DE102004039140B4

DE102004039140B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Drehschwingungen

Info

Publication number: DE102004039140B4
Application number: DE102004039140A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ritz
Original assignee: Hasse and Wrede GmbH
Current assignee: Hasse and Wrede GmbH
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2024-08-13
Also published as: DE102004039140A1; WO2005017471A1

Abstract

Verfahren zur Messung von Drehschwingungen an rotierenden Teilen mit Hilfe von Signalgebern (1), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
• Bearbeiten von Messsignalen eines Signalgebers (1) durch Umwandeln von jeweils ansteigenden aufeinanderfolgenden Signalflanken (20, 21) in verformte Signalflanken von zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignalen (3);
• Erfassen eines ersten Messsignalpegels (P₁) einer verformten ansteigenden Signalflanke bei zeitäquidistanter Abtastung (4) von bearbeiteten Messsignalen einer Messsignalfolge (m);
• Erfassen eines zweiten Messsignalpegels (P₂) einer verformten ansteigenden Signalflanke des nächstfolgenden bearbeiteten Messsignals bei zeitäquidistanter Abtastung der Messsignalfolge (m);
• Errechnen von zwei Zeitspannen (Δt_s1, Δt_s2) zwischen der jeweiligen Startzeit (t_s1, t_s2) jedes einzelnen bearbeiteten Messsignals und dem jeweiligen Abtastzeitpunkt (t_a1, t_a2) der beiden erfassten Messsignalpegel (P₁, P₂)
• Bilden einer Differenz der beiden Zeitspannen (Δt_s1, Δt_s2) und Addieren von Zeitspannen (Δt) der Abtastzyklen zwischen den beiden erfassten Messsignalpegeln (P₁, P₂) zu einem ermittelten Zeitintervall (I), das proportional zur Drehgeschwindigkeit...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Drehschwingungen an rotierenden Teilen mit Hilfe von Signalgebern insbesondere zur Überwachung und Optimierung von Drehschwingungsdämpfern.
Drehschwingungsdämpfer werden bei Großmotoren eingesetzt und stehen mit der Kurbelwelle in Wirkverbindung, um Drehschwingungen, die sich auf der Kurbelwelle ausbilden, nicht auf die Abtriebswellen nachfolgender Maschinenteile zu übertragen. Durch derartige Drehschwingungsdämpfer ist es möglich, störungsfreie Laufzeiten von mehreren Zehntausend Betriebsstunden zu gewährleisten. Um einerseits Drehschwingungen an Kurbelwellen zu ermitteln und andererseits die Wirkungsweise von Drehschwingungsdämpfern ständig zu überwachen, damit bei Ausfällen schnell eingegriffen werden kann, ist es erforderlich, rechtzeitig und frühzeitig Drehschwingungen an rotierenden Teilen zu erkennen und zu beheben, bevor ganze Antriebsaggregate und/oder Abtriebsmaschinen beschädigt werden oder ausfallen.
Ein bekanntes Messverfahren zur Messung von Drehschwingungen an rotierenden Teilen wird mit Bezug auf die anliegende 1 näher erläutert. In senkrechter Richtung ist Messignalpegel P beziehungsweise eine Amplitude, und in waagerechter Richtung eine Zeitachse t aufgetragen. Ein hier nicht dargestellter Signalgeber 1 (siehe 6), beispielsweise ein Inkrementalgeber, der als Messwertaufnehmer mit einem rotierenden Teil eines Drehschwingungsdämpfers 40 (siehe 6) zusammenwirkt, liefert eine Messsignalfolge m mit einer vorbestimmten Anzahl von Messsignalen m₁, m₂, beispielsweise im bekannten TTL-Format, mit ansteigenden steilen, aufeinanderfolgenden Signalflanken 20, 21 pro Umdrehung des rotierenden Teils. Hier sind der Übersichtlichkeit halber nur zwei aufeinanderfolgende Messsignale m₁, m₂ dargestellt. Das Signal ist ein bekanntes Rechtecksignal und weist ebenfalls einen bekannten Verlauf seiner Amplitude auf, der aus einer steil ansteigenden Flanke, einem mehr oder weniger konstant verlaufenden sich anschließenden Abschnitt, der auch Plateau genannt wird, und einer abstei genden Flanke besteht. Im Weiteren werden aufeinanderfolgende Messsignale als Messsignalfolge und deren aufeinanderfolgende ansteigende oder absteigende Signalflanken als Signalflankenfolge bezeichnet.
Der zeitliche Abstand dieser aufeinanderfolgenden Signalflanken 20, 21 ist proportional zur Drehgeschwindigkeit. Durch die Messung und Aufzeichnung der Drehgeschwindigkeit können die gesuchten Drehschwingungen ermittelt werden, welche sich in Unregelmäßigkeiten der Drehgeschwindigkeit zeigen.
In dem in 1 gezeigten Standardverfahren wird daher zur Messung der Zeit, das heißt der Drehgeschwindigkeit, zwischen den zwei aufeinanderfolgenden Signalflanken 20 und 21 die Anzahl von zeitäquidistanten Abtastintervallen T₀ bis T₅ eines mit konstanter Frequenz schwingenden Oszillators gezählt. Dieses Oszillatorsignal ist unterhalb der Messsignalfolge m dargestellt. Da die Schwingfrequenz des Oszillators konstant und bekannt ist, kann durch eine zeitäquidistante Abtastung 4, welche beispielsweise durch Anstiegsflanken des Oszillatorsignals festgelegt ist, und die Anzahl der zeitäquidistanten Abtastintervallen T₀ bis T₅ auf die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalflanken 20 und 21 geschlossen werden. Hierbei stimmen Abtastzeitpunkte ta₁ und ta₂ eines ersten und zweiten Signalpegels des jeweiligen Messsignals m₁, m₂ jeweils mit den aufeinanderfolgenden Signalflanken 20, 21 überein, wobei die Höhe des ersten und zweiten Signalpegels hier gleich sind.
Eine derartige Zeitmessung mittels eines Oszillators und eines Zählers für die zeitäquidistanten Abtastintervalle T₀ bis T₅ hat den Nachteil, dass einerseits eine relativ kostenintensive hochfrequente Oszillatorschaltung erforderlich ist, um die Messung präzise durchzuführen und andererseits aufwendige Digitalzähler einzusetzen sind, um die zu messenden Zeitintervalle zwischen zwei aufeinanderfolgende Signalflanken 20, 21 festzustellen. Darüber hinaus hat dieses Verfahren den Nachteil, dass die Messgenauigkeit begrenzt ist, da kleinere Zeiten als eine Zeitspanne zwischen zwei zeitäquidistanten Abtastintervallen T₀ bis T₅ nicht erfassbar sind. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen und damit die Zeitspanne zwischen zwei zeitäquidistanten Abtastintervallen T₀ bis T₅ zu verkürzen, muss die Abtast- oder Schwingfrequenz der hochfrequenten Oszillatorschaltung weiter erhöht werden, und damit werden die Kosten steigen, zumal sich auch der Aufwand zur Einhaltung der Normen der so genannten elektromagnetischen Verträglichkeit erhöht.

Die Patentschrift DE 35 09 763 C2 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Messung des Drehmoments, bei welcher durch Verwendung von zwei auf einer oder auch verschiedenen Wellen befestigter Signalgeber bei Drehung der Welle Anfangssignale gewonnen werden, die mittels Verstärker und Pulsformer in jeweils eine Pulsfolge umgewandelt werden. Dabei entstehen zwei Rechtecksignale, aus denen ein neues Signal erzeugt wird, dessen Frequenz der Summen- oder Differenzfrequenz der Frequenzen der beiden Anfangssignale entspricht. Dann werden diese drei Signale zeitlich in eine bestimmte Beziehung gesetzt, was zum Beispiel durch einen Frequenzteiler mit einer Phasenregelschleife erfolgt. WEiterhin wird eine Multiplikation der Signale und anschließend eine Integration vorgenommen. Durch Filterung wird ein Ergebnis erhalten, das auch durch Spektralanalyse der multiplizierten Signale erhalten werden kann. Eine Beschreibung der Bearbeitung der Signale durch ein RC-Glied nach einer Schmitt-Trigger-Anwendung erfolgt nicht.

Die US 5,033,305 beschreibt ein digitales Torsionsmeter, bei welchem die Quantität der Datenmengen zur Auswertung verringert wird. Es wird ein Signal abgeleitet, gespeichert und analysiert, wobei nur bestimmte Abschnitte des Signals verwendet werden. Weiterhin ist ein System zur Überwachung der Bewegung eines rotierenden Teils einer Maschine beschrieben, welches mit der oben erwähnten Datenreduzierung arbeitet.

Ein weiteres Beispiel zur Illustration gibt die US 5,824,890 , die eine Vorrichtung zur Feststellung von Fehlzündungen bei einer Verbrennungsmaschine beschreibt. Ein Signalgeber liefert sein Signal in Abhängigkeit von einem rotierenden Teil, zum Beispiel der Kurbelwelle, der Maschine über einen Filter an eine Auswerteeinheit. Gleichzeitig wird ein Signal eines Drucks in einem Ansaug- bzw. Auslasskrümmer der Verbrennungsmaschine zur Auswertung von Fehlzündungen herangezogen.

Die EP 1 203 270 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung von Drehschwingungen einer Verbrennungsmaschine, wobei anhand von Messsignalen von Signalgebern hinsichtlich der Drehzahl der Kurbelwelle der Maschine eine Störgrößenaufschaltung bei einem Regelkreis nach dem Prinzip der lernenden Störgrößenaufschaltung erfolgt. Anhand einer Abweichung der zwischen dem Messsignal als Abtastwert liegenden Abtastzeit bei der Ist-Drehzahl von der Abtastzeit bei einer in der Regel von der Soll-Drehzahl bestimmten konstanten oder mittleren Drehzahl werden aus einer Drehzahlungleichförmigkeit diskrete Störgrößenwerte einer Störperiode der entsprechenden Drehmomentungleichförmigkeit ermittelt. Daraus wird dann ein Wert für einen Generator ermittelt, der ein Gegenmoment gegen die Störungen erzeugt und auf die Maschine aufbringt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges Verfahren und eine kostengünstige Vorrichtung zur Messung von Drehschwingungen anzugeben, wobei die Präzision der Messergebnisse gegenüber dem oben erwähnten herkömmlichen Verfahren verbessert ist, so dass eine möglichst genaue Messung des zeitlichen Abstandes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalflanken 20, 21 trotz des Einsatzes eines herkömmlichen Inkremental- beziehungsweise Signalgebers und trotz Verminderung der Schwingfrequenz einer Oszillatorschaltung zur Abgabe zeitäquidistanter Abtastintervalle ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Messung von Drehschwingungen an rotierenden Teilen mit Hilfe von Signalgebern angegeben. Das Verfahren weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst werden ansteigende Signalflanken von Messsignalen eines Signalgebers in verformte ansteigende Signalflanken von zeitlich ansteigenden Messsignalen bearbeitet beziehungsweise umgewandelt. Anschließend wird ein Messsignalpegel der verformten Anstiegsflanke bei zeitäquidistanter Abtastung der bearbeiteten Messsignalfolgen erfasst. Danach wird ein zweiter Messsignalpegel des nächstfolgenden Messsignals bei zeitäquidistanter Abtastung der Messsignalfolge erfasst. Anhand der beiden erfassten Messsignalpegel der verformten Anstiegsflanken der zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignale werden zwei Zeitspannen zwischen der jeweiligen Startzeit des Messsignals und dem jeweiligen Abtastzeitpunkt errechnet. Abschließend wird eine Differenzbildung der beiden Zeitspannen durchgeführt und dazu die Anzahl der Zeitspannen der Abtastzyklen zwischen den beiden erfassten Messsignalpe geln addiert. Aus dieser Berechnung von Differenzbildung und Addition ergibt sich ein ermitteltes Zeitintervall, das proportional zur Drehgeschwindigkeit des rotierenden Teils ist. Der Signalgeber ist vorzugsweise als Inkrementalgeber ausgebildet, wobei ein analoger Geber ebenfalls verwendbar ist um die Signale in geeignete Formen, beispielsweise TTL-Signale, zu bearbeiten beziehungsweise umzuwandeln.

Ein Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass durch das Umwandeln beziehungsweise Bearbeiten von Signalflanken der Messsignale eines Signalgebers in verformte Anstiegsflanken von zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignalen die Möglichkeit besteht, analog und damit stetig Zeitspannen zu ermitteln, welche präziser erfasst werden, als bei der digitalen bekannten Abtastmethode. Da die verformten Anstiegsflanken des zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignals völlig gleichmäßig ausfallen, kann die Zeitspanne zwischen der Startzeit des Messsignals und dem Abtastzeitpunkt des Messsignals sehr präzise ermittelt werden. Zum Prinzip wird aus der ermittelten Amplitude zum Abtastzeitpunkt des Einsetzen des Flankenanstiegs zurückermittelt. Die zwischen zwei Signalflanken liegenden Abtastzeitspannen liefern keinen Beitrag zum Messsignalpegel und können somit das analoge Messergebnis nicht verfälschen.

Da die ermittelten Zeitintervalle proportional zur Drehgeschwindigkeit des rotierenden Teils sind, können diese Zeitintervalle zur Erfassung von Drehschwingungen ausgewertet werden.

In einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden die analog ermittelten Zeitintervalle mit Hilfe eines A/D-Wandlers digitalisiert. Danach können die ermittelten Zeitintervalle digital ausgewertet, weiterverarbeitet und/oder digital angezeigt werden. Derartig A/D-Wandler sind preiswert erhältlich und kostengünstiger einsetzbar, als hochauflösende, hochfrequente Zählkarten.

In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens werden die Signalflanken des Inkrementalgebers vor einer Umwandlung in verformte Anstiegsflanken von zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignalen mit Hilfe eines Schmitt-Triggers in definierte Rechtecksignale gewandelt. Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil, dass die Rechtecksignale des Schmitt-Triggers, die von den Signalflanken des Signalgebers ausgelöst werden, sowohl in ihrer Impulsdauer als auch in ihren Flanken eigenschaften konstanter sind, als die von dem Signalgeber stammenden Signalflanken. Folglich hat diese Verfahrensvariante den Vorteil, dass eine so genannte Impulsverformung dieser Rechtecksignale des Schmitt-Triggers in verformte Anstiegsflanken von zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignalen zeitlich gleichbleibend und konform ansteigende Messsignale liefert, so dass aus dem Abtastzeitpunkt und dem Signalpegel der verformten bearbeiteten Anstiegsflanken präzise auf eine Zeitspanne zwischen Startzeit des Messsignals und Abtastzeitpunkt für diesen Signalpegel geschlossen werden kann.

In einem weiteren Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Anstiegsflanken der Rechtecksignale des Schmitt-Triggers mit Hilfe eines RC-Gliedes in verformte Anstiegsflanken von zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignalen gewandelt. Derartige aus einem Widerstand R und einer Kapazität C aufgebauten passiven Schaltungskomponenten sind für das Verfahren besonders dann geeignet, wenn ihre elektrischen Parameter temperaturstabil bleiben oder temperaturstabilisiert sind.

Um die zeitliche Auflösung bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren zu erhöhen, kann das zeitlich ansteigende bearbeitete Messsignal mittels eines Operationsverstärkers proportional verstärkt werden.

Vorzugsweise wird für eine zeitäquidistante Abtastung eine Oszillatorschaltung eingesetzt, deren Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch ist, wie die höchstmögliche Messfrequenz des Signalgebers und das Dreifache dieser Messfrequenz nicht übersteigt. Bei dieser Durchführungsform des Verfahrens ergibt sich der Vorteil, dass relativ niederfrequente Oszillatorschaltungen einsetzbar sind, wobei unter der höchstmöglichen Messfrequenz des Signalgebers die Frequenz verstanden wird, die bei der höchstmöglichen Drehzahl des rotierenden Teils auftritt. Durch die mindestens doppelt so hohe Abtastfrequenz wird gewährleistet, dass innerhalb von zwei Abtastzyklen bei höchster Drehzahl des rotierenden Teils in jedem zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignal mindestens ein Abtastzeitpunkt liegt. Mit der Beschränkung auf eine Oszillatorschaltung, die das Dreifache der Messfrequenz nicht übersteigt, ist der Vorteil verbunden, dass trotz der hohen zeitlichen Auflösung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung von Drehschwingungen die Oszillatorschaltung mit einem relativ niedrig getakteten kostengünstigen Oszillator auskommt.

Eine Messvorrichtung zur Erfassung und Überwachung von Drehschwingungen rotierender Teile weist einen Signalgeber auf, der Messsignale mit Anstiegsflanken in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der rotierenden Teile liefert. Darüber hinaus weist die Messvorrichtung einen Schmitt-Trigger auf, der normierte Rechteckimpulse ausgibt. In Reihe mit dem Schmitt-Trigger ist ein RC-Glied geschaltet, das eine verformte Anstiegsflanke bei jeder Anstiegsflanke der Rechteckimpulse des Schmitt-Triggers liefert. Dieses verformte, so bearbeitete Messsignal mit der so genannten zeitvarianten Anstiegsflanke kann proportional durch einen Operationsverstärker verstärkt werden, um die Zeitauflösung zu verbessern.

Neben diesen in Serie geschalteten Komponenten einer Messvorrichtung zur Erfassung und Überwachung von Drehschwingungen rotierender Teile, weist diese eine Oszillatorschaltung auf, die zeitäquidistante Abtastsignale erzeugt und damit die Messvorrichtung triggert. Sowohl die zeitäquidistanten Abtastsignale der Oszillatorschaltung als auch die zeitvarianten Anstiegsflanken der RC-Glieder werden an eine analoge Auswerteschaltung geliefert, die aus diesen Signalen Zeitintervalle ermittelt, welche proportional zur Drehgeschwindigkeit des rotierenden Teils sind.

Eine derartige Messvorrichtung hat den Vorteil, dass sie kompakt aufgebaut ist, kostengünstig herstellbar ist und sowohl als stationäre Messstation als auch als mobile Messvorrichtung im Feldeinsatz verwendet werden kann. Aufgrund der Kompaktheit, der Präzision und der geringen Kosten der Messvorrichtung, kann sie zusätzlich zu den Drehschwingungsdämpfern als ständige Überwachungseinheit geliefert werden, um sicherzustellen, dass bei Versagen des Drehschwingungsdämpfers rechtzeitige Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können, bevor eine schwere Antriebsmaschine größere Schäden verursacht.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Messvorrichtung eine digitale Auswerteschaltung aufweisen, die dem A/D-Wandler nachgeschaltet ist und mit diesem zusammenwirkt. Diese digitale Auswerteschaltung kann Drehschwingungen ermitteln, wenn Schwankungen beim Vergleich der ermittelten digitalisierten Zeitintervalle der Messvorrichtung auftreten. Wenn diese Schwankungen vorgegebene Grenzwerte überschreiten, kann rechtzeitig eine Wartung oder eine Instandsetzung des Antriebsaggregats und insbesondere des Drehschwingungsdämpfers veranlasst werden.

Wie bereits oben bei dem Verfahren beschrieben, weist die Messvorrichtung eine Oszillatorschaltung auf, die eine Abtastfrequenz besitzt, die mindestens doppelt so hoch ist wie die höchstmögliche Messfrequenz des Inkrementalgebers und das Dreifache dieser Messfrequenz nicht übersteigt. Diese Beschränkung der Abtastfrequenz auf das Doppelte beziehungsweise Dreifache der maximalen Messfrequenz des Inkrementalgebers stellt sicher, dass diese Messfrequenz mit Oszillatorschaltungen auskommt, die relativ niedrige Schwingungsfrequenzen aufweisen.

Die Messvorrichtung kann sicher vor Umwelteinflüssen und kompakt in ein Gehäuse eingebaut sein, wobei das Gehäuse die Messvorrichtung aufnimmt, welche mindestens einen Schmitt-Trigger, ein RC-Glied, einen Operationsverstärker, eine Oszillatorschaltung sowie eine analoge Auswerteschaltung aufweist. Auch der A/D-Wandler kann in das Gehäuse. integriert sein. Darüber hinaus weist das Gehäuse einen Messeingangsanschluss an, an den der Inkrementalgeber anschließbar ist und mindestens einen Messausgangsanschluss, an den eine digitale Auswerteschaltung anschließbar ist. Ein derartiges Gehäuse hat den Vorteil, dass die Hauptkomponenten Komponenten der Messvorrichtung kompakt in dem Gehäuse untergebracht sind und somit ein mobiler Einsatz für die Messvorrichtung möglich wird.

Die Erfindung ist nachfolgend, anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Diagramme und Figuren erläutert. Es zeigt:
1 ein Diagramm, welches das Messprinzip eines herkömmlichen Verfahrens zur Messung von Drehschwingungen zeigt,
2 ein prinzipielles Diagramm, das die Auswertung eines Messpegels eines Messsignals zur Erfassung einer Zeitspanne demonstriert,
3 ein prinzipielles Diagramm zur Erfassung eines Zeitintervalls zwischen zwei Signalflanken gemäß dem Messverfahren der vorliegenden Erfindung,
4 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
5 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Messvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt ein Diagramm, welches das Messprinzip eines herkömmlichen Verfahrens zur Messung von Drehschwingungen zeigt. Dieses Verfahren wurde bereits eingehend erörtert, so dass sich eine weitere Diskussion der 1 erübrigt.
2 zeigt ein prinzipielles Diagramm, bei welchem auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate ein Messpegel P aufgetragen ist. Das Diagramm zeigt ein zeitlich ansteigendes bearbeitetes beziehungsweise umgewandeltes Messsignal 3, welches eine zeitvariante Anstiegsflanke 10 als Anstiegsflanke aufweist. Der Begriff „zeitvariant" bedeutet, dass der Verlauf dieser Anstiegsflanke beziehungsweise der Amplitude des Messsignals 3 keinen konstanten Steigungswinkel aufweist, wie dieses bei einer idealen Anstiegsflanke 20, 21 der Fall ist, sondern dass sich der Steigungswinkel des Verlaufs der Amplitude des Messsignals 3 zeitlich ändert, wie es zum Beispiel bei dem bekannten zeitlichen Verlauf des Ladens oder Entladens eines Kondensators über einen Widerstand der Fall ist.
Die zeitvariante Anstiegsflanke 10 startet in einem ersten Zeitpunkt als eine erste Startzeit t_s1, die mit dem Zeitpunkt einer ansteigenden Signalflanke, beispielsweise der ersten der aufeinanderfolgenden Signalflanken 20, 21 der oben erwähnten Messsignalfolge m (siehe 1) eines Signalgebers 1, beispielsweise eines Inkrementalgebers (siehe 6), ausgelöst wird. Der Messpegel P des von dieser ersten Startzeit t_s1 ausgehenden zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignals 3 ist zeitabhängig normiert, so dass beim Abtastzeitpunkt t_a1 des ersten Signalpegels hier der erste Signalpegel ein erster Messsignalpegel P₁ ein Maß beziehungsweise Kriterium für eine erste Zeitspanne Δt_s1 zwischen der ersten Startzeit t_s1 und dem Abtastzeitpunkt t_a1 des ersten Signalpegels liefert. Durch die zeitäquidistante Abtastung 4 von Abtastzeitpunkten, die keinerlei Messsignalpegel unterschiedlich vom Null-Pegel liefern, werden Zeitspannen Δt ermittelt, die verstreichen bis ein nachfolgendes bearbeitetes Messsignal mit einer weiteren zeitvarian ten Anstiegsflanke auftritt. Eine Zeitspanne Δt ist die Zeit zwischen zwei zeitäquidistanten Abtastungen 4 und wird auch als Abtastzyklus bezeichnet.
3 zeigt ein prinzipielles Diagramm zur Erfassung eines Zeitintervalls I zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalflanken 20 und 21 gemäß dem Messverfahren der vorliegenden Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in 2 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht gesondert erörtert. Die aufeinanderfolgenden Signalflanken 20 und 21 werden erfindungsgemäß über einen Schmitt-Trigger 6 (siehe 4 bis 6) bearbeitet und über ein mit dem Schmitt-Trigger 6 zusammenwirkendes RC-Glied 7 (siehe auch 4 bis 6) in die zeitvariante Anstiegsflanke 10 beziehungsweise eine zeitvariante Anstiegsflanke 30 des darauffolgenden Signals umgewandelt beziehungsweise bearbeitet. Durch den Schmitt-Trigger 6 werden die aufeinanderfolgenden Messsignale m₁, m₂ in bekannter Weise normiert, das heißt, die aufeinanderfolgenden Signalflanken 20 und 21 verlaufen einheitlich und die Höhe der Pegel der aufeinanderfolgenden Signale ist gleich, so dass auch die zeitvarianten Anstiegsflanken 10 und 30 vollständig identisch sind.
Während die zeitvariante Anstiegsflanke 10 in dem Diagramm der 3 zur ersten Startzeit t_s1 beginnt, beginnt die zeitvariante Anstiegsflanke 30 zu einer zweiten Startzeit t_s2. Eine zeitäquidistante Abtastung 4 ist dieser Messsignalfolge m überlagert, so dass sich eine erste Zeitspanne Δ t_s1 ergibt, die zu einer zur Anstiegsflanke 30 korrespondierenden zweiten Zeitspanne Δ t_s2 unterschiedlich ausfällt. Die erste Zeitspanne Δ t_s1 wird durch die erste der aufeinanderfolgenden Signalflanken 20 des ersten zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignals 3 zur ersten Startzeit t_s1 ausgelöst und dauert bis zu dem ersten Abtastzeitpunkt t_a1 des ersten Signalpegels. Dieser erste Signalpegel ist hier als der erste Messsignalpegel P₁ bezeichnet. Die zweite Zeitspanne Δ t_s2 wird durch die zweite der aufeinanderfolgenden Signalflanken 21 des zweiten zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignals 3 zur zweiten Startzeit t_s2 ausgelöst und dauert bis zu dem zweiten Abtastzeitpunkt t_a2 des zweiten Signalpegels. Dieser zweite Signalpegel ist hier als ein zweiter Messsignalpegel P₂ bezeichnet.
Bei der in 3 gezeigten Abfolge von zeitäquidistanten Abtastungen 4 ergibt sich das Zeitintervall I, welches proportional zur Drehgeschwindigkeit des rotierenden Teils ist, aus dem nachfolgenden Ausdruck: I = 2Δt + Δts1 – Δts2.
Die Zeitspannen Δt der Abtastzyklen zwischen zwei messbaren ersten und zweiten Messsignalpegeln P₁ und P₂ können ein Vielfaches der Zeitspanne Δt betragen, so dass sich allgemein die Formel für das Zeitintervall I ergibt: I = n·Δt + Δts1 – Δts2,wobei n eine ganze Zahl ist und die Anzahl der Abtastzyklen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messsignalen darstellt.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich aus dem funktionalen Zusammenhang zwischen einem Signalpegelanstieg der zeitvarianten Anstiegsflanke 10 und dem gemessenen ersten Messsignalpegel P₁ selbst die erste Zeitspanne Δt_s1 zwischen der ersten Startzeit t_s1 und dem Abtastzeitpunkt t_a1 des ersten Signalpegels ermitteln läßt. Durch die zeitäquidistante Abtastung 4 einer Messsignalfolge m von Messsignalen erhält man zunächst eine Folge von Werten nahe Null bis ein Wert auftritt, welcher signifikant größer als Null ist, da er den ersten Messsignalpegel P₁ in dem Abtastzeitpunkt t_a1 des ersten Signalpegels darstellt. Zur Ermittlung des Zeitintervalls in einer Signalflankenfolge 2, das heißt bei einer Folge von aufeinanderfolgenden Signalflanken 20, 21 von Messsignalen werden die Anzahl der Abtastzyklen und ihre Zeitspannen Δt zwischen zwei Messungen mit signifikantem Signal mit den zugehörigen Zeitspannen Δt_s1 und Δt_s2 verrechnet.
Mit dieser Erfindung werden die üblicherweise verwendeten TTL-Signalflanken, welche weitgehend ein rechtförmiges Signal liefern, in zeitlich nicht konstante Signale umgewandelt, so dass nicht nur die ansteigenden Signalflanken dieser rechteckförmigen Signale selbst, sondern auch deren jeweilige zeitabhängigen Signalpegel P zur Auswertung und Bestimmung des Zeitintervalls I, das proportional zur Drehgeschwindigkeit des rotierenden Teils ist, herangezogen werden.
4 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese Messvorrichtung weist einen Messeingangsanschluss 14 auf, dem Messsignale mit Signalflanken eines hier nicht gezeigten Signalgebers 1 beziehungsweise Inkrementalgebers zugeführt werden. Diese Messsignale werden danach in einem Schmitt-Trigger 6 in ein definiertes Rechtecksignal gewandelt und bereits verstärkt, da der Schmitt-Trigger 6 gleichzeitig in bekannter Weise als Operationsverstärker wirkt. Anschließend wird mittels eines RC-Gliedes 7 aus einem Widerstand R und einer Kapazität C das Rechtecksignal derart gedämpft beziehungsweise so verändert beziehungsweise bearbeitet, dass die Anstiegsflanke des Messsignals zu einer wie oben erläuterten zeitvarianten Anstiegsflanke verändert wird. Dieser Vorgang ist als eine so genannte Impulsverformung bekannt. Hierbei wirkt das RC-Glied 7 als ein Integrator des Messsignals. Es ist jedoch so ausgelegt, dass nur die ansteigende Flanke einen Verlauf einer so genannten Ladekurve eines Kondensators erhält. Das so bearbeitete Messsignal kann wiederum durch einen nachgeschalteten Operationsverstärker 8 verstärkt werden. Das sich daraus ergebende analoge Signal für die Messsignalpegel aufeinanderfolgender Signalflanken wird in einem nachgeschalteten A/D-Wandler 5 digitalisiert und kann nun mittels bekannter digitaler Rechentechnik weiter verarbeitet werden, indem an den Messausgangsanschluss 15 eine entsprechende hier nicht gezeigte digitale Auswerteschaltung angeschlossen wird.
5 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Messvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Ein Signalgeber 1 beziehungsweise Inkrementalgeber, der mit einem rotierenden Teil zur Überwachung von Drehschwingungen zusammenwirkt, liefert über die Zuleitung 22 Messsignale in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des rotierenden Teils an einen Messeingangsanschluss 14 des Gehäuses 13 der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Derartige Messsignale sind jedoch keine für das erfindungsgemäße Messverfahren geeigneten normierten Rechtecksignale, deren Anstiegsflanken in zeitvariante Anstiegsflanken umgewandelt beziehungsweise bearbeitet werden können. Die Messsignale werden in dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung einem Schmitt-Trigger 6 über eine interne Verbindung, beispielsweise eine erste Leiterbahn 23 einer gedruckten Schaltung oder Platine, zugeführt, der einerseits Rechteckimpulse generiert und andererseits eine Signalverstärkung bewirkt. Hierbei ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur schematisch die jeweilige signalführende Verbindung, nicht jedoch eine zugehörige Masseverbindung gezeigt.
Die verstärkten normierten Rechteckimpulse des Schmitt-Triggers 6 werden über eine interne zweite Leiterbahn 24 einem RC-Glied 7 zugeführt, das die Anstiegsflanken der definierten Rechteckimpulse in zeitlich ansteigende bearbeitete Mess signale mit zeitvarianten Anstiegsflanken umwandelt. Diese zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignale werden über eine interne dritte Leiterbahn 25 an einen Operationsverstärker 8 geliefert. Dieser Operationsverstärker 8 verstärkt proportional die bearbeiteten Messsignale und liefert die bearbeiteten Messsignale über eine interne vierte Leiterbahn 26 an eine analoge Auswerteschaltung 11. Diese analoge Auswerteschaltung 11 wird von einer Oszillatorschaltung 9 getriggert, die zeitäquidistante Abtastsignale erzeugt und über eine interne fünfte Leiterbahn 27 der analogen Auswerteschaltung 11 zuführt. Die analoge Auswerteschaltung 11 liefert ein analoges Signal, das dem Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messsignalen entspricht und somit ein Maß für die Drehgeschwindigkeit des mit dem Inkrementalgeber zusammenwirkenden rotierenden Teils ist. Dieses Signal wird nun über eine weitere sechste Leiterbahn 28 an einen A/D-Wandler 5 geliefert. Dieser A/D-Wandler 5 wandelt das analoge Signal der ermittelten Zeitintervalle in ein digitalisiertes Signal um und liefert das digitalisierte Signal der ermittelten Zeitintervalle über eine andere interne siebente Leitung 29 an den Messausgangsanschluss 15 des Gehäuses 13, an den eine externe digitale Auswerteschaltung 12 über eine Verbindungsleitung 31 angeschlossen ist. Über die gleiche Verbindungsleitung 31 wird das zeitvariante Abtastsignal der Oszillatorschaltung 9 über eine interne Verbindungsleitung 32 geliefert, um in der digitalen Auswerteschaltung 12 die ermittelten Zeitintervalle in Bezug auf mögliche Drehschwingungen weiterzuverarbeiten, auszuwerten und anzuzeigen.
Durch den modularen Aufbau der Messvorrichtung aus einem kompakten Gehäuse 13 mit den Hauptkomponenten der Messvorrichtung und dem über die Zuleitung 22 zuschaltbaren externen Inkrementalgeber 1, der unmittelbar mit dem rotierenden Teil zusammenwirkt sowie der externen digitalen Auswerteschaltung 12 mit entsprechender Rechnerkapazität ist gewährleistet, dass diese Messvorrichtung auch mobil eingesetzt werden kann. Die Zuleitung 22, sowie die Verbindungsleitung 31 können auch über Infrarotschnittstellen oder Sende- und Empfangsanlagen mit dem Messeingangsanschluss 14 beziehungsweise dem Messausgangsanschluss 15 des Gehäuses 13 gekoppelt werden, so dass eine höhere Flexibilität für den Einsatz der Messvorrichtung erreicht werden kann. Auch ist es möglich, in einem Multiplexverfahren über die Komponenten in dem kompakten Gehäuse 13 mehrere Inkrementalgeber für unterschiedliche Antriebssysteme anzuschließen und deren Messwerte digital auszuwerten und digital zu überwachen.
Ein Beispiel zur Veranschaulichung des Aufbaus einer möglichen erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt 6 dar. Der Signalgeber 1, vorzugsweise ein Inkrementalgeber steht mit einem nicht dargestellten rotierenden Teil eines Drehschwingungsdämpfers 40 in Wirkzusammenhang und liefert Messsignale. Diese Messsignale sind der Drehgeschwindigkeit des rotierenden Teils proportional. Sie sind vorzugsweise rechteckförmig. Sie werden mittels eines Schmitt-Triggers 6 in normierte Rechtecksignale wie oben beschrieben umgewandelt, dem ein RC-Glied 7 nachgeschaltet ist, welches eine Impulsverformung des Signals vornimmt. Dieses so bearbeitete Signal liegt in einer analogen Form vor und wird nun von einem A/D-Wandler 5 in ein digitales Signal umgewandelt, das von einer digitalen Auswerteschaltung 12 digital weiterverarbeitet wird. Dabei erfolgt eine Bearbeitung der Signale dergestalt, dass bearbeitete Messwerte von auftretenden Drehschwingungen gebildet werden, die zu Anzeige beziehungsweise zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt werden.

1: Signalgeber
2: Signalflankenfolge
3: zeitlich ansteigendes bearbeitetes Messsignal
4: zeitäquidistante Abtastung
5: A/D-Wandler
6: Schmitt-Trigger
7: RC-Glied
8: Operationsverstärker
9: Oszillatorschaltung
10: zeitvariante Anstiegsflanke
11: analoge Auswertschaltung
12: digitale Auswertschaltung
13: Gehäuse
14: Messeingangsanschluss
15: Messausgangsanschluss
20, 21: aufeinanderfolgende Signalflanken
22: Zuleitung
23 bis 29: interne (erste bis siebente) Leiterbahnen einer Platine
30: Anstiegsflanke
31: Verbindungsleitung
32: interne Verbindungsleitung
40: Drehschwingungsdämpfer
I: Zeitintervall
m: Messsignalfolge
m₁: erstes Messsignal
m₂: zweites Messsignal
P₁: erster Messsignalpegel
P₂: zweiter Messsignalpegel
T₀ bis T₅: zeitäquidistante Abtastintervalle
t: Zeit
t_a1: Abtastzeitpunkt des ersten Signalpegels
ta2: Abtastzeitpunkt des zweiten Signalpegels
t_s1: erste Startzeit
t_s2: zweite Startzeit
Δ t_s1: erste Zeitspanne
Δ t_s2: zweite Zeitspanne
Δt: Zeitspanne der Abtastzyklen

Claims

Verfahren zur Messung von Drehschwingungen an rotierenden Teilen mit Hilfe von Signalgebern (1), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: • Bearbeiten von Messsignalen eines Signalgebers (1) durch Umwandeln von jeweils ansteigenden aufeinanderfolgenden Signalflanken (20, 21) in verformte Signalflanken von zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignalen (3); • Erfassen eines ersten Messsignalpegels (P₁) einer verformten ansteigenden Signalflanke bei zeitäquidistanter Abtastung (4) von bearbeiteten Messsignalen einer Messsignalfolge (m); • Erfassen eines zweiten Messsignalpegels (P₂) einer verformten ansteigenden Signalflanke des nächstfolgenden bearbeiteten Messsignals bei zeitäquidistanter Abtastung der Messsignalfolge (m); • Errechnen von zwei Zeitspannen (Δt_s1, Δt_s2) zwischen der jeweiligen Startzeit (t_s1, t_s2) jedes einzelnen bearbeiteten Messsignals und dem jeweiligen Abtastzeitpunkt (t_a1, t_a2) der beiden erfassten Messsignalpegel (P₁, P₂) • Bilden einer Differenz der beiden Zeitspannen (Δt_s1, Δt_s2) und Addieren von Zeitspannen (Δt) der Abtastzyklen zwischen den beiden erfassten Messsignalpegeln (P₁, P₂) zu einem ermittelten Zeitintervall (I), das proportional zur Drehgeschwindigkeit des rotierenden Teils ist, wobei das Bearbeiten der Signalflanken (20, 21) des Signalgebers (1) durch Umwandeln zunächst mit Hilfe eines Schmitt-Triggers (6) in definierte Rechtecksignale erfolgt, und denn die Anstiegsflanken der vom Schmitt-Trigger (6) gelieferten Rechtecksignale mit Hilfe eines RC-Gliedes (7) in die verformten Signalflanken der zeitlich ansteigenden bearbeiteten Messsignale (3) gewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schwankungen der ermittelten Zeitintervalle (I) ausgewertet werden und der Erfassung von Drehschwingungen dienen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die analogen ermittelten Zeitintervalle (I) mit Hilfe eines A/D- Wandlers (5) digitalisiert werden, um sie digital auszuwerten, weiterzuverarbeiten und/oder digital anzuzeigen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich ansteigende bearbeitete Messsignale (3) mittels eines Operationsverstärkers (8) verstärkt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur zeitäquidistanten Abtastung eine Oszillatorschaltung (9) eingesetzt wird, deren Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch ist wie die höchstmögliche Messfrequenz des Signalgebers (1) und das dreifache dieser Messfrequenz nicht übersteigt.
Messvorrichtung zur Erfassung und Überwachung von Drehschwingungen rotierender Teile mit • einem Signalgeber (1), der jeweils ansteigende Signalflanken eines Messsignals in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Teils liefert, • einem Schmitt-Trigger (6) zur Erzeugung von normierten Rechteckimpulsen aus den Messsignalen, • einem RC-Glied (7) zur Erzeugung von verformten Anstiegsflanken der Rechteckimpulse, • einem Operationsverstärker (8) zur Verstärkung der Rechteckimpulse mit verformten Anstiegsflanken, • einer Oszillatorschaltung (9), die zeitäquidistante Abtastsignale (10) erzeugt, • einer analogen Auswerteschaltung (11), die Zeitintervalle (I) ermittelt, welche proportional zur Drehgeschwindigkeit des rotierenden Teils sind, und mit • einem A/D-Wandler (5), der die ermittelten Zeitintervalle (I) in digitalisierte Zeitintervalle wandelt.
Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung eine digitale Auswerteschaltung (12) aufweist, die Drehschwingungen ermittelt, wenn Schwankungen beim Vergleich der ermittelten digitalisierten Zeitintervalle (I) auftreten.
Messvorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatorschaltung (9) eine Abtastfrequenz aufweist, die mindestens doppelt so hoch ist wie die höchstmögliche Messfrequenz des Signalgebers (1) und das dreifache dieser Messfrequenz nicht übersteigt.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung ein Gehäuse (13) aufweist, in dem mindestens der Schmitt-Trigger (6), das RC-Glied (7), der Operationsverstärker (8), die Oszillatorschaltung (9), die analoge Auswerteschaltung (11) und der A/D-Wandler (5) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (13) mindestens einen Messeingangsanschluss (14) aufweist, an den der Signalgeber (1) anschließbar ist, und mindestens einen Messausgangsanschluss (15) aufweist, an den die digitale Auswerteschaltung (12) anschließbar ist.