DE3433351C1 - Kapazitives Messsystem zur Messung des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen - Google Patents

Kapazitives Messsystem zur Messung des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen

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DE3433351C1
DE3433351C1 DE3433351A DE3433351A DE3433351C1 DE 3433351 C1 DE3433351 C1 DE 3433351C1 DE 3433351 A DE3433351 A DE 3433351A DE 3433351 A DE3433351 A DE 3433351A DE 3433351 C1 DE3433351 C1 DE 3433351C1
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Kurt Dr. 8900 Augsburg Ding
Hartwig Dr. 8047 Karlsfeld Knöll
Josef 8061 Hebertshausen Wenzl
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    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/04—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

a) die Meßfläche der Sonde kleiner ist als die vom beweglichen Teil überstrichene Fläche und dieser zugekehrt ist,
b) ein Ladungsverstärker und ein Spannungserzeuger von der Sonde entfernt angeordnet ist,
c) die Bandbreite des Ladungsverstärkers auf den Frequenzinhalt des zu erwartenden Ladungssignals abgestimmt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß,
d) die Sonde an den Ladungsverstärker und den Spannungserzeuger über ein triaxiales Kabel mit jeweils gegenseitig isolierten Leitern angeschlossen ist,
e) daß aus der gemessenen Ladungsmenge Q die Spaltkapazität Cs bestimmt wird über Cs = Q/Urefvaxa daß aus der Spaltkapazität der Spalt d über im Stillstand kalibrierte Größen (A, B, C) bestimmt wird.
f) der die Meßsonde und das gegenüberliegende Teil einbeziehende Kondensator auf eine konstante Spannung vorgespannt ist, die konstant gehalten wird,
g) die Polarität der vom Ladungsverstärker an den Kondensator abgegebenen Vorspannung automatisch umschaltbar ist, gesteuert vom Erfassungssystem und die Messungen bei unterschiedlichen Spannungen zeitlich nacheinander durchgeführt werden, indem die in und aus der Meßkapazität fließende Ladung gemessen wird,
2. Meßsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassung und Auswertung mehrkanalig erfolgen kann und die Einheit wenigstens einen Mikroprozessor bzw. (Mikro-)Rechner umfaßt
3. Meßsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsmesser und die Regelschaltung für die Vorspannung (Urer) eine bauliche Einheit bilden.
4. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen Wählschalterfür folgende Betriebsarten:
a) stationäre Messung
b) instationäre Messung
c) Einzelschaufelmessung
d) Kalibrierung
5. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch periodische Modulation der Referenzspannung eine Umladung des Kondensators und ein Kalibriersignal erzeugt wird.
Bei relativ zueinander beweglichen Teilen wie Bauteilen von Maschinen, insbesondere Turbomaschinen aller Art, ist es wichtig, den Abstand — nachfolgend Spalt genannt — zwischen den Teilen möglichst genau zu kennen. Bei Turbomaschinen beeinflußt die Größe des Spaltes zwischen Rotorschaufel und Gehäuse die sogenannten Leckverluste, die wiederum unmittelbar auf den Wirkungsgrad der Maschinen durchschlagen.
Zum Zwecke der Abstandsmessung ist bereits ein
ίο elektromechanisches Abstandsmeßgerät im Gebrauch und in der DE-PS 28 07 296 beschrieben, bei dem ein Taststift in einer Präzisionsschraube mit Referenzendanschlag geführt ist. Die Präzisionsschraube ist ihrerseits im Gehäuse gelagert und wird von einem Getriebemotor mit kodiertem Winkelgeber steuerbat angetrieben. Der Weg des Taststiftes wird bei dieser Anordnung aus der Messung des Drehwinkels abgeleitet und die Berührung von Taststift und Rotor wird von einer hochempfindlichen elektronischen Schaltung überwacht, die bereits dann reagiert, wenn der Fühler gerade noch keinen mechanischen Kontakt zur Schaufel hatte.
Neben dem Vorteil der berührungsfreien Spaltmessung hatte jedoch das Taststiftverfahren auch noch Nachteile. Mit ihm läßt sich nur der Abstand zur längsten Schaufel auf einem Rotorkranz messen und die Messung ist bei schnellen transienten Vorgängen nicht möglich.
Ein weiteres bekanntes Verfahren der Spaltmessung ist das Triangulationsverfahren mit Messung auf optischem Wege. Dabei bauen die Sonden groß, sind über 2000C nur gekühlt einsetzbar und ihre Meßgenauigkeit ist nicht ausreichend. Außerdem ist bei schnell drehenden Rotoren nur eine mittlere Schaufellängenmessung möglich, nicht die Messung einer Einzelschaufel.
Aus der US-PS 40 63 167 ist eine Abstandsmeßeinrichtung bekannt, mit einer Sonde, bei der zwei Elektroden in einem Abstand nebeneinander angeordnet in einer Vergußmasse eingebettet sind. Die Elektrizitätskonstante dieser Masse ändert sich mit der Temperatur d. h.
die Sonde ist temperaturempfindlich und die beiden Leiter der Sonde liegen auf unterschiedlichem Potential wodurch Änderungen der Kapazität zwischen diesen Leitern die Messung beeinflussen können.
Ferner sind kapazitive Meßverfahren mit Hilfe einer Frequenzmodulationstechnik bekannt (DE-AS 10 91 346 und US-PS 28 42 738). Dort gelten ähnliche Nachteile wie bei dem vorbeschriebenen optischen Verfahren, jedoch macht eine starke Temperaturabhängigkeit und Schwingungsabhängigkeit das Meßsystem für
so insbesondere Turbomaschinen nicht geeignet. Insbesondere wird dabei die Verstimmung eines Resonanzschwingkreises gemessen, dessen Frequenz nicht nur durch die Meßkapazität bestimmt wird, sondern auch durch die Kapazitäten von Sonde und Kabel, deren Änderungen bei Temperaturschwankungen direkt die Messung beeinflussen. Gleiches gilt für Schwingungen.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Abstandsmeßsystem für den Abstand von Schaufelspitzen und Rotorgehäuse einer Maschine oder ähnlicher Anwendungen zu schaffen, bei denen aufgrund auftretender starker Temperaturschwankungen eine Unabhängigkeit der Meßergebnisse gewährleistet sein muß.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Hauptanspruch sowie in weiteren Ansprüchen enthalten. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen hervor. Zur Erfindung gehören ausdrücklich auch alle Kombinationen der beanspruchten, beschriebenen und
dargestellten Merkmale sowohl untereinander als auch mit an sich bekannten Merkmalen. Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung sind: Das erfindungsgemäße kapazitive Meßsystem ist sowohl für stationäre als auch instationäre Messungengeeignet und vor allem auch für die Einzelschaufelmessung.
Lias Meßsystem ist auch im Stillstand der Maschine auf einfache und sichere Weise kalibrierbar, z. B. durch Verfahren der Sonde gegen eine stehende Schaufel eines Rotorkranzes und Modulation der Vorspannung (Uret). Das Meßsystem ist schwingungsunempfindlich durch aktive Gleichspannungsschutzschirmtechnik in Sonde und Kabel. Dadurch, daß die in und aus der Spaltkapazität fließende Ladung gemessen wird, verfälschen Kapazitätsänderungen von Kabel oder Sonde hervorgerufen durch Temperaturschwankungen nicht das Meßergebnis.
Einzelschaufellängenmessung ist bis Schaufelwechselfrequenzen von etwa 50 kHz möglich.
Eine Messung des zeitabhängigen Spaltverlaufs bei transienten Vorgängen (Beschleunigung, Verzögerung) ist möglich.
Die Sonde des Meßsystems ist sehr klein und mit einem flexiblen Anschlußkabel in kleine Gehäuseöffnungen einsetzbar. Sie ist ungekühlt einsetzbar bis 6000C.
Das Meßsystem ist mit einer schnellen Meßelektronik zur Bestimmung der Signalhöhe der aufeinanderfolgenden Schaufelimpulse versehen und es gestattet eine schnelle Umsetzung der gemessenen Signalhöhe in einen Spaltwert sowie digitale und/oder analoge Ausgabe des Spaltes.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen rein schematisch dargestellt. Anhand dieser Zeichnungen erläutern die nachfolgende Beschreibung Ausführungsformen der Erfindung. Es zeigt
F i g. 1 den Wirkungsgrad bei Vergrößerung des Rotorspaltes in F i g. 1 a einer Axialturbine und in F i g. 1 b eines Radialverdichters, F i g. 2 Meßsignale, wie sie beim jeweiligen Stand eines beschaufelten Rotorkranzes gegenüber einer Sonde des erfindungsgemäßen Meßsystems erzeugt werden, F i g. 3 den prinzipiellen Aufbau der Meßkette, F i g. 4 ein Blockschaltbild von Komponenten der Meßkette,
F i g. 5 eine im Gehäuse eingebaute Sonde mit zugehörigem Rotor in perspektivischer Ansicht,
F ί g. 6 einen Schnitt durch ein Gehäuse einer Turbomaschine mit eingebauter Sonde.
Im Beispiel der Fig. la ist der Schaufelkranz eines Rotors einer Turbine dargestellt mit einer Länge h der Laufschaufeln 4 und einem Spalt s gegenüber dem Gehäuse 2 mit Stator bzw. einem feststehenden Ring von Leitschaufeln 5. Daneben ist der Wirkungsgrad-Verlust in % über dem relativen radialen Rotorspalt aufgetragen. Es zeigt sich eine liniare Abhängigkeit beider Größen. In F i g. 1 b ist ein Radialverdichter dargestellt mit einem Rotor 6 und außenliegendem Gehäuse 2 gegebenenfalls mit Stator bzw. Leitschaufelring 5. Wie in F i g. 1 a ist auch hier die wirksame Schaufellänge mit Λ und der Spalt des Rotors gegenüber dem Gehäuse mit s bezeichnet. Die danebenstehende Graphik zeigt den Wirkungsgradverlust in % über dem relativen axialen Rotorspalt. Gleiches gilt nicht nur für Verdichter, sondern auch für Pumpen, Gebläse, Lüfter, Turbolader oder ähnliche Maschinen.
In F i g. 2 ist die Position der Sonde 1 relativ zum Schaufelkranz des Rotors 6 ersichtlich und die damit erzeugten Meßsignale. Im linken Teil der F i g. 2 ist gegenüber der Sonde eine Schaufellücke und im rechten Teil der F i g. 2 gegenüber der Sonde eine Schaufelspitze liegend bzw. stehend. Die Drehrichtung des Rotors 6 mit Schaufelkranz ist durch Pfeil angedeutet. Das Ladungsverstärkerausgangssignal 7 und seine Zugehörigkeit zu einer bestimmten Position Schaufel zu Sonde sind ebenfalls durch Pfeil gekennzeichnet. Jeweils in der Mitte einer Lücke ist das Ausgangssignal am kleinsten und bei kleinstem Abstand zwischen Schaufelspitze und Sonde (Spalt) am höchsten (Spannungsspitze).
Die in F i g. 3 dargestellte Meßkette besteht (von links nach rechts) aus dem Kondensator, der aus der im Gehäuse befestigten Sonde 1 und der Schaufelspitze 4 gebildet wird und an dem eine Kapazitäts-Ladungskonversion stattfindet. Eine Ladungs-Spannungskonversion und die Erzeugung einer Sondenspannung findet statt im Ladungsverstärker 8. Eine Signalformung, eine Spitzenwertmessung und Digitalisierung erfolgt in der Aufbereitungselektronik 9. Eine Ablaufsteuerung sowie die Spaltberechnung erfolgt im Rechner 10 und die Dokumentation der Meßwerte erfolgt z. B. auf einem Drukker 11 oder Linienschreiber 12. Auch andere Datenausgabe und/oder -aufzeichnungs- bzw. Registriergeräte sind anwendbar.
Das in F i g. 4 dargestellte Blockschaltbild zeigt die Ladungsverstärker-Sondenspannungseinheit bestehend aus Ladungsverstärker 8, Differenzverstärker 13, Sondenspannungsquelle 14 und Netzteil 15, welche der Ladungs-Spannungskonversion und der Erzeugung der Sondenspannung dient.
Der Ladungsverstärker und der Differenzverstärker sind zueinander in Serie geschaltet. Die durch den Differenzverstärker maßbezogenen Ausgangssignale des Ladungsverstärkers werden an die Aufbereitungselektronik weitergeleitet. Der Ladungsverstärker 8 ist auch wie dargestellt mit dem Sondenspannungsgeber 14 verbunden.
In F i g. 5 sowie F i g. 6 sind räumliche Sondenanordnungen im Gehäuse einer Turbomaschine ersichtlich. Die Zuordnung zum Rotor ist in F i g. 5 perspektivisch dargestellt. Man erkennt deutlich die aktive Sondenfläche und die tri-axiale Anordnung von Elektroden und Isolationsschichten. Die Sonde ist im Gehäuse der Maschine kalibrierbar angebracht in einem Sicherheitsabstand zur längsten Schaufel. Es ist der Spalt zwischen Rotor (hier Schaufelspitzen) und Gehäuse bezeichnet.
In F i g. 6 ist die Sonde in einem mehrteiligen Gehäuse eingesetzt. Die Sonde hat das Bezugszeichen 1 und ihr Halter das Bezugszeichen 3, während das Gehäuse das Bezugszeichen 2 besitzt. Der Abstand zur Schaufelspitze des rotierenden Kranzes 6 ist mit »S« bezeichnet, die Laufschaufel mit 4 und eine Leitschaufel mit 5. Es ist ersichtlich, daß die Sonde 1 klein und leicht einbaubar und anschließbar ist. So betrug z. B. der in F i g. 6 gezeigte Sondendurchmesser etwa 10 mm und die Höhe derselben war noch geringer. Ein Anschlußkabel kann direkt an die Sonde auf der der Schaufelspitze abgekehrten Seite angeschlossen werden. Bevorzugt wird die Ladungsverstärkereinheit (in F i g. 4 dargestellt) in einem robusten Spezialgehäuse untergebracht zusammen mit dem Regler für die Sondenspannung und der Stromversorgung (Netzteil).
Ist der Spaltkodensator mit einer konstanten Gleichspannung Uret gegenüber dem Rotor vorgespannt, so
wird die aktive Sondenfläche bei jedem Schaufeldurchgang elektrisch auf- und entladen.
Ist die aktive Sondenfläche 18 bei dem Meßsystem an den Ladungsverstärker angeschlossen, so wird an dessen Ausgang ein Spannungssignal UA erzeugt, das ein Maß für die Ladungsmenge Q ist, die dessen Eingang zugeführt oder entzogen wird.
Die maximale Ladungsmenge Q,max jedes Schaufelwechsels ist abhängig von der Kapazität des Spaltkondensators Cs; und damit vom Abstand d,- der individuellen Schaufel 4 von der Sonde entsprechend der Gleichung: CW = Qi χ Ure! = Uref χ f(di); {(di) gibt den Zusammenhang zwischen Spalt und Kapazität an, der durch Kalibrierung ermittelt wird.
Da der Ladungsverstärker 8 durch ein triaxiales Kabel 17 abgeschirmt an die Sonde 1 angeschlossen wird, bei dem Seele und Schutzschirm auf gleichem Potential liegen, wird eine Eigenkapazitätsänderung von Sonde oder Kabel im Bereich zwischen Schutzschirm und Seele der Sonde 1 vom Ladungsverstärker 8 nicht registriert, da keine Ladungsverschiebung durch Umladung auftritt, denn dieser Bereich des Kondensators liegt mit beiden Seiten auf gleichem Potential, d. h. daß nur die Kapazität des Spaltkondensators erfaßt wird, die sich in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Sonde 1 und Schaufel 4 verändert. Die Sonde 1 ist möglichst nahe dem beweglichen Teil 4 angeordnet. Der Abstand zwischen Sonde 1 und längster Schaufel 4 ist jedoch frei wählbar. Wird er jedoch möglichst klein gehalten, erhöht sich dadurch die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung. Die Meß- oder Stirnfläche 18 der Sonde 1 kann auch an die Innenkontur des Gehäuses 2 angepaßt werden, wenn diese z. B. von einer ebenen Fläche abweicht.
Die im Gehäuse 2 eingebaute Sonde 1 bildet zusammen mit der Schaufelspitze 4 den Spaltkondensator, dessen Plattenabstand gemessen und angezeigt werden soll. Bei bekannter Position der aktiven Sondenfläche 18 im Gehäuse ergibt sich aus dem Plattenabstand unmittelbar der Rotorspalt »S«.
Die Ladungsmenge am Spaltkondensator wandelt der Ladungsverstärker 8 mit hoher Frequenzbandbreite in das in F i g. 2 angedeutete Spannungssignal 7. Die Bandbreite des Ladungsverstärkers 8 ist dabei auf den Frequenzinhalt des zu erwartenden Ladungssignals mit Vorteil abgestimmt. Um die obere Grenzfrequenz des Ladungsverstärkers nicht zu verringern, ist es vorteilhaft, das Sondenanschlußkabel 17 möglichst kurz zu halten.
Die Aufbereitungselektronik 9 hat die Aufgabe, nach Filterung und Verstärkung des Signals den Spitzenwert jedes Schaufelwechselimpulses einzeln zu vermessen und zu digitalisieren. Die ermittelten Pulsamplitutenwerte werden dann als Bits dem Rechner 10 parallel übergeben.
Der Rechner 10 steuert den Ablauf der Messung entsprechend der vom Benutzer gewählten Betriebsart und rechnet die Meßwerte (Volt) in Spaltwerte s (in mm) um.
Als Betriebsarten lassen sich wählen (bei 16):
a) stationäre Messung
b) instationäre Messung
c) Einzelschaufelmessung
d) Kalibrierung
Stationärer und instationärer Meßbetrieb sind zu unterscheiden. Wenn man die Messung zweimal mit unterschiedlicher Polarität der Sondenvorspannung durchführt und danach den arimethischen Mittelwert bildet, erhält man einen von der Sondenvorspannung abhängigen Spaltsignalwert auch bei schlechter Erdung des Rotors. Die Umpolung der Sondenvorspannung sollte mit dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßter Taktfrequenz durchgeführt werden. Diese läßt sich jeweils in Versuchen leicht ermitteln und zwar unterschiedlich für stationäre und instationäre Messungen. Bei der stationären Betriebsart kann nach einer vorwählbaren Zeitspanne die Sondenvorspannungspolarität automatisch gewechselt werden. Bei der instationären Betriebsart kann die Polaritätsumschaltung z. B. während schneller Beschleunigungs- oder -Verzögerungsphasen der Maschine unterbrochen werden. Es wird dann bei einen einmaligen Umschaltvorgang ein Korrekturfaktor bestimmt. Der Rechner verarbeitet diesen Korrekturfaktor automatisch bei mit einer Polarität aufgenommenen Spaltsignalwerten in diesem Beispiel.
Als Meßergebnis kann der Rechner unabhängig von der Betriebsart den kleinsten Spalt pro Umlauf, den größten Spalt oder auch den mittleren Spalt angeben. Ebenso ist die Einzelschaufelmessung möglich, bei der die Spaltwerte für jede Schaufel des Umfangs ermittelt und aufgelistet werden. Die Ausgabe der Meßergebnisse ist je nach stationärer und instationärer Messung unterschiedlich.
Bei der einer Messung vorhergehenden Kalibrierung wird wie folgt verfahren:
Die Sonde 1 wird relativ zum Gehäuse 2 in Richtung auf das bewegliche Teil wie Rotorkranz 6 mit vorstehender Schaufel verschoben. Durch periodische Modulation der Referenzspannung (Sondenvorspannung) wird der Kondensator bestehend aus Sonde und Schaufel umgeladen und es wird dadurch ein Kalibriersignal erzeugt.
Abwandlungen der dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele können vorgenommen werden, ohne hierdurch den Schutzumfang der Erfindung einzuengen. Auch andere Anwendungen als die vorher beschriebenen lassen sich durchführen. Das Meßsystem kann voll automatisiert werden hinsichtlich Steuerung, Auswertung, Fehlerüberwachung und es ist mehrkana-Hg zu betreiben. Die Erfindung ist auch nicht auf Strömungsmaschinen beschränkt, sondern allgemein bei Kraft- und Arbeitsmaschinen anwendbar sowie als Ab-Standsmeßsonde in Werkzeugmaschinen bzw. Handhabungssystemen wie Roboter.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Kapazitives Meßsystem auf der Basis einer Ladungsmessung zur Messung des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, insbesondere dem Abstand der Schaufelspitzen eines leitfähigen Rotors zum Gehäuse einer Strömungsmaschine, mit einer Sonde und einer Erfassungs- und/oder Auswerteeinrichtung für die Meßwerte, wobei die Sonde in einer Gehäusewand feststehend angeordnet ist und
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