DE4215381A1

DE4215381A1 - Arrangement for the radial and / or axial position detection of a shaft

Info

Publication number: DE4215381A1
Application number: DE19924215381
Authority: DE
Inventors: Rudi Schneider
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1992-05-11
Filing date: 1992-05-11
Publication date: 1993-11-18

Abstract

Two sensor units are arranged mutually offset around the periphery of the shaft. Each produces a signal corresp. to the radial deflection of the shaft surface at the sensor unit. An evaluation unit determines the shaft position from the signals. One sensor unit consists of a pair of approximately diametrically opposed sensors. A subtractor is connected to the sensors to form a difference signal from the two sensor signals. ADVANTAGE - Operates very accurately and is insensitive to noise.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur radialen Positionserfassung einer Welle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur axialen Positions erfassung.The invention relates to an arrangement for radial Position detection of a shaft according to the generic term of Claim 1 and an arrangement for axial position capture.

Aus der Siemens-Zeitschrift 51 (1977), Heft 9, Seiten 665 bis 667, ist bekannt, zur Schwingungsüberwachung von Groß maschinen zwei Sensoreinheiten an der Lagerschale einer Welle anzubringen. Dabei sind die Sensoreinheiten in einer senkrecht zur Wellenachse liegenden Ebene im Umfangs bereich der Welle um 90° gegeneinander versetzt angeord net. Sie messen induktiv die radiale Relativschwingung der Wellenoberfläche in bezug auf die Lagerschale. Eine Aus werteeinrichtung, der die Meßergebnisse der beiden Sensor einheiten zugeführt werden, ermittelt daraus die vollstän dige Bewegung der Welle in der radial liegenden Meßebene. Da zur Schwingungsüberwachung in den Sensoreinheiten lediglich die Bewegungen der Wellenoberfläche gemessen werden, spielen Einflußgrößen beim Meßergebnis eine unter geordnete Rolle. So wirken sich Temperaturabhängigkeit der Permeabilität und Leitfähigkeit des Wellenwerkstoffs stark auf den Absolutwert des Oberflächenabstands aus, weniger jedoch auf den Proportionalitätsfaktor, der bei der Schwingungsmessung bestimmend ist. Die bekannte Anordnung ist daher zur Positionserfassung der Welle in der Lager schale recht ungenau. Zudem ist für jede orthogonale Kom ponente der relativen Wellenschwingung eine Sensoreinheit mit lediglich einem Sensor vorgesehen, so daß bei Auf treten einer Störung in der Sensoreinheit eine vollstän dige Schwingungsüberwachung nicht mehr möglich ist.From Siemens magazine 51 (1977), number 9, pages 665 to 667, is known for vibration monitoring of large machines two sensor units on the bearing shell one To attach the shaft. The sensor units are in one circumferential plane perpendicular to the shaft axis area of the shaft offset by 90 ° net. They inductively measure the radial relative vibration of the Shaft surface in relation to the bearing shell. An out value device of the measurement results of the two sensors units are fed in, the total is determined from this movement of the shaft in the radial measuring plane. As for vibration monitoring in the sensor units only measured the movements of the shaft surface are influencing factors in the measurement result one under ordered role. This is how the temperature dependence of the Permeability and conductivity of the shaft material strong based on the absolute value of the surface distance, less however, on the proportionality factor, which at Vibration measurement is decisive. The well-known arrangement is therefore used to record the position of the shaft in the bearing shell quite imprecise. In addition, for each orthogonal com component of the relative shaft vibration a sensor unit provided with only one sensor, so that when on a malfunction in the sensor unit is complete ige vibration monitoring is no longer possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur radialen und/oder axialen Positionserfassung einer Welle zu schaffen, die sehr genau arbeitet und weitgehend unempfindlich gegen störende Einflüsse ist.The invention has for its object an arrangement for radial and / or axial position detection of a To create a wave that works very precisely and largely is insensitive to disruptive influences.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Anordnung zur radialen Positionserfassung der eingangs genannten Art das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannte Merkmal und die neue Anordnung zur axialen Positionserfassung die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 genannten Merkmale auf. In den Ansprüchen 3, 4 und 5 sind vorteilhafte Wei terbildungen der Erfindung angegeben.To solve this problem, the new arrangement radial position detection of the type mentioned feature mentioned in the characterizing part of claim 1 and the new arrangement for axial position detection features mentioned in the characterizing part of claim 2 on. In claims 3, 4 and 5 are advantageous Wei terbildung the invention specified.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß aufgrund der paarweisen Anordnung der Sensoren einer Sensoreinheit und einer Dif ferenzbildung der Sensorausgangssignale störende Einflüsse auf das Meßergebnis reduziert oder gar eliminiert werden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Sensoren eines Sensorpaares derart angeordnet werden, daß sich bei der Auslenkung "0" der Welle nach der Differenzbildung ein Meßsignal "0" ergibt. Auf diese Weise können bipolare Relativsignale als Meßsignal einer Sensoreinheit gewonnen werden. Durch die redundante Auslegung der Sensorpaare einer Sensoreinheit nach Anspruch 4 wird die Störsicher heit der erfindungsgemäßen Anordnung erhöht. Bei der An ordnung der Sensorpaare gemäß Anspruch 5 wirkt sich der Ausfall eines Sensorpaares aufgrund einer Störung nicht auf das Meßsignal der Sensoreinheit aus. Besonders vor teilhaft ist die Erfindung in der Magnetlagertechnik ein setzbar, in der eine hochgenaue Erfassung der Wellen position mit zusätzlich großer Störsicherheit gefordert wird, um eine Zerstörung des Lagers aufgrund einer fehler haft arbeitenden Sensoranordnung zu vermeiden.The invention has the advantage that due to the pair Arrangement of the sensors of a sensor unit and a dif interference formation of the sensor output signals reduced to the measurement result or even eliminated. This is particularly the case if the sensors are one Sensor pair are arranged so that the Deflection "0" of the wave after the difference formation Measurement signal "0" results. This way, bipolar Relative signals obtained as a measurement signal from a sensor unit will. Due to the redundant design of the sensor pairs a sensor unit according to claim 4, the interference-proof unit of the arrangement increased. At the An order of the sensor pairs according to claim 5 affects Failure of a pair of sensors due to a fault on the measurement signal of the sensor unit. Especially before the invention is a part of magnetic bearing technology settable, in which a highly precise detection of the waves position with additional immunity to interference is to destroy the camp due to a fault to avoid working sensor arrangement.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher er läutert.Using the drawings, in which an embodiment of the invention is shown below Invention and refinements and advantages he closer purifies.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Anordnung zur Positionserfassung, Fig. 1 shows an arrangement for position detection,

Fig. 2 eine Schaltung zur Signalaufbereitung und Fig. 2 shows a circuit for signal processing and

Fig. 3 eine Anordnung zur axialen Positionserfassung einer Welle. Fig. 3 shows an arrangement for the axial position detection of a shaft.

In Fig. 1 ist der Querschnitt einer Welle 1 in einer Lagerschale 2 dargestellt. In einer senkrecht zur Wellen achse Z verlaufenden Ebene sind zwei Sensoreinheiten, be stehend aus den Sensoren X11, X12, X21, X22 sowie Y11, Y12, Y21, Y22, in der Lagerschale 2 angeordnet. Sie geben jeweils ein Meßsignal ab, das der Breite eines Luftspalts 3 zwischen Welle 1 und Lagerschale 2 entspricht. Mit der ersten Sensoreinheit wird die radiale Auslenkung der Welle 1 in X-Richtung, mit der zweiten Sensoreinheit in Y-Richtung erfaßt. Eine nicht dargestellte Auswerte einrichtung ermittelt aus den Meßsignalen der beiden Sensoreinheiten die Position der Welle 1 in der Lager schale 2. In den folgenden Ausführungen wird lediglich die erste Sensoreinheit für die X-Richtung erläutert, da für die zweite Sensoreinheit, die ein Meßsignal für Auslenkun gen in Y-Richtung liefert, Entsprechendes gilt. Die erste Sensoreinheit besteht aus einem ersten Sensorpaar mit den Sensoren X11 und X12 sowie einem zweiten Sensorpaar mit den Sensoren X21 und X22. Es werden also nicht diametral gegenüberliegende Sensoren zu Sensorpaaren zusammengefaßt, sondern diejenigen, welche bezüglich einer durch die Wellenachse und die X-Richtung aufgespannten Ebene spiegelbildlich liegen. Zwischen X-Richtung und Meßrich tung der Sensoren X11, X12, X21 und X22 wird ein spitzer Winkel α eingeschlossen, so daß sich die Sensoren eines Sensorpaares etwa diametral gegenüberliegen. In Fig. 1, the cross section of a shaft 1 is shown in a bearing shell 2. In a plane perpendicular to the shaft axis Z, two sensor units, consisting of the sensors X11, X12, X21, X22 and Y11, Y12, Y21, Y22, are arranged in the bearing shell 2 . They each emit a measurement signal that corresponds to the width of an air gap 3 between shaft 1 and bearing shell 2 . The radial deflection of shaft 1 in the X direction is detected with the first sensor unit, and in the Y direction with the second sensor unit. An evaluation device, not shown, determines the position of the shaft 1 in the bearing shell 2 from the measurement signals of the two sensor units. In the following explanations, only the first sensor unit for the X direction is explained, since the same applies to the second sensor unit, which supplies a measurement signal for deflections in the Y direction. The first sensor unit consists of a first pair of sensors with sensors X11 and X12 and a second pair of sensors with sensors X21 and X22. It is therefore not diametrically opposed sensors that are combined to form sensor pairs, but rather those that are mirror images of a plane spanned by the shaft axis and the X direction. Between the X direction and direction of measurement of the sensors X11, X12, X21 and X22, an acute angle α is included, so that the sensors of a pair of sensors are diametrically opposed.

In der Schaltung zur Signalaufbereitung der Meßsignale der ersten Sensoreinheit nach Fig. 2 werden Ausgangs signale MX11 und MX12 der in Fig. 1 gezeigten Sensoren X11 und X12 auf einen Subtrahierer 4 geführt, der ein Differenzsignal DX1 für dieses Sensorpaar bildet. Ebenso werden Ausgangssignale MX21 und MX22 der Sensoren X21 und X22 auf einen weiteren Subtrahierer 5 geleitet, der ein Differenzsignal DX2 erzeugt. In Abhängigkeit vom Meßprin zip der Sensoren können diese Subtrahierer 4 und 5 durch Halbbrücken realisiert sein, bei denen die Signalauskopp lung über Differenzverstärker erfolgt. Bei induktiven Sensoren, z. B. Differentialdrosseln, ist den Subtrahie rern 4 und 5 jeweils ein Demodulator 6 und 7 nachgeschal tet. Mit einem folgenden Summierer 8 wird die Summe aus den Differenzsignalen DX1 und DX2 gebildet, die als Meß signal MX einer nicht gezeigten Auswerteeinrichtung zu geführt wird. Das Meßsignal MX stellt daher den doppelten Mittelwert der Differenzsignale DX1 und DX2 dar und gibt die Größe der Auslenkung der Welle aus der Mittenlage an. Den Differenzsignalen DX1 und DX2 ist jeweils eine Über wachungsschaltung 9 und 10 zugeordnet, die sie mit einem Fensterdiskriminator auf Einhaltung des zulässigen Werte bereichs überprüft. Bei Ausfall eines Einzelsensors wird dieser Wertebereich verlassen. Über die Umschalter 11 und 12 erfolgt bei Auftreten einer Störung eine individuelle Umschaltung des jeweiligen Eingangs des Summierers vom gestörten Differenzsignal DX1 bzw. DX2 auf das ungestörte Differenzsignal DX2 bzw. DX1, dessen Amplitude aufgrund der in Fig. 1 gezeigten Anordnung der des gestörten Dif ferenzsignals DX1 bzw. DX2 entspricht. Somit ist auch nach Auftreten einer Störung eine Aufrechterhaltung des Be triebs der Maschine sichergestellt.In the circuit for signal processing of the measurement signals of the first sensor unit according to FIG. 2, output signals MX11 and MX12 of the sensors X11 and X12 shown in FIG. 1 are passed to a subtractor 4 , which forms a difference signal DX1 for this sensor pair. Output signals MX21 and MX22 from sensors X21 and X22 are likewise passed to a further subtractor 5 , which generates a difference signal DX2. Depending on the measuring principle of the sensors, these subtractors 4 and 5 can be realized by half-bridges, in which the signal decoupling takes place via differential amplifiers. With inductive sensors, e.g. B. differential chokes, the subtrahers rern 4 and 5 each have a demodulator 6 and 7 nachgeschal tet. With a following summer 8 , the sum of the difference signals DX1 and DX2 is formed, which is fed as a measurement signal MX to an evaluation device, not shown. The measurement signal MX therefore represents the double mean value of the difference signals DX1 and DX2 and indicates the size of the deflection of the shaft from the central position. The differential signals DX1 and DX2 are each assigned a monitoring circuit 9 and 10 , which they check with a window discriminator for compliance with the permissible value range. If a single sensor fails, this value range is left. Via the switches 11 and 12 , when a fault occurs, the respective input of the summer is switched individually from the disturbed difference signal DX1 or DX2 to the undisturbed difference signal DX2 or DX1, the amplitude of which, due to the arrangement shown in FIG. 1, of the disturbed differential signal Corresponds to DX1 or DX2. This ensures that the machine continues to operate even after a fault occurs.

Auch zur axialen Positionserfassung ist die oben genannte Schaltung zur Signalaufbereitung bei einer Sensoranordnung nach Fig. 3 geeignet. An einer Meßscheibe 13, die mit der Welle 1 verbunden ist, wird mit zwei Sensorpaaren Z11, Z12 bzw. Z21, Z22 die axiale Verschiebung gemessen. Die Sensorpaare Z11, Z12 und Z21, Z22 liegen sich axial gegen über. Dabei verfälscht eine Neigung der Meßscheibe 13 gegenüber der Senkrechten auf der Wellenachse Z das Meß signal für die axiale Wellenposition nicht, da in der Schaltung zur Signalaufbereitung eine Mittelwertbildung der Differenzsignale erfolgt.The above-mentioned circuit for signal conditioning in a sensor arrangement according to FIG. 3 is also suitable for axial position detection. The axial displacement is measured on a measuring disk 13 , which is connected to the shaft 1 , with two pairs of sensors Z11, Z12 and Z21, Z22. The sensor pairs Z11, Z12 and Z21, Z22 are axially opposite each other. Here, an inclination of the measuring disk 13 with respect to the vertical on the shaft axis Z does not falsify the measuring signal for the axial shaft position, since the signal conditioning circuit averages the difference signals.

Claims

1. Arrangement for the radial position detection of a shaft

- With two sensor units, which are arranged offset from one another in the peripheral region of the shaft, so that they each emit a signal which corresponds to the radial deflection of the shaft circumferential line on the sensor unit and is fed to an evaluation device which, based on the two signals, the radial position of the shaft determined, characterized,
- That a sensor unit from at least one pair of diametrically opposite sensors (X11, X12) be, which a subtractor ( 4 ) is connected downstream to form a difference signal (DX1) from the two sensor output signals (MX11, MX12).

2. Arrangement for the axial position detection of a shaft, in particular combined with an arrangement for radial position detection according to claim 1, characterized in that

- That on the shaft ( 1 ) a sensor unit is arranged which emits a signal which corresponds to the axial deflection of the shaft ( 1 ), and
- That the sensor unit consists of at least a pair of axially opposite sensors (Z11, Z12), which is followed by a subtractor to form a difference signal from the two sensor output signals.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in

- That the shaft ( 1 ) with a perpendicular to the shaft axis (Z) lying measuring disc ( 13 ) is provided and
- That the axially opposite sensors (Z11, Z12) are arranged on both sides of the measuring disc.

4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in

- that a sensor unit consists of two pairs of sensors (X11, X12; X21, X22),
- That the sensor pairs a monitoring unit ( 9 , 10 ) is assigned and
- That one of the monitoring unit ( 9 , 10 ) controlled switching device ( 11 , 12 ) for the inputs of a Sum Mierers ( 8 ) is available such that when a fault occurs in a pair of sensors (X11, X12; X21, X22) the Inputs of the summer ( 8 ) can be switched to the undisturbed pair of sensors (X21, X22; X11, X12).

5. Arrangement according to claims 1 and 4, characterized in

- That the sensor pairs (X11, X12; X21, X22) of a sensor unit are arranged such that imaginary lines connecting the sensors (X11, X12, X21, X22) of a sensor pair (X11, X12; X21, X22) run parallel to each other and have the same distance from the shaft axis (Z).