CH717163B1 - Vorrichtung zur Prüfung von Sensoren für Langsamläufer. - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (10) zur Prüfung eines Sensors für einen Langsamläufer umfasst eine Unwucht, welche drehbar in einer ortsfesten Halterung (13) gehalten ist. Eine Antriebseinheit (17) ist mit der Unwucht drehfest verbunden, wobei die Unwucht von einer Antriebseinheit (17) antreibbar ist. Der Sensor ist bei der Prüfung auf der Halterung (13) befestigt.

Description

Hintergrund

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung von Sensoren für Langsamläufer. Die Sensoren können zur insbesondere zur Messung von Schwingungen oder Vibrationen geeignet sein, beispielsweise kann ein Beschleunigungssensor zum Einsatz kommen. Insbesondere umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Prüfung von Sensoren für Langsamläufer zur Messung von Messdaten von Vibrationen oder Schwingungen von drehenden Wellen, insbesondere langsam drehenden Wellen.

Stand der Technik

[0002] Das Ausmessen und Vergleichen von Sensoren an sehr langsam drehenden Wellen verlangt nach einer Möglichkeit sehr niedrige Frequenzen, d.h. Frequenzen, die der Drehfrequenz der Welle entsprechen, zu erzeugen. Dies kann z.B. über eine Unwucht bewerkstelligt werden.

[0003] Das Messen von Schwingungen mit Frequenzen unter 10 Hz, die z.B. durch Unwucht, Lagerdefekte oder andere Artefakte entstehen, ist in der Praxis und im Labor sehr schwierig. Zur Erzeugung von Schwingungen zur Vibrationsmessung verwendet man sogenannte Shaker, das heisst Schüttler. Der Shaker erzeugt eine Schüttelfrequenz. Je niedriger die erforderliche Schüttelfrequenz ist, desto grösser wird die Bauform eines Shakers und der Preis für einen solchen Shaker steigt rapide an. Da die internationale Norm ISO-10816 nur einen Frequenzbereich von 10 Hz bis 1000 Hz vorschreibt, ist es nicht verwunderlich, dass kommerzielle Shaker für Schüttelfrequenzen ab 5 Hz oder 10 Hz erhältlich sind. Es gibt aber auch Shaker, welche Schwingungen mit einer Schüttelfrequenz von 1 Hz erzeugen können [1,2,3].

[0004] Eine Schüttelfrequenz von 1 Hz entspricht einer Drehzahl an einer rotierenden Maschine, beispielsweise einer Welle, von umgerechnet 60 Umdrehungen/min nachfolgend mit 60 RPM bezeichnet. Für viele Anwendungen sind jedoch Drehzahlen unter 60 RPM üblich, beispielsweise für Gondelbahnen, Standseilbahnen, Mühlen oder Getriebewellen. Diese Anwendungen werden nachfolgend mit dem Begriff Langsamläufer bezeichnet.

[0005] Für solche Langsamläufer bieten Hersteller spezielle Beschleunigungssensoren an, deren untere Eckfrequenz 0.1 Hz (sog. -3dB Punkt) ist. Eine Drehzahl von 10 RPM resultiert in einer Frequenz von 0.166 Hz, was mit diesen Beschleunigungssensoren noch knapp messbar ist, wenn die Sensor-Empfindlichkeit und die Auflösung der Digitalisierungseinheit für das Sensorsignal ausreichen. Aber die gemachten Angaben der Sensorhersteller bezüglich der unteren Eckfrequenz beruhen nicht auf Labormessungen, sondern auf Simulationen der elektronischen Schaltung im Sensor.

[0006] Um aber solche Beschleunigungssensoren im Labor prüfen und vergleichen zu können, bedarf es einer kostengünstigen und einfachen Vorrichtung, welche solche Versuche ermöglicht. Interessanterweise hat eine Recherche ergeben, dass noch wenige einen solchen Versuch publiziert oder eine solche Versuchsanlage präsentiert haben [4,5,6,7].

[0007] Bekannte Shaker für niedrige Frequenzen weisen beispielsweise einen Linearmotor auf, der eine Prüfplattform in Bewegung versetzen kann, wobei der Linearmotor eine Oszillationsbewegung der Prüfplattform erzeugt. Ein Ausführungsbeispiel für eine oszillierende Prüfplattform ist in der EP2063275 B1 gezeigt. Ein derartiger Linearmotor kann einen Eisenkern und eine Spule umfassen, wobei ein sinusförmig oszillierendes Magnetfeld der Spule den Eisenkern hin-und-her bewegt, der ebenfalls mit einer Prüfplattform verbunden sein kann.

[0008] Eine Prüfplattform für Beschleunigungssensoren für niedrige Frequenzen im Bereich von 5.6 × 10<-6>Hz bis 10Hz ist in der CN102539833A gezeigt. Die Prüfplattform besteht aus zwei Komponenten, einem Drehtisch, der eine geschwindigkeitsstabilisierende Plattform aufweist, auf welcher eine angetriebene Plattform angeordnet ist.

[0009] Eine der Oberseite der geschwindigkeitsstabilisierenden Plattform gegenüberliegende Plattform ist parallel zum Boden ausgerichtet. Die geschwindigkeitsstabilisierende Plattform weist eine rotierende Welle auf, die senkrecht zum Boden angeordnet ist.

[0010] Die angetriebene Plattform ist auf einer Oberseite der geschwindigkeitsstabilisierenden Plattform angeordnet, der Beschleunigungsmesser ist auf einer Oberseite der angetriebenen Plattform installiert. Eine Eingangswelle des Beschleunigungssensors ist parallel zur horizontal ausgerichteten Oberseite angeordnet. Die Niederfrequenz-Leistungskalibrierungsplattform für den Beschleunigungsmesser basiert auf einem Beschleunigungssimulations-Drehtisch, die auf den Beschleunigungssensor wirkende Beschleunigungsamplitude wird durch die Winkelgeschwindigkeit und den Arbeitsradius der geschwindigkeitsstabilisierenden Plattform des Drehtisches sowie die angetriebene Plattform der Drehplattform bestimmt. Die Frequenz der Beschleunigung und Kalibrierung der Super-Niederfrequenz-Leistung des Beschleunigungsmessers wird durch Steuerung der Drehbewegung der angetriebenen Plattform bei niedriger Geschwindigkeit erreicht.

[0011] Anstelle einer angetriebenen Plattform ist in der CN205670160U eine Spindel angebracht, welche zeitgleich mit der Drehbewegung einen Schlitten hin und her bewegen kann, auf welchem ein Beschleunigungssensor befestigt ist. Durch die Rotation und das zeitgleiche Verschieben des Schlittens sollen kleine Beschleunigungen mit grossem Hub generiert werden können. Das Signal des Beschleunigungssensors muss auch gemäss dieser Variante mit Schleifringen abgeführt werden. Zudem entstehen Vibrationen durch die Drehbewegung der Spindel und das Verschieben des Schlittens.

[0012] Gemäss der CN102539833A und der CN205670160U wirkt die Fliehkraft direkt auf den zu messenden Beschleunigungssensor ein.

[0013] Als nachteilig an diesen vorbekannten Lösungen ist die Notwendigkeit anzusehen, dass zur Abführung des elektrischen Signals des Beschleunigungssensors aufgrund von dessen Drehbewegung Schleifringe benötigt werden, die selbst Vibrationen und signifikante Rauschsignale erzeugen können.

Aufgabe der Erfindung

[0014] Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer kostengünstigen und einfachen Vorrichtung zur Prüfung von Sensoren für einen Langsamläufer, welche Messungen erlaubt, um Sensoren insbesondere an sehr langsam drehenden Wellen zu prüfen und deren Empfindlichkeit zu vergleichen.

Beschreibung der Erfindung

[0015] Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Vorrichtung gemäss Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10.

[0016] Wenn der Begriff „beispielsweise“ in der nachfolgenden Beschreibung verwendet wird, bezieht sich dieser Begriff auf Ausführungsbeispiele und/oder Ausführungsformen, was nicht notwendigerweise als eine bevorzugtere Anwendung der Lehre der Erfindung zu verstehen ist. In ähnlicher Weise sind die Begriffe „vorzugsweise“, „bevorzugt“ zu verstehen, indem sie sich auf ein Beispiel aus einer Menge von Ausführungsbeispielen und/oder Ausführungsformen beziehen, was nicht notwendigerweise als eine bevorzugte Anwendung der Lehre der Erfindung zu verstehen ist. Dementsprechend können sich die Begriffe „beispielsweise“, „vorzugsweise“ oder „bevorzugt“ auf eine Mehrzahl von Ausführungsbeispielen und/oder Ausführungsformen beziehen.

[0017] Die nachfolgende detaillierte Beschreibung enthält verschiedene Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemässe Vorrichtung. Die Beschreibung einer bestimmten Vorrichtung ist nur als beispielhaft anzusehen. In der Beschreibung und den Ansprüchen werden die Begriffe „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ als „enthalten, aber nicht beschränkt auf interpretiert.

[0018] Unter einem Langsamläufer wird in der nachfolgenden Beschreibung eine Maschine verstanden, welche Umdrehungen von maximal 60 RPM ausführt.

[0019] Die Vorrichtung zur Prüfung eines Sensors zur Messung einer Beschleunigung oder einer Schwinggeschwindigkeit für einen Langsamläufer umfasst eine Unwucht, welche drehbar in einer ortsfesten Halterung gehalten ist. Eine Antriebseinheit ist drehfest mit der Unwucht verbunden, wobei die Unwucht von einer Antriebseinheit antreibbar ist. Der Sensor ist auf der Halterung befestigt. Insbesondere kann der Sensor als Beschleunigungssensor ausgebildet sein.

[0020] Gemäss einem Ausführungsbeispiel ist die Unwucht über eine Welle mit der Antriebseinheit verbunden. Die Antriebseinheit kann ein Getriebe beinhalten, um ein höheres Drehmoment erzeugen zu können, um eine stabilere Winkelgeschwindigkeit zu erzielen.

[0021] Insbesondere kann die Welle mittels eines Lagers in der Halterung drehbar sein. Das Lager kann als Wälzlager oder als Gleitlager ausgebildet sein. Die Halterung kann einen Stahlträger umfassen.

[0022] Gemäss einem Ausführungsbeispiel umfasst die Unwucht ein drehbares Gestänge und eine am Gestänge befestigte Masse. Insbesondere kann die Masse am Ende des Gestänges befestigt sein.

[0023] Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann die Welle mittels eines Kopplungselements mit der Antriebseinheit verbunden sein. Das Kopplungselement kann derart ausgebildet sein, dass keine Vibrationen der Antriebseinheit auf die Welle oder die Halterung übertagen werden können.

[0024] Auf der Halterung kann eine Mehrzahl von Sensoren angebracht werden. Insbesondere kann auf der Halterung eine Mehrzahl von Beschleunigungssensoren angebracht werden.

[0025] Der Sensor kann gemäss einem Ausführungsbeispiel mittels einer Signalübertragungsleitung mit einer Digitalisierungseinheit verbunden sein.

[0026] Gemäss einem Ausführungsbeispiel ist die Digitalisierungseinheit mit einem Rechner verbunden.

[0027] Die entstehenden Kräfte und Beschleunigung lassen sich wie folgt berechnen: Die resultierende Unwucht, Kraft Fres, berechnet sich zu Fres= m * ω<2>* rmmp. Die Beschleunigung, die auf den Massepunkt wirkt, ist a(f) = ω<2>* rmmp= 4*π<2>*f<2>* rmmp wobei rmmpder Distanz von der Drehachse zum drehenden Massepunkt, mit Masse m und Drehfrequenz f in Hertz, entspricht.

[0028] Die Vorrichtung ist kostengünstig, flexibel, skalierbar und einfach herzustellen. Sie eignet sich insbesondere für die relative Messung, indem die Empfindlichkeit von mehreren Sensoren gleichzeitig und parallel gemessen wird.

[0029] Insbesondere können Schwingungen von sehr langsam drehenden Wellen erzeugt werden und mittels Sensoren und passender Digitalisierungseinheit erfasst werden. Dadurch lassen sich Laborversuche durchführen, um Eigenschaften, wie beispielsweise die Übertragungsfunktion von Sensoren, bei niedrigen Frequenzen zu untersuchen.

[0030] Erfindungsgemäss sind die Sensoren an der Halterung befestigt, sodass keine Schleifringe benötigt werden, um das elektrische Signal der Sensoren zu einem Messgerät oder einer Digitalisierungseinheit für die Sensorsignale abzuführen. Insbesondere kann mittels einer Justierung der Unwucht die Höhe der Fliehkraft eingestellt werden. Durch Anpassung der Länge eines drehenden Gestänges kann die auf die Halterung sowie die auf der Halterung befestigten Sensoren wirkenden Beschleunigungskräfte verändert werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0031] Nachfolgend wird die erfindungsgemässe Vorrichtung anhand einiger Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen Fig. 1 eine Vorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel in einer teilweise im Schnitt dargestellten Seitenansicht, Fig. 2 die Vorrichtung gemäss Fig. 1 in einer Aufsicht, Fig. 3 eine Vorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer teilweise im Schnitt dargestellten Seitenansicht, Fig. 4 die Vorrichtung gemäss Fig. 3 in einer Aufsicht.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

[0032] Fig. 1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur Prüfung von Sensoren zur Messung einer Beschleunigung oder einer Schwinggeschwindigkeit für Langsamläufer, die gemäss diesem Ausführungsbeispiel als schwingungsgenerierende Vorrichtung ausgebildet ist, in einer teilweise im Schnitt dargestellten Seitenansicht. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Unwucht, die gemäss dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein rotierendes Gestänge 11 ausgebildet ist, an dessen einem Ende eine Masse 12 fixiert wird, um eine gewünschte Kraft zu erzeugen. Gemäss diesem Ausführungsbeispiel ist das Gestänge 11 auf der drehenden Welle 15 fixiert, welche mittels eines Lagers 14 in einer Halterung 13 gehalten ist. Das Lager 14 kann beispielsweise als ein Wälzlager oder als ein Gleitlager ausgebildet sein. Ein Gleitlager kann vorteilhafterweise zum Einsatz kommen, um keine Eigen-Schwingungen vom Lager 14 zu generieren. Das Lager 14 ist in der Halterung 13 eingelassen oder fixiert, welche ihrerseits auf einer ortsfesten und stabilen Unterlage 19 fixiert sein kann. Die Halterung 13 ist z.B. als Stahlträger ausgeführt, damit Vibrationen, welche von der Unwucht herrühren, ungedämpft auf den Sensor 26, siehe Fig. 2, übertragen werden. Gemäss dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Welle 15 über ein Kopplungselement 16 mit einer Antriebseinheit 17, beispielsweise einem Schrittmotor, DC-Motor oder AC-Motor, verbunden, welcher das Gestänge 11 und die Masse 12 in eine Rotationsbewegung versetzen kann, wobei die Drehbewegung über die Welle 15 übertragen wird, die in der Halterung 13 über das Lager 14 drehbar gelagert ist. Mittels der Antriebseinheit 17 wird die Drehfrequenz bzw. die Wellen-Drehzahl gesteuert. Das Kopplungselement 16 ist so ausgeführt, dass es Vibrationen der Antriebseinheit 17 nicht auf die Welle 15 und die Halterung 13 überträgt. Die Antriebseinheit 17 kann ein Getriebe beinhalten, um ein höheres Drehmoment erzeugen zu können, um eine stabilere Winkelgeschwindigkeit zu erzielen.

[0033] Fig. 2 zeigt eine Aufsicht der Vorrichtung 10 gemäss Fig. 1. Ein Sensor 26 ist fest mit der Halterung 13 verbunden, z.B. eingeschraubt oder angeklebt, und misst die durch die Unwucht hervorgerufenen Schwingungen, welche auf die Halterung 13 einwirken.

[0034] Der Sensor 26 kann insbesondere einen oder mehrere Beschleunigungssensoren umfassen. Der Sensor 26 ist über eine Signalübertragungsleitung 27 mit einer Digitalisierungseinheit 28 verbunden, welche mit einem Rechner 29 verbunden ist. Die Signalübertragungsleitung 27 kann beispielsweise als Kabel ausgebildet sein.

[0035] Auf dem Rechner 29 läuft eine Applikation, welche die Daten von der Digitalisierungseinheit 28 analysiert und die Einheiten umrechnet, z.B. von Spannung [Volt] oder Strom [Ampere] auf Beschleunigung a [in g oder m/s<2>] oder Schwinggeschwindigkeit [m/s]. Die Berechnungsergebnisse können auf einem Display visualisiert werden.

[0036] Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur Prüfung von Sensoren zur Messung einer Beschleunigung oder einer Schwinggeschwindigkeit für Langsamläufer, die gemäss diesem Ausführungsbeispiel als schwingungsgenerierende Vorrichtung ausgebildet ist, in einer teilweise im Schnitt dargestellten Seitenansicht. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Unwucht, die gemäss dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein rotierendes Gestänge 11 ausgebildet ist, an dessen einem Ende eine Masse 12 fixiert wird, um eine gewünschte Kraft zu erzeugen. Gemäss diesem Ausführungsbeispiel ist das Gestänge 11 direkt auf einer Antriebseinheit 17 fixiert, die in einer Halterung 13 gehalten ist. Die Halterung 13 kann auf einer ortsfesten und stabilen Unterlage 19 fixiert sein. Die Halterung 13 ist z.B. als Stahlträger ausgeführt, damit Vibrationen, welche von der Unwucht herrühren, ungedämpft zum Sensor 26, siehe Fig. 4, übertragen werden. Gemäss dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Antriebseinheit 17 beispielsweise als ein Schrittmotor, DC-Motor oder AC-Motor, mit oder ohne nachgeschaltetem Getriebe, ausgebildet. Die Antriebseinheit 17 ist mit dem Gestänge 11 und der Masse 12 verbunden, welche von der Antriebseinheit 17 in eine Rotationsbewegung versetzt werden kann. Über die Antriebseinheit 17 wird die Drehfrequenz bzw. die Wellen-Drehzahl gesteuert.

[0037] Fig. 4 zeigt eine Aufsicht der Vorrichtung 10 gemäss Fig. 3. Ein Sensor 26 ist fest mit der Halterung 13 verbunden, z.B. eingeschraubt oder angeklebt. Der Sensor 26 kann insbesondere einen oder mehrere Beschleunigungssensoren umfassen. Der Sensor 26 misst die durch die Unwucht hervorgerufenen Schwingungen, welche auf die Halterung 13 einwirken. Der Sensor 26 ist über eine Signalübertragungsleitung 27 mit einer Digitalisierungseinheit 28 verbunden, welche mit einem Rechner 29 verbunden ist. Die Signalübertragungsleitung 27 kann beispielsweise als Kabel ausgebildet sein.

[0038] Auf dem Rechner 29 läuft eine Applikation, welche die Daten von der Digitalisierungseinheit 28 analysiert und die Einheiten umrechnet, z.B. von Spannung [Volt] oder Stromstärke [Ampere] auf Beschleunigung a [m/s<2>] oder Schwinggeschwindigkeit v [m/s]. Die Berechnungsergebnisse können auf einem Display visualisiert werden.

[0039] Gemäss jedem der Ausführungsbeispiele können mehrere Sensoren 26 nebeneinander oder gegenüber auf der Halterung 13 angebracht werden, um Vergleichstests durchzuführen.

[0040] Für den Fachmann ist offensichtlich, dass viele weitere Varianten zusätzlich zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne vom erfinderischen Konzept abzuweichen. Der Gegenstand der Erfindung wird somit durch die vorangehende Beschreibung nicht eingeschränkt und ist durch den Schutzbereich bestimmt, der durch die Ansprüche festgelegt ist. Für die Interpretation der Ansprüche oder der Beschreibung ist die breitest mögliche Lesart der Ansprüche massgeblich. Insbesondere sollen die Begriffe „enthalten“ oder „beinhalten“ derart interpretiert werden, dass sie sich auf Elemente, Komponenten oder Schritte in einer nichtausschliesslichen Bedeutung beziehen, wodurch angedeutet werden soll, dass die Elemente, Komponenten oder Schritte vorhanden sein können oder genutzt werden können, dass sie mit anderen Elementen, Komponenten oder Schritten kombiniert werden können, die nicht explizit erwähnt sind. Wenn die Ansprüche sich auf ein Element oder eine Komponente aus einer Gruppe beziehen, die aus A, B, C bis N Elementen oder Komponenten bestehen kann, soll diese Formulierung derart interpretiert werden, dass nur ein einziges Element dieser Gruppe erforderlich ist, und nicht eine Kombination von A und N, B und N oder irgendeiner anderen Kombination von zwei oder mehr Elementen oder Komponenten dieser Gruppe.

Literaturliste:

[0041] [1] http://www.modalshop.com/calibration/Low-Frequency-Calibration-Shaker?ID=409 [2] https://pennstate.pure.elsevier.com/en/publications/application-of-a-lowfrequency-moment-shaker-for-vibration-testing [3] https://www.researchgate.net/publication/271661662_Development_of a_low_frequ ency_shaker_using_MR_dampers [4] http://www.sandv.com/downloads/1105nick.pdf [5] https://wilcoxon.com/wp-content/uploads/2016/07/TN-Low-frequency-machinery-monitoring.pdf [6] https://www.emerson.com/documents/automation/measurement-types-in-machinery-monitoring-en-39660.pdf [7] https://www.itea.org/images/pdf/conferences/2011-Test-Instrumentationpresentations/Freire_forcebalance.pdf

Claims (10)

1. Vorrichtung (10) zur Prüfung eines Sensors (26) zur Messung einer Beschleunigung oder einer Schwinggeschwindigkeit für einen Langsamläufer, umfassend eine Unwucht, welche drehbar in einer ortsfesten Halterung (13) gehalten ist, wobei eine Antriebseinheit (17) mit der Unwucht drehfest verbunden ist, wobei die Unwucht von der Antriebseinheit (17) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) bei der Prüfung auf der Halterung (13) befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Unwucht über eine Welle (15) mit der Antriebseinheit (17) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Antriebseinheit (17) ein Getriebe beinhaltet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Welle (15) mittels eines Kopplungselements (16) mit der Antriebseinheit (17) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei die Welle (15) mittels eines Lagers (14) in der Halterung (13) drehbar gelagert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Lager (14) als Wälzlager oder als Gleitlager ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Unwucht ein drehbares Gestänge (11) und eine am Gestänge (11) befestigte Masse (12) umfasst.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Digitalisierungseinheit (28), wobei der Sensor (26) mittels einer Signalübertragungsleitung (27) mit der Digitalisierungseinheit (28) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, umfassend einen Rechner (29), wobei die Digitalisierungseinheit (28) mit dem Rechner (29) verbindbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Halterung (13) eine Mehrzahl von Sensoren (26) bei der Prüfung angebracht sind.