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Die
Erfindung handelt von einer Messvorrichtung zum Ermitteln der Kennlinie
einer an einer Maschine eingebauten Wegmesssonde, die über
ein Sondenkabel und ein daran anschließendes Verbindungskabel
mit einem Oszillator verbunden ist, an welchem mit einem Voltmeter
eine Spannung, die dem Abstand S zwischen Sonde und Messfläche
entspricht, messbar ist, wobei die Sonde an einer Trägerhülse
mit deren Gewinde in einem zum Maschinengehäuse starren
Gegengewinde in Richtung der Messfläche einschraubbar ist.
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So
vertreibt die Firma Bently Nevada, LLC in 1631 Bently Parkway South,
Minden, Nevada, USA, unter der Bezeichnung "TK3-2 Calibration Instrument"
einen Koffer mit Kalibrierungsinstrumenten für Wegmesssonden.
Aufgenommen wird beispielsweise die Kennlinie einer Wellenschwingungssonde,
die nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet. Wegmesssonden für
Hülsenmontage sind dabei am Ende einer Trägerhülse
eingebaut, durch welche das Sondenkabel nach außen aus
dem Maschinengehäuse herausgeführt wird. Die Trägerhülse
ist mit einem Außengewinde versehen, mit welchem sie zusammen
mit der Sonde in einem zum Gehäuse starren Gewinde auf einen
gewollten Sondenabstand So eingeschraubt wird. Das Wirbelstromprinzip
beruht auf einer Impedanzmessung, an welcher neben der eigentlichen Sonde
die Verbindungskabel zu der Sonde und ein Oszillator beteiligt sind.
Am Oszillator wird eine für den Sondenabstand zu einer
metallischen Messoberfläche charakteristische Spannung
U abgegriffen und zudem mechanisch, beispielsweise mit einem Mikrometer
ermittelten Sondenabstand S in Beziehung gebracht, um über
mehrere Messpunkte eine Charakterisitk U = f(S) in einem Diagramm
zu ermitteln.
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Es
ist eine Schwäche des Wirbelstrommesssystems, dass die
Messung sowohl durch die Länge der Kabel als auch durch
die Art der metallischen Oberfläche, gegen welche die Sonde
misst, beeinflusst wird. Aus Abgleichgründen bieten die
Hersteller daher nur fixe Kabellängen an und beschränken sich
oftmals auf ein bestimmtes Objektmaterial (z. B. Wellenstahl SAE
4140). D. h., im eingebauten Zustand ist die Sondenmessung oftmals
bereits mit einem systematischen Messfehler behaftet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kennlinie zu ermitteln.
Dies wird mit den Kennzeichen des Anspruchs 1 erreicht, indem bei
dem Gewinde ein Feingewinde mit einer Steigung a < 1,5 mm pro Umdrehung
vorgesehen ist, indem auf einem starr mit dem Gehäuse verbindbaren
Teil, beispielsweise einer Adapterschraube, konzentrisch zur Trägerhülse
eine Scheibe mit einer kreisförmigen Skala für
verschiedene Winkelstellungen drehfest aufsetzbar ist, und indem
an der Trägerhülse eine Zeigevorrichtung drehfest
aufsetzbar ist, um aus einer Nullstellung, welche dem mechanischen
Kontakt der Sonde zu der Messfläche entspricht, bei verschiedenen
Markierungen, welche mit ihrem Zwischenwinkel durch die Gewindesteigung
a vorgegebenen Abständen S der Sonde zur Wellenoberfläche
entsprechen, ein zugehöriges elektrisches Spannungssignal
für den Sondenabstand ermittelbar und so über
Messpunkte die Lage und den Anstieg für eine Kennlinie
U = f(S) der Sonde im eingebauten Zustand registrierbar zu machen.
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Der
Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Messung im eingebauten
Zustand der Sonde erfolgt, dass also weder vertauschte Kabellängen, noch
unterschiedliche Materialien, gegen welche die Sonde misst, die
Messung verfälschen können. Die Spannung, welche
am Oszillator des Systems messbar ist, wird zu einem Messwert für
den Sondenabstand notiert, um eine Kennlinie aus den Messpunkten
zu ermitteln.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die Verstellung des Drehwinkels
der Trägerhülse auf einem so großen Durchmesser
einer Skala ablesbar ist, dass die Ablesung auf 1° genau
erfolgt. In Kombination mit einem Feingewinde, welches eine Steigung
von weniger als 1,5 mm pro Umdrehung, beispielsweise 1 mm pro Umdrehung,
entspricht dies theoretisch einer Veränderung des Sondenabstandes
um weniger als 3 μm. Wenn man das in axialer Richtung für
die Gängigkeit des Gewindes notwendige axiale Spiel aufhebt,
beispielsweise durch einen radial dichtenden O-Ring, dessen Reibung
bei der axialen Zustellung der Trägerhülse überwunden
werden muss, dann lässt sich auch in der Praxis ein immer
aus der gleichen Richtung angefahrener Sondenabstand in einer Genauigkeit
von +/–2 μm anfahren. Wegmesssonden mit einem
typischen Durchmesser von 8 mm haben einen Messbereich von 2 mm,
was bei einer Steigung von 1 mm pro Umdrehung ganzen zwei Umdrehungen
entspricht. Um die Genauigkeit der bislang praktizierten Einstellung
mittels externer Mikrometerschraube zu erreichen, reicht es, die
Markierungen auf der Skala mit einer Genauigkeit von +/–1,5° anzubringen,
was technisch absolut problemlos ist.
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Eine
passende Sondenhalterung ist in einer Parallelanmeldung beschrieben.
Grundsätzlich lassen sich jedoch alle Sondenhalterungen,
bei denen die Sonde über eine Trägerhülse
mit Gewinde in eine Nulllage gebracht wird, mit einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung
bestücken.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Ansprüchen
2 bis 4 aufgeführt.
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So
ist es vorteilhaft, wenn das Anbringen von Scheibe und Skala ohne
Eingriff an der eigentlichen Sondenhalterung erfolgt, sei es, dass
die Scheibe einen Schlitz mit einer größeren Breite
als dem Durchmesser der Trägerhülse aufweist,
damit sie seitlich über die Trägerhülse
aufschiebbar und dann auf einer Adapterschraube aufsetzbar ist;
sei es, dass die Scheibe aus mehreren Teilen um die Trägerhülse
zusammengesetzt und an der Adapterschraube befestigt wird.
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Dadurch,
dass die Zeigevorrichtung mit einer Schnappvorrichtung und mit einem
vorgegebenen Haltemoment aufsetzbar ist, lässt sie sich
einerseits von Hand in eine Nullstellung der Skala drehen, welche
dem mechanischen Kontakt der Sonde auf der Messfläche entspricht
und andererseits lässt sich die Zeigevorrichtung durch
Drehen an der Trägerhülse um einen einem Abstand
der Sonde zur Messfläche entsprechenden Winkel ohne Durchrutschen
mitnehmen. Durch Drehen der Trägerhülse wird die
Zeigevorrichtung aus der Nullstellung auf verschiedene Markierungen
der Skala eingestellt, welche bestimmten Abständen der
Sonde zu der Messfläche entsprechen, um bei diesen Markierungen,
die Ablesung am Voltmeter und den zugehörigen Sondenabstand
beispielsweise in einem Messprotokoll zu registrieren und eine Ausgleichsgerade
im eigentlichen, späteren Messbereich als Kennlinie festzulegen.
Der Vorteil dieser Vorrichtung und Methode liegt darin, dass sie die
Steilheit und die absolute Lage der Kennlinie in der echten Umgebung
der Messsonde wiedergeben. Eine derartige Messvorrichtung ist kostengünstig, einfach
zu bedienen und nimmt wenig Platz und Gewicht ein. Ihr größter
Vorteil besteht im Ausschalten von Risiken und in der Zeitersparnis,
wenn man bedenkt, dass an einer Anlage, beispielsweise an einer Turboanlage,
ohne Weiteres bis zu 20 Sonden installiert sein können.
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Die
Messeinrichtung kann an bereits installierten Sonden ohne Demontage
von Sonde und Trägerhülse zu Kontrollmessungen
verwendet werden. Die Trägerhülse und ein darauf
fixierter Anschlusskopf werden vorsichtig um beispielsweise etwa
eine Drehung in die Nulllage der Sonde mit mechanischem Kontakt
zur Messfläche eingeschraubt, die Zeigevorrichtung wird
auf die Nullstellung der Skala gebracht und anschließend
wird die Trägerhülse um beispielsweise zwei Umdrehungen
zurückgeschraubt, wobei die zueinander gehörigen
Werte von Skala und Voltmeter registriert werden. Anschließend wird
die Trägerhülse auf ihren Sollabstand So um beispielsweise
etwa eine Umdrehung wieder eingeschraubt und mit einer Kontermutter
gesichert. Da sich die ganze Verdrehung von Trägerhülse
und Anschlusskopf innerhalb eines Bereichs von beispielsweise +/–1
Umdrehung abspielt, kann dies bezüglich Torsion des Verbindungskabels
ohne Weiteres durch momentane Schlaufenbildung am Verbindungskabel ausgeglichen
werden.
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Der
Anschlusskopf und das Sondenkabel verbleiben dabei unangetastet
in ihrer Lage zur Trägerhülse. Falls das Verbindungskabel
mit seinem Schutzschlauch so fixiert ist, dass eine Schlaufenbildung
ausgeschlossen ist, kann man den Deckel am Anschlusskopf und Halter
für die Steckverbindung lösen, damit diese eine
Umdrehung innerhalb der abgelegten Wicklungen aufgefangen wird.
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Im
Folgenden werden die Messeinrichtung und das Messverfahren anhand
von einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:
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1:
Schematisch eine Sondenhalterung mit einer Wegmesssonde nach dem
Wirbelstromprinzip und daran angeschlossen eine erfindungsgemäße
Messeinrichtung,
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2:
Schematisch einen Ausschnitt aus
1 mit einer
zusammensetzbaren Scheibe und einer beispielsweise in der
EP 1 831 648 B1 gezeigten Sondenhalterung,
und
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3:
Schematisch ein Protokollblatt für die Eintragung der Messwerte
und eine vorbereitete Grafik für die Eintragung der Messpunkte
U = f(S) und einer Ausgleichsgeraden als echte Kennlinie.
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In
den nachfolgenden Beispielen sind Elemente gleicher Funktion mit
gleichen Hinweiszeichen versehen.
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Im
Beispiel von 1 wird eine Sondenhalterung
gezeigt, die in ihren Details in einer Parallelanmeldung beschrieben
ist. Eine Wellenschwingungssonde 1 nach dem Wirbelstromprinzip
ist an einer Trägerhülse 2 angebaut und
steht in einem Abstand S zu einer Wellenoberfläche 22.
Die Sondenhalterung 100 besteht im Wesentlichen aus einer
Gehäuseschraube 11, welche mit einem konischen NPT-Gewinde
endgültig in einem Gehäuse 3 verschraubt
ist und welche auf ihrer Innenseite in einer Gewindebohrung 10 und
einem daran anschließenden Durchbruch eine Adapterschraube 11 und
die in der Adapterschraube mit einem Feingewinde 4 eingeschraubte
Trägerhülse 2 aufnimmt. Ein O-Ring 13, der
in der Trägerhülse 2 eingelassen ist,
dichtet radial zu einer zylindrischen Innenfläche der Adapterschraube 8.
Ein zweiter O-Ring 14 ist in einer stirnseitigen Ringfläche 12 der
Adapterschraube eingelassen und dichtet in axialer Richtung zu einer
Gegenfläche 15 der Gehäuseschraube 11.
Ein Sondenkabel 25 führt im Innern der Trägerhülse 2 in
einen Anschlusskopf 20, welcher auf der Trägerhülse
aufgeschraubt ist und dort mit einer Kontermutter 18 fixiert ist.
Innerhalb des Anschlusskopfes 20 mit Deckel 31 befindet
sich eine Steckverbindung 32 zwischen dem Sondenkabel 25 und
einem Verlängerungskabel 26, welches das Messsignal
für den Sondenabstand S zur Auswertung an einen Oszillator 19 abgibt,
wo ein entsprechender Spannungswert für den Sondenabstand
S mit einem Voltmeter 48 abgegriffen wird. Eine Kontermutter 17,
die normalerweise eine feste Verbindung zwischen Trägerhülse 2 und
Adapterschraube 8 sicherstellt, ist gelöst und
locker nach oben in die Nähe der Kontermutter 18 geschraubt worden,
um Platz für die eigentliche Messvorrichtung zu schaffen.
Eine Drehung von Trägerhülse und Anschlusskopf
wird kompensiert, indem der Deckel abgenommen wird, die Steckverbindung 32 aus
dem Halter 30 herausgezogen wird und der Halter 30 aus dem
Anschlusskopf 20 herausgezogen wird, damit die Drehung
innerhalb der abgelegten Windungen ausgeglichen wird.
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Die
Messvorrichtung besteht aus einer Scheibe 104 mit Skala 105,
welche ortsfest konzentrisch zur Trägerhülse 2 verankerbar
ist und aus einer Zeigevorrichtung 106, welche an der Trägerhülse 2 verankerbar
ist. Die Scheibe 104 besitzt einen Schlitz 108,
welcher breiter als der Durchmesser der Trägerhülse
ist, um die Scheibe in eine Position konzentrisch zur Trägerhülse
einzufahren und anschließend ohne Kontakt zur Trägerhülse 2 auf
der Adapterschraube 8 drehfest zu befestigen. Die Adapterschraube 8 endet
nach oben als Sechskant 36, auf den die Scheibe 104 mit
einer passenden Aussparung 119 aufgesteckt und verankert
ist. In der Draufsicht auf die Scheibe 104 erkennt man
den Schlitz 108 und die Aussparung 119 sowie die
kreisförmige Skala 105 mit an der Peripherie verteilten
Markierungen 110 in Zehntelmillimeter für eine
dem Feingewinde 4 entsprechende axiale Verstellung. Über
der Scheibe ist in einem Abstand eine Zeigevorrichtung 106 an
der Trägerhülse 2 angebracht. Die Zeigevorrichtung 106 besteht
aus einem Zeiger 101, welcher an einer Schnappvorrichtung 111 in
Form einer gebogenen Biegefeder 102 befestigt ist. Die
gebogene Biegefeder 102 bildet mit zwei gegenüberliegenden Schenkeln
eine Öffnung, durch welche sie seitlich auf die Trägerhülse 2 aufsteckbar
ist und auf der Trägerhülse unter einer vorgegebenen
Anpresskraft festgeklemmt ist. Die in axialer Richtung an der Trägerhülse 2 verlaufenden
Berührungslinien 112 sorgen für eine selbstjustierende
Ausrichtung der Zeigevorrichtung.
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Um
die Messpunkte paarweise für eine Kennlinie aufzunehmen,
wird zunächst die Trägerhülse 2 von
Hand an zwei gegenüberliegenden Flächen 6 gegriffen
und soweit eingeschraubt, bis die Sonde die Wellenoberfläche 22 berührt.
Diese Position gilt als Nullstellung. Danach wird der Zeiger 101 in
eine Nullstellung 109 auf der Skala 105 gedreht.
Anschließend wird die Trägerhülse 2 mit
dem daran befestigten Zeigevorrichtung 106 in Schritten
entsprechend zwei Zehntel Millimetern zurückgeschraubt
und bei einer zugehörigen Markierung 110 ein entsprechender
Spannungswert in Volt abgelesen und zusammen mit dem jeweiligen
Abstandswert S in einem Protokoll (siehe 3) notiert.
Nachdem ein vorgegebener Bereich von beispielsweise 2 mm durchfahren
ist, werden Zeigevorrichtung 106 und Scheibe 104 abgenommen.
Die Trägerhülse 2 wird wieder soweit
eingeschraubt bis der Spannungswert Uo angezeigt wird. In dieser
Position wird die Trägerhülse 2 mit der
Kontermutter 17 festgesetzt.
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Ein
Beispiel für ein Messprotokoll ist in 3 gezeigt.
Die zur Messung gehörenden Maschinendaten 116 sind
in einer Gruppe zusammengefasst. Daneben existiert eine Tabelle 117,
in welcher zu dem auf der Skala 105 eingestellten Sondenabstand
S jeweils die Ablesung der Spannung U einzutragen ist. In einem
Diagramm 118 ist die zu erwartende Kennlinie in einem Messbereich
von 0,2 bis 2,0 mm als Gerade mit einer Steigung von 8 V/mm eingetragen. In
diesem Diagramm werden die Messpunkte mit den ermittelten Wertepaaren
eingetragen und es wird eine Ausgleichsgerade als echte Kennlinie
durch die Messpunkte gelegt, um zukünftige Messungen während
des Betriebs interpretieren zu können.
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In 2 ist
eine weitere Ausführung der Messvorrichtung 100 gezeigt.
Eine geteilte Scheibe 104 ist bei einer Sondenhalterung 100 auf
einen Hals 120 aufgeklemmt, welcher starr mit dem Maschinengehäuse 3 verbunden
ist. Eine Kontermutter 17, die normalerweise die Trägerhülse 2 festsetzt,
ist gelöst und in so großem Abstand gedreht, dass
die Nullstellung, d. h. Anliegen des Sondenkopfes auf der Welle tatsächlich
erreicht werden kann. Das Gewinde 4 der Trägerhülse 2 ist
in einem ortsfesten Gegengewinde (hier nicht gezeigt) der Sondenhalterung
im Hals 120 geführt. Oberhalb der Kontermutter 17 ist
eine Schnappvorrichtung 111 in Form der oben beschriebenen
Biegefeder 102 auf dem Gewinde 4 der Trägerhülse 2 aufgesetzt
und trägt einen Zeiger 101, welcher mit der Biegefeder
gegen ein vorgegebenes Drehmoment auf der Trägerhülse 2 drehbar
ist. Die beiden Scheibenhälften 104 sind mit zwei Pass-Schrauben 113 zueinander
geführt und zusammengepresst. Die Fixierung der Scheibe
auf dem Hals 120 erfolgt mit dem Anziehen der beiden Pass-Schrauben 113,
wobei jede Scheibenhälfte mit einem Prisma 103 versehen
ist, um die Scheibe zum Hals 120 auszurichten und anzupressen.
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Die
Skala 105 ist ebenfalls mit Markierungen 110 versehen,
welche bei einer Steigung des Feingewindes 4 von 1 mm pro
Umdrehung jeweils Abstandsänderungen der Sonde von 0,1
mm entsprechen. Der Messvorgang selbst erfolgt wie unter 1 beschrieben
ist.
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- 1
- Sonde
- 2
- Trägerhülse
- 3
- Gehäuse
- 4
- Feingewinde
- 6
- Fläche
- 8
- Adapterschraube
- 10
- Gewindebohrung
- 11
- Gehäuseschraube
- 12
- Ringfläche
- 13
- O-Ring
- 14
- O-Ring
- 15
- Gegenfläche
- 17
- Kontermutter
- 18
- Kontermutter
- 19
- Oszillator
- 20
- Anschlusskopf
- 22
- Messfläche
- 25
- Sondenkabel
- 26
- Verbindungskabel
- 30
- Halter
- 31
- Deckel
- 36
- Sechskant
- 100
- Sondenhalterung
- 101
- Zeiger
- 102
- Biegefeder
- 103
- Prisma
- 104
- Scheibe
- 105
- Skala
- 106
- Zeigevorrichtung
- 107
- Kennlinie
- 108
- Schlitz
- 109
- Null-Lage
- 110
- Markierung
- 111
- Schnappvorrichtung
- 112
- Berührungslinien
- 113
- Pass-Schraube
- 115
- Soll-Kennlinie
- 116
- Maschinendaten
- 117
- Tabelle
- 118
- Diagramm
- 119
- Aussparung
- 120
- Hals
- U
- Spannung
[Volt]
- S
- Sondenabstand
[mm]
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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