DE2319927A1

DE2319927A1 - Wirbelstrommessfuehler

Info

Publication number: DE2319927A1
Application number: DE19732319927
Authority: DE
Inventors: George A Gallant
Original assignee: Simmonds Precision Products Inc
Current assignee: Simmonds Precision Products Inc
Priority date: 1972-04-20
Filing date: 1973-04-19
Publication date: 1973-10-31
Also published as: JPS4947807A; FR2181078B1; GB1386035A; FR2181078A1; IT984760B; CA984463A; CH558532A

Description

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PATENTANWALT ^L ^J ' ° ° *~

HEINZ LiNSER

PHYSIKER

D-6072 DRSIEiCHENHAlN

BERLINER RING 170
«(06103)81813

Simmonds Precision Products, Inc

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Die Erfindung betrifft einen Wirbelmeßfühler, insbesondere zur Messung von in nichtmagnetischen elektrisch leitenden Materialien induzierten Wirbelströmen, wie in elektrischen Leitern, die sich nahe dem Meßfühler vorbeibewegen, wobei der Meßfühler einen Magnetkern mit einer integrierten Stützplatte, ein sich senkrecht dazu erstreckendes Schenkelpaar und einen dazwischen von den Schenkeln entfernt angeordneten Magneten mit jeweils einem Luftspalt zwischen den Schenkeln aufweist.

Die Drehzahl von Flugzeugturbinen ist entscheidend und muß mit großer Sorgfalt bestimmt werden. Die Drehzahl wird bisher mit Hilfe eines elektronischen Meßwertgebers gemessen, der den Durchgang einer Vielzahl metallischer Vorsprünge der Welle oder einer Hilfswelle mißt, welche mit einem Getriebegekoppelt ist. Die sich so ergebende Impulsreihe wird elektronisch in eine sichtbare Anzeige der Maschinendrehzahl untersetzt.

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Der bekannteste Meßwertfühler dieser Art bestellt aus einem elektronischen Oszillator, der im Meßkopf einen Resonanz wechselstromkreis mit einer Hochfrquenz aussteuert. Der Durchgang eines Metallstückes in der Nähe des Meßkopfes ändert den magnetischen Widerstand, wodurch sich der Resonanzpunkt ändert, der als Impuls gemessen wird. Ein derartig ausgebildeter ■Meßkopf mit der dazugehörigen Schaltung ist jedoch äußerst kompliziert und sehr anfällig gegen Beschädigungen, hervorgerufen durch Stöße oder Schwingungen. Darüberhinaus erfordert ein derartiges System eine sorgfältige Abschirmung und Auslegung, um die Auswirkungen zu verringern, welche durch Streufelder o.a. auftreten. Der Meßkopf ist auch wegen seiner Elektronik außerordentlich temperaturempfindlich, der somit nur in einer Umgebung angeordnet werden kann, die für sein genaues Funktionieren nicht nachteilig ist.

Es ist ferner eine zweite Art eines Meßwertfühlers bekannt, die nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet, welche jedoch mit einer einzigen Meßwertgeberspule ausgerüstet ist, wodurch sie gegen einen Streupegel empfindlich ist, der die Signale überlagert, welche durch die Wellenvorsprünge erzeugt werden. Eine solche bekannte Vorrichtung geht beispielsweise aus der österreichischen Patentschrift Nr. 172 283 hervor, die als Kontrolleinrichtung .zur Anzeige von Drehbewegungen oder zur Kontrolle des Gleichlaufs für elektrische Triebfahrzeuge Anwendung findet. Diese bekannte Art eines Wirbelstrommeßfühlers hat den großen Vorteil, daß ein robuster Meßkopf vorhanden ist, der in eine Maschine eingebaut werden kann, bei der die Turbinenschaufeln, welche direkt auf der Welle befestigt sind, als leitende Vorsprünge zur Messung der Drehzahl verwendet werden. Das Vorhandensein eines Störpegels erfordert jedoch eine komplizierte Schaltung, um die Signale auszufiltern, damit die ge-

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wünschten Werte gewonnen werden können .

Die physikalische Auslegung eines derartigen Meßfühlers ist auf Grund der sehr extremen Bedingungen innerhalb einer Turbine, in der ein solches Gerät verwendet werden soll, äußerst schwierig. Die sehr hohen Temperaturen und enormen Schwingungspegel erfordern eine Vorrichtung, die sehr standfest ist und die auch die Stabilität und Festigkeit behält, um einen zufriedenstellenden Meßvorgang zu erzielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelstrommeßfühler anzugeben, der in der Lage ist, den sehr dicht und mit höher Geschwindigkeit erfolgenden Vorbeigang eines nichtmagnetischen, jedoch elektrisch leitenden Materials zu messen.

Eine weitere Ai fgabe der Erfindung besteht darin, einen Meßfühler anzugeben, welcher so aufgebaut ist, daß er die Auswirkungen eines magnetischen Streufeldes und eines Grundstörpegels unterdrückt.

Eine noch andere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, daß ein Meßfühler vorgeschlagen wird, der stabil aufgebaut und schwingungsunempfindlich ist, so daß er in Flugzeugturbinen verwendet werden kann.

Eine noch andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, daß ein Wirbelstrommeßfühler vorgeschlagen wird, der in der Lage ist, der inneren Temperatur einer Flugzeugturbine zu widerstehen.

Die Lösung dieser Aufgaben besteht darin, daß gemäß der Erfindung bei einem Wirbelstrommeßfühler der eingangs ; aufgeführten Art die Schenkel mit jeweils

einer Wicklung versehen sind, die in Reihe liegen und um die Schenkel einen entgegengesetzten Wicklungssinn

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aufweisen, derart, daß zu den Wicklungsa:chs.en entgegengesetzt gerichtete und parallel verlaufende, die Wicklungen durchdringende Magnetflußänderungen sich addierende Spannungen erzeugen und zu den Wicklungsachsen gleichgerichtete und parallel verlaufende, die Wicklungen durchdringende Magnetflußänderungen sich aufhebende Spannungen erzeugen. Der Meßfühler nach der Erfindung ist hinsichtlich der Magnetflußfelder seiner Luftspalte in einer Bahn angeordnet, auf der ein oder mehrere Leiter geführt sind. Der Meßfühler nach der Erfindung ist in vorteilhafter Weise in oder auf der Wandung eines Turbinengehäuses angeordnet, wobei das nichtmagnetische elektrisch leitende Material von den Schaufeln der Turbine gebildet wird. Die Wicklungen des Meßfühlers sind über eine Leitung mit einem Frequenzzähler verbunden. Als Magnet wird vorteilhaft ein Permanentmagnet verwendet, der mit einer Seite mit dem Magnetkern befestigt ist und dessen andere Seite die Luftspalte bildet. Der Magnetkern mit dem Magneten weist vorteilhaft eine E-förmige Gestalt auf, wobei der Magnet den mittleren Schenkel derselben bildet. Zur Messung der in den Wicklungen induzierten Spannungen sind entsprechende Spannungsmeßeinrichtungen vorgesehen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung des Meßfühlers in Bezug auf seine Lage zu einer Turbinenschaufel;

Figur 2 eine graphische Darstellung der in der Schaufel induzierten Wirbelströme und der Änderung in dem Fluß in jedem Pol in Bezug auf den Meßfühler und die Schaufelstellung während des Durchganges der Schaufel und der in den Wicklungen induzierten Spannungen; und

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Figur 3 die Flußänderungen und induzierte Spannung auf Grund der Streufelder.

In Figur 1 ist der Kern 10 eines Meßfühlers dargestellt, der eine Stützplatte 11 aus ferromagnetischem Material mit einem rechteckigen Querschnitt aufweist, an der an einer Seite durch Schweißen oder mit Hilfe anderer Maßnahmen ein Schenkel 12 starr und rechtwinklig befestigt ist, welcher ebenfalls aus ferromagnetischem Material besteht. Am gegenüberliegenden Ende der Stützplatte 11 befindet sich in ähnlicher Weise befestigt der Schenkel 13, welcher sich in die gleiche Richtung wie der Schenkel erstreckt und der ebenfalls aus ferromagnetischem Material besteht, wobei die Schenkel 12 und 13 genau die gleiche Länge und gleichen Querschnitt aufweisen. Genau in der Mitte zwischen den Schenkeln 12 und 13 befindet sich der Magnet 14, welcher mit der Stützplatte 11 starr verbunden ist und der einen ruhenden Magnetfluß bewirkt und welcher ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt aufweist und genau die gleiche Länge wie die Schenkel 12 und 13 hat, so daß magnetische Luftspalte 15 und 16 gebildet werden. Durch den Magneten 14 wird ein Flußfeld 17 und 18 erzeugt, wobei der Fluß 17 dann, wenn das oberste Ende des Magneten 14 ein Nordpol ist, im Uhrzeigersinn durch den rechten Magnetkreis verläuft, während der Fluß 18 durch den linken Magnetkreis im Gegenuhrzeigersinn verläuft. Die Wicklung 19 ist eng um den Schenkel 12 gewickelt und besteht aus einem einzigen, als isolierter Draht ausgebildeten Leiter, wobei das eine Ende mit einem Draht der Ausgangsleitung 20 verbunden ist.

In ähnlicher Weise ist die Wicklung 21 um den Schenkel gewickelt, die zur Wicklung 19 gleich ausgebildet ist und zur Wicklung 19 in Reihe liegt, derart, daß die zwei Wicklungen sich gegenseitig unterstützen, wie im folgenden näher erläutert wird. Das andere Ende der Wicklung 21 ist mit dem zweiten Draht des Ausgangskabels

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verbunden.

Wenn das Feld des Magnetflusses ungestört ist, so daß keine Änderung des bestehenden ruhenden Magnetfeldes auftritt, so wird in den Wicklungen keine Spannung erzeugt und an der Leitung 20 tritt keine Ausgangsspannung auf. Die Turbinenschaufel 22, die aus elektrisch leitendem Material besteht, jedoch nicht magnetisch ist und die mit der sich drehenden Turbinenwelle 23 verbunden ist, welche im rechten Winkel zur Ebene des Meßfühlerkernes 10 verläuft, wird an der Vorderseite des Meßfühlerkernes IO von links nach rechts vorbeigeführt und schneidet den magnetischen Fluß 17 und 18. Wenn die Turbinenschaufel 22 in das Flußfeld 18 des Meßkernes 10 eindringt, so werden in der Schaufel 22 Wirbelströme 24 erzeugt, die dem Feld 18 entgegengerichtet sind und wenn die Schaufel 22 an der Vorderseite des Magneten 14 vorbeigeht und in das Feld 17 eindringt, kehren sich die Wirbelströme um, da auch das Feld umgekehrt verläuft, um dem bestehenden Feld entgegenzuwirken. Wenn daher der ruhende Fluß gestört wird, wird zuerst in dem Magnetkreis 18 eine magnetische Änderung induziert, so daß daher in der Spule 21 eine Spannung induziert wird und sodann wird in dem magnetischen Kreis 17 eine magnetische Änderung und in der Spule 19 eine Spannung induziert, deren Wirkungen im folgenden erläutert werden.

In Figur 2 ist ein Meßfühlerkern 10 mit den mganetischen Flußfeldern 17 und 18 dargestellt, die über die Luftspalte 15 und 16 verlaufen. Genau unterhalb der Polseiten des Meßfühlerkernes 10 sind die Wirkungen der Wirbelstromstörungen in Bezug auf die relative Stellung der Turbinenschaufel 22 oder irgeneines leitenden, jedoch nichtmagnetischen Materials graphisch dargestellt, die durch das Magnetflußfeld 17 und 18 in Richtung des Pfeiles 25 geführt wird.

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^T'"enn die Turbinenschaufel in das Flußfeld 18 eintritt, werden Wirbelströme induziert, die dem Feld entgegengerxchtet sind und welche die Flußdichte in dem Schenkel 13 des Meßfühlerkernes 10 vermindern, wie aus der Kurve 26 ersichtlich ist, welche die Flußdichtenänderung in dem Schenkel 13 graphisch wiedergibt. Dieses induzierte Feld, das dem Feld 18 entgegengerxchtet ist, unterstützt das Flußfeld 17 in dem Schenkel 12 des Meßfühlerkernes 10, so daß der Fluß ansteigt, wie aus der Kurve 27 ersichtlich ist, die eine Flußdichtenänderung im Schenkel 12 graphisch wiedergibt.

Wenn die Turbinenschaufel 22 das Magnetflußfeld 18 verläßt und in das Magnetflußfeld 17 eindringt, werden die Wirbelströme erneut umgekehrt und gegen das Feld gerichtet, so daß die Flußdichte im Schenkel 12 des Meßfühlerkernes 10 vermindert wird und die Flußdichte in dem Schenkel 13 ansteigt, wie den Kurven 26 und 27 deutlich zu entnehmen ist. In diesen Darstellungen sind die Änderungen des Flußfeldes wiedergegeben.

Die in den Wicklungen 21 und 19 induzierten Spannungen gehen aus den Kurven 28 und 29 hervor und können wie folgt beschrieben werden. Wenn die Turbinenschaufel 22 in das Magnetflußfeld 18 eintritt, ist der durch die Wirbelströme in der Turbinenschaufel 22 in dem Schenkel 13 induzierte effektive Fluß zunehmend, wodurch in der Wicklung 21 eine Spannung induziert wird, die das obere Ende positiv macht, wie βμβ der Kurve 28 ersichtlich ist. Der in dem Schenkel 12 induzierte effektive Fluß ist abwärts gerichtet und induziert in der Wicklung 19 eine ähnliche Spannung, die das untere Ende positiv macht, wie aus der Kurve 29 ersichtlich ist, und da die Wicklungen in Reihe liegen, addieren sich die beiden Spannungen, wie aus der Kurve 30 hervorgeht, welche die Ausgangsspannung an der Leitung 20 wiedergibt.

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Wenn die Turbinenschaufel 22 in das Magnetflußfeld 17 eindringt, kehren sich die Wirbelströme um und bewirken* daß der effektive Fluß in dem Schenkel 12 zunimmt, wodurch in der Wicklung 19 eine Spannung induziert wird,, die ihr oberes Ende positiv macht, wie aus der Kurve 29 zu entnehmen ist, und der effektive in dem Schenkel 13 induzierte Fluß ist abnehmend und induziert in der Wicklung 21 eine ähnliche Spannung, wodurch die Spannungen additiv gemacht werden, jedoch in der entgegengesetzten Richtung, wie der Kurve 30 zu entnehmen ist.

Die Ausgangsleitung kann mit einer von mehreren verfügbaren an sich bekannten Frequenzzäh!schaltungen verbunden werden, welche durch den Block 32 in Figur 1 angedeutet sind, die mit einer Vorrichtung zur Umwandlung in eine sichtbare Anzeige der Geschwindigkeit ausgerüstet sein können, wie durch das Bezugszeichen 33 in Figur 1 dargestellt ist. Derartige Schaltungen und Einrichtungen sind an sich bekannt und sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Der oben beschriebene Wirbelstrommeßfühler nach der Erfindung erlaubt eine Addition der durch die Turbinenschaufel induzierten Wicklungsspannungen, während dagegen unerwünschte Störungen subtrahiert werden, wodurch ein Meßfühler geschaffen wird, der ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis aufweist. Dieses Ergebnis ist sehr wünschenswert, da die durch Stöße, Vibrationen und starke Felder erzeugten Rauschspannungen in erheblichem Maße gedämpft sind. Diese Dämpfung wird in einer Weise erzielt, die im folgenden beschrieben wird.

In Figur 3 ist der Wirbelstrommeßfühler mit einem magnetischen Streuflußfeld dargestellt, welches durch die Pfeile 31 bezeichnet ist. In diesem Falle ist das Feld dem Fluß in dem Schenkel 12 des Meßfühlerkernes IO entgegengerichtet, wodurch im Schenkel 12 eine Spannung

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erzeugt wird, die das obere Ende der Wicklung 19 positiv macht. Das Feld ist auch dem Fluß im Schenkel 13 entgegengerichtet und induziert in ihm eine Spannung, die das obere Ende der Wicklung 21 ebenso positiv macht,
wobei die zwei Spannungen sich zu einer Nullausgangsspannung subtrahieren.

Daraus geht hervor, daß irgendein Störfluß unabhängig von seiner Frequenz oder Wellenform, welcher gleichzeitig und gleichmäßig auf beide Wicklungen trifft,
vollständig beseitigt wird und der einzige Störfluß, der übertragen wird, ist derjenige, der auf Grund der Fertigungstoleranzen oder durch Flußfelder entsteht,
die ungleichmäßig auf die Wicklungen treffen, was jedoch wegen der geringen Größe des Meßfühlers unwahrτ
scheinlich ist.

Der Meßfühler kann wegen seiner ihm zugrundeliegenden Arbeitsweise vollständig in Metall eingeschlossen
werden, so daß ein Meßfühler entsteht, der unempfindlich gegen Abrieb und Stoß ist.

Der oben beschriebene Wirbelstrommeßfühler nach der
Erfindung stellt auf Grund seiner Doppelspulenkonstruktion zur Erzeugung von Differenzspannungen eine erhebliche Verbesserung der bekannten Einrichtungen dar, mit der die am meisten auftretenden und durch Streufelder,
Schwingungen und Stöße erzeugten Störspannungen beseitigt werden.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die Messung von Drehzahlen bei Turbinen begrenzt, sondern sie kann auch zur Zählung irgeneines leitenden, jedoch nichtmagnetischen Materials verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

Wirbelstrommeßfühler, insbesondere zur Messung von in nichtmagnetischen elektrisch leitenden Materialien induzierten Wirbelströmen, wie in elektrischen keltern, die sich nahe dem Meßfühler vorbeibewegen, wobei der Meßfühler einen Magnetkern mit einer integrierten •Stützplatte, ein sich senkrecht dazu erstreckendes Schenkelpaar und einen dazwischen von den Schenkeln entfernt angeordneten Magneten mit jeweils einem Luftspalt zwischen den Schenkeln aufweist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Schenkel (12* 13) mit jeweils einer Wicklung (19 bzw. 21) versehen sind, die in Reihe liegen und um die Schenkel einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen, derart, daß zu den Wicklungsachsen entgegengesetzt gerichtete und parallel verlaufende, die Wicklungen (19, 21) durchdringende Magnetflußänderungen sich addierende Spannungen erzeugen und zu den Wicklungsachsen gleichgerichtete und parallel verlaufende, die Wicklungen (19, 21) durchdringende Magnetflußänderungen sich aufhebende Spannungen erzeugen.
2. Wirbelstrommeßfühler nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler hinsichtlich der Magnetflußfelder seiner Luftspalte in einer Bahn angeordnet ist, auf der ein oder mehrere Leiter geführt sind.
3. Wirbelstrommeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler in oder auf der Wandung eines Turbinengehäuses angeordnet ist, wobei das nichtmagnetische elektrisch leitende Material von den Schaufeln einer Turbine oder eines Gebläses gebildet wird.

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4. Wirbelstrommeßfühler nach. Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (19, 21) über eine Leitung (20) mit einem Frequenzzähler (32) verbunden sind.
5. Wirbelstrommeßfühler nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden, dadurch gekennzeic hn e t,daß ^aJ-^s Magnet (14) ein Permanentmagnet verwendet wird, der mit einer Seite mit dem Magnetkern befestigt ist und dessen andere Seite mit den beiden Schenkeln jeweils die Luftspalte (15 bzw. 16) bildet.
6. Wirbelstrommeßfühler nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden, dadurch gekennzeic hn e t, daß der Magnetkern mit dem Magneten (14) eine E-förmige Gestalt aufweist, wobei der Magnet (14) den mittleren Schenkel derselben bildet.

. Wirbelstrommeßfühler nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Leitung (20) Spannungsmeßeinrichtungen (32, 33) zur Messung der in den Wicklungen (19, 21) induzierten Spannungen verbunden sind.

PATENTANWALT

HEINZ LINSER

PHYSiKfR

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BERLINER RING 170 * (06103) 81813

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