Electrical runout in eddy current displacement measurement

Thumbnail Image

Files

master_Kinnunen_Kalle_2022.pdf (16.58 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2022-08-22

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)

Language

en

Pages

63

Series

Abstract

Eddy current displacement sensors are commonly used in condition monitoring of rotating machinery. They are typically used to measure vibrations from rotating shafts, which is beneficial as the vibrations can be measured directly from their source. The eddy current sensors measure displacement by inducing eddy currents to the target. The measured displacement can be derived from the intensity of the eddy currents, which depend on the sensor-to-target distance. However, the intensity of the eddy currents is also affected by variations in the electrical properties of the target. These variations induce errors to the measured displacement, which can cause significant problems during condition monitoring. These errors are called commonly called the electrical runout. In the present study, causes for the electrical runout were experimentally investigated. Several causes for electrical runout has been identified in the literature, but on few experimental studies has been conducted. Residual magnetism, surface roughness variations, and residual stress concentrations are identified as causes for electrical runout and they were experimentally investigated in the present study. A electrical runout measurement setup was built on a roundness measurement machine, which were used to measure electrical runout of test pieces. The effect of residual magnetism to electrical runout was investigated by inducing residual magnetism to a test piece with a electromagnetic yoke. The resulting residual magnetism was measured with hall sensors. The electrical runout were measured before and after magnetization. The results indicated that residual magnetism caused electrical runout to the test pieces. The surface roughness of a test piece was manipulated by grinding with different silicon carbide papers, abrasive paste, and by chemical etching. The electrical runout was measured before and after the manipulation. Variations in the surface roughness were determined by a tactile surface roughness measurement device. The results indicated that surface roughness variations cause electrical runout. Residual stress concentrations were created to test pieces by forging and their effect to electrical runout was studied. X-ray diffraction measurement was used to determine the magnitude of residual stresses caused by the forging. The electrical runout was measured before and after the forging. The relationship between the electrical runout and residual stress concentrations could not verified from the results, since the residual stress concentrations created by forging were not accurately evaluated with x-ray diffraction measurements. However, further study is required since the method used in the present study was found to be unreliable.

Pyörrevirta-antureita käytetään yleisesti pyörivien koneiden kunnonvalvonnassa. Niillä mitataan yleisesti pyörivien akselien värähtelyitä. Pyörrevirta-anturit mittaavat siirtymää. Akselin säteen suuntaisen siirtymän perusteella voidaan mitata akselin värähtelyjä. Pyörrevirta-anturi indusoi pyörrevirtoja mitattavaan kohteeseen. Pyörrevirtojen voimakkuus riippuu anturin ja kohteen välisestä etäisyydestä. Pyörrevirrat voimistuvat etäisyyden pienentyessä, jolloin etäisyyden muutos voidaan havaita. Etäisyyden muutokseen vaikuttaa myös mitattavan pinnan ominaisuudet, kuten pinnan sähkönjohtavuus. Pinnan ominaisuuksien muutoksilla on vaikutusta myös mittattuun etäisyyteen, joten mitatun pinnan ominaisuuksien vaihtelut voivat aiheuttaa mittavirhettä. Tätä mittavirhettä kutsutaan sähköiseksi heitoksi pyörivien koneiden kunnonvalvonnassa. Tässä tutkimuksessa tutkittiin sähköisen heittoon vaikuttavia tekiöitä. Kirjallisuudessa sähköiselle heitolle on määritetty useita aiheuttajia. Aiheesta on kuitenkin julkaistu vain vähän kokeellista tutkimusta. Jäännösmagnetismi, pinnankarheuden vaihtelut, ja jäännösjännityskeskittymät on usein mainittuja sähköisen heiton aiheuttajia ja näihin aiheuttajia tässä tutkimuksessa tutkittiin. Sähköisen heiton mittauksia varten varten ympyrämäisyysmittakoneeseen tehtiin mitta-asetus, jolla mitattiin sähköistä heittoa testikiekoista. Jäännösmagnetismin vaikutusta sähköiseen heittoon tutkittiin magnetoimalla testikiekko, jolloin jäännösmagnetismia sytyi kappaleeseen. Jäännösmagnetismi mitattiin hall-antureilla. Sähköinen heitto mitattiin magnetointia ennen ja jälkeen. Tulokset osoittivat, että jäännösmagnetismi testikappaleessa vaikuttaa sähköiseen heittoon. Pinnankarheuden vaihteluita tutkittiin luomalla testikiekon pintaan selkeitä vaihteluita ja mittaamalla sähköisen heiton muutos. Pinnankarheutta mitattiin pinnankarheusmittalaitteella. Pinnankarheuden vaihteluilla todettiin olevan yhteys sähköiseen heittoon. Jäännösjännityskeskittymien vaikutusta sähköiseen heittoon tutkittiin luomalla jännityskeskittymiä testikiekkoihin vasaroimalla. Röntgendiffraktiomittausta käytettiin jännityskeskittymien suuruuden mittaamiseen. Sähköinen heitto mitattiin vasarointia ennen ja vasaroinnin jälkeen. Jäännösjännityskeskittymien vaikutuksen ja sähköisen heiton välille ei saatu määritettyä selkeää yhtettä. Tämä todennäköisesti johtui vasaroitujen jännityskeskittymien ja röntgendiffrationmittausten epäyhteensopivuudesta.

Description

Supervisor

Viitala, Raine

Thesis advisor

Tiainen, Tuomas

Keywords

electrical runout, eddy current sensor, measurement error, residual magnetism, surface roughness, residual stress

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208305252

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG