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Publication number: DES0040150MA
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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

Tag der Anmeldung: 24. Juli 1954 Bekanntgemacht am 29. März 1956Registration date: July 24, 1954. Advertised on March 29, 1956

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

Zur Messung des Radial- oder Axialspieles rotierender Teile ibei Turbinen und ähnlichen Maschinen sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen (bekanntgeworden. In der Literatur nimmt vor allem das induktive Verfahren einen breiten Raum ein. Hierbei wird im allgemeinen im feststehendem Gehäuse .eine Induktionsspule angeordnet, die an eine Wechselspannungsquelle über ein Meßinstrument angeschlossen ist und die auch ίο in Verbindung mit Verstärkeranordnüngen für Regelzwecke verwandt wird. Am rotierenden Teil befindet sich ein magnetischer Rückschlußteil aus weichmagnetischem Werkstoff. Besteht der rotierende Teil dagegen selbst aus Eisen, so kann er unmittelbar für den magnetischen Rückschluß ausgenutzt werden.For measuring the radial or axial play of rotating parts in turbines and similar machines various methods and devices (have become known. In the literature The inductive process in particular occupies a large area. This is generally in fixed housing .An induction coil is arranged, which is connected to an alternating voltage source a measuring instrument is connected and also ίο in connection with amplifier arrangements for Control purposes is used. There is a magnetic yoke part on the rotating part soft magnetic material. If, on the other hand, the rotating part itself is made of iron, it can can be used directly for the magnetic return path.

Nach der Erfindung erfolgt die Messung des Radial- oder Axialspieles der Lauf räder von Turbinen und ähnlichen Maschinen ebenfalls mit Hilfe elektrisch-magnetischer Mittel. Im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen wird jedoch keine Wechselspannung zur Speisung einer Induktionsspule für die Messung benötigt und damit keine besondere Stromquelle zur Erzeugung dieser Span-According to the invention, the measurement of the radial or axial play of the running wheels of turbines takes place and similar machines also with the help of electro-magnetic means. In contrast to the known devices, however, no alternating voltage is used to feed an induction coil required for the measurement and therefore no special power source to generate this voltage

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nung. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß am Laufrad ein Dauermagnet und am gegenüberliegenden Gehäuse eine induktionsempfindliche Vorrichtung angeordnet werden, die bei jedemtion. The invention consists essentially in the fact that a permanent magnet on the impeller and on the opposite one Housing an induction-sensitive device can be placed at each

.s Umlauf überstrichen wird, und daß die z. B. mit: Hilfe eines integrierenden Verstärkers aus den IndüktioinS'SpannUingsstößen ermittelte Spannungszeitfläche als Maß für das zu bestimmende Lauf radspiel dient..s circulation is swept over, and that the z. B. with: With the help of an integrating amplifier, the voltage-time area determined from the induction voltages serves as a measure of the running wheel play to be determined.

ίο Ein besonderer Vorteil der Einrichtung nach der Erfindung besteht darin, -daß sie bis zu einer Temperatur von etwa 6oo° C — bezogen auf die Erwärmung der induktionsempfindlichen Vorrichtung — anwendbar ist und bei verhältnismäßig geringem technischem Aufwand eine Meßgenauigkeit bis auf 0,1 mm zuläßt. \ ίο A particular advantage of the facility after the Invention consists in -that they up to a temperature of about 6oo ° C - based on the heating the induction sensitive device - is applicable and at proportionate allows a measurement accuracy of up to 0.1 mm with little technical effort. \

Ein Ausführuingsberspiel und Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung dargestellt.
Mit ι isit das Laufrad einer Turbine, mit 2 ein an ihrem äußeren Rand angebrachter Dauermagnet aus einer temperaturunabhängigen Legierung, z. B. aus einer Eisen-Nickel-Aluminium-Legierung oder aus einem Oxydmagnet, bezeichnet. Mit 3 ist der Gehäuserand angedeutet, an ihm ist eine induktionsempfind'liche Vorrichtung 4 fest angebracht. Sie kann — wie in der Zeichnung angedeutet ist — aus einer eisenfreien Spule oder aber aus einem als Hallplättchen ausgebildeten Halbleiterkörper .bestehen. Im 'letzteren Falle kommt noch der Pritnär-Stromkreis für das Haillplättchen hinzu. Die induktionsempfindliche Vorrichtung ist an einen nach dem ballistischen Prinzip arbeitenden integrierenden Verstärker 5 angeschlossen und an diesen ein Spannungsmeßgerät 6, an dem die Spannungszeitfläche oder, nach entsprechender Eichung, direkt das Laufradspiel abgelesen werden kann.An embodiment and details of the invention are shown in the drawing.
With ι isit the impeller of a turbine, with 2 a permanent magnet attached to its outer edge made of a temperature-independent alloy, e.g. B. from an iron-nickel-aluminum alloy or from an oxide magnet. The edge of the housing is indicated by 3, and an induction-sensitive device 4 is firmly attached to it. As indicated in the drawing, it can consist of an iron-free coil or a semiconductor body designed as a Hall plate. In the latter case, the primary circuit for the main plate is added. The induction-sensitive device is connected to an integrating amplifier 5 working according to the ballistic principle and to this a voltmeter 6, on which the voltage-time area or, after appropriate calibration, the impeller play can be read directly.

In der Zeichnung ist als Beispiel eine Anordnung zur Messung des Radialspieles dargestellt. In analoger Weise ist der Erfindungsgedanke in einer entsprechenden Anordnung zur Messung des Axialspieles, mit einer Spule oder einem Hällplättchen als induktionsenipnndliaher Vorrichtung, anzuwenden. In the drawing, an arrangement for measuring the radial play is shown as an example. In in an analogous manner, the idea of the invention is in a corresponding arrangement for measuring the axial play, with a coil or a Hall plate as an induction-inductive device.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist die folgende: Bei jedem Umlauf überstreicht der Magnet die induktionsempfindliche Vorrichtung und induziert in dieser einen Spanoungsstoß, der aus einem positiven und einem negativen Teil besteht. Und zwar ergibt sich die induzierte Spannung für den Fall, daß die induktionsempfindliche Vorrichtung aus einer eisenfreien Ringspule besteht aus folgender Beziehung:The mode of operation of the arrangement is as follows: The magnet sweeps over with each revolution the induction-sensitive device and induces in this a voltage surge, which from a positive and a negative part. The induced voltage for in the event that the induction sensitive device from an iron-free ring coil consists of the following relationship:

dBdB

Hierbei ist η die Windungszahl der Spule, q dieHere η is the number of turns of the coil, q is the

dBdB

Querschnittsfläche der Spule, —— die Änderungs-Cross-sectional area of the coil, - the change

dtGerman

geschwindigkeit des magnetischen Flusses. Die vom Dauermagneten bei jedem Umlauf überstrichene Windungsfläche der Spule (n-q) ist von der relativen Lage des Dauermagnets zur Spule in der Radialrichtung — also vom Radialspiel des Laufrades — abhängig.speed of magnetic flux. The winding area of the coil (nq) swept by the permanent magnet with each revolution depends on the position of the permanent magnet relative to the coil in the radial direction - i.e. on the radial play of the impeller.

Entsprechend liegen die Verhältnisse, wenn an Stelle der Spule ein Hallplättchen verwendet wird. Unter der Voraussetzung eines konstanten Primärstromes durch das Hallplättchen ist die in dem Halbleiterkörper induzierte Hallspannung proportional der magnetischen Kraftfluß dichte, und diese ist in gleicher Weise wie oben von der relativen Lage von Dauermagnet und Hallplättchen, also vom Radialspiel abhängig.The same applies if a Hall plate is used instead of the coil. Assuming a constant primary current through the Hall plate is that in the Semiconductor body induced Hall voltage proportional to the magnetic flux density, and this is in the same way as above of the relative position of permanent magnet and Hall plate, i.e. depends on the radial play.

Der nach dem ballistischen Prinzip arbeitende integrierende Verstärker liefert aus den Spannungsstößen die Spannungszeitfläche, die drehzahlunabhängig ist und somit'direkt als Maß für das zu ermittelnde Spiel genommen werden kann. Die zur Ermittlung der Spannungszeitfläche im ein- 80-zelnen erforderlichen schaltungstechnischen Maßnahmen — z. B. muß der negative Teil eines jeden Impulses unterdrückt werden — sind an sich bekannt und !brauchen hier nicht mehr erläutert zu werden. ■The integrating amplifier, which works according to the ballistic principle, delivers from the voltage surges the voltage-time area, which is speed-independent and therefore directly as a measure for the the game to be determined can be taken. To determine the stress-time area in detail necessary circuitry measures - z. B. Must be the negative part of everyone Impulses are suppressed - are known per se and do not need to be explained here will. ■

Zur Erhöhung der Impulsfolge können — über den Umfang verteilt — auf dem Laufrad mehrere Dauermagnete angebracht werden. Ebenso ist es möglich, an verschiedenen Stellen des Gehäuses Meßspulen bzw. Hallplättchen anzubringen, so daß es Hlöglich ist, an -mehreren Stellen das Spiel zwischen GAaUiSe und Läufer nacheinander oder gleichzeitig den Durchschnittswert des Spieles zu ermitteln. Die Empfindlichkeit der Einrichtung kann durch günstige Anordnung von Magnet und induktionsempfindlicher Vorrichtung gesteigert werden, weiterhin auch dadurch, daß die Ausführung des Dauermagnets so gewählt wird, daß er ein stark inhomogenes Feld aufweist.To increase the pulse sequence, several can be distributed over the circumference on the impeller Permanent magnets are attached. It is also possible at different points on the housing To attach measuring coils or Hall plates, so that it is possible to play in several places between GAaUiSe and runner one after the other or at the same time to determine the average value of the game. The sensitivity of the establishment can be increased by a favorable arrangement of magnet and induction-sensitive device are, furthermore, in that the design of the permanent magnet is chosen so that it has a very inhomogeneous field.

Bei der Verwendung von Hallplättchen ist die Empfindlichkeit der Einrichtung von der Größe der erreichbaren Hallspannung abhängig und diese wiederum von der Trägerbeweglichkeit des verwendeten Halbleitermaterials — wenn man von der Größe des Primärstromes absieht — die ihrerseits von der Strombelastbarkeit des Hallplättchens abhängig ist. Um ausreichende Hallspannungswerte zu erzielen, ist es erforderlich, Halbleiterkörper mit Trägerbeweglichkeiten von 6000 cm²/Vsec oder mehr zu verwenden. Dies ist aus dem weiteren Grund erforderlich, weil nur bei solch hohen Trägerbeweglichkeiten die Möglichkeit besteht, die Hallspannung leistungsmäßig zu belasten, also leistungsaufnehmende Verstärkereinrichtungen anzuschließen, wie es im obigen Beispiel vorgesehen ist. In der vorgesehenen Weise wird der Halbleiterkörper als »Hallgenerator« verwendet, wie er im einzelnen in der französischen Patentschrift ι 112 433 beschrieben ist. Als Halbleiterkörper, die diesen Anforderungen genügen, eignen sich besonders halbleitende Verbindungen von einem der Elemente Bor, Aluminium, Gallium, Indium mit einem der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon. Die Eigenschaften dieser Halbleiterverbindungen sind im einzelnen in der französischen Patentschrift 1057038 beschrieben.When using Hall plates, the sensitivity of the device depends on the size of the Hall voltage that can be achieved and this in turn depends on the carrier mobility of the semiconductor material used - if one disregards the size of the primary current - which in turn depends on the current carrying capacity of the Hall plate. In order to achieve sufficient Hall voltage values, it is necessary to use semiconductor ^{bodies with carrier mobilities of 6000 cm 2} / Vsec or more. This is necessary for the further reason that it is only with such high mobility of the carrier that it is possible to load the Hall voltage in terms of power, that is to say to connect power-consuming amplifier devices, as provided in the above example. In the intended manner, the semiconductor body is used as a “Hall generator”, as is described in detail in French patent specification ι 112 433. Semiconducting compounds of one of the elements boron, aluminum, gallium, indium with one of the elements nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony are particularly suitable as semiconductor bodies which meet these requirements. The properties of these semiconductor compounds are described in detail in French patent specification 1057038.

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Wegen ihrer Wärmebeständigkeit kommen besonders InAs und InP in Frage. Und zwar ist InAs bis zu einer Temperatur von etwa 500⁰ C, InP ist sogar bis zu einer Temperatur von 6oo° C verwendbar.InAs and InP are particularly suitable because of their heat resistance. Namely, InAs up to a temperature of about 500 ⁰ C, InP is even up to a temperature of 6oo ° C usable.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Device for measuring the radial or axial play of the impellers of turbines and similar machines with the help of magnetic-electric means, which are partly on the impeller, partly are arranged on the opposite housing and sweep over each other with each cycle, characterized in that the magneto-electric means consists of one arranged on the impeller Permanent magnet and an induction-sensitive device arranged on the housing exists and that the z. B. with the help of a

so integrating amplifier from the induction voltage surges Determined stress-time area as a measure for the impeller clearance to be determined serves.

2. Device according to claim 1, characterized in that that several permanent magnets are provided on the impeller.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that several induction-sensitive Devices on the perimeter of the

jo housing are provided.

4- device according to one of the preceding claims, characterized in that as induction-sensitive device an iron-free coil is provided.

5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that as induction-sensitive Device designed as a Hall plate semiconductor body is provided.

6. Device according to claim 5, characterized in that the semiconductor body has a carrier mobility of 6000 cm ² / Vsec or more.

7. Device according to claim 6, characterized in that a semiconductor body semiconducting compound of one of the elements boron, aluminum, gallium, indium with a the elements nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony is used.

8. Device according to claim 7, characterized in that the semiconductor body is indium arsenide (InAs) is used.

9. Device according to claim 7, characterized in that the semiconductor body is indium phosphide (InP) is used.

Referred publications:
German Patent No. 859372;
British Patent No. 666898;
U.S. Patent No. 2,548,599.

1 sheet of drawings