DE1197236B

DE1197236B - Anordnung zur beruehrungslosen Messung der axialen Verschiebung einer umlaufenden Welle gegen einen Festpunkt

Info

Publication number: DE1197236B
Application number: DER28094A
Authority: DE
Inventors: Karl Zimmer
Original assignee: Reutlinger & Soehne Dr
Current assignee: Reutlinger & Soehne Dr
Priority date: 1960-06-04
Filing date: 1960-06-04
Publication date: 1965-07-22
Also published as: US3307164A

Description

Anordnung zur berührungslosen Messung der axialen Verschiebung einer umlaufenden Welle gegen einen Festpunkt Das Problem der berührungslosen Messung der axialen Verschiebung einer Welle gegen einen Festpunkt ist in der Technik häufig gegeben. Sehr wichtig ist diese Messung bei der Überwachung von Dampfturbinen, bei denen es insbesondere während des Anlaufvorganges durch unterschiedliche Erwärmung von Gehäuse und Welle und die dadurch hervorgerufene verschiedene Wärmedehnung leicht vorkommen kann, daß Berührungen zwischen den Schaufeln des Rotors und des Stators erfolgt. Dieses hat regelmäßig erhebliche Zerstörungen zur Folge.
Eine bisher häufig angewendete Methode zur Messung der axialen Verschiebung einer umlaufenden Welle ist die rein mechanische Anzeige durch einen an einer feststehenden Anzeigevorrichtung befestigten Anschlag, der durch eine Feder gegen einen auf der Welle aufgesetzten Ring gedrückt wird. Hierbei ist aber der Anschlag einer starken Abnutzung unterworfen, so daß eine kontinuierliche Messung nicht möglich ist, sondern nur eine Anzeige für vorübergehende kurze Zeitspannen. Außerdem ist eine Fernübertragung der Meßwerte sehr schwierig.
Eine andere Methode arbeitet auf elektrischem Weg.
Sie bedient sich der induktiven Längenmessung, indem die axiale Verschiebung eines auf der Welle aufgesetzten umlaufenden Ringes die Länge eines Luftspaltes eines mit Wechselstrom erregten Magnetkreises bestimmt. Der mechanische Aufbau für ein derartiges Gerät ist sehr kompliziert. Der die Luftspaltlänge bestimmende Ring muß magnetisch vollkommen homogen sein, so daß seine Herstellung aus Invar oder sonstigen magnetisch vollkommen homogenen Spezialstählen notwendig ist. Außerdem kann bei dieser Methode die Messung durch äußere magnetische Streufelder, die nicht zu vermeiden sind, sehr gestört werden.
Bei einer weiteren bekannten Anordnung zur Messung des Radialspieles ist am umlaufenden Teil ein Dauermagnet angeordnet und am Gehäuse eine induktionsempfindliche Einrichtung, in der beim jeweiligen Vorbeigehen des Dauermagneten ein Stromstoß erzeugt wird. Es wird dann z. B. mit Hilfe eines integrierenden Verstärkers aus den Induktionsspannungsstößen die Spannungszeitfläche als Maß für das zu bestimmende Laufradspiel ermittelt. Auch bei dieser Einrichtung können Streufelder störend wirken.
Außerdem dürfte es häufig konstruktive Schwierigkeiten bereiten, einen Dauermagneten, der, wenn der Meßeffekt erheblich sein soll, eine bestimmte Größe haben muß, am umlaufenden Teil anzubringen.
Das radiale Spiel von Wellen ist auch schon mit Hilfe von radioaktiven Substanzen gemessen worden.
Hierzu wurde auf mindestens einem Umfangkreis des rotierenden Körpers eine radioaktive Stahlungsquelle verteilt angeordnet. Außerdem mußte sich in Höhe dieses Umfangkreises ein absorbierender Körper befinden, dessen eine Stirnfläche ungefähr mit der Ebene des Umfangkreises abschließt. Schließlich war noch ein Strahlungsempfänger so anzuordnen, daß bei axialer Bewegung des rotierenden Körpers ein mehr oder weniger großer Anteil der Strahlungen in den Empfänger gelangt. Diese Anordnung ist in ihrem Aufbau relativ kompliziert, weil sie neben einem Strahler und Empfänger noch einen Abdeckkörper erfordert. Außerdem müssen diese Teile die Welle vollkommen umgeben. Dies erschwert die Anwendung einer solchen bekannten Vorrichtung.
Die Nachteile der vorbeschriebenen bekannten Anordnungen zur Messung des Axialspieles werden durch die Erfindung vermieden. Durch die Erfindung ist erreicht, daß an der Welle nur relativ geringfügige Eingriffe vorgenommen werden müssen und daß keine Empfänger oder sonstige Teile vorgesehen werden müssen, welche die Welle ganz umgeben. Die Anordnung der Erfindung ist außerdem unabhängig von Streufeldern. Die Erfindung geht gemäß dem vorstehend wiedergegebenen Stand der Technik von einer Anordnung zur berührungslosen Messung der axialen Verschiebung einer Welle gegen einen Festpunkt aus, bei der zwei durch die Wellendrehung aneinander vorbeibewegte Übertragungsglieder für einen berührungslos steuerbaren Energiefluß vorgesehen sind.
Die Erfindung besteht darin, daß das eine Übertragungsglied aus zwei länglichen in Richtung der Wellenachse geneigt zueinander verlaufenden Teilgliedern besteht und das andere punktförmig ausgebildet ist.
Die beim Vorübergehen des punktförmigen Teilgliedes an den beiden länglichen Teilgliedern ent- stehenden änderungen des Energieflusses werden dann benutzt, um eine Zeitmeßeinrichtung zu steuern, welche die Zeit zwischen den beiden Anderungen des Energieflusses anzeigt.
Durch die geneigte Lage der beiden langgestreckten Teilglieder in axialer Richtung gegeneinander ist der zeitliche Abstand der beim Vorübergehen des punktförmigen Übertragungsgliedes erzeugten Änderungen des Energieflusses abhängig von der axialen Lage der beiden Ubertragungsglieder gegeneinander. Befindet sich das punktförmige Übertragungsglied in der Nähe der Spitze des von den beiden länglichen Teilgliedern gebildeten Winkels, so ist der Abstand sehr kurz, und er verlängert sich, wenn das punktförmige Übertragungsglied sich von der Spitze des Winkels hinwegbewegt.
Die Erfindung sei an zwei Ausführungsbeispielen beschrieben. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird als berührungslos steuerbarer Energiefluß ein magnetisches Feld benutzt. In A b b. 1 ist hierfür die Meßanordnung schematisch dargestellt. Die Welle, deren axiale Verschiebung gemessen werden soll, ist mit 1 bezeichnet. Im geringen Abstand gegenüber der Wellenoberfläche sind die beiden langgestreckten Teilglieder des einen Übertragungsgliedes, die beiden Polschuhe 2 und 3 angeordnet. Sie sind als langgestreckte Flacheisenstäbe ausgebildet. Auf den beiden Polschuhen senkrecht aufgesetzt sind zwei stabförmige Dauermagnete4 und 5, die von zwei Induktionsspulen 6 und 7 umgeben sind. Auf die Welle ist als das andere punktförmige Übertragungsglied ein kleiner Stift 8 aus Eisen z. B. durch Einschrauben aufgesetzt. Dieser Eisenstift steht also beim Vorübergehen an den Polschuhen senkrecht zu ihnen und dient als Gegenpol. Beim Vorbeigehen des Eisenstiftes 8 an den langgestreckten Polschuhen 2 und 3 ändert sich in diesen die Induktion, und es entstehen in der jeweils zugehörigen Spule 6 und 7 Stromstöße.
Der zeitliche Abstand dieser Stromstöße ändert sich mit der axialen Verschiebung des Stiftes 8 und damit mit der axialen Verschiebung der Welle. Die Messung des zeitlichen Abstandes kann durch einen Elektronenstrahloszillographen 9 erfolgen, an dem die beiden Spulen 6 und 7 hintereinandergeschaltet angeschlossen sind. Beim Vorübergehen des punktförmigen Gegenpols 8 an den beiden Polschuhen 2 und 3 werden in jedem der beiden magnetischen Kreise zwei Stromstöße entgegengesetzter Richtung erzeugt, nämlich beim Eintreten in den Bereich des Polschuhes in der einen Richtung und beim Austreten aus dem Bereich des Polschuhes in der anderen Richtung.
Dementsprechend entsteht auf dem Oszillographenbild bei jedem Vorbeigehen des Gegenpols an den Polschuhen ein Doppelzacken 10. Der zeitliche Abstand gleichphasiger Punkte dieser Doppelzacken ist ein Maß für die axiale Verschiebung des Gegenpols 8 unter der Voraussetzung, daß sich während der Messung die Drehzahl der Welle nicht ändert.
Drehzahländerungen können bei einer solchen Anordnung sehr leicht dadurch berücksichtigt werden, daß der Zeitmaßstab der Anzeige ebenfalls durch die Drehzahl gesteuert wird. Dies kann in einfacher Weise dadurch geschehen, daß die Kippfrequenz für den Elektronenstrahl von der Drehzahl der Welle, z. B. durch einen bei jedem Umlauf betätigten Kontakt oder durch einen mit der Welle verbundenen Generator, gesteuert wird. Beim Turbogenerator braucht also die Kippfrequenz nur, eventuell nach ent- sprechender Frequenzteilung, von dem von der Turbine angetriebenen Generator gesteuert zu werden.
Es ist dann der absolute Abstand der Zacken unmittelbar ein Maß für die axiale Verschiebung der Welle.
In A b b. 2 ist noch die praktische Ausführung des feststehenden Teiles eines der beiden Magnetkreise dargestellt. Der langgestreckte Polschuh ist mit 11 bezeichnet. Er ist an dem Eisenkern 12 der Induktionsspule 13 befestigt. An seinem oberen freien Ende steht er in Verbindung mit einem stabförmigen Dauermagneten 14, der in einer Haltevorrichtung 15 verstellbar eingeklemmt ist. Wie zu erkennen ist, handelt es sich um ein sehr robustes Bauelement, das auch an vorhandenen Maschinen jederzeit leicht angebaut werden kann. Ebenso ist der Gegenpol 8 sehr leicht an der Welle anzubringen. Eine Störung durch Streufelder tritt nicht ein, da der Nutzimpuls eine vielfach höhere Amplitude hat und außerdem über ein Hochpaßglied gefiltert werden kann. Ebenso beeinflußt eine Änderung in der Impulsamplitude, hervorgerufen durch Magnetalterung, Windungsschluß od. dgl. das Meßergebnis nicht, da lediglich der Impulsabstand gemessen wird.
Die Anzeige mit einem Elektronenstrahloszillographen ist für Betriebsmessungen nicht immer geeignet. Man wünscht dort robuste Anzeigeinstrumente und unter Umständen auch eine leichte Möglichkeit zur Registrierung der Meßwerte. Diese Forderung ist leicht durch eine Schaltung zu erfüllen, bei der die in den beiden Magnetkreisen induzierten Impulse die Länge der Einschaltdauer eines konstanten Stromes steuert, der einem Anzeigeinstrument zugeführt wird, das seinen Mittelwert anzeigt. Eine solche Schaltung ist in einem Blockschaltbild in A b b. 3 dargestellt. Der Impulsgeber mit den beiden magnetischen Kreisen ist mit 16 bezeichnet. In diesem Fall sind die von den beiden Kreisen abgegebenen Impulse getrennt herausgeführt. Sie haben jeder, wie schon in A b b. 1 dargestellt, die mit 17 und 18 angedeutete Form von zwei aufeinanderfolgenden Impulsen entgegengesetzter Richtung. In den beiden Impulswandlern 19 und 20, die eine Gleichrichterwirkung haben, werden diese beiden Impulse zu einseitigen Impulsen umgeformt und dann in den beiden Verstärkern 21 und 22 verstärkt, so daß sie dann die bei 23 und 24 dargestellte Form haben. Die beiden verstärkten Impulse 23 und 24 werden dann einer Torschaltung derart zugeführt, daß der eine Impuls jeweils das Tor für einen Stromfluß öffnet und der andere Impuls wieder schließt. Es entsteht dadurch der bei 26 angedeutete Rechteckimpuls, bei dem die Länge des Impulses dem Abstand der beiden Impulse 23 und 24 entspricht. Die Amplitude dieses Rechteckimpulses 26 wird durch die Stabilisatorstufe 27, die z. B. eine Zenerdiode enthält, konstant gemacht. Dann wird der Rechteckimpuls über ein Tiefpaßglied geleitet, das etwa noch vorhandene Wechselspannungsanteile des Impulses eliminiert. Die so gewonnenen Gleichspannungsimpulse werden in einem Gleichspannungsverstärker 29 verstärkt und einem Anzeigeinstrument 30 zugeführt. Das Anzeigeinstrument ist so träge, daß es nicht die einzelnen Rechteckimpulse anzeigt, sondern deren Mittelwert.
Dieser Mittelwert ist, da die Amplitude der Rechteckimpulse konstant gehalten wird, lediglich abhängig von der Länge der Impulse und von ihrer Häufigkeit.
Bei einer bestimmten Stellung des rotierenden Gegenpols 8 ist aber die Länge der Impulse umgekehrt und die Häufigkeit direkt proportional der Drehzahl.
Hieraus ergibt sich, daß der im Meßinstrument 30 zur Anzeige gebrachte Gleichstromwert unabhängig von der Drehzahl die Lage des Gegenpols 8 gegenüber den feststehenden Polschuhen 2 und 3 (A b b. 1) wiedergibt. Da für die in den beiden Magnetkreisen erzeugten Impulse, welche die Länge des Rechteckimpulses begrenzen, nicht der Abstand Null herstellbar ist, wird in dem Verstärker 29 für die axiale Verschiebung Null der Ruhestrom durch einen konstanten Gegenstrom unterdrückt, so daß in dem Instrument 30 eine Anzeige vom Nullpunkt aus erreicht wird.
An Stelle der induktiven Beeinflussung kann auch eine kapazitive Beeinflussung treten. In diesem Fall werden an Stelle der beiden Polschuhe 2 und 3 (abt. 1) zwei langgestreckte Leiter vorgesehen, denen wieder ein stabförmiger Gegenpol auf der Welle gegenübersteht. Zwischen Welle und den beiden stabförmigen Leitern werden durch Einschaltung von Spannungsquellen Stromkreise gebildet. Beim Vorübergehen des Gegenpols an dem stabförmigen Leiter entstehen in den Stromkreisen Stromimpulse, die in ähnlicher Weise wie bei der induktiven Methode zur Messung der axialen Verschiebung ausgenutzt werden können.
In A b b. 4 ist ein Beispiel für eine optisch arbeitende Anordnung dargestellt. Auf der Wellenoberfläche sind zwei langgestreckte, schräg zueinander verlaufende Spiegel 31 und 32 befestigt. Eine Beleuchtungsvorrichtung 33 richtet einen Lichtstrahl so auf die Wellenoberfläche, daß dieser bei einem bestimmten Drehwinkel (dargestellt durch die Stellung des Spiegels 31 in der Abbildung) auf eine Fotozelle 34 reflektiert wird. Hierdurch erhält die Fotozelle bei Drehung der Welle eine Beleuchtung durch Lichtblitze, deren Abstand sich mit der axialen Verschiebung der Welle ändert. Die Fotozelle ist in einen Stromkreis eingeschaltet, der die Lichtblitze in Stromimpulse verwandelt, deren zeitlicher Abstand ein Maß für die axiale Verschiebung ist. Die Spiegel 31 und 32 können in besonders einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß die polierte Wellenoberfläche bis auf zwei schmale spiegelnde Streifen durch einen Farbanstrich oder sonstige Mittel abgedeckt wird.
An Stelle der optischen Strahlung kann auch eine andere Strahlung benutzt werden. Es kann z. B. auf der Wellenoberfläche ein strahlendes Isotop befestigt werden, dem zwei länglich gestaltete schräg zueinander verlaufende Strahlungsempfänger gegenüberstehen, in denen beim Vorübergehen des Isotops Stromimpulse entstehen.

Claims

Patentansprüche: 1. Anordnung zur berührungslosen Messung der axialen Verschiebung einer Welle gegen einen Festpunkt, bei dem zwei durch die Wellendrehung aneinander vorbeibewegte fJbertragungsglieder für einen berührungslos steuerbaren Energiefluß vorgesehen sind, dadurch gekennz e i c h n e t, daß das eine Übertragungsglied aus zwei länglichen in Richtung der Wellenachse geneigt zueinander verlaufenden Teilgliedern (2, 3) besteht und das andere (8) punktförmig ausgebildet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilglieder des einen Übertragungsgliedes zwei langgestreckte zu magnetischen Kreisen gehörende Polschuhe (2, 3) sind und das andere punktförmige Übertragungsglied durch einen stabförmigen Gegenpol (8) gebildet ist, der im Augenblick der größten Annäherung an die langgestreckten Polschuhe (2, 3) senkrecht zu ihnen steht.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Kreise eine dauermagnetische Erregung (14) und eine Induktionsspule (13) enthalten.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (11, A b b. 2) an dem einen Ende des Weicheisenkernes (12) der Induktionsspule (13) befestigt sind, deren anderes Ende mit einem Dauermagneten (14) in Verbindung steht.
5. Anordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckten Polschuhe (2, 3) feststehen und der an der Welle befestigte Gegenpol (8) als kleiner auf der Welle befestigter Eisenstift ausgebildet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilglieder des einen Übertragungsgliedes zwei langgestreckte Leiter sind und das andere Übertragungsglied ein punktfönniger Leiter und daß zwischen dem punktförmigen Leiter und den langgestreckten Leitern eine Spannung angelegt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden langgestreckten Leiter feststehen und der punktförmige Leiter in Form eines auf der Welle angebrachten Stiftes mit der Welle umläuft.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsglieder als Einrichtung zur Beeinflussung einer Strahlung oder als Strahlungsempfänger oder Strahlungssender ausgebildet sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilglieder des einen Übertragungsgliedes als auf der Welle aufgebrachte schmale längliche Spiegel (31, 32) ausgebildet sind, die von einer festehenden Beleuchtungseinrichtung (33) so beleuchtet sind, daß ihr Licht bei einem bestimmten Drehwinkel der Welle auf einen Stahlungsempfänger (Fotozelle) (34) geworfen wird.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden länglichen Spiegel (31, 32) durch Polieren der Wellenoberfläche und entsprechendes Abdecken der nicht zur Reflektion herangezogenen Stellen gewonnen sind.
11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Übertragungsglied als Sender radioaktiver Strahlen ausgebildet ist und das andere Übertragungsglied als Empfänger für diese Strahlen.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilglieder mit einer Zeitmeßeinrichtung (9) verbunden sind, welche durch die Änderung des Energieflusses beim Vorübergehen des punktförmigen Teilgliedes an dem einen länglichen Teilglied eingeschaltet und an dem anderen länglichen Teilglied ausgeschaltet wird.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmeßeinrichtung einen Schaltkreis enthält, welcher mit einem konstanten Strom gespeist ist, und daß in diesem Schaltkreis eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, welche beim Vorübergehen des punktförmigen Teilgliedes an dem einen länglichen Teilglied auf Stromdurchgang und beim Vorübergehen an dem anderen länglichen Teilglied auf Stromunterbrechung geschaltet ist, und daß ein Mittelwert- messer in den mit dem konstanten Strom gespeisten Schaltkreis eingeschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 849 454, 899 534, 949 775, 973 802, 910 233; deutsche Auslegeschrift Nr. 1 081 240; Werkstatt und Betrieb (1958), 91. Jahrgang, M. 3, S. 132 bis 136.