METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING ELECTRICAL RUN OUT ELIMINATION IN VIBRATION MEASUREMENT ON ROTATING OR VIBRATING ELEMENTS

Abstract: 1. A method of eliminating interference caused by Inhomogeneities in permeability and electrical conductivity in vibration measurement on a rotating or vibrating element (2), in which an electrical vibration pick-up (1), which is energized by means of high frequency and has a winding system (3), is associated with the element (2) and measures the clearance (s) between the element and the pick-up, characterized in that two different carrier frequencies (f1 , f2 ) are simultaneously or consecutively supplied to the winding system (3) of the vibration pick-up (1), that the interference components which arise at the vibration pick-up (1) in the two measurement voltages (u1 , u2 ; uM1 , uM2 ) are set electrically to the same amplitude, and that the measured voltages are then substracted one from the other.

Description: Verfahren zur Eliminierung von auf Inhomogenitäten der Permeabilität und der elektrischen Leitfähigkeit zurückzuführenden Störeffekten bei der Schwingungsmessung an rotier@nden oder schwingenden Elementen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Elimi- nierung von auf Inhomogenitäten der Permeabilität und der elektrischen Leitfähigkeit zurückzuführenden Störeffekten bei der Schwingungsmessung an rotierenden oder schwingen den Elementen, wobei dem Element ein elektrischer, von einer hocnfrequenten Trägerfrequenz erregter Schwingungs- aufnehmer zugeordnet ist, der den Luftspalt zwischen dem Element und dem Aufnehmer jnisst. Bei der Schwingungsuntersuchung an hochtourig laufenden Maschinenwellen mittels eines von einer hochfrequenten Trägerfrequenz erzeugten Schwingungsaufnehmers treten Störsignale auf, die nicht mit der Wc±lenschwingung und damit der mechanischen Unrundheit der Welle zusammenhängen, sondern die auf unterschiedliche Permeabilität und Leitfähigkeit des Wellenmaterials im Bereich der Oberfläche zurückzuführen sind. DieFe Störeffekte werden auch als "electrical runout" bezeichnet. Durch EntmagnetisErung ist nur eine Veranderung oder teilweise Beseitigung der Störeffekte möglich. Um dic Inhomogenitäten der Permeabilität auf der Wellenoberfläche zu beseitigen, wird diese mittels eines besondereii Vibrators einer Art von Hammerschlägen ausgesetzt, durch die sich die elektrischen Eigenschaften der Welle ändern. Diese Behandung ist unter der Bezeichnung "micro peening" bekannt (Druckschrift "Turbodyne Corp., Steam Turbine Division, April 1975). Der Einfluss der Inhomogenitäten des Wellenrnaterials kann auch durch Aufbringen von Ringen aus homogenem Material auf die Welle vermieden werden. Die Luftspaltmessung erfolgt dann nur im Bereich dieser Ringe. Schliesslich kann auch ein Rollieren mit speziellen Werkzeugen auf einer Drehbank erfolgen, so dass eine Raltver- formung des Wellenmaterials auftritt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine elektronische Eliminierung der vorstehend genannten Störeffekte möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Massnahme gelöst. Zweckdienliche Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass weder für die Beseitigung von Inhomogenitäten der Permeabilität oder einer Magnetisierung auf der Oberfläche des Elementes noch für die Beseitigung von Schwaiilcungen der elektrischen Leitfähigkeit des Elementenmaterials aufwendige und zeitraubende Massnahmen erforderlich sind (Montagen, Demontagen, Untersuchung auf Magne tismus usw. , sondern dass die auftretenden Störeffekte einfach beibehalten werden, jedoch gleich mittels der bereit s vorhandenen Luft spalt -Elcssmitt el und Messung bei zwei unterschiedlichen Trägerfrequenzen elektronisch eliminiert werden. Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine prinzipielle Ausbildung des beim Verfahren verwendeten Schwindungsaufn@hmers mit einer nach geschalteten elektronischen t5esseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 2 ein Signaldiagramm mit an bestimmten Punkten der Messeinrichtung auftretenden Messspannunsen, Fig. 3 ein weiteres Signaldiagramm mit Messspannungen1 deren Verlauf sich gegenüber denen nach Fig. 2 unterscheidet, Fig. 4 eine andere Ausbildung der elektronischen Mess- einrichtung. Der Schwingungsaufnehmer 1 nach der Fig. 1 umfasst eine vor einer Maschinenwelle 2 angeordnete Messwicklung 3, die Teil zweier Oszillatorschaltungen 4, 5 mit Schwingkreisen 6, 7 (Autodyn-Oszillatoren) ist, so dass die Messwicklung 3 zu Eigenschwingungen erregt wird, wobei deren Schwingamplitude auf Güteänderungen der Wicklung anspricht. Die Wicklung 3 ist über Widerstände 8, 9 an die Schwingkreise 6, 7 angekoppelt, die auf unterschiedliche Frequenzen f1 (beispielsweise 1,2 MHz) und f2 (beispielsweise 1,6 MHz) mittels der Kondensatoren 10, 11 abgestimmt sind. Anstelle einer gemeinsamen Wicklung 3 für beide Trägerfrequenzen können den Oszillatoren auch Einzelwicklungen zugeordnet sein. Der Schwingungsaufnchmer 1 misst den sich zwischen der tJess- wicklung 3 und dem Element 2 ergebenden Luftspalt s und erzeugt eine vorn Spalt ahllangMige Messspannung. Wird die Messwicklung 3 mit einem hochfrequenten Wechselstrom der Frequenz f erregt, so werden in der gegenüberliegenden Metalloberfläche des Elemcntes 2 Wirbelströme induziert, die auf die erregende Wicklung 3 zurückwirken und einen vom Luftspalt s abhängigen Messeffekt liefern Neben dem eigentlichen Messsignal der Wellenschwingung treten in dessen Kurvenverlauf Störsignale auf, die dadurch entstehen, dass die Wirbelströme von der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität des Wellenmaterials beeinfluLt werden. Wirk- und Blindwiderstand der Messwicklung 3 hängen vom Luftspalt, von der magnetischen Permeabilität und der elektrischen Leitfähigkeit des Elementes 2 sowie von der Trägerfrequenz f ab. Die den Messwert der Wellenschwingung beeinflussenden Leitfähigkeits- und/oder Permeabilitätsänderungen des Wellenmaterials werden nun eliminiert, indem bei zwei verschiedenen Frequenzen fl, 2 gemessen wird. Die Messspannungen u 1,u2 des Schwingungsaufnehmers 1 sind über Spannungsteiler 12, 13 und 14, 15 einem Differenzverstärker 16 zugeführt; die Widerstände 12, 14 sind dabei einstellbar ausgebildet. Dem Differenzverstärker 16 ist ein Speicheroszillograph 17 nachgeschaltet, dem ein Zweikoordinatenschreiber 18 zugeordnet sein kann. Nachstehend wird die Wirkungsweise anhand der Signaldiagramme nach den Fig. 2a bis 3b näher erläutert. Liest beispielsweise eine Maschinenwelle 2 zwar mit einem ScIiJ as, aber ohne schwankender elektrischer Leitfähigkeit und/oder magnetischer Permeabilität bestimmter Ober flächenzon@n vor, so ergeben sich bei den Brregerfrequen- zen f1 und f2 zwei unterschiedliche Signalspannungen u1 und u2, die beide den Schlag der Welle eindeutig beschreiben. Weist die Maschinenwelle jedoch Zonen schwankender elektrischer Leitfähigkeit und magnetischer Permeabilität auf, so ergibt sich nunmehr bei in Bewegung befindlicher Welle und Abtastung dieser Zonen durch den Schwingungsaufnehmer 1 bei der Erregerfrequenz f1 die Überlagerung eines Mess- signals und eines Störsignals und bei der Erregerfrequenz f 2 eine andere Überlagerung eines Messsignals und eines Störsignals, wobei das Amplitudenverhältnis des Messsignals zum Störsignal ein anderes ist als bei der Erregerfrequenz f1. Fig. 2a verdeutlicht diesen Sachverhalt; es liegen hier Oberflächenzonen der Welle 2 mit schwankender elektrischer Leitfähigkeit vor. Der strichpunktiert dargestellte Kurvenzug a ergibt sich bei einer Trägerfrequenz f1 von beispielsweise 1,2 NHz und der durchgezogen dargestellte Kurvenzug b beispielsweise bei einer Trägerfrequenz f2 von 1,6 tEz. Wie ersichtlich, überlagern sich der durch den Schlag der Welle erzeugten Schwingung in jedem Kurvenzug a, b drei Störschwingungen I, II, III bzw. 1', II', III'. Da die Wellenoberfläche Zonen mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit aufweist, haben die drei Störschwingungen I, II, III bzw. I', II', III' auch unterschiedliche Amplituden; so ist die Amplitude der Störschwingung I grö sser als die der Störschwingung II und diesc ist wieder grösser als die der Störschwingung III. Entsprechend der unterschiedlichen Trägerfrequenzen fl, ±2 sind auch die Amplituden der Signale a, b unterschiedlich; die Signale a, b treten als Messspannungen u1, u2 an den Spannungsteilern 12, 13, 14, 15 auf. Unter Beobachtung des Kurvenzuges des Sichtgerätes 17 werden nun mittels der veränder- baren Widerstände 12, 14 die Amplituden der Störschwingun gen l, II, III auf gleiche Amplitude mit den Störschwingungen I', II', III' eingestellt, so dass sich für diese eine Diffcrenz Null ergibt. Damit ist der in der Messspannung enthaltene Störanteil elektrisch eliminiert und am Ausgang des Differenzverstärkers 16 tritt nur noch ein Messsignal d mit einem in der Fig. 2b dargestellten, hier noch nicht vollständig kompensierten Kurvenverlauf auf. Wie ersichtlich, sind die Störschwingungen bis auf uner hebliche Reste reduziert, so dass allein das Schlagsignal der Welle zur Verfügung steht, das über das Sichtgerät 17 ausgewertet werden kann. In den Fig. 3a, 3b sind Kurvenverläufe dargestellt, die sich bei Oberflachenzonen der Welle mit schwankenden Permeabilitäten ergeben. Ausser der eigentlichen Wellenschwingung enthalten die Kurvenzüge e, f die Störschwingungen IV bzw. IV'. Die Trägerfrequenzen sind wieder 1,2 Miz und 1,6 tEz und entsprechend sind die Amplituden der Signale e, f des Schwingungsaufnehmers unterschiedlich. Der Abgleich der Amplituden der Störschwingungen IV und IV' erfolgt wie vorstehend beschrieben, so dass am Ausgang des Differenzverstärkers 16 bzw. am Sichtgerät 17 ein Signal S mit einem aus Fig. 3b ersichtlichen Verlauf auftritt, das nur noch die Wellenschwingung darstellt. Fig. 4 zeigt eine andere Ausbildung der elektronischen Messeinrichtung. Der Schwingungsaufnehmer 1 hat in diesem Fall beispielsweise zwei Erregerlficklungen, wie nicht weiter dargestellt ist. Für dieses Wicklungssystem sind zwei Trägerfrequenzoszillatoren 2G, 21 vorgesehen, wobei der Oszillator 20 eine frequenz f1 von beispielsweise 1,2 MHz und der Oszillator 21 eine Frequenz r2 von beispielsweise 1,6 NJlz erzeugt. Das Wicklungssystem des Schwingungsaufnehmers 1 wird von den Oszillatoren 20, 21 gleichzeitig erregt. Die Messspannungen uM1, uM2 des Schwingungsaufnehmers 1 werden je einem phasenempfindlichen Gleichrichter 22, 23 zugeführt, wobei der Gleichrichter 22 mittels einer Spannung uSTl des Oszillators 20 und der Gleichrichter 23 mittels einer Spannung uST2 des Oszillators 21 gesteuert wird. Die Ausgangssignale U1, U2 der Phasengleichrichter 22, 23 gelangen auf einen aus veränderbaren Widerständen 24, 25 und einem Operationsverstärker 26 bestehenden Sunmierkreis, dessen Ausgangsspannung ein Sichtgerät 17 ansteuert, dem wieder ein Zweikoordinatenschreiber 18 zugeordnet sein kann. Die Eliminierung der Störanteile in der Wellenschwingung erfolgt wieder dadurch, dass durch Einstellung der Widerstände 24, 25 die Amplituden der Störschwingungen auf gleiche Grösse gebracht werden.

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zur Eliminierung von auf Inhomogenitäten der Permeabilität und der elektrischen Leitfähigkeit zu rückzuführenden Störeffekten bei der Schwingungsmessung an rotierenden oder schwingenden Elementen, wobei dem Element ein elektrischer, von einer hochfrequenten Trägerfrequenz erregter Schwingungsaufnehmer zugeordnet ist, der den Luftspalt zwischen Element und dem Auf nchmer misst, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wicklungssystem des Schwingungsaufnehmers (1) zwei unterschiedliche Trägerfrequenzen (fI, 2) zuge- führt sind, die gleichzeitig oder nacheinander auf treten, und dass die am Schwingungsaufnehmer in den zwei Messspannungen auftretenden Störanteile elektrisch auf gleiche Amplitude eingestellt und voneinander abgezogen werden. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Trägerfrequenzen mittels zweier Autodyn-Oszillatoren (4, 5) erzeugt sind, an welche das Wicklungssystem angekoppelt ist. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wicklungssystem des Schwingungsaufnehmers (1) zwei Trägerfrequenzoszillatoren (20, 21) mit unter schiedlichen Frequenzen (f1, f2) zugeordnet sind, dass die Nessspannungen des Schwingungsaufnehmers (1) zwei phasenempfindliche, je von einem der Oszillatoren (20, 21) gesveuer-e Gleichrichter (22, 23) ansteuern, deren Ausgangsspannungen (U1, U2) einem Rechenverstärker (24, 25, 26) zugeführt sind, dessen Ergebnis von einem Sicht- gerät (17 dargestellt wird.

Inventors: WINTERHOFF, HORST, DIPL.-PHYS.
Applicants: LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH
Application year: 1979
Main classification: G01H1
IPC codes: G01H1