DE1286305B - Einrichtung zur beruehrungslosen induktiven Messung von Verschiebungen - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur berührungslosen induktiven Messung von Verschiebungen eines Meßbundes bzw. einer mit diesem verbundenen Welle, bestehend aus zwei mechanisch verbundenen, jedoch magnetisch getrennten Teilen, insbesondere der axialen Verschiebung einer rotierenden Welle, z. B. Turbinenwelle, die unabhängig von einem etwa vorhandenen Radialschlag der Welle ein der Verschiebung proportionales Signal liefert.
• Eine bekannte Einrichtung zur Messung der Axialverschiebung rotierender Wellen benutzt eine auf der Welle angebrachte Markierung, die nacheinander an zwei unter einem spitzen Winkel angeordneten Polschuhen eines Aufnehmers vorbeiläuft und dabei Spannungsimpulse in der Spule des Aufnehmers erzeugt. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Impulsen ist bei bekannter Drehzahl der Welle ein Maß für deren axiale Verschiebung. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die erforderliche Bearbeitung der Welle zum Aufbringen der Markierung. Außerdem ist eine Messung nur bei drehender Welle möglich.
• Ein weiteres Verfahren benutzt einen Differentialdrosselaufnehmer, dessen beide Aufnehmerhälften beiderseits eines im allgemeinen vorhandenen Wellenbundes angeordnet sind. Infolge der relativ großen axialen Verschiebungen ist dessen Ausgangssignal nicht linear von der Wellenlage abhängig. Zur Kompensation dieser Nichtlinearität wird ein zweiter Hilfs-Differentialdrosselaufnehmer vorgesehen, dessen beweglicher Anker von einem Servosystem der Verschiebung der Welle so nachgeführt wird, daß die Stellung des Meßbundes in bezug auf die Aufnehmerhälften gleich der Ankerstellung in bezug auf die Hilfsaufnehmerhälften ist. Nachteilig hierbei sind der relativ große notwendige Aufwand sowie die relativ großen Abmessungen des Aufnehmers in axialer Richtung und die des vom Aufnehmer umfaßten Wellenbundes in radialer Richtung.
• Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen der Wellenbund einem Aufnehmer mit abgeschrägten Schenkeln derart gegenübersteht, daß bei einer Bewegung des Wellenbundes die zwischen Wellenbund und Aufnehmer vorhandenen Luftspalte sich gegensinnig ändern.
• So zeigt z. B. die deutsche Patentschrift 908921 eine Meßbrücke, bei der eine mit einem Ausschnitt versehene, drehbare Scheibe den abgeschrägten Schenkeln eines Magnetkernes gegenübersteht.
• Bei anderen, aus den französischen Patentschriften 1043838, 1 144353 bekannten Anordnungen werden ebenfalls Wellenbunde geraden oder abgeschrägten Schenkeln gegenüber verschoben, wodurch sich die Luftspalte gegensinnig ändern.
• Nachteilig bei diesen bekannten Anordnungen ist jedoch, daß die Verteilung der magnetischen Flüsse in den abgeschrägten Schenkeln nicht nur von der Stellung des Wellenbundes in bezug auf die Meßrichtung, sondern auch von einer zur Meßrichtung senkrechten Verschiebung abhängig ist, d. h., das Meßergebnis ist auch von Abstandsänderungen abhängig.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aufnehmer für den genannten Zweck zu schaffen, der diese Nachteile nicht aufweist und ohne zusätzlichen elektronischen Aufwand die axiale Verschiebung eines an einer Welle angebrachten Meßbundes unabhängig von dessen Abstand zum Aufnehmer zu messen ermöglicht.
• Bei einer Einrichtung zur berührungslosen induktiven Messung von Verschiebungen eines Meßbundes bzw. einer mit diesem verbundenen Welle, bestehend aus zwei mechanisch verbundenen, jedoch magnetisch getrennten Teilen, wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eines dieser Teile, aufgebaut aus mehreren in Meßrichtung gegeneinander abgegrenzten, sich senkrecht zur Meßrichtung erstreckenden und zwei parallele Flußpfade bildenden ferromagnetischen Scheiben dem zweiten, entweder homogenen oder ebenfalls aus Scheiben aufgebauten Teil derart gegenübersteht, daß in jedem der beiden parallelen durch die Schenkel geführten Flußpfade Luftspalte mit sich von Scheibe zu Scheibe in an sich bekannter Weise gegensinnig ändernden Luftspaltlängen entstehen und daß die Luftspalte zwischen dem Aufnehmer und dem Meßbund in Reihe zu den beiden parallelgeschalteten den Meßwert bestimmenden Luftspalten gelegt sind und das die Summe der Flüsse durch die beiden parallelen Flußpfade konstant ist.
• An Hand der Zeichnung wird die Erfindung erläutert. Sie zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Aufnehmers zur Messung der Axialverschiebung einer mit einem Meßbund versehenen Welle.
• Infolge der erfindungsgemäßen Trennung der beiden sich gegensinnig ändernden Meßluftspalte von dem Luftspalt zwischen Aufnehmer und Meßobjekt wird erreicht, daß bei konstant gehaltenem Fluß die Flußverteilung und damit die Ausgangsgröße von den im Luftspalt zwischen Meßobjekt und Aufnehmer auftretenden Störgrößen (z. B. Abstandsänderungen) unbeeinflußt bleibt.
• Über dem in Pfeilrichtung x verschiebbaren Meßbuffd pd 1 ist der Aufnehmer 2 angeordnet. Er besteht aus zwei mechanisch starr verbundenen, aber magnetisch getrennten ferromagnetischen Teilen 3 und 4.
• Teil 3 ist mit einer Wicklung 5 versehen, an die Wechselspannung gelegt ist. Der von dieser Wicklung erzeugte Induktionsfluß findet seinen Weg über den Luftspalt 6 durch den ebenfalls ferromagnetischen Meßbund 1, weiter durch den Luftspalt 7 in Teil 4 des Aufnehmers, von wo er über die keilförmigen Luftspalte 8 und 9 wieder in Teil 3 eintritt. Während dieser Teil 3 magnetisch isotrop aufgebaut sein kann, ist Teil 4 aus Scheiben geschichtet, zwischen denen sich magnetisch neutrale Schichten befinden. Die Scheiben (4 a) bilden einen prismatischen Körper gabelförmigen Querschnitts, dessen die Zinken bildenden Schenkel 1O, 11 in Richtung der Prismenachse, also in der Verschiebungsrichtung x, abgeschrägt sind, und zwar so, daß die Summe der Schenkelhöhen in jedem Querschnitt gleich ist. Teil 4 ist derart gegenüber Teil 3 fixiert, daß zwischen diesem und den Schenkeln 10, 11 in Richtung x gegensinnig sich ändernde Luftspalte entstehen. Um die Schenkel 10, 11 ist je eine Spule 12, 13 gleicher Windungszahl gelegt. Da der Induktionsfluß die Luftspalte vorwiegend in dem über dem Meßbund liegenden Querschnitt des Aufnehmers passiert, werden in diesen Spulen unterschiedliche Spannungen U1 und U2 induziert. Die beispielsweise nach einer Gleichrichtung und Ausmittlung erhaltene Differenz A U dieser Spannungen ist der Verschiebung x proportional. Es gilt mit k einer Konstanten und çs der Flußsumme aus den beiden Teilflüssen durch die Schenkel 10 und 11: U= k-0s-x.
• Macht man die Summe çs der Flüsse in den beiden Schenkeln 10, 11 unabhängig von den Längen der Luftspalte 6 und 7, was im einfachsten Fall durch Anlegen einer Wechselspannung konstanter Amplitude und Frequenz an die Wicklung 5 erreicht werden kann, ist das Ausgangssignal A U unabhängig vom Abstand des Aufnehmers zum Meßbund. Auch brauchen die Abstände zwischen den Teilen 3 und 4 des Aufnehmers 2 und dem Meßbund 1 nicht gleich zu sein, was sehr vorteilhaft ist, weil dadurch eine genaue Justierung des Aufnehmers über dem Bund unnötig wird.
• Um Einflüsse von Streufluß bzw. -änderungen genügend klein zu halten, kann es zweckmäßig sein, die Summe der in den Spulen 12, 13 induzierten Spannungen zu messen und über eine Regelschaltung konstant zu halten.
• Der in der Wicklung 5 fließende Strom ist näherungsweise ein Maß für den Abstand des Aufnehmers vom Meßbund und kann daher zur angenäherten Bestimmung, z. B. des Radialschlages des Meßbundes 1 bzw. der mit diesem verbundenen Welle dienen.
• Die Funktion der beschriebenen Anordnung kann eventuell durch Streuflüsse vom Meßbund 1 direkt in die Schenkel 10, 11 des Aufnehmerteiles 4 beeinträchtigt werden. In Weiterbildung der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, die Erregerwicklung 5 nicht um Teil 3 des Aufnehmers, sondern um den Schenkel 14 des Teiles 4 zu legen, da sich dann der größte Teil des Streuflusses direkt über den Meßbund 1 schließt, ohne mit den Spulen 12, 13 verkettet zu sein.
• Zum gleichen Zweck kann dann der Aufnehmerteil 3 mit U-förmigem Querschnitt ausgeführt sein, dem der Teil 4 symmetrisch gegenübersteht.
• Schließlich kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, daß die Luftspalte 8, 9 sich in Verschiebungsrichtung x nicht linear ändern, sondern so, daß Streuflußeffekte, z. B. bei der Stellung des Meßbundes am Rand des Aufnehmers, kompensiert werden.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Einrichtung zur berührungslosen induktiven Messung von Verschiebungen eines Meßbundes bzw. einer mit diesem verbundenen Welle, bestehend aus zwei mechanisch verbundenen, jedoch magnetisch getrennten Teilen, d a d u r c h gekennzeichnet, daß eines dieser Teile (4), aufgebaut aus mehreren in Meßrichtung (x) gegeneinander abgegrenzten, sich senkrecht zur Meßrichtung (x) erstreckenden und zwei parallele Flußpfade bildenden ferromagnetischen Scheiben (4a), dem zweiten entweder homogenen oder ebenfalls aus Scheiben aufgebauten Teil (3) derart gegenübersteht, daß in jedem der beiden parallelen durch die Schenkel (10, 11) geführten Flußpfade Luftspalte (8, 9) mit sich von Scheibe zu Scheibe in an sich bekannter Weise gegensinnig ändernden Luftspaltlängen vorhanden sind, daß die Luftspalte zwischen dem Aufnehmer (2) und dem Meßbund (1) in Reihe zu den beiden parallel geschalteten, den Meßwert bestimmenden Luftspalten (8, 9) gelegt sind und daß die Summe der Flüsse durch die beiden parallelen Flußpfade konstant ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine geschichtete Teil (4) des Aufnehmers gabelförmig ausgeführt ist und mit den beiden die Zinken bildenden Schenkeln (10, 11) dem zweiten L-förmig gebildeten Teil (3) gegenüber liegt, und daß eine Erregerspule (5) um den L-förmigen Teil (3) sowie Abnehmerspulen (12, 13) um die erwähnten Schenkel (10, 11) des anderen Teiles (4) gelegt sind.
3. 3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (5) um den für die beiden Teilflüsse gemeinsamen Schenkel (14) des gabelförmig ausgeführten Aufnehmerteiles (4) gelegt ist.
4. 4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dem gabelförmig ausgeführten Teil (4) des Aufnehmers gegenüberstehende Teil (3) U-förmig ausgebildet ist.
5. 5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Erregerkreis (5) ein Strommesser zur Messung des Abstandes zwischen Aufnehmer (2) und Meßbund (1) eingefügt ist.
6. 6. Einrichtung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspalte (8, 9) zwischen den beiden Aufnehmerteilen (3, 4) sich mit dem Meßweg nicht linear ändern.