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Induktionsgeber
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Induktionsgeber zum Abtasten
von Vibrationen und Schwingungen, insbesondere vnn Vibrationen und Schwingungen,
die wRhrend der Arbeitstätigkeit der maschinen und Maschineneinrichtungen entstehen.
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Die Vibrationen gehören zu den wichtigsten , den Betriebszustand und
das Arbeitsregime einer Maschine charakterisierenden Paraxetern, Das Messen und
die Auswertung der Vibrationen ist außerordentlich wichtlig, insbesondere bei schnellaufenden
Rotationsmeschinen und bei den Rinrichtungen, die im langdauernden Betrieb arbeiten,
z.B. bei Dampf- und Gasturbinen.
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Bei den~ genannten energetischen Einrichtunaen sind die Vibrationsgeber
oft hohen Temperaturen, einer großen Beschleunigung, sowie einer beträchtlichen
Schwingungsamplitude ausgesetzt, die in gewissen Phasen des Arbeitsregimes Werte
von bis einigen Hundert Milcropetern erreicht, wngegen im gewöhnlichen Betrieb die
Schwingungsamplitude nur einige Mikrometer beträgt. Weitere4 an die Vibrationsgeber
gestellte Anforderungen sind: kleine Abmessungen und ein kleines Gewicht, eine lineare
Charakteristilc in ganzen Meßbereich und eine elektromagnetische Störstabilitiit.
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Gegenwärtig werden laufend Induktionsgeber zur Abtasten von Vibrationen
benutzt, bei denen ein permanentar magnet auf einer elastischen Membrane zwischen
zwei -fest befestigten Spulen aufgehängt ist. Bei der Bewegung des Gehaus wird in
-diesen Spulen eine elektromotorische Kraft induziert, die mit einer geeigneten
Apparatur verstärkt tind gemessen wird. Der Nachteil der an geführten Induktinnsqeber
besteht darin, daß unter schweren Bedingungen, insbesondere bei einer beträchtlichen
Erhöhung der Vibrationsamplitude, die Membranen reißen oder platzen.
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Ein anderer bekannter Induktionsgeber zur Abtasten vnn Vibrationen
besteht aus einer Abtastspule und aus zwei magnetischen Ringen, von denen ein innesrcr
beweglicher magnetischer Ring mit Spiel in einem walzenförmigen i{ohlraum eines
äußeren festen magnetischen Ringes gelagert ist.
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und eine dünne Abtastspule in einem engen walzenförmigen Zwischenraum
zwischen den beiden magnetischen Ringen auF einer Führungsbüchse angeordnet ist,
Durch die Schwingung des inneren beweglichen magnetischen Ringes wird in dr
Abtastspule
eine elektromotorische Kraft induziert, die in geeigneter Weise verstärkt und gemessen
wird. Der Nachteil dieser Ausführung des Induktionsgebers besteht in einem relativ
schwachen Signal und einer mangelhaften Führung des inneren beweglichen Ringes innerhalb
des äußeren festen magnetischen Ringes, die im Betrieb eine erhöhte Reibung und
eine Schiefstellung der ineinander beweglichen Teile, unddamit vor allem bei kleinen
Vibrations amplituden eine beträchtliche Nichtlinearität in Abhängigkeit der induzierten
elektromotorischen Kraft von der relativen Geschwindigkeit der magnetischen Ringe
hervorruft. Die Benutzung des gerade beschriebenen Induktionsgebers ist daher aus
diesen Gründen nur auf die Messung in vertikaler Richtung beschränkt.
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Bei einer anderen bekannten Ausführung des Induktionsgebers ist im
Leitprofil über einem unbeweglich gelangerten festen Magneten eine dünne scheibenförmige
Abtastsoule konzentrisch angeordnet. Ober dieser Spule ist dann ein axial verschiebbarer
Magnet angeordnet. Angesichts der gegenläufigen Polenorientierung der erwähnten
Magneten werden in ihrem gemeinsamen Stirnraum axiale Abstoßkräfte gebildet. die
als ein Druckfederelement wirken, die den verschiebbaren Magnet in einer Dauerschwebe
über dem festen Magnet halten. Diese Ausführungs des Induktionsgebers ermöglicht
die Schwingungsmessungen nur in der vertikalen Richtung.
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.s ist such ein durch einen verschiebbaren permanepten Magneten Febildeter-
Induktionsgeber für Vibrationen bekannt
Dieser Magnet ist in einer
Hülse angeordnet und beiderseitig mit zwei Federn befestigt. Rund um die Hülse ist
eine Induktionsspule angeordnet. Bei der Bewegung des verschiebbaren Magneten in
der Spule wird die elektromotorische Kraft induziert, die in geeigneter Weise verstärkt,
gemessen und ausgewertet wird, Bei Nachteil dieses Gebers besteht in einer niedrigen
Empfindlichtkeit unter Einfluß der Reibung in der Hülse und infolge des Drehmoments,
da.s durch die weder auf den permanenten Magneten ausgeübt wird und das denselben
an die Hülsewände drückt. Außerdem begrenzt die Masse und die eigene Federfrequenz
die Anwendung dieser Geber auf einen verhältnismässig engen Frequenz- und Beschleunigungsbereich.
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Darüber Hinaus ist die Federerzeugung mit einer genaben Charakteristikgund
mit genauen Abmessungen schwierig und kostspielig.
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Ein weiteres Verfahren zur Schwingungsmessung, insbesondere bei den
erwähnten thermischen energetischen Anlagen, liegt in der Anwendung von piezoelektrischen
Schwingungsgebern.
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Bei den angeführten Gebern wird die Fähigkeit einiger Kristalle, mechanische
Kräfte in elektrische Spannungen umzusetzen, ausgenutzt. Die erzeugte Spannung ist
proportional rlcr bei der Schwingung entstehenden Beschleunigung der Masse des piezoelektrischen
Gebers. Die so entstehende elektrische Spannung wird dann mit einer geeigneten Apparatur
wieder verstärkt, gemessen und ausgewertet. Der Vorteil der piezoelektrischen Geber
besteht einerseits in ihrer Fähigkeit, große Beschleunigungen und Schwingungsamplituden
zu vertragen, andererseits in ihren kleinen Abmessungen. Nachteilig ist es dagegen,
daß nur schwache Signale erzeugt werden. Aus cXiesem Grund muß die zugehörige verstärkende
Apparatur in einer verhältnismässig kleinen Entfernung von dem piezoelektrischen
Geber angeordnet sein. Weiterhin sind piezoelektrische Geber sehr empfindlich gegen
das ungleichmässige Temperaturfeld in der Umgebung.
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Die Erfindung beseitigt diese Nachteile weitgehend. Es ist die Aufgabe
der Erfindung, einen vielseitig verwendbaren, kleinen, robusten, anspruchslosen,
empfindlichen Induktionsaeber zu schaffen.
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Die Erfindung besteht darin, daß in einem axialen Hohlraum einer Hülse
mit frontal angeordneten festen Magneten, deren Pole gleichlaufend orientiert sind,
ein axial beweglicher gegenläufig polorientierter permanenter Magnet angeordnet
ist, und daß. auf der Hülse rund uin die gemeinsamen Stirnr¾',ue Innduktionsspulen
aufgewickelt sind. In der Hülse sind rund um die gemeinsamen Stirnräume- der festen
Magnete an Stellen der Polenräume zweckmässigerweise pseudobifilar Induktionsspulen
aufgewickelt. In dem axialen Hohlraum der ;lillse kann auch vorteilhafterweise eine
Antifriktionseinlage angeordnet sein. Der permanente Magnet kann auch mit einer
Antrifriktionshülle versehen sein.
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Der erfindungsgemäße Induktionsgeber hat relative kleine Abmessungen
und verträgt beträchtliche Beschleunigungen und Vibrationamplituden. Er ist anspruchslos,
verträg auch ein ungleichmässiges Temeperaturfeld und übermittelt ein nerhältnismässig
starkes Ausgangssignal, womit die Anbringung der Verstärker- und Meßapparatur in
einer größeren Entfernung ermöglicht wird. Der erfindungsgemäße Induktionsgeber
besitzt eine sehr gute Empfindlichkeit, Bei Einhaltung einer linearen Charakteristik
der Abhängigkeit der elektromotorischen Ausgangskraft von der Geschwindigkeit verträgt
er Temperaturen bis 250° C.
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Das Wesen der Erfindung, weitere Merkmale und Vorteile sind nachstehend
anhand ven in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Ausführung im Achsenschnitt, Fig. 2 eine
alternative Ausführung im Achsenschnitt.
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In der ersten Ausführung nach Figur 1 besteht der Induktionsgeber
aus einem geschlossen hohlzylindrischen Körper 7.
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in dessen Hohlraum eine Hülse 2 mit im Stirnraum konzentrisch angebrachten
festen Magneten 5, 6 untergebracht ist. Zwischen den Magneten 5, 6 ist im gemeinsamen
Zwischenraum in Fnrm einer walzenförmigen Öffnung dieser Hülse 2 ein walzenförmiger
axial beweglicher konzentrisch gelagerter permanenter Magnet 1 angeordnet. Die gegenseitige
aleich laufende Polenorientierung der- festen Magnete 5, 6 und die cr',egenüber
diesen gegenlaufende Polenorientierung des beweglich permanenten Magnes 1 bilden
im ersten Stirnpolenraum 9 zwischen dem ersten festen Magnet 5 und dem beweglichen
permanenten Magnet 1 sowie auch in dem zweiten Stirnpolenraum lo zwischen dem zweiten
festen Magnet 6 und dem beweglichen permanenten Magnet 1 axiale Abstoßungskräfte,
so daß die magnetischen Felder in den Stirnpolenräumen 9, lo als federnde Druckelemente
mit einer sehr güngstigen Charakteristik wirken.
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Die eingeführten Abstoßungskrafte in beiden Stirnpolhohlräumen 9,
10 verhindern in beliebiger Ruhelage des Induk tionsgebers eine unmittelbare Berührungs
des beweglichen Magnets 1 mit irgend einem der festen Magnete 5, 6. Der bewegliche
permanente Magnet 1, in dem eine axial durchgehende Lüftungsöffnung 12 ausgebildet
ist, ist auf seiner äußeren
Oberfläche mit einer Antifriktionshülle
8 versehen. Das Material der Gleitfläche der Antifriktionshülle S und das Material
der Hülse 2 sind zur Erzielung eines minimalen gegenseitigen Reibungskoeffizienten
gewählt. In der ersten beschriebenen Ausführung ist die Antifriktionshülle 8 aus
blessinrr gebildet, das auf der Reibungsfläche mit einer Chromschicht versehen ist.
die Hülse 2 ist dann in dieser ersten Ausführungs alls Teflon hergestellt. In der
äußeren walzförmigen Oberfläche der Hülse 2 sind zwei Umfangsaussparungen, in denen
pseudobifilar'Induktionsspulen 3, 4 angeordnet sind. Die Spulenwicklung in der Bifilarausgestaltung
besteht aus zwei Spulenleiterketten, die in einem Spulen raum nnreordnet und durch
zwei Leiter mit ungefähr gleicher L;jnae gebildet sind. Der Leiter einer Kette ist
gegenläufig gegenüber dem Leiter der zweiten Kette aufgewickelt und beide Leiter
sind abwechselnd in der unmittelbaren Nähe aufgewickelt und in der Mitte der Gesamtlänge
dieser Spulen wicklung sind sie miteinander leitend verbunden. Die Bifilarausgestaltung
der Spulenwicklung bezweckt, die bei dem Durchflus des elektrischen Stromes durch
beide Spuleleiterketten entstehenden magnetischen Felder gegenseitig zu kompensie
ren.
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Im Sinne dieser Patentanmeldung versteht man unter dem Begriff der
pseudobifilaren Ausgestaltung der Spulenwicklung die Ausgestaltung beider Spulenleiterketten
in zwei unabhängige Spulenräume. In der dargestellten Ausführung ist die erste Spulenleiterkette
der ersten Induktionsspule 4 gegenüber der zweiten Spulenleiterkette der zweiten
Induktionsspule 5 axial versetzt, so daß in dieser pseudobifilaren Ausgestaltung
die bei dem Durchfluß des elektrischen Stromes durch beide Leiterketten entstehenden
magnetischen
Felder nur teilweise kompensiert werden. Demgegenüber
ermöglicht aber die angeführte pseudobifilare Ausgestaltung, die gesamte elektromotorische
Kraft, die bei der gegebenen axialen Bewegung des permanenten Magneten 1 in der
Öffnung der Hülse 2 induziert wird, zu erhöhen. Ferner schwächt diese Ausgestaltung
einen eventuellen Störungseinfluß es äußeren magnetischen Feldes. Zu dieser Schwächung
des Störungseinflusses des äußeren magnetischen Feldes trägt auch die Bildung des
Körpers 7 aus ferromagnetischen Material bei.
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Bei der zweiten Ausführung des Induktionsgebers in Figur 2 ist die
Hülse 2 in ihrer walzenförmicen öffnuncr überdies mit einer dünnwandigen walzenförmigen
Antifriktionseinlage 11 versehen. Die Hülse 2 ist in dieser zweiten Ausführung vorteilhaft
aids einer keramischen Masse gefertigt. nie Antifriktionseinlage 11 ist aus Teflon
hergestellt. Diese Ausgestaltung verhindert die Klemmung des parmanenten Magneten
1 in der walzenförmigen Öffnung der Hülse 2 und gewährleistet die Maßstabilität
der Hülse 2 auch bei relativ hohen Temperaturänderungen. Die körnerliche Ausbildung
der anderen Teile des Induktionsgebers in der zweiten Ausführung ist praktisch dieselbe
wie bei dem Induktionsveber gemäß der ersten Ausführung. Auch die pseudobifilare
Ausgestaltuna der Wicklung der Induktionsspulen 3, 4 ist bei beiden Ausführungen
identisch.
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Bei der Befestigung des Induktionsgebers auf einem schwingenden Gegenstand,
z.B. auf dem Lagerständer einer Turbine, beginnt der permanente Magnet 1, sich gegenüber
den anderen Teilen des Induktionsgebers zu bewegen, d.h. gegenüber seinem Körper
7 mit der Hülse 2, der festen Magneten 5, 6 und den
Induktionssnulen
3, 4. Während dieser Bewegune überschneiden die Kraft linien des permanenten Magnets
1 die Wicklung der Induktionssnulen 3, 4, in denen die resultierende elektromotorische
Kraft induziert wird, die dann in einer geeigneten Apparatur verstärkt und gemessen
wird. Bei der beschriebenen vorteilhaften pseudobifilaren Ausführung der Induktionsspulen
3, 4 ist diese resultierende elektromotorische Kraft die Summe der elektromotorischen
Kräfte. die separat in der ersten Induktionsspule 4 entstehen und ist daher maximal.