DD237448A3

DD237448A3 - Elektromechanischer wirbelstrom-messwandler zur messung mechanischer groessen

Info

Publication number: DD237448A3
Application number: DD27003584A
Authority: DD
Inventors: Hans-Jochen Hage; Stefan Kadner
Original assignee: Robotron Elektronik
Priority date: 1984-11-29
Filing date: 1984-11-29
Publication date: 1986-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wirbelstrom-Messwandler zur Messung mechanischer Groessen, insbesondere von Verrueckung, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft und Druck. Ziel der Erfindung ist insbesondere, Linearitaets- und Temperaturfehler zu verringern, das Messaufloesungsvermoegen zu erhoehen und die Anfaelligkeit gegenueber aeusseren Stoereinfluessen zu verringern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Wirbelstrom-Messwandler mit veraendertem Aufbau zu schaffen. Erfindungsgemaess ist der eine Anschluss zweier, von einem HF-Stromgenerator gespeister L-C-Parallelresonanzkreise ueber je einen Huellkurvendemodulator an den einen bzw. an den anderen Eingang eines Differenzverstaerkers gefuehrt, dem ein Filter zur einfachen und zweifachen zeitbezogenen Differentation bzw. Integration nachgeschaltet sein kann. Jeder L-C-Parallelresonanzkreis ist mit einem elektrisch leitenden Gebilde, beispielsweise einem Messobjekt bzw. einer Metallplatte, wirbelstromverkoppelt. Anwendungsbeispiele: Messung des Axialschlages rotierender Aluminium-Schichttraegerplatten fuer magnetomotorische Plattenspeicher, Absolutmessung von Kraeften und Bewegungsgroessen sowie Relativmessung von Bewegungsgroessen an Maschinen, Industrierobotern und Gebaeudeteilen. Fig. 1

Description

Elektromechanischen Wirbelstrom-Meßwandler zur Messung mechanischer Größen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektromechanischen Meßtechnik, in dem Meßwandler zur elektrischen Messung mechanischer Größen zum Einsatz gelangen. Derartige Meßwandler sind insbesondere zur Messung der mechanischen Größen Verrückung, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft und Druck erforderlich und beispielsweise zur Ermittlung des Axialschlages rotierender Aluminium-Schichtträgerplatten für magnetomotorische Plattenspeicher, zur Absolut me s sung von Erschütterungen und dgl. an Maschinen, Gebäuden und anderen Objekten sowie in Industrierobotern anwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Aus der Fülle der in der Literatur beschriebenen Meßwandlerprinzipien sind die für die Erfindung relevanten berührungslosen Wegmeßwandler zu betrachten. Hierunter fallen u. a. solche Verfahren, die die Beeinflussung elektrischer und magnetischer Felder ausnutzen, also kapazitive, induktive und auf dem Wirbelstromeffekt beruhende Wandlerprinzipien.

Berührungslose Wirbelstrom-Meßwandler wurden eingeführt, weil kapazitive wegen der unzureichenden Stabilität des Dielektrikums und induktive wegen des hohen Aufwandes hinsichtlich der phasenrichtigen Trägerfrequenz-Gleichrichtung bei zusätzlich niedrigerer oberer Frequenzgrenze den Ansprüchen bezüglich Stabilität und Kosten nicht mehr gerecht wurden.

20.1.86- 316321

Bekanntgeworden sind berührungslose Wirbelstrom-Relativ-Wegmeßwandler, die vor allem bei der Überwachung des Lagerspiels von Turbinenrotoren als Meßwandler nach dem Ausschlagverfahren eingesetzt werden. Dieser Anwendungsfall hat den großen Meßeffekt des Wirbelstrom-Relativ-Wegmeßwandlers bekannt gemacht. Trotzdem erfolgen weitere Anwendungen nur zögernd. Hierfür dürfte eine der Hauptursachen darin bestehen, daß die bekanntgewordenen Wirbelstrom-Relativ -Wegmeßwandler hinsichtlich Linearitäts- und Temperaturfehler zu große Werte bzw. hinsichtlich ihrer Korrektur zu großen Auswand verursachen.

Weitere Nachteile derartiger Meßwandler sind ihr relativ geringes Meßauf lösungsvermö. gen und ihre Anfälligkeit gegenüber äußeren Störeinflüssen, wie Magnetfeldern,Schalldruck und anderes.

Die vorgenannten Wirbelstrom-Relativ-Wegmeßwandler sind in der Druckschrift der Firma Schenck, Darmstadt, BRD "Höhere Betriebssicherheit, Verminderung der Stillstandszeiten und höhere Lebensdauer von Maschinen durch Schwingungsmessungen, Teil Λ, 198 2" beschrieben, Hierbei erzeugt ein Oszillator ein hochfrequentes Trägersignal, das in der Meßspule des Wirbelstrom-Relativ-Wegmeßwandlers ein elektromagnetisches Feld induziert. Das berührungslos benachbarte Meßobjekt bewirkt eine Wirbelstrombedämpfung der Meßspule, aus welcher der Abstand des Meßobjektes von der Meßspule abgeleitet wird.

Der beschriebene Wirbelstrom-Relativ-Wegmeßwandler ermittelt Verrückungen des Meßobjektes gegenüber der Meßspule. Die Messung weiterer mechanischer Größen, wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft und Druck ist hiermit nicht möglich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen elektromechanischen Wirbelstrom-Meßwandler mit geringen Linearitäts- und Temperaturfehlern, erhöhtem Meßauflösungsvermägen und geringer Anfälligkeit gegenüber

äußeren Störeinflüssen zu schaffen sowie seine Anwendbarkeit auf die Messung mehrerer mechanischer Größen zu erweitern.

. . .

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanisehen ¥irbelstrom-Meßwandler mit verändertem elektrischen Aufbau zu schaffen.

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wirbelstrom-Meßwandler mit einem ersten L-C-Parallelresonanzkreis, dessen Meßspule mit einem berührungslos benachbarten elektrisch leitenden Gebilde wirbelstromverkoppelt ist, wobei der eine Anschluß des L-C-Parallelresonanzkreises an einem ersten Ausgang eines HF-Stromgenerators angeschlossen ist und der andere Anschluß des L—C-Parallelresonanzkreises Massepotential führt, und mit einem ersten Hüllkurvendemodulator, dessen Eingang mit dem ersten Ausgang des HF-Stromgenerators in Verbindung steht. Des weiteren ist der eine Anschluß eines zweiten L—C-Parallelresonanzkreises an einem zweiten Ausgang des HF-Stromgenerators angeschaltet, wobei der andere Anschluß des zwei ten L-C-ParalleIre sonanzkreises Massepotantial führt und die Meßspule des zweiten L-C-Parallelresonanzkreises mit dem genannten oder einem weiteren berührungslos benachbarten elektrisch leitenden Gebilde wirbelstromverkoppelt ist. An dem zweiten Ausgang des HF-Stromgenerators ist zudem der Eingang eines zweiten Hüllkurvendemodulators angeschlossen.

Erfindungsgemäß ist der Ausgang des ersten Hüllkurvendemodulators an den einen. Eingang eines·Differenzverstärkers und der Ausgang des zweiten Hüllkurvendemodulators an den anderen Eingang des Differenzverstärkers geführt.

Mit dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Wirbelstrom-Meßwandler können die mechanischen Größen Relätivverrückung, Kraft, Druck und Absolutbeschleunigung gemessen werden.

Zur 2»iessung der mechanischen Größen Relativgeschwindigkeit und Relativbeschleunigung ist an dem Ausgang des Differenzverstärkers der Eingang eines Filters angeschaltet, an dessen beiden Ausgängen

das einfach bzw. zweifach, zeitbezogen differenzierte Filtereingangssignal zur Verfügung steht.

Zur unmittelbaren berührungslosen Messung mechanischer Größen an einem Meßobjekt ist dieses wie an sich bekannt als elektrisch leitendes Gebilde der Meßspule des ersten L-C-Parallelresonanzkreises zugeordnet. Hierbei ist zweckmäßig der Meßspule des zweiten L-C-Parallelresonanzkreises als weiteres elektrisch leitendes Gebilde eine Metallplatte zugeordnet, die mittels eines kalibrierten mechanischen oder elektromechanischen Stellers im Abstand zur Meßspule verstellbar ist, um den Grundabstand des Meßobjektes von der Meßspule des ersten L-C-Parallelresonanzkreises kompensieren zu können.

Zur Messung der mechanischen Größe Absolutbeschleunigung ist als elektrisch leitendes Gebilde beiden Msßspulen eine gemeinsame, elastisch in einer Einspannstelle aufgehängte, mit einer seismischen Masse mechanisch verbundene Metallplatte zugeordnet, Hier-

bei ist zur Messung der mechanischen GrößenAbsolutgeschwxndigke'it und Absolutverrückung an dem Ausgang des Differenzverstär— kers der Eingang eines Filters angeschaltet, an dessen beiden Ausgängen das einfach bzw. zweifach zeitbezogen integrierte Filtereingangs signal zur Verfügung steht. -

¥ird mit der vorgenannten gemeinsamen Metallplatte an Stelle der seismischen Masse ein Tastelement mechanisch verbunden, dann lassen sich die in das Tastelement eingeleiteten mechanischen Größen Relativverrückung, Kraft, Druck, Relativgeschwindigkeit und Relativbeschleunigung messen.

Die ¥irkungsweise des erfindungsgemäßen Wirbelstrom-Meßwandlers ist folgende: '.

Beide L-C-Parallelresonanzkreise sind auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt, Sie sind mit einem parallel liegenden Verlustwiderstand behaftet, dessen Größe sich aus dem Grad der "Wirbels tromverkopplung mit dem zugeordneten elektrisch leitenden Ge-

bilde ergibt. Der die Resonanzkreise speisende HF-Stromgenerator schwingt mit Resonanzfrequenz oder mit einer Frequenz, die in der -Halle der Resonanzfrequenz der Resonanzkreise liegt. Die Schwingfrequenz des HF-Stromgenerators beträgt jedoch vorzugsweise 75 bis 95 4> der Resonanzfrequenz der Resonanzkreise, da hierdurch, wie

' · . . .

gefunden wurde, über einen breiten Bereich ein linearer Zusaminenhang zwischen dem jeweiligen Ausgangssignal des Wirbelstrom-Meßwandlers und der zu messenden mechanischen Größe gewährleistet wird.

Die beiden Ausgänge des HF-Stromgenerators sind gegenseitig entkoppelt und stellen jeweils einen vorzugsweise gleich großen Strom bereit, der am Verlustwiderstand des jeweiligen L—C—Parallelresonanzkreises einen HF-Spannungsabfall bewirkt, der mittels des zugeordneten Hüllkurvendemodulators gleichgerichtet wird. Der Differenzverstärker verstärkt die Differenz der Ausgangssignale der beiden Hülllcurvendemodulatoren. Der Momentamvert des Ausgangs signals des Differenzverstärkers ist ein Maß für den Momentanwert einer Verrückung, einer Absolutbeschleunigung, einer Kraft oder eines Druckes. Die einfach und die zweifach zeitbezogene Differentation des AusgangsSignals des Differenzverstärkers, sofern dieses eine Verrückung repräsentiert, liefert folgerichtig ein Ausgangs signal, dessen Momentanwert ein Maß für den Momentanwert einer Geschwindigkeit bzw.,einer Beschleunigung ist. Repräsentiert das Ausgangssignal des Differenzverstärkers dagegen eine Absolutbeschleunigung, dann liefert dessen einfache zeitbezogene Integration ein geschwindigkeitsproportionales und dessen zweifache zeitbezogene Integration ein verrückungsproportionales Ausgangssignal.

Der erfindungsgemäße Wirbelstroin—Meßwandler zeichnet sich gegenüber den bekannten Wirbelstrom-Relativ-¥egmeßwandlern durch geringere Linearitäts- und Temperaturfehler, ein erhöhtes Meßauflösungsvermögen und eine geringere Anfälligkeit gegenüber äußeren . Störeinflüssen, wie Magnetfeldern, Schalldruck und anderes, aus. Er ist zudem nicht nur zur Messung von Verrückungen, sondern auch zur Messung der mechanischen Größen Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft und Druck verwendbar.

Ausführungsbeispiel .

Die Erfindung soll nachstehend an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert -werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fi_gj 1: das Pfinzipschaltbild eines ¥irbelstrom-Meßwandlers zur Relativities sung der mechanischen Größen Verrückung, Geschwindigkeit und Beschleunigung

Fig. 2: das Prinzipschaltbild eines ¥irbelstrom-Meßwandlers zur Absolutniessung der mechanischen Größe Beschleunigung

Fig. 3: das Prinzipschaltbild eines Wirbelstrom-Meßwandlers zur Relativmessung der mechanischen Größe Verrückung.

Die nachstehenden Ausführungen beziehen sich zunächst auf Fig.

Der Meßspule L1, die mittels der Kapazität C1 zu einem ersten Parallelresonanzkreis ergänzt wurde, ist berührungslos das metallische Meßobjekt MO, im Ausführungsbeispiel eine Aluminium— Schichtträgerplatte für magnetomotörische Plattenspeicher, zugeordnet. Die Meßspule L2 und die zugehörige Kapazität C2 sind zu einem zweiten Parallelresonanzkreis verschaltet. Der Meßspule L2 ist berührungslos die Metallplatte MP1 zugeordnet, deren Abstand zur Meßspule L2 mittels eines nicht dargestellten kalibrierten mechanischen Stellers veränderbar ist. Der eine Anschluß der Parallelresonanzkreise ist über je einen Hüllkurvendemodulator GR1 bzw. GR2 an den einen bzw. den anderen Eingang des Differenzverstärkers V geführt, an dessen Ausgang das Filter Fi angeschlossen ist. Der andere Anschluß der Parallelresonanzkreise liegt auf Massepotential. Der HF-Stromgenerator G speist über seine zwei entkoppelten Ausgänge beide Parallelresonanzkreise. Der vorstehend beschriebene ¥irbeIstrom-Meßwandler soll dazu dienen, den Axialschlag von rotierenden Aluminiumschichtträgerplatten für magnetische Plattenspeicher zu bestimmen. Die vorgenannten Meßobjekte MO wurden in Fig. 1 schematisch dargestellt. Der zu messende Ajcials,chlag entspricht in Fig. 1 der dort dargestellten Verrückung S1 des Meßobjektes MO gegenüber > der Meßspule L1. Eine Verrückung S1 = 0 entspricht dem Grund-

abstand des Meßobjektes MO von der Meßspule L1. Dieser Grundabstand ist, wie noch beschrieben wird, durch die entsprechende Verrückung S2 der Metallplatte MPI gegenüber der Meßspule L2 ; mittels des erwähnten kalibrierten Stellers kompensierbar.

Der Strom des HF-Stromgenerators erzeugt an den Eingängen der Hüllkurvendemodulatoren GR1 und GR2 eine HF-Spannung, deren Größe vom Abstand des metallischen Meßobjektes MO bzw. der Metallplatte MP 1 von der Meßspule L1 bzw. L2 abhängt. Je näher das Meßobjekt MO bzw. die Metallplatte MP1 der Meßspule Li bzw. L2 ist, umso größer ist der Grad der Wirbelstromverkopplung und umso kleiner sind damit der der Meßspule L1 bzw. L2 parallel liegende Verlustwiderstand und somit die an diesem abfallende HF-Spannung. Diese HF-Spannung wird durch den Hüllkurvendemodulator GR1 bzw. GR2 gleichgerichtet. Dabei sind die Zeitkonstanten der Hüllkurvendemodulatoren GR1; GR2 so.groß gewählt, daß die Ausgangsspannung u des Hüllkurvendemodulators GR1 nur der durch eine dynamische Verrückung S1 hervorgerufenen Schwankung der Amplitude' der HF-Spannung folgen kann und daß die Ausgangsspannungen U.J und u der Hüllkurvendemodulatoren GR1 bzw. GR2 keine HF-Anteile enthalten.

Zunächst sei angenommen, daß sich das Meßobjekt MO in Ruhe und im Grundabstand (Verrückung Sl = θ) zur Meßspule L1 befindet. Nun wird zur Kompensation des genannten Grundabstandes die Verrückung S2 der Metallplatte -MP1 so eingestellt, daß das Ausgangs signal χ. am Ausgang des Differenzverstärkers V zu Null wird. Sobald statisch oder dynamisch eine Verrückung S1 des Meßobjektes MO auftritt, tritt ein Ausgangssignal χ auf, dessen Größe und Vorzeichen ein Maß für die Größe und' Richtung der Verrückung S1 des Meßobjektes MO ist. Das am unteren Ausgang des Filters Fi entnehmbare Ausgangssignal χ ergibt sich aus der einfach zeitbezo-

genen Differentation des Ausgangssignals χ und stellt damit ein Maß für die Geschwindigkeit der Verrückung S1 dar, Das am oberen Ausgang des Filters Fi entnehmbare Ausgangesignal χ ergibt sich

el

aus der.zweifach zeitbezogenen' Differentation des Ausgangssignals ^Xs ^*¹¹^ stellt damit;,ein Maß für die Beschleunigung dar, die bei der Verrückung S1 auftritt.

Im vorstehenden Ausführungsbeispiel beträgt die Resonanzfrequenz der beiden Parallelresonanzkreise 1800 kHz und die Schwingfrequenz des HF-Stromgenerators G I65O kHz. Mit diesen Werten wird bei einem Grundabstand des Meßobjektes MO von der Meßspule L1 von 1,3 ram in einem Bereich von 0,8 bis 1,8 mm ein linearer Zusammenhang zwischen den AusgangsSignalen χ ; χ ; χ und der je-

a ν s

weils zu messenden mechanischen Größe gewährleistet.

Der nachstehend beschriebene Wirbelstrom-Meßwandler gem. Fig. 2 stellt hinsichtlich der Verkopplung von Eingangsgröße χ und Ausgangssignal X ein Tiefpaßsystem mit Resonanz dar und wird des-

a

halb zur Messung der Absolutbeschleunigung der Einspannstelle E angewendet, Er unterscheidet sich von dem Wirbelstrom-Meßwandler nach Fig. 1 im mechanischen Aufbau. An Stelle des Meßobjektes MO (Fig. 1) und der Metallplatte MP1 (Fig, T)' ist in Fig. 2 beiden Meßspulen L1; L2 eine gemeinsame, elastisch an der Einspannstelle E aufgehängte, mit einer seismischen Masse m· mechanisch verbundene Metallplatte MP2 zugeordnet. Hierbei wirkt auf die E.inspannsteile E die Eingangsgröße χ ein. die eine Absolutbe-

schleunigung darstellt und durch Auswertung des Ausgangssignals χ gemessen wird. Die Metallplatte MP 2 nähert sich bei Einwirkung

der .Eingangsgröße χ der einen Meßspule, z, B, L1, und entfernt

sich hierbei gleichermaßen von der anderen Meßspule, z. 3.' von L2. Hierdurch verringert sich die Ausgangsspannung des entsprechenden Hüllkurvendemodulators, im Beispiel die Ausgangsspannung u , und erhöht sich die Ausgangsspannung des anderen Hüllkurvendemodulators , im Beispiel die Ausgangsspannung u₂. Das mit der Differenz der Aus gangs s oanntuagen u, und u verknüpf te Ausgangssignal

.- 1 2

x ist de.r Eingangsbeschleunigung proportional, wenn deren Frea

quenz ausreichend klein ist gegen die Resonanzfrequenz der elastisch aufgehängten seismischen Masse ia. Im vorstehenden Ausführungsbeispiel beträgt die obere Grenze der Arbeitsfrequenz etwa ein Viertel der Resonanzfrequenz.

Aus dem Ausgangssignal χ kann in der bekannten Weise durch ein-

a .

beziehungsweise zweifache zeiiibezogene Integration ein. der Absolutgeschwindigkeit beziehungsweise der AbsοIutverrückung proportionales Ausgangssignal abgeleitet werden.

Der nachstehend beschriebene, in Pig, 3 dargestellte Wirbelstrom-, ;5O Meßwandler kann beispielsweise in Werkzeugmaschinen und Industrie- *^" robotern Verwendung finden. Er unterscheidet sich von dem vorste- ^" hend beschriebenen Wirbelstrom-Meßwandler nach Fig. 2, darin, daß £*^ · an Stelle der seismischen Masse m (Fig. 2) ein mit der Metall- ** ^ platte MP2 mechanisch verbundenes Tastelement T vorgesehen ist, in das die zu messende Eingangsgröße χ eingeleitet wird. Der Be-

zugspunkt B wird gegenüber dem Tastelement T als in Ruhe befindlich betrachtet. Die Eingangsgröße χ stellt hierbei zum Bezugs-

e -, ..

punkt B eine Relatiwerrückung (bzw. eine Kraft oder einen Druck, die zur Relatiwerrückung führen) dar und wird durch Auswertung des Ausgangssignals χ gemessen. Aus der Ausgangsspannung χ '. s . ' . · , ^s

- kann entsprechend der in Fig. 1 angegebenen Anordnung durch einfache zeitbezogene Differentation die Relativgeschwindigkeit und durch zweifache zeitbezogene Differentation die Relativbeschleunigung des Tastelementes abgeleitet werden.

Ansonsten weisen Aufbau und Wirkungsweise der Wirbelstrom-Meßwandler nach Fig. 2 und 3 keine unterschiede auf.

Claims

Erf indungs ansprach

1. Elektromechanischer Wirbelstrom-Meßwandler zur Messung mechanischer Größen mit einem ersten L-C-Paralle!resonanzkreis, dessen Meßspule mit einem berührungslos benachbarten elektrisch leitenden Gebilde wirbelstronrverkoppelt ist, wobei der eine Anschluß des L-C-Parallelresonanzkreises an einem ersten Ausgang eines HF-Stromgenerators angeschlossen ist und der andere Anschluß des L-C-Parallelresonanzkreises Massepotential führt, mit einem ersten Hüllkurvendeniodulator, dessen Eingang mit dem ersten Ausgang des HF-Stromgenerators in Verbindung steht, mit einem zweiten L-C-Parällelresonanzkreis, dessen Meßspule mit dem genannten oder einem weiteren berührungslos benachbarten elektrisch leitenden Gebilde wirbelstromverkoppelt ist, wobei der eine Anschluß des zweiten L»C-Parallelresonanzkreises an einem zweiten Ausgang des HF-Stromgenerators angeschaltet ist und der andere Anschluß des zweiten L-C-Parallelresonanzkreises Massepotential führt, und mit einem zweiten Hüllkurv endemodula tor , dessen Eingang an dem zweiten Ausgang des HF-Stromgenerators angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, . daß der Ausgang des ersten Hüllkurvendemodulators (GR1) an den einen Eingang eines Differenzverstärkers (V) und der Ausgang des zweiten Hüllkurvendemodulators (GR2) an den anderen Eingang des Differenzverstärkers (v) geführt ist«
2..Elektromechanischer Wirbelstrora-Meßwandler nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ausgang des Differenzverstärkers (v) der Eingang eines Filters (Pi) angeschaltet ist, an dessen beiden Ausgängen das einfach bzw, zweifach zeitbezogen differenzierte Filtereingangssignal zur Verfügung steht.
3. Slektromechanischer Wirbelstrom-Meßwandler nach Punkt 1., dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ausgang des Differenzverstärkers (V) der Eingang eines Filters (Fi) angeschaltet ist, an dessen beiden Ausgängen das einfach bzw. zweifach zeitbezogen integrierte Filtereingangssignal zur Verfugung steht.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen