CN101749544B - 用于诊断流体系统中的噪声的测量装置和方法 - Google Patents

用于诊断流体系统中的噪声的测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

诊断流体系统中的噪声的测量装置和方法，其中至少部分地设置在流介质(22)的区域内并具有用于补偿流介质(22)的压力冲突的装置的麦克风(12)通过薄膜(125)记录噪声，并将其转换成电信号以分析噪声原因，其中麦克风(12)的薄膜(125)设置在一个在薄膜(125)两侧开口的麦克风外壳(124)内，这两个开口(126，127)作为声源通过流介质(22)被施加压力，其中所述两个开口(126，127)中的至少一个设置有滤波器装置，用于减弱或延时与由流介质(22)中的压力波动所产生的频率更高且在期望的噪声频谱内的频率，同时该滤波器装置允许流介质(22)中的压力波动产生的低频通过。

Description

用于诊断流体系统中的噪声的测量装置和方法
技术领域
本发明涉及用于诊断流体系统中与流相关地或者通过从外部传递到流介质中而传播的噪声的测量装置及方法，其中至少部分地设置在流介质区域内并具有用于补偿流介质的压力冲突的装置的麦克风通过薄膜记录噪声，并通过电子诊断单元转换成电信号以分析噪声原因。
背景技术
本发明的应用领域遍及诸如管路或容器这样的流体系统，流介质流过这些管路或者有流介质被贮存在这些容器中。流介质可以包括诸如水或化学试剂这样的液体，或者也可以包括诸如压缩空气或天然气这样的气体。
这种流体的流在气动或液压系统中产生流噪声。同样，噪声也可能从外部通过管路或容器的壁而进入到流介质中。所有这些噪声通常都具有与其产生类型有关的区别特征，因而可通过记录和分析这些噪声，经由分析得出关于其原因的结论。由此，通过可以将测得的噪声与特定的原因相对应，能够确定流系统的特定状态。尤其是如管路振动或者流体流出这样的故障状态能够被精确地确定，这可以实现系统的状态诊断或故障诊断。但是存在噪声或者不存在噪声的情况也已经可以用于诊断目的，例如如果在正常状态下应当闭合的系统中突然出现了流噪声，则这意味着发生了泄漏。
由DE10002826A1给出了一种该类型的用于诊断流系统中的噪声的测量装置。为了确定其中有处于压力下的流介质流过的管路中的泄漏而使用了麦克风，其检测管路区域内所存在的噪声。这些噪声以下述方式通过电子的诊断单元来分析：确定和分析来自通常均匀出现的干扰噪声的频率分量以及在某些情况下对于泄漏噪声来说典型的持续噪声。通过这种方式的滤波，能够执行可靠的声学泄漏位置检测。由于噪声通过流体传导，对这些噪声的测量也可以远离其出现地点进行，从而可以进行远离故障原因的诊断。
与流系统中的噪声相应的声音信号可由设置在管路或容器壁上的固体声
Figure GSB00001069340300021
麦克风记录；但当该麦克风与流介质直接接触时可以进行具体的测量。这样，由此就可以由薄膜将声音信号的压力波动直接转换成薄膜的机械振动，并按照不同原理从机械振动转换成电信号。然而，非常灵敏的薄膜同时施加有流介质的静态压力，其尤其是在由此引起的负荷变化具有强烈的压力波动时，例如在气动的压力活塞进气和排气时，可能会遭到破坏。由于这种原因，与本发明相关联的感兴趣的麦克风(其和流介质直接接触)配备有用于补偿流介质的压力冲突的装置。
由US3989905给出了一种带有冲突抑制的麦克风。在麦克风外壳中，在一个腔体内设置有一个薄膜，该薄膜从前侧出发将这里出现的声波转换成振动，该振动由线圈/磁体系统转换成电信号。为了实现冲突抑制，一个声音通道位于麦克风腔体内，该声音通道将薄膜的背面与正面相连，使得压力波动同时出现在薄膜的两侧，从而不会使薄膜发生偏向或者只有非常小的偏向，以避免遭到损坏。
但是，由于其结构形式还不能将这种麦克风应用于诊断流系统中的噪声。而且，小型化的设计是很昂贵的，因而很难放置到例如气动的管路中。此外，该结构表现得不够牢靠，不足以承受液压系统的高静态负荷变化。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种用于诊断流系统中的噪声的测量装置及方法，所述流系统的麦克风一方面对于可靠检测噪声来说足够灵敏，另一方面也足够牢靠，能够承受强烈的负荷变化。
该任务由下述测量装置和方法解决。
一种用于诊断流体系统中的与流相关地或者通过从外部传递到流介质中而传播的噪声的测量装置，其中至少部分地设置在流介质的区域内并具有用于补偿流介质的压力冲突的装置的麦克风通过薄膜记录噪声，并通过电子诊断单元转换成电信号以分析噪声原因，其中，为了补偿流介质的压力冲突，麦克风的薄膜被设置在一个在薄膜两侧均具有开口的麦克风外壳内，该麦克风外壳的两个开口作为声源通过流介质被施加压力，其中为了采集噪声，所述两个开口中的至少一个设置有滤波器装置，用于对与由流介质中的压力波动所产生的频率相比较高且在所期望的噪声频谱内的频率进行减弱或时间延迟，与此相反，该滤波器装置允许由流介质中的压力波动所产生的低频通过。
一种用于诊断流体系统中的噪声的方法，这些噪声与流相关地或者通过从外部传递到流介质中而传播，其中噪声由至少部分地设置在流介质的区域内并具有用于补偿流介质的压力冲突的装置的麦克风通过薄膜而被记录，并被转换成电信号以分析噪声原因，其中，为了补偿流介质的压力冲突，麦克风的薄膜被设置在一个在薄膜两侧均具有开口的麦克风外壳内，该麦克风外壳的两个开口作为声源通过流介质被施加压力，其中为了采集噪声，所述两个开口中的至少一个设置有滤波器装置，用于对与由流介质中的压力波动所产生的频率相比较高且在所期望的噪声频谱内的频率进行减弱或时间延迟，与此相反，该滤波器装置允许由流介质中的压力波动所产生的低频通过。
本发明给出了以下技术指导：为了补偿流介质的压力冲突，麦克风的薄膜被设置在一个在薄膜两侧均具有开口的麦克风外壳内，该麦克风外壳的两个开口作为声源通过流介质被施加压力，其中为了采集噪声，所述两个开口中的至少一个设置有滤波器装置，用于对与由流介质中的压力波动所产生的频率相比相对较高且在所期望的噪声频谱内的频率进行减弱或时间延迟，与此相反，该滤波器装置允许由流介质中的压力波动所产生的低频通过。
换句话说，建议采用具有两侧开口的麦克风外壳的特殊的麦克风。通过由此施加到薄膜两侧的压力，作用到薄膜两侧的力立即得到平衡，薄膜即使在流系统中存在强烈压力波动的情况下也不会受到损坏。其中对于两侧的开口必须被设计为使得在流系统中出现的压力波动无时间延迟且无不同减弱地出现在薄膜上。尽管现在为了测量通常在比流系统中的压力波动更高的频率范围内的噪声，将滤波器装置分配给所述开口中的至少一个，该滤波器装置允许低频信号-如压力波动-无减弱且无时间延迟地通过，同时对频率较高的信号或特定噪声频率范围内的信号进行减弱或时间延迟。由此，这些具有高频或者位于所希望噪声频率范围内的信号在薄膜的一侧被减弱和/或具有时间延迟。得到下述差信号：
Δp＝p1(t)-p2(t)，
其能够以高灵敏度被检测出来。
优选的是，在生成时间延迟时，将其调整为使得所期望的噪声频率范围恰好具有相对的薄膜另一侧上的相位差p。这相对于标准麦克风设置得到了双倍的灵敏度。
用于对与由流介质中的压力波动所产生的频率相比较高且在期望的噪声频谱范围内的频率进行减弱或时间延迟的滤波器装置能够以后面要详细描述的不同方式实现。原则上，也可以将不同的实施变体彼此结合使用。
根据第一种变体建议：所述滤波器装置通过使麦克风外壳的第一个开口对准声源并使第二个开口对准大致相反的方向而构成，以便在薄膜的与第二个开口相应的一侧实现对声音的传播时间延迟和/或减弱。其中麦克风外壳可设计为实现相应的长度，或者通过连接在前面的通道或管路使开口延长。
根据另一个变体，建议所述滤波器装置通过所述开口的直径差而形成，其中第二个开口的直径比第一个开口的直径小。通过开口的不同直径产生了所希望的滤波效应，因为频率较高的信号通过小直径而被衰减并被延时。如果直径不同，则对于薄膜两侧的信号以不同强度被衰减或延时。这主要是对频率较高的信号起作用，而与此相反，频率较低的信号几乎不受影响。这种效应通过连接在开口前面的上述通道或管路而得以显著增强。管道越长，该效应越明显。
根据另一个变体，建议所述滤波器装置通过分别连接在相邻排列的开口前面的通道而形成不同的长度。通过通道的不同长度，信号经历不同的传播时间延迟，这种传播时间延迟可以被调整，以得到针对特定频率范围的最优时间差p。通过这些与两个开口相对应的不同长度的通道，麦克风外壳的装配位置可以灵活地匹配于已有管路的走向或容器的装配位置。此外，不同长度的通道也可以具有不同的通道横截面。
作为补充的变体，建议最好是穿过软的壁衬铺设这样伸出的通道，以便考虑到对于高频的附加衰减而得到效果增强。作为适当的衰减材料，例如可以考虑采用硬泡沫塑料、柔韧的弹性材料等。
根据一种替代实施例，所述滤波器装置也可以通过放置到两个开口之一中的消音元件而构成。这种消音元件通过蜂窝结构和材料选择吸收高频。对此尤其是适用微孔消音材料。
附图说明
下面借助附图结合对本发明的优选实施例的说明详细描述本发明的其它改进措施。
图1带有气动调节驱动装置的阀门装置的示意图，
图2根据第一种实施变体的用于诊断流系统中的噪声的测量装置的原理侧视图，
图3根据第二种实施变体的用于诊断流系统中的噪声的测量装置的原理侧视图，
图4根据第三种实施变体的用于诊断流系统中的噪声的测量装置的原理侧视图，以及
图5根据第四种实施变体的用于诊断流系统中的噪声的测量装置的原理侧视图。
具体实施方式
根据图1，在一个未进一步示出的工艺技术装置的用片断表示的管路1中安置了一个处理阀2。该处理阀在其内部具有一个与阀座3共同作用的关闭体4，用于控制流过的处理介质5的量。关闭体4由调节驱动装置6通过往复拉杆7线性地驱动。调节驱动装置6通过轭8与处理阀2相连。在轭8上设置了一个位置调节器9。通过位置记录器10，往复拉杆7的往复运动被报告给位置调节器9。所检测到的往复运动在调节单元18内与通过现场总线接口11所传送的额定值进行比较，并根据所确定的调节偏差来操控调节驱动装置6。位置调节器9的调节单元18具有一个I/P转换器，用于将电的调节信号转换成等效的控制压力。调节单元18的I/P转换器通过压力介质导管19调节驱动装置6相连。
在调节驱动装置6的压力介质导管19中设置了麦克风12。麦克风12的声音测量信号由信号检测装置15接收，并在设置在后面的信号处理装置16中被分析。信号处理装置16分配有存储装置17。此外，信号处理装置16为了将诊断结果报告给未示出的上级设备而与现场总线接口11相连。
在符合规定的应用期间，处理阀2根据其工作状态被激励起振。这种激励如上所述可能不同的原因，并导致不同频率范围内的声音表现。这样，几千赫兹范围内的声音信号作为发生泄漏的指示，而低频声音信号表明了处理阀2的振动。
这些声音信号在处理阀2中扩散，并通过直接与处理阀2相连的元件被反馈到调节驱动装置6的压力介质系统19中。其中声音信号首先通过阀门拉杆7传导到调节驱动装置16的薄膜上，并传导到调节驱动装置6的外壳中，它们像大的扬声器薄膜那样把这些信号放大，并进一步传递到压力介质。
尤其是在调节驱动装置6的内部，其中对声音信号的大的放大发生在驱动室的压力介质中。
其中声音信号还扩散到所述调节单元18的I/P转换器和所述调节驱动装置6之间的压力介质导管19内。这里声音信号由麦克风12记录。
根据图2，麦克风12设置在管路23的流介质22的区域内。该麦克风22主要通过内部由金属制成的管状麦克风外壳124组成，其中通部内部横截面可振动地设置薄膜125，用于获取声波。薄膜125通过未详细示出的电转换器装置记录噪声，并将其转换成电信号，所述电信号被传送给电子的诊断单元14，用于分析噪声原因。
为了补偿通过阀门开关过程在流介质32内产生的压力冲突，使得薄膜125设置在其中的麦克风外壳124在两侧开口。由此，可以通过流介质22对两个并排相对的开口126和127施加压力，从实现避免薄膜125损坏的压力平衡。然而，为了在尽管有声音短接的情况下获取噪声，其中的一个开口127设置有滤波器装置，用于对与由流介质中的压力波动所产生的频率相比较高的频率进行减弱和时间延迟。
滤波器装置在这个实施例中被设计为消音元件128，它在开口126的整个横截面上延伸，并由针对高频的多孔声音吸收材料构成。与之不同的是，这个滤波器装置允许由流介质22的压力波动产生的低频不受阻碍地通过，以确保所希望的压力平衡。经由滤波器装置减弱和时间延迟的频率范围位于期望的噪声频谱内，使得对于薄膜125的与开口126相应的一侧出现该频率范围内的压力p1(t)，它不同于在薄膜125的与开口127相应的一侧的压力p2(t)，这样，基于这种位于被滤出的频率范围内的薄膜125两侧的压力差，使薄膜发生振动，从而将噪声转换成机械振动，这种机械振动接着被转换成电信号，被传送给连接在后面的电子分析单元14，用于分析噪声原因。
在图3所示的实施变体中，滤波器装置通过使麦克风外壳124的第一个开口126’对准声源20并使第二个开口127’对准相反方向而形成。由此在薄膜125的与第二个开口127’相应的一侧形成了通过箭头所表示的传播时间延迟。在这里声源23对应于这样的方向：从该方向出发，在未详细示出的流介质中传播的声音出现在麦克风12’上。根据图4，为了实现声音的传播时间延迟并同时使声音减弱，形成管状的麦克风外壳124”，其中第二个开口127”一侧的直径小于第一个开口126”一侧的直径，即d2＜d1。
根据在图5中所示的实施例，滤波器装置通过分别连接在开口126”’和127”’前面的通道21和25而形成不同的长度。通道25比通道21要长许多倍，即l1＜l2，并呈U形弯曲地对准声源24的方向。此外，长的通道25还带有软的壁衬24，以增强过滤效果。
本发明并不局限于上面描述的优选实施变体。而是也可以在后面的权利要求的保护范围内与这些实施变体不同。因此，例如也可以将上述实施变体中的几个变体彼此结合使用，从而在紧凑的结构形式下对麦克风处的位于噪声范围内的频率实现足够的减弱和/或时间延迟。
附图标记列表
1   管路
2   处理阀
3   阀座
4   关闭体
5   处理介质
6   调节驱动装置
7   阀门拉杆
8   轭
9   位置调节器
10  位置记录器
11  现场总线接口
12  麦克风
124 麦克风外壳
125 薄膜
126，127 开口
128 滤波器元件
13  声音测量信号
14  诊断单元
15  信号采集装置
16  信号处理装置
17  存储装置
18  调节单元
19  压力介质导管
20  声源
21，25 通道
22  流介质
23  管路
24  壁衬

Claims (10)

1.一种用于诊断流体系统中的与流相关地或者通过从外部传递到流介质(22)中而传播的噪声的测量装置，其中至少部分地设置在流介质(22)的区域内并具有用于补偿流介质(22)的压力冲突的装置的麦克风(12)通过薄膜(125)记录噪声，并通过电子诊断单元(14)转换成电信号以分析噪声原因，其特征在于，
为了补偿流介质(22)的压力冲突，麦克风(12)的薄膜(125)被设置在一个在薄膜(125)两侧均具有开口的麦克风外壳(124)内，该麦克风外壳的两个开口(126，127)作为声源通过流介质(22)被施加压力，其中为了采集噪声，所述两个开口(126，127)中的至少一个设置有滤波器装置，用于对与由流介质(22)中的压力波动所产生的频率相比较高且在所期望的噪声频谱内的频率进行减弱或时间延迟，与此相反，该滤波器装置允许由流介质(22)中的压力波动所产生的低频通过。
2.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述滤波器装置在薄膜(125)的一侧以相对于薄膜(125)另一侧的一定的相位差产生位于所期望的噪声频谱内的频率。
3.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述滤波器装置通过使麦克风外壳(124)的第一个开口(126’)对准声源(20)并使第二个开口(127’)对准大致相反的方向而形成，以便在薄膜(125)的与第二个开口(127’)相应的一侧实现对声音的传播时间延迟和/或减弱。
4.根据权利要求3的测量装置，其特征在于，为了实现对声音的传播时间延迟和/或减弱，形成管状的麦克风外壳(124)，其中第二个开口(127”’)一侧比第一个开口(126”’)一侧要长。
5.根据权利要求4的测量装置，其特征在于，为了实现对声音的传播时间延迟和/或减弱，所述管状的麦克风外壳(124)在第二个开口(127”’)一侧相对于麦克风外壳(124)在第一个开口(126”’)一侧附带地通过连接在前面的管路或通道而被延长。
6.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述滤波器装置通过开口(126”，127”)的直径差而形成，其中第二个开口(127”)的直径小于第一个开口(126”)的直径。
7.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述滤波器装置通过分别连接在开口(126”’，127”’)前面的不同长度的通道(21，25)而形成。
8.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述滤波器装置通过通道(127)的壁的软的壁衬(24)而增强其效率。
9.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述滤波器装置通过放置在两个开口(126，127)中之一的消音元件(128)而形成。
10.一种用于诊断流体系统中的噪声的方法，这些噪声与流相关地或者通过从外部传递到流介质(22)中而传播，其中噪声由至少部分地设置在流介质(22)的区域内并具有用于补偿流介质(22)的压力冲突的装置的麦克风(12)通过薄膜(125)而被记录，并被转换成电信号以分析噪声原因，其特征在于，
为了补偿流介质(22)的压力冲突，麦克风(12)的薄膜(125)被设置在一个在薄膜(125)两侧均具有开口的麦克风外壳(124)内，该麦克风外壳的两个开口(126，127)作为声源通过流介质(22)被施加压力，其中为了采集噪声，所述两个开口(126，127)中的至少一个设置有滤波器装置，用于对与由流介质(22)中的压力波动所产生的频率相比较高且在所期望的噪声频谱内的频率进行减弱或时间延迟，与此相反，该滤波器装置允许由流介质(22)中的压力波动所产生的低频通过。
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