-
EINRICHTUNG ZUR MESSUNG Da SCHWINGUNGSAMPLITUDE ROTIERENDER NASCHINENTELLE
Die Erfindung bezieht sich auf die Meß- und Untersuchungstecbn.k von Schwingungen
und betrifft insbesondere eine Einrichtung zur Messung der Schwingungsamplituden
rotierender b'laschinenleile.
-
Bekannt sind sowohl tensometrische als auch kontaktlose Einrichtungen
zur Messung der Schwingungsamplituden rotierender Maschinenteile.
-
Doch sind die tensometrischen Einrichtungen zur Messung der Schwingungsamplituden
rotierender Maschinenteile mit wesentlichen Mängeln behaftet, welche mit der Notwendigkeit
verbunden sind, entsprechende Geber direkt auf den rotierenden Maschinenteilen anzuordnen
und die erhaltene Information von diesen Gebern unmittelbar während der Drehung
zu entnehmen, Die geringe Lebensdauer dieser Geber und deren komplizierter Ersatz,
ihre hohen Anschaffungskosten sowie die Unmöglichkeit einer gleichzeitigen Kontrolle
der rotierenden Teile bieten keine Mo'glichkeit einer breiten Verwendung derartiger
Einrichtungen.
-
Eine bekannte kontaktlose Einrichtung zur Messung der Schwingungsamplitude
rotierender Mascheinenteile weist die genannten Mängel nicht auf.
-
Bei dieser bekannten Einrichtung zur Messung der Schwingungsamplitude
rotierender Maschinenteile ist auf dem Maschinenstator gegenüber einer Marke auf
der Maschinenwelle ein erster Impulsgeber angeordnet, der auf diese Naschinenwellenmarke
reagiert.
-
Der Ausgang des Impulsgebers ist über eine Reihenschaltung aus einem
ersten Impulsformer, der die Ausgangssignalc des Gebers in Impulse vorgegebener
Form umwandelt, und einem Horizontalablenhmngsblock mit den Horizontalablenkplatten
einer Elektronenstrahlröhre elektrisch verbunden; gegenüber den Wellenmarken, die
sich in der gleichen Ebene mit den Rotationsorganen befinden, falls diese nicht
schwingen, und deren Anzahl der Zahl der Rotationsorgane entspricht, ist ein zweiter
Impulsgeber angeordnet, der auf diese Marken reagiert und dessen Ausgang über eine
Reihenschaltung aus einem zweiten Impulsforer zur Formung der Ausgangssignale des
Gebers in Impulse vorgegebener Enorm, einem Verzögerungsglied zur Verzögerung der
Impulse vom Ausgang des Impulsformers und einem Vertikalablenkblock mit den Vertikal
ablenkplatten der Elektronenstrahlröhre elektrisch verbunden; gegenüber den Rotationsteilen
ist ein dritter Impulsgeber angeordnet, der auf die Rotationsteile reagiert, und
dessen Ausgang über einen dritten Impulsformer zur Formung der Impulse des Gebers
in Impulse vorgegebener Form mit dem Modulator der Elektronenstrahlröhre elektrisch
verbunden, auf deren Schirm ein Raster gebildet ist, der aus vertikalen Zeilen besteht,
deren Zahl gleich der Zahl der zu messeslden Rotationsteile ist, und auf jeder Zeile
einen hellen Punkt erzeugt, der durch den Durchgangsmoment des entsprechenden Rotationsteils
am dritten Impulsgeber bestimmt wird und der sich beim Schwingen in eine Linie verwandelt,
deren Länge der Schwingungsamplitude des entsprechenden Rotationsteils proportional
ist.
-
Ein Hauptmangel dieser bekannten Meßeinrichtung besteht darin, daß
sie keine Möglichkeit bietet, die Schwingungsamplitude der Rotationsorgane bei einer
Geschwindigkeitsänderung der Hellen drehung zu messen, da die Arbeitsweise des Verzögerungsglieds
zur Verzögerung der Impulse vom Ausgang des Impulsformers und der Vertikal- und
Horizontalablenkblöcke von der Drehgeschwindigkeit der Welle unabhängig ist. Sogar
bei geringen Abweichungen dieser Geschwindigkeit wird ein bedeutender Fehler hervorgerufen,
der die Meßgenauigkeit wesentlich beeinträchtigt. Bei Geschwindigkeitsabweichungen,
die im Betrieb tatsächlich vorkommen, wird dieser Fehler so groß, daß die genannten
Messungen überhaupt nicht durchführbar sind.
-
Als weiterer Mangel dieser bekannten Einrichtung ist die Schwierigkeit
ihrer Bedienung im Betrieb zu betrachten.
-
Zweck der Erfindung ist die Behebung der genannten Mängel.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen
der Schwingungsamplitude rotierender Maschinenteile zu schaffen, in der die Schaltung
der einzelnen Blöcke die Möglichkeit bietet, die Schwingung von Maschinenteilen
zu messen, die mit veränderlicher Geschwindigkeit rotieren.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Einrichtung zur Messung
der Schwingungsamplitude rotierender Maschinenteile mit einem auf dem Maschinenstator
gegenüber einer Marke auf der Maschinenwelle angeordneten ersten Impulsgeber, der
auf die Maschinenwellenmarke reagiert und dessen Ausgang über eine Reihenschaltung
aus einem ersten Impulsformer zur Formung der Impulse des Gebers in Impulse vorgegebener
Form und einem Horizontalablenkblock mit den Horizontalablenkplatten einer Elektronenstrahlröhre
elektrisch verbunden ist, mit einem gegenüber Wellenmarken, die sich in der gleichen
Ebene mit den Rotationsteilen befinden, wenn diese nicht schwingen, und deren Anzahl
der Zahl der Rotationsteile
entspricht, angeordneten zweiten Impulsgeber,
der auf diese Marken reagiert, und dessen Ausgang über eine Reihenschaltung aus
einem zweiten Impulsformer zur Formung der Impulse des Gebers in Impulse der vorgegebenen
Form, einem Verzögerungsglied zur Verzögerung der Impulse vom Ausgang des Impulsformers
und einem Vertikalablenkblock mit den Vertikalablenkplatten der Elektronenstrahlröhre
elektrisch verbunden ist, und mit einem gegenüber den Rotationsteilen angeordneten
dritten Impulsgeber, der auf die Rotationsteile reagiert, und dessen Ausgang über
einen dritten Impulsformer zur Formung der Impulse des Gebers in Impulse der vorgegebenen
Form mit dem Modulator einer Elektronenstrahlröhre elektrisch verbunden ist, auf
deren Schirm ein Raster gebildet ist, welcher aus vertikalen Zeilen besteht, deren
Zahl gleich der Zahl der zu messenden Rotationsorgane ist, und der auf jeder Zeile
einen hellen Punkt erzeugt, der durch den Durchgangsmoment des entsprechenden Rotationsorgans
am dritten Impulsgeber bestimmt wird, und der sich bei einer Schwingung in eine
Linie verwandelt, deren Länge der Schwingungsamplitude des entsprechenden Rotationsorgans
proportional ist, erfindungsgemäß einen Umformer zur Umformung der Impulsfrequenz
in ein ihr proporitonales Signal enthält, dessen Eingang mit dem Ausgang eines der
Impulsformer zur Formung der Impulse des Gebers in Impulse der vorgegebenen Form
verbunden ist, wobei das Verzögerungsglied zur Verzögerung der Impulse vom Ausgang
des Impulsformers, der Horizontalablenkblock und der Vertikalablenkblock als Sägezahnsignalgeneratoren
mit steuerbarer Anstieggeschwindigkeit des Sägezahnsignals ausgeführt sind, die
die Anstieggeschwindigkeiten des Sägezahnsignals steuernde Eingänge aufweisen, die
mit dem Ausgang des Umformers zur Umformung der Impulsfrequenz in ein ihr proportionales
Signal verbunden sind.
-
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist, daß die Schwingungsamplituden
bei Geschwindigkeitsänderungen der Wellendrehrmg gemessen werden kann. Die Einrichtung
hat weiter ein geringes Gewicht, kleine Abmessungen und ist im Betrieb leicht zu
bedienen.
-
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispie Is wird
die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild einer Einrichtung
zur Messung der Schwingungsamplitude rotierender Maschinenteile mit der Maschinenwelle;
Fig. 2 das Prinzipschaltbild des Umformers zur Umformung der Impulsfrequenz in ein
ihr proportionales Signal; Fig. 3 das Prinzipschaltbild des Säge zahns ignalgenerators
mit steuerbarer Anstieggeschwindigkeit des Sägezahnsignals; und Fig. 4a, b Zeitdiagramme
des Ausgangssignals des Sägezahnsignalgenerators mit steuerbarer Anstieggescllwindigkeit
des Sägezahnsignals bei der Arbeit a) im Verzögerungsglied; b) in den Horizontal-
und Vertikalablenkblöcken.
-
Die Meßeinrichtung sei am Beispiel der SchauSel schwingungen einer
Turbine betrachtet. Die Turbine 1 (Fig. 1) enthält einen Stator 2, der über Lager
3 mit einer Welle 4 verbunden ist. Auf der Welle 4 sind schwingende Schaufeln 5~angeordnet,
die die rotierenden Teile der Turbine 1 darstellen. Auf der Welle 4 sind bezüglich
den schwingenden Schaufeln 5 unbewegliche Marken 6 sowie eine Marke 7 aufgetragen.
Gegenüber der Marke 7 der Welle 4 ist auf dem Stator 2 ein Impulsgeber 8 angeordnet,
welcher auf die Marke 7 der Welle 4 der Turbine 1 reagiert und als Wicklung (nicht
dargestellt) mit einem Kern ausgeführt ist. Gegenüber den Marken 6, deren Zahl der
Zahl der Schaufeln 5 entspricht, ist auf dem Stator 2 ein Impulsgeber 9 angeordnet,
der auf die bezüglich der Schwingung der Rotationsteile unbeweglichen Marken 6 reagiert
und ähnlich dem Geber 8 ausgeführt ist. Ein auf die
Rotationsteile
reagierender Geber 10 ist gleich allen oben erwähnten Gebern ausgeführt und auf
dem Stator 2 gegenüber den Schaufeln 5 der Turbine 1 angeordnet. Der Ausgang des
Gebers 8 ist mit dem Eingang eines bekannten Impulsformers 11 verbunden, der die
Ausgangssignale des Gebers 8 in Impulse vorgegebener Form formt. Der Ausgang des
Impulsformers 11 ist an den Bingang des Umformers 12 angeschlossen, der die Impulsfrequenz
in ein ihr proportionales Signal umformt, und an den Eingang eines Horizontalablenkblocks
13. Der Ausgang des Gebers 9 ist mit dem Eingang eines Impulsformers 14 verbunden,
der die Ausgangssignale des Gebers 9 in Impulse einer vorgegebenen Form umwandelt.
-
Der Ausgang des Impulsformers 14 ist an den Eingang eines Verzögerungsglieds
15 angeschlossen, das die Impulse vom Ausgang des Impulsformers 14 verzögert. Der
Ausgang des Verzögerungsglieds 15 ist an den Eingang eines Vertikalablenkblocks
16 angeschlossen. Der Ausgang des Gebers 10 ist an den Eingang eines Impulsformers
17 angeschlossen, der die Ausgangssignale des Gebers 10 in Impulse einer vorgegebenen
Form umwandelt. Der Impulse former 17 ist über einen bekannten Umformer 18, der
die Impulse der vorgegebenen Form in kurze Signale umwandelt, mit dem Modulator
M einer Elektronenstrahlröhre 19 verbunden. Der Ausgang des Umformers 12 ist über
eine Schiene 20 an die Steuereingänge der Blöcke 13, 15 und 16 angeschlossen, während
die Ausgänge der Blöcke 13 und 16 an die horizontale bzw. vertikalen Ablenkplatten
A und B der Elektronenstrahlröhre 19 angeschlossen sind. Der Eingang des Umformers
12 kann sowohl mit dem Ausgang des Impulsformers 14 als auch mit dem Ausgang des
Impulsformers 17 verbunden werden. Der Speiseblock 21 ist mit den Impulsformern
11, 14 und 17, mit den Blöcken 13, 15 und 16 und den Umformern 12, 18 sowie mit
der Elektronenstrahlröhre 19 verbunden.
-
Der Impulsfrequenzumformer 12 (Fig. 2) ist nach der bekannten Schaltung
eines Univibrators ausgeführt, der Transistoren 22, 23, Widerstände 24, 25, 26 sowie
einen Kondensator 27 enthält und durch eine Diode 28 mit einem Integrationsglied
verbunden, das
aus einem Ladekondensator 29 und einem Widerstand
30 besteht.
-
Der Horizontalablenkblock 13, das Verzögerungsglied 15 sowie der Vertikalablenkblock
16 sind nach der bekannten Schaltung eines Sägezahnsignalgenerators mit steuerbarer
Anstieggeschwindigkeit des Sägezahnsignals (Fig. 3> ausgeführt.
-
Dieser Generator besteht aus einem Stromgenerator mit Transistoren
31, 32 und einem Widerstand 33 sowie aus einem Kondensator 34 mit einem Transistor
35, der im Schalt- oder Schlüsselbetrieb arbeitet. Mit der Basis des Transistors
32 ist eine Schiene 36 verbunden, die an positivem Potential liegt; mit der Basis
des Transistors 35 ist eine Schiene 37 verbunden, während an den Emitter des Transistors
35 eine Schiene 38 angeschlossen ist.
-
Außerdem ist am Ausgang des Blocks 15 ein doppeltes Differenzierglied
angeordnet (nicht dargestellt).
-
Fig. 4 zeigt die Zeitdiagramme des Ausgangssignals (der Spannung)
dieses Sägezahnsignalgenerators mit steuerbarer Anstieggeschwindigkeit des Sägezahnsignals
für den Betrieb: a) im Verzögerungsglied 15 b) im Horizontalablenkblock 13 und im
Vertikalablenkblock 16.
-
In diesen Diagrammen ist auf der Abszisse die Zeit (t) und auf der
Ordinate die Spannung (V) angegeben.
-
Die Einrichtung zur Messung der Schwingungsamplitude rotierender Maschinenteile
arbeitet folgendermaßen: Bei der Drehung der Welle 4 (Fig. 1) der Turbine 1 erzeugt
der Geber 8 im Durchgangsmoment der Marke 7 an diesem Geber einen elektrischen Impuls,
der an den Eingang des Impulsformers 11 gelangt. Der dort gebildete Einheitsimpuls
gelangt an den Eingang des Horizontalablenkblocks 13, von dessen Ausgang ein Sägezahnsignal
an
die horizontalen Ablenkplatten A der Elektronenstrahlröhre 19 geführt wird, wobei
dieses Signal die horizontale Zeile am Leuchtschirm der Elektronenstrahlröhre 19
bestimmt.
-
Während einer vollen Umdrehung der Welle 4 kommen sämtliche Marj n
(, am Geber 9 vorbei, der auf jede Marke 6 mit einem elektrischen Impuls reagiert.
Diese Impulse gelangen über den Impulsforme:r 14 an den Eingang des Verzögerungsglieds
15, von dessen Ausgang die verzögerten Impulse an den Eingang des Vertikalablenkb}ocks
16 geführt werden. Vom Ausgang des Blocks 16 werden die S;ezahnimpulse, welche jeder
Marke 6 entsprechen, an die Vertikalablenkplatten B der Elektronenstrahlröhre 19
geführt, wobei jedes Sägezahnsignal eine vertikale Zeile bildet. Auf diese Weise
entsteht auf dem Leuchtschirm der Elektronenstrahlröhre 19 ein Ituster, der aus
senkrechten Zeilen besteht, deren Zahl der Zahl der Marken 6 und damit der Zahl
der Turbinenschaufeln 5 entsTricht.
-
Irn Durchgangsmoment der schwingenden Schaufeln 5 am Geber 10 erzeugt
dieser Impulse, die über den Impulsformer 17 und den Impulsumformer 18 an den Modulator
M der Elektronenstrahlröhre 19 geführt werden. Auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre
19 erscheinen dabei leuchtende Punkte, deren Zahl gleich der Zahl der Schaufeln
5 ist. Durch entsprechende l.ahl der Verzögerung des Verzögerungsglieds 15 werden
diese Leuchtpunkte auf die entsprechenden vertikalen Zeilen gebracht. Bei fehlender
Schwingung erscheinen diese Punkte an den gleichen Stellen der entsprechenden Zeilen
nach jeder Umdrehung der Welle 4, da die Arbeitsweise der Vertikal- und Horizontalablenkung
von den Durchgangsmomenten der Marken 7 und 6 bestimmt werden. Sobald eine Schwingung
der Schaufeln 5 entsteht, erscheinen die Leuchtpunkte nach jeder Umdrehung der Welle
4 an verschiedenen Stellen der entsprechenden Zeile, wodurch leuchtende Linien entstehen,
deren Länge der Schwingungsamplitude der entsprechenden Schaufel 5 proportional
ist.
-
Bei Änderung der Drehzahl der Welle 4 ändert sich auch die Frequenz
der Impulse, die an den Eingang des Impulsumformers 12 gelangen. Dabei werden vom
Kollektor des Transistors 23 (Fig. 2) die nach der Dauer und Amplitude genormten
Impulse über die Diode 28 dem Eingang des Integrationsglieds zugeführt, wodurch
auf der Schiene 20 eine Spannung entsteht, die der Impulsfrequenz, d.h. also auch
der Drehzahl der Welle 4 (Fig. 1) proportional ist.
-
Mit einer Änderung dieser Spannung, welche durch die Schiene 20 (Fig.
3) zur Basis des Transistors 31 der Blöcke 13, 15 und 16 gelangt, wird auch der
Ladestrom des Kondensators 34 proportional geändert, was durch eine tiefe Rückkopplung
des Stromgenerators mit den Transistoren 31 und 32 dank stufenartiger Einschaltung
der letzteren und der Einführung des Widerstandes 33 in den Emitterkreis des Transistors
31 gewährleistet wird.
-
Auf diese Weise wird der Ladestrom des Kondensators 34 und folglich
auch die Anderungsgeschwindigkeit seiner Spannung der Drehzahl der Welle 4 (Fig.
1) proportional.
-
Dabei gelangen über die Schiene 37 dauernd Impulse zur Basis des Transistors
35, die den Marken 6 und 7 entsprechen. Sobald diese Impulse ankommen, öffnet der
Transistor 35 und entlädt den Kondensator 34, wodurch auf der Schiene 38 ein Sägezahnsignal
entsteht.
-
Gelangt der Impuls zur Basis des Transistors 35 (Fig. 3) bevor sich
die Potentiale des Kollektors und der Basis des Transistors 32 ausgleichen, so wird
die Dauer des Sägezahnsignals auf der Schiene 38 durch die Periode der ankommenden
Signale (Fig. 4b) bestimmt.
-
Falls der Impuls nach dem Potentialausgleich des Kollektors und der
Basis des Transistors 32 zur Basis des Transistors 35 (Fig.3)
gelangt,
wird die Dauer des Sägezahnsignals durch die Ladegeschwindigkeit des Kondensators
34 und den Wert des positiven Potentials auf der Schiene 36 des Transistors 32 (Fig.
4a) bestimmt. Die Betriebszustände des Horizontalablenkblocks 13 sind dadurch gekennzeichnet,
daß an seinem Ausgang (auf der Schiene 38) Signale entstehen, wie sie auf Fig. 4
dargestellt sind. Hier ist die Amplitude des Sägezahnsignals direkt proportional
der Geschwindigkeit der Spannungsänderung am Kondensator 34 (Fig. 3) und der Periode
der ankommenden Impulse. Wie bereits erwahnt wurde, ist die Geschwindigkeit der
Spannungsänderung dieser Periode umgekehrt proportional. Infolgedessen hängt die
Amplitude des Sägezahnsignals nicht von einer Drehzahländerung der Welle 4 (Fig.
1) pro Zeiteinheit ab, wobei die Weite der Horizontalablenkung unverändert bleibt.
-
Die Betriebszustände des Verzögerungsglieds 15 sind dadurch gekennzeichnet,
daß an seinem Ausgang (auf der Schiene 38, Fig. 3) Signale entstehen, wie sie in
Fig. 4a dargestellt sind. Hierbei ist die Dauer des Sägezahnsignals umgekehrt proportional
zur Steuerspannung auf der Schiene 20 (Fig. 1) und folglich auch zur Drehzahl der
Welle 4, während die Verzögerungsdauer gleich der Dauer des Sägezahnsignals ist.
Die verzögerten Impulse gelangen vom Ausgang des Verzögerungsglieds 15 an den Eingang
des Vertikalablenkblocks 16, welcher analog dem oben beschriebenen Horizontalablenkblock
13 funktioniert und welcher die Unabhängigkeit der Amplitude des Sägezahnsignals
von einer Drehzahländerung der Welle 4 pro Zeiteinheit und demnach auch die Stabilität
der Vertikalablenkung gewährleistet.
-
Auf diese Weise wird auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre ein
stabiles Bild aufrechterhalten, das dank der Synchronisierung der Ablenkungen. mit
der Drehzahländerung der Welle 4 die Möglichkeit bietet, das jeweilige Itß der Schwingung
richtig und fehlerlos zu beurteilen.
-
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung der Schwingungsamplitude
rotierender Maschinenteile kann immer dort verwendet werden, wo die Schwingung unabhängig
von der Drehzahländerung der Welle bestimmt werden soll, besonders in Turbinen,
Kompressoren bei der Messung der Schwingungsamplitude der Schaufeln derselben.
-
Neben den geringen Abmessungen, dem relativ kleinen Gewicht und der
leichten Bedienung bietet die erfindungsgemäße Einrichtung die Möglichkeit, die
Schwingungsamplitude unmittelbar am Leuchtschirm einer Elektronenstrahlröhre, der
in Änderungseinheiten der Amplitude eingeteilt ist, zu messen, sowie diese Amplituden
mit Hilfe einer üblichen Photokamera zu fixieren.