DE1548508C - Anordnung zur Messung mechanischer Schwingungen - Google Patents

Description

1 2

In Anordnungen zur Messung mechanischer Bereich auf die Meßfrequenz bezogenen — sehr

Schwingungen werden häufig Schwingungsaufnehmer großen Bandbreite nicht mehr analysieren, d.h., bei

eingesetzt, welche die mechanische Meßgröße in eine tiefen Frequenzen läßt sich eine Auflösung und da-

analoge elektrische Größe umwandeln. An diesen mit eine Analyse des Schwingungsgemisches nicht

Schwingungsaufnehmer ist, falls notwendig, unter 5 mehr durchführen. Hierin also liegt gerade ein

Zwischenschaltung eines Verstärkers ein elektrisches wesentlicher Teil der Aufgabenstellung bei der

Meßgerät auch in Form eines Registriergerätes ange- Messung mechanischer Schwingungen,

schlossen. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wurde das

Da an den hinsichtlich ihres Schwingungsverhaltens wattmetrische Analysierverfahren angewandt. Bei zu untersuchenden Objekten — beispielsweise Ma- 10 diesem Verfahren wird beispielsweise das das Schwinschinen — in der Regel Schwingungsgemische auf- gungsgemisch repräsentierende Wechselspannungstreten, kommt der Analyse solcher Schwingungs- gemisch der Spannungsspule eines elektrischen Wattgemische besondere praktische Bedeutung zu. Eine meters bekannter Bauart zugeleitet. Die das Feld derartige Schwingungsanalyse hinsichtlich Frequenz erregende Stromspule wird mit der sinusförmigen und Amplitude der einzelnen Schwingungsanteile läßt 15 Wechselspannung variabler Frequenz eines Tonauf Grund der Frequenzbestimmung den Störherd, frequenzgenerators beschickt. Bei dieser Anordnung d. h. den Schwingungserreger erkennen, die Be- wird eine Bandbreite von theoretisch 0 Hz erreicht, Stimmung der zugehörigen Teilamplitude dessen so daß es möglich ist, Linienspektren eines Schwin-Einflußgröße. gungsgemisches aufzunehmen. Damit ist es auch

Zur Durchführung solcher Schwingungsanalysen 20 möglich, frequenzmäßig außerordentlich eng be-

auf elektrischem Wege sind verschiedene Wege be- nachbart liegende Schwingungsanteile voneinander zu

kanntgeworden. trennen. Wegen des Einflusses des Phasenwinkels

Eine bekannte Einrichtung besteht aus einem zwischen der Teilschwingung des zu analysierenden

Schwingungsaufnehmer an sich bekannter Bauart Schwingungsgemisches und der Generatorschwingung

— beispielsweise einem die Schwinggeschwindig- 25 auf die Amplitudenanzeige und auch wegen der Tat-

keit messenden, tief abgestimmten Tauchspulen- sache, daß die Frequenzkonstanz einer mechanischen

aufnehmer — und einem nachgeschalteten frequenz- Schwingung relativ gering ist, eignet sich dieses

selektiven Wechselspannungsverstärker, bei dem die multiplikative Mischungsverfahren vorzugsweise für

Frequenz, bei der maximale Verstärkung stattfindet, registrierende Einrichtungen, d. h. für Meßanordnun-

in weiten Grenzen von Hand oder durch Motor- 30 gen, bei denen die Frequenzabstimmung des Ver-

abstimmung variiert werden kann. Für solche gleichsgenerators mit hinreichend langsamer Ge-

frequenzselektiven Verstärker verwendet man als schwindigkeit motorisch erfolgt, während synchron

frequenzbestimmendes Glied meist ein Doppel-T-ÄC- zu dieser Frequenzabstimmung der Papiervorschub

Netzwerk, das im Gegenkopplungszweig des Meß- des beispielsweise als Linienschreiber ausgebildeten

Verstärkers eingeschaltet ist, wobei die Frequenz- 35 Wattmeters erfolgt. In diesem Fall kann das Re-

abstimmung durch kontinuierliche Veränderung des gistrierpapier direkt mit einer Frequenzteilung be-

R- und/oder C-Teils des Netzwerkes erfolgt. Eine druckt werden.

derartige Einrichtung hat zwar den Vorteil einer über Dieses Verfahren hat nun den Vorteil eines ausden Abstimmbereich konstanten relativen Band- gezeichneten Auflösungsvermögens bei tiefen Frebreite, sie hat jedoch den Nachteil, daß infolge von 40 quenzen. Bei hohen Frequenzen aber entstehen hin-Gleichlaufschwierigkeiten der Abstimmelemente die sichtlich der Genauigkeit der Amplitudenanzeige beBandbreite oftmals nicht hinreichend schmal ge- achtliche Schwierigkeiten, da die Drehspule des halten werden.kann. Hieraus resultiert, daß es unter Wattmeters nicht nur einen ohmschen Widerstand Umständen nicht möglich ist, zwei frequenzmäßig besitzt, sondern auch eine verhältnismäßig hohe eng benachbart liegende Teilschwingungen eines Ge- 45 Selbstinduktiqn, die auf Grund des mechanischen misches voneinander zu trennen. Außerdem ist die Aufbaues des Wattmeters darüber hinaus kapazitiv Oktavdämpfung eines derartigen Filters oftmals nicht belastet ist. Das heißt, dieses Verfahren versagt bei ausreichend. Eine weitere Schwierigkeit besteht bei höheren Frequenzen. Dies um so mehr, als auch das der Herstellung solcher Geräte in dem oftmals sehr durch den Vergleichsgenerator erregte Eisen des zeitraubenden Abgleich, der mit großer Sorgfalt vor- so Wattmeters frequenzmäßig obere Grenzen setzt. Dargenommen werden muß, damit die Amplituden- über hinaus bedarf es zur Felderregung des Wattmcßfehler einer derartigen Meßeinrichtung hin- meters relativ großer Energien, so daß der Verreichend klein bleiben. gleichsgenerator eine hohe Ausgangsleistung besitzen

Als weiteres Verfahren zur Analyse von Schwin- muß. Damit aber wird ein solcher Generator nicht

gungsgemischen ist das sogenannte Differenzton- 55 nur kostspielig, sondern es sind auch mit relativ

Verfahren bekanntgeworden. Es handelt sich hierbei großem Aufwand verbundene Maßnahmen zur

um ein Überlagerungsvcrfahren, bei dem das zu Stabilisierung des Erregerstromes zu, ergreifen, die

untersuchende Schwingungsgemisch mit einer sinus- vorzugsweise bei größeren Leistungen und tiefen

förmigen Wechselspannung variabler Frequenz über- Frequenzen erhebliche Schwierigkeiten mit sich

lagert und einem auf eine relativ niedrige Frequenz 60 bringen.

fest abgestimmten Filter zugeleitet wird. Infolge Es wäre nun denkbar, zur Vermeidung dieser

dieser festen Abstimmung des Filters arbeitet eine Nachteile keine Wattmeter üblicher Bauart, sondern

durartige Hinrichtung mit konstanter absoluter Band- ein elektronisches Wattmeter zu verwenden, bei dem

breite, die durch .die Frequenz des fest abgestimmten die Mischung mit der sinusförmigen Wechsel-

I'illers bestimmt wjrd. Liegen.Teilschwingungen ilus 65 spannung des Vergleichsgencrators in dem zwischen

zu untersuchenden Schwingungsgemisches frequenz- Schwingungsaufnehmer und Anzeigegerät, einge-

mäßig in der Größenordnung dieser Bandbreiten- schalteten Verstärker vorgenommen wird. Derartige

frequenz, so lassen sie sich infolge der '■— in diesem Schaltungen sind in vielfältiger Weise bekannt, doch

es besteht bei all diesen Schaltungen und An- dem Sinus bzw. Kosinus des Phasenwinkels zwischen

Ordnungen die Schwierigkeit, größere Frequenz- beiden. Daraus folgt, daß nur dann eine konstante

bereiche überstreichen zu können, es sei denn, daß Hallspannung abgegeben wird, wenn die Frequenz

ein relativ großer elektronischer Aufwand getrieben des Steuerstromes des Hallspannungscrzeugers und

wird. Damit aber wird ein derartiges Gerät nicht nur 5 die auf das Schwingungssystem einwirkende Frequenz

teuer, sondern infolge der Vielzahl der eingesetzten gleich sind. Damit wird die Analyse des auf das

Bauelemente auch in gewissem Maße betriebs- Schwingungssystem des Aufnehmers einwirkenden

unsicher. und zu untersuchenden Schwingungsgemisches mög-

Die Erfindung vermeidet die Nachteile der be- lieh. Infolge der geringen Eigenkapazität des Hallkannten Anordnungen. Entsprechend dem vorher ge- ίο Spannungsgenerators kann die Analyse bis zu sehr schilderten Stand der Technik geht sie aus von einer hohen Frequenzen hin praktisch ohne Amplituden-Anordnung zur Messung mechanischer Schwingun- verzerrung erfolgen. Dank des sehr kleinen Energiegen, bestehend aus einem Schwingungsaufnehmer, bedarfs des Hallspannungserzeugers kann ein Steuerder die mechanische Meßgröße in eine elektrische generator mit relativ kleiner Leistungsabgabe verGröße umwandelt, einem Meßgerät für die elektrische 15 wendet werden, was die Meßeinrichtung preiswürdig Größe und einem elektrischen Vergleichsgenerator gestaltet.

mit einstellbarer Vergleichsfrequenz zur Durch- Als Vergleichsgenerator kann ein elektronischer führung von Schwingungsanalysen nach dem multi- Tonfrequenzgenerator bekannter Bauart verwendet plikativen Überlagerungsverfahren. Die Erfindung werden. Ebenso ist es aber auch möglich, als Verbesteht darin, daß bei Verwendung eines Schwin- 20 gleichsgenerator mechanisch elektrische Wandler gungsaufnehmers mit elektrischer Fremderregung der zu verwenden, beispielsweise zweipolige Tacho-Vergleichsgenerator die Fremderregung speist und generatoren.

das Meßgerät für die elektrische Größe ein aus- Auf Grund der Tatsache, daß auch der Phasenschließlich Gleichstrom messendes Instrument ist. winkel zwischen dem durch die mechanische Ein-Durch die Speisung der Fremderregung durch den 25 flußgröße gewonnenen Signal und dem- Steuersignal Vergleichsgenerator wird erreicht, daß die multi- aus dem Vergleichsgenerator in die vom HaIlplikative Überlagerung im Schwingungsaufnehmer Spannungserzeuger abgegebene Spannung eingeht, selbst erfolgt. Hierdurch werden die Schwierigkeiten, eignet sich eine derartige Einrichtung auch zur die bei den bisher benutzten wattmetrischen Ver- Durchführung von Phasenwinkelmessungen, indem fahren bestanden, vermieden. Da die vom Schwin- 30 beispielsweise der Vergleichsgenerator mit einem gegungsaufnehmer abgegebene Leistung verhältnis- eichten Phasenschieber versehen ist und dieser mäßig klein ist, bereitet es keine Schwierigkeiten, Phasenschieber so lange gedreht wird, bis die vom auch bei hohen Frequenzen die Multiplikation durch- Hallgenerator abgegebene Spannung einen'Maximalzuführen, ohne daß Störeffekte auftreten. Die vom wert erreicht. Die Phasendifferenz zwischen der Vergleichsgenerator abzugebende Leistung ist auch 35 mechanischen Meßgröße und der vom Vergleichsnicht so groß, daß hierdurch die Messung erschwert generator abgegebenen Wechselspannung kann dann wird. Die vom Schwingungsaufnehmer abgegebene an der Skala des geeichten Phasenschiebers abgelesen elektrische Größe kann in den üblichen Meß- werden.

Verstärkern verstärkt werden und ohne weitere Maß- Es ist bei der Durchführung von Schwingungs-

nahmen direkt einem üblichen Anzeige- bzw. Re- 40 messungen oftmals von Vorteil, den Phasenwinkel

gistriergerät zugeführt werden. zwischen der mechanischen Bewegung eines Ma-

AIs Schwingungsaufnehmer mit Fremderregung schinenteils, beispielsweise der Rotationsbewegung, können die bekannten Ausführungen dienen, z. B. und der durch sie ausgelösten Schwingungsbewegung die schon erwähnten Tauchspulsysteme, bei denen zu messen. Bedient man sich bei der Durchführung dann das Erregungsfeld von dem Vergleichsgenerator 45 einer solchen Messung eines elektronischen Tongespeist wird. Ebenso können Schwingungsaufnehmer frequenzgenerators, so wird dieser durch eine von mit kapazitiver Umwandlung der Meßbewegung in außen zugeleitete Wechselspannung geeigneten Zeiteine elektrische Größe benutzt werden, bei denen Verlaufs phasensynchronisiert, wobei diese der dann die Speisespannung durch den Vergleichs- Phasensynchronisierung dienende Wechselspannung generator geliefert wird. 50 die mechanische Bewegung zumindest phasenmäßig

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn als Schwin- repräsentiert.

gungsaufnehmer ein Hallspannungserzeuger benutzt Ist der Phasenwinkel zwischen der Rotationswird. Derartige Schwingungsaufnehmer gehören zum bewegung eines Maschinenteils und der durch sie Stand der Technik· (vgl. deutsche Patentschrift ausgelösten Schwingbewegung zu messen — eine 1 125 666). Bei diesen Schwingungsaufnehmern wer- 55 Aufgabe, wie sie vorzugsweise beim Auswuchten geden ein Hallspannungserzeuger und ein Magnetfeld stellt wird —, so ist es oftmals von Vorteil, als relativ zueinander bewegt und entweder der Hall- Vergleichsgenerator einen mechanisch elektrischen Spannungserzeuger oder aber das Magnetfeld bzw. Wandler zu verwenden, z. B. einen zweipoligen der Magnet als Teil des schwingungsfähigen Systems Tachogenerator, der in geeigneter Weise an die Welle des Aufnehmers ausgebildet. Gemäß einer weiteren 60 des umlaufenden Maschinenteils angekuppelt ist. Bei Ausgestaltung der Erfindung wird als Steuerstrom Anwendung der Erfindung wird die von diesem für den Hallspannungserzeuger nicht wie üblich mechanisch elektrischen Wandler abgegebene und Gleichstrom, sondern ein von dem Vergleichs- die Drehbewegung repräsentierende Spannung — generator gelieferter Wechselstrom einstellbarer Fre- eventuell unter Zwischenschaltung erforderlicher quenz benutzt. Dadurch wird die Hallspannung 65 Regelglieder, z. B. Heißleiter — dem Schwingungsgleich dem Produkt der aus der mechanischen aufnehmer, z.B. dem Hallspannungserzeuger, als Schwingimgscrregung resultierenden Größe mal dem Steuergröße zugeführt. Bei einer solchen Anordnung den Hallspannungserzeuger steuernden Strom mal wird mit dem Ziele der Möglichkeit der Bestimmung

Claims (7)

1. des Phasenwinkel der Stator des mechanisch elek- Größe der Hallspannung wird auf dem eventuell als ' taschen Wandlers so drehbar ausgebildet, daß er Registriergerät ausgebildeten Meßinstrument 10 anwährend der Messung gedreht werden kann, bis. die gezeigt bzw. registriert. Zur Durchführung der Hallspannung einen maximalen Wert annimmt. Aus Schwingungsanalyse wird der Vergleichsgenerator 8 der Stellung des Stators kann dann auf den Phasen- 5 von Hand oder motorisch über seinen Frequenzwinkel zwischen Bewegungs- und Schwingungsgröße bereich hin abgestimmt und der Ausschlag am Meßgeschlosscn werden. instrument 10 beobachtet bzw. registriert.

   Zur Messung des Phascnwinkels kann es je nach In Fig. 2 ist 11 wiederum der beschriebene Aufgabenstellung dienlich sein, nicht den resultieren- Schwingungsaufnehmer. Die Hallspannung wird von den Vektor der Schwingung relativ zur Dreh- io dem Meßinstrument 12 angezeigt. Die Steuerbewegung zu bestimmen, sondern ihn in Kpmponen- spannung wird in dem elektronischen Vergleichsten zu zerlegen. Dies kann beispielsweise zur Zer- generator 13 erzeugt, dem zur Phasenwinkelmessung legung in 90°-K.omponentcn dadurch erfolgen, daß der Phasenschieber 14 nachgeschaltet ist. Die Steueran das umlaufende Maschinenteil zwei mechanisch spannung wird in dem Stabilisator 15 konstant geelcktrische Vergleichsgcneratorcn angekuppelt sincl, 15 halten und dem Hallspannungserzeuger im Schwinderen Statoren gegenseitig um 90° gedreht sind. Da- gungsaufnehmer 11 zugeführt. Nach Abstimmung des mit sind auch die den Verglcichsgeneratoren zu ent- Vergleichsgenerators 13 auf ein Ausschlagmaximum nehmenden Verglcichswechselspannungen um 90° am Meßinstrument 12 wird der Phasenschieber 14 so phasenverschoben. Leitet man dem Hallspannungs- lange betätigt, bis der Größtausschlag am Meßerzeuger als Steuerstrom einmal das Signal des einen 20 instrument erreicht ist. Der Phasenwinkel zwischen Wandlers und zum anderen das Ausgangssignal des dem Wechselspannungssignal des Vergleichsgeneraandercn Wandlers zu. so lassen sich die 9Ö°-Kom- tors und der mechanischen Teilschwingung kann poncntcn des resultierenden Schwingungsvektors be- dann an der Skala des Phasenschiebers abgelesen stimmen. werden. Soll, wie beispielsweise bei der Unwucht-

   Wird die Aufteilung in 60°- bzw. 120°-Kom- 35 bestimmung notwendig, der Phasenwinkel zwischen

   poncntcn gewünscht, so sind dementsprechend drei der Drehbewegung eines umlaufenden Maschinenteils

   mechanisch elektrische Wandler als Vergleichs- 17 und der durch sie erzwungenen mechanischen

   generatoren zu verwenden bzw. kann durch geeignete Schwingung bestimmt werden, so kann diese Dreh-

   elcktrischc Phasenschicberschaltungen auch mit bewegung, wie in Fig. 2 dargestellt, beispielsweise

   einem einzigen mechanisch elektrischen Wandler als 30 durch eine Fotozelle oder einen Fotowiderstand 16

   Vergleichsgencrator. eine Komponentenaufteilung in dadurch abgetastet werden, daß das umlaufende

   beliebigen Winkelkomponcnten erfolgen. Maschinenteil mit einer Kontrastmarkierung 18 ver-

   Schließlich können an Stelle des bzw. der an das sehen wird. Die Impulsspannung der Fotozelle oder umlaufende Maschinenteil mechanisch anzukuppeln- des Fotowiderstandes 16 dient dann der Phasenden, mechanisch elektrischen Wandler auch be- 35 synchronisierung des Vergleichsgenerators 13, und rührungslos arbeitende Wandler als Vergleichs- der Phasenwinkel zwischen Drehbewegung und der generatoren herangezogen werden, beispielsweise daraus resultierenden mechanischen Schwingung lichtelektrische Einrichtungen, die eine auf das um- kann wiederum durch Einregeln des Phasenschiebers laufende Teil aufgebrachte Kontrastmarkierung ab- 14 auf Ausschlagsmaximum am Meßinstrument 12 tasten. 40 gemessen werden.

   Für die Gegenstände der echten Unteransprüche 2 F i g. 3 zeigt ein Schwingungsmeßgerät, bei dem

   bis 8 wird Patentschutz nur in Verbindung mit dem nicht der resultierende Vektor der Schwingung relativ

   Hauptanspruch begehrt. zur Drehbewegung bestimmt wird, sondern seine

   An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung Zerlegung in 90°-Komponenten erfolgt. In dieser

   näher an Ausführungsbeispielen erläutert werden. 45 Figur ist 19 ein Maschinenteil, das in den Lagern 20

   F i g. 1 zeigt den Blockaufbau des Schwingungs- gelagert ist und über eine Gelenkwelle 21 vom Motor

   meßgerätes, 22 angetrieben wird. An den Motor 22 sind zwei

   F i g. 2 die Phasenwinkelmessung unter Ver- zweipolige Tachogeneratoren 23 und 24 mechanisch

   wendung eines elektronischen Vergleichsgenerators, angekuppelt, deren Feldwicklungen gegeneinander

   Fig. 3 die Phasenwinkelmessung durch Aufteilung 50 um 90° gedreht sind. Am vorderen Lager22 ist der

   in 90^%-Komponenten unter Verwendung mechanisch Schwingungsaufnehmer25 angebracht, der die durch

   elektrischer Wandler als Vergleichsgeneratoren. Unwucht erregten mechanischen Schwingungen dieses

   In Fig. 1 ist 1 der Schwingungsaufnehmer, be- Lagers in analoge elektrische Größen umwandelt. stehend aus einem Gehäuse 2, in das ein schwin- Die hierzu erforderliche Steuerspannung für den gungsfähigcs System — gebildet aus der Feder 3 und 55 Schwingungsaufnehmer wird nun über den Schalter der Masse 4 — eingebaut ist. 5 ist ein auf die 26 wahlweise von dem Tachogenerator 23 oder schwingende Masse aufgesetzter Magnet. Das System . dem Tachogenerator 24 abgenommen, wodurch der ist durch den Dämpfer 6 gedämpft. Gegenüber dem Schwingungsvektor in um 90° gegeneinander veran der schwingenden Masse angebrachten Magneten setzte .v-y-Koordinaten aufgetrennt wird. Die Anzeige ist der Ilallspannunpscrzctigcr 7 angeordnet, der aus 60 der Komponenten erfolgt auf dem Meßinstrument 27. einem /wischen zwei Fcrrilplattcn befindlichen Hall- ■ ..
   blättchen besteht Die llalblcilcrschicht wird senk- I alcntansprucnc:
   recht zur Zeichcncbciic von einem Wcchselstcucr- I. Anordnung zur Messung mechanischer strom durchflossen, der von einem Vergleichs- Schwingungen, bestellend aus einem Schwingungsgenerator 8 erzeugt wird und dessen Ausgangs- 65 aufnehmer, der die mechanische Meßgröße in spannung zur weitgehenden Kompensation der Tem- eine elektrische Größe umwandeln einem Mcßpcniliirahhängipkcil des Hallspanniinpscrzcugm in gerät für die elektrische Größe und einem clckeiiK-m Stabilisator 9 konstant gehalten wird. Die Irischen Vergleichsgcnerator mil einstellbarer

   Vergleichsfrequenz zur Durchführung von Schwingungsanalysen nach dem multiplikativen Überlagerungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Schwingungsaufnehmers (1) mit elektrischer Fremderregung der Vergleichsgenerator (8) die Fremderregung speist und das Meßgerät (10) für die elektrische Größe ein ausschließlich Gleichstrom messendes Instrument ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Hallspannungserzeugers (7) als Schwingungsaufnehmer, dessen Steuerstrom durch den Vergleichsgenerator (8) geliefert wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsgenerator (8) ein elektronischer Tonfrequenzgenerator verwendet wird.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsgenera- ao tor ein Wandler (23,24; 16,13) verwendet wird, ^s

   der eine mechanische Bewegung in eine elektrische Größe umwandelt.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4 zur Durchführung von Phasenwinkelmessungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsgenerator mit einem geeichten Phasenschieber (14) verbunden ist.
6. . 6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Vergleichsgenerator (13) durch eine von außen zugeleitete Wechselspannung (16) phasensynchronisiert ist.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die phasensynchronisierende Spannung von mechanischen Wandlern (23,24) geliefert ist.

   •8. Anordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer (25) umschaltbar' auf verschiedene Vergleichsgeneratoren (23,24) für die Phasensynchronisierung ist, die Spannungen mit gegeneinander fest einstellbaren Phasenwinkeln liefern.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 628/205