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Die Erfindung betrifft einen Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen und Schwingungen, insbesondere von Vibrationen und Schwingungen, die während der Arbeitstätigkeit von Maschinen und Maschineneinrichtungen entstehen. Vibrationen gehören zu den wichtigsten den Betriebszustand einer Maschine charakterisierenden Parameter. Die Messung und Auswertung der Vibrationen ist daher ausserordentlich wichtig, insbesondere bei schnellaufenden Rotationsmaschinen und bei Einrichtungen, die im langdauernden Betrieb arbeiten, z. B. bei Dampf-und Gasturbinen.
Bei den genannten wärmeenergetischen Einrichtungen sind die Vibrationsgeber oft hohen Temperaturen und grossen Beschleunigungen mit einer beträchtlichen Schwingungsamplitude ausgesetzt, die in bestimmten Betriebszuständen bis einige Hundert 11m erreicht, wogegen im gewöhnlichen Betrieb die Schwingungsamplitude nur einige wenige 11m beträgt. Weitere an die Vibrationsgeber gestellte Anforderungen sind kleine Abmessungen und ein kleines Gewicht, eine lineare Charakteristik im gesamten Messbereich und eine elektromagnetische Störstabilität.
Derzeit werden zum Abtasten von Vibrationen oft Induktionsgeber benutzt, bei denen ein permanenter Magnet auf einer elastischen Membrane zwischen zwei ortsfest angeordneten Spulen aufgehängt ist. Bei einer Bewegung des Magneten in bezug auf die Spulen wird in den Spulen eine elektromotorische Kraft induziert, die mit einer entsprechenden Einrichtung verstärkt und gemessen wird. Der Nachteil dieser bekannten Induktionsgeber besteht darin, dass unter schweren Bedingungen, insbesondere bei einer beträchtlichen Erhöhung der Vibrationsamplitude, die Membrane platzt.
Ein anderer bekannter Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen besteht aus einem ortsfest angeordneten äusseren magnetischen Ring, einem mit Spiel in dem zylindrischen Hohlraum des äusseren Ringes beweglich gelagerten inneren magnetischen Ring und einer in dem engen zylindrischen Zwischenraum zwischen den beiden magnetischen Ringen auf einer Führungsbüchse angeordneten dünnen Abtastspule. Durch die Schwingung des inneren beweglichen magnetischen Ringes wird in der Abtastspule eine elektromotorische Kraft induziert, die in geeigneter Weise verstärkt und gemessen wird.
Der Nachteil dieser Ausführung des Induktionsgebers besteht in einem relativen schwachen Signal und einer mangelhaften Führung des inneren beweglichen Ringes innerhalb des äusseren festen magnetischen Ringes, die im Betrieb eine erhöhte Reibung und eine Schiefstellung der relativ zueinander beweglichen Teile und damit, vor allem bei kleinen Vibrationsamplituden, beträchtliche Nichtlinearität in Abhängigkeit von der induzierten elektromotorischen Kraft von der Relativgeschwindigkeit der magnetischen Ringe hervorruft. Die Benutzung dieses bekannten Induktionsgebers ist daher aus den angeführten Gründen nur auf die Messung in vertikaler Richtung beschränkt.
Bei einer andern bekannten Ausführung des Induktionsgebers ist in einem Leitprofil über einem unbeweglich gelagerten festen Magnet eine dünne scheibenförmige Abtastspule konzentrisch angeordnet, über welcher Spule dann ein axial verschiebbarer Magnet angeordnet ist. Angesichts der gegenläufigen Polorientierung der genannten Magnete werden in ihrem gemeinsamen Stirnraum axiale Abstosskräfte gebildet, die als ein Druckfederelement wirken, die den verschiebbaren Magnet in einer Dauerschwebe über dem festen Magnet halten. Diese Ausführung des Induktionsgebers ermöglicht nur die Messung von Vertikalschwingungen.
Es ist auch ein Induktionsgeber für Vibrationen bekannt, bei dem ein verschiebbarer permanenter Magnet in einer Hülse angeordnet und beiderseitig mit zwei Federn befestigt ist, wobei rund um die Hülse eine Induktionsspule angeordnet ist. Bei der Bewegung des verschiebbaren Magneten in der Spule wird eine elektromotorische Kraft induziert, die in geeigneter Weise verstärkt, gemessen und ausgewertet wird. Der Nachteil dieses Gebers besteht in einer niedrigen Empfindlichkeit infolge des Einflusses der Reibung in der Hülse und infolge des Drehmoments, das durch die Feder auf den permanenten Magneten ausgeübt wird und denselben an die Hülsenwand drückt. Ausserdem beschränkt die Masse und die Eigenfrequenz der Federn die Anwendung dieser Geber auf einen verhältnismässig engen Frequenz- und Beschleunigungsbereich.
Weiters ist die Federerzeugung mit einer genauen Charakteristik und mit genauen Abmessungen schwierig und kostspielig.
Aus der DE-OS 2532247 ist weiters ein Induktionsgeber zum Abtasten von Schwingungen bekannt, der aus einer Hülse besteht, in deren axialem Hohlraum in einem gemeinsamen Stirnraum
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ein axial beweglicher permanenter Magnet gelagert ist, der beidseitig mittels Membranfedern auf- gehängt ist, wobei in der Hülse rund um den gemeinsamen Stirnraum Induktionsspulen aufgewickelt sind. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass Membranen bzw. Membranfedern immer wieder Ur- sache von Störungen und nicht genauer Linearität sind.
Schliesslich liegt eine andere Art der Schwingungsmessung, insbesondere bei den erwähnten wärmeenergetischen Anlagen in der Anwendung von piezoelektrischen Schwingungsgebern. Bei die- sen Gebern wird die Fähigkeit einiger Kristalle, mechanische Kräfte in eine elektrische Spannung umzusetzen, ausgenutzt. Diese Spannung ist proportional der bei der Schwingung entstehenden
Beschleunigung der Masse des piezoelektrischen Gebers. Die so entstehende elektrische Spannung wird dann mit einer entsprechenden Einrichtung wieder verstärkt, gemessen und ausgewertet.
Der Vorteil der piezoelektrischen Geber besteht einerseits in ihrer Fähigkeit, grosse Beschleuni- gungen und Schwingungsamplituden zu vertragen, und anderseits in kleinen Abmessungen. Nach- teilig ist dagegen die Übermittlung von schwachen Signalen. Aus diesem Grund muss die zuständi- ge verstärkende Einrichtung von dem piezoelektrischen Geber in einer verhältnismässig geringen
Entfernung angeordnet sein. Weiterhin sind die piezoelektrischen Geber sehr empfindlich gegen ein ungleichmässiges Temperaturfeld in der Umgebung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der derzeit bekannten Induk- tionsgeber grösstenteils zu beseitigen.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen und
Schwingungen, bestehend aus einer Hülse, in deren axialen Hohlraum in einem gemeinsamen Stirn- raum ein axial beweglicher permanenter Magnet angeordnet ist, wobei in der Hülse rund um die- sen gemeinsamen Stirnraum Induktionsspulen aufgewickelt sind, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in den beiden Enden des axialen Hohlraumes der Hülse je ein Magnet fest angebracht ist, dessen Pole untereinander gleichlaufend und gegenüber den Polen des beweglich in der Hülse gela- gerten Magneten gegenläufig angeordnet sind.
Beim Erfindungsgegenstand ist somit der bewegliche permanente Magnet nicht mit den bisher üblichen Membranen bzw. Membranfedern aufgehängt, sondern in einem durch die festen Magneten aufgebauten magnetischen Feld, womit die oben genannten Nachteile von Membranen bzw. Membranfedern beseitigt sind.
Der erfindungsgemässe Induktionsgeber hat relativ kleine Abmessungen und verträgt beträchtliche Beschleunigungen und Vibrationsamplituden. Er ist anspruchslos, verträgt auch ein ungleichmässiges Temperaturfeld und übermittelt ein verhältnismässig starkes Ausgangssignal, womit die Anbringung der Verstärker- und Messeinrichtung in einer grösseren Entfernung ermöglicht wird.
Der erfindungsgemässe Induktionsgeber besitzt weiters eine sehr hohe Empfindlichkeit. Bei der
Erhaltung einer linearen Charakteristik der Abhängigkeit der elektromotorischen Ausgangskraft von der Geschwindigkeit beträgt er Temperaturen bis 250oC.
Ausführungsbeispiele des Induktionsgebers nach der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Induktionsgebers im Axialschnitt und Fig. 2 eine zweite Ausführungsform ebenfalls im Axialschnitt.
In der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 besteht der Induktionsgeber aus einem geschlossenen walzenförmigen Körper --7--, in dessen Hohlraum eine Hülse --2-- angeordnet ist, wobei in den beiden Enden des axialen Hohlraumes der Hülse jeweils ein fester Magnet --5 bzw. 6-konzentrisch angeordnet ist. Zwischen den festen Magneten ist in dem axialen Hohlraum der Hülse --2-- in einem gemeinsamen Stirnraum ein walzenförmiger, axial beweglicher permanenter Magnet-l-konzentrisch gelagert.
Die gegenseitige gleichlaufende Polorientierung der festen Magnete --5 und 6-- und die gegenüber diesen gegenläufige Polorientierung des beweglichen permanenten Magneten-l-bilden sowohl im ersten Polraum --9-- zwischen dem ersten festen Magnet --5-- und dem beweglichen permanenten Magnet --1--, als auch in dem zweiten Polraum --10-- zwischen dem zweiten festen Magnet --6-- und dem beweglichen permanenten Magnet-l-axiale Abstosskräfte, so dass die magnetischen Felder in den erwähnten Polräu- men --9, 10-- als federnde Druckelemente mit einer sehr günstigen Charakteristik wirken.
Die in beiden Stirnpolräumen 10--eingeführten Abstosskräfte verhindern in beliebiger
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Ruhelage des Induktionsgebers eine unmittelbare Berührung des beweglichen Magneten --1-- mit irgendeinem der festen Magneten --5, 6--. Der bewegliche permanente Magnet --1--, in dem eine axial durchgehende Lüftungsöffnung --12-- ausgebildet ist, ist auf seiner äusseren Oberfläche mit einer Antifriktionshülle --8-- versehen. Das Material der Gleitfläche der Antifriktionshülle --8-- und das Material der Hülse --2-- sind mit Rücksicht auf einen minimalen gegenseitigen Reibungskoeffizienten gewählt.
In der ersten beschriebenen Ausführungsform ist die Antifriktions- hülle --8-- aus Messing gebildet, und auf der Reibungsfläche mit einer Chromschicht versehen, wobei die Hülse --2-- in dieser ersten Ausführungsform aus Teflon hergestellt ist.
In der äusseren walzenförmigen Oberfläche der Hülse --2-- sind zwei Umfangsnuten vorgesehen, in denen Induktionsspulen --3, 4-- pseudobifilar aufgewickelt sind. Wie bekannt, besteht die Spulenwicklung in der Bifilarausgestaltung aus zwei in einem Spulenraum angeordneten und durch zwei Leiter mit ungefähr gleicher Länge gebildeten Leiterketten. Der Leiter einer Kette ist gegenläufig gegenüber dem Leiter der zweiten Kette aufgewickelt und beide Leiter sind abwechselnd in unmittelbarer Nähe aufgewickelt und in der Mitte der Gesamtlänge dieser Spulenwicklung miteinander leitend verbunden. Die Bifilarausgestaltung der Spulenwicklung bezweckt, die beim Durchfluss des elektrischen Stroms durch beiden Spulenleiterketten entstehenden magnetischen Felder gegenseitig zu kompensieren.
Unter dem Begriff"pseudobifilare Ausgestaltung der Spulenwicklung" soll hier die Ausgestaltung beider Spulenleiterketten in zwei unabhängigen Spulenräumen verstanden werden. In der dargestellten Ausführungsform ist die erste Spulenleiterkette der ersten Induktionsspule --3-in bezug auf die zweite Spulenleiterkette der zweiten Induktionsspule --4-- axial versetzt, so dass in dieser pseudobifilaren Ausgestaltung, die beim Durchfluss des elektrischen Stroms durch beide Leiterketten entstehenden magnetischen Felder nur teilweise kompensiert werden.
Dem gegen- über ermöglicht aber diese pseudobifilare Ausgestaltung, die gesamte elektromotorische Kraft, die bei einer gegebenen axialen Bewegung des permanenten Magneten-l-in dem Hohlraum der Hülse --2-- induziert wird, zu erhöhen, und schwächt ferner einen eventuellen Störungseinfluss eines äusseren magnetischen Feldes. Zu dieser Schwächung des Störungseinflusses eines äusseren magnetischen Feldes trägt auch die Ausbildung des Körpers --7-- aus ferromagnetischem Material bei.
Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform des Induktionsgebers ist die Hülse --2-- in ihrem axialen Hohlraum überdies mit einer dünnwandigen walzenförmigen Antifriktionseinlage --11-- versehen. Die Hülse --2-- besteht in dieser zweiten Ausführungsform vorteil-
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raum der Hülse --2-- und gewährleistet die Messstabilität der Hülse --2-- auch bei relativ hohen Temperaturänderungen.
Die körperliche Ausbildung der andern Teile des Induktionsgebers der zweiten Ausführungsform ist praktisch dieselbe wie beim Induktionsgeber nach der ersten Ausfüh-
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Lagerständer einer Turbine, beginnt sich der permanente Magnet --1-- gegenüber den andern Teilen des Induktionsgebers zu bewegen, d. h. gegenüber dem Körper --7-- mit der Hülse --2--, den festen Magneten --5, 6-- und den Induktionsspulen --3, 4--. Während dieser Bewegung überschneiden die Kraftlinien des permanenten Magneten --1-- die Wicklung der Induktionsspulen --3, 4--, in denen die resultierende elektromotorische Kraft induziert wird, die dann mittels einer geeigneten Einrichtung verstärkt und gemessen wird.
Bei der beschriebenen vorteilhaften pseudobifilaren Ausgestaltung der Induktionsspulen --3, 4-- ist diese resultierende elektromotorische Kraft die Summe der elektromotorischen Kräfte, die separat in der ersten Induktionsspule --3-- und der zweiten Induktionsspule --4-- entstehen, und ist daher maximal.