DE102014204986A1

DE102014204986A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Schwingungen

Info

Publication number: DE102014204986A1
Application number: DE102014204986.5A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Pleß; Michael Vieth; Roland Weiss; Fei Xie
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-09-24

Abstract

Vorrichtung zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen mit einer Sensorschaltung, die in einer Bewegungsrichtung der um einen Drehpunkt drehenden Maschinenelemente für Magnetfeldänderungen empfindlich ist und zu Spitzen der drehenden Maschinenelemente einen Messabstand aufweist, wobei die magnetoresistive Sensorschaltung an einem felderzeugenden Magneten vorgesehen ist, der ein Magnetfeld erzeugt, das in Richtung einer durch den Drehpunkt und die Sensorschaltung verlaufenden Symmetrieachse ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Schwingungen, insbesondere Torsionsschwingungen, bei Maschinenelementen.
Maschinenelemente von Maschinen, beispielsweise Turbinenschaufeln von Turbinen oder Zahnräder in einem Zahnradgetriebe, besitzen ein Eigenresonanzverhalten. Bei der Entwicklung von Maschinen, die Maschinenelemente enthalten, ist es wichtig, das Eigenresonanzverhalten der Maschinenelemente zu kennen. Liegen beispielsweise bei Turbinenschaufeln deren Eigenschwingungen zu nahe bei der Netzfrequenz oder zu nahe bei Vielfachen der Netzfrequenz, können sich mechanische Schwingungen aufschaukeln. Durch das Aufschaukeln der mechanischen Schwingungen kann es sogar zu einer Zerstörung der Turbinenschaufeln kommen. Darüber hinaus ist es wichtig, die spektrale Lage der Eigenresonanzen der Turbinenschaufeln bzw. Turbine zu kennen, um diesen Frequenzbereich beim An- und Abfahren der Turbine möglichst schnell zu durchfahren. Hierdurch kann eine unnötig starke Belastung der Turbine verhindert werden.
Zur Messung von Turbinenschaufelschwingungen wird üblicherweise ein sogenanntes Tip-Timing-Verfahren eingesetzt. Hierbei misst man den Zeitpunkt, zu dem die jeweilige Turbinenschaufel an einem Sensor vorbeigeführt wird und setzt diesen gemessenen Zeitpunkt in Relation zu einem aufgrund der Drehzahl zu erwartenden Zeitpunkt. Aus der Differenz zwischen dem gemessenen Zeitpunkt, an dem die Turbinenschaufel den Sensor in einem gewissen Abstand passiert, und dem aufgrund der Drehzahl erwarteten Zeitpunkt des Vorbeifliegens bzw. Passierens wird berechnet, mit welcher Frequenz und Amplitude die jeweilige Turbinenschaufel schwingt. Für die Erfassung der Position der Turbinenschaufel können unterschiedliche Sensoren eingesetzt werden. Üblicherweise werden zur Erfassung der Position der Turbinenschaufel optische Sensoren, induktive Sensoren oder Wirbelstromsensoren eingesetzt.
Optische Sensoren arbeiten nach dem Prinzip einer Reflexlichtschranke. Dabei wird Laserlicht auf eine Glasfaser gegeben, die das Laserlicht auf die Spitze einer Turbinenschaufel lenkt. Neben dieser Sendefaser befindet sich eine Empfangsfaser, die ein von der Schaufelspitze der Turbinenschaufel reflektiertes Licht auffängt und zu einer Empfangselektronik leitet, die das empfangene Licht in eine elektrische Spannung konvertiert und elektrisch verstärkt. Diese optische Sensoranordnung bietet eine vergleichsweise hohe Bandbreite und hohe Empfindlichkeit und kann in einem großen Temperaturbereich, wie sie beispielsweise in Gasturbinen auftreten, eingesetzt werden. Ein Nachteil einer optischen Sensoranordnung ist jedoch seine Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen, insbesondere gegenüber Öl, Staub und Wasserdampf. Aufgrund dieser Nachteile sind optische Sensoranordnungen beispielsweise nicht für Dampfturbinen sowie eine Dauerüberwachung geeignet. Darüber hinaus sind optische Sensoranordnungen relativ komplex und aufwendig.
Eine induktive Sensoranordnung ist im Vergleich zu einer optischen Sensoranordnung zwar deutlich robuster, insbesondere, wenn es um die Beeinflussung des erzeugten Sensorsignals durch häufig veränderliche Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, Staub oder Kondenswasser, geht, jedoch besteht ein Hauptnachteil einer induktiven Sensoranordnung in der erforderlichen Vormagnetisierung der zu untersuchenden Maschinenelemente, insbesondere der Turbinenschaufeln. Eine Vormagnetisierung ist relativ aufwendig, wobei darüber hinaus das Ergebnis schlecht vorhersagbar ist, da die Werkstoffe der Turbinenschaufeln auf mechanische Eigenschaften und nicht auf magnetische Eigenschaften hin optimiert sind.
Weiterhin werden zur Erfassung der Position von Maschinenelementen, insbesondere Turbinenschaufeln, Wirbelstromsensoren eingesetzt. Im Vergleich zu einer herkömmlichen optischen oder induktiven Sensoranordnung benötigt eine Wirbelstromsensoranordnung keine zusätzlichen Komponenten. Ein Wirbelstromsensor detektiert direkt den Abstand zwischen dem Maschinenelement bzw. der Turbinenschaufel und dem Sensor. Ähnlich wie ein induktiver Sensor ist ein Wirbelstromsensor relativ unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit, Staub und Kondenswasser. Ein Wirbelstromsensor hat jedoch den Nachteil, dass er nur bei geringen Messabständen von weniger als 5 mm eingesetzt werden kann. Turbinenschaufeln von größeren Kraftwerksturbinen besitzen jedoch einen Messabstand von über 10 mm, sodass die Messempfindlichkeit einer Wirbelstromsensoranordnung hier relativ gering ist. Ein weiterer großer Nachteil bei der Verwendung von Wirbelstromsensoren ist deren geringe Bandbreite. Diese Bandbreite beträgt in der Regel nicht mehr als 20 kHz und ist damit zu gering für die Messung einer mechanischen Schwingung bei einem Maschinenelement, beispielsweise einer Turbinenschaufel. Weiterhin lassen sich Wirbelstromsensoren bei großen Turbinendurchmessern nicht einsetzen, da eine Phase des anregenden Wirbelstromes zum Zeitpunkt, zu dem die Turbinenschaufel an dem Wirbelstromsensor vorbeifliegt bzw. diesen passiert, nicht vorhersagbar ist. Diese Sachlage trägt jedoch zu Zeitmessfehlern bei, die mindestens in der Größenordnung der Zeitperiode der Wirbelstromfrequenz liegen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und mit relativ geringem technischen Aufwand und auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen Schwingungen bei Maschinenelementen präzise messen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach eine Vorrichtung zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen mit einer magnetoresistiven Sensorschaltung, die in einer Bewegungsrichtung der um einen Drehpunkt drehenden Maschinenelemente für Magnetfeldänderungen empfindlich ist und zu Spitzen der drehenden Maschinenelemente einen Messabstand aufweist, wobei die magnetoresistive Sensorschaltung an einem felderzeugenden Magneten vorgesehen ist, der ein Magnetfeld erzeugt, das eine Feldkomponente in Richtung einer durch den Drehpunkt und die Sensorschaltung verlaufenden Symmetrieachse aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, dass sie von der Umgebung bzw. den Umgebungsbedingungen weitgehend unbeeinflusst Schwingungen bei Maschinenelementen genau misst.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass aufgrund des felderzeugenden Magneten keine Magnetisierung erforderlich ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass sie auch bei einem relativ großen Messabstand und für eine relativ große Bandbreite bis in den Megahertzbereich eingesetzt werden kann. Hierdurch sind auch größere Einbautoleranzen möglich.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass sie einen relativ einfachen Systemaufbau besitzt und somit eine relativ geringe Komplexität bei der Implementierung hat und wenige Einzelkomponenten aufweist. Hierdurch ist die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung während des Betriebes erhöht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet somit auch eine hohe Störsicherheit.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass sie auch während des laufenden Betriebs der Maschine eingesetzt werden kann, ohne dass zu untersuchende Maschinenelemente ausgebaut und wieder eingebaut werden müssen.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die magnetoresistive Sensorschaltung mindestens zwei zu der Symmetrieachse spiegelsymmetrisch angeordnete und in einem Abstand zueinander beabstandete magnetoresistive Sensorelemente auf.
Magnetoresistive Sensorelemente weisen ein geringes Rauschen auf. Darüber hinaus besitzen sie eine geringere Sensitivität gegenüber geometrischen Toleranzen. Weiterhin bieten magnetoresistive Sensorelemente den Vorteil, dass sie einen relativ großen Abstand zwischen dem Sensorelement und dem Messobjekt bzw. dem Maschinenelement erlauben.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Summiereinheit vorgesehen, welche die von den magnetoresistiven Sensorelementen der Sensorschaltung erzeugten Messsignale summiert und das gebildete Summensignal an eine Signalverarbeitungseinheit abgibt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Sensorschaltung vier magnetoresistive Sensorelemente auf, die in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet sind, welche als Summensignal eine Brückenspannung liefert, die proportional zu der Summe der magnetischen Felder an der linken und rechten Seite der Brückenschaltung ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die magnetoresistiven Sensorelemente der Sensorschaltung in einer Aufnahmenut des felderzeugenden Magneten vorgesehen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung verläuft die Aufnahmenut auf einer zu den drehenden Maschinenelementen zugewandten Seitenoberfläche des felderzeugenden Magneten quer zu der Bewegungsrichtung der drehenden Maschinenelemente.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Aufnahmenut dreieckförmig und verläuft spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Aufnahmenut rechteckförmig und verläuft spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Aufnahmenut kreissegmentförmig und verläuft spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die dreieckförmige Aufnahmenut zwei spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse einander gegenüberliegende schräg geneigte Nutoberflächen auf.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt der Neigungswinkel der schräg geneigten Nutoberfläche der dreieckförmigen Aufnahmenut relativ zu der Seitenoberfläche des felderzeugenden Magneten in einem Winkelbereich von 1 bis 10 Winkelgrad, vorzugsweise in einem Winkelbereich zwischen 2,5 und 5 Winkelgrad.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die magnetoresistive Sensorschaltung eine GMR-Sensorschaltung mit mindestens zwei Sensorelementen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die magnetoresistive Sensorschaltung eine TMR-Sensorschaltung mit mindestens zwei Sensorelementen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die magnetoresistive Sensorschaltung eine AMR-Sensorschaltung mit mindestens zwei Sensorelementen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Sensorelemente der GMR-Sensorschaltung oder der TMR-Sensorschaltung Spinventil-Sensorelemente.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die in der Aufnahmenut des felderzeugenden Magneten befindlichen Sensorelemente der Sensorschaltung in einer diamagnetischen oder paramagnetischen Vergussmasse verkapselt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die drehenden Maschinenelemente Schaufeln, insbesondere Turbinenschaufeln einer Dampfturbine.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die drehenden Maschinenelemente Zahnräder, insbesondere Zahnräder eines Zahnradgetriebes.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der felderzeugende Magnet ein Permanentmagnet.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der felderzeugende Magnet ein Elektromagnet.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Messung von Schwingungen mit den in Patentanspruch 15 angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zur Messung von Schwingungen, insbesondere Torsionsschwingungen, bei Maschinenelementen, die um einen Drehpunkt herum durch ein gleichförmiges Magnetfeld hindurch drehen mittels magnetoresistiver Sensorelemente, die in der Bewegungsrichtung der drehenden Maschinenelemente gegenüber Magnetfeldänderungen empfindlich sind.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen;
2 eine Detailansicht des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen;
3 ein Schaltdiagramm zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen;
4 eine Detailskizze zur Darstellung einer Sensoranordnung bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen;
5, 6, 7, 8, 9 Simulationsergebnisse zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen.
1 zeigt eine Skizze zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen. Man erkennt in 1 eine Maschine M, nämlich eine Dampfturbine, bei der sich Turbinenschaufeln T als Maschinenelemente um einen Drehpunkt drehen. Die Vorrichtung 1 enthält eine Sensorschaltung 2, die in einer Bewegungsrichtung der um den Drehpunkt herum drehenden Maschinenelemente bzw. Turbinenschaufeln T für Magnetfeldänderungen empfindlich ist. Die Sensorschaltung 2 ist zu den Spitzen der sich drehenden Maschinenelemente T in einem Messabstand A beabstandet, wie in 1 dargestellt. Die magnetoresistive Sensorschaltung 2 ist an einem felderzeugenden Magneten 3 vorgesehen, der ein Magnetfeld mit einer Feldkomponente erzeugt, die in Richtung einer durch den Drehpunkt und die Sensorschaltung 2 verlaufenden Symmetrieachse S ausgebildet ist. Wie man in 1 erkennen kann, bewegen sich die Turbinenschaufeln T in der x-Richtung bzw. der Bewegungsrichtung der Turbinenschaufeln T an der Sensorschaltung 2 vorbei. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Sensorschaltung 2 an bzw. auf der Oberfläche des felderzeugenden Magneten 3. Bei dem felderzeugenden Magneten 3 kann es sich bei einer möglichen Ausführungsform um einen Permanentmagneten handeln. Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist der felderzeugende Magnet 3 ein Elektromagnet. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der felderzeugende Magnet 3 ein zylinderförmiger Permanentmagnet, der eine Höhe H_M und einen Durchmesser D_M aufweist.
Die magnetoresistive Sensorschaltung 2 weist mindestens zwei zu der Symmetrieachse S spiegelsymmetrisch angeordnete magnetoresistive Sensorelemente 2A, 2B auf, wie in 1 dargestellt. Die beiden magnetoresistiven Sensorelemente 2A, 2B weisen zueinander einen Abstand B_s auf und sind symmetrisch zu der Symmetrieachse S angeordnet. Der Abstand zwischen den Sensorelementen B_s ist wesentlich kleiner als der Durchmesser D_M des Permanentmagneten 3: B_s << D_M. Bei einer möglichen Ausführungsform beträgt der Abstand B_s etwa 10 % des Durchmessers des Permanentmagneten 3: B_s ≈ 0,1·D_M.
Bei einer möglichen Ausführungsform ist der Durchmesser D_M des Permanentmagneten 3 größer als der doppelte Messabstand A zwischen der Sensorschaltung 2 und der Spitze der Turbinenschaufeln T: D_M ≥ 2·A.
Bei einer möglichen Ausführungsform entspricht die Höhe H_M des Permanentmagneten 3 mindestens dem halben Messabstand A: H_M ≥ 0,5 A.
Die magnetoresistiven Sensorelemente 2A, 2B der Sensorschaltung 2 sind bei einer möglichen Ausführungsform in einer Aufnahmenut 6 des felderzeugenden Magneten 3 vorgesehen. Dabei ist die Aufnahmenut 6 auf einer zu den drehenden Maschinenelementen bzw. Turbinenschaufeln T zugewandten Seitenoberfläche des felderzeugenden Magneten 3 quer zu der Bewegungsrichtung (x-Richtung) der drehenden Maschinenelemente T ausgerichtet. Die Aufnahmenut 6 kann dabei dreieckförmig, rechteckförmig oder kreissegmentförmig ausgebildet sein und verläuft spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse S. Bei einer möglichen Ausführungsform ist die magnetoresistive Sensorschaltung 2 eine GMR-Sensorschaltung, eine TMR-Sensorschaltung oder eine AMR-Sensorschaltung mit mindestens zwei magnetoresistiven Sensorelementen.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform besteht die Sensorschaltung 2, die zwischen dem Permanentmagneten 3 und den sich drehenden Turbinenschaufeln T angeordnet ist, aus zwei magnetoresistiven Sensorelementen 2A, 2B, welche zueinander den Abstand B_s aufweisen und einen Abstand H_s zu dem Permanentmagneten 3 besitzen. Der Permanentmagnet 3 weist eine Magnetisierung in z-Richtung auf.
2 zeigt eine Detailskizze der in 1 dargestellten Messanordnung. Die beiden auf dem Permanentmagneten 3 angeordneten magnetoresistiven Sensorelemente 2A, 2B der Sensorschaltung 2 sind nur in der xy-Ebene gegenüber Magnetfeldänderungen empfindlich und die Bewegungsrichtung der Turbinenschaufeln T bildet die Bezugsrichtung der beiden magnetoresistiven Sensorelemente 2A, 2B, wie in 2 angedeutet. Die Vorrichtung 1 enthält eine Summiereinheit 4, welche die von den magnetoresistiven Sensorelementen 2A, 2B der Sensorschaltung 2 erzeugten Messsignale addiert und das gebildete Summensignal an eine Signalverarbeitungseinheit 5 abgibt.
Die in 2 dargestellte Sensoranordnung kann durch eine Wheatstonesche Schaltbrücke realisiert werden, wie sie in 3 dargestellt ist. Die Wheatstonesche Brücke weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier magnetoresistive Sensorelemente 2A, 2B, 2C, 2D auf. Durch die entsprechenden Referenzrichtungen der einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente innerhalb der Wheatstoneschen Brücke kann ein direktes Summieren bei gleicher Bezugsrichtung erreicht werden. Wie in 3 dargestellt, sind die vier magnetoresistive Sensorelemente 2A, 2B, 2C, 2D miteinander in einer Brückenschaltung verschaltet, die eine Ausgangsspannung U_B liefert. Wie in 3 dargestellt, weisen beispielsweise die beiden magnetoresistiven Sensorelemente 2A, 2B die gleiche Referenzrichtung rA, rB auf, während die beiden übrigen magnetoresistiven Sensorelemente 2C, 2D eine entgegengesetzte Referenzrichtung besitzen (rC, rD). Die Brückenspannung U_B ist proportional der Summe der magnetischen Felder an der linken und rechten Seite der Brückenschaltung. Die magnetoresistiven Sensorelemente 2A, 2B, 2C, 2D können GMR-Sensorelemente, TMR-Sensorelemente oder AMR-Sensorelemente sein. Bei einer möglichen Ausführungsform sind die GMR-Sensorelemente und die TMR-Sensorelemente sogenannte Spinventil-Sensorelemente. Effekte, die eine Änderung des elektrischen Widerstandes eines Materials durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes beschreiben, werden als magnetoresistive Effekte bezeichnet. Dazu gehören der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR), der Riesenmagnetowiderstand (GMR), der CMR-Effekt und der TMR-Effekt. Beispielsweise wird der GMR-Effekt oder Riesenmagnetowiderstandeffekt in Strukturen hervorgerufen, die aus abwechselnden magnetischen und nicht magnetischen dünnen Schichten von einigen Nanometern Schichtdicke bestehen. Bei dem GMR-Effekt handelt es sich um einen quantenmechanischen Effekt, der durch die Spinabhängigkeit der Streuung von Elektronen an Grenzflächen erklärt wird. Elektronen, die sich in einer der beiden ferromagnetischen Schichten gut ausbreiten können, weil ihr Spin günstig orientiert ist, werden in der zweiten ferromagnetischen Schicht stark gestreut, wenn diese entgegengesetzt magnetisiert ist. Sind zwei Schichten eines ferromagnetischen Materials durch eine dünne nicht magnetische Schicht getrennt, so richten sich die Magnetisierungen bei bestimmten Dicken der Zwischenschicht in entgegengesetzten Richtungen aus. Bereits kleine äußere magnetische Felder reichen aus, um diese antiferromagnetische Ordnung wieder in die ferromagnetische Ordnung umzuschalten. Bei einer möglichen Implementierung sind die vier magnetoresistiven Sensorelemente bei der in 3 dargestellten Wheatstoneschen Schaltbrücke Spinventilsensorelemente.
4 zeigt eine Detailansicht einer möglichen Sensoranordnung mit verbessertem Feldverlauf durch einen Permanentmagneten 3, in dem sich eine Aufnahmenut 6 in y-Richtung, d.h. senkrecht zur Messrichtung, befindet. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform sind die magnetoresistiven Sensorelemente 2A, 2B der Sensorschaltung 2 auf einen Schaltungsträger 7 in der Aufnahmenut 6 des felderzeugenden Magneten 3 vorgesehen. Die Aufnahmenut 6 befindet sich auf einer zu den drehenden Maschinenelementen bzw. Turbinenschaufeln T zugewandten Seitenoberfläche des felderzeugenden Magneten 3 und verläuft quer zu der Bewegungsrichtung der sich drehenden Maschinenelemente bzw. Turbinenschaufeln T. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Aufnahmenut 6 dreieckförmig. Die dreieckförmige Aufnahmenut 6 weist zwei spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse S einander gegenüberliegende schräg geneigte Nutoberflächen auf. Die Aufnahmenut 6 ist vorzugsweise auf einer Vergussmasse VM gefüllt und verkapselt. Der Neigungswinkel α der schräg geneigten Nutoberflächen der dreieckförmigen Aufnahmenut 6 relativ zu der Seitenoberfläche des felderzeugenden Magneten 3 liegt bei einer bevorzugten Ausführungsform in einem Winkelbereich von 1 bis 10 Winkelgrad, vorzugsweise in einem Bereich von 2,5 bis 5 Winkelgrad. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die in der Aufnahmenut 6 des felderzeugenden Magneten 3 befindlichen Sensorelemente der Sensorschaltung 2 in einer diamagnetischen oder paramagnetischen Vergussmasse verkapselt. Durch die dreieckförmige Aufnahmenut 6 an der Oberfläche des Permanentmagneten 3 wird der Feldverlauf der H_x-Feldkomponente derart optimiert, dass in einem vorgegebenen maximalen Messbereich der Sensorschaltung 2 ein maximales Ausgangssignal bei Überflug der Maschinenelemente bzw. Turbinenschaufeln T erreicht wird. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist die Aufnahmenut 6 dreieckförmig. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Aufnahmenut 6 auch rechteckförmig oder kreissegmentförmig ausgebildet sein und spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse S verlaufen.
Neben einer Anpassung und Optimierung des Feldverlaufs bietet die nutartige Vertiefung bzw. Aufnahmenut 6 auch den Vorteil, dass die magnetoresistiven Sensorelemente nahe dieser oder in dieser Vertiefung angeordnet werden können und hierdurch der notwendige Messabstand A zwischen den Spitzen der Turbinenschaufeln T und der Magnetoberfläche des Permanentmagneten 3 verringert werden kann. 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer dreieckförmigen Aufnahmenut 6. Der Einfluss von beispielhaften Ausführungsformen der oberen Magnetfläche auf die Felderzeugung zwischen dem Permanentmagneten 3 und einer Schaufelspitze der Turbinenschaufel T (diese bei Schaufelspitzenposition x = 0) ist in 5 dargestellt. Das Vorsehen von Aufnahmenuten und/oder Verrundungen der Oberfläche bietet die Möglichkeit für die Einbringung von Nullstellen des Feldverlaufs auf einer definierten Abstandsfläche von der höchsten Position des Magneten 3.
5 zeigt den prinzipiellen Feldverlauf für die von Sensoren in Abhängigkeit von der Position x gemessenen Feldkomponente H_x (in 1 mm Höhe) über dem Permanentmagneten 3 und mittlerer Schaufelstellung x = 0 bei verschiedenen Magnet-Oberflächenformen und -Materialien.
6 zeigt ein Simulationsergebnis für die von der Sensoranordnung gemessene Feldkomponente H_x in Abhängigkeit von der Position x über dem Permanentmagneten 3 bei unterschiedlichen Schaufelstellungen (dx). Der Permanentmagnet 3 besitzt hierbei eine symmetrische Aufnahmenut mit einem Winkel α = 5°.
Zur Ermittlung der optimalen Sensorpositionen legt man horizontale Linien L1, L2, wobei die Orte ihrer Schnittpunkte mit der Einhüllenden des Kennlinienfeldes die optimalen Positionen ±x_s zur Platzierung der Sensorelemente darstellen. Es existieren entweder nur ein optimaler Messort bei x = 0, der dann nur für ein Sensorelement mit sehr kleiner Basislänge B_s geeignet ist, oder es existieren drei optimale Messorte x = 0, x = ±x_s, sodass ein Sensor mit B_s = 2x_s und ein Sensor mit B_s ≈ 0 auch gleichzeitig eingesetzt werden können. Die Messorte zeichnen sich dadurch aus, dass ein maximales Ausgangssignal bei symmetrischer und damit optimaler Ausnutzung des Messbereiches des Sensors erreicht wird.
Bei einem vorgegebenen Winkel α der Aufnahmenut 6 oder bei einer von einer dreieckförmigen Aufnahmenut 6 abweichenden Geometrie kann eine optimale Sensorposition auch aus Simulationsergebnissen, wie sie in den 6 und 7 dargestellt sind, ermittelt werden. Aufgrund der geringen Feldänderung im Bereich (–2, +2 mm) ist eine Nutausführung wie in 7 dargestellt, vorteilhaft.
8 stellt dar, dass bei Benutzung von magnetoresistiven Sensorelementen, die eine lineare R(H)-Kennlinie bis zur einer maximalen Aussteuerung besitzen (in 8 beispielsweise 8 kA/m), auch das Brückenausgangssignal eine entsprechende lineare Kennlinie aufweist, die beispielsweise durch eine im Speicher abgelegte Sensorkennlinie ausgewertet werden kann. Dabei wird in 8 die Änderung der Schaufelposition über der x-Achse durch den zeitlichen Verlauf der Feldstärke an ausgewählten symmetrischen Sensorpositionen dargestellt (jeweils bei Positionen +x und –x bei einer angenommenen lateralen Geschwindigkeit der Schaufelspitze einer Turbinenschaufel T von 314 m/s). Der Permanentmagnet 3 besitzt hierbei eine symmetrische dreiecksförmige Nut mit α = 2,5°. Bei einer möglichen Ausführungsform wird die zu den Turbinenschaufeln T gerichtete Oberfläche des Magneten 3 durch eine Rundung verändert. Diese Rundung weist beispielsweise einen Radius von 65 mm, resultierend in einer maximalen Vertiefung von 1,35 mm in der Mitte des Magneten 3 auf.
Die aus Simulationen des Schaufelüberflugs abgeleiteten Feldverläufe in der bevorzugten Ebene, d.h. in 1-mm-Abstand vom höchsten Punkt des Magneten 3, sind in 9 wiedergegeben. Insbesondere Feldverläufe für Schaufelpositionen innerhalb ±2,5 mm zeigen dabei eine geringe Feldabhängigkeit und sind daher vorteilhaft wegen der geringen Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit der Sensorelemente der Sensorschaltung 2.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 hat ein deutlich größeres Toleranzfenster für die Montage der Sensorelemente auf dem Magneten 3. Ein flacher Feldverlauf führt zu einer verbesserten Toleranz gegen einen seitlichen Versatz der Sensorelemente. Die deutliche Reduktion der z-Komponenten des Magnetfeldes am Ort der Sensorelemente bei gleichen Magneten erhöht die Toleranz gegenüber einem Verkippen der Sensorelemente bei deren Montage.
Ein vergrößerter Abstand zwischen der Sensorschaltung 2 und den Maschinenelementen bzw. Turbinenschaufeln T wird ermöglicht, da die Sensorschaltung 2 in einer Aufnahmenut 6 des Magneten 3 vorgesehen werden kann. Hierdurch wird der Abstand von den Turbinenschaufeln T zu dem Messsystem durch die Sensormontage nicht reduziert.
Der Messbereich der Sensoren bzw. Sensorelemente wird optimal ausgenutzt durch deren gleichmäßige Ansteuerung. Bei einer möglichen Ausführungsform können Single Chip GMR- und TMR-Feldsensoren verwendet werden. Durch den räumlichen Abstand der beiden Seiten der Wheatstoneschen Schaltbrücke können Sensorelemente mit dem gleichen Substrat mit unterschiedlichen Referenzrichtungen hergestellt und verwendet werden. Durch die einfachere Verwendung von GMR- und TMR-Feldsensoren können deren Vorteile bezüglich des großen Signalhubs und des großen Signalrauschabstandes ausgenutzt werden. Durch den Einsatz von mehreren Sensoren bzw. Sensorelementen auf dem gleichen Magneten 3 kann zudem die Fehlertoleranz erhöht werden. Zwei Sensorelemente auf dem gleichen Chip können zur gleichen Zeit die Position der jeweiligen Turbinenschaufel T optimal messen.
Die Erfindung schafft zudem ein Verfahren zum Messen von Schwingungen bei Maschinenelementen, die um einen Drehpunkt herum durch ein gleichförmiges Magnetfeld hindurch drehen mithilfe von magnetoresistiven Sensorelementen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Messung von Torsionsschwingungen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann Torsionsschwingungen von verschiedenartigen Maschinenelementen, insbesondere Turbinenschaufeln, messen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Messung von Schwingungen, insbesondere Torsionsschwingungen, bei anderen Maschinenelementen eingesetzt werden, beispielsweise bei Zahnrädern eines Zahnradgetriebes. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung von Schwingungen kann während des normalen Betriebes der Maschine, welche die Maschinenelemente enthält, durchgeführt werden. Das Verfahren misst die Schwingungen mit einer hohen Genauigkeit und ist unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, beispielsweise Schmutz oder hohen Temperaturen. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet einen großen Messbereich und eine hohe Störsicherheit. Das Verfahren kann bei besonders hohen Temperaturen von mehr als 125 °C problemlos eingesetzt werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren in der letzten Stufe einer Dampfturbine zur Messung von Schaufelschwingungen der Turbinenschaufeln eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt relativ große Einbautoleranzen, wobei auch gekrümmte Wegstrecken bzw. Winkel darstellbar sind. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt zudem eine genaue zeitsynchrone Erfassung der Position der Spitzen von Turbinenschaufeln ohne Vormagnetisierung der Turbinenschaufeln.

Claims

Vorrichtung (1) zur Messung von Schwingungen bei Maschinenelementen mit einer magnetoresistiven Sensorschaltung (2), die in einer Bewegungsrichtung der um einen Drehpunkt drehenden Maschinenelemente (T) für Magnetfeldänderungen empfindlich ist und zu Spitzen der drehenden Maschinenelemente (T) einen Messabstand (A) aufweist, wobei die magnetoresistive Sensorschaltung (2) an einem felderzeugenden Magneten (3) vorgesehen ist, der ein Magnetfeld mit einer Feldkomponente in Richtung einer durch den Drehpunkt und die Sensorschaltung (2) verlaufenden Symmetrieachse (S) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die magnetoresistive Sensorschaltung (2) mindestens zwei zu der Symmetrieachse (S) spiegelsymmetrisch angeordnete und in einem Abstand (B_s) zueinander beabstandete magnetoresistive Sensorelemente (2A, 2B) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Summiereinheit (4) vorgesehen ist, welche die von den magnetoresistiven Sensorelementen (2A, 2B) der Sensorschaltung (2) erzeugten Messsignale summiert und das gebildete Summensignal an eine Signalverarbeitungseinheit (5) abgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Sensorschaltung (2) vier magnetoresistive Sensorelemente (2A, 2B, 2C, 2D) aufweist, die in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet sind, welche als Summensignal eine Brückenspannung (U_B) liefert, die proportional zu der Summe der magnetischen Felder an der linken und rechten Seite der Brückenschaltung ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die magnetoresistiven Sensorelemente (2A, 2B, 2C, 2D) der Sensorschaltung (2) in einer Aufnahmenut (6) des felderzeugenden Magneten (3) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Aufnahmenut (6) auf einer zu den drehenden Maschinenelementen (T) zugewandten Seitenoberfläche des felderzeugenden Magneten (3) quer zu der Bewegungsrichtung der drehenden Maschinenelemente (T) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Aufnahmenut (6) dreieckförmig, rechteckförmig oder kreissegmentförmig ausgebildet ist und spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse (S) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die dreieckförmige Aufnahmenut (6) zwei spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse (S) einander gegenüberliegende schräg geneigte Nutoberflächen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein Neigungswinkel (α) der schräg geneigten Nutoberflächen der dreieckförmigen Aufnahmenut (6) relativ zu der Seitenoberfläche des felderzeugenden Magneten (3) in einem Winkelbereich von 1 bis 10, vorzugsweise 2,5 bis 5, Winkelgrad liegt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei die magnetoresistive Sensorschaltung (2) eine GMR-Sensorschaltung, eine TMR-Sensorschaltung oder eine AMR-Sensorschaltung mit mindestens zwei Sensorelementen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Sensorelemente der GMR-Sensorschaltung oder der TMR-Sensorschaltung Spinventil-Sensorelemente sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 11, wobei die in der Aufnahmenut (6) des felderzeugenden Magneten (3) befindlichen Sensorelemente der Sensorschaltung (2) in einer diamagnetischen oder paramagnetischen Vergussmasse verkapselt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12, wobei die drehenden Maschinenelemente (T) Schaufeln, insbesondere Turbinenschaufeln einer Dampfturbine, oder Zahnräder, insbesondere eines Zahnradgetriebes, sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13, wobei der felderzeugende Magnet (3) ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet ist.
Verfahren zur Messung von Schwingungen, insbesondere Torsionsschwingungen, bei Maschinenelementen, die um einen Drehpunkt herum durch ein gleichförmiges Magnetfeld hindurch drehen mittels magnetoresistiver Sensorelemente, die in der Bewegungsrichtung der drehenden Maschinenelemente gegenüber Magnetfeldänderungen empfindlich sind.