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Anordnung zur berührungslosen Messung von Relativverschiebungen rotierender
Körper Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Messung von Relativverschiebungen
rotierender Wellen gegenüber einem Bezugspunkt, mit einem mit der Welle rotierenden
Impulsgeber, dessen Impulse während einer bestimmten Meßzeit periodisch gezählt
und angezeigt werden und bei der die Welle wenigstens eine keilförmige Markierung
trägt, der gegenüber ein eine Spule enthaltender Aufnehmer als Bezugspunkt angeordnet
ist.
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Derartige Anordnungen werden z. B. zur Messung der zwischen dem Läufer
und dem Gehäuse infolge unterschiedlicher Temperaturzunahmen auftretenden Verschiebung
an Turbinen, Verdichtern od. ä. verwendet.
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Zur Messung von Verschiebungen der genannten Art sind bereits verschiedene
Verfahren bekannt. So werden bei induktiven Verfahren zwei offene Spulen auf beiden
Seiten eines Flansches, Ringes oder Bundes angeordnet, die elektrisch eine Hälfte
einer Wheatstoneschen Brücke bilden (vgl. zum Beispiel »Taschenbuch für die elektronische
Meßtechnik«, 1960, S. 237, 238). Eine Verschiebung der Welle führt zu einer Verstimmung
der im Normalzustand abgeglichenen Brücke, und die hierbei auftretende Meßspannung
ist ein Maß für die Verschiebung der Welle. Solange die auftretende Verschiebung
ausreichend klein gegenüber dem Luftspalt ist, ist die abgegebene Meßspannung proportional
der Verschiebung. Bei modernen Hochleistungsturbinen können jedoch Verschiebungen
von z. B. + 15 mm auftreten, die entsprechend große Luftspalte von je etwa 90 mm
erfordern, wenn auch hier noch eine ausreichende Linearität sichergestellt sein
soll. Es bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten, Meßanordnungen solcher Ausmaße
in den Gehäusen moderner Maschinen unterzubringen. Hinzu kommt als weiterer Nachteil,
daß die Meßempfindlichkeit bei derart großen Luftspalten sehr gering wird.
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Ein weiteres bekanntes Meßverfahren ist das Impulsvergleichsverfahren.
Bei diesem wird die Zeitdifferenz zwischen zwei Impulsen als Maß für die aufgetretene
Verschiebung betrachtet. Ein an der Oberfläche der Welle angebrachter Stift erzeugt
bei rotierender Welle in zwei in axialer Richtung der Welle keilförmig angeordneten
schneidenförmigen Magnetjochen Spannungsimpulse, deren zeitlicher Abstand - bei
konstanter Drehzahl der Welle -von der Lage des Stiftes gegenüber den Jochen abhängt
(vgl. zum Beispiel »Elektronische Rundschau«, 1962, S. R28).
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Die entsprechenden Impulse werden einer Torschaltung zugeführt. Der
erste Impuls öffnet, der
zweite schließt das Tor. Dadurch ist das Produkt Strom mal
Zeit (bei konstantem Strom) dem Impulsabstand und damit.-der Verschiebung proportional.
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Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß das Auf-und Zusteuern der
Torschaltung zur Ermittlung des Zeitintervalls t durch Impulse geschieht. Bei dem
im allgemeinen großen Störpegel an der Turbinenanlage ist es deshalb möglich, daß
Störimpulse auf die beiden Steuerleitungen den Meßzyklus beeinflussen. Ein weiterer
Nachteil ist, daß die Meßimpulse durch einen Induktionsvorgang erzeugt werden, so
daß eine gewisse Mindestrelativgeschwindigkeit zwischen Meßstift und Spule vorhanden
sein muß. Langsame Drehbewegungen, wie z. B. beim An und Auslaufen der Maschine,
können dabei nicht mehr erfaßt werden. Weiterhin wird der Meßbereich einer solchen
Anlage durch die Form des speziellen Relativdehnungsgebers bestimmt, nämlich durch
den Winkel, unter dem die beiden Schneiden angeordnet sind.
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Um eine Vielzahl von Meßbereichen bei günstigster Ausnutzung der Meßbasis
zu überstreichen, müßten auch viele Spezialaufnehmer vorhanden sein. Die Meßgenauigkeit
dieser Einrichtung hängt weitgehend von der Fertigungsgenauigkeit dieser V-förmig
angeordneten Schneiden ab. Da aber deren Abmessungen zwangläufig klein sein müssen,
ergibt sich nur eine geringe Meßbasis, und Fertigungsfehler haben einen relativ
großen Einfluß auf die Genauigkeit des Meßergebnisses.
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Ferner sind auch Anordnungen zur elektronischen Messung yon Drehzahlen
bekannt, bei denen die von einem mit der Welle rotierenden Impulsgeber in einem
ortsfesten Aufnehmer erzeugten Impulse während einer bestimmten Meßzeit periodisch
gezählt werden, so z. B. aus »Elektronische Rundschau«, Heft 8/1960, S. 324 bis
326, und aus »Elektronik«, Heft 2/1960, S. 53 bis 54. Auch ist es bekannt, das
einer
Verschiebung unterworfene Bauteil mit wenigstens einer keilförmigen Markierung zü
versehen; der gegenüber sich ein fester Bezugspunkt befindet, so z. B. aus der britischen
Patentschrift 811 669 und der schweizerischen Patentschrift 335 122.
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Die oben beschriebenen Nachteile werden bei der erfindungsgemäßen
Anordnung nun - dadurch vermieden, daß die Spule die Schwingkreisinduktlvität eines
LC-Oszillators bildet und daß die Ausgangssignale des Impulsgebers und des Oszillators
; den Eingängen eines UND-Gatters zugeführt sind, dessen Ausgang in an sich bekannter
Weise mit dem Eingang einer Zähler und Anzeigevorrichtung verbunden ist.
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Dabei dient, wie noch ausführlich beschrieben wird, der Oszillator
lediglich als-Schalter züm Öffnen oder Schließen des-UND-Gatters, wodurch die vom
rotierenden Impulsgeber erzeugten Impulse periodisch gezählt werden. -- -Die keilförmige
Markierung kann z. B. aus einer Ausfräsung in der Welle bestehen. Genauso gut kann
die Abtastung mit optischen oder ähnlichen. Mitteln erfolgen, wobei die Markierung
auf der Scheibe dem jeweils verwendeten Verfahren angepaßt sein muß, z. B. als Hell-Dunkel-Markierung
bei optischer ; Abtastung.
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An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Darin zeigt
F i g. 1 eine Abwicklung der Meßscheibe mit einer keilförmigen Ausfräsung, Fig.
2 einen Schnitt durch die Meßscheibe längs der Linie A-B in Fig. 1, Fig. 3 das Blockschaltbild
einer solchen Meßanordnung, Fig. 4 das Blockschaltbild einer solchen Anordnung für
z. B. vier Meßstellen, Fig. 5 das Blockschaltbild einer solchen Anordnung zur Gewinnung
einer analogen Anzeige.
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Die Meßscheibe 1, deren Abwicklung Fig. 1 und 2 zeigen, ist auf der
Welle montiert, deren Verschiebung gemessen werden soll. Zwischen den erhöhten Teilen
2 und 3 befindet sich eine keilförmige Aussparung 4, über der die Abtastspule 5
angeordnet ist.
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Ferner ist ein mit der Welle starr gekuppelter, rotierender Impulsgeber
7 (Fig. 3) vorgesehen, der pro Wellenumdrehung eine bestimmte Anzahl von Impulsen
liefert. Der Tastkopf 5 wirkt als »berührungsloser Schalter« und enthält eine Spule,
die die Induktivität eines LC-Schwingkreises bildet. Dieser Schwingkreis ist Teil
einer Oszillatorschaltung, die mit der durch L und C gegebenen Eigenfrequenz schwingt.
Nähert man nun der Spule einen Metallkörper, so wird der Schwingkreis bedämpft,
und die Schwingung setzt aus. Man erhält somit am Ausgang dieser Schaltung ein binäres
Signal, je nachdem, ob sich ein Metallkörper vor der Spule befindet oder nicht.
Beim Abtasten der Meßscheibe gibt diese Abtastschaltung also immer dann eine Ausgangsspannung
ab (»L«-Signal in der logischen Schreibweise), wenn sich die Spule gegenüber der
Aussparung 4 befindet. Steht die Tastspule jedoch über dem vollen Scheibenmaterial
(2, 3, Fig. 1), so setzt die Schwingung im Oszillatorkreis aus, und die Ausgangsspannung
ist Null (»O«-Signal in der logischen Schreibweise). Das Umschalten dieser Abtastschaltung
ist somit völlig-umabhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen Scheibe und
Spule. Es sind auch schleichende -Bewegungsvorgänge zu erfassen.
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Selbstverständlich kanne an Stelle cier in Fig. 1 und 2 dargestellten
Keilform auch jede andere, den Erfordernissen entsprechende Keilform verwendet werden.
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Bei einem Umlauf der Welle und damit auch der Meßscheibe gibt der
Tastkopf beim Überstreichen des Weges w ein »L«-Signal ab und beim Überstreichen
der Strecke U-w ein »O«-Signal. Die Strecke-w ist jedoch eine Funktion der axialen
Verschiebung s zwischen Scheibe und Tastkopf der Form w=wO+s tga, wobei w0 die überfahrene
Strecke in der Nullage der Meßanordnung ist.
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Die Meßanordnung arbeitet folgendermaßen: Das Ausgangssignaldes.
Osiillators 5 (Fig. 3) und die Ausgangsimpule'des Impulsgebers 7 gelangen an ein
UND-Gatter:8. Während der Zeit, in der. die Abtastspule ein »L«--Signal Äbgibt,,
gelangen also Zähler impulse an den Eingang eines elektronischen Zähzers 9, und
zwar genau so viele, wie der Strecke w entsprechen. Da Impulsgeber und Weile starr
gekuppelt sind, entspricht ein Impuls 17n desMeßscheibenumfangs, wenn n die Anzahl
der Impulse pro Umdr-ehung ist Man erhält also beieits nach einem Umlauf der Turb'inenwelle-einen
Meßwert, der in digitaler Form am Ende des Zählvorganges im -elektronischen Zähler
steht. Das- Ergebnis wird auf einem SichtgerätlO angezeigt, welches auch den Meßwert
bis-zum Eintreffen einer neuen Information speichert.
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Vor Beginn jeder Messung muß das im Zähler vorhandene Meßergebnis
gelöscht werden. Da nun aber in der sogenannten Nullage der Meßeinrichtung bereits
ein bestimmter Meßweg w0 gemessen wird, genügt es nicht, den Zählerstand auf Null
zu löschen.
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Der Zähler muß vielmehr vor der Messung auf den Wert - w0 gesetzt
werden. Von diesem Wert aus werden Impulse während der Messung aufaddiert. Ist der
Meßwert w < w0, verbleibt ein negativer Zählerstand, ist w = w0, wird auf dem
Sichtgerät Null angezeigte ist w>w0, ergibt sich eine positive Verlagerung. Die
Steuerung des Zählers sowie die Speicherbefehle für das Sichtgerät und das Rücksetzen
des Zählers auf -w0 erfolgen durch das Steuergerät 11.
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Man erkennt hieraus, daß das Meßverfahren -bezüglich Meßbereich und
Nullpunktlage sehr flexibel ist. Der Meßbereich einer solchen Einrichtung wird lediglich
durch den Steigungswinkel os der Meßscheibe bestimmt die Nullage durch den sogenannten
»reset«-Wert -w,, der sich an einem Zähler leicht einstellen läßt.
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Das Meßergebnis wird theoretisch nicht kontinuierlich angezeigt,
da zum Ermitteln eines Meßwertes ein voller Überlauf der keilförmigen Markierung
erforderlich ist. Da sich jedoch die Verlagerung s, die z. B. durch thermische Veränderungen
an der Maschine hervorgerufen wird, nur langsam ändert, andererseits die Drehzahlen
im allgemeinen genügend hoch sind, erhält man innerhalb eines kurzen Zeitintervalls
sehr viele Einzelmeßwerte (bei einer Drehzahl von 3000 U/min: 50 Meßwerte pro Sekunde).
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Dies entspricht dann praktisch einer kontinuierlichen Anzeige.
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Da bei dieser Anordnung nicht mit kleinen analogen Meßspannungen,
sondern mit digitalen Signalen gearbeitet wird, = ist ein kontaktloses Abfragen
mehrerer Relativmeßstellen mittels nur eines Zählgerätes ohne
weiteres
möglich. Man benötigt bei einer derartigen Anordnung pro Meßstelle einen Tastkopf
mit Meßscheibe sowie einen Digitalanzeiger mit dazugehörigem Speicher sowie einen
elektronischen Zähler 9 und einen Meßstellenumschalter 12 (F i g. 4). Der relativ
aufwendige elektronische Zähler sowie der rotierende Impulsgeber 7 werden jedoch
nur ein einziges Mal benötigt. Bei i Meßstellen und 3000 U/min werden bei schnellstem
Abfragezyklus 50/i Meßwerte pro Sekunde und Meßstelle geliefert. Fig. 4 zeigt das
Blockschaltbild einer derartigen Meßanordnung für z. B. vier Meßstellen.
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An jedes Digitalsichtgerät können mehrere Digitalsollwertsteller
angeschlossen werden. Bei Überschreitung des dort eingestellten Sollwertes wird
ein Ausgangssignal gegeben, das z. B. zur Alarmierung oder aber als Meldesignal
für eine elektronische Anfahrautomatik der Maschine benutzt werden kann.
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Außerdem können die Meßwerte über einen digitalen Meßwertdrucker ausgedruckt
werden, wobei alle an einer Maschine interessierenden Größen auf einem Journal mit
gleichzeitiger Angabe von Datum und Uhrzeit zusammengefaßt werden können. Da die
Verlagerungsmeßwerte in digitaler Form vorliegen, können sie auch an einen Prozeßleitrechner
weitergegeben werden, der diese Werte zur Steuerung, z. B. einer Turbine, rechnerisch
verarbeitet.
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Selbstverständlich ist an Stelle der soeben beschriebenen digitalen
auch eine analoge Anzeige möglich.
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Diese kann entweder durch einen zusätzlichen Digital-Analog-Wandler
mit nachgeschaltetem Anzeige- und/ oder Registriergerät erfolgen oder aber nach
der in F i g. 5 dargestellten Methode vorgenommen werden.
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Hierzu wird wiederum eine Meßscheibe mit einer keilförmigen Markierung
verwendet. Während bei der digitalen Meßmethode nur eine solche Markierung erforderlich
ist, werden hier vorzugsweise zwei oder mehr Ausfräsungen verwendet. Beim Überstreichen
des Meßweges w gibt die Abtastschaltung, bestehend aus Spule 5 und Oszillator 6,
ein »L«-Signal ab, das in einem nachfolgenden Schmitt-Trigger 13 in Rechtecke umgeformt
wird. Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers wird in einem Schaltverstärker 14
verstärkt und reicht aus zur Ansteuerung z. B. eines Drehspulinstruments 15. Beim
Anschluß eines Registriergerätes 16 wird zweckmäßigerweise noch ein Glättungsfilter
17 zwischen Verstärker 14 und Registriergerät 16 geschaltet. Die integrierte Ausgangsspannung
Uü ist von der Relativverschiebung s linear abhängig. Gegebenenfalls muß die durch
den Meßweg w0 (F i g. 1) hervorgerufene konstante Spannung mittels einer Gegenspannung
ausgeglichen oder aber durch Meßbereichsanpassung im Registriergerät bzw. Drehspulinstrument
unterdrückt werden.
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Gegenüber bekannten Anordnungen ergeben sich somit durch die erfindungsgemäße
Anordnung verschiedene Vorteile. So ist der Meßbereich nur durch die Form der Markierung
bestimmt und kann jeder praktisch vorkommenden Verschiebung angepaßt werden. Ferner
ist die durch das Auflösungsvermögen
bedingte Meßgenauigkeit sehr hoch. Bei 200 Impulsen
pro Umdrehung ergibt sich eine Auflösung von etwa 5 0/ovo. Ein wesentlicher weiterer
Vorteil ist die völlige Unabhängigkeit der Meßgenauigkeit von der Wellendrehzahl.
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Auch Störfelder oder Temperaturschwankungen bleiben ohne Einfluß
auf die Meßgenauigkeit. Die Abmessungen der Meßscheibe können so klein gehalten
werden, daß ein Einbau auch bei beschränktem Raum keine Schwierigkeiten bietet.
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Außerdem ergibt sich aus der digitalen Darstellungsform des Meßwertes
die Möglichkeit der numerischen Registrierung und Datenverarbeitung.