(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
渦電流原理により作動する近接センサー（３）でのタービンの回転速度の非接触測定方法であって、前記近接センサー（３）が、外部から励起できる振動回路（６）を形成する並列に接続されたインダクターとコンデンサーとから構成され、前記タービンの個々のブレードが前記近接センサー（３）に近づいたときに前記振動回路（６）の共鳴振動数が検出可能な変化を起こすタービンの回転速度の非接触測定方法において、
前記共鳴振動数が、遅い変化である製造公差、異なった設備状況、該設備で生じるインダクタンス公差、遅い温度関係の変化、長期効果などの複数効果に依存し、
前記振動回路（６）の共鳴振動数及び／又は前記振動回路（６）の励起振動数が、該振動回路（６）がその共鳴振動数であるいはその共鳴振動数に近い振動数で常時励起され、そして前記タービンの個々のブレードが通過する際に生じる急速な変化が回転速度の測定用の測定信号として検出されるように、前記共鳴振動数の前記急速な変化より前記遅い変化に対する反応として制御されることを特徴とするタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項２】
前記制御が、前記振動回路（６）の共鳴振動数及び／又は前記振動回路（６）の励起振動数が、該振動回路（６）がその共鳴振動数であるいはその共鳴振動数に近い振動数で常時励起され、そして前記急速な変化が回転速度の測定用の測定信号として検出されるように、前記共鳴振動数の前記遅い変化に対する反応として調整することであることを特徴とする請求項１に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項３】
渦電流原理により作動する近接センサー（３）でのタービンの回転速度の非接触測定方法であって、前記近接センサー（３）が、外部から励起できる振動回路（６）を形成する並列に接続されたインダクターとコンデンサーとから構成され、前記タービンの個々のブレードが前記近接センサー（３）に近づいたときに前記振動回路（６）の共鳴振動数が検出可能な変化を起こすタービンの回転速度の非接触測定方法において、
前記振動回路（６）の共鳴振動数及び／又は前記振動回路（６）の励起振動数が、該振動回路（６）がその共鳴振動数であるいはその共鳴振動数に近い振動数で常時励起され、そして前記タービンの個々のブレードが通過する際に生じる急速な変化が回転速度の測定用の測定信号として検出されるように、前記共鳴振動数の急速でない変化に対する反応として制御されることを特徴とするタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項４】
前記制御が、前記振動回路（６）の共鳴振動数及び／又は前記振動回路（６）の励起振動数が、該振動回路（６）がその共鳴振動数であるいはその共鳴振動数に近い振動数で常時励起され、そして前記急速な変化が回転速度の測定用の測定信号として検出されるように、前記共鳴振動数の前記急速でない変化に対する反応として調整することであることを特徴とする請求項３に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項５】
前記振動回路（６）が、発振器（７）で励起されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項６】
前記共鳴振動数の変化を検出するために、発振器信号（９）と前記振動回路からの信号（１０）との間の位相差が、測定されることを特徴とする請求項５に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項７】
前記位相差が、位相検出器（１１）によって測定されることを特徴とする請求項６に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項８】
位相差信号(１２)が、前記位相検出器（１１）の出力から供給されることを特徴とする請求項７に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項９】
前記位相差信号（１２）が、理論値（１３）と比較されることを特徴とする請求項８に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項１０】
前記理論値（１３）が、位相差ゼロに対応することを特徴とする請求項９に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項１１】
前記共鳴振動数が、前記振動回路（６）からの信号（１０）の復調時に所定の時間間隔内の測定信号の大きさの変化を検出できるように、前記タービンの最高回転速度に対応する振動数より高いことを特徴とする請求項１、請求項２および請求項５ないし請求項１０のいずれか１項に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項１２】
前記共鳴振動数が、接続された制御可能なコンデンサー（１６）の静電容量を変えることで、前記位相差信号（１２）と理論値（１３）との比較で形成された基準値の関数として調整されることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項１３】
前記共鳴振動数が、接続された制御可能なインダクター（２０）のインダクタンスを変えることで、前記位相差信号（１２）と理論値（１３）との比較で形成された基準値の関数として調整されることを特徴とする請求項８ないし請求項１０および請求項１２のいずれか１項に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項１４】
前記共鳴振動数が、他のコンデンサー（２１）とインダクター（２２）を接続あるいは接続解除することで、前記位相差信号（１２）と理論値（１３）との比較で形成された基準値の関数として調整されることを特徴とする請求項８ないし請求項１０、請求項１２および請求項１３のいずれか１項に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項１５】
前記励起振動数が、前記位相差信号（１２）と理論値（１３）との比較で形成された基準値の関数として変化されることを特徴とする請求項８ないし請求項１０および請求項１２ないし請求項１４のいずれか１項に記載のタービンの回転速度の非接触測定方法。
【請求項１６】
渦電流原理により作動する近接センサー（３）でのタービンの回転速度の非接触測定装置であって、前記近接センサー（３）が、外部から励起できる振動回路（６）を形成する並列に接続されたインダクターとコンデンサーとから構成され、前記タービンの個々のブレードが前記近接センサー（３）に近づいたときに前記振動回路（６）の共鳴振動数が検出可能な変化を起こし、好適には前記請求項１、請求項２および請求項５ないし請求項１５のいずれか１項に記載の方法が適用されるタービンの回転速度の非接触測定装置において、
前記共鳴振動数が、遅い変化である製造公差、異なった設備状況、該設備で生じるインダクタンス公差、遅い温度関係の変化、長期効果などの複数効果に依存し、
前記振動回路（６）の共鳴振動数及び／又は前記振動回路（６）の励起振動数が、該振動回路（６）がその共鳴振動数であるいはその共鳴振動数に近い振動数で常時励起され、そして前記タービンの個々のブレードが通過する際に生じる急速な変化が回転速度の測定用の測定信号として検出されるように、前記共鳴振動数の前記急速な変化より前記遅い変化に対する反応として制御されることを特徴とするタービンの回転速度の非接触測定装置。
【請求項１７】
渦電流原理により作動する近接センサー（３）でのタービンの回転速度の非接触測定装置であって、前記近接センサー（３）が、外部から励起できる振動回路（６）を形成する並列に接続されたインダクターとコンデンサーとから構成され、前記タービンの個々のブレードが前記近接センサー（３）に近づいたときに前記振動回路（６）の共鳴振動数が検出可能な変化を起こし、好適には前記請求項１または請求項２に記載の方法が適用されるタービンの回転速度の非接触測定装置において、
前記振動回路（６）の共鳴振動数及び／又は前記振動回路（６）の励起振動数が、該振動回路（６）がその共鳴振動数であるいはその共鳴振動数に近い振動数で常時励起され、そして前記タービンの個々のブレードが通過する際に生じる急速な変化が回転速度の測定用の測定信号として検出されるように、前記共鳴振動数の急速でない変化に対する反応として制御されることを特徴とするタービンの回転速度の非接触測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、渦電流原理により作動する近接センサーでのタービンの回転速度の非接触測定方法及び装置に関し、該近接センサーが外部から励起可能な振動回路を形成する並列に接続されたインダクターとコンデンサーからなり、被測定物体が該近接センサーに近づいたとき、該振動回路の共鳴振動数が検出可能な変化を起こす。
【背景技術】
【０００２】
経験によれば、急速に回転するタービン、特にターボチャージャーの回転速度の非接触測定の最も有利な測定原理が、渦電流原理より作動するセンサーで各々個々のタービンブレードからデータを取得することである。
このタイプの方法の利点は特に、１つには、測定信号が極端に低い回転速度でも存在し、またその他の場合、最高許容回転速度が理論的に制約を受けないことから生じる。
これは、チャージャーのサイズに依存する現代のターボチャージャーに関し、最高で毎分４０万回転までの回転速度が期待されるため、重要である。
その回転速度で、ローターの外径での円周速度が６００ｍ／秒以上である。
更に、その測定が殆ど遅延せずに行われる。
【０００３】
渦電流原理による非接触測定方法の更なる利点は、ターボチャージャーの効率度が悪影響を受けず、チャージャーの寸法の最小調整しか必要とされないことによる。
これに加えて、測定原理が汚れに影響されにくく、密閉問題が発生せず、ターボチャージャーのコンプレッサー側で生じる−４０℃〜２００℃の温度を難なく操作することができる。
【０００４】
一般にタービンや特にターボチャージャーは、適用分野によって、最大限に多様なサイズで知られている。
チャージャーの寸法は、通常の場合、小さな乗用車の約２５ｍｍのコンプレッサー車の直径から商用車両の２００ｍｍ以上の該直径までに及んでいる。
これと共に、電流ブレードの厚さが約０．２ｍｍから２ｍｍまでの範囲にある。
これら上記寸法から得られた個々のブレード間の検出距離が約０．２ｍｍ〜２ｍｍである。
【０００５】
種々の形状、寸法及び既設ターボチャージャーの定格に加えて、材料組成の違いが考慮される。
殆どのターボチャージャーでは、該ブレードがアルミニウムから作られているが、チタンが益々使用されてきている。
従って、通常の場合、センサーの設計を、ターボチャージャーの特定の構造形態にそして特定の材料組成に適合するようにする必要がある。
このセンサー設計が測定の特定の状況に十分に適合していないと、ある状況では測定精度が急に低下する場合がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、上記冒頭で述べたタイプのタービンの回転速度の非接触測定方法と装置を規定することであり、この方法と装置により、回転速度の測定が被検査物体の複数の種々の寸法に対し、感度が殆ど一定のままの状態で可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るタービンの回転速度の非接触測定方法は、請求項１の特徴により上記目的を実現する。
この方法によれば、その方法は、前記振動回路の共鳴振動数及び／又は前記振動回路の励起振動数を、該振動回路がその共鳴振動数であるいはその共鳴振動数に近い振動数で常時励起されように、制御することを特徴とする。
【０００８】
この装置については、上記目的は、請求項１４の特徴により実現される。
この装置によれば、タービンの回転速度の非接触測定装置は、前記振動回路の共鳴振動数及び／又は前記振動回路の励起振動数を、該振動回路がその共鳴振動数であるいはその共鳴振動数に近い振動数で常時励起されるように、制御することを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、回転速度の測定の感度は、近接センサーが光学的方法で被検査物体の形状と材料組成に合わされることに大きく依存していることが分かった。
更に、複数の種々のセンサー設計が異なった形状と定格を有するターボチャージャーに必要な前のやり方とは別に、単一センサー設計で、異なったターボチャージャーの測定に出来るだけ一定のままの高感度を達成することが可能であることが分かった。
このため、振動回路の共鳴振動数及び／又は励起振動数がこの発明により、該振動回路がその共鳴振動数で、あるいはその共鳴振動数に近い少なくとも振動数で常時励起されるように、制御される。
従って、近接センサーは、その最大感度の範囲内で常時作動する。
従って、製造公差、異なった設備状況、該設備で生じるインダクタンス公差、遅い温度関係の変化、長期効果などの複数効果が補償され、除去され、同時に通過するときに個々のブレードで生じる急速な変化が検出される。
【００１０】
特に好ましい実施形態において、共鳴振動数及び／又は励起振動数の制御が調整の意味で行われる。
調整は、適切な調整変数で、高精度及び十分な速度の共鳴振動数の適応を外部から介入せずに実施することができる利点をもたらす。
【００１１】
振動回路は、発振器により有利な方式で励起される。
共鳴振動数の変化を検出するために、発振器信号と該振動回路の信号との間の位相差を測定することができる。
特に、この位相差は、最も単純な場合、倍増器として形成できた位相検出器によって測定することができる。
その後、測定信号として、位相差信号を供給することができる。
【００１２】
この位相差信号を回路素子で作られる理論値と比較することができる。
有利な方式では、ゼロの位相差に対応する理論値が供給される。
特に高い感度に関しては、振動回路のコイル品質を特に考慮する必要がある。
これと共に、センサーコイルとセンサーコンデンサーを選択して、タービンブレードが近接センサーへ近づくことで生じる共鳴振動数の変化を出来るだけ大きくすることが有利である。
【００１３】
実際、検出される最高回転速度、最小センサー、最狭ブレード及び最大検出距離で起きる信号継続時間が約１マイクロ秒の範囲内にある。
振動回路での信号の復調時に難なくこの１マイクロ秒の時間内の信号変化を検出可能にするため、それに対応して高く、すなわち１ＭＨｚ（メガヘルツ）より大きな有利な方法で共鳴振動数を選択することが有利である。
実際の操作では、約３ＭＨｚの共鳴振動数が適切であることが分かった。
【００１４】
振動回路の共鳴振動数の再調整について、種々のアプローチが考えられる。
従って、例えば、振動回路に、位相差信号と理論値との間の比較から得られる基準値の関数として静電容量を変えることができる制御可能なコンデンサーを一体化することが可能である。
この制御可能なコンデンサーは、例えば可変コンデンサーダイオードでもよい。
【００１５】
振動回路の共鳴振動数の再調整の更なる可能性が、制御可能なコンデンサーに関し前に説明したようにインダクタンスを変えることができる制御可能なインダクターを接続することで構成される。
双方の可能性、即ち制御可能なコンデンサー及び制御可能なインダクターが連続的調整の利点をもたらす。
制御可能なインダクター及び制御可能なコンデンサーは、並列回路の意味でまた直列回路の意味で振動回路に一体化することが可能である。
【００１６】
他の特定の実施形態の構成では、非可変静電容量を有する他のコンデンサー及び／又は非可変インダクタンスを有するコイルを接続あるいは接続解除することができる。
この接続又は接続解除は、また、位相差信号と理論値との間の比較から得られる基準値の関数としても行われる。
それにより共鳴振動数の別々の増加調整が可能である。
また、この変形の場合、並列回路及び直列回路の双方共可能である。
【００１７】
この共鳴振動数と共に、振動回路の励起振動数を、位相差信号と理論値の比較で形成された基準値の関数として変えることができ、その場合、このために発振器を電圧制御又は電流制御発振器として特に組み込むことができる。
また、その発振器をデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）としてもよい。
ＤＳＰの高解像度のために、振動回路の励起振動数を高精度に合わせることができる。
同じことがＤＤＳ（直接デジタル合成）ジェネレータとして発振器の１つの実施形態にも当てはまる。
【００１８】
本発明の教示を有利な方法で発展させ広げる種々の可能性がある。
このため、一方では、請求項１ないし請求項１４に従属する請求項を参照し、他方では、この発明の実施形態の実施例の以下の説明を図面の助けを借りて参照する。
この発明の好ましい実施形態実施例の説明に関連して、該教示の好ましい発展と広がりも一般的に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、渦電流原理による回転速度の非接触測定用装置の基本的設計を概略的に示す。
ターボチャージャーの回転タービン１が図１に示されている。
タービン１のブレード２から少し離れて、コイル４と、並列コンデンサー５とから構成される近接センサー３が配置されている。
このコイル４と並列コンデンサー５は、チャージャーブレード２の接近によって生じる共鳴振動数の変化ができるだけ大きくなるように、共鳴振動数が選択される振動回路６を形成する。
【００２０】
振動回路６は、発振器７によって励起される。
この振動回路６にはインピーダンス８を介して発振器信号が供給される。
このインピーダンス８は、オーム抵抗によって好適に実現される。
しかし、インダクター又はコンデンサーあるいは異なったインピーダンスの組み合わせも使用することができる。
共鳴振動数の変化を検出するために、発振器信号９と振動回路６の信号１０との間の位相差が位相検出器１１を使用して測定される。
位相検出器１１の出力から位相差信号１２が他の処理に供給される。
【００２１】
図２は、回転速度の非接触測定用の本発明に係る装置の第１実施形態実施例のブロック図を概略的に示す。
図１の構成部品と同じ部品は、同じ参照番号で示す。
位相検出器１１の出力から供給された位相差信号１２が理論値１３と比較される。
この理論値１３は、回路素子１４を使用して作られ、位相差ゼロに対応する。
位相差信号１２が理論値１３からずれている場合に、位相差が再度一旦ゼロになり又はゼロに近づくまで、調整又は制御回路１５が振動回路６の共鳴振動数を再調整又は再制御する。
タービン１の個々のブレード２が通常操作で通過する場合、平均位相のずれが結果として生じ、このずれもまた調整又は制御回路１５でゼロに補償される。
従って、最大の可能な感度が、特に実際の個々の場合で作用するファクター全てから独立して常時自動的に設定される。
そのため測定方法は、複数の異なったターボチャージャーにおいて比較的小さな形態の近接センサー３の使用を可能にする。
【００２２】
振動回路６の共鳴振動数を変えるため、前記振動回路６を制御可能なコンデンサー１６で拡大する。
可変静電容量ダイオード１７として採り入れられる制御可能なコンデンサー１６は、示された実施形態実施例で並列に接続され、該実施例では直列回路も考えられる。
この発明によれば、必要な調整又は制御時間が最適な場合では、約０．１〜１秒の範囲にある。
ブレード２の通過時に生じる急速な位相の変化が、適切な回路１８でさらに処理され実際の測定信号１９を形成する。
【００２３】
抜粋で、図３が図２と同様の設計を基本的に示している。
図２に係る実施形態に対して、振動回路６の共鳴振動数の調整又は制御が可変コンデンサーダイオード１７を介してなされず、むしろ可変インダクター２０を介して行われる。
このインダクター２０は、直列に接続されており、ここでは並列接続も可能である。
【００２４】
図４は、振動回路６の共鳴振動数も調整あるいは制御される別の実施形態実施例を示している。
振動回路６の共鳴振動数の連続的変化が可能な図２と図３に係る実施形態実施例に対して、図４に示された実施形態実施例では、共鳴振動数の変化が個別の増加で実現される。
このため、振動回路６が複数のコンデンサー（２１）で拡大され、その回路では各コンデンサーの静電容量が変えられることがない。
振動回路６の共鳴振動数の再調整のために、１つ又はそれ以上のコンデンサー２１を検出位相差の関数として接続又は接続解除することができる。
コンデンサー２１の並列回路が示されているが、ここでは直列回路又はその組み合わせすなわち並列及び直列回路も可能である。
【００２５】
図５は、図４に係る実施形態実施例と同様のアプローチを、コンデンサー２１の代わりに、別のコイル２２が接続でき又は接続解除できるという条件で基本的に示している。
接続できるコンデンサー２１と接続できるコイル２２を併合できる実施形態も考えられる。
いずれにせよ、コンデンサー２１及び／又はコイル２２の接続又は接続解除により、振動回路６の共鳴振動数をできるだけ微細な増加で変えることができることが不可欠である。
【００２６】
図６は、振動回路６の共鳴振動数でなく、むしろ振動回路６が励起される振動数を変化させる１つの実施形態実施例を示している。
その図６では、発振器７が電圧制御発振器（ＶＣＯ）２３として形成されている。
その他の点では、測定法が図２に関連して説明された方法に従う。
【００２７】
最後に、図７は、デジタル発振器７を、振動回路６を励起するために使用する実施形態を示す。
特に、このデジタル発振器７がデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）２４として採り入れられている。
このＤＳＰ２４は、高解像度での振動数対応の実施を可能にする。
また、デジタル発振器７は、例えばＤＤＳ信号ジェネレータとして採り入れることもできる。
また、最後に、上記実施形態実施例は、請求した教示内容を説明するに過ぎず、その教示内容をその実施形態実施例に制限するものではないことに注意する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】渦電流原理により作動する近接センサーでの回転速度の非接触測定装置の基本的設計を概略図で示す。
【図２】この発明に係り、制御可能なコンデンサーを備える装置の第１実施形態実施例をブロック図で概略的に示す。
【図３】この発明に係り、制御可能なインダクターを備える装置の第２実施形態実施例をブロック図で概略的に示す。
【図４】この発明に係り、接続可能なコンデンサーを備える装置の第３実施形態実施例をブロック図で概略的に示す。
【図５】この発明に係り、接続可能なインダクターを備える装置の第４実施形態実施例をブロック図で概略的に示す。
【図６】この発明に係り、制御可能な発振器を備える装置の第５実施形態実施例をブロック図で概略的に示す。
【図７】この発明に係り、デジタル信号プロセッサーを備える装置の第６実施形態実施例をブロック図で概略的に示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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