DE1285191B - Device for contactless inductive measurement of the axial and / or radial displacement of rotating shafts - Google Patents

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. The invention relates to a device for inductive, contactless Measurement of an axial and / or radial displacement, e.g. B. a rotating shaft, consisting of a ferromagnetic measuring collar of constant width, two magnetic sensor parts separated from one another, each with three made of ferromagnetic material existing legs, two of which each have teeth in the direction of displacement are provided that in each sensor part of the magnetic flux regardless of the Position of the measuring collar remains constant and that the teeth of the two transducer parts offset from one another by a quarter division in the direction of displacement of the measuring collar and in which the two sensor parts are perpendicular to the direction of displacement of the Meßbundes are arranged side by side, with excitation coils around the non-toothed Legs and pick-up coils around at least one of the toothed legs of both pick-up halves are appropriate.

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. Sensor for measuring the axial displacement, in particular of Turbine shafts are known. One known device uses an inductive one Sensor whose pole pieces form an acute angle with one another. If you feel with such a transducer from a marking point rotating with the shaft, for a constant shaft speed is the time between two successive ones Output signals a measure of the axial displacement of the shaft. Disadvantageous with this one The arrangement is that a marking must be applied to the turbine shaft. In addition, a measurement is only possible when the shaft is rotating.

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. It is also known to move a shaft with the help of a Measure differential throttle assembly. The two halves of the transducer are on both sides attached to an existing shaft collar, its output signal is dependent of the distances between the two sensor halves and the measuring collar. Disadvantageous here is the relatively large dimension of the transducer in the axial direction and the of the shaft collar encompassed by the transducer in the radial direction. Furthermore is because of of the large displacements of the waves, the output variable of the displacement is non-linear addicted. To compensate for this non-linearity, a second one is of the same type Sensor provided with a shaft displacement tracked by a servomotor Anchor. The effort required for this is considerable.

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. The use of the part to be moved is also opposite arranged transducers are known which have several legs, each of which has two are provided with teeth in the direction of displacement in such a way that in each pick-up part the magnetic flux is constant regardless of the position of the movable part remains and wherein the teeth of the transducer parts against each other. by a quarter division are offset in the direction of displacement. It is also known that the sensor parts to be arranged vertically next to each other in the direction of displacement.

Schließlich ist es auch bekannt, Mittel zur Messung der Erregerströme für die Spulen vorzusehen, z. B. Finally, it is also known to have means for measuring the excitation currents to be provided for the coils, e.g. B.

Anzeige- oder Registriergeräte.Display or registration devices.

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. The purpose of the invention is to create a transducer that the avoids the above-known disadvantages of known transducers and additionally the radial displacements to measure the shaft. this happens according to the invention that in addition further coils are attached to all teeth of at least one of the toothed legs are.

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. The invention is explained with reference to the drawing. In it, F i g. 1 shows an embodiment of a transducer according to the invention, FIG. 2 one Elevation of the transducer according to FIG. 1, Fig.3 a possible circuit arrangement for Evaluation of the output signals supplied by the transducer, FIG. 4 shows an embodiment a transducer according to the invention with additional coils for recognizing the partial areas.

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. The transducer according to FIG. 1 consists of two sensor parts 1 and 2, via the measuring collar 3, which is connected to the shaft and shown schematically ferromagnetic material are arranged.

Sie haben beide den Abstand a vom Meßbund und liegen in dessen Umfangsrichtung nebeneinander. They both have the distance a from the measuring collar and lie in its circumferential direction side by side.

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.Each of these parts has three legs, which are also ferromagnetic 11, 12, 13 or 21, 22, 23, of which two each (11, 12 or 21, 22) along the direction of displacement x of the shaft collar are toothed.

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.The teeth on the legs 11 and 21 are opposite the tooth gaps the legs 12 and 22 are arranged. The tooth pitch d (width of a tooth plus the width of a tooth gap) is equal to and approximately equal to half that Measuring collar width.

Die beiden Aufnehmerteile 1 und 2 sind gegeneinander um d verschoben.The two pick-up parts 1 and 2 are shifted from one another by d.

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.4 Each of the legs 13 and 23 of the transducer parts 1 and 2 has an excitation coil 14 and 24, respectively, which are fed by two voltages of the same amplitude and frequency, phase-shifted by 90 " Another coil 15 or 25 is placed in which voltages U15 and U25 are induced, the amplitudes of which U15 and U25 depend on the position of the shaft collar Winding24 with U, cos wt, then you get approximately for U15 or U25: U15 U, cos dx sin wt, U25 R: ÛO sin 2d xcoswt. D If you add or subtract the voltages U15 and U25, you get the total voltage or as a differential voltage The phase shift 2'dx of the output voltage Us or UD obtained by adding or subtracting the voltages U1s and U25 compared to the exciting voltages is proportional to the shift x of the shaft collar. It assumes the same value when the shaft collar is shifted by one or more divisions d in the x direction, ie the output signal is ambiguous over the entire measuring range according to the number of divisions, but unambiguous within one division.

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. In order to obtain a clear measurement result over the entire measuring range, information about which of the divisions is to be derived the measuring collar is located. This can e.g. B. happen that - as indicated in Figure 3 -a known change lock 4, controlled alternately by in pulse shaper stages 5 from the zero crossings of the output voltage Us or UD and the excitation voltage U14 or U24 derived pulses, an up-down counter 6 controls, whose The counter reading then indicates the division under which the measuring collar is located. The meter reading can be converted into a voltage via known devices 7, which corresponds to the the phase shift 2 zd x proportional mean output voltage of the changeover block added and z. B. can be displayed with an instrument 8.

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. With this type of incremental evaluation, however, there are disturbances. which lead to an incorrect measurement result, not recognized, and their effects cannot be reversed as there is no geometrically fixed zero point is available.

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. However, this fact is made clear by the further features of the invention avoided, namely in that, as shown in Figure 4, around the individual teeth at least one of the toothed legs laid coils 9a to 9f are provided. By comparing the n voltages induced in these coils 9a to 9f, it is possible to clearly identify decide under which of the divisions the measuring collar is located. These Information is continuously available; the zero point is through the assignment the Coils set among each other. To errors when transitioning from one division to the next To avoid this, known methods can be used for signal processing will.

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. The measurement results obtained in this way are from the distance a zyvischen dem Transducer and the measuring collar and thus also independent of the radial runout a a of the shaft, since not the absolute size of the induced in coils 15 or 25 and 9a to 9f Stresses, but only their amplitude relationships to one another are evaluated.

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. The excitation current il4 or i24 through the coils 14 and 24 is at constant voltage U14 or U24 directly to the distance between the measuring collar and the transducer proportional and independent of the displacement x.

Damit kann der Radialschlag da durch Messung des Erregerstromes bestimmt werden.The radial run-out can thus be determined by measuring the excitation current will.

Claims (1)

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. Claim: Device for inductive, contactless measurement an axial and / or radial displacement, e.g. B. a rotating shaft, consisting from a ferromagnetic measuring collar of constant width, two magnetically from each other separate sensor parts with three each made of ferromagnetic material Legs, two of which are each provided with teeth in the direction of displacement are that in each transducer part the magnetic flux regardless of the position of the measuring collar remains constant and that the teeth of the two transducer parts against each other are offset by a quarter division in the direction of displacement of the measuring collar and in which the two transducer parts are perpendicular to the direction of displacement of the measuring collar are arranged side by side, with excitation coils around the toothed legs and pick-up coils around at least one of the toothed legs of both pick-up halves are attached, characterized in that additional coils (9a to 9f) around all teeth of at least one of the toothed legs (11, 12, 21 or 22) are appropriate.