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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen optischen Schwingungsaufnehmer und im einzelnen einen Aufnehmer,
in welchem man ein durch einen Spiegel reflektiertes Licht analysiert,
der mit einem Element fest verbunden ist, das den Schwingungen unterworfen
ist, deren Parameter man messen möchte.
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Ein derartiger Schwingungsaufnehmer
ist beispielsweise dazu bestimmt, die Beschleunigung in den Stäben zu messen,
die den Stator eines Turbowechselstromgenerators bilden.
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Verschiedene Beobachtungen haben
gezeigt, dass die Stäbe,
die den Stator eines Hochleistungs-Turbowechselstromgenerators bilden,
im Laufe der Zeit diverse Spielräume
zeigen, die durch die elektromagnetischen Laplace-Kräfte verursacht
wurden, die an einer fortschreitender Lockerung der Haltesysteme
beteiligt sind.
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Diese Kräfte werden mathematisch ausgedrückt durch
das Produkt der Länge
L des Stabs mit dem Vektorprodukt der Intensität I, die den Stab durchquert,
mit der magnetischen Induktion B, der der Stab unterworfen ist.
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Diese Kräfte erzeugen Schwingungen bei der
doppelten Frequenz der Frequenz des Stroms. Wenn der Turbowechselstromgenerator
einen Strom bei 50 Hz erzeugt, beträgt die Schwingungsfrequenz folglich
100 Hz.
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Nichtsdestotrotz können während des
Betreibens oder des Wechsels des Betriebszustands bzw. der Drehzahl
der Maschine sonstige Schwingungsfrequenzen auftreten.
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Es ist nützlich, permanent die Frequenzen und
die Amplituden der Schwingungen messen zu können, die durch die Stäbe eines
Turbowechselstromgenerators durchgemacht werden, so dass die auftretenden
Phänomene
analysiert werden, deren chronologischer Zusammenhang dargestellt
wird und Wartungsprogramme vorgesehen werden.
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Unter Berücksichtigung des vorstehend
Gesagten ist es interessant, dass man über einen „Breitband"-Schwingungsaufnehmer verfügen kann,
um korrekte Informationen über
die Schwingungszustände
der verschiedenen untersuchten Stellen zu erhalten, und eine präzise Messung
in der Amplitude, in der Phase und in der Frequenz durchzuführen.
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Das Vorhandensein der Hochspannung
an verschiedenen Stäben
des Stators verbietet es, dort herkömmliche Aufnehmer anzuordnen,
die galvanisch mit ihrer elektronischen Schaltung verbunden sind.
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Die Lichtleitfasern sind isolierend
und es ist einfach, sie für
die Ausführung
eines Schwingungsaufnehmers zu benutzen, der in Zonen genutzt wird, wo
eine hohe elektrische Spannung herrscht.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht folglich darin, einen Schwingungsaufnehmer mit Lichtleitfasern
auszuführen,
der gestattet, die Messung der Beschleunigung in einer bestimmten
Achse mit einer hohen Präzision
in einer schwierigen Umgebung zu gewährleisten.
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Als Beispiel wäre folgendes Lastenheft zu nennen,
das dem festzulegenden Schwingungsaufnehmer zugrunde liegt:
Bereich
der gemessenen Frequenzen: 10 bis 1500 Hz.
Phasenverschiebung
der Messung bei 100 Hz: < 10 Winkelminuten.
Messdynamik
an jeder Frequenz: 0,1 g bis 100 g.
Messgenauigkeit: 2% mehr
oder weniger.
Transversale Empfindlichkeit: < 0,1
Die Umgebung,
in der der Aufnehmer gemäß der vorgenannten
Anforderungen funktionieren sollte, wäre: Vorhandensein magnetischer
Felder der Größenordnung
des Tesla.
Vorhandensein von Hochspannung einer Größenordnung
von 25 kV.
relativer Wasserstoffdruck einer Größenordnung
von 4 Bar.
Betriebstemperaturbereich zwischen +10°C und 120°C bei einer
Variation der Umgebungstemperatur, die 50°C in 10 Minuten erreichen kann.
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Schließlich dürfen die Abmessungen des Aufnehmers
und seine Masse keine Werte überschreiten,
die mit der geplanten Anwendung inkompatibel sind; in dem Fall eines
Aufnehmers, der für die
Erkennung der Schwingungen der Stäbe eines Turbowechselstromgenerators
verwendet wird, müssen
die Abmessungen des Aufnehmers beispielsweise benachbart sein von:
15 × 15 × 30 mm.
Die Masse des Aufnehmers ist vorzugsweise niedriger als 20 Gramm.
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Die Wahl des Anmelders für die Ausführung eines
optischen Schwingungsaufnehmers hat sich auf einen Aufnehmer erstreckt,
der die Ablenkung eines eingebauten Trägers (auch Gerberträger genannt)
unter der Wirkung der Trägheitskraft
nutzt, die an seiner eigenen Masse angreift; die Messung dieser
Ablenkung erfolgt auf optischem Wege, indem ein Lichtstrom auf eine
reflektierende Ogberfläche
gesendet wird, die mit dem Vibrationsträger fest verbunden ist und
indem die nach Reflexion am Spiegel aufgenommene optische Intensität gemessen
wird.
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Der Stand der Technik auf diesem
Gebiet ist durch das Dokument EP-B 0 354 882 festgelegt, das einen
Schwingungsaufnehmer beschreibt, der ein Gehäuse aufweist, in dem ein Schwingungselement in
Form einer Folie bzw. eines Plättchens
ausgeführt ist,
von der bzw. von dem ein Ende an dem Gehäuse befestigt ist, wobei das
andere Ende frei ist und eine Oberfläche besitzt, die geeignet ist,
einen einfallenden Strahl zu zerstreuen, der von einer Sende-Lichtleitfaser
ausgeht. Das Ende der Sendefaser ist mit einer Mikrolinse versehen,
die gestattet, den einfallenden Strahl in Richtung auf den beweglichen
Abschnitt des Schwingungselements konvergieren zu lassen. Eine Empfangs-Lichtleitfaser
ist in Nähe
der Sendefaser angeordnet und ebenfalls mit einer Mikrolinse versehen,
die eine optische Achse besitzt, die in Richtung auf denselben beweglichen
Abschnitt gerichtet ist. Sie überträgt an Analysemittel
einen Teil des durch den beweglichen Teil des Schwingungselements
zerstreuten Lichts, um dessen Frequenz und Intensität zu messen,
wobei diese Letztgenannte proportional zum Abstand zwischen der
diffundierenden Oberfläche
und der Empfangsfaser ist.
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Eine der Hauptanwendungen dieses
Aufnehmers ist die Messung von Schwingungen, die Teile von elektrischen
Maschinen wie beispielsweise einen Stator eines Hochleistungswechselstromgenerators beeinflussen.
Der Aufnehmer ist besonders an die Erkennung von anormalen Schwingungsamplituden eines
Teils angepasst, das bei einer Resonanzfrequenz schwingt, die durch die
Frequenz der elektrischen Stromversorgung der Maschine bestimmt
ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass die schwingende Folie
bzw. das schwingende Plättchen
des Aufnehmers derart ausgelegt ist, dass sie bzw. es bei einer
maximalen Amplitude bei der Resonanzfrequenz des Teils der Maschine
schwingt, an der der Aufnehmer befestigt ist.
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Dieser Aufnehmer ist hingegen nicht
angepasst an die Messung von Schwingungen in einem Bereich relativ
breiter bzw. großer
Frequenzen. In der Tat schwingt ein Schwingungselement, das in Form einer
Folie bzw. eines Plättchens
ausgeführt
ist, im allgemeinen mit einer relativ schwachen Amplitude, sobald
die Schwingung, die der Aufnehmer durchmacht, sich von der Resonanzfrequenz
unterscheidet, die diesem Schwingungselement eigen ist. Da die Empfangs-Lichtleitfaser
nur einen sehr geringen Anteil des einfallenden Lichts aufnimmt,
das durch die Oberfläche
des Schwingungselements diffundiert wird, weist das analysierte
Lichtsignal keine Veränderung
mehr auf, die für
den Unterschied von dem Resonanzbereich kennzeichnend ist, der diesem Element
eigen ist.
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Ein Ziel der Erfindung besteht darin,
einen optischen Schwingungsaufnehmer auszuführen, der sich vom Stand der
Technik unterscheidet, gleichzeitig robust ist und kostensparend
ausgeführt
werden kann und der die Messung von Frequenzen in einem relativ
breiten bzw. großen
Bereich gestattet. Außerdem
sind die Elemente eines erfindungsgemäßen Aufnehmers angeordnet,
um ein signifikatives Lichtsignal zu analysieren zum Zweck des Erhalts
einer großen
Genauigkeit in der Messung.
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Zu diesem Zweck hat die Erfindung
einen optischen Schwingungsaufnehmer für eine elektrische Umgebung
zum Gegenstand, die einer mittleren oder Hochspannung unterworfen
ist, aufweisend ein dichtes Gehäuse,
das mit einem Isoliergas gefüllt
ist und ein Schwingungselement enthält, von dem ein erstes Ende
in dem Gehäuse
unbeweglich ist, während
ein zweites Ende frei schwingen kann, wobei eine Wand des Gehäuses durch
eine erste und eine zweite Lichtleitfaser durchquert ist, die jeweils
mit Mitteln zum Senden und zum Empfangen von Licht verbunden sind,
die außerhalb
des Gehäuses
gelegen sind, wobei die Lichtleitfasern jeweils ein festes Ende
im Inneren des Gehäuses
besitzen, wobei die erste Lichtleitfaser, Sendefaser genannt, vorgesehen
ist, um einen einfallenden Lichtstrahl in Richtung auf optische
Rückstrahlmittel
zu senden, die am beweglichen Ende des Schwingungselements vorgesehen sind,
wobei die zweite Lichtleitfaser, Empfangsfaser genannt, vorgesehen
ist, um einen Teil des Lichts zurückzugewinnen, das durch die
Rückstrahlmittel
ausgesandt wird, und den Teil des Lichts an Mittel zur Analyse seiner
Intensität
und/oder seiner Frequenz und/oder seiner Phase zu übertragen,
wobei die Intensität
proportional zum Abstand zwischen den Rückstrahlmitteln und einem Ende
der Empfangsfaser ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen
der Enden der ersten Faser und der zweiten Faser zueinander parallel
sind, die Enden glatt sind, das Schwingungselement in Form einer
Platte ausgeführt
ist, die optischen Rückstrahlmittel
Reflektoren sind und der Raum zwischen den Enden und den optischen
Rückstrahlmitteln
ausschließlich
aus dem Isoliergas gebildet ist.
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Vorzugsweise weisen die Enden der
ersten und zweiten Fasern Sende- und Empfangsflächen auf, die in ein und derselben
Ebene enthalten sind, und die optischen Rückstrahlmittel besitzen eine ebene
Oberfläche,
die annähernd
parallel zu der Ebene ist. Diese Enden können blank sein, d. h. frei von
jeglicher Schutzhülle,
um an einer bestimmten Länge
parallel und aneinanderstoßend
abzuschließen
und der Abstand zwischen der Ebene und der Oberfläche der
optischen Rückstrahlmittel
ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Länge.
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Vorteilhafterweise ist ein Block,
der Austiefungen aufweist, die für
den Durchlauf der Fasern bestimmt sind, im Inneren des Gehäuses des
Aufnehmers befestigt und die Platte ist ausgehend von einem geeigneten
Ausschnitt dieses Blocks ausgeführt.
Eine der Austiefungen mündet
gegenüber
der sogenannten tiefstehenden Fläche
der Platte.
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Vorzugsweise ist der Block in einem
Material ausgeführt,
das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von unter 0,1·10–6 hat.
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Vorteilhafterweise ist das Material
des Blocks eine Glaskeramik, die unter der Marke „ZERODUR" lieferbar ist.
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In einer ersten Ausführungsform
weisen die Mittel, die das Licht reflektieren, ein Teil auf, das
mit einem reflektierenden Überzug
versehen ist und an die höherstehende
Fläche
der Platte über
einem Loch dieser Letztgenannten geklebt ist.
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Als Variante weisen die das Licht
reflektierenden Mittel ein Teil auf, das mit einem reflektierenden Überzug versehen
ist und an der tiefstehenden Fläche
der Platte geklebt ist.
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Gemäß einer weiteren Variante sind
die reflektierenden Mittel durch eine reflektierende Abscheidung
gebildet, die an der tiefstehenden Fläche der Platte niedergeschlagen
ist.
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Vorteilhafterweise ist das Teil in
demselben Material ausgeführt
wie die Platte.
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Die Mittel zum Senden des Lichts
weisen eine erste Lichtleitfaser auf, Sendefaser genannt, von der
ein blankes Ende senkrecht zum reflektierenden Teil in einem geringen
Abstand von diesem angeordnet ist.
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Die Mittel zum Empfangen des reflektierten Lichts
weisen eine zweite Lichtleitfaser auf, Empfangsfaser genannt, von
der ein blankes Ende senkrecht zum reflektierenden Teil in einem
geringen Abstand von diesem angeordnet ist.
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Die blanken Enden der Sende- und
Empfangsfasern sind nebeneinander in einer ersten kapillaren Leitung
eines zylindrischen Ansatzstücks
angeordnet, das innen einen Durchmesser hat, der im wesentlichen
gleich dem Doppelten des Durchmessers einer blanken Lichtleitfaser
ist, wobei das Ansatzstück
in einer ersten zylindrischen Austiefung angeordnet ist, die in
dem Block senkrecht zur Ebene der Platte vorgesehen ist.
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Das Ansatzstück weist eine zweite kapillare Leitung
auf, die zur ersten kapillaren Leitung zugekehrt und koaxial ist
und einen Durchmesser von im wesentlichen gleich dem Doppelten des
Durchmessers einer Lichtleitfaser hat, die mit ihrer Umhüllung versehen
ist.
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Das Ansatzstück ist in der ersten Austiefung durch
Verleimung unbeweglich.
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Der Block weist eine zweite Austiefung
auf, die senkrecht zur ersten Austiefung ist und mit dieser Letztgenannten
in Verbindung steht, wobei die zweite Austiefung außerhalb
des Blocks mündet
und die Sende- und Empfangslichtleitfasern empfängt.
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Der Block ist von parallelepipedischer
Form.
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Der Block ist in einem dichten Gehäuse angeordnet.
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Das Gehäuse ist mit Isoliergas wie
trockener Stickstoff gefüllt.
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Das Gehäuse ist in demselben Material
wie der Block ausgeführt.
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Die Sende- und Empfangslichtleitfasern
sind in der zweiten Austiefung durch Klebstoff festgesetzt.
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Die Sende- und Empfangslichtleitfasern durchqueren
auf dichte Weise eine Wand des Gehäuses mittels einer Hülse, die
in demselben Material wie das Gehäuse ausgeführt und geleimt ist.
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Die Erfindung ist gut verständlich anhand
der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Zeichnung, in der:
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1 ein
Schema ist, das die optische Kopplung zwischen zwei Lichtleitfasern
veranschaulicht;
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2 ein
Schema ist, das äquivalent
zu dem Schema von 1 ist;
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3 ein
Diagramm ist, das das Phänomen der
optischen Kopplung zwischen der Sendefaser und der Empfangsfaser
veranschaulicht;
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4 ein
Aufriss des Blocks ist, der den Hauptabschnitt des erfindungsgemäßen optischen Aufnehmers
bildet;
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5 eine
Draufsicht desselben Blocks ist;
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6 eine
Ansicht in vergrößertem Maßstab eines
Abschnitts von 2 ist;
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7 eine
Ansicht in vergrößertem Maßstab desselben
Abschnitts von 2 gemäß einer ersten
Ausführungsvariante
ist;
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8 eine
Ansicht in vergrößertem Maßstab desselben
Abschnitts von 2 gemäß einer zweiten
Ausführungsvariante
ist;
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9 eine
Schnittansicht des Aufnehmers ist, der den Block und sein Gehäuse aufweist;
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10 ein
Diagramm der elektronischen Schaltung des Aufnehmers ist.
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Vor der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung ist es angebracht, einige Elemente der Mechanik und
Dynamik ins Gedächtnis
zurückzurufen.
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Wenn man einem Objekt eine sinusförmige Verschiebung
auferlegt der Form: d(t) = do·sinωtbei
d: Amplitude
ω:
Pulsation
t: Zeit
ist das Objekt einer Beschleunigung
g unterworfen, die die zweite Ableitung der Verschiebung ist: g(t) = d''(t) = –ω2·d(t)
= –(ω2do)·sinωt
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Man beobachtet, dass diese Beschleunigung proportional
zur Verschiebung ist.
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Wenn die Bewegung des Objekts hin-
und hergehend bzw. alternativ ist, ohne sinusförmig zu sein, kann sie in eine
Fourier-Serie zerlegt werden und dargestellt werden durch: D(t) = ΣDo·sin(ωit + ϕi)
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Die Beschleunigung des Objekts kann
ausgedrückt
werden: Γ(t)
= Σ–ω2i Do·sin(ωit + ϕi)
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Die klassischen Gesetze der Dynamik
lehren, dass, wenn ein Objekt einer Masse m eine Beschleunigung
durchmacht (auferlegt durch eine bestimmte Verschiebung), wird es
in dem Fall einer Trägheitskraft
unterworfen, die durch das Grundprinzip der Dynamik bestimmt wird. F(t) = m·Γ(t)
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Somit ist folglich die Messung der
Verschiebung eines Objekts äquivalent
der Messung der Trägheitskraft,
die es empfängt.
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Die Gesetze der Festkörperphysik
lehren, dass, wenn ein Objekt einer äußeren Kraft unterworfen wird
(wie die Trägheitskraft),
verformt sich dieses Objekt.
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Die Righeit eines Objekts ist durch
sein Elastizitätsmodul
oder Young-Modul gekennzeichnet.
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Es wird daran erinnert, dass die
Dehnung ΔL eines
Stabs einer Länge
L und einer Sektion a, der einer Kraft F unterworfen ist, sich durch
das Verhältnis ausdrückt: ΔL
= (F/E) × (L/a)in
welchem Verhältnis
E das Elastizitätsmodul
des Materials des Stabs ist.
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Somit ist die Messung der Verschiebung
d(t) eines Objekts äquivalent
der Messung seiner Verformung.
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Ein Beschleunigungsmesser ist ein
System, das ein Objekt, das unter der Wirkung der Trägheitskraft
verformbar ist, die durch die Verschiebung hervorgerufen wird, und
eine Vorrichtung zur Messung dieser Verformung aufweist.
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In dem optischen Aufnehmer der Erfindung ist
das verformbare Element eine eingebaute Platte.
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Es wird an die Merkmale des eingebauten Trägers oder
Gerberträgers
erinnert.
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Wenn Folgendes bezeichnet wird durch:
E
das Elastizitätsmodul
des Materials des Trägers
ρ die Dichte
des Materials
a die Dicke des Trägers
l die Länge des
Trägers
Γ die an den
Träger übertragene
Beschleunigung,
werden folgende Verhältnisse aufgestellt Resonanzfrequenz: f = 1/2π·(E/r)1/2·a/12
Verformungs-Durchbiegung:
YMAX = 3ρl4/2Ea2·Γ
Ablenkungswinkel der Platte: θMAX =
2ρl3/Ea2·Γ
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Es wird festgestellt, dass die Insensibilisierung
gegenüber
transversalen Schwingungen leicht erhalten wird, indem dem Träger eine
Breite verliehen wird, die größer oder
gleich dem Zehnfachen des Werts seiner Dicke ist. Der Träger wird
eine Platte einer Dicke a und einer Breite b.
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Nunmehr wird an einige optische Sachverhalte
erinnert.
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Wie vorstehend angegeben, wird die
Messung der Parameter der Schwingungen auf eine optische Messung
reduziert; die eingebaute Platte des Aufnehmers, der mit dem schwingenden
Objekt verbunden ist, ist mit einer reflektierenden Oberfläche M versehen
(siehe 1), auf die durch
eine erste Faser F1 ein einfallendes Licht gesendet wird; man nimmt
an einer Faser F2 das durch die reflektierende Oberfläche M reflektierte
Licht auf. Die Intensität
des Lichts muss proportional zur Verschiebung des Aufnehmers sein.
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Man nutzt die Tatsache, dass die
Verschiebung des Endes der eingebauten Platte proportional zur Verschiebung
des Aufnehmers ist, wie die Formel zeigt, an die vorstehend erinnert
wird.
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Das Licht, das beispielsweise durch
eine Lumineszenzdiode LED emittiert wird, wird in die Einmoden-
oder Multimoden-Faser F1 injiziert, die einen beliebigen Durchmesser
haben kann. Das Ende der Faser ist glatt und durch ein Ansatzstück festgehalten,
wie nachfolgend beschrieben.
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Dieses Ansatzstück trägt auch die zweite Faser F2,
die parallel zur ersten Faser angeordnet ist. Sie dient als Faser
zum Empfangen des durch die reflektierende Oberfläche reflektierten
Lichts. Eine Photodiode PD, die am gegenüberliegenden Ende der Faser
F2 angeordnet ist, gestattet, den Lichtstrom in einen Photostrom
umzuwandeln, danach in eine kleine elektrische Spannung, die durch
eine elektronische Karte verarbeitet wird, die nachfolgend beschrieben
wird.
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Man bemerkt, dass die Verschiebung
der reflektierenden Oberfläche
dieselbe Lichtmodulation I(t) der Faser F1 in Richtung auf die Faser
F2 hervorruft wie die Verschiebung einer Faser F3 bezogen auf die
Faser F1 in dem Fall, wo die Faser F3 das Bild der Faser F2 in der
reflektierenden Oberfläche
ist (siehe 2).
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Folglich ist es leicht (theoretisch
und experimentell) die Lichtleistung P(x) zu kennen, die von der Faser
F1 an die Faser F2 gekoppelt ist, indem die Faser F3 um eine Quantität x entfernt
wird, die man von Null bis ins Unendliche variieren kann.
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3 zeigt
die Variationen dieser Lichtleistung P als Funktion des Abstands
x, der die Enden der Leitungen F1 und F3 trennt; man stellt fest,
dass eine lineare Zone existiert, in der die Lichtleistung proportional
zu x ist, folglich zur Verschiebung der reflektierenden Oberfläche.
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Unter der Bedingung, die Enden der
Fasern F1 und F2 in einem derartigen Abstand von der reflektierenden
Oberfläche
anzuordnen, dass er dem geradlinigen Abschnitt der Kurve von 3 entspricht, kann die in
der Faser F2 aufgenommene Lichtintensität I(t) durch das Verhältnis ausgedrückt werden I(t) = α·Io(1 + k·d(t))mit:
a:
Lichtdurchlässigkeitskoeffizient
des kompletten optischen Systems,
k: Empfindlichkeitskoeffizient
der Gerberträger-Platte,
d(t):
Verschiebung des Aufnehmers als Funktion der Zeit t.
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Nun nimmt man Bezug auf 4 bis 6.
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Nach dem Hauptmerkmal der Erfindung
wird ein Block 10, vorzugsweise parallelepipedisch, derart bearbeitet,
dass er eine Platte 11 geringer Dicke festlegt, die als
Breite eine der Abmessungen des Blocks hat. Um den vorstehend angegebenen
Temperaturgradienten ohne Durchbruch standzuhalten, ist das Material
des Blocks vorzugsweise eine Glaskeramik, deren Wärmedehnungskoeffizient
zwischen 0,1·10–6 und
0,01·10–6 beträgt. Ein
derartiges Material ist durch die Firma SCHOTT unter der Marke „ZERODUR" lieferbar.
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Die Abmessungen der Platte sind gewählt, um
den vorstehend angegebenen Spezifikationen zu entsprechen, die eine
Resonanzfrequenz größer oder
gleich 2000 Hz erfordern.
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Man kann beispielsweise wählen:
- – Länge der
Platte: 15 mm
- – Breite
der Platte: 10 mm
- – Dicke
der Platte: 0,5 mm
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Die Wahl eines monolithischen Teils
vermeidet die Verleimung der Platte, wie sie im Stand der Technik
erwähnt
wird, die das Gerät
zerbrechlich macht; außerdem
bewirkt die Erweichung der Klebstoffe über eine bestimmte Temperatur
hinaus, beispielsweise 100°C,
Variationen der Empfindlichkeit und der Resonanzfrequenz der Platte.
Die Lösung der
Erfindung, in der die Platte integrierender Bestandteil des Blocks
ist, gestattet, diese Unannehmlichkeiten zu umgehen.
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Es müsste als integrierender Bestandteil
der Erfindung ein Block angesehen werden, der einer Platte zugewiesen
ist, in welcher Erfindung die Platte mit dem Block durch ein mechanisches
Verfahren irreversibel solidarisiert würde, beispiels weise, indem man
perfekt geglättete
Oberflächen
der Platte und des Blocks mit einem sehr starken Druck und ohne Klebstoff
gegeneinanderdrückt
analog dazu, was ausgeführt
wird, um zwei Metallteile zu solidarisieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform,
die in 4 bis 6 dargestellt ist, ist die
reflektierende Oberfläche
durch einen Spiegel 13 gebildet, der senkrecht zu einem
Loch geklebt ist, das in der Platte 11 vorgesehen ist.
Dieser Spiegel ist vorteilhafterweise ein dünnes Plättchen, das aus demselben Material
wie der Block gefertigt ist (vorzugsweise aus ZERODUR) und an einer
Fläche
einer Reflexionsbearbeitung unterzogen wurde. Das Plättchen 13 hat
einen größeren Durchmesser
als der des Lochs 12 und ist an der Platte 11 angeleimt.
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Der Spiegel hat eine geringe Masse,
um die eingebaute Platte 11 nicht zu beschweren. Beispielsweise
hat der Spiegel einen Durchmesser von 3 mm und eine Dicke von 250 μm.
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In einer ersten Ausführungsvariante,
die in 7 dargestellt
ist, ist der Spiegel, der mit der Bezugsziffer 13A bezeichnet
ist, an den unteren Abschnitt der Platte 11 geleimt; das
Loch 12 wurde in dem Fall weggelassen.
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In einer zweiten Ausführungsvariante,
die in 8 dargestellt
ist, ist der Spiegel 11 ersetzt durch eine Polierung und
eine Reflexionsbehandlung 13B, die an der tiefstehenden
Fläche
der Platte 11 angewandt wurde; das Loch der Platte wurde
in dem Fall ebenfalls weggelassen.
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Nun kommt man wieder zurück zu 4 bis 6. Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen
sich ebenfalls mutatis mutandis auf die Varianten von 7 und 8.
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Eine zylindrische Austiefung 14 wird
in den Block 10 gebohrt, senkrecht zur Platte 11 und
derselben Achse wie der Spiegel 13. Diese Austiefung ist dazu
bestimmt, ein Ansatzstück 15 zu
empfangen, das die Enden der Lichtleitfasern F1 und F2 enthält. Das
Ansatzstück 15 weist
zwei aufeinanderfolgende axiale kapillare Kanäle 16A und 16B auf;
der Kanal 16A, dessen Durchmesser der Größenordnung
von 250 μm
ist, enthält
die blanken Fasern F1 und F2 (d. h. ohne ihre Kunststoffhülse), die
nebeneinander angeordnet sind; der Kanal 16B, eines Durchmessers, der
größer ist
als derjenige des Kanals 16A, beispielsweise 800 μm) empfängt die
beiden Lichtleitfasern mit ihrer Hülse. Die blanken Fasern fluchten
im Ende des Ansatzstücks
und sind poliert, um die vorstehend beschriebene optische Kopplung
zu gewährleisten.
Eine Entspiegelungsbehandlung kann vorgesehen werden, um den Anteil
an reflektiertem Störlicht
zu begrenzen.
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Der Abstand zwischen dem Spiegel
und dem Ende des Ansatzstücks
ist eingestellt, damit die optische Kopplung der Fasern in der geradlinigen
Zone der Kurve von 3 erfolgt.
Nachdem diese Einstellung erfolgt ist, wird das Ansatzstück 15 in
der Austiefung 14 mithilfe eines Klebstoffs 18 festgesetzt.
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Das Ansatzstück muss einen Wärmedehnungskoeffizienten
haben, der so gering wie möglich ist,
um den Anforderungen des Lastenhefts zu entsprechen. Da es schwierig
ist, im heutigen Stand der Technik, kapillare Ansatzstücke aus
ZERODUR herzustellen, wählt
man ein Ansatzstück
aus Kieselsäureanhydrid
trotz seines Dehnungskoeffizienten, der fünfmal höher ist als derjenige von ZERODUR.
Unter Berücksichtigung
des geringen Durchmessers des Ansatzstücks (einer Größenordnung
von 1,6 mm) ist die differentielle Wärmedehnung zwischen dem Ansatz stück und dem
Block gering und wird durch ein leichtes Spiel zwischen dem Ansatzstück 15 und
der Austiefung 14 kompensiert, welches Spiel sich nicht schädlich auf
die Verleimung des Ansatzstücks
auswirkt.
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Der Block 10 weist eine
zweite zylindrische Austiefung 20 auf, die im wesentlichen
senkrecht zur ersten Austiefung 14 ist und in diese mündet, wobei sie
sich parallel zu großen
Flächen
des parallelepipedischen Blocks erstreckt und in eine kleine Fläche mündet. Diese
Austiefung dient den Fasern F1 und F2 als Führung, die von dem Block durch
die vorgenannte kleine Fläche
ausgehen. Im Inneren der Austiefung 20 sind die Fasern
F1 und F2 durch einen Klebstoff festgesetzt.
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Wie in 9 gezeigt,
ist der Block 10 in einem dichten Gehäuse 21 enthalten,
das vorzugsweise ausgehend von einem Block aus ZERODUR ausgeführt ist,
der ausgehöhlt
ist, um den Block 10 zu empfangen und mit einem Deckel 22 versehen
ist, der in demselben Material ausgeführt ist, und geleimt ist, um
das Gehäuse 21 dicht
zu verschließen.
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Innerhalb des Gehäuses herrscht ein Neutralgasmilieu,
beispielsweise trockener Stickstoff.
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Der Block ist vorzugsweise im Inneren
des Gehäuses
durch Verleimung befestigt mithilfe eines Klebstoffs, der die Eigenschaft
hat, die Schwingungen gut zu übertragen,
um nicht die Messung zu verfälschen.
Ein Beispiel eines derartigen Klebstoffs ist derjenige, der mit
X60 durch die Firma HBM bezeichnet ist. Seine Besonderheit besteht
darin, nach der Trocknung eine Härte
zu erreichen, die mit derjenigen der Keramik vergleichbar ist, und
temperaturbeständig
zu sein.
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Ein Ansatzstück 24 aus ZERODUR
gestattet, die dichte Durchführung
der Lichtleitfasern auszuführen;
das Ansatzstück
ist an die Wand des Gehäuses
geleimt; die Fasern sind im Ansatzstück durch einen Klebstoff festgehalten,
der ebenfalls die Dichtheit der Durchführung gewährleistet. Die Fasern F1 und
F2 sind am Ausgang des Gehäuses
in einer Hülse 25 aus
Kunststoff angeordnet, deren Zusammensetzung gestattet, dem Wasserstoff
standzuhalten, der in der Umgebung der Ausgangsstäbe des Turbowechselstromgenerators
existiert.
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10 ist
ein elektronisches synoptisches Schema des Aufnehmers.
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Das von der Empfangsphotodiode PD
stammende Signal wird an einen Operationsverstärker 31 adressiert,
der mit einem Tiefpassfilter 32 ausgestattet ist; am Ausgang
des Verstärkers
wird das Signal an einen Divisor 32 gesendet, anschließend an
eine Sensibilitätskorrekturschaltung 33,
die durch einen Mikroprozessor 35 fremdgesteuert wird.
Das Signal wird durch ein selektives Frequenzfilter 36 gefiltert, das
durch den Mikroprozessor gesteuert wird, anschließend durch
einen Wandler 37 digitalisiert, bevor es an den Mikroprozessor
adressiert wird. Dieser Letztgenannte berechnet die Amplitude der
Schwingung und liefert den Effektivwert an einen digitalen Ausgang 38 und
an ein Anzeigegerät 39.
Das Signal wird ebenfalls in analoger Form an einen Ausgang 42 nach
Phasenregelung und Offset-Korrektur (Schaltung 40) und
Filterung (Schaltung 41) geliefert.
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Der Aufnehmer der Erfindung ist besonders gut
anwendbar auf die Messung der Schwingungen der Ausgangsstäbe eines
Turbo-Wechselstromgenerators
aufgrund der Tatsache, dass seine Auslegung ihm gestattet, den schwierigen
Betriebsbedingungen standzuhalten.
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Die Nutzung von zwei verschiedenen
Lichtleitfasern zum Senden und Empfangen gestattet, sich von der
Länge der
genutzten Faser und den Störreflexionen
zu befreien, die auftreten können, wenn
man eine einzige Faser verwendet, die einem fluoreszierenden Organ
zugewiesen ist, wobei die Faser in dem Fall mit Organen zur Fokussierung,
zur Kopplung und/oder zur Derivation versehen sein muss.
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In dem Aufnehmer der Erfindung verwendet man
keinerlei Fokussierlinse, die Verleimungsprobleme in der Umgebung
mitsichbringt und den Aufnehmer durch die Notwendigkeit verkompliziert,
einen Rückstrahlspiegel
vorzusehen.