DE2452669A1

DE2452669A1 - Vorrichtung zur bestimmung der lageaenderung eines gegenstandes

Info

Publication number: DE2452669A1
Application number: DE19742452669
Authority: DE
Inventors: Goesta Prof Hellgren
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-11-12
Filing date: 1974-11-06
Publication date: 1975-05-15
Also published as: JPS5097379U; JPS5833551Y2; SE7315257L; FR2251011B1; US3973259A; SE383046B; GB1483236A; FR2251011A1; CH572204A5

Description

l-^TEiSTANWALTE

HELMUT SCHPOiTER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. D1PL.-INO.

1. Gösta Hellgren no-hw-10

2. Gunnar Wählsten ' BB/Bi.

6. November 1974

Vorrichtung zur Bestimmung der Lageänderung eines Gegenstandes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lageänderung eines Gegenstandes entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einer bekannten Vorrichtung zum Messen der Schwingungen bei Turbinen ist ein Meßfühler vorhanden, der nahe der Oberfläche des Turbinenläufers angeordnet wird, ohne daß er ihn selbst berührt. Während der Drehung wird der Abstand zwischen dem Meßfühler und der Oberfläche gemessen, der sich aufgrund von Schwingungen verändert. Diese Abstandsänderung wird laufend gemessen. Bei dieser Vorrichtung besteht eine Schwierigkeit darin, daß der Meßfühler unter harten Einsatzbedingungen beeinflußt wird, und zwar durch die hohe Temperatur (500° C), die sich stark in Abhängigkeit von der Turbinenbelastung ändert, durch den hohen Druck und durch hohe Feuchtigkeit. Andere Meßverfahren, wie z.B. optische oder akustische Verfahren, die unter anderen Einsatzbedingungen verwendet werden können, sind " im vorliegenden Fall nicht zu gebrauchen. Das kapazitive Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes, bei dem der Gegenstand nicht berührt wird, muß im vorliegenden Fall aus praktischen Gründen,ausgeschlossen werden. Bisher wurden zum Messen der Schwingungen bei Turbinen induktive Verfahren für den magnetischen Widerstand oder für Wirbelströme verwendet.

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Andererseits ist es bekannt, die Schwingungen mittels Beschleunigungsmetern zu messen, die außen am Lager des Läufers angeordnet werden. Durch sie erhält man einen groben Überblick der entstehenden Schwingungen der Läufereinrichtung.

Bei induktiven Meßverfahren hat der Meßfühler im allgemeinen eine Spule mit mehreren Windungen, wodurch bei hohen .Temperaturen WerkstoffSchwierigkeiten entstehen. Wegen des hohen Druckes und der großen Feuchtigkeit ist es schwierig, die Gehäuse der Meßfühler abzudichten. Bei den erwähnten Einsatzbedingungen sind die Meßfühler (die Sender) nicht zuverlässig. Auch ist das erzeugte elektrische Ausgangssignal keine eindeutige Funktion der Schwingungen, da es von dem Abstand zwischen dem Sender und dem Gegenstand, der Werkstoffzusammensetzung an der Oberfläche des Gegenstandes (des Läufers) und der Temperatur abhängt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die erwähnten Nachteile zu vermeiden.

Ein Lösungsmittel dieser Aufgabe wird durch den Anspruch 1 dargestellt.

•Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung der Lageänderung eines Gegenstandes.

Fig. 2 bis 4 zeigen Signaldarstellungen der. Vorrichtung gemäß Figur 1.

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung mit einer automatischen Eichung.

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Gemäß Figur 1 hat die Vorrichtung einen Signalgeber 11, einen Signalempfänger 12, einen Schaltkreis 13 zum Vergleichen der Phasen, einen Verstärker 14 .und. eine Anzeigeeinrichtung 15. Der Signalgeber 11 gibt ein Signal auf die schwingende Membrane 10 ab, die von der Signalgeber-Empfängeranordnung einen mittleren Abstand £ hat. Die Membrane 10 wirft das Signal in Richtung auf den Empfänger 12 zurück. In dem Vergleichsschaltkreis 13 werden die Phasen des abgegebenen Signales und des empfangenen Signales miteinander verglichen. Wenn die Amplitude der Membrane 10 durch a(t) beschrieben wird, und man annimmt, daß die maximalen Werte +a sind, weicht die von dem reflektierten Signal zurückge-— max

legte Wegstrecke vom Mittelwert 2£ um +^2a _max ab. Wird die Wellenlänge des Signales mit Λ bezeichnet, so entspricht die

Änderung der Wegstrecke +2a _a„/A -Schwingungen, d.h. eine Phasen-

— max

änderung von +ß_mev = +2T*2a_rnevA . Beträgt bei einer Anordnung — max —~ max

Λ «* 3 cm und a_mQV« 1 mm, so ist ß(t) = 4T«a(t)/A ein kleiner Winkel. Wenn die mittlere Wegstrecke 2£ des reflektierten Signales ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist, sind das ausgesendete Signal und das reflektierte Signal miteinander in Phase. Dies entspricht dem links in der Figur 2 dargestellten Phasendiagramm. Das reflektierte Signal, das durch den ausgezogenen Pfeil A dargestellt ist, wird um +ß von einem Mittel-

~— max

wert aufgrund der Schwingungen der Membrane 10 abweichen, bei dem eine Phasenübereinstimmung zwischen dem ausgesendeten Signal und dem reflektierten Signal besteht. Durch den Schaltkreis 13 wird ein elektrisches Ausgangssignal e(t) erzeugt, das. als eine Projektion des Pfeiles A auf die senkrechte e(t)-Achse im Volt-Zeit-Diagramm (rechts in Figur 2) betrachtet werden kann. Infolgedessen ist e(t) = A 'sinß^A'iC»4»a(t)/A * wobei A ein Skalenfaktor ist, der sich aus der Abschwächung beim Senden und bei der Reflektion, aus der Abschwächung im Schaltkreis 13 und anderen, eine Rolle spielenden Größen, ergibt, d.h. das Ausgangssignal e(t) ist eine lineare Funktion der Amplitude a(t) der Membrane 10.

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In den Fällen, in denen die mittlere Länge 2£ nicht ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge ist, wird das Ausgangssignal e(t) verformt. Wenn die mittlere Länge beispielsweise einer ungeraden Anzahl von halben Wellenlängen entspricht (senkrechte Bezugsachse), ist die Projektion des Pfeiles A auf die e(t)-Achse für zwei ß-Werte, die den gleichen zahlenmäßigen Wert haben, bis auf den Vorzeichenunterschied genau so groß. Infolgedessen hat das Signal e(t)· eine Frequenz, die zweimal so groß ist wie zuvor, die aber eine wesentlich kleinere von Spitze-zu-Spitze-Amplitude hat. Das Ausgangssignal ist in diesem Fall aufgrund der Schwingungen, verglichen mit dem Signal gemäß Figur 2, stark verformt.

Wenn das Verfahren, bei dem die Phasen von elektrischen Signaler, vorzugsweise von HF-Signalen im Mikrowellenbereich gemessen werden, praktisch verwendbar sein soll, wird eine Einrichtung benötigt, durch die die Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten Signal und dem empfangenen Signal auf η·1δθ° eingestellt werden kann, wobei η eine ganze Zahl ist.

Ferner benötigt man eine Einrichtung zur Frequenzmodulation eines Oszillators, der in dem Signalgeber enthalten ist und das ausgesendete Signal erzeugt. Während der Eichung/Einstellung wird der Oszillator über einen kleinen Frequenzbereich durch ein symmetrisches Kippsignal moduliert. Das Kippsignal wird" so eingestellt, daß sich der Phasenunterschied zwischen dem gesendeten und dem reflektierten Signal während der Kipperiode etwas mehr als l8o ändert. Der Phasenpfeil wird sich gemäß Figur 3 während der Modulation bewegen, wenn die Oszillatorfrequenz ohne Modulation so eingestellt worden ist, daß der Phasenunterschied η·3βθ° (η ganzzahlig) beträgt. Die Projektion

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des Endes des Phasenpfeiles A auf die e(t)-Achse gibt die Zeitänderung des Ausgangssignales wie in Figur 2 an, und ist im rechten Teil der Figur J> dargestellt. Wenn das Ende des Phasenpfeiles A durch den obersten oder untersten Diagrammabschnitt geht und anschließend darauf zurückkehrt und durch diese Abschnitte erneut läuft, erhält man die rechts in der Figur 3 dargestellten kennzeichnenden Spitzen. Den Skalenfaktor A erhält man aus dem Abstand zwischen den maximalen und den minimalen Signalwerten, der 2A beträgt.

Wenn in Abwesenheit einer Modulation die Phasendifferenz zwischen den Signalen von dem Wert η·ΐ8θ° abweichen sollte, ist das Ausgangssignal beim Vorliegen einer Modulation nicht mehr symmetrisch. Eine der Spitzen wird größer oder die andere wird kleiner oder überhaupt nicht zugegen sein. Dies ist in der Figur 4 dargestellt, wo die Mittelwertslage des Phasenpfeiles nicht waagerecht ist, d.h. die Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Signal weicht von η·ΐ8θ° ab. Durch Einstellung der mittleren Frequenz des Oszillators oder der mittleren Länge 2£ kann die Symmetrie wieder hergestellt werden und die Phasendifferenz wird erneut n*l8o° betragen. Bei diesem Phaseneinstellverfahren wird kein Schwingungssignal benötigt, und infolgedessen kann es bei einem sich in Ruhe befindenden Gegenstand angewendet werden.

Entsprechend den oberen Angaben wird die Bestimmung des Skalen-, faktors A nicht durch Schwingungssignale gestört, da solche Signale nur eine kleine Phaseninstabilität des Signales in Rieh-, tung der Zeitachse und keine Amplitudeninstabilität in den Spitzen hervorrufen. So ist es möglich, jederzeit ,selbst während einer Messung,die Vorrichtung einzustellen und zu eichen. Selbst-

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verständlich ist es möglich, die Vorrichtung so zu automatisieren, daß sie sich von selbst einstellt und/oder eicht. Es ist auch möglich, einen Zeitmultiplexer anzuwenden, wodurch keine Schwingungsinformation verloren wird.

In dem Ausdruck für das Ausgangssignal e(t) als einer Funktion der Schwingungsamplitude a(t), wie er oben beschrieben worden ist, ist zusätzlich zu dem Skalenfaktor A ein Faktor A enthalten, d.h. die Signalwellenlänge, die bei allen praktischen Fällen als Konstante betrachtet werden kann, obgleich die Oszillatorfrequenz beispielsweise verändert wird, wenn die Phasenlage eingestellt wird. Dies ist daher möglich, daß der Frequenzbereich beim Einstellen verglichen mit der mittleren Frequenz sehr klein ist. Es ist somit möglich, daß die Vorrichtung bei einer einzigen Frequenz optimal eingestellt wird. Eine Bedingung hierfür ist dadurch gegeben, daß die Weglänge 2£ groß, ist verglichen mit der Wellenlänge des Signales.

Durch die Vorrichtung gemäß Figur 5 wird ein automatisch geeichtes Ausgangssignal richtiger Größe als ein Maß für die Größe der Schwingungen eines Gegenstandes erzeugt, der vor dem Signal-.geber.und dem Empfänger angeordnet ist. Der Signalgeber 51 gibt ein Signal sowohl an den Gegenstand als auch an einen Vergleichs-Schaltkreis im Empfänger 52 ab, wobei der Empfänger so ausgelegt ist, daß er ein von dem Gegenstand reflektiertes Signal aufnimmt. Das Ausgangssignal des Empfängers 52 wird an einen Vorverstärker 53 gegeben, der mit einem ersten Eingang einer Amplitudenmeßschaltung 54 verbunden werden kann, wenn ein Umschalter 59 sich" in seiner oberen Stellung befindet. Der andere Eingang der Amplitudenmeßschaltung 54 ist mit einer Bezugs-

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spannung verbunden, die von einem Spannungsteiler 55-56 und einer Zenerdiode 55 abgenommen wird. Ein Steuerausgang der Schaltung 54 1st mit einem Steuereingang des Vorverstärkers 55 verbunden. Wenn sich der Umschalter 59 in seiner oberen Stellung befindet, wird dadurch von dem Vorverstärker 53 ein Elchsignal mit einem vorgegebenen maximalen Wert erzeugt. In der unteren Stellung des Umschalters wird der Vorverstärker 53 mit einem Meßverstärker 57 verbunden. Am Ausgang des Meßverstärkers erhält man ein Ausgangssignal e(t). Dieses Signal wird an eine Anzeigeeinrichtung 58 gegeben, die beispielsweise ein Oszillograph sein kann.

Befindet sich der Umschalter 59 in seiner oberen Stellung, wird der Ausgang des Vorverstärkers 52 mit einem Schaltkreis 60 zum Messen der Symmetrie und mit einem Vorspannungserzeuger 61 verbunden.Die zwei zuletzt erwähnten Einheiten sind so ausgebildet, daß sie zwischen dem ausgesendeten und dem reflektierten Signal eine Einstellung des Phasenunterschiedes von η·ΐ8θ° (mit η ganzzahlig) ergeben. Sie sind auch mit einem Prequenzsteuereingang des Signalgebers 51 über eine Addierschaltung 64 verbunden. Ein Kip'psignalsteuerungskreis 62 ist mit der Schaltung 60 und mit einem Kippsignalgenerator 63 verbunden, wobei dieser Generator 63 mit einem anderen Eingang der Addierschaltung 64 verbunden ist, wenn sich der Umschalter 59 in seiner oberen Stellung befindet. Der Umschalter 59 wird durch einen Impulsgenerator 65 betrieben, dessen Sehaltfrequenz mindestens zweimal der Frequenz des Kippsignalgenerators entspricht, wenn mit einem Zeitmultiplexver-fahren gearbeitet wird, bei dem zwischen Eich- und Schwingungsmessungen abgewechselt wird.

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Sehr langsame Lageänderungen des zu messenden Gegenstandes werden durch die Einrichtung gemäß Figur 5 als die Meßeinrichtung störende Instabilitäten wahrgenommen. Sie sind nicht im Ausgangssignal e(t) enthalten, das am Vorverstärker 53 und dem Meßverstärker 57 erhalten wird. Auf der anderen Seite werden sie die Einrichtung zur Phaseneinstellung, die den Schaltkreis 60 zur Symmetriemessung und den Vorspannungserzeuger 61 enthalten, beeinflussen, so daß die. Steuerspannung am Signalgeber 51 geändert wird. Infolgedessen wird auch die Frequenz des Signalgebers 51 geändert, um die Lageänderung des Gegenstandes auszugleichen. Mißt man die Änderung der Ausgangsfrequenz des Signalgebers beispielsweise direkt mittels eines Zählers oder indirekt, indem man die Änderungen der Steuerspannung mittels eines Voltmeters mißt, kann die Änderung der Weglänge errechnet _vund dadurch auch die Größe der Lageänderung bestimmt werden. Jedoch ist es bei großen Lageänderunge notwendig, die Anzahl der zurückgelegten halben Wellenlängen zu zählen. So ist es möglich, das Vorhandensein langsamer Lageänderungen beispielsweise bei einem Turbinenläufer durch Frequenzmessungen zu überwachen, wobei in diesem Fall langsame Änderungen der Eigenschaften der elektronischen Bauteile, die möglicherweise auftreten können, das Meßergebnis nicht beeinflussen, wenn die Eichung in der beschriebenen Weise durchgeführt worden ist.

Vergleicht man die Vorrichtung gemäß den Figuren 1 und 5 in Bezug auf ihre Funktion, so stellt man fest, daß die Einheit 11 im wesentlichen den Einheiten 6l und 51, die Einheiten 12 und der Einheit 52, die Einheit 14 den Einheiten 53 und 57 und die Einheit 15 der Einheit 58 entsprechen.

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Claims

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PATENTANSPRUCH

Vorrichtung zur Bestimmung der Lageänderung eines Gegenstandes mit einem Signalgeber, mit einem Signalempfänger, mit .einem Schaltkreis zum Vergleichen von Phasen und mit einer Anzeigeeinrichtung, wobei ein Ausgang des Signalgebers mit einem ersten Eingang der Vergleichsschaltung verbunden ist, und wobei ein Ausgang des Signalempfängers mit einem zweiten Eingang der Vergleichsschaltung und der Ausgang der Vergleichsschaltung mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden ist, die so ausgestaltet ist, daß Lageänderungen des Gegenstandes aufgrund des Vergleichens mittels der Vergleichsschaltung zwischen einem von dem Signalgeber an die Vergleichsschaltung und einem an den Gegenstand abgegebenen Signal und einem von dem Gegenstand zu dem Empfänger reflektierten Signal feststellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Einrichtung (60-6I) die Phasendifferenz zwischen einem abgegebenen Signal und einem empfangenen Signal zu η·ΐ8θ° (η ganzzahlig) einstellbar ist, und daß eine Einrichtung (62^63) vorhanden ist, durch die durch ein symmetrisches Kippsignal die Frequenz eines Oszillators in einem verglichen mit der Frequenz des abgegebenen Signals kleinen Frequenzbereich frequenzmodulierbar ist, wobei der Oszillator ein Teil des Signalgebers (51) ist und das abgegebene Signal erzeugt, und daß durch den Frequenzbereich der Phasenunterschied zwischen dem abgegebenen und dem reflektierten Signal, der durch die Frequenzmodulation veränderbar ist, maximal während der Frequenzmodulation den Wert von l8o° überschreitet.

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