DE3033763C2 - Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen und Schwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen und Schwingungen, bestehend aus einer Hülse, aus auf der Hülse außen aufgewickelten Induktionsspulen und aus einem im axialen Hohlraum der Hülse axial beweglich gelagerten, permanenten Magneten. js

Ein derartiger Induktionsgeber ist als elektrodynamischer Wandler für Tonköpfe und Mikrofone durch die DE-OS 28 10 459 bekanntgeworden. Der beweglich gelagerte Magnet wird hierbei, wie bei allen Tonköpfen und Mikrophonen, durch eine mechanische Rückstellkraft beaufschlagt. Diese in Tonköpfen und Mikrophonen enthaltenen Induktionsgeber weisen zwar eine hohe Empfindlichkeit auf, eignen sich aber zum Abtasten von Vibrationen an Maschinen nicht, da sie hierzu nicht robust genug ausgeführt sind.

Die Vibrationen gehören zu den wichtigsten, den Betriebszustand und das Arbeitsregime einer Maschine charakterisierenden Parametern. Das Messen und die Auswertung der Vibrationen ist außerordentlich wichtig, insbesondere bei schnellaufenden Rotationsmaschi- nen und bei den Einrichtungen, die im langdauernden Betrieb arbeiten, z. B. bei Dampf- und Gasturbinen.

Bei den genannten energetischen Einrichtungen sind die Vibrationsgeber oft hohen Temperaturen, einer großen Beschleunigung sowie einer beträchtlichen Schwingungsamplitude ausgesetzt, die in gewissen Phasen des Arbeitsregimes Werte von bis einigen hundert Mikrometern erreicht, wogegen im gewöhnlichen Betrieb die Schwingungsamplitude nur einige Mikrometer beträgt, Weitere an die Vibrationsgeber gestellte Anforderungen sind: kleine Abmessungen und ein kleines Gewicht, eine lineare Charakteristik im ganzen Meßbereich und eine elektromagnetische Störstabilität.

Gegenwärtig werden laufend Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen benutzt, bei denen ein permanenter Magnet auf einer elastischen Membrane zwischen zwei fest befestigten Spulen aufgehängt ist.

Bei der Bewegung des Gebers wird in diesen Spulen eine elektromotorische Kraft induziert, die mit einer geeigneten Apparatur verstärkt und gemessen wird. Der Nachteil der angeführten !nduktionsgeber besteht darin, daß unter schweren Bedingungen, insbesondere bei einer beträchtlichen Erhöhung der Vibrationsaroplitude, die Membranen reißen oder platzen.

Ein anderer bekannter Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen besteht aus einer Abtastspule und aus zwei magnetischen Ringen, von denen ein innerer beweglicher magnetischer Ring mit Spiel in einem walzenförmigen Hohlraum eines äußeren festen magnetischen Ringes gelagert ist und eine dünne Abtastspule in einem engen walzenförmigen Zwischenraum zwischen den beiden magnetischen Ringen auf einer Führungsbüchse angeordnet ist Durch die Schwingung des inneren beweglichen magnetischen Ringes wird in der Abtastspule eine elektromotorische Kraft induziert, die in geeigneter Weise verstärkt und gemessen wird. Der Nachteil dieser Ausführung des Induktionsgebers besteht in einem relativ schwachen Signal und einer mangelhaften Führung des inneren beweglichen Ringes innerhalb des äußeren festen magnetischen Ringes, die im Betrieb eine erhöhte Reibung und eine Schiefstellung der ineinander beweglichen Teile und damit vor allem bei kleinen Vibrationsamplituden eine beträchtliche Nichtlinearität in Abhängigkeit der induzierten elektromotorischen Kraft von der relativen Geschwindigkeit der magnetischen Ringe hervorruft Die Benutzung des gerade beschriebenen Induktionsgebers ist daher aus diesen Gründen nur auf die Messung in vertikaler Richtung beschränkt

Bei einer anderen bekannten Ausführung des Induktionsgebers ist im Leitprofil über einem unbeweglich gelagerten festen Magneten eine dünne scheibenförmige Abtastspule konzentrisch angeordnet. Über dieser Spule ist dann ein axial verschiebbarer Magnet angeordnet. Angesichts der gegenläufigen Polenorientierung der erwähnten Magneten werden in ihrem gemeinsamen Stirnraum axiale Abstoßkräfte gebildet die als ein Druckfederelement wirken, die den verschiebbaren Magnet in einer Dauerschwebe über dem fesien Magnet halten. Diese Ausführung des Induktionsgebers ermöglicht die Schwingungsmessungen nur in der vertikalen Richtung.

Es ist auch ein durch einen verschiebbaren permanenten Magneten gebildeter Induktionsgeber für Vibrationen bekannt Dieser Magnet ist in einer Hülse angeordnet und beiderseitig mit zwei Federn befestigt. Rund um die Hülse ist eine Induktionsspule angeordnet. Bei der Bewegung des verschiebbaren Magneten in der Spule wird die elektromotorische Kraft induziert die in geeigneter Weise verstärkt gemessen und ausgewertet wird. Der Nachteil dieses Gebers besteht in einer niedrigen Empfindlichkeit unter Einfluß der Reibung in der Hülse und infolge des Drehmoments, das durch die Feder auf den permanenten Magnet ausgeübt wird und das denselben an die Hülsenwände drückt Außerdem begrenzt die Masse und die eigene Federfrequenz die Anwendung dieser Geber auf einen verhältnismäßig engen Frequenz- und Beschleunigungsbereich. Darüber hinaus ist die Federerzeugung mit einer genauen Charakteristik und mit genauen Abmessungen schwierig und kostspielig.

Ein weiteres Verfahren zur Schwingungsmessung, insbesondere bei den erwähnten thermischen energetischen Anlagen, liegt in der Anwendung von piezoelektrischen Schwingungsgebern. Bei den angeführten

Gebern wird die Fähigkeit einiger Kristalle, mechanische Kräfte in elektrischer Spannungen umzusetzen, ausgenutzt Die erzeugte Spannung ist proportional der bei der Schwingung entstehenden Beschleunigung der Masse des piezoelektrischen Gebers. Die so entstehende elektrische Spannung wird dann mit einer geeigneten Apparatur wieder verstärkt gemessen und ausgewertet. Der Vorteil der piezoelektrischen Geber besteht einerseits in ihrer Fähigkeit große Beschleunigungen und Schwingungsamplituden zu vertragen, andererseits in ihren kle^:pen Abmesssungen. Nachteilig ist es dagegen, daß nur schwache Signale erzeugt werden. Aus diesem Grund muß die zugehörige verstärkende Apparatur in einer verhältnismäßig kleinen Entfernung von dem piezoelektrischen Geber angeordnet sein. Weiterhin sind piezoelektrische Geber sehr empfindlich gegen das ungleichmäßige Temperaturfeld in der Umgebung.

Die Erfindung beseitigt diese Nachteile weitgehend. Es ist die Aufgabe der Erfindung, den Indukiionsgeber der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er trotz einer Steigerung seiner Empfindlichkeit sehr robust und nicht störanfällig ist

Die Erfindung besteht darin, daß in den beiden Enden des axialen Hohlraumes der Hülse je ein Magnet fest angebracht ist deren Pole untereinander gleichlaufend und gegenüber den Polen des beweglich in der Hülse gelagerten Magneten gegenläufig angeordnet sind und daß die Induktionsspulen rund um die gemeinsamen Stirnräume gewickelt sind.

Der erfindungsgemäße Induktionsgeber hat relativ kleine Abmessungen und ist sehr robust Er verträgt beträchtliche Beschleunigungen und Vibrationsamplituden. Er ist anspruchslos, temperaturunempfindlich und übermittelt ein verhältnismäßig starkes lineares Ausgangssignal. Er besitzt eine sehr gute Empfindlichkeit Bei Einhaltung einer linearen Charakteristik der Abhängigkeit der elektromotorischen Ausgangskraft von der Geschwindigkeit verträgt er Temperaturen bis zu 250° C. Er ist daher hervorragend geeignet, um an Maschinen der verschiedensten Art eingesetzt zu werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung und weitere ihrer Vorteile sind nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführung im Achsenschnitt,
F i g. 2 eine alternative Ausführung im Achsenschnitt. In der ersten Ausführung nach F i g. 1 besteht der Induktionsgeber aus einem geschlossenen hohlzylindrischen Körper 7, in dessen Hohlraum eine Hülse 2 mit im Stirnraum konzentrisch angebrachten festen Magneten 5,6 untergebracht ist. Zwischen den Magneten 5,6 ist im gemeinsamen Zwischenraum in Form einer walzenförmigen öffnung dieser Hülse 2 ein walzenförmiger axial beweglicher konzentrisch gelagerter permanenter Magnet 1 angeordnet Die gegenseitige gleichlaufende Polenorientierung der festen Magnete 5, 6 und die gegenüber diesen gegenlaufende Polenorientierung des beweglichen permanenten Magnets 1 bilden im ersten Stirnpolenraum 9 zwischen dem ersten festen Magnet 5 und dem beweglichen permanenten Magnet 1 sowie auch in dem zweiten Stirnpolenraum 10 zwischen dem zweiten festen Magnet 6 und dem beweglichen permanenten Magnet 1 axiale Abstoßungskräfte so daß die masnetischen Felder in den StirnDolenräumen 9. 10 als federnde Druckelemente mit einer sehr günstigen Charakteristik wirken.

Die eingeführten Abstoßungskräfte in beiden Stirnpolhohlräumen 9,10 verhindern in beliebiger Ruhelage des Induktionsgebers eine unmittelbare Berührung des beweglichen Magnets 1 mit irgend einem der festen Magnete 5,6. Der bewegliche permanente Magnet 1, in dem eine axial durchgehende Lüftungsöffnung Ϊ2 ausgebildet ist ist auf seiner äußeren Oberfläche mit einer Antifriktionshülle 8 versehen. Das Material der Gleitfläche der Antifriktionshülle 8 und das Material der Hülse 2 sind zur Erzielung eines minimalen gegenseitigen Reibungskoeffizienten gewählt. In der ersten beschriebenen Ausführung ist die Antifriktionshülle 8 aus Messing gebildet das auf der Reibungsfläche mit einer Chromschicht versehen ist die Hülse 2 ist dann in dieser ersten Ausführung aus Teflon hergestellt In der äußeren walzförmigen Oberfläche der Hülse 2 sind zwei Umfangsaussparungen, in denen pseudobifilar Induktionsspulen 3,4 angeordnet sind. Die Spulenwicklung in der Bifilarausgestaltung besteht aus zwei SpuJenleiterketten, die in einem Spulenraum angeordnet und durch zwei Leiter mit ungefähr gleicher Länge gebildet sind. Der Leiter einer Kette ist gegenläufig gegenüber dem Leiter der zweiten Kette aufgewickelt und beide Leiter sind abwechselnd in der unmittelbaren Nähe aufgewikkelt und in der Mitte der Gesamtlänge dieser Spulenwicklung sind sie miteinander leitend verbunden. Die Bifilarausgestaltung der Spulenwicklung bezweckt, die bei dem Durchfluß des elektrischen Stromes durch beide Spuleleiterketten entstehenden magnetischen Felder gegenseitig zu kompensieren.

Im Sinne dieser Patentanmeldung versteht man unter dem Begriff der pseudobifilaren Ausgestaltung der Spulenwicklung die Ausgestaltung beider Spulenleiterketten in zwei unabhängige Spulenräume. In der dargestellten Ausführung ist die erste Spulenleiterkette der ersten Induktionsspule 4 gegenüber der zweiten Spulenleiterkette der zweiten Induktionsspule 5 axial versetzt so daß in dieser pseudobifilaren Ausgestaltung die bei dem Durchfluß des elektrischen Stromes durch beide Leiterketten entstehenden magnetischen Felder nur teilweise kompensiert werden. Demgegenüber ermöglicht aber die angeführte pseudobifilare Ausgestaitung, die gesamte elektromotorische Kraft, die bei der gegebenen axialen Bewegung des permanenten Magneten 1 in der gegebenen axialen Bewegung des permanenten Magneten 1 in der öffnung der Hülse 2 induziert wird, zu erhöhen. Ferner schwächt diese Ausgestaltung einen eventuellen Störungseinfluß des äußeren magnetischen Feldes. Zu dieser Schwächung des Störungseinflusses des äußeren magnetischen Feldes trägt auch die Bildung des Körpers 7 aus ferromagnetischem Material bei.

Bei der zweiten Ausführung des Induktionsgebers in F i g. 2 ist die Hülse 2 in ihrer walzenförmigen öffnung überdies mit einer dünnwandigen walzenförmigen Antifriktionseinlage 11 versehen. Die Hülse 2 ist in dieser zweiten Ausführung vorteilhaft aus einer keramischen Masse gefertigt. Die Antifriktionseinlage 11 ist aus Teflon hergestellt Diese Ausgestaltung verhindert die Klemmung des permanenten Magneten 1 in der walzenförmigen öffnung der Hülse 2 und gewährieistet die Maßstabilität der Hülse 2 und gewährleistet die Maßstabilität der Hülse 2 auch bei relativ hohen Temperaturänderungen. Die körperliche Ausbildung der anderen Teile des Induktionsgebers in der zweiten Ausführung ist praktisch dieselbe wie bei

dem Induktionsgeber gemäß der ersten Ausführung. Auch die pseudobifilare Ausgestaltung der Wicklung der Induktionsspulen 3, 4 ist bei beiden Ausführungen identisch.

Bei der Befestigung des Induktionsgebers auf einem schwingenden Gegenstand, z. B. auf dem Lagerständer einer Turbine, beginnt der permanente Magnet 1, sich gegenüber den anderen Teilen des Induktionsgebers zu bewegen, d. h. gegenüber seinem Körper 7 mit der Hülse 2, der festen Magneten 5, 6 und den Induktionsspulen 3, 4. Während dieser Bewegung überschneiden die Kraftlinien des permanenten Magnets 1 die Wicklung der Induktionsspulen 3,4 in denen die resultierende elekromotorische Kraft induziert wird,

ί die dann in einer geeigneten Apparatur verstärkt und gemessen wird. Bei der beschriebenen vorteilhaften pseudobifilaren Ausführung der Induktionsspulen 3,4 ist diese resultierende elektromotorische Kraft die Summe der elektromotorischen Kräfte, die separat in der ersten

ι« Induktionsspule 4 entstehen und ist daher maximal.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen und Schwingungen, bestehend aus einer Hülse, aus auf der Hülse außen aufgewickelten Induktionsspu- s len und aus einem im axialen Hohlraum der Hülse axial beweglich gelagerten, permanenten Magneten, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden Enden des axialen Hohlraumes der Hülse (2) je ein Magnet (5, 6) fest angebracht ist, deren Pole ι ο untereinander gleichlaufend und gegenüber den Polen des beweglich in der Hülse (2) gelagerten Magneten (12) gegenläufig angeordnet sind

und daß die Induktionsspulen (3, 4) rund um die gemeinsamen Stirnräume (10) gewickelt sind.

2. Induktionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspulen (3, 4) pseudobifiiar aufgewickelt sind.

3. Induktionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem axialen Hohlraum der Hülse (2) eine Antifriktionseinlage (i f) angeordnet ist

4. Induktionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der permanente Magnet (1) mit einer Antifriktionshülle (8) versehen ist