DE970967C

DE970967C - Measuring device for mechanical vibrations

Info

Publication number: DE970967C
Application number: DEL18204A
Authority: DE
Inventors: Stig Olof Juselius; Nils Goesta Hjalmar Lindholm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1953-03-19
Filing date: 1954-03-09
Publication date: 1958-11-20

Description

AUSGEGEBEN AM 20. NOVEMBER 1958ISSUED NOVEMBER 20, 1958

L 18204IX142 cL 18204IX142 c

Verfahren zum Messen der Amplituden mechanischer Schwingungen durch Umformen der mechanischen Schwingungsenergie in elektrische Energie sowie Verstärken und Messen einer der Amplitude proportionalen elektrischen Größe sind im Prinzip bereits bekannt. Der Energieumformer kann bei auf diesem Prinzip beruhenden Systemen elektromechanischer Art sein unter Verwendung einer in einem Magnetfeld seismisch angeordneten Spule. Die Dämpfung der Eigenschwingungen kann auf elektrischem Wege oder mit Hilfe einer Flüssigkeit erfolgen.Method for measuring the amplitudes of mechanical vibrations by transforming the mechanical Vibration energy into electrical energy as well as amplifying and measuring one of the amplitudes proportional electrical quantities are already known in principle. The energy converter can be on systems based on this principle can be electromechanical using one in one Magnetic field seismically arranged coil. The damping of the natural vibrations can be based on electrical Ways or with the help of a liquid.

Die in der Spule erzeugte Wechselspannung, die unter anderem eine Funktion der Schwingungsfrequenz ist, kann in eine Spannung umgewandelt werden, die nur der Schwingungsamplitude entspricht. Hierfür dienten bisher Einrichtungen auf der Grundlage der Widerstand-Kondensator-Integration, deren Integrierfähigkeit mit der Größe des in Reihe liegenden Widerstandes stieg, wodurch andererseits die Empfindlichkeit sich verringerte. Zur Erzielung größerer Empfindlichkeit war deshalb ein besonderer Verstärker erforderlich, da die Leistungsabgabe eines Gebers begrenzt ist.The alternating voltage generated in the coil, which, among other things, is a function of the oscillation frequency can be converted into a voltage that corresponds only to the oscillation amplitude. Up to now, devices based on resistor-capacitor integration have been used for this purpose, whose ability to integrate increased with the size of the series resistance, whereby on the other hand, the sensitivity decreased. Therefore, in order to achieve greater sensitivity a special amplifier is required because the power output of an encoder is limited.

Hauptzweck der Erfindung ist die Entwicklung as einer ausreichend empfindlichen Einrichtung zum Messen von Schwingungsamplituden mit Hilfe eines mechanischen Schwingungsumformers mit einemThe main purpose of the invention is to develop as a sufficiently sensitive device for measuring vibration amplitudes with the aid of a mechanical vibration converter with a

809 664/3809 664/3

seismisch angeordneten Spulensystem in Verbindung mit einem Meßinstrument und Integriermitteln von solchen Eigenschaften, daß die gesamte Messung ohne Verwendung eines Verstärkers oder einer zusätzlichen Energiequelle durchgeführt werden kann. Die Messung wird somit ausschließlich durch die Ausnutzung der Schwingungsenergie erzielt. Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Gerät braucht nicht an eine elektrische Leitung angeschlossen zu werden und besitzt keine sich aufbrauchenden Bestandteile, wie Elektronenröhren, Batterien od. dgl. Weiterhin erstrebt die Erfindung ein System zum Messen von Schwingungsamplituden, das die Herstellung einer billigen, verstärkerlosen Meßeinrichtung von kleinen Abmessungen, niedrigem Gewicht, großer Zuverlässigkeit, erhöhter Meßgenauigkeit und leichter Handhabung ermöglicht. Diese Eigenschaften machen die Einrichtung für eine große Zahl von Meßzwecken anwendbar, die teilweise neue Anwendungsgebiete für Schwingungsmesser erschließen. Als Beispiel hierfür kann die ständige Schwingungsüberwachung von Maschinen erwähnt werden, für die es wesentlich ist, daß während einer langen Meßzeit keine Unterbrechung der Messung und keine Änderung der Meßgenauigkeit eintritt.seismically arranged coil system in connection with a measuring instrument and integrating means of such properties that the entire measurement without the use of an amplifier or a additional energy source can be carried out. The measurement is thus carried out exclusively the utilization of the vibration energy achieved. A device constructed in accordance with the invention does not need to be connected to an electrical line and does not have any consuming Components such as electron tubes, batteries or the like. The invention also strives a system for measuring vibration amplitudes that allows the manufacture of an inexpensive, amplifierless Measuring device of small dimensions, light weight, great reliability, increased Measurement accuracy and ease of use made possible. These characteristics make the establishment applicable for a large number of measuring purposes, some of which are new areas of application for vibration meters open up. An example of this is the constant vibration monitoring of machines are mentioned, for which it is essential that there is no interruption during a long measuring time of the measurement and no change in the measurement accuracy occurs.

Die Einrichtung nach der Erfindung baut sich aus im wesentlichen bekannten Elementen auf, und zwar bedient sie sich eines elektrischen Meßinstrumentes nebst elektromechanischem Schwingungsumformer mit permanenten Magneten und seismisch angebrachtem Schwingungssystenij das sich in einem einzigen Luftspalt des Magneten bewegt und aus einer Spule sowie einem Spulenträger aus unmagnetischem, elektrisch leitendem Werkstoff besteht, der durch Wirbelströme eine Dämpfung hervorruft Die Spule ist in an sich bekannter Weise mit Einrichtungen zum Integrieren und Gleichrichten der in ihr induzierten Wechselspannungen verbunden. Von den bekannten Ausführungen dieser Art unterscheidet sich die vorerwähnte Schwingungs-Meßvorrichtung dadurch, daß erfindungsgemäß ihre Dämpfungswirkung so bemessen ist, daß eine Gleichspannung in Abhängigkeit von der Schwingungsamplitude, aber unabhängig von der Frequenz innerhalb eines großen Bereiches entsteht, und daß ein Drehspulinstrument mit den Einrichtungen zum Integrieren und Gleichrichten verbunden ist und die Gleichspannung anzeigt, und diese Einrichtungen aus einem Spannungstransformator, einer parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators liegenden Kapazität und einem Kristalldioden-Gleichrichter bestehen. Diese Anordnung ermöglicht die Herstellung eines Schwingungsmessers von sehr geringem Gewicht, der eine unmittelbare Ablesung der in Frage kommenden Amplitude von einem Zeigerinstrument selbst bei sehr kleinen Amplituden gestattet, ohne daß irgendeine andere Energiequelle als die eigentliche Schwingungsenergie benutzt wird. In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. ι ein elektrisches Schaltsystem einer Einrichtung gemäß der Erfindung, und Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen seismischen Schwingungsumformer oder -abnehmer.The device according to the invention is made up of essentially known elements, and although it uses an electrical measuring instrument in addition to an electromechanical vibration transducer with permanent magnets and seismic attached vibration system that is in one only air gap of the magnet is moved and consists of a coil and a coil carrier made of non-magnetic, There is an electrically conductive material that causes damping by eddy currents The coil is in a known manner with devices for integrating and rectifying the connected in it induced alternating voltages. Differs from the known designs of this type the aforementioned vibration measuring device characterized in that according to the invention their The damping effect is dimensioned in such a way that a direct voltage is dependent on the oscillation amplitude, but arises regardless of the frequency within a large range, and that a moving coil instrument is connected to the devices for integrating and rectifying and the Indicates DC voltage, and these facilities consist of a voltage transformer, one in parallel to the secondary winding of the transformer and a crystal diode rectifier exist. This arrangement enables the manufacture of a vibrometer of very light weight that gives an immediate reading of the amplitude in question from one Pointer instrument allowed even with very small amplitudes, without any other energy source is used as the actual vibration energy. In the drawing is an example embodiment of the invention shown. It shows Fig. Ι an electrical switching system of a device according to the invention, and FIG. 2 shows a longitudinal section through a seismic Vibration converters or collectors.

In Fig. ι der Zeichnung ist ein Schwingungt.-umformer allgemein mit 1 bezeichnet, und zwar besteht dieser aus einer Spule 2, die einen permanenten Magneten 3 umschließt und diesem gegenüber frei schwingend angebracht ist, wenn der Umformer der zu messenden Schwingung ausgesetzt wird. Die Spule 2 ist auf einem Spulenträger 4 aus unmagnetischam, elektrisch leitendem Werkstoff angebracht, der die Schwingungen der Spule durch in dem Träger erzeugte Wirbelströme dämpfen kann. Die Dämpfung ist so bemessen, daß für jede Amplitude unabhängig von der Frequenz eine nahezu konstante Leistung aus der Spule erhalten wird. Die Spule 2 ist mit der Primärwicklung 5 eines Transformators zum Hochtransformieren der Spannung verbunden, der allgemein mit 6 bezeichnet ist. Die Sekundärwicklung 7 des Transformators 6 ist mit einem Kondensator 8 parallel geschaltet, um eine Integration der Spannung zugleich, mit dem Transformieren zu erzielen. Um einen hohen Transformatorwirkungsgrad zu erhalten, kann der. Kern 9 des Transformators 6 lamelliert sein und aus einem Material von hoher Permeabilität bestehen.In Fig. Ι the drawing is a vibration converter generally designated 1, and that this consists of a coil 2, which is a permanent Magnet 3 encloses and is attached to this opposite to swing freely when the Converter is exposed to the vibration to be measured. The coil 2 is on a coil carrier 4 made of non-magnetic, electrically conductive material attached to the vibrations of the Coil can dampen eddy currents generated in the carrier. The attenuation is such that get a nearly constant power from the coil for any amplitude regardless of the frequency will. The coil 2 is connected to the primary winding 5 of a transformer for stepping up connected to the voltage, which is indicated generally at 6. The secondary winding 7 of the Transformer 6 is connected in parallel with a capacitor 8 in order to integrate the Tension at the same time to achieve with the transformation. In order to obtain a high transformer efficiency, the. 9 core of the transformer 6 be laminated and made of a material of high permeability.

Die Wechselspannung wird von einem Kristalldioden-Gleichrichter 10 gleichgerichtet, der beispielsweise eine oder mehrere Kristalldioden aus Germanium oder Silizium enthält, um. die höchstmögliche Gleichrichtung bei niedrigen Spannungen zu erzielen. Die erhaltene Gleichspannung wird einem Drehspulen-Zeigergerät 11 zugeleitet.The AC voltage is rectified by a crystal diode rectifier 10, for example contains one or more crystal diodes made of germanium or silicon in order to. the highest possible Achieve rectification at low voltages. The DC voltage obtained becomes a moving coil pointer device 11 is supplied.

Der vorerwähnte Schwingungsumformer 1 ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 2 der Zeichnung läßt erkennen, daß das Spulensystem 2, 4 in einem Paar im Abstand zueinander befindlicher Federmembranen 12 und 13 seismisch aufgehängt ist. Die Membranen sind an ihrem Umfang zwischen Stirnteilen 14, 15 und einem Zwischenstück 16 eines allgemein mit 17 bezeichneten Gehäuses eingespannt. Der Spulenträger 4 geht in eine Scheibe 18 über, die mit ihrem mittleren Teil an der Mitte der Federmembran 12 befestigt ist, und ein Stift 19 verbindet die Mitten der Federmembranen 12 und 13 starr miteinander. Eine ,kreisförmige Scheibe20 ist zwischen dem vorderen Stirnteil 15 und dem Zwischenstück 16 des Gehäuses 17 befestigt und diese Scheibe 20 dient als starre Stütze für einen permanenten Magneten 3, der eine mittlere Längsbohrung- aufweist, in welcher der Verbindungsstift 19 der Federnrembranen 12, 13 frei beweglich ist. Das gegenüberliegende Ende des permanenten Magneten 3 weist eine ringförmige Scheibe 21 auf, die in Verbindung mit einem auf dem Zwischenstück 16 des Gehäuses 17 nach innen hervorstehenden Umfangsring 22 einen engen ringförmigen Luftspalt bildet, der zur Aufnahme des Spulensystems 2, 4 dient. Dies ist der einzige Luftspalt in dem Schwingungsumformer. The aforementioned vibration transducer 1 is shown in detail in FIG. 2 of the drawing shows that the coil system 2, 4 is seismically suspended in a pair of spring diaphragms 12 and 13 located at a distance from one another. The membranes are clamped on their periphery between end parts 14, 15 and an intermediate piece 16 of a housing generally designated 17. The coil carrier 4 merges into a disk 18 which is fastened with its central part to the center of the spring membrane 12, and a pin 19 rigidly connects the centers of the spring membranes 12 and 13 to one another. A circular disk 20 is attached between the front end part 15 and the intermediate piece 16 of the housing 17 and this disk 20 serves as a rigid support for a permanent magnet 3, which has a central longitudinal bore in which the connecting pin 19 of the spring diaphragms 12, 13 is free is movable. The opposite end of the permanent magnet 3 has an annular disc 21 which, in conjunction with a circumferential ring 22 protruding inward on the intermediate piece 16 of the housing 17, forms a narrow annular air gap which is used to accommodate the coil system 2, 4. This is the only air gap in the vibration transducer.

Der vordere Stirn teil 15 des Gehäuses 17 besitzt eine Spitze 23, die gegen den zu untersuchendenThe front end part 15 of the housing 17 has a tip 23 which is against the to be examined

schwingenden Gegenstand 24 gehalten wird; wodurch die Schwingungen auf das Gehäuse 17 und die starr mit ihm verbundenen Teile, wie den Magneten 3, übertragen werden, so daß eine gegenseitige Schwingung zwischen dem Spulensystem 2,4 und dem permanenten Magneten 3 erzeugt wird.vibrating object 24 is held; whereby the vibrations are transmitted to the housing 17 and the parts rigidly connected to it, such as the magnet 3, so that a mutual vibration between the coil system 2, 4 and the permanent magnet 3 is generated.

Ein Ende der Spule 2 ist an dem Spulenträger geerdet und das andere Ende ist mit dem einen Draht 25 eines zweiadrigen Leiters 26 verbunden, dessen anderer Draht 27 an dem Metallgehäuse 17 geerdet, und das andere Ende ist mit dem einen zum Schutz dienende außen liegende Schraubenfeder 28 an dem Durchtritt durch den rückwärtigen Stirnteil 14 des Gehäuses.One end of the coil 2 is grounded to the coil support and the other end is connected to the one Wire 25 of a two-core conductor 26 is connected, the other wire 27 of which is connected to the metal housing 17 grounded, and the other end is with one of the protective outer coil spring 28 at the passage through the rear end part 14 of the housing.

Es ist zu bemerken, daß der Spulenträger 4 und der die Federmembranen 12, 13 verbindende Stift 19 im wesentlichen diejenige Masse darstellen, die Verbindung mit den Membranen 12, 13 dieIt should be noted that the coil carrier 4 and the pin 19 connecting the spring diaphragms 12, 13 essentially represent that mass which is connected to the diaphragms 12, 13

Eigenschwingungszahl des beweglichen Systems bestimmt. Da nur ein Luftspalt für den magnetischen Fluß vorgesehen ist, wird aus dem Schwingungsumformer die größtmögliche Leistung mit der geringsten magnetischen Masse erzielt.Determined natural frequency of the moving system. There is only one air gap for the magnetic If the flow is provided, the vibration transducer will achieve the greatest possible performance with the lowest magnetic mass achieved.

Der Betrag der elektrischen Dämpfung ist von großer Bedeutung für die Möglichkeit der Messung von Schwingungsamplituden gemäß der vorliegenden Erfindung. Wenn die Dämpfwirkung klein ist, ist es möglich, den Wechselstrom infolge des vorherrschenden Einflusses der Eigenschwingungen auf die Leistungscharakteristik des Schwingungsumformers zu integrieren. Ist die Dämpfung dagegen zu groß, dann wird zuviel Energie für die Integration verbraucht und von dem Instrument 11 ist keine Ablesung möglich. Die Dämpfung wird zweckmäßig so eingestellt, daß eine bestimmte erhöhte Leistung in dem der Eigenfrequenz des Spulensystems benachbarten Frequenzbereich er zielt wird, die durch eine Leistungsabnahme bei niedriger Frequenz verschiedener der verbleitenden elektrischen Teile aufgehoben wird, wobei gleichzeitig ein Minimum an Energie beim Integrieren bei höheren Frequenzen verbraucht wird.The amount of electrical damping is of great importance for the possibility of measurement of vibration amplitudes according to the present invention. When the damping effect is small, it is possible to use the alternating current as a result of the predominant influence of natural vibrations to integrate the performance characteristics of the vibration converter. Is the cushioning on the other hand too large, then too much energy is consumed for the integration and by the instrument 11 no reading is possible. The attenuation is expediently adjusted so that a certain increased Power in the frequency range adjacent to the natural frequency of the coil system er is targeted by a decrease in power at a low frequency of various of the leaded electrical parts is lifted, while at the same time using a minimum of energy when integrating is consumed at higher frequencies.

Claims

PATENT CLAIM:

Device for measuring the amplitudes of mechanical vibrations by means of an electrical Measuring instrument with an electromechanical vibration transducer with permanent Magnets and seismically attached vibration system that are in a single The air gap of the magnet is moved and consists of a coil and a coil carrier made of non-magnetic, electrically conductive material, which causes damping by eddy currents, the coil with means for integrating and rectifying the induced in it AC voltages is connected, characterized in that the damping effect is dimensioned so that a direct voltage as a function of the oscillation amplitude, but regardless of the frequency within a large range arises, and that a Moving coil instrument is connected to the facilities for integrating and rectifying and displays the DC voltage, and these devices consist of a voltage transformer, one parallel to the secondary winding of the transformer and one capacitance Crystal diode rectifiers exist.

Considered publications:
Magazine f. tech. Physics (16) 1933, p. 60.

1 sheet of drawings