DD143825A1 - Anordnung zur messung von torsionsschwingungen an rotierenden wellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektronischen Meßtechnik. Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer einfachen und robusten Anordnung zur Messung von Torsionsschwingungen, Durch die Erfindung wird die Aufgabe der Entwicklung einer Meßanordnung.gelöst, mit der Torsionswinkeländerungen verursacht durch Torsionsschwingungen an rotierenden Wellen bei hoher Empfindlichkeit und in weiten Grenzen einstellbarem Meßbereich und ohne mitrotierende elektronische Einrichtungen gemessen werden können. Die Anordnung zur Messung von Torsionsschwingungen besteht aus zwei Meßwertgebersystemen, zu denen berührungslose Meßwertgeber und an zwei verschiedenen Stellen der Wellenachse befestigte Scheiben mit Marken gehören, und aus einer elektronischen Auswerteeinrichtung. Die Auswerteeinrichtung enthält eine Einheit, die eine zeitproportionale Ersatzgröße durch die Startimpulse des einen Meßwertgebersystems getriggert erzeugt. Eine andere Einheit mißt den Wert der Ersatzgröße durch die Meßimpulse des anderen MeßwertgeberSystems getriggert. Start- und Meßvorgang werden wiederholt. Eine zwischengeschaltete Untersetzereinheit ermöglicht die Einstellung einer großen Zahl, von Meßbereichen in feinen Stufen. Die Anordnung kann an rotierenden Maschinenwellen, insbesondere an Kraftwerksturbinen, eingesetzt werden, ~ Fig.2 -

Description

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Titel der- Erf indung ·.

Anordnung zur Messung von Torsionsschwingungen an rotieren- " den Wellen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektronischen Meßtechnik. Sie cpent zur Messung von Torsionsschwingungen, die in rotierenden Wellen auftreten. Insbesondere können damit-Torsi ons schwingung en im Wellenstrang von Kraftwerksturbinen geraessen v/erden.

Charakteristik der bekannten technischen lösungen

Bekannt sind Einrichtungen, mit denen Drehmomente gemessen werden können. Dabei v/erden Paare von Dehnungsmeßstreifen verwendet, die gegeneinander unter einem Winkel von 90° und gegenüber der Wellenachse in einem Winkel von 45° auf der Welle aufgeklebt sind. Durch Brückenschaltungen mit elektronischen Verstärkereinrichtungen werden elektrische Signale gewonnen, die den Drehmomenten proportional sind. Elektronische Einrichtungen sind notwendig, die zusammen mit den Dehnungsmeßstreifen mit der Welle mitrotieren. Die Übertragung der Meßwerte nach außen erfolgt durch Telemetriemessungen (z.B. Böres, H.-J.: Energie 2£ (1:977) H. 12, 401-404. Telemetriemessungen von Wellentorsionsschwingungen an Turbosätzen), die aufwendige elektronische Verarbeitungs-, Sende-, Empfangs- und Stromversorgungseinrichtungen erfordern oder mit Hilfe von Schleifringen und Schleifbürsten (z.B. Glebov, I.A. u.a.: Elektricestvo, Moskva (1978) H. 2, 22-26. Drehmomente an der Welle eines Turbogenerators nach dem Abschalten "von Kurzschlüssen), was hinsichtlich von Störimpulsen.

problematisch und nur im laborbetrieb, praktikabel ist. Ein Hachteil der: bekannten Einrichtungen besteht darin, daß die Messung von TorsionswinkeIn nicht möglich ist· nachteilig ist weiter, daß der Meßbereich dieser Einrichtungen bezüglich der zu messenden Drehmomentänderungen, die die Torsions schwingungen repräsentieren, eingeschränkt wird. Eine Anpassung des Dynamikumfangs an verschiedene Meßsituationen ist nicht möglich. Elektronische Einrichtungen, die mit der Yielle mitrotieren, müssen extremen Bedingungen hinsichtlich · ihrer mechanischen und oft auch thermischen Stabilität sowie besonders bei Kraftwerksturbinen ihrer Langzeitzuverlässigkeit genügen, was ein dritter. Nachteil ist.

i .· Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer einfachen und robusten Anordnung zur Messung von Torsionsschwingungen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Unmöglichkeit der Messung von absoluten Torsionswinkelände rungeri der bekannten Meßeinrichtungen kommt dadurch zustande, daß die Meßwertgeber einem einzigen Wellenquerschnitt senkrecht zur Wellenachse zugeordnet sind. Damit wird das Drehmoment meßbar, das aber den Torsionsschwingungen als statischer Anteil überlagert ist und daher den durch, die Meßeinrichtung bestimmten Meßbereich, der für die Torsionsschwingungsmessung in Form der Änderungen des Drehmoments übrigbleibt, einschränkt. Die Verwendung von Dehnungsmeßstreifen als Meßwertgeber verursacht weiter die Notwendigkeit elektronische Auswerteeinrichtungen zu verwenden, die mitrotieren müssen. .

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung einer Meßanordnung, mit der Torsionswinkeländerungen, die durch Torsionsschwingungen verursacht werden, an rotierenden Wellen gemessen werden können, wobei der Torsionswinkelmeßbereich ohne Einschränkung des Dynaniikumfangs in weiten Grenzen und in feinen Stufen einstellbar sein soll und die Lösung weiter ohne mitrotierende elektronische Einrichtungen auskommen soll.

Die Erfindung besitzt folgende Merkmale: An zv/ei verschiedenen Stellen der Wellen achse sind zwei gleiche Meßwertgebersysteme angeordnet. Diese "bestehen aus berührungslosen Meßwertgebern und aus Scheiben, die senkrecht zur Wellenachse auf dem Wellenumfang befestigt sind und in äquidistanten Winkelabständen eine ganze Zahl von Marken tragen. Für jedes der Meßwertgebersysteme werden zwei berührungslose Meßwertgeber eingesetzt. Die Ausgänge der Meßwertgeber werden auf die Eingänge von Untersetzerschaltungen geführt, deren Anfangszustände frei wählbar sind. Die Ausgänge der Untersetzerschaltungen und je ein Ausgang jedes Meßwertgebersystems sind mit den Eingängen von Weichenschaltungen, die umgesteuert werden können, verbunden. Der Ausgang der einen Weichenschaltung ist auf den Eingang einer Schaltung geführt, die eine zeitproportionale Ersatzgröße erzeugt. Der Ausgang der zweiten Weichenschaltung.liegt am Eingang einer Yerzögerungseinrichtung, deren Ausgang auf eine Baugruppe geschaltet ist, die mit der Schaltung zur Erzeugung der Ersatzgröße verbunden ist und die die Ersatzgröße mißt und deren Ausgang der Ausgang der erfindungsmäßigeh Torsionsschwingungsmeßeinrichtung ist.

Die erfindungsmäßige Anordnung hat folgende Punktionsweise: Dreht sich die Welle, v/erden durch die berührungslos en Meßwertgeber jedes der beiden Meßwertgebersysteme pro Wellenumlauf so viele Taktimpulse erzeugt, wie die Scheibe Marken trägt, und dazu ein ITuIl impuls, der eine willkürlich gewählte Fullwinkellage des zugeordneten Wellenquerschnitts charakterisiert. Die Frequenz der Taktimpulse wird in den Untersetzerschaltungen untersetzt. Durch die Weichenschaltungen wird durch einen Schalter wählbar der Taktimpuls selbst oder ein untersetzter Taktimpuls übertragen. Der Ausgangsimpuls der ersten Weichenschaltung, der Startimpuls genannt werden soll, triggert die Erzeugung einer Ersatzgröße für den Torsionswinkei. 17ach; einer Verzögerung, die nützlich sein kann, wird der Ausgangsimpuls der zweiten Weichenschaltung, der als Meßimpuls bezeichnet werden soll, verwendet, um die Messung der Ersatzgröße für den Torsions-

winkel auszulösen. Am Ausgang der Baiogruppe, die die Ersatzgröße mißt, erscheint dann ein Äquivalent, des Torsionswinkels des zweiten Wellenquerschnitts gegenüber- dem ersten Wellenquerschnitt. Dieser Meßvorgang wird durch die Start- und Meßimpulse gesteuert wiederholt. Die Ersatzgröße wird dabei nach Erreichen eines vorgegebenen Endzustandes oder insbesondere auch unmittelbar vor dem nächsten Startimpuls auf ihren Ausgangszustand zur Vorbereitung des jeweils nächsten Meßzyklus zurückgeführt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden« In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Figur 1 : Impulsgewinnungssystem

Figur 2r' Blockschaltbild der elektronischen Auswerteei-n- ; richtung

Figur 3: Prinzipschaltbild des triggerbaren Sägezahngenerators

Figur 4: Sägezahnspannung bei unterschiedlicherAnstiegsgeschwindigkeit

In der Figur 1 ist die Yielle 1 schematisch mit zwei daran, befestigten Schlitzscheiben 2 und 3 dargestellt. Jede Schlitzscheibe trägt zwei Schlitzringe. In dem einen Ring befindet sich in äquidistanten Abständen eine ganze Zahl von Schlitzen. Dabei ist eine Zahl von Schlitzen aus der Reihe 2ⁿ, mit η als ganzer Zahl, besonders vorteilhaft. Der zweite Ring trägt nur einen Schlitz. Die Meßwertgeber 4 und 5 enthalten je zwei berührungslose Heßwertgeber, wobei optoelektronische Meßwertgeber, die im Durchlichtverfahren mit Gleichlicht arbeiten, günstig hinsichtlich, der erreichbaren Genauigkeiten besonders bei hohen Frequenzen sind. Diese beiden Meßwertgeber haben die Ausgänge 8 und. 9, die pro Ytiellenumlauf nur einen Impuls führen, und die Ausgänge 6 und 7, die pro Wellenumlauf eine ganze Zahl· von Taktimpulsen, vorteilhaft aus der Reihe 2ⁿ, liefern

Als Untersetzerschaltungen werden im Ausführungsbeispiel,

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dessen Blockschaltbild der elektronischen Auswerteeinrichtung in Figur 2 dargestellt ist, digitale Zähler 15 und t6 verwendet, die im Falle von 2^er Taktimpulsen pro Wellenumlauf je η Flip-Flops enthalten. Damit wird eine Frequenzuntersetzung in η Stufen jeweils um den Faktor 2 möglich, so daß; .eine relativ feine Meßbereichestufung gegeben ist, was einer· genauen Messung entgegenkommt, und der Meßbereich ist in weiten Grenzen einstellbar. Durch die Schalter 17 und 18 können die Anfangszustände vorgewählt werden, auf die beim Erscheinen der UuIlimpulse an den Eingängen 8 bzv/. 9 die Zähler 15 bzw. 16 gesetzt werden. Dadurch v/erden unter den durch die Schlitzscheibe vorbestimmten festen Winkellagen die Winkellagen, die als Ausgangspunkt eines I&eßintervalls dienen, ausgewählt und außerdem wird eine relative Verschiebung des Meßimpulses gegenüber dem Startimpuls in diskreten Stufen der Taktimpulsdauer möglich. Die als Digitalschaltungen realisierten Weichen 13 bzw. 14 gestatten durch den Schalter 19 gesteuert entweder den Taktimpuls von den Eingängen 6 bzw. 7 oder einen frequenzuntersetzten Taktimpuls zu übertragen. Die Frequenzuntersetzung v/ird dabei in beiden Kanälen gleich gev/ählt. ' Der Vorteil von 2ⁿ Taktimpulsen pro Wellenumlauf besteht darin, daß bei der· digitalen Frequenzuntersetzung um jeweils den Faktor 2 für alle möglichen Untersetzungen eine ganze Zahl von Start- bzw. Meßimpulsperioden pro Wellenumlauf erreicht wird. Verwendet man eine andere Zahl als 2 für die Zahl der Taktimpulse, empfiehlt sich ergänzend das Hullsetzen der^: Zähler 15 und 16 entweder mit dem Nullimpuls am Eingang 8 oder mit dem ITullimpuls am Eingang 9 durchzuführen und durch eine Torschaltung mindestens zwei Meßimpulse unmittelbar nach, dem Nullsetzvorgang auszublenden, um die sonst entstehenden Fehlmessungen zu vermeiden.

Die Schaltung zur Erzeugung einer zeitproportionalen Ersatz,-größe wird vorteilhaft mit sehr geringem Aufwand und guter Linearität als triggerbarer Sägezahngenerator 10 realisiert. Das Prinzip dieser- Schaltung kann aus Figur 3 ersehen werden. Eint Operationsverstärker 23, dessen nichtinvertierender Eingang auf Masse liegt, wird durch einen einstellbaren Kon-

stantstrom der Konstantstromquelle 28, der in den Knotenpunkt am invertierenden Eingang eingespeist wird, ausgesteuert. Der Kondensator 22 im Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers 23 bewirkt einen zeitlinearen Spannungsanstieg am Ausgang des Operationsverstärkers 23. Der* Komparator 24 stellt bei Überschreiten eines gewissen positiven am Komparator 24 einstellbaren Spannungspegels den Flip-Flop 25, der den Kurzschlußschalter 2:1 schließt und damit den Rücklauf der- Ausgangs spannung des Operationsverstärkers 2:3, die als Ersatzgröße dient, einleitet. Ein neuer Taktimpuls am Eingang 26, der als Startirapuls dient, stellt den Flip-Flop 25 nach einer kurzen Erholzeit wieder zurück, so daß der Prozeß wiederholt wird. Die dabei entstehende Sägezahnspannung ist in Figur 4a dargestellt. Die Erholzeit ist vorteilhaft, um einen vollständigen Iiadungs ausgleich, und damit gleiche Anfangsbedingungen für jeden neuen Startimpuls zu erreichen. Durch die Y/ahl des Kondensators 22 und des Konstantstroms der Konstantstromquelle 28 wird die Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspan- nung des Operationsverstärkers 23 festgelegt. Durch Einstellen dieser beiden Größen kann die Anstiegsgeschwindigkeit der Sägeζahnspannung über mehrere Dekaden variiert werden und so eine Anpassung des Meßbereichs an die Drehfrequenz der Welle erreicht werden.

Vorteilhaft kann es sein die Anstiegsgeschwindigkeit größer zu wählen, wie der Figur 4b zu entnehmen ist, so daß als Meßbereich mit dem linearen Anstieg des Sägezahns bis der am Komparator 24 eingestellte obere Schaltpunkt erreicht wird_s nur ein kleiner Bereich auftritt, was zur Verstärkung von sehr kleinen Torsionswinkeländerungen nützlich ist. In der Figur 4c ist schließlich der Fall angegeben, der auftritt, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der Sägezahnspannung so klein gewählt wird, daß die Referenzspannung des Komparators 24 innerhalb des Taktintervalls nicht erreicht wird. Bann: würde der- Sägezahn im nächsten Taktintervall die in Figur 4c gestrichelt gezeichnete Form annehmen. Besser ist es, dem untersetzten Taktimpuls am Eingang 2β die Priorität einzuräumen. Das heißt, daß der Taktimpuls am. Eingang 26 ein

Impuls mit einem kurzen Zeitabstand zwischen Vorder- und Rückflanke sein sollte, wobei dann die Vorderflanke den Rücklauf der Sägezahnspannung einleitet,' falls das durch das Aus- · gangssignal des !Comparators 24 noch nicht erfolgt ist, und die Rückflanke erst den neuen Sägezahnanstieg auslöst. Die so erhaltene Kurvenform der Sägezahnspannung ist in Figur 4c durchgezogen gezeichnet. Durch die Verzögerungseinheit 12 ('s. Figur 2) kann der Meßimpuls gegenüber dem Startimpuls ma eine einstellbare feste Zeit kontinuierlich verzögert werden. Die maximal einstellbare Verzögerungszeit sollte etwa so groß sein wie die Periodendauer der Taktimpulse an den Eingängen bzw. 7. Damit wird erreicht, daß die Hullinie der Torsionsschwingungsmessung innerhalb des Meßbereichs beliebig verschoben werden kann, so daß unabhängig vom statischen Drehmoment eine optimale liutzung des Meßbereichs ohne Einschränkung des Dynamikumfangs ermöglicht wird. Die Einstellung der Verzögerung sollte in feineren Schritten möglich sein, als der Rücklaufzeit des Sägezahns entspricht. Dann kann der Meßimpuls leicht auch auf den Anstiegsbereich der Sägezahnspannung bei überhöhter Anstiegsgeschwindigkeit (s. Figur 4b) ·· oder sogar auf die Rucklaufflanke der Sägezahnspannung verlegt werden, wobei eine zusätzliche Verstärkung des gemessenen Signals mit einer Phasenumkehr auftritt.

Die eigentliche Messung der als Ersatzgröße dienenden Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 23 (Figur 3), der Bestandteil des triggerbaren Sägezahngenerators 10 (Figur 2) ist, wird im Ausführungsbeispiel vorteilhaft durch ein Abtasthalteglied 11 (Figur 2) durchgeführt. Das Ausgangssignal am Ausgang 20 des Abtasthaltegliedes 11 stellt infolge der wiederholten Auslösung des Meßvorgangs durch den Startimpuls und durch die wiederholte Messung gesteuert durch den Meß- impuls eine treppenförmige Näherung des Torsionsschwingungssignals im Form der Torsionswinkeländerungen der beiden betrachteten Wellenquerschnitte dar.

Claims (2)

Brfindungsansprach " · ·

1. Anordnung zur Messung von Torsionsschwingungen an rotierenden Yfellen gekennzeichnet dadurch, daß an zwei verschiedenen Stellen der· Wellenachse je ein Meßwertgebersystem angebracht ist, das ans einer Scheibe, die senkrecht zur· Y/ellenachse auf dem Wellenumfang befestigt ist wid die in äquidistanten Winkelabständen auf einem Ring eine ganze Zahl von Marken und auf einem zweiten Ring nur eine Marke auf dem Wellenuinfang trägt, und zwei berührungslosen Meßwertgebern besteht, die einen Taktimpuls und einen Fullimpuls erzengen., und¹ daß die Taktimpulse Unterset zerschaltungen_f die durch Schalter gesteuerte und durch die Ifull impulse, in jedem Wellenumlauf einmal reproduzierte frei wählbare Anfangs zustände haben., zugeführt werden, wobei durjch nachfolgende Weichenschaltungen der· Untersetzungsfaktor der Frequenz der Impulse durch einen weiteren Schalter gesteuert bei gleichem Untersetzungsfaktor in beiden Kanälen gewählt werden kann, und daß der so im ersten Kanal erzeugte Startimpuls einer Schaltung zugeführt wird, die du.rch den Startimpuls getriggert die Erzeugung einer zeitproportionalen Ersatzgroße auslöst, die nach Erreichen eines Endzustandes oder insbesondere unmittelbar vor Beginn des nächsten Startprozesses rückgestellt wird, und daß' der im zweiten Kanal erzeugte Impuls, der in einer Verzögerungseinheit, die eine kontinuierlich einstellbare Verzögerungszeit hat, verzögert werden kann und als Meßimpuls die Messung der/ Ersatzgröße triggert, wobei der Meßwert die im Meßintervall zwischen zwei Startimpulsen erfolgte Änderung des Torsionswinkels zwischen den beiden betrachteten Wellenquerschnitten repräsentiert.

2» Anordnung nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß als zeitproportionale· Ersatzgröße eine Spannung verwendet wird, die insbesondere durch einen triggerbaren Sägezahngenerator vorteilhaft mit geringem Aufwand und guter Linearität mit einem Operationsverstärker erzeugt wird, der im Gegenkopplungszweig einen Kondensator parallel mit einem Kurzschluß-

schalter enthält, wobei in den Knotenpunkt am invertierenden Eingang ein einstellbarer Konstantstrom eingespeist wird, so daß eine Anpassung des Meßbereichs an mehrere Dekaden der Drehfrequenz der Welle oder- auch eine erhöhte Meßempfindlichkeit durch Einspeisung, eines größeren Konstantstroms möglich wird, und wobei ein Komparator bei Erreichen eines vorgegebenen Endwertes der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers einen Flip-Flop so stellt, daß dieser Flip-Flop den Kurzschltxßschalter· betätigt und der· Rücklauf der Sägezahnspannung eingeleitet wird, die eine kurze Erholzeit im unteren Wert der Sägezahnspannung verharrt, und wobei weiter der neue Anstieg der Sägezahnspannung durch Rücksetzen des Flip-Flops durch den Startimpuls getriggert wird, und daß die Messung der die Torsionsv/inkeländerung repräsentierenden Ersatzspannung durch ein Abtasthalteglied vorgenommen wird· Anordnung nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß 2¹¹ 'Taktimpulse pro Y/ellenumlauf verwendet v/erden, "wobei η eine ganze Zahl ist, und daß digitale Zähler aus η Flip— Flops als Untersetzerschaltungen und digitale V/eichen— schaltungen eingesetzt werden, wobei das Setzen der durch Schalter wählbaren Anfangszustände der beiden Zähler jeweils durch die beiden Fullimpulse erfolgt, so daß die Lage der Meßintervalle auf dem Y/ellenumfang und der Meßimpuls gegenüber dem St ar timpuls in 2¹¹ diskreten Schritten auf dem Wellenumfang eingestellt v/erden können«

Anordnung nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß eine Zahl von Taktimpulsen pro V/ellenumlauf verwendet wird, die ungleich 2ⁿ ist, wobei η eine ganze Zahl ist, und daß digitale Zähler aus η Flip-Flops als Untersetzerschaltungen und digitale V/eichenschaltungen eingesetzt werden, wobei die. Zähler in beiden Kanälen entweder durch den einen oder den anderen Uullimpuls auf die durch Schalter wählbaren Anfangszustände rückgestellt werden und insbesondere mindestens zwei dem Uullsetzvorgang folgende Meßimpulse durch eine Torschaltung ausgeblendet werden.

Anordnung nach Funkt 1 und Punkt 2 gekennzeichnet dadurch, daß eine Verzögerungseinheit verwendet wird, deren Ein— Stellbereich für die Verzögerung der Meßimpulse gegenüber den Startimpulsen insbesondere mindestens gleich der T'aktperiodendauer ist und deren Verzögerungszeit in so feinen Schritten kontinuierlich einstellbar ist, daß. der Meßimpuls auch auf die Rückflanke' der als Ersatzgröße fungierenden Spannung gestellt werden kann.