齿在该转速传感器中感应的电压来采集和计数。因为在轮齿之间分别存在一个空隙，由这种转速传感器输出的信号是脉冲形式的，并可以由脉冲输入端进行处理，该脉冲输入端可以采集脉冲、特别是电压脉冲。在此，脉冲信号的优选频率在60至3000Hz之间的范围中，该范围对应于在借助于脉冲转速传感器采集涡轮机叶轮的转速时的通常频率范围。

在本发明的一个特别优选的实施方式中，所述装置包括至少三个信号输入端，这些输入端分别可以引入至少三个转速传感器之一的输出信号，并且借助于计算单元可以确定，是否一个输出信号有错误。

在本发明的该实施方式中，借助于至少三个转速传感器按所谓的“三选二模式”冗余地采集转速，从而可以容许其中一个转速传感器的错误或者停止。

为此，将至少三个输出信号借助于计算单元相互比较，并确定一个输出信号与至少两个其它输出信号之间可能出现的偏差。然后，计算单元不将出现错误的输出信号用于确定转速；当前转速可以由一致输出信号的至少一个来确定。在该实施方式中，所确定的转速正确的可靠性特别高，因为转速传感器之一的停止或者错误不会导致错误的或者不能确定的结果。

优选地，借助于计算单元可以计算转速在时间上的变化，并且借助于第三信号输出端可以输出所计算的转速在时间上的变化。

在此，借助于计算单元从至少两个、特别是当前和经过较短时间之后的转速值的历史记录来计算转速在时间上的变化。为此，仅需提供用于存储所计算的转速值的装置，并且必须已知至少两个所存储的转速值之间的或者当前转速和至少一个所存储的转速值之间的时间距离。

从该确定的转速变化速度可以导出关于旋转机器部件的运行状态的其它信息。例如，从转速在时间上的变化等于零可以得出，处于稳定的运行并且不必采取任何干预。

反之，在确定的时间段中转速下降意味着负载变化，这通常使得有必要干预运行，因为尤其是在涡轮机的情况下转速应该尽可能好地等于所希望的额定转速。在后一种情况下，则必须在负载提高时增加涡轮机运行介质、例如蒸汽的输入，以便在上述负载提高的情况下能够保持所希望的额定转速。

如果在一个特定的时间段内转速提高了，则意味着例如负载的减小，这在多数情况下同样要求干预运行。在涡轮机的情况下，例如如果一个较大的负载突然从供电网络中断开，则出现这种过转速。涡轮机则倾向于“经过”并按照可能极大提高的转速旋转。这可能导致对机器的稳定性造成危害，以及对人员和环境造成危害。

借助于本发明的该实施方式，可以可靠地识别转速在时间上的变化，这种时间变化通常要求对运行进行干预，以便再次建立所希望的正常运行。

在此优选地，借助于计算单元可以检测是否超出预定的转速在时间上的最大变化，并且借助于第四、特别是数字信号输出端可以输出对应的输出信号。

预定的、转速在时间上的最大变化是一种度量，可以容许转速在其边界内的时间变化。因为在正常运行期间在不必对运行干预的情况下也可以出现转速波动，因此借助于该实施方式可以保证，只有那些超出预定的转速在时间上的最大变化的转速时间变化才导致对运行的干预。一旦超出了该最大的转速变化速度，则通过对应的信号输出、例如作为二进制报警信号进行提示。

优选地，借助于至少一个信号输出端可以输出作为电压的各自所属的输出信号。

例如，可以通过电子电路特别好地处理电压。此外，通过电压既可以表示模拟信号又可以表示数字信号。模拟信号的值域例如可以映射为一个电压范围，二进制信号的状态通过分别对应的恒定电压值来表示。

对通过电压编码的信号的处理，尤其在存储可编程控制器(SPS)中进一步处理。

在最后提到的实施方式中，所述电压具有一个优选介于0伏特和10伏特之间的值。

对于这种电压范围可以得到用于存储可编程控制器的、一系列的所谓模拟输出表格，这种表格可以在不经特殊匹配的条件下应用到本发明中。

在本发明的另一个优选的实施方式中，旋转机器部件的实际转速运行范围包括介于0U/min和大约4000U/min的范围。这种实际转速运行范围对于用于产生电能的涡轮机来说是特别典型的。

在本实施方式中，预定的转速范围(作为实际转速运行范围的子范围)包括、特别是等于介于2900U/min和大约3100U/min之间的范围。

这种预定的转速范围包括了非常多的用于产生电能的涡轮机的额定转速，从而借助于至少两个信号输出端的第二输出端可以非常精确地输出所计算的在额定转速范围中的转速。

优选地，所述装置能够数字地和周期地处理积累的信号，其中，周期时间在大约4ms和10ms之间、特别是在6ms和8ms之间。

公知的存储可编程控制器数字地和周期地处理信号。处理存储可编程控制器的特定功能信号的周期时间，例如取决于存储可编程控制器一个用来实现该功能的部件的计算速度。其中，允许足够快采集并输出转速的、特别适当的周期时间在大约4ms和10ms之间、特别是在6ms和8ms之间的范围中。

在本发明的另一个优选的实施方式中，可以借助于数据总线从所述装置或者向所述装置传输信号输出的至少一部分和/或转速传感器的输出信号的一部分。

用于传输数据的总线系统特别是在已经提到的存储可编程控制器的领域中公知。在此，不同的信号不是通过各自单独的连接、而是通过共同的连接(即所谓数据总线)传输。

按照这种方式尤其降低了电信用户之间的连线花费，因为不必在它们之间铺设单独的导线。

此外，下列装置设置用来解决本发明技术方案，特别是针对所希望的诊断能力：

该用于确定旋转机器部件的转速的装置包括：一个连接在转速传感器的输出端的输入信号变换器，其中所述装置的一个输出端用作实测转速的输出端；一个处理器，该处理器的输入端与至少一个输入信号变换器的输出端连接，并在所述装置的第二输出端上产生这样的转速，即其值位于预定的涡轮机转速范围内，并且该涡轮机转速等于正常运行条件下的额定转速，其中，所述传感器的输出信号是脉冲信号，而所述处理器借助输入信号变换器的至少三个输出信号确定有问题的信号，其中，用于输出其值处于预定涡轮机转速范围中的转速的输出端具有小于用于输出实测转速的输出端的扫描时间(量化步长)。

此外，所述处理器另外在所述装置的第三输出端上产生一个关于临时转速变化的信号，并在第四输出端上产生一个关于超出预定临时转速变化的信号，其中，在所述处理器的输出端上可以按电压或者数字信号的形式产生信号；可以通过数据总线传输来自所述处理器输出端的至少一部分信号和/或来自转速传感器的一部分输出信号。

附图说明

下面对本发明的两种实施方式作进一步的说明。图中：

图1表示用于确定旋转机器部件的转速的、按照本发明的装置，其中冗余地采集转速，和

图2表示另一个按照本发明的装置。

具体实施方式

图1示出了一个按照本发明的装置1，借助于该装置可以确定旋转机器部件5、特别是涡轮机叶轮的转速。

旋转机器部件5例如作为涡轮机的叶轮构成，其沿其圆周具有多个轮齿7。三个转速传感器10设置在由外部轮齿边沿构成的圆周的直接近处。在该图的例子中，将该三个转速传感器优选地设置在旋转机器部件5的横截面上，不过，也可以将它们在纵截面上、相对于所示图优选地按进入绘图面的方向相互设置。如果旋转机器部件5例如按旋转方向9运动，则轮齿7经过转速传感器10并在那里感应出例如电压脉冲。

转速传感器10的输出信号11接入到装置1的一个分别对应的信号输入端13。如果转速传感器10的输出信号11是电压脉冲，则这些信号输入端优选地构成脉冲输入端。

信号输入端13与计算单元20连接。该计算单元20可以包括一个时间发生器22，以便可以对在特定时间内经过每一个转速传感器10的轮齿7的数目进行计数。然后，根据在一个时间段中分别计数的轮齿的数目，可以通过计算单元20按照简单的方式确定当前的转速。在所有三个转速传感器10以及相应的输出信号11没有问题的情况下，对一个输出信号11进行分析就足够了。

如果转速传感器10的输出信号11之一有问题，则在一个时间段期间针对有问题的转速传感器所计数的轮齿的数目，与由另外两个转速传感器在同一时间段中采集的相应数目不同。因此，为了确定一个转速传感器可能出现的错误，借助于计算单元20对在信号输入端13上出现的信号进行比较。如果一个输出信号11与其它两个输出信号发生偏差，则不将前者用于确定转速。由此，可以借助于本发明的装置1确定并容许一个转速传感器的故障，而不会由于这种故障威胁到对转速的正确计算。

此外，计算单元20优选地还具有存储器23，在其中可以存储所计算的转速的历史值。如果还一起存储了相应测量时刻的历史转速值，使得已知至少两个存储的历史值之间的时间间隔或者当前转速值与至少一个历史存储的转速值之间的时间间隔，则通过比较至少两个这样历史值或者通过比较当前计算的转速值与至少一个存储的历史转速值，可以借助于计算单元20按照简单的方式确定转速在时间上的变化。为此所需要的时间信号例如可以由时间发生器22提供，并连同待存储的转速值一起存放在存储器23中。

转速在时间上的变化可以由计算单元20借助于信号输出端29输出。转速在时间上的变化是一种关于旋转机器部件5是否处于稳定运行状态或者是否需要对运行进行干预的度量。

此外，还可以预定并例如在存储器23中存储转速在时间上的最大变化。如果计算单元20确定，转速在时间上的最大变化被超过，即在信号输出端29上出现的值超过了该预定的最大值，则可以借助于信号输出端27对该超出进行提示，例如通过一个数字信号进行提示。

本发明的装置1的其它重要的组成部分是至少两个信号输出端25，借助于它们可以输出由计算单元20计算的转速。

在此，在至少两个信号输出端25的第一信号输出端251上存在由计算单元20计算的、分别是每种运行情况下的当前转速作为输出信号、；反之，从至少两个信号输出端25的第二信号输出端252仅仅输出这样的当前转速，即其处于可以由旋转机器部件5实现的所有可能转速范围的一个子范围中。

优选地，该子范围包括额定转速，旋转机器部件5就是针对该额定转速设计的。

因此，第二信号输出端252与第一信号输出端251相比具有一个可用于有限表示转速的输出的输出值范围。

不过，由于可以表示当前输出信号值的精度取决于通过信号输出端表示的范围的大小，因此对于由第二信号输出端252表示的、与第一信号输出端251相比有限的输出范围来说，第二信号输出端252总的来说具有更高的精度。

例如，在数字计算机中公知的是利用16比特对模拟值进行编码。在此，借助于该示例地提到的16比特是对0和10之间的小的数值范围还是对0和100000之间的极大的数值范围进行编码，就编码值的精度而言具有极大的差别。在第一种情况下给出的量化步长在数量上要比在第二种情况下给出的量化步长小一些，从而在第一种情况下的编码值具有比在第二种情况下的编码值更高的精度。

在本发明的装置中利用了，通过将借助于第二信号输出端252表示的转速范围与第一信号输出端251所表示的转速范围相比进行限制，实现了借助于第二信号输出端252输出的转速值的更高精度；由第二信号输出端252输出的转速值由于其高精度例如可以用于借助涡轮调节器精确和/或迅速地进行涡轮机调节。

图2示出了另一个用于确定旋转机器部件的转速的、按照本发明的装置的简图。

该用于确定旋转机器部件的转速的装置包括至少一个输入信号变换器30，该变换器至少与三个转速传感器32之一以及处理器34连接，该处理器在一个输出端40上产生实测转速，而在另一个输出端50上仅仅产生其值处于预定转速范围内的实测转速；在第三输出端60上产生临时转速变化，在第四输出端70上产生关于超出预定的临时转速变化的信号。

该用于确定旋转机器部件的转速的装置如下所述起作用。

处理器30是这样实施的，其可以根据在其存储器中加载的程序起作用，并用于传输根据来自至少三个转速传感器的信号的实测转速以及关于其变化趋势的信号。

至少一个转速传感器32的输出信号按脉冲信号的形式出现，处理器将该脉冲信号用于计算旋转机器部件的实测转速、也就是其值处于预定转速范围内的转速。该功能可以借助于一个双阈值装置实施，该双阈值装置仅仅允许处在两个阈值之间的信号输出。这些信号与第一输出端40相比表示了一个具有更高比例的有限范围。

因为可以用来表示输出信号实测值的精度取决于该范围的宽度，因此第二信号输出端50由于与第一输出端40相比的有限信号范围而具有更高的精度。

处理器还计算临时的转速变化并将对应的值传输到所述装置的第三输出端60。

处理器还借助于阈值部件识别是否超出预定的最大临时转速变化，并通过第四数字输出端70传输对应的信号。

在输出端上的信号既可以按模拟信号也可以按数字信号的形式产生。

可以通过数据总线从该装置或者至该装置地传输所述装置的输出信号或者输出信号的一部分以及转速传感器的输出信号。

所提出的装置与已知的装置相比优点在于，前者可以检查输出信号之一是否有问题。

此外，该装置的一个输出端传输一个有限的转速范围，由此可以提高取决于待测量频率范围的宽度的测量精度，因为扫描时间(量化步长)更小。

该装置还传输一个关于转速改变的速度的信号，在超出所允许的值时对危险的情况进行提示。

总之，可以对根据图2的本发明的装置描述如下：

本发明的目的是这样来扩展所述装置的功能的可能性，即保证对转速改变的速度的测量，也就是对测量通道的状态进行诊断。

该装置是在处理器34的基础上实施的，该处理器可以根据在其存储器中加载的程序起作用，并且在输出端输出根据来自至少三个转速传感器的信号的实测转速以及关于其变化趋势的信号；该处理器还计算其值处于预定转速范围内的、旋转机器部件的实测转速。该功能可以借助于一个双阈值装置实施，该双阈值装置仅仅允许处在两个阈值之间的信号输出。这些信号与第一输出端40相比表示了一个具有更高比例的有限范围，即，与第一输出端40相比，这些信号由于有限的信号范围而具有更高的精度。

处理器还计算临时的转速变化并将对应的值传输到所述装置的第三输出端60。

处理器还借助于阈值部件识别是否超出预定的最大临时转速变化，并通过第四数字输出端70传输对应的信号。

Claims (16)

1.一种用于确定旋转机器部件(5)的转速的装置(1)，其特征在于，

·至少一个信号输入端(13)，其可以引入一个转速传感器(10)的输出信号(11)，

·计算单元(20)，借助于该计算单元可以从所述转速传感器(10)的输出信号(11)中至少计算旋转机器部件(5)的转速，和

·至少两个信号输出端(25)，用于输出由所述计算单元(20)计算的转速，其中，借助于该至少两个信号输出端(25)的第一输出端(251)可以输出各当前转速，而借助于该至少两个信号输出端(25)的第二输出端(252)仅仅可以输出其值包含在一个预定转速范围内的当前转速，该转速范围是旋转机器部件(5)的实际转速运行范围的一个真子集。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述转速传感器的输出信号(11)是脉冲信号，而所述信号输入端(13)是一个脉冲输入端，用于采集频率优选在60至3000Hz之间的数字脉冲。

3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)包括至少三个信号输入端(13)，这些输入端分别可以引入至少三个转速传感器(10)之一的输出信号(11)，并且借助于所述计算单元(20)可以确定一个输出信号(11)是否有问题。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(1)，其特征在于，借助于所述计算单元(20)可以计算转速在时间上的变化，并且借助于第三信号输出端(27)可以输出所计算的转速在时间上的变化。

5.根据权利要求4所述的装置(1)，其特征在于，借助于所述计算单元(20)可以检测是否超出预定的转速在时间上的最大变化，并且借助于第四信号输出端、特别是数字信号输出端(29)可以输出对应的输出信号。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(1)，其特征在于，借助于至少一个信号输出端(25，27，29)可以输出作为电压的各自所属的输出信号。

7.根据权利要求6所述的装置(1)，其特征在于，所述电压具有介于0伏特和10伏特之间的值。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述旋转机器部件(5)的实际转速运行范围包括、尤其是等于介于每分钟0转和每分钟4000转之间的范围。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)能够数字地和周期地处理积累的信号，其中，周期时间在大约4ms和10ms之间，特别是在6ms和8ms之间。

10.根据权利要求9所述的装置(1)，其特征在于，可以借助于数据总线从所述装置或者向所述装置传输所述信号输出端(25，27，29)的至少一部分输出和/或转速传感器的一部分输出信号(11)。

11.一种用于确定旋转机器部件的转速的装置，其包括一个连接在一个转速传感器(32)的输出端的输入信号变换器(30)，其中一个装置输出端用作实测转速的输出端(40)，其特征在于，所述装置包括一个处理器(34)，该处理器的输入端与至少一个输入信号变换器(30)的输出端连接，该处理器在装置的第二输出端(50)上产生这样的转速，即其值位于等于正常运行条件下的额定转速的涡轮机转速的一个预定范围内，其中，所述传感器的输出信号是脉冲信号，而所述处理器从输入信号变换器(30)的至少三个输出信号中确定有问题的信号。

12.根据权利要求11所述的用于确定旋转机器部件的转速的装置，其特征在于，其值处于预定涡轮机转速范围中的转速的输出(50)具有小于实测转速的输出(40)的量化步长。

13.根据权利要求11或12所述的用于确定旋转机器部件的转速的装置，其特征在于，所述处理器(34)另外在第三输出端(60)上产生一个关于临时转速变化的信号，并在第四输出端(70)上产生一个关于在该处理器的一个输出端上超出预定临时转速变化的信号。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的用于确定旋转机器部件的转速的装置，其特征在于，在所述处理器的输出端上按电压的形式产生信号。

15.根据权利要求11至13中任一项所述的用于确定旋转机器部件的转速的装置，其特征在于，在所述处理器的输出端上产生数字信号。

16.根据权利要求15所述的用于确定旋转机器部件的转速的装置，其特征在于，可以通过数据总线传输来自所述处理器输出端的至少一部分信号和/或转速传感器的一部分输出信号。

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