DE1285191B

DE1285191B - Einrichtung zur beruehrungslosen induktiven Messung der axialen und/oder radialen Verschiebung rotierender Wellen

Info

Publication number: DE1285191B
Application number: DE1966P0040809
Authority: DE
Inventors: Brandenburg; Dipl-Ing Klaus; Schott; Dipl-Ing Winfried
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1966-11-16
Filing date: 1966-11-16
Publication date: 1968-12-12

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur induktiven, berührungslosen Messung einer axialen und/oder radialen Verschiebung, z. B. einer rotierenden Welle, bestehend aus einem ferromagnetischen Meßbund konstanter Breite, zwei magnetisch voneinander getrennten Aufnehmerteilen mit je drei aus ferromagnetischem Material bestehenden Schenkeln, von denen je zwei in Verschiebungsrichtung derart mit Zähnen versehen sind, daß in jedem Aufnehmerteil der magnetische Fluß unabhängig von der Stellung des Meßbundes konstant bleibt und daß die Zähne der beiden Aufnehmerteile gegeneinander um eine Viertelteilung in Verschiebungsrichtung des Meßbundes versetzt sind und bei der die beiden Aufnehmerteile senkrecht zur Verschiebungsrichtung des Meßbundes nebeneinander angeordnet sind, wobei Erregerspulen um die nicht gezahnten Schenkel und Aufnehmerspulen um mindestens je einen der gezahnten Schenkel beiderAufnehmerhälften angebracht sind.
Aufnehmer zur Messung der axialen Verschiebung, insbesondere von Turbinenwellen, sind bekannte Eine bekannte Einrichtung benutzt einen induktiven Aufnehmer, dessen Polschuhe miteinander einen spitzen Winkel bilden. Tastet man mit einem solchen Aufnehmer einen mit der Welle umlaufenden Markierungspunkt ab, so ist bei konstanter Wellendrehzahl die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen ein Maß für die axiale Verschiebung der Welle. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß auf der Turbinenwelle eine Markierung aufgebracht werden muß. Außerdem ist eine Messung nur bei drehender Welle möglich.
Weiterhin ist bekannt, die Verschiebung einer Welle mit Hilfe einer Differentialdrosselanordnung zu messen. Die beiden Aufnehmerhälften sind dabei beiderseits eines an der Welle vorhandenen Wellenbundes angebracht, ihr Ausgangssignal ist abhängig von den Abständen zwischen den beiden Aufnehmerhälften und dem Meßbund. Nachteilig hierbei ist die relativ große Abmessung des Aufnehmers in axialer Richtung und die des vom Aufnehmer umfaßten Wellenbundes in radialer Richtung. Weiterhin ist wegen der großen Verschiebungen der Wellen die Ausgangsgröße nichtlinear von der Verschiebung abhängig. Zur Kompensation dieser Nichtlinearität ist ein zweiter gleichartiger Aufnehmer vorgesehen mit einem von einem Servomotor der Wellenverschiebung nachgeführter Anker. Der dazu notwendige Aufwand ist beträchtlich.
Auch ist die Verwendung von dem zu verschiebenden Teil gegenüber angeordneten Aufnehmern bekannt, die mehrere Schenkel aufweisen, von denen je zwei in Verschiebungsrichtung derart mit Zähnen versehen sind, daß in jedem Aufnehmerteil der magnetische Fluß unabhängig von der Stellung des bewegbaren Teiles konstant bleibt und wobei die Zähne der Aufnehmerteile gegeneinander. um eine Viertelteilung in Verschiebungsrichtung versetzt sind. Ferner ist es bekannt, die Aufnehmerteile senkrecht in Verschiebungsrichtung nebeneinander anzuordnen.
Schließlich ist es auch bekannt, Mittel zur Messung der Erregerströme für die Spulen vorzusehen, z. B.
Anzeige- oder Registriergeräte.
Zweck der Erfindung ist es, einen Aufnehmer zu schaffen, der die obenbekannten Nachteile bekannter Aufnehmer vermeidet und zusätzlich die Radialverschiebungen der Welle zu messen gestattet. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß zusätzlich weitere Spulen um alle Zähne wenigstens eines der gezahnten Schenkel angebracht sind.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Aufnehmers nach der Erfindung, F i g. 2 einen Aufriß des Aufnehmers nach F i g. 1, Fig.3 eine mögliche Schaltungsanordnung zur Auswertung der vom Aufnehmer gelieferten Ausgangssignale, F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aufnehmers mit zusätzlichen Spulen zur Erkennung der Teilbereiche.
Der Aufnehmer nach F i g. 1 besteht aus zwei Aufnehmerteilen 1 und 2, die über den mit der Welle verbundenen schematisch dargestellten Meßbund 3 aus ferromagnetischem Material angeordnet sind.
Sie haben beide den Abstand a vom Meßbund und liegen in dessen Umfangsrichtung nebeneinander.
Jeder dieser Teile besitzt drei ebenfalls ferromagnetische Schenkel 11, 12, 13 bzw. 21, 22, 23, von denen je zwei (11, 12 bzw. 21, 22) längs der Verschiebungsrichtung x des Wellenbundes gezahnt sind.
Die Zähne auf den Schenkeln 11 bzw. 21 sind gegenüber den Zahnlücken der Schenkel 12 bzw. 22 angeordnet. Auf allen Schenkeln ist die Zahnteilung d (Breite eines Zahnes plus Breite einer Zahnlücke) gleich und ungefähr gleich der halben Meßbundbreite.
Die beiden Aufnehmerteile 1 und 2 sind gegeneinander um d verschoben.
4 Um die Schenkel 13 und 23 der Aufnehmerteile 1 und 2 sind je eine Erregerspule 14 bzw. 24 gelegt, die von zwei um 90" gegeneinander phasenverschobenen Spannungen gleicher Amplitude und Frequenz gespeist werden. Mindestens um je einen weiteren Schenkel der Aufnehmerteile 1 und 2 sind je eine weitere Spule 15 bzw. 25 gelegt, in die Spannungen U15 bzw U25 induziert werden, deren Amplituden U15 bzw. U25 von der Stellung des Wellenbundes abhängen. Bezeichnet man die Erregerspannung an der Wicklung 14 mit U14 = U0 sin w t und die an der Wicklung24 mit U,cos wt, dann erhält man näherungsweise für U15 bzw. U25: U15 U, cos d x sin wt, U25 R : ÛO sin 2d xcoswt. d Addiert oder subtrahiert man die Spannungen U15 und U25, dann erhält man als Summenspannung bzw. als Differenzspannung Die Phasenverschiebung 2'd x der durch Addition oder Subtraktion der Spannungen U1s und U25 gewonnenen Ausgangsspannung Us oder UD gegenüber den erregenden Spannungen ist proportional der Verschiebung x des Wellenbundes. Sie nimmt jeweils den gleichen Wert an, wenn der Wellenbund um eine oder mehrere Teilungen d in x-Richtung verschoben wird, d. h., das Ausgangssignal ist über den gesamten Meßbereich entsprechend der Anzahl der Teilungen mehrdeutig, innerhalb einer Teilung jedoch eindeutig.
Um ein eindeutiges Meßergebnis über den gesamten Meßbereich zu erhalten, muß eine Information darüber abgeleitet werden, unter welcher der Teilungen sich der Meßbund befindet. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß - wie in Fig.3 angedeutet -eine an sich bekannte Wechselsperre 4, wechselweise angesteuert von in Impulsformerstufen 5 von den Nulldurchgängen der Ausgangsspannung Us oder UD und der Erregerspannung U14 oder U24 abgeleiteten Impulsen, einen Vor-Rückwärtszähler 6 ansteuert, dessen Zählerstand dann die Teilung angibt, unter der sich der Meßbund befindet. Der Zählerstand kann über bekannte Einrichtungen 7 in eine Spannung umgewandelt werden, die zu der der Phasenverschiebung 2 zd x proportionalen mittleren Ausgangsspannung der Wechselsperre addiert und z. B. mit einem Instrument 8 angezeigt werden kann.
Bei dieser Art der inkrementellen Auswertung werden jedoch Störungen. die zu einem falschen Meßergebnis führen, nicht erkannt, und deren Auswirkungen können nicht rückgängig gemacht werden, da kein geometrisch festliegender Nullpunkt vorhanden ist.
Dieser Umstand wird jedoch durch die weiteren Merkmale der Erfindung vermieden, nämlich dadurch, daß, wie in Fig.4 dargestellt, um die einzelnen Zähne wenigstens eines der gezahnten Schenkel gelegte Spulen 9a bis 9f vorgesehen sind. Durch Vergleich der n diesen Spulen 9a bis 9f induzierten Spannungen kann eindeutig entschieden werden, unter welcher der Teilungen sich der Meßbund befindet. Diese Information steht kontinuierlich zur Verfügung; der Nullpunkt ist durch die Zuordnung der Spulen untereinander festgelegt. Um Fehler beim Ubergang von einer Teilung zur folgenden zu vermeiden, kann bei der Signalverarbeitung auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden.
Die so gewonnenen Meßergebnisse sind vom Abstand a zyvischen dem Aufnehmer und dem Meßbund und damlt auch von dem Radialschlag a a der Welle unabhängig, da nicht die absolute Größe der in den Spulen 15 bzw. 25 sowie 9a bis 9f induzierten Spannungen, sondern nur deren Amplitudenverhältnisse zueinander ausgewertet werden.
Der Erregerstrom il4 bzw. i24 durch die Spulen 14 bzw. 24 ist bei konstanter Spannung U14 bzw. U24 direkt dem Abstand des Meßbundes vom Aufnehmer proportional und unabhängig von der Verschiebung x.
Damit kann der Radialschlag da durch Messung des Erregerstromes bestimmt werden.

Claims

Patentanspruch : Einrichtung zur induktiven, berührungslosen Messung einer axialen und/oder radialen Verschiebung, z. B. einer rotierenden Welle, bestehend aus einem ferromagnetischen Meßbund konstanter Breite, zwei magnetisch voneinander getrennten Aufnehmerteilen mit je drei aus ferromagnetischem Material bestehenden Schenkeln, von denen je zwei in Verschiebungsrichtung derart mit Zähnen versehen sind, daß in jedem Aufnehmerteil der magnetische Fluß unabhängig von der Stellung des Meßbundes konstant bleibt und daß die Zähne der beiden Aufnehmerteile gegeneinander um eine Viertelteilung in Verschiebungsrichtung des Meßbundes versetzt sind und bei der die beiden Aufnehmerteile senkrecht zur Verschiebungsrichtung des Meßbundes nebeneinander angeordnet sind, wobei Erregerspulen um die reicht gezahnten Schenkel und Aufnehmerspulen um mindestens je einen der gezahnten Schenkel beider Aufnehmerhälften angebracht sind, dadurch gekennz e i c h n e t, daß zusätzlich weitere Spulen (9a bis 9f) um alle Zähne wenigstens eines der gezahnten Schenkel (11, 12, 21 oder 22) angebracht sind.