DE3148562A1

DE3148562A1 - "anordnung zur uebertragung von messsignalen zwischen einem rotierenden teil und einem nichtrotierenden teil"

Info

Publication number: DE3148562A1
Application number: DE19813148562
Authority: DE
Inventors: Folke 72347 Västerås Löfgren
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1981-12-08
Publication date: 1982-08-19
Also published as: GB2090095B; SE436931B; GB2090095A; SE8008985L; JPS57127300A; US4472052A

Description

J NACHQEREICHTI ...

Patentanwalt und Rechtsanwalt **"· ·^:- ·.!·*«■» -« ·--

Dr.-lng. Dipl.-lng. Joachim Boecker , 6 Frankfurt/Main 1 ^

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Telefon: (0611)'282355 Telex: 4189 066 itaxd

ASEA Aktiebolag Västeras/Schweden

Anordnung zur übertragung von Meßsignalen zwischen einem rotierenden Teil und einem nichtrotierenden Teil

· ..

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung von Meßsignalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Beispielsweise bei rotierenden Maschinen, insbesondere bei großen Turbogeneratoren, möchte man während des Betriebes bestimmte Betriebszustände messen- können, wie beispielsweise die Temperatur in oder an den Läuferwicklungen. Auch bei anderen elektrischen Maschinen bestehen Probleme hinsichtlich der Signalübertragung bei Messungen an rotierenden Teilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung .der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit der auf sichere und einfache Weise Messungen von Größen vorgenommen werden können, die in oder an rotierenden Teilen auftreten.'

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

'Durch die Erfindung wird eine Anordnung geschaffen, bei der

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Meßgrößen in.Form von Lichtsignalen übertragen werden, ohne daß elektrische Isolationsprobleme oder Probleme durch elektromagnetische Störungen auftreten und ohne daß es erforderlich ist, die Maschine zum Zwecke der Messung stillzusetzen. Es ist auch möglich, die Meßanordnung unter schwierigen Umgebungsbedingungen anzuwenden. Mit .der Anordnung wird eine gute Meßgenauigkeit und eine sichere Betriebsüberwachung der eingangs genannten großen Maschinen erreicht.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1a schematisch die Stirnseite des nichtrotierenden Teils einer elektrischen Maschine, Fig. 1b die entsprechende Stirnseite des rotierenden

Teils der elektrischen Maschine oder allgemein eines Wellenendes,
Fig. 2 die Signalübergangsstelle zwischen rotierendem und nichtrotierendem Teil in seitlicher Schnittdarstellung,

Fig. 3 eine Anordnung entsprechend Fig. 2 mit mehreren

lichtleitenden Fasern,
Fig. A eine Anordnung entsprechend Fig. 3 mit einer

lichtleitenden Faser.
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In den Figuren 1a und 1b sind die aufeinander gerichteten Stirnflächen eines nichtrotierenden Teils 3 bzw. eines rotierenden Teils 1 einer elektrischen Maschine schematisch dargestellt, wobei der rotierende Teil beispielsweise eine Rotorwelle ist. Der nichtrotierende Teil 3 ist in der Welle, also dem rotierenden Teil 1, derart gelagert, daß er den axialen und radialen Bewegungen der Welle folgt. (Siehe auch Fig. 2). Von einem oder mehreren im rotierenden·Teil angeordneten Sensoren verlaufen eine oder mehrere lichtleitende Fasern 2, 5 zur Stirnfläche des rotierenden Teils 1. Sie liegen hier entweder im Zentrum der Drehachse oder ^_{n e}i_nein

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- 6 - bestimmten radialen Abstand vom Zentrum der Drehachse.

Diesen Fasern 2, 5 entspricht mindestens eine Faser 4, 6 in dem nichtrotierenden Teil 3. .In dem gezeigten Fall sind in dem rotierenden Teil mehrere Fasern 5 auf einem bestimmten radialen Abstand von der Drehachse, in der sich die Faser 2 befindet, angeordnet. In demselben radialen Abstand vom Zen- · trum ist eine Faser 6 angeordnet, welche bei Rotation des Teils 1 der Reihe nach.mit den Fasern 5 in optischen Kon-IQ takt gelangt, über diese Fasern 5 kann Licht zur Anregung der Sensoren den Gebern zugeführt werden, und durch die Rotation werden die einzelnen Anregungssignale abgetastet. Die Meßsignale werden hier im Zentrum'"über die-Fasern 4, 2· übertragen, doch können diese natürlich auch über die Fasern 5 und 6 übertragen werden.

In dem nichtrotierenden Teil 3 kann dem Licht bei bestimmten Rotationswinkeln eine Veränderung beispielsweise in einer lichtreflekt-ierenden Fläche in dem rotierenden Teil.1 gegeben werden, wobei das Licht wieder in den Lichtleiter 4 zurückreflektiert wird. Bei der Anwendung-von Fotolumineszenz, z.B. bei Temperaturmessungen, kann das Anregungslicht einem zentralen Lichtleiter 2 zugeführt und auf einen oder mehrere Sensoren verteilt werden, von denen das reflektierte oder lumineszierende Licht über die Fasern 5 durch den rotierenden Teil 1 in die Fasern 6 zurückkehrt, die entsprechend den Figuren 1a - Ib angeordnet sind, oder umgekehrt.

Mit dem beispielsweise entsprechend Figur .1b ausgeführten 3Q nichtrotierenden Teil erhält man eine automatische Abtastung bei der Rotation verschiedener Meßkanäle. - - -

Das anregende Licht kann dem Sensor auch über dieselbe Faser, die das Meßsignal leitet, zugeführt werden. Das vom Sensor kommende Licht kann im rotierenden Teil über" eine Faser oder mehrere im gleichen radialen Abstand von der Rotationsachse liegende Fasern zurückgeleitet werden und auf den nicht-

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- 7 - .
rotierenden Teil 3 übertragen werden oder umgekehrt.

Das Licht wird zwischen den Faserenden über den Luftspalt 7 übertragen, der zwischen dem rotierenden Teil 1 und dem nichtrotierenden Teil 3 (Figur 2) gebildet wird. Statt Luft kann im "Luftspalt" eine optische Kontaktflüssigkeit benutzt werden. Der Raum für die Lichtübertragung wird hierbei beispielsweise durch einen O-Ring 8 gegen die Umgebung abgedichtet.

Die Meß- und Signalübertragung gründet sich hier darauf, daß optische Fasern in den rotierenden Teil 1- durch dessen Wellenzentrum geführt werden. Am Ende der Welle wird in dem nichtrotierenden Teil 3 ein Halter 9 für eine oder mehrere Fasern montiert. Der Halter 9 wird in der Welle 10 derart gelagert, daß er den radialen und axialen Schleuderbewegungen·der Welle folgt. Der nichtrotierende Teil 3 wird beispielsweise durch ein mechanisches gelenkiges Glied 11 gegen eine Drehung gesichert.

Wenn mehr als ein Meßkanal gewünscht wird, so können Fasern 5 so angeordnet werden, wie dies in Fig. 1 b gezeigt ist. Die Fasern laufen jeweils zu einem Sensor in dem rotierenden Teil 1. Der nichtrotierende Teil 3 hat in dem gezeigten Fall (Figur 1a) nur eine zentrale Faser im zentralen 'Meßkanal und eine weitere Faser 6 in einem bestimmten radialen Abstand vom Zentrum. Dieser Radius entspricht dem Radius des Kreises, auf dem die Leiter 5 im rotierenden Teil 1 liegen. Diese zweite Faser 6 im nichtrotierenden Teil kann zur Einspeisung von Anregungslicht für die Sensorelemente verwendet werden.

Die zentrale Faser '4, 2 wird für das Meßsignal an alle Sensoren in dem rotierenden Teil 1 verwendet, und wie bereits erwähnt, werden die Meßsignale automatisch mittels Rotation erfaßt. In dem rotierenden Teil 1 ist, bei mehr als einem Sensor, die zentrale Faser an die Sensorfasern gekoppelt, so daß das von den Sensoren kommende Meßsignal mit einer anderen Wellenlänge als das zugeführte'Licht immer durch die zentrale Faser übertragen werden kann. Im Falle mehrerer

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Sensoren können die Meßsignale durch Zeitmultiplexierung, die entsteht, wenn die Welle rotiert, voneinander getrennt werden.

Um mit Sicherheit feststellen zu können, von welchem Sensor der Meßwert jeweils kommt, ist in dem gezeigten Fall eine weitere Faser 12 in den nichtrotierenden Teil 3' angeordnet, welche bei jeder Umdrehung eine reflektierende Fläche 13 am Wellenende des rotierenden Teils passiert. Durch diese Glieder 12, 13 erhält man ein Lagesynchronisierungssignal bei jeder Umdrehung. Daraus kann die Meßelektronik leicht bestimmen, von welchem Sensor der Meßwert kommt und kann dann für jeden Meßkanal integrieren.

•je Das anhand der vorstehend beschriebenen Anordnung erläuterte Prinzip kann auch bei mechanisch statischen Verhältnissen zur Anwendung kommen. Dabei kann man auch eine elektrische Multiplexierung der Lichtzuführung zu jedem Sensor anwenden. Dies bedeutet, daß eine Leuchtdiode in der Elektronik für jeden Sensor vorhanden ist, während das vom Sensor zurückgesandte Licht zu einer Detektoreinheit zusammengeführt wird.

Das anregende Licht kann dem Sensor auch über jede Meßkanalfaser zugeführt werden. Das vom Sensor kommende Licht kann im rotierenden Teil über eine Faser oder mehrere im gleichen radialen Abstand von der Rotationsachse liegende Fasern zurückgeleitet werden und auf den nichtrotierenden Teil 3 übertragen werden, und umgekehrt.

Bei nur einer Faser für jeden Sensor muß man das in den Sensor eingespeiste Licht von dem Licht, das vom Sensor ausgesandt wird, beispielsweise dadurch-trennen, daß man ver- .- ' schiedene Wellenlängen verwendet. Bei zwei oder mehreren Fasern ist dies nicht erforderlich, wenn die Lichteinspeisung über die zentrale Faser geschieht. In Figur 3 trägt der rotierende Teil 1 zwei Sensoren 13, wobei in dem nicht rotierenden Teil 3 und in dem rotierenden Teil 1 eine zentrale

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Faser 14 angeordnet ist, die in dem zwischen diesen Teilen vorhandenen Spalt 15 unterbrochen ist. Für das Anregungslicht oder für das Meßsignal sind auch Fasern 17 in einem bestimmten radialen Abstand von der Zentrumachse angeordnet. In Figur 4 ist ein einziger zentraler Lichtleiter 16 vorgesehen, der an dem Spalt 15 unterbrochen ist.

Lichtleitende Fasern können in vielfacher Weise in der übertragung auch ohne zentrale Faser angeordnet werden. Die Lichteinspeisung und das Mesßsignal können, wenn dies über verschiedene Fasern geschieht, nur unter der Voraussetzung frei kombiniert werden, daß die Speisefaser und die Signalrückführungsfaser für denselben Sensor einigermaßen gleichzeitig in die rotierende übertragung eingekoppelt werden. Die Sensoren können elektrisch passiv oder elektrisch aktiv sein.

Bei der Anordnung nach der Erfindung kann Licht, wie beispielsweise Anregungslicht, von dem nichtrotierenden Teil in die entsprechende Faser in dem rotierenden Teil gesandt werden. Reflektiertes oder durch'Fotolumineszenz erzeugtes Licht wird als Resultat .des dem Sensor zugeführten Anregungslichtes in derselben Faser zurückgesandt.

Wenn im rotierenden Teil· eine elektrisch aktive Sensoranordnung verwendet wird, dann kann die zum Betrieb dieser Anordnung erforderliche Energie in Form von Lichtenergie über die Fasern der optischen Kopplungsanordnung zugeführt werden. Die elektrisch aktive Sensoranordnung wandelt die Lichtenergie in elektrische Energie um.
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Licht kann von dem rotierenden Teil, z.B. von einer elektrisch aktiven Meßanordnung gesandt werden, und Meßsignale können in Form von Licht mit der optischen Übertragungsanordnung für Meßsignale zu dem nichtrotierenden Teil in derselben oder in einer anderen Faser übertragen werden als der, die zur Speisung des Sensors verwendet wird.

Die Erfindung kann im Rahmen des offenbarten allgemeinen Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variiert werden. ,._n

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

ΛΙ Anordnung zur übertragung von Meßsignalen zwischen einem rotierenden Teil und einem nichtrotierenden Teil, wobei die übertragung mittels lichtleitender Fasern erfolgt, dadurch 5. gekennzeichnet, daß der nichtrotierende Teil (3) in dem rotierenden Teil (1) derart gelagert ist, daß er diesem in seinen Axial- und Radialbewegungen folgt, daß über lichtleitende. Fasern (2,4,5,6) Licht im Zentrum der Rotationsachse und/oder in bestimmten radialen Abständen von der Rotationsachse zwischen dem rotierenden Teil und dem nichtrotierenden .. · Teil in der einen oder in beiden Richtungen übertragen wird und daß mindestens eine lichtleitende Faser (2,5) in dem rotierenden Teil und mindestens eine lichtleitende Faser (A,6) in dem'nichtrotierenden Teil angeordnet ist, wobei der Lichtsignalübergang vom rotierenden in den nichtrotierenden Teil und umgekehrt über Fasern erfolgt, die in demselben radialen Abstand von der Rotationsachse angeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Faser (2,4) im Rotationszentrum angeordnet ist und/oder daß mehrere Fasern (5,6) in verschiedenen radialen Abständen vom Rotationszentrum angeordnet sind.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung mit faseroptischen Gebern, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Sensoren in dem rotierenden Teil einer Maschine, wie z.B. den Wicklungen einer elektrischen Maschine, lichtleitende Fasern führen, daß von diesen Sensoren mindestens eine Faser zurückführt, wobei zwischen dem rotierenden Teil (1) und dem nichtrotierenden Teil (3) eine optische Signalübertragung (4,6) in der Rotationsachse angeordnet ist, daß die zu den Sensoren führenden Fasern bei ihrer Rotation in optischem Kontakt mit einem oder mit mehreren Fasern im

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nichtrotierenden Teil treten, und daß die von den Sensoren zurückführende Faser in optischem Kontakt mit einem Lichtleiter im nichtrotierenden Teil angeordnet ist.

A. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal bei der Rotation der ' lichtleitenden Fasern zu den Sensoren vorbei an dem entsprechenden Lichtleiter (6) in dem nichtrotierenden Teil (3) erfaßt wird.

5. Anordnung nach einem der vorhergehejßden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal von den Sensoren zeitmultiplexiert ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden .Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anordnung beispielsweise in dem. rotierenden Teil, reflektierende Flächen in verschiedenen Rotationswinkeln angeordnet sind, die Lichtsignale in den nichtrotierenden Teil oder umgekehrt reflektieren.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Temperaturmessung, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung mittels Fotolumineszenz geschieht, wobei Anregungslicht in eine zentrale lichtleitende Faser und von dort zu einem oder mehreren Sensoren geleitet wird, von denen aus lumineszierendes Licht durch den rotierenden Teil in.Fasern im nichtrotierenden Teil zurückgesandt wird, die in entsprechendem radialen Abstand von der Rotationsachese angeordnet sind.

8» Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche\, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der lichtleitenden Fasern in dem einen Teil, beispielsweise in dem rotierenden Teil, größer ist als in dem anderen Teil, wobei die Signale von einer ■ Faser in dem letztgenannten Teil der Reihe nach zu einer Anzahl von Fasern in dem erstgenannten Teil übertragen werden.

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9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Licht, wie beispielsweise Anregungslicht, von dem nichtrotierenden Teil in die entsprechende Faser im

• rotierenden Licht geleitet wird und daß reflektiertes oder durch Fotolumineszenz erzeugtes Licht als eine Folge des zugeführten Anregungslichtes über dieselbe Faser zurückgeleitet wird,

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch aktive Anordnung in dem rotierenden Teil mit Lichtenergie über Fasern der optischen Kopplungsanordnung gespeist wird und daß die elektrisch aktive Meßanordnung die Lichtenergie 'in elektrische Energie umwandelt .

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

Licht von dem rotierenden Teil, beispielsweise von einer elektrisch aktiven Meßanordnung, gesandt wird und daß Meßsignale in Form von Licht durch die optischeAnordnung zur ■ Übertragung von Meßsignalen zu dem nichtrotierenden Teil über dieselben oder eine andere Faser übertragen werden als der, die zur Speisung der Meßanordnung benutzt wird.

12,Anordnung nach .einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elastische Dichtung (8) zwischen dem rotierenden Teil (1) und dem nichtrotierenden Teil (3) vorhanden ist, die einen axialen oder radialen Dichtungsdruck ausübt, um die Oberflächen der Fasern in dem betreffenden Teil gegen Verschmutzung zu schützen,

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13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (7) zwischen dem rotierenden Teil (1) und dem nichtrotierenden Teil (3) mit optischer Kontaktflüssigkeit gefüllt o- ist.

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