JPS6168501A - 溶量的測定装置 - Google Patents

溶量的測定装置

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JPS6168501A
JPS6168501A JP60199658A JP19965885A JPS6168501A JP S6168501 A JPS6168501 A JP S6168501A JP 60199658 A JP60199658 A JP 60199658A JP 19965885 A JP19965885 A JP 19965885A JP S6168501 A JPS6168501 A JP S6168501A
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JP
Japan
Prior art keywords
sensor
measuring device
charge
distance
gap
Prior art date
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Pending
Application number
JP60199658A
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English (en)
Inventor
クルト・デインク
ハルトヴイツヒ・クネル
ヨーゼフ・ヴエンツエル
ヘルマン・ビーブル
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • 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
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、センサと測定値に対する検出および／−！だ
は評価装置とを備えている、互いに相対的に可動の部分
の間の距離、例えば導電性の羽根車と機械のハウジング
との距離を測定するための、電荷測定に基いた容量的測
定装置に関する。
従来の技術 機械、例えばあらゆる種類のタービンの構成部分のよう
な互いに相対的に可動の部分において、これら部分間の
距離−以下ギャップと称する−を出来るだけ精確に知る
ことが重要である。
タービンにおいて羽根車の羽根と車室壁との間のギャッ
プの大きさが、所謂漏れ損失に影響を及ぼし、それがま
だ直接機械の効率を左右する。
距離の測定のために既に電子機械的な距離測定装置が使
用されかつドイツ連邦共和国特許第２８０７２９６号明
細書において探触ピンが基準終端ストン・ぐを有する精
密ねじの中に案内されていることが記載されている。こ
の精密ねじの方は車室壁内に支承されておりかつコーデ
ィングされた角度発信器を有する歯車電動機によって制
御可能に駆動される。探触ピンの行程はこの装置におい
ては回転角度の測定から導出されかつ探触ピンと羽根車
との接触は、センサが羽根に機械的にはまだ接触してい
ないとき既に応答する高感度の電子回路によって監視さ
れる。
発明が解決しようとする問題点 しかしギャップ測定を無接触で行なえるという利点の他
に、」二記探触ピン方式には欠点がある。この方式によ
っては環状の羽根車の羽根のうち最長の羽根に対する距
離しか測定されずかつ状態が急速に変化する場合には測
定ができない０ ギャップ測定の別の公知の方法は、光学的測定が行なわ
れる３角測量方法である。その際センサは大きく構成さ
れ、２００℃以上では冷却しないと使用できないし、測
定精度も不十分である。更に羽根車が高速回転する場合
、羽根長の平均測定しかできず、個別羽根の測定は不可
能である。
更に、周波数変調技術を用いた容量的測定方法が公知で
ある。この場合にも上記の光学的方法の場合と類似の欠
点があり、しかも温度および振動の影響を強く受けるた
め例えばタービンに対する測定装置には適し々い。その
際例えば共振回路の離調が測定されるが、その周波数は
単に測定容量によって決められるのではなく、センサお
よびケーブルの容量によっても決められる。この容量の
変化は温度変動の際直接測定に影響する。同じことは振
動に対しても当嵌る。
本発明の課題は、比較的小さな、冷却されないセンサを
用いて動作することができ、個別羽根測定を可能にしか
つ特別に高いダイナミック特性を有する、すなわち状態
の急速な変化の場合も測定を許容するようにした距離測
定装置を提供することである。更に温度、振動および圧
力のような外部の影響は、公差範囲を越えても測定結果
に影響を及ぼすことが々いようにしたいＯ 問題点を解決するだめの手段 この課題は本発明によれば、特許請求の範囲第１項の特
徴事項に記載の構成によって解決される。本発明の有利
な実施例は特許請求の範囲の実施態様項に記載されてい
る。別の特徴および本発明の利点は、実施例の説明およ
び図面から明らかである。
発明の効果 本発明の容量的測定装置は、定常的測定にも非定常的測
定にも適しておりかっとりわけ個別羽根測定に対しても
適している。
本発明の測定装置は、機械の静止状態においても、例え
ばセンサを環状の羽根車の停止している羽根に対して移
動しかつバイアス電圧（Ｕｒｅｆ）を変調することによ
って、簡単かつ確実な方法において較正可能である。
本発明の測定装置は、センサおよびケーブルにおける効
果的な直流電圧保護シールド技術によって振動の影響を
受けないように構成されている。ギャップ容量内および
ギャップ容量から流れる電荷を測定することによって、
温度変動によって惹起される、ケーブルまたはセンサの
容量変化が測定結果に悪影響を及ぼすことはない０ 個別羽根長の測定は、約５０ｋＨｚの羽根交代周波数寸
で可能である。
移行過程（加速、減速）における時間に依存するギャッ
プ経過の測定は可能である。
本発明の測定装置のセンサは非常に小さくかつフレキシ
ブルな接続ケーブルによって小さなハウ・リング開口内
に挿入可能である。センサは６００’Ｃまで冷却せずに
使用可能である。
本発明の測定装置は、連続する羽根パルスの信号高さを
検出するだめの高速な測定電子回路部を備えておりかつ
測定された信号高さをギャップのデジタルおよび／また
はアナログ出方量に迅速に変換することができる。
本発明の実施例は図面には単に略示されているにすぎな
い。
実施例 次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説
明する。
第１ａ図の左側にはタービンの羽根車の一部が略示され
ており、その際りは回転羽根生の長さであり、Ｓは固定
羽根または環状の定置の案内羽根５を有するタービン車
室壁２に対するギャップである。右隣シにはギャップＳ
と羽根車の長さｈとの比と、効率の損失（チ）との関係
が図示されている。２つの量が１次関数関係にあること
が示されている。第１ｂ図には半径流圧縮機が図示され
ている。６が羽根車であシ２は、場合に応じて固定子ま
たは環状の案内羽根５を有する外側に位置する車室壁２
ｆある。第１ａ図と同様ことでもｈは有効な羽根の長さ
であり、Ｓはケーシングと羽根車とのギャップである。
右側に示す線図は、羽根車の長さと軸線方向のギャップ
との比と効率損失（チ）との関係が図示しである。同じ
ことは復水器のみならずポンプ、送風機、換気装置、タ
ーゼ過給機または類似の装置に対しても当嵌る。
第２図において、センサ１の、円板形羽根車６に対する
相対位置およびこれにより生じる測定信号が明らかであ
る。第２図の左側では、センサに対して羽根の隙間が位
置ないし停止しておシ、第２図の右側ではセンサに対し
て羽根の尖端が対向して位置しているかないし停止して
いる。羽根車６の回転方向は矢印で示されている。電荷
増幅器出力信号７および羽根とセンサとの所定の位置の
対応も同様に矢印にて示されている。隙間の真中におい
てその都度出力信号は最小であり、羽根の尖端とセンサ
との距離（ギャップ）が最小の場合に出力信号は最大で
ある（電圧ピーク）。
第３図に図示の測定回路は（左から右へ）、車室壁に固
定されているセンサ１と羽根の尖端生とから形成される
コンデンサから成っている。
その際コンデンサにおいて、容量−電荷変換が行なわれ
る。電荷電圧変換およびセンサ電圧の発生は、電荷増幅
器８において行なわれる。信号整形、尖頭値測定および
デジタル化は、処理電子回路部９において行なわれる。
シーケンス制御並びにギャップ計算は計算機１０におい
て行なわれかつ測定値の記録は例えば、プリンタ１１ま
だはライン記録器１２において行なわれる。別のデータ
出力および／まだはデータ記録装置を使用することも可
能である。
第４図に図示のブロック回路図は、電荷増幅器８と差動
増幅器１３と、センサ電圧源１４と、電荷電圧変換およ
びセンサ電圧の発生のために用いられる電源回路部１５
とから成る電荷増幅器−センサ電圧ユニットを示す。
電荷増幅器および差動増幅器は互いに直列に接続されて
いる。差動増幅器によって量に関連付けられた、電荷増
幅器の出力信号は、処理電子回路部に転送される。電荷
増幅器８は図示もされているようにセンサ電圧源ないし
センサ電圧発生器１４に接続されている。
第５図並びに第６図において、タービンの車室壁内にお
ける空間的なセンサ配設状態がわかる。この図から作用
するセンサ面並びに電極および絶縁層が同軸的に３軸構
造になっていることが明らかである。センサはタービン
の車室壁内において最長の羽根に対して安全間隔をおい
て較正可能に取付けられている。羽根車（ここでは羽根
の尖端部）と車室壁との間のギャップが図示されている
。
第６図においてセンサは多部分から成る車室壁内に組込
まれている。センサは１で示され、その保持体が３で示
されており、一方車室壁は２が付されている。羽根車６
０羽根の尖端部との間隔はＳで示され、回転羽根は手で
、一方案内羽根は５で示されている。センサｌは小さく
かつ容易に組込みおよび接続可能であることがわ゛かる
。例えば第６図に図示のセンサの直径は約１０ｍｍであ
り、センサの高さはそれより僅かであった。接続ケーブ
ルは、羽根の尖端部とは反対の側においてセンサに直接
接続することができる。有利には電荷増幅器ユニット（
第４図に図示されている）は、センサ電圧に対する調整
器および給電部（電源回路部）とともに頑丈彦特別なケ
ーシング内に収容される。
ギャップコンデンサには羽根車に対して一定の直流電圧
Ｕｒｅｆが・々イアス供給されているので、作用するセ
ンサ面は羽根が通過する度に電気的に充電および放電さ
れる。
測定系における作用するセンサ面１８は電荷増幅器に接
続されているので、その出力側には電荷増幅器の入力側
に供給されるかまたは同人力側から取り出される電荷量
Ｑに対する尺度ｆある電圧信号ｕＡが発生される。
その都度の羽根交代の最大電荷量Ｑｉｍａｘは、式Ｑｉ
ｍａｘ＝Ｃｓｉ　′Ｕｒｅｆ＝Ｌｌｒｅｆ　′ｆ（ｄｉ
　）に相応シて、ギャップコンデンサＣｓｉの容量、シ
タがって個別羽根４の、センサからの距離ｄｉに依存す
る。その際ｆ（ｄｉ）は、ギャップと較正によって求め
られる容量との間の関係を示している。
電荷増幅器８は、芯と保護シールドとが同一電位に接続
されている３軸ケーブル１７を介して遮へいされてセン
サ１に接続されるので、センサ１の保護シールドと芯と
の間の領域におけるセンサまたはケーブルの固有容量の
変化は電荷増幅器８によって記録されない。その理由は
充放電の切換によって電荷の移動が生じないからである
。つまりコンデンサのこの領域は、両側が同電位に接続
されており、すなわちセンサ１と羽根牛との間の距離に
依存して変化する、ギャップコンデンサの容量のみが検
出される。
センサ１は可動部分手の出来るだけ近傍に配設されてい
る。しかしセンサ１と最長の羽根斗との間の距離は自由
に選択可能である。この距離が出来るだけ小さく保持さ
れると、これにより測定装置の感度が高められる。セン
サ１の測定または端面１８は、それが例えば平坦な面で
ないときに、車室壁２の内側の輪郭にも整合することが
できる。
車室壁２内に組込まれたセンサ１は羽根尖端部牛ととも
にギャップコンデンサを形成し、このコンデンサのプレ
ート間距離を測定しかつ指示するのである。車室壁内の
センサの作用面１８の位置が周知であれば、プレート距
離から直接羽根車のギャップＩＩ　Ｓ”が明らかである
。
ギャップコンデンサにおける電荷量を、広帯域電荷増幅
器８が第２図に図示の電圧信号７に変換する。その際電
荷増幅器８の帯域幅は、予測される電荷信号の周波数内
容に基いて有利に調整される。電荷増幅器の上限の周波
数を低減しないために、センサ接続ケーブル１７を出来
るだけ短く抑えると有利である。
処理電子回路部９は、信号のろ波および増幅後その都度
の羽根交代・ξルスの尖頭値を個々に評価しかつデジタ
ル化するものである。それから求められた・？ルス振幅
値はビットとして計算機１０に並列に転送される。
計算機１０は、ユーザが選ぶ作動形式に相応して測定の
シーケンスを制御しかつ測定値（■）をギャップ値Ｓ（
配）に換算する。
作動形式として次のものが選択される（１６において）
： ａ）定常形測定 ｂ）非定常形測定 Ｃ）個別羽根測定 ｄ）較正 定常形測定作動および非定常形作動形式は区別されるべ
きである。測定を、センサバイアス電圧の異なった極性
によって２回実施しかつその後算術的平均値を形成する
とき、センサバイアス電圧に依存するギャップ信号値が
羽根車の接地が不十分な場合にも得られる。センサバイ
アス電圧の極性反転はその都度の用途に整合するクロッ
ク周波数によって実施するようにしたい。このクロック
周波数はその都度実験において容易に求められ、しかも
定常形測定と非定常形測定とでは異なっている。定常形
作動形式において前以って選択可能か時間間隔後センサ
バイアス電圧の極性を自動的に変換することができる。
非定常形作動形式において極性切換は例えばタービンの
迅速な加速または減速時相の期間中は中断することがで
きる。それから−回の切換過程において補正係数が定め
られる。計算機はこの例“において、一方の極性によっ
て検出されたギャップ信号値においてこの補正係数を自
動的に処理する。
測定結果として計算機は作動形式に無関係に一回転毎に
最小のギャップ、最大のギャップまだは平均ギャップも
指示することができる。周縁のおのおのの羽根に対する
ギャップ値がそれぞれ検出されかつリストアツブされる
個別羽根測定も同様可能である。測定結果の出力は、定
常的および非定常的測定に応じて異なっている。
測定に先行する較正は次のように行なわれる：センサ１
が、車室壁２に対して相対的に、突出する羽根を有する
羽根車６のような可動部分の方向に移動される。基準電
圧（センサ・々イアスミ圧）の周期的な変調によって、
センサと羽根とから成るコンデンサが充放電されかつこ
れにより較正信号が発生される。
容量形測定センサの構成の一実施例は第７図に図示され
ている。
測定面１８は、導体の間において、前以って決められた
厚さを有する（絶縁耐圧）層１９゜２０によって同心的
にシールドされかつδ軸構造のケーブル１７を介して電
荷増幅器−第８図参照−に接続されており、しかも内部
導体がこの増幅器８の一方の極に接続されており、外部
導体がアース接続部を介して増幅器の他方の極に接続さ
れている。絶縁およびシールドのために用いられる層１
９．２０は、ガラス、セラミック、金属、合成樹脂また
はこれらの、相互に機械的に固定的にかつ温度の影響を
受けないように連結可能である（非導電性の）組合せ体
から形成することができる。
図示および既述の実施例は、それにより本発明の範囲を
逸脱しない限り変形することができる。これまで説明し
てきたものとは累々った用途にも適用可能である。測定
系は、制御、評価、エラー監視に関して完全に自動化す
ることができかつ多チャネルで作動することができる。
本発明は、流体機械に限定されず、一般に原動機および
作業機械にも、また工作機械ないしロボットのような操
作システムとしても使用可能である。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図は、羽根車の一部の略図と軸流タービンの羽根
車ギャップを大きくした場合の効率の変化を説明する図
であり、第１ｂ図は、半径流圧縮機の羽根車の一部と羽
根車ギャップを太きくした場合の効率の変化を説明する
図であり、第２図は、羽根車と本発明の測定装置のセン
サとのその都度の相対位置においてどのよう外測定信号
が発生されるかを示す図であり、第３図は測定回路の原
理を示すブロック線図であり、第４図は測定回路の構成
要素のブロック回路図であシ第５図は車室壁内に組込ま
れだセンサと対応している羽根車とを示す斜視図であり
、第６図はセンサが組込まれている、ター♂ンの車室壁
の断面図であり、第７図は測定センサの構成を示す断面
図であり、第８図は電荷増幅器およびその接続関係を示
す回路図である。 １・・・センサ、２・・・車室壁、牛・・回転羽根、５
・・案内羽根、６・・・羽根車、８・・・電荷増幅器、
１７・・δ軸ケーブル、Ｓ・・・ギャップ。 −ｔ　　　Ｆ　　　　　　　　　ｑフ ＞−士　　　　ｑフ　　　　　　　　　　　　　　　τ
−７−　　　　　　　　　ｖ−ｎコ　　　　　　　　　
　ヘ−Ｎの寸 の■トω Ｆｉｇ、８

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、センサと測定値に対する検出および／または評価装
    置とを備えている、互いに相対的に可動の部分の間の距
    離を測定するための、電荷測定に基いた容量的測定装置
    において、 ａ）測定センサおよび相対する部分を関連付けるコンデ
    ンサは、電圧供給ユニットにおいて安定化された調整可
    能な基準電圧にバイアスされており、 ｂ）測定は２つの基準電圧において実施されかつこれに
    より接地状態が悪い回転体においても測定可能とし、 ｃ）電荷増幅器および電圧発生器（Ｕ＿ｒ＿ｅ＿ｆ）は
    前記センサとは離れて配設されており、 ｄ）前記センサは、前記電荷増幅器および前記電圧発生
    器に３軸構造のケーブルを介して接続されており、 ｅ）前記電荷増幅器の帯域幅は、予測される電荷信号の
    周波数内容に合わせられており、ｆ）前記センサの測定
    面は、可動部分によってカバーされる面より小さくかつ
    該面の方を向いておりかつ ｇ）測定された電荷量ＱからＣ＿ｓ＝Ｑ／Ｕ＿ｒ＿ｅ＿
    ｆを用いてギャップ容量Ｃ＿ｓが求められかつ該ギャッ
    プ容量からＣ＿ｓ＝Ａ＋Ｂ／ｄ＋Ｃ・ｄを用いてギャッ
    プ直径が求められ、その際Ａ、Ｂ、Ｃは較正された量で
    あることを特徴とする容量的測定装置。 ２、互いに相対的に可動の部分の間の距離が、導電性の
    羽根車と機械のハウジングとの間の距離であり、かつセ
    ンサの測定面が測定すべき羽根車の２つの羽根の間の面
    積（周方向距離）より小さい特許請求の範囲第１項記載
    の容量的測定装置。 ３、センサはハウジング壁内に固定的にしかも較正可能
    に配設されている特許請求の範囲第１項または第２項記
    載の容量的測定装置。 ４、電荷増幅器からコンデンサに送出されるバイアス電
    圧の極性が切換可能である特許請求の範囲第１項から第
    ３項までのいずれか１項記載の容量的測定装置。 ５、切換が自動的に行なわれる特許請求の範囲第４項記
    載の容量的測定装置。 ６、測定値検出および評価は多チャネルで行なうことが
    できかつユニットは少なくとも１つのマイクロプロセッ
    サないし（マイクロ）計算機を有している特許請求の範
    囲第１項から第５項までのいずれか１項記載の容量的測
    定装置。 ７、電荷測定器およびバイアス電圧（Ｕ＿ｒ＿ｅ＿ｆ）
    に対する調整回路は構造的に一体のユニットを形成する
    特許請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項記
    載の容量的測定装置。
JP60199658A 1984-09-11 1985-09-11 溶量的測定装置 Pending JPS6168501A (ja)

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DE3433351A DE3433351C1 (de) 1984-09-11 1984-09-11 Kapazitives Messsystem zur Messung des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen
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ID=6245140

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JP (1) JPS6168501A (ja)
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