DE2506068A1

DE2506068A1 - Nicht-beruehrender selbstabgleichender schwingungssensor

Info

Publication number: DE2506068A1
Application number: DE19752506068
Authority: DE
Inventors: Matthew Anthony Kazlauskas; Duncan Nicol Walker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-02-14
Filing date: 1975-02-13
Publication date: 1975-09-18
Also published as: JPS50115874A; US3911731A; JPS579011B2; IT1031706B

Description

Nicht-berührender selbstabgleichender Schwingungssensor

Die Erfindung bezieht sich auf Schwingungs- bzw. Vibrationssensoren und insbesondere auf einen nicht-berührenden selbstabgleichenden Schwxngungssensor.

Häufig müssen die Schwingungen eines Gegenstandes gemessen werden, bei dem die Schwingungen eine sehr kleine Amplitude besitzen können und es nicht praktikabel ist zu versuchen, die Schwingungen mit einer VLorrichtung messen zu wollen, die mit dem Gegenstand in Berührung steht. Beispielsweise können bei großen elektrischen

509838/0251

Generatoren, die eine Welle mit einem Gewicht von mehreren Tonnen verwenden, kleine Exzentrizitäten in der Rotation der Welle unerwünschte Schwingungen bzw. Vibrationen hervorrufen. Gleichzeitig kann es aufgrund der besonderen Umgebung, in der die Welle angeordnet ist, unpraktisch sein, eine Vibrationsmeßvorrichtung zu verwenden, die mit der rotierenden Welle in Berührung stehen würde. Um diese Probleme zu vermeiden, sind eine Anzahl verschiedenartiger nicht-berührender Vorrichtungen oder Taster entwickelt worden; hierzu gehören beispielsweise die Hall-Effekt-Sonden, Kapazitätssonden, Resonanzspulensonden und Wirbelstromsonden. Diese verschiedenen Sonden bzw. Taster bilden zwar nieht-berührende Mittel zur Entwicklung eines auf die Wellenschwingung bezogenen elektrischen Signals, aber wenn diese Sonden bzw. Taster in abträgliehen Umgebungen verwendet werden, können diese Sonden oder Taster selbst ebenfalls Schwingungen und Temperaturgradienten und Magnetfeldern ausgesetzt sein, die das Ansprechverhalten der Sonde beeinflussen. Aus diesem Grunde sind seIbstabgleichende nichtberührende Sonden entwickelt worden, die einer bekannten Schwingungsfrequenz ausgesetzt sind, so daß ein elektrisches Ausgangssignal der Sonde eine Komponente von bekannter Frequenz und eine Komponente enthält, die auf die zu messende Schwingung des Gegenstandes bezogen ist. Da die erzwungene Schwingung der Probe eine bekannte Frequenz und·Amplitude besitzt, können elektrische Mittel angesetzt werden, um das durch die Zwangsschwingung hervorgerufene Signal aus dem Sondenausgangssignal zu entfernen. Durch Einstellen der Amplitude der Schwingungen und der Amplitude des Sondenausgangssignals, um eine vorbestimmte Signalamplitude bei der bekannten Frequenz zu erzeugen, kann die Sonde auf wirksame Weise geeicht werden. Dieses Verfahren berücksichtigt jedoch nicht diejenigen Ausgangssignale von der Sonde, die aufgrund von Schwingungen hervorgerufen werden können, die in der Sonde und deren Befestigungsanordnung aufgrund von Schwingungen in der Umgebung induziert werden.

Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Anordnung zum Messen der Schwingung eines Gegenstandes zu schaffen, in der ein Signal, das nur die Sondenschwingung dar-

509838/0251

*> ~K mm '

stellt, entwickelt wird, das von dem Sondenausgangssignal subtrahiert wird, um ein resultierendes Signal zu erzeugen, das nur die Schwingung des Gegenstandes darstellt.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten nichtberührenden selbstabgleichenden Schwingungssensor ,zu schaffen, wobei auch Mittel vorgesehen sein sollen, um die Schwingungskomponente zu eliminieren,, die durch die Schwingung des Sensors selbst hervorgerufen wird.

Diese Aufgaben werden durch einen elektrischen Sensor gelöst, der eine nicht-berührende Sonde oder einen Taster, einen Beschleunigungsmesser, der in einer festen Lage zur Sonde angebracht ist, . und eine Magnetspule umfaßt, um der Sonde eine Schwingung mit fester Amplitude und Frequenz zu erteilen. Weiterhin ist eine elektrische Schaltungsanordnung vorgesehen, um Ausgangssignale sowohl von dem Beschleunigungsmesser als auch der Sonde zu empfangen und um die Ausgangssignale in der Weise zusammenzufassen, daß das Ausgangssignal von dem Beschleunigungsmesser, das zur Erzielung eines Verschiebungssignals doppelt integriert ist, von dem Ausgangssignal aus der Sonde subtrahiert wird, um ein resultierendes Signal zu erzeugen, das nur der Schwingung des überwachten Gegenstandes proportional ist. Die Sondenempfindlichkeit ist so angepaßt, daß sie gleich dem doppelt integrierten Signal des Beschleunigungsmessers ist. Zusätzlich wird die Treiberspannung, die der Magnetspulen-Antriebsschaltung zugeführt wird, kontinuierlich aufbereitet durch eine Rückkopplungsschleife, die die Ausgangsgröße aus dem Beschleunigungsmesser überwacht, um sicherzustellen, daß die induzierten Schwingungen in dem Sensor eine feste Amplitude haben. Bei einem rotierenden Gegenstand, wie beispielsweise einer großen Generatorwelle, überwacht eine Rückkopplungsschleife kontinuierlich die Drehfrequenz der Welle und liefert ein Ausgangssignal an die Magnetspulen-Antriebsschaltung, um sicherzustellen, daß die induzierten Schwingungen in der Sonde nicht die gleiche Drehfrequenz der Welle oder irgendwelcher Harmonischen davon haben.

509838/0251

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 ist eine vereinfachte mechanische Darstellung des Sensors gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Figur 2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der elektrischen Anordnung, die. in Verbindung mit dem in Figur 1 gezeigten Sensor verwendet wird.

Der nicht-berührende selbstabgleichende Sensor gemäß der Erfindung kann in vielfacher Weise eingesetzt werden. Vorteilhafterweise wird er jedoch bei der Messung von Schwingungen an einer rotierenden Welle verwendet, wie es im folgenden beschrieben wird.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Sensore 10 gemäß der Erfindung gezeigt. Der Sensor 10 enthält eine Sonde oder einen Taster 12, der vorzugsweise einen Abschnitt Ik aufweist, der derart angeordnet ist, daß er zwischen einem Ende der Sonde und einer Oberfläche einer insgesamt bei 16 angedeuteten rotierenden Welle einen Spalt bildet. Die Schwingung der Sonde 12 wird durch einen Beschleunigungsmesser 18 abgetastet, der an der oberen Fläche der Sonde 12 fest angebracht ist. Eichende bzw. abgleichende Schwingungen werden in der Sonde 12 durch einen Kolben 20 induziert, der an der Sonde 12 durch Schrauben 22 und an einer Magnetspule durch eine Verlängerung 28 befestigt ist. Somit führt eine Schwingbewegung der Magnetspule 26 zu einer entsprechenden Bewegung der Sonde 12.

Der Sensor 10 ist mit einem Gehäuse 30 von im allgemeinen zylindrischer Form versehen. Das obere Ende des Gehäuses 30 ist mit einer Öffnung 3¹» mit einem ausreichenden Durchmesser versehen, um einen freien Durchtritt der Verlängerung 28 zu gestatten. Die Öffnung 34 enthält ferner einen abgestuften Abschnitt, um eine Lagerfläche oder eine Durchführung 38 aufzunehmen, die aus Nylon oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann. Das ent-

5 0 9838/02S1

gegengesetzte Ende des Zylinders 30 ist durch einen zylindrischen Führungsteil 40 verschlossen, der an dem Gehäuse 30 mit Schrauben 42 befestigt ist. Das Führungsteil 40 ist ebenfalls mit einem Stufenabschnitt versehen, um eine Lagerfläche oder eine Durchführung 46 aufzunehmen. Die Durchführung 46 ist durch ein Verschlußteil 48 in ihrer Lage gehalten, das an dem Ende 40 durch Schrauben 50 befestigt ist. Jede der Durchführungen 38 und 46 ist mit einem innenseitigen Durchmesser solc—her Größe versehen, daß ein leichter Reibungsdämpfungseffekt für die Bewegung der Sonde 12 erreichbar ist. Eine weitere Dämpfung der Sonde 12 wird durch Schnorr-Scheibenfedern 52 und 54 geliefert, die auf entsprechende Weise am unteren Ende der Sonde 12 und am oberen Ende des Kolbens 20 angeordnet sind. Die Wirkung der Schnorr-Scheiben 52 und 54 besteht darin, eine Aufhängung für die Sonde 12 und den Beschleunigungsmesser 18 innerhalb des Gehäuses 30 zu bilden.

Die elektrischen Ausgangssignale vom Beschleunigungsmesser 18 werden aus dem Sensor durch Leiterdrähte 60 über eine öffnung 62 im Kolben 20 und eine öffnung 64 im Gehäuse 30 herausgeführt. Die Ausgangssignale vom Sensor 12 werden durch Leiterdrähte 66 über eine öffnung 64 im Gehäuse 30 herausgeführt. Um eine Drehung der Sonden- und Kolbenanordnung und einen möglichen Bruch der Leiterdrähte 60 und 66 zu verhindern, ist ein Antxrotatxonsstift 56 vorgesehen, der durch eine langgestreckte öffnung 58 in einer Wand des Gehäuses 30 hindurch an der Sonde 12 fest angebracht ist.

Die Magentspule 26 ist auf einem Träger 68 durch Befestigungen 70 gehaltert und der Träger 68 ist an dem Gehäuse 30 durch Schrauben 72 befestigt. Der Träger 60 kann mit einem Gewinde versehen sein, wie es bei 74 allgemein angedeutet ist, um Mittel für eine Befestigung einer Schutzkappe 76 über der Magnetspule 26 zu bilden. Die Abdeckung 76 ist mit einer öffnung 78 versehen, durch die Leiterdrähte 80 zur Speisung der Magnetspule 26 hindurchführen.

Um eine übermäßige Bewegung der Sonde 12 zu. verhindern, ist ein Ring 82 am unteren Ende des Gehäuses 30 vorgesehen. Der Ring 82

509838/0251

ist vorzugsweise mit Gewindegängen um seinen äußeren Umfang herum versehen, so daß er in das untere Ende des Gehäuses 30 geschraubt und justiert werden kann» um für geeignete Schwingungsgrenzen zu sorgen. Eine Bewegung der Sonde 12 ist somit durch den Eingriff der Schrauben 22 mit dem Ring 82 begrenzt.

Wie in Figur 2 gezeigt ist, wird ein Signal von der Sonde 12 über mit 66 bezeichnete, Leiterdrähte in eine Sonden-Antriebsschaltung 84 eingeführt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Sonde 12 durch eine Wirbelstromsonde gebildet ist, enthält die Treiberschaltung 84 einen Oszillator zum Erregen der Sonde und einen Demodulator bekannter Art, um die Oszillator-Trägerfrequenz aus einem modulierten Signal zu entfernen, das als eine Ausgangsgröße von der Sonde 12 abgetastet wird. Das Ausgangssignal von der Sonden-Treiberschaltung 84 ist ein sinusförmiges Signal, das sich mit- einer von der Änderungsgeschwindigkeit der Verschiebung zwischen der Sonde 12 und der Oberfläche 16 abhängigen Frequenz ändert.

Die Ausgangsgröße aus der Schaltanordnung 84 ist ein unabgeglichenes bzw...ungeeichtes Signal, das sich als eine Funktion der Schwingung, der Materialcharakteristiken der Oberfläche 16, der Temperatur der Oberfläche 16, der Temperatur der Sonde 12, der Temperaturgradienten an sowohl der Oberfläche 16 als auch der Sonde 12 und der Drehgeschwindigkeit der Oberfläche 16 neben anderen Faktoren ändern kann. Um das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 84 abzugleichen_s damit die vorstehend genannten Bedingungen bzw. Zustände kompensiert werden, ist eine Dämpferschaltung 86 vorgesehen, die das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 84 empfängt und auf ein Rückkopplungs-Eichsignal anspricht, wie es im folgenden noch näher beschrieben wird, um die Amplitude des Ausgangssignals von der Schaltungsanordnung 84 einzustellen, damit die Verschiebung der Sonde 12 von der Oberfläche 16 genau dargestellt wird. Die Dämpfungsschaltung 86 kann irgendeine von verschiedenen Typen elektronisch variabler Dämpfer sein, wie beispielsweise ein motorgetriebenes Potentiometer, wie es in der Blockformdarstellung für die Dämpfungsschaltung 86

509838/0251

schematisch gezeigt ist. Die Ausgangsgröße der Dämpfungsschaltung 86 ist mit einer Filter- und Phasenverschiebungs-Ausgleichsschaltung 88.aus noch zu erläuternden Gründen verbunden» Die Ausgangsgröße aus der Schaltungsanordnung 88 wird an eine erste Eingangsklemme einer Summierschaltung 90 geliefert. Das Signal, auf den mit 60 bezeichneten Leiterdrähten vom Beschleunigungsmesser 18 (s. Figur 1) ist proportional zur Beschleunigung des Sensors 10; infolgedessen wird durch zweimalige Integration das resultierende Signal proportional zur Verschiebung bzw. zum Weg. Diese Integra'-tion wird durch eine Doppelintegration- und Filterschaltung 92 erreicht. Eine Filterung in der Schaltungsanordnung 92 ist notwendig, da der Integrationsprozeß die'Neigung hat, ein beträchtliches Rauschen in das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers, einzuführen, insbesondere bei einem Kristall-Beschleunigungsmesser, der von Natur aus ein relativ starkes Rauschen enthält. Infolgedessen ist ein Filter notwendig, um die Rauschsignale zu beseitigen, damit sichergestellt ist, daß die Ausgangsgröße aus der Schaltungsanordnung 92 nur die Verschiebung (Weg) darstellt. Die Ausgangsgröße von der Schaltungsanordnung 92 wird auf einen zweiten Eingang der Summierschaltung 90 gegeben.

B—fikanntlich erzeugt eine doppelte Integration eine wesentliche Phasenverschiebung; um deshalb das Signal von der Schaltungsanordnung 92 zum Signal von der Dämpfungsschaltung 86 in umgekehrter Phasenlage hinzuzuaddieren, muß das letzte Signal um den gleichen Grad phasenverschoben werden, wie das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers in der Schaltungsanordnung 92 phasenverschoben ist. Diese Phasenverschiebung wird durch eine Filter- und Phasenverschiebungs-Ausgleichsschaltung 88 durchgeführt. Die Summierschaltung 90 faßt die Ausgangssignale von der Schaltungsanordnung 92 und der Schaltungsanordnung 88 zusammen, um ein resultierendes Signal zu liefern, das, wenn das System richtig geeicht bzw. abgeglichen ist, nur diejenigen Schwingungen darstellt, die der Bewegung der Oberfläche 16 zuzuschreiben sind.

Um diesen Selbstabgleich zu erreichen, ist die Ausgangsgröße der Summierschaltung 90 auch auf eine erste Eingangsklemme eines"Kor--

509838/0251

relators 94 gegeben. Die zweite Eingangsklemme des Korrelators ist so angeschlossen, daß sie ein Signal bei Eichfrequenz von einem schmalbandigen Synchronfilter 96 empfängt. Der Korrelator besitzt einen bekannten Aufbau, der die Eingangssignale, die er empfängt, multipliziert, aber nur bei einer Frequenz, die durch das Signal auf seiner zweiten Eingangsklemme bestimmt wird, d.h. der Korrelator 94 erzeugt ein Ausgarigssignal, das nur dem Produkt des Signals auf seiner zweiten Eingangsklemme und derjenigen Komponente des Signals auf seinerersten Eingangsklemme proportional ist, die sich auf der gleichen Frequenz befindet wie die Frequenz des Signals auf der zweiten Eingangsklemme. Das Ausgangssignal des Korrelators 94 ist proportional zu derjenigen Komponente des Signals am Ausgang der Summierschaltung 90, die auf Eich- bzw. Abgleichfrequenz ist. Dieses Ausgangssignal von dem Korrelator 94 wird auf geeignete Weise verstärkt und in einem Regler 108 integriert und dazu verwendet, einen Motor 110 anzutreiben, um einen Arm bzw. Schleifer 112 des Potentiometers 114 in der Dämpferschaltung 86 einzustellen, bis die Komponente des Signals bei Eichfrequenz am Ausgang der Schaltungsanordnung 90 Null ist.

Das Signal auf dem Filter 96 ist ein sinusförmiges Signal bei Eichfrequenz und hat eine Amplitude, die der Amplitude der induzierten Schwingungen in der Sonde 12, die durch die Magnetspule 26 erzeugt werden, proportional ist. Das Filter 96 besitzt einen bekannten Aufbau, der gelegentlich als ein Nachlauffilter (tracking filter) bezeichnet wird. Das Ausgangssignal des Synchronfilters 96 wird von einem Eingangssignal abgeleitet, das vom Ausgang der Schaltungsanordnung 92 empfangen wird und das eine Komponente bei Eichfrequenz enthält. Das Filter 9^ filtert diese Komponente bei Eichfrequenz aus für eine Verwendung im Korrelator 94 und auch für eine Einspeisung in den Amplitudendetektor 98. Eine Rückkopplungsschleife, die im folgenden noch erörtert wird, liefert ein Signal, um die Mittenfrequenz des Filters 96 bei Eichbzw. Abgleichfrequenz aufrechtzuerhalten.

Der Detektor 98 ermittelt durch überwachen der Ausgangsgröße des Filters 96, ob die induzierten Schwingungen in der Sonde 12 bei

509838/025 1

der Abgleichfrequenz eine vorbestimmte Amplitude haben, und liefert ein Ausgangssignal, das der Abweichung dieser Signale von der vorbestimmten Amplitude proportional ist. Das Ausgangssignal vom Detektor 98 wird einer Impulsbreiten-modulierten Magnettreiberschaltung 100 zugeführt, die der Magnetspule 26 Leistung zuführt. Die Treiberschaltung 100 kann einen Leistungszerhacker bekannter Bauart bilden, so daß die Ausgangssignale vom Detektor die Breite der antreibenden Impulse ändern, die der Magnetspule zugeführt werden, um auf diese Weise die induzierte Schwingungsverschiebung der Sonde 12 einzustellen, bis die Amplitude der Eich- bzw. Abgleichssignale vom Filter 96 auf der vorbestimmten Amplitude ist. Somit stellen die zwei Rückkopplungsschleifen vom Filter 96 vereint sicher, daß erstens die Sonde bei einer vorbestimmten Verschiebung bzw.Auslenkung schwingt und zweitens das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 90 so geeicht bzw. abgeglichen ist, daß es eine vorbestimmte Größe der Verschiebung pro Spannungseinheit darstellt. .

Um zu verhindern, daß die Abgleichfrequenz mit der Schwingungs-(Dreh-)Frequenz oder irgendeiner Harmonischen der Welle oder irgendeinem anderen Testgegenstand zusammenfällt, der durch die Oberfläche l6 dargestellt ist, ist eine Rückkopplungsschleife vorgesehen, die auf diese Schwingungs-(Dreh-)Frequenz anspricht» um die Eichfrequenz einzustellen. Diese Rückkopplungsschleife umfaßt ein Tachometer 103, einen Frequenz-Gleichstromwandler 104, eine Funktions- und Hysterese-Schaltung 106 und einen spannungsgesteuerten Oszillator 102. Das Tachometer 1OJ ist mit der Welle, die durch die Oberfläche 16 dargestellt ist, verbunden und liefert ein Wechselstromsignal mit einer Frequenz, die der Drehfrequenz der Welle proportional ist. Der Wandler 104 wandelt das Wechselstromsignal in ein Qleichstrqmsignal um. Die Funktionsund Hysteresis-Schaltung 106 stellt sicher, daß die schnellen Änderungen im Ausgangssignal des Wandlers 104 nicht die Wirkung haben, schnelle Änderungen in der Ausgangsgröße des spannungsgesteuerten Oszillators 102 hervorzurufen, die dazu führen würden, daß transiente Schwingungen in dem Abgleichfrequenzsignal induziert werden. Weiterhin wird hier eine vorbestimmte Relation

509838/0251

- ίο -

zwischen der Rotordrehzahl und der Elch- bzw. .Abgleichfrequenz festgelegt. Die Hysteresis an den Segmentöruchpunkten verhindert frequenzinstabile Drehzahlen. Der spannungsgesteuerte Oszillator 102 spricht auf das Gleichstromsignal von der Schaltungsanordnung 106 an, um ein Abgleichfrequenssignal an die Magnettreiberschaltung 100 und das Filter 96 zu liefern. Der frequenzgesteuerte Oszillator 102 wird so eingestellt, daß sichergestellt ist, daß das Abgleichfrequenzsignal eine andere Frequenz hat als die Schwingungs-(Dreh-)Frequenz der durch die Oberfläche 16 dargestellten Welle oder irgendeine Harmonische dieser Drehfrequenz.

Das Ausgangssignal von dem spannungsgesteuerten Oszillator 102 steuert die Frequenz der Magnettreiberimpulse, die von dem Treiber 100 zugeführt werden. Wie bereits ausgeführt wurde, wird die Breite der Treiberimpulse durch den Detektor 98 gesteuert. Somit steuert der spannungsgesteuerte Oszillator 102 effektiv die Frequenz der Ab glei ^schwingungen, die im Sensor 10 gebildet werden, während der Detektor 98 effektiv die Amplitude dieser Schwingungen steuert. Da die Ausgangsgröße des spannungsgesteuerten Oszillators die Abgleichfrequenz einstellt, wird sie auch als ein Eingangssignal zum Filter 96 verwendet, um die Mittenfrequenz dieses Filters einzustellen.

Weiterhin ist ein Fehlerindikator 116 vorgesehen, um die Ausgangsgröße des Demodulators QM zu überwachen, um einen abnormalen Spalt zwischen dem Meßrotor 16 und der Sonde 12 festzustellen. Somit wird eine Anbringung und eine Abstandshaltung für normalen Betrieb sichergestellt. Wie in Figur 2 gezeigt ist, ist der Ausgang des !Correlators 9^ auch mit dem Fehlerindikator 116 verbunden. Der Indikator 116 spricht auf ein vorbestimmtes Signal, das dem statischen Abstand proportional ist, von dem Demodulator Bk oder auf ein Verstärkungsfehlersignal vom Korrelator 9k an-, um einen Feiilerzustand auszulösen, damit angezeigt ist_s daß die Anbringung und Abstandshaltung inkorrekt ist oder daß die Verdrahtung des Sensors 10 oder die Elektronik defekt ist.

509838/0251

Für die Arbeitsweise sei angenommen, daß eine durch die Oberfläche 16 dargestellte Welle umläuft, das Sensorelement IO in einem vorbestimmten Abstand von der Oberfläche 16 angeordnet uifl an dieser Stelle fest angebracht ist. Das Tachometer 103 liefert ein Ausgangssignal, das die Drehfrequenz der Welle darstellt und "das von dem Wechselstrom/Gleichstromwandler 104 abgetastet wird. Der Wandler 104 liefert seinerseits ein Gleichstromsignal, das der Drehfrequenz proportional ist, an die Punktions- und Hysteresis-Schaltung IO6, um die Relation zwischen der Rotordrehzahl und der Abgleichfrequenz darzustellen. Das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 106 ist eine Gleichspannung, die der Wellenrotationsfrequenz proportional ist und dem spannungsgesteuerten Oszillator 102 zugeführt wird. Dieser spannungsgesteuerte Oszillator . 102 ist so eingestellt, daß er ein Ausgangssignal mit fester Abgleichfrequenz für eine gegebene Eingangsspannung von der Schaltungsanordnung 106 liefert. Dieses die Eichfrequenz darstellende Ausgangssignal vom spannungsgesteuerten Oszillator 102 wird in die Impulsbreiten-modulierte Magnettreiberschaltung 100 eingegeben, die einen Treiberstrom an die Magnetspule 26 bei der Abgleichfrequenz liefert, wodurch die Sonde 12 bei der Abgleich- bzw. Eichfrequenz schwingt.

Die Sonde 12 wird durch ein ν σι der Schaltungsanordnung 84 zugeführtes Schwingungssignal erregt und liefert ein Ausgangssignal, das für eine Amplitudenmodulation des Schwingungssignals sorgt. Die Schaltungsanordnung 84 demoduliert oder entfernt das Schwingungssignal und liefert das demodulierte Signal an die Dämpfungsschaltung 86. Die Dämpfungsschaltung 86, die zunächst auf den Mittelpunkt eingestellt ist, dämpft das demodulierte Signal und liefert es an die Schaltungsanordnung 88, wo das Signal gefiltert und um einen vorbestimmten Betrag phasenverschoben wird. Das resultierende Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 88 wird einer ersten Eingangsklemme der Summierschaltung 90 eingegeben, wo es in umgekehrter Phasenlage zu dem Signal von der Schaltungsanordnung 92 hinzuaddiert wird, wobei das letzte Signal von dem Ausgangssignal aus dem Beschleunigungsmesser 18 abgeleitet ist.

509838/0251

Das Ausgangssignal von dem Beschleunigungsmesser 18 wird doppelt integriert-und gefiltert in der Schaltungsanordnung 92, um ein Signal zu erhalten, das der Sondenverschiebung proportional ist. Dieses Signal wird auf einen zweiten Eingang der Summierschaltung 90 gegeben, wo es zum Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 88 addiert wird. Das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 90 stellt unter der Annahme, daß der Sensor schwingt, nur die Verschiebung der Oberfläche l6 dar und ist somit trägheitsbezogen.

Zunächst ist ein Abgleich (Kalibration) selbstverständlich unwahrscheinlich, und deshalb liegt eine Komponente des Signals am Ausgang der Schaltungsanordnung auf Abgleich- bzw. Eichfrequenz. Diese Komponente wird durch den Korrelator 9¹* abgetastet, der dann ein zur Amplitude dieser Komponente proportionales Ausgangssignal erzeugt. Das Signal vom Korrelator 9¹I wird im Regler IO8 verstärkt und zum Antrieb des Motors 110 verwendet, um das Potentiometer 114 einzustellen, bis die Amplitude dieser Komponente so ist, daß sie durch Addition in der Schaltungsanordnung 90 vollständig beseitigt ist.

Die Einstellung der Amplitude des Ausgangssignals des Beschleunigungsmessers wird dadurch erreicht, daß die Eichfrequenzkomponente im Filter 96 aus dem Signal der Schaltungsanordnung 92 ausgefiltert wird. Der Detektor 98 überwacht die Amplitude des Signals aus dem Filter 96 und liefert ein Signal an den Treiber 100, um die Breite der antreibenden Impulse einzustellen, die der Magnetspule 26 zugeführt werden, bis die Signalamplitude einen vorbestimmten Wert erreicht.

Der Fehlerindikator 116 überwacht die Ausgangsgröße von sowohl dem Demodulator 84 als auch dem Korrelator 94 und liefert ein Alarmsignal, wenn eine dieser Ausgangsgrößen vorbestimmte Werte überschreitet.

509838/0251

Claims

Ansprüche

Nicht-berührender selbsteichender Schwingungssensor, gekennzeichnet durch eine erste Vorrichtung (12) zum Erzeugen eines ersten Signals, das den augenblicklichen Verschiebungsweg zwischen dem Sensor (10) und einem Gegenstand (16) darstellt, eine zweite Vorrichtung (26), die die erste Vorrichtung (12) bei einer vorbestimmten Frequenz und Amplitude in Schwingung versetzt,

eine dritte Vorrichtung (18) zum Erzeugen eines zweiten Ausgangssignals, das die Frequenz und Amplitude des Verschiebungsweges der ersten Vorrichtung (12) darstellt, und

eine elektrische Schaltungsanordnung, die die ersten und zweiten Ausgangssignale zusammenfaßt und ein resultierendes Ausgangssignal erzeugt, das nur die Frequenz und Amplitude des Verschiebungsweges des Gegenstandes (16) darstellt.

2. Schwingungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Vorrichtung (12) eine Wirbelstromsonde ist»

3. Schwingungssensor nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet , daß die dritte Vorrichtung (18) einen Beschleunigungsmesser und eine Integrier- und Filterschaltung (92)umfaßt, die ein Signal von dem Beschleunigungsmesser empfängt.

k. Schwingungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Schaltungsanordnung eine Phasenverschiebungsschaltung (88), die das erste Ausgangssignal empfängt und darauf anspricht zur Erzeugung eines dritten Ausgangssignals in Phase mit dem zweiten Ausgangssignal, und eine Summierschaltung (90) mit ersten und zweiten Eingangsklemmen und eine Ausgangsklemme aufweist, die das zweite Ausgangssignal auf der ersten Ein-

509838/0251

gangsklemme und das dritte Ausgangssignal auf der zweiten Eingangsklemme empfängt, wobei die Summierechaltung (90) die zweiten und dritten Ausgangssignale in umgekehrter Phasenrelation zusammenfaßt zur Erzeugung des resultierenden Ausgangssignals.

5. Schwingungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel zum Einstellen der vorbestimmten Schwingungsfrequenz des Sensors (10) vorgesehen sind.

6. Schwingungssensor nach Anspruch 5_S dadurch gekennzeichnet . daä die Mittel zum Einstellen der vorbestimmten Frequenz eine Anordnung zum Abtasten der Drehfrequenz des Gegenstandes und eine Anordnung zum übertragen eines die Drehfrequenz darstellenden Signals auf die z;ieix;e Vorrichtung umfassen_s so daß das Auftreten der vorbestimmten Frequenz bei der Drehfrequens oder einer Oberschwingung davon verhindert ist.

7. Schwingung3sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Schaltungsanordnung eine selbsteichende Schaltungsanordnung bildet, die

einen variablen Dämpfer (86), der zwischen der ersten Vorrichtung (12) und der Phasenverschiebungsschaltung (88) in Reihe geschaltet ist,

eine frequenzabhängige Anordnung (9^), die das resultierende Ausgangssignal empfängt und ein viertes Signal bildet, wenn das resultierende Ausgangssignal eine Komponente bei der vorbestimmten Frequenz enthält,

einen Regler (IO8), der das vierte Signal von der frequenzabhängigen Anordnung (9¹O empfängt und daraufhin den variablen Dämpfer (86) verändert derart, daß die Komponente des resultierenden Ausgangssignals bei der vorbestimmten Frequenz eliminiert ist,
eine amplituden- und frequenzabhängige Anordnung, die das

509838/0251

zweite Ausgangssignal empfängt und ein fünftes Signal erzeugt, das proportional zur Amplitude der Komponente des zweiten Ausgangssignals bei der vorbestimmten Frequenz ist, und eine Treiberschaltung (100) umfaßt, die auf das fünfte Signal anspricht und Treiberimpulse an die zweite Vorrichtung (26) liefert, um die Schwingungen bei der vorbestimmten Amplitude ' aufrechtzuerhalten.

8. Schwingungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstromsonde in einem Gehäuse (3°) angeordnet ist, ein Kristall-Beschleunigungsmesser an der Sonde (12) befestigt ist und ein erstes Ausgangssignal erzeugt, das auf die Bewegung der Sonde anspricht, _;

eine Magnetspule (26) an dem Gehäuse befestigt ist, die wirkungsmäßig mit der Sonde (12) verbunden ist, eine erste elektrische Schaltungsanordnung Wechselstromleistung an die Magnetspule liefert, um die Sonde in eine Schwingung bei einer vorbestimmten Frequenz und Amplitude zu versetzen,

eine zweite elektrische Schaltungsanordnung das erste Ausgangssignal empfängt und doppelt integriert, um ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen, das der Sondenverschiebung proportional ist,

eine dritte Schaltungsanordnung Schwingungsleistung an die Sonde liefert und einen Demodulator aufweist, der ein drittes Ausgangssignal von der Sonde liefert, eine vierte elektrische Schaltungsanordnung das dritte Ausgangssignal empfängt und das Sondenausgangssignal um einen vorbestimmten Betrag phasenverschiebt und ein viertes Ausgangssignal in Phase mit dem zweiten Ausgangssignal liefert, und

eine fünfte Schaltungsanordnung das zweite Ausgangssignal auf einer ersten Eingangsklemme und das vierte Ausgangssignal auf einer zweiten Eingangsklemme empfängt und die zweiten und vierten Ausgangssignale in umgekehrter Phasenrelation summiert, um ein resultierendes Signal zu erzeugen, das die Schwingungen der Welle darstellt.

509838/0251

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel zum Steuern der vorbestimmten Schwingungsfrequenz vorgesehen sind, die eine erste Anordnung zum Erzeugen eines Signales, das der Drehfrequenz der Welle proportional ist, und eine zweite Anordnung umfaßt, die auf-das Signal ansprechen und die Frequenz der Wechselstromleistung von der ersten elektrischen Anordnung steuern.

10. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel zum Steuern der Amplitude der Schwingungen der Sonde bei der vorbestimmten Frequenz vorgesehen sind, die eine auf die Frequenz und Amplitude ansprechende Anordnung, die das zweite Ausgangssignal empfängt und ein fünftes Ausgangssignal liefert, das der Amplitude der Komponente des zweiten Ausgangssignales bei der vorbestimmten Frequenz proportional ist, und eine zweite Anordnung umfassen, die auf das fünfte Ausgangssignal ansprechen und die Wechselstromleistung von der ersten elektrischen Anordnung steuern, um die Schwingungen der Sonde bei der vorbestimmten Amplitude aufrechtzuerhalten.

11. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet., daß ein variabler Dämpfer in Reihe zwischen die dritte elektrische Anordnung und vierte elektrische Anordnung geschaltet ist,

eine frequenzabhängige Anordnung das resultierende Signal empfängt und ein sechstes Ausgangssignal erzeugt, das der Amplitude der Komponente des resultierenden Signals bei der vorbestimmten Frequenz proportional ist, und eine Regleranordnung das sechste Ausgangssignal empfängt und darauf anspricht, um den variablen Dämpfer derart zu . verändern, daß die Komponente des resultierenden Signals bei der vorbestimmten Frequenz eliminiert ist.

509838/0251

Le e rs eι te