DE102005050351A1

DE102005050351A1 - Vibrationsmesssystem

Info

Publication number: DE102005050351A1
Application number: DE200510050351
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Scheibner; Jens Makuth; Roman Forke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2007-04-26
Also published as: WO2007045664A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vibrationsmesssystem zur Messung von Schwingungen, insbesondere im industriellen Umfeld. Um eine kostengünstige Schwingungsanalyse in einem möglichst großen Frequenzbereich zu ermöglichen, wird ein Vibrationsmesssystem vorgeschlagen, mit DOLLAR A - einer schwingfähigen Senderstruktur (S), die von einem Anregungssignal zu einer mechanischen Schwingung einer Anregungsfrequenz (f¶A¶) anregbar ist, und DOLLAR A - einer von einem elektrischen Trägersignal mit einer Trägerfreqeunz (f¶T¶) anregbaren schwingfähigen Empfängerstruktur (E), DOLLAR A wobei Sender- und Empfängerstruktur (S, E) kapazitiv miteinander gekoppelt sind, derart, dass das Trägersignal durch das Anregungssignal amplitudenmoduliert wird und zwischen Sender- und Empfängerstruktur (S, E) eine aus der Amplitudenmodulation resultierende zeitabhängige elektrostatische Krafteinwirkung entsteht, wobei Sender- und Empfängerstruktur (S, E) in einer Differenzialanordnung angeordnet sind, auf Grund derer im Frequenzspektrum der resultierenden elektrostatischen Kraftwirkung eine Kraftkomponente der Trägerfrequenz oder der doppelten Trägerfrequenz unterdrückt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vibrationsmesssystem zur Messung von Schwingungen insbesondere im industriellen Umfeld.
Ein derartiges System kommt zum Beispiel in der Automatisierungs- und Antriebstechnik zum Einsatz und kann dort insbesondere zur Zustandsüberwachung verschleißbehafteter Komponenten eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Erfindung zur Überwachung von Fertigungsprozessen eingesetzt werden, die durch eine schwingende Umgebung gestört werden können. Ferner kann die Erfindung zur Charakterisierung schwingender Systeme und Komponenten eingesetzt werden.
Produktionsausfälle durch unerwartete Maschinendefekte können je nach Branche und Art des Prozesses direkte Schäden und Folgeschäden in erheblicher Höhe verursachen. Um die Zuverlässigkeit von Produktions- und Werkzeugmaschinen, verfahrenstechnischer Anlagen, Transportsystemen u. ä. zu erhöhen und somit Ausfallzeiten dieser Produktionsmittel zu reduzieren wird daher einer frühzeitigen Verschleiß- und Defekterkennung immer mehr Bedeutung beigemessen.
Beispielsweise bei elektrischen Maschinen kündigt sich ein Ausfall des Produktionsmittels oder einer seiner Komponenten (z. B. der Lager) häufig durch eine Veränderung des Schwingungsverhaltens an. Durch eine Vibrationsanalyse können diese Veränderungen detektiert werden. Auf diese Weise können betroffene Komponenten vorzeitig ausgetauscht werden, bevor es zum Ausfall des Gesamtsystems und somit zu einem längeren Produktionsstillstand kommt.
Je nach Frequenzbereich der relevanten Schwingungen können die Frequenzen selektiv gemessen werden oder breitbandig mit einer nachgeschalteten Fourieranalyse ermittelt werden. Mit frequenzselektiven Sensoren lassen sich aus technischen Gründen eher höherfrequente Schwingungen (> 1 kHz) analysieren. niederfrequente Schwingungen (< 1 kHz) werden heute in der Regel mit einem breitbandigen piezokeramischen Sensor erfasst. Die einzelnen Frequenzanteile werden anschließend mittels einer in Software oder Hardware ausgeführten Fast Fourier Transformation (FFT) aus dem Messsignal ermittelt.

In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2005 028 214.8 wird ein Vibrationsmesssystem zur frequenzselektiven Schwingungsmessung insbesondere niedriger Frequenzen vorgeschlagen, wie sie im Bereich der Automatisierungs- und Antriebstechnik relevant sind. Um eine kostengünstige Schwingungsanalyse von Frequenzen im Bereich von 0 bis 1 kHz realisieren zu können, wird eine breitbandige Senderstruktur, die direkt von dem zu bestimmenden Anregungssignal angeregt wird, über eine elektrostatische oder induktive Kraft mit einer Empfängerstruktur gekoppelt. Durch diese Kraftkopplung kommt es zu einer Amplitudenmodulation eines die Empfängerstruktur anregenden Trägersignals. Aus dem Spektrum des amplitudenmodulierten Trägersignals lässt sich das eigentliche Anregungssignal z.B. durch eine geeignete Wahl der Frequenz des Trägersignals extrahieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine kostengünstige Schwingungsanalyse in einem möglichst großen Frequenzbereich zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Vibrationsmesssystem mit

– einer schwingfähigen Senderstruktur, die von einem Anregungssignal zu einer mechanischen Schwingung einer Anregungsfrequenz anregbar ist, und
– einer von einem elektrischen Trägersignal mit einer Trägerfrequenz anregbaren schwingfähigen Empfängerstruktur,

wobei Sender- und Empfängerstruktur kapazitiv miteinander gekoppelt sind derart, dass das Trägersignal durch das Anre gungssignal amplitudenmoduliert wird und zwischen Sender- und Empfängerstruktur eine aus der Amplitudenmodulation resultierende zeitabhängige elektrostatische Kraftwirkung entsteht, wobei Sender- und Empfängerstruktur in einer Differenzialanordnung angeordnet sind, auf Grund derer im Frequenzspektrum der resultierenden elektrostatischen Kraftwirkung eine Kraftkomponente der Trägerfrequenz oder der doppelten Trägerfrequenz unterdrückt ist.

Das erfindungsgemäße Vibrationsmesssystem nutzt zwei schwingfähige Strukturen. Die schwingfähige Senderstruktur wird direkt von dem Anregungssignal angeregt, dessen Amplitude durch das System bestimmt werden soll. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass das zu bestimmende Anregungssignal durch eine geeignete kapazitive Kopplung der Sender- und Empfängerstruktur in einen höheren Frequenzbereich transferiert werden kann. In dem höheren Frequenzbereich kann eine frequenzselektive Ermittlung der Amplitude des Anregungssignals mit einfachen Mitteln kostengünstig realisiert werden. Durch diese Art der Kopplung kann z.B. eine Senderstruktur mit einer im Verhältnis zur Empfängerstruktur relativ geringen Resonanzfrequenz verwendet werden, die als breitbandiger Beschleunigungssensor arbeitet.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Vibrationsmesssystems lässt sich wie folgt erläutern. Die Empfängerstruktur wird mit einem in der Regel hochfrequenten Trägersignal angeregt. Durch das anliegende Trägersignal kommt es zu einer elektrostatischen Anziehungskraft zwischen Sender- und Empfängerstruktur. Durch eine vom Anregungssignal bewirkte Auslenkung der Senderstruktur wird das Trägersignal bzw. die durch das Trägersignal erzeugte Anziehungskraft amplitudenmoduliert. Es entsteht die resultierende elektrostatische Kraftwirkung zwischen Sender- und Empfängerstruktur.

Bei einer kapazitiven Kopplung von Sender- und Empfängerstruktur entsteht ohne die erfindungsgemäße Differenzialan ordnung ein Frequenzspektrum der resultierenden Kraftwirkung zwischen den beiden Strukturen, welches einen Anteil bei der Trägerfrequenz oder der doppelten Trägerfrequenz besitzt.

Wird ein gleichwertfreies Trägersignal verwendet, so entsteht ein Anteil bei der doppelten Trägerfrequenz. Wird hingegen durch einen Offset in Form eines Gleichanteils ein unipolares Trägersignal erzeugt, so resultiert ein Anteil bei der einfachen Trägerfrequenz im Spektrum der resultierenden Kraft.

Das eigentliche Anregungssignal wird auf ein rechtes und ein linkes Seitenband der Trägerfrequenz bzw. der doppelten Trägerfrequenz abgebildet. Eine spektrale Auswertung ist daher z.B. durch Filterung oder Demodulation möglich. Auf eine sehr rechenaufwendige Fouriertransformation des Zeitsignals zur spektralen Auswertung kann verzichtet werden.

Der Erfindung liegt nun die weitere Erkenntnis zugrunde, dass eine erheblich bessere Auflösung insbesondere im unteren Frequenzbereich erzielt werden kann, wenn der Kraftanteil der Trägerfrequenz bzw. der doppelten Trägerfrequenz im Spektrum der resultierenden Kraftwirkung kompensiert wird. Diese Kompensation geschieht erfindungsgemäß dadurch, dass Sender- und Empfängerstruktur in einer Differenzialanordnung angeordnet sind, auf Grund derer im Frequenzspektrum der resultierenden elektrostatischen Kraftwirkung die Kraftkomponente der Trägerfrequenz oder der doppelten Trägerfrequenz unterdrückt ist.

Insbesondere dann, wenn die Anregungsfrequenz sehr gering ist, kann es ohne die erfindungsgemäße Unterdrückung der Trägerfrequenz bzw. doppelten Trägerfrequenz zu einer Überlappung der Bänder im Frequenzspektrum der resultierenden Kraft kommen. Denn durch die Amplitudenmodulation wird das Anregungssignal auf das linke und rechte Seitenband der Trägerfrequenz bzw. doppelten Trägerfrequenz abgebildet. Je nach Güte der Empfängerstruktur kann es daher ohne Trägersignalunterdrückung vorkommen, dass sich das Band der Trägerfrequenz bzw. doppelten Trägerfrequenz mit den Seitenbändern teilweise überlappt, wodurch die Messauflösung reduziert wird. Durch die erfindungsgemäße Unterdrückung der Trägerfrequenz bzw. doppelten Trägerfrequenz wird diese Überlappung hingegen verhindert, so dass eine Erweiterung des Messbereichs zu niedrigen Frequenzen erzielt wird.

Eine derartige Unterdrückung der von der Kraftkomponente der Trägerfrequenz bzw. doppelten Trägerfrequenz im Frequenzspektrum der resultierenden Kraft kann beispielsweise in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht werden, dass Sender- und Empfängerstruktur derartig angeordnet sind, dass das Trägersignal in der Ruheposition der Senderstruktur keine Auslenkung der Senderstruktur gegenüber der Empfängerstruktur bewirkt. Ein derartiger Effekt kann mit der Differenzialanordnung von Sender- und Empfängerstruktur erzielt werden. Die Differenzialanordnung erhöht einerseits den gewünschten Koppeleffekt zwischen Sender- und Empfängerstruktur und führt andererseits zu einer Kompensation des unerwünschten Kraftanteils, der durch die Trägerfrequenz hervorgerufen wird und unabhängig vom Anregungssignal ist. Dieser Kraftanteil kompensiert sich im Spektrum der resultierenden Kraft, so dass nur noch die beiden Seitenbänder erhalten bleiben. Weiterhin ist bei einer derartigen Anordnung festzustellen, dass die Amplituden der Seitenbänder höher sind, als dies bei einer einfachen Kopplung ohne Differenzialanordnung der Fall ist.

Die gewünschte kapazitive Kraftkopplung zwischen Empfängerstruktur und Senderstruktur kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung z.B. dadurch erzielt werden, dass eine Wechselspannung mit der Trägerfrequenz zwischen der Empfängerstruktur und der Senderstruktur anlegbar ist. Die Wechselspannung bewirkt die für die Amplitudenmodulation benötigte elektrostatische Kraftkopplung.

Um die gewünschte Unterdrückung der Kraftkomponente bei der Trägerfrequenz bzw. doppelten Trägerfrequenz zu erreichen, sind in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bei der kapazitiven Kopplung zwischen Sender- und Empfängerstruktur, Empfänger- und Senderstruktur derartig angeordnet, dass sie eine um die Ruheposition der Senderstruktur achsensymmetrische Kapazitäts-Auslenkungscharakteristik aufweisen. Bei einer derartigen Ausführung und Anordnung von Sender- und Empfängerstruktur ist gewährleistet, dass sich die allein durch das Trägersignal hervorgerufenen Kraftanteile kompensieren.

Bei der kapazitiven Kopplung zwischen Sender- und Empfängerstruktur ist es besonders wünschenswert, wenn die Kopplung der schwingfähigen Strukturen eine linear veränderliche Kraft erzeugt; d.h., das die Kraft die die Senderstruktur auf die Empfängerstruktur ausübt, linear von der Auslenkung der Senderstruktur abhängt. Dies wird in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, dass Empfänger- und Senderstruktur derartig ausgeführt sind, dass sie zusammen eine Kapazität erzeugen, die eine quadratische Abhängigkeit von der Auslenkung der Senderstruktur aufweist.

Eine solche Kapazitäts-Auslenkungscharakteristik lässt sich in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung beispielsweise dadurch erzeugen, dass Empfänger- und Senderstruktur jeweils kammartig ausgeführt sind, wobei die kammartigen Strukturen zumindest teilweise ineinander greifend angeordnet sind.

Um hierbei den gewünschten Effekt der Kompensation des Kraftanteils bei der Trägerfrequenz bzw. doppelten Trägerfrequenz zu erzielen, weisen in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung die Empfängerstruktur eine erste und eine zweite kammartige Empfängerkammstruktur und die Senderstruktur eine erste und eine zweite kammartige Senderkammstruktur auf, wobei die erste Empfängerkammstruktur zumindest teilweise in die erste Senderkammstruktur eingreifend ange ordnet ist und die zweite Empfängerkammstruktur zumindest teilweise in die zweite Senderkammstruktur eingreifend angeordnet ist.

Der gewünschte Kompensationseffekt kann hierbei bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass Sender- und Empfängerstruktur derartig angeordnet sind, dass sich der Abstand der ersten Empfängerkammstruktur und der ersten Senderkammstruktur bei einer Auslenkung der Senderstruktur vergrößert, während sich der Abstand der zweiten Empfängerkammstruktur und der zweiten Senderkammstruktur verkleinert. Auf diese Art und Weise werden Sender- und Empfängerstruktur in einer Differenzialanordnung zueinander positioniert, so dass sich die gewünschte Kompensation des allein durch das Trägersignal hervorgerufenen Kraftanteils ergibt.

Insbesondere zur Zustandsüberwachung im Bereich der Automatisierungs- und Antriebstechnik liegen die relevanten Frequenzen im Bereich von wenigen Hertz bis zu 1 kHz. Daher ist eine Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, bei der das Vibrationsmesssystem zur frequenzselektiven Bestimmung mechanischer Schwingung vorzusehen ist, deren Frequenzen insbesondere kleiner als 1 kHz sind. Derartige Frequenzen sind mit herkömmlichen frequenzselektiven Messsystemen nicht bzw. nur mit sehr großem Aufwand erfassbar.

Bei weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Trägerfrequenz größer als die Anregungsfrequenz. Hierdurch kann das eigentliche zu bestimmende Anregungssignal in einen höheren Frequenzbereich transferiert werden, um so eine frequenzselektive Erfassung mit geringem Aufwand zu ermöglichen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Vibrationsmesssystem eine Vorrichtung zur Einstellung der Trägerfrequenz auf. Hierdurch kann der Spektral bereich, der zur Auswertung zur Verfügung steht, frei gewählt werden. Die Frequenz des Trägers wird hierbei zweckmäßiger Weise so gewählt, dass das linke oder rechte Seitenband auf einer Resonanzstelle des Empfängers liegt. Durch die Amplitudenmodulation der ersten Kraftkomponente mit der zweiten Kraftkomponente steht das auszuwertende Anregungssignal im Frequenzspektrum der resultierenden Kraft als linkes und rechtes Seitenband des durch das Trägersignal hervorgerufenen Anteils zur Verfügung.

Eine einfache Auswertung dieses Frequenzspektrums bzw. eine kostengünstige Extraktion des Anregungssignals kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch realisiert werden, dass die Empfängerstruktur eine Resonanzfrequenz aufweist, die im Wesentlichen einem Seitenband des Spektrums der amplitudenmodulierten resultierenden Kraft entspricht. Durch eine derartige Wahl der Resonanzfrequenz werden das entsprechende Seitenband und damit implizit das transferierte Anregungssignal frequenzselektiv gefiltert. Die Frequenz des Trägers wird zweckmäßigerweise hierbei so gewählt, dass das linke oder rechte Seitenband auf der Resonanzstelle des Empfängers liegt.

Um verschiedene Anregungsfrequenzen mit dem Vibrationsmesssystem bestimmen zu können, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Resonanzfrequenz der Empfängerstruktur einstellbar. Die Überlappung eines Seitenbandes des Kraftanteils des Trägersignals kann also alternativ durch Einstellen der Resonanzfrequenz des Empfängers oder durch ein Einstellen der Trägerfrequenz bewirkt werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass zu Auswertezwecken das Vibrationssystem eine Auswerteeinrichtung zur Generierung eines der resultierenden Kraft proportionalen Auswertesignals und zur Filterung und/oder Demodulation dieses Auswertesignals aufweist.

Auf Grund der kostengünstigen Realisierbarkeit des Vibrationsmesssystems im Vergleich zu heutigen Vibrationsmesssystemen kann das Vibrationsmesssystem in einer vorteilhaften Ausgestaltung zur insbesondere permanenten Zustandsüberwachung von Produktionsmitteln vorgesehen werden. Da das Vibrationsmesssystem frequenzselektiv arbeitet, kann auf den erheblichen Hardware- bzw. Softwareaufwand zur Realisierung einer Fast Fouriertransformation (FFT), die bei breitbandigen Sensoren benötigt wird, verzichtet werden.

Eine alternative Ausführungsform des Vibrationsmesssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Vibrationsmesssystem zur Überwachung eines vibrationsempfindlichen Produktionsprozesses vorgesehen ist. Auch hier kann eine permanente Überwachung von Schwingungen mit Hilfe des Systems durchgeführt werden, die den korrekten Ablauf des Prozesses gefährden könnten.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 ein Vibrationsmesssystem mit kapazitiver Kopplung ohne Trägersignalunterdrückung
2 ein Frequenzspektrum des Vibrationsmesssystems mit kapazitiver Kopplung ohne Trägersignalunterdrückung
3 ein Vibrationsmesssystem mit kapazitiver Kopplung mit Trägersignalunterdrückung
4 eine Kapazitäts-Auslenkungscharakteristik des Vibrationsmesssystems mit kapazitiver Kopplung mit Trägersignalunterdrückung
5 ein Frequenzspektrum des Vibrationsmesssystems mit kapazitiver Kopplung mit Trägersignalunterdrückung
1 zeigt ein Vibrationsmesssystem mit kapazitiver Kopplung. Das Vibrationsmesssystem besteht aus drei kammartigen Strukturen S, E, A, die miteinander über elektrostatische Kräfte gekoppelt sind. Das dargestellte Vibrationsmesssystem ist beispielsweise zur Bestimmung von Schwingungen an elektrischen Antrieben vorgesehen, wobei zum Zweck der Fehlerdiagnose die relevanten Schwingungen im Bereich von wenigen Hertz bis hin zu 1 kHz liegen.
Das Vibrationsmesssystem umfasst eine breitbandige Senderstruktur S, deren Resonanzfrequenz f_RS bei 3 kHz liegt. Der lineare Messbereich der Senderstruktur S reicht damit bis etwa 1 kHz. Die Senderstruktur S wird direkt von einem mechanischen Anregungssignal, das von dem elektrischen Antrieb ausgeht und mit der Frequenz f_A schwingt, angeregt.
Die kammartige Struktur der Senderstruktur S greift teilweise in eine ebenfalls kammartig ausgeführte Empfängerstruktur E ein, deren Resonanzfrequenz f_RE eine Dekade höher als die Anregungsfrequenz f_A liegt. Beispielsweise sei eine Resonanzfrequenz f_RE der Empfängerstruktur von 10 kHz angenommen.
Zwischen Empfängerstruktur E und Senderstruktur S ist eine Wechselspannung mit der Amplitude U_T und der Frequenz f_T angelegt. Diese Wechselspannung stellt das Trägersignal zur Verfügung, dass durch das Anregungssignal mit der Anregungsfrequenz f_A moduliert wird.
Durch die Amplitudenmodulation des Trägersignals mit dem Anregungssignal kommt es zu einer resultierenden Kraftwirkung zwischen Sender- und Empfängerstruktur, die verschiedene spektrale Anteile umfasst. Durch das Trägersignal wird unter anderem eine elektrostatische Kraftkomponente mit der Frequenz des Trägersignals oder als Sonderfall der doppelten Trägerfrequenz erzeugt. Diese Kraftkomponente ist vom Anre gungssignal und damit von der Anregungsfrequenz f_A unabhängig. Im Falle einer gleichwertfreien Wechselspannung schwingt die Kraftkomponente mit der doppelten Trägersignalfrequenz 2f_T. Besitzt die Wechselspannung hingegen einen Gleichstrom-Offset zumindest in Höhe der Amplitude U_T, so schwingt die Kraftkomponente mit der einfachen Trägersignalfrequenz f_T.
Senderstruktur S und Empfängerstruktur E bilden auf die dargestellte Weise zusammen einen Kondensator, an dem die Spannung U_T angelegt ist. Die Kammstruktur der dargestellten Senderstruktur S ist derartig gestaltet, dass die Länge der Zinken von oben nach unten gesehen linear zunimmt. Durch diese Ausführung der Senderstruktur S wird erreicht, dass die Kapazität C des resultierenden Kondensators quadratisch von der Auslenkung X der Senderstruktur S abhängt. Es gilt also: C ~ x2
Eine Ableitung dieser Beziehung ergibt:
Die Änderung der im Kondensator gespeicherten Energie W in Abhängigkeit der Auslenkung lässt sich mittels einer Energiebilanz ermitteln: dW = ½U2T dC = Fdx
Schließlich ergibt sich ein Zusammenhang zwischen der elektrostatischen Kraft F und der Auslenkung x gemäß:
Die quadratische Abhängigkeit des Kapazitätsverlaufs bewirkt, dass eine multiplikative Kopplung zwischen dem Quadrat der Trägersignals und der Auslenkung x der Senderstruktur S auftritt. Durch die anliegende Wechselspannung und die Auslenkung der Senderstruktur entsteht also eine resultierende Kraftwirkung zwischen Sender- und Empfängerstruktur S, E, die proportional zum Produkt aus dem Trägersignal und der Auslenkung x ist.
2 zeigt ein Frequenzspektrum des Vibrationsmesssystems mit kapazitiver Kopplung ohne Trägersignalunterdrückung. Das Frequenzspektrum zeigt neben der eigentlichen Anregungsfrequenz f_A die spektralen Anteile der durch die Amplitudenmodulation entstehenden resultierenden Kraft zwischen Sender- und Empfängerstruktur S, E. Es ist zu erkennen, dass die eigentliche niederfrequente Anregungsfrequenz f_A auf die Seitenbänder der Trägerfrequenz f_T transformiert wird. Wurde beispielsweise eine Spannung mit der Trägerfrequenz f_T von 10,2 kHz an die Empfängerstruktur E angelegt und beträgt die Anregungsfrequenz f_A 200 Hz, so bildet sich ein Frequenzspektrum der resultierenden Kraft um 10,2 kHz aus mit einem linken Seitenband bei 10 kHz und einem rechten Seitenband bei 10,4 kHz. Um die Amplitude des mit 200 Hz schwingenden Anregungssignals zu bestimmen, wird nun die Resonanzfrequenz f_RE der Empfängerstruktur E auf 10 kHz und somit auf das linke Seitenband gelegt. Dadurch kommt es zu einer Resonanzüberhöhung, wodurch das linke Seitenband verstärkt zur Auswertung zur Verfügung steht. Die eigentliche Auswertung des Signals erfolgt anschließend durch Filterung oder Demodulation dieses Seitenbandes.
Es sei erwähnt, dass in dem dargestellten Beispiel eine Wechselspannung mit einem Gleichanteil in der Höhe der Amplitude U_T der Wechselspannung gewählt wurde, so dass sich keine Verdoppelung der Trägerfrequenz f_T für die resultierende Kraft ergibt. Würde anstelle dessen ein gleichwertfreies Trägersignal verwendet, so würde das Frequenzspektrum der resultierenden Kraft durch zwei Seitenbänder im Abstand der Anregungsfrequenz f_A gekennzeichnet sein, die dem doppelten Wert der Trägerfrequenz, also 2f_T, benachbart sind.
Dem dargestellten Frequenzspektrum ist weiterhin zu entnehmen, dass mit abnehmender Anregungsfrequenz eine zunehmende Überlappung der Seitenbänder mit dem Frequenzband der Trägerfrequenz f_T stattfindet. Der Grad der Überlappung ist vom Wert der Anregungsfrequenz f_A und von der Güte der schwingfähigen Struktur E abhängig. Aufgrund dieser Überlappung wird eine Auswertung eines Messsignals zur Rekonstruktion der Anregungsfrequenz f_A mit abnehmender Anregungsfrequenz f_A immer schwieriger. Aufgrund dessen ist es wünschenswert, den Frequenzanteil der Trägerfrequenz, bzw. bei Verwendung eines gleichwertfreien Trägersignals der doppelten Trägerfrequenz 2f_T, so weit wie möglich aus dem Frequenzspektrum der resultierenden Kraft zu eliminieren. Dies wird durch eine in 3 gezeigte Modifikation des Vibrationsmesssystems erreicht.
3 zeigt ein Vibrationsmesssystem mit kapazitiver Kopplung mit Trägersignalunterdrückung. Ähnlich wie bei dem in 1 dargestellten Vibrationsmesssystem ohne Trägersignalunterdrückung umfasst das hier dargestellte Vibrationssystem eine Senderstruktur S und eine Empfängerstruktur E, die jeweils kammartig ausgeführt sind und kapazitiv miteinander gekoppelt sind. Zwischen Sender- und Empfängerstruktur S, E ist eine Wechselspannung mit der Amplitude U_T und der Frequenz f_T angelegt. Durch die Ausführung der kammartigen Strukturen von Sender- und Empfängerstruktur S, E kommt es zu einer multiplikativen Kraftkopplung zwischen den beiden Strukturen, wodurch ähnlich wie bei dem in 1 dargestellten Vibrationsmesssystem eine Verschiebung der vergleichsweise niedrigen Anregungsfrequenz f_A in einen höheren Frequenzbereich hervorgerufen wird.
Um die gewünschte Trägersignalunterdrückung zu erreichen bzw. um eine Kraftkomponente mit einer von der Anregungsfrequenz f_A unabhängigen Frequenz im Frequenzspektrum der aus der Amplitudenmodulation resultierenden Kraft zu unterdrücken, werden Senderstruktur S und Empfängerstruktur E in Form einer so genannten Differenzialanordnung ausgeführt. Bei der hier dargestellten Ausführung umfasst die Senderstruktur S zu diesem Zweck eine erste Senderkammstruktur S1 und eine zweite Senderkammstruktur S2. Die Empfängerstruktur E ist mit einer ersten Empfängerkammstruktur E1 und einer zweiten Empfänger kammstruktur E2 ausgeführt. Die erste Empfängerkammstruktur E1 greift teilweise in die erste Senderstruktur S1 ein, während die zweite Empfängerkammstruktur E2 in die zweite Senderkammstruktur S2 eingreift. Bei einer durch das Anregungssignal verursachten Auslenkung der Senderstruktur S in Richtung der ersten Empfängerkammstruktur E1 wird der Abstand der ersten Senderkammstruktur S1 zur ersten Empfängerkammstruktur E1 verringert, während der Abstand der ersten Senderkammstruktur S2 zur ersten Empfängerkammstruktur E2 vergrößert wird. Eine derartige Differenzialanordnung hat eine Kapazitäts-Auslenkungscharakteristik zur Folge, wie sie in 4 dargestellt ist.
4 zeigt eine Kapazitäts-Auslenkungscharakteristik des Vibrationsmesssystems mit kapazitiver Kopplung mit Trägersignalunterdrückung. Die Kapazitäts-Auslenkungscharakteristik zeigt einen parabelförmigen achsensymmetrischen Verlauf, wobei die Symmetrieachse durch die Ordinate gegeben ist. Ein derartiger Kapazitätsverlauf hat zur Folge, dass der Kraftanteil der Trägerfrequenz, bzw. Verwendung eines gleichwertfreien Trägersignals der doppelten Trägerfrequenz, im Frequenzspektrum der resultierenden Kraft zwischen Sender- und Empfängerstruktur S, E unterdrückt ist.
Die dargestellte quadratische Abhängigkeit der Kapazität über der Auslenkung wird durch die speziell zu diesem Zweck gewählte Struktur der ersten und zweiten Empfängerkammstruktur E1, E2 bewirkt. Die von oben nach unten linear abnehmende Länge der Zinken verursacht einen derartigen Verlauf. Alternativ wäre dieser Effekt auch durch von oben nach unten oder von unten nach oben abnehmende Länge der Zinken der Senderkammstrukturen S1, S2 zu erzielen.
5 zeigt ein Frequenzspektrum des Vibrationsmesssystems mit kapazitiver Kopplung mit Trägersignalunterdrückung. Der Verlauf unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Verlauf dadurch, dass im Spektrum der resultierenden Kraft bei der Trägerfrequenz f_T kein Kraftanteil zu erkennen ist. Diese Kompensation des von der Anregungsfrequenz f_A unabhängigen Kraftanteils ist auf die in 3 dargestellte Differenzialanordnung zurückzuführen bzw. auf die daraus resultierende achsensymmetrische Kapazitäts-Auslenkungskennlinie (s. 4). Durch die Unterdrückung des Kraftanteils bei der Trägerfrequenz f_T wird eine wesentlich bessere Messbereichsauflösung erreicht. Neben der Kompensation des Anteils bei der Trägerfrequenz f_T wird auch der Wirkungsgrad der Kraftkopplung bei der in 3 dargestellte Differenzialanordnung gegenüber der in 1 dargestellten einfachen Anordnung deutlich erhöht. Durch die Erhöhung des Wirkungsgrades ist der spektrale Anteil im linken Seitenband der Trägerfrequenz f_T-f_A deutlich höher als bei der einfachen Anordnung. Zu Auswertungszwecken ist auch bei dem in 3 dargestellten Vibrationsmesssystem zweckmäßigerweise die Resonanzfrequenz der Empfängerstruktur auf das linke Seitenband der Trägerfrequenz f_T abgestimmt worden.
Durch die Kompensation des Kraftanteils, der ausschließlich von der Trägerfrequenz abhängt, ist eine Überlappung der spektralen Anteile im Spektrum der resultierenden Kraft weitgehend ausgeschlossen. Dies führt zu einer Erweiterung des Messbereichs des Vibrationsmesssystems zu niedrigeren Frequenzen. Aufgrund der Verstärkung der Seitenbänder durch die in 3 dargestellte Differenzialanordnung kann auch bei der Dimensionierung der Verstärkerelektronik eine Kostenersparnis erreicht werden.

Claims

Vibrationsmesssystem mit – einer schwingfähigen Senderstruktur (S), die von einem Anregungssignal zu einer mechanischen Schwingung einer Anregungsfrequenz (f_A) anregbar ist, und – einer von einem elektrischen Trägersignal mit einer Trägerfrequenz (f_T) anregbaren schwingfähigen Empfängerstruktur (E), wobei Sender- und Empfängerstruktur (S, E) kapazitiv miteinander gekoppelt sind derart, dass das Trägersignal durch das Anregungssignal amplitudenmoduliert wird und zwischen Sender- und Empfängerstruktur (S, E) eine aus der Amplitudenmodulation resultierende zeitabhängige elektrostatische Kraftwirkung entsteht, wobei Sender- und Empfängerstruktur (S, E) in einer Differenzialanordnung angeordnet sind, auf Grund derer im Frequenzspektrum der resultierenden elektrostatischen Kraftwirkung eine Kraftkomponente der Trägerfrequenz oder der doppelten Trägerfrequenz unterdrückt ist.
Vibrationsmesssystem nach Anspruch 1, wobei Sender- und Empfängerstruktur (S, E) derartig angeordnet sind, dass das Trägersignal in der Ruheposition der Senderstruktur (S) keine Auslenkung der Senderstruktur (S) gegenüber der Empfängerstruktur (E) bewirkt.
Vibrationsmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Wechselspannung (U_T) mit der Trägerfrequenz (f_T) zwischen der Empfängerstruktur (E) und der Senderstruktur (S) anlegbar ist.
Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Empfänger- und Senderstruktur (E, S) derartig angeordnet sind, dass sie eine um die Ruheposition der Senderstruktur (S) achsensymmetrische Kapazitäts-Auslenkungscharakteristik aufweisen.
Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Empfänger- und Senderstruktur (E, S) derartig ausgeführt sind, dass sie zusammen eine Kapazität erzeugen, die eine quadratische Abhängigkeit von der Auslenkung der Senderstruktur (S) aufweist.
Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfängerstruktur (E) eine erste und eine zweite kammartige Empfängerkammstruktur (E1, E2) und die Senderstruktur (S) eine erste und eine zweite kammartige Senderkammstruktur (S1, S2) aufweisen, wobei die erste Empfängerkammstruktur (E1) zumindest teilweise in die erste Senderkammstruktur (S1) eingreifend angeordnet ist und die zweite Empfängerkammstruktur (E2) zumindest teilweise in die zweite Senderkammstruktur (S2) eingreifend angeordnet ist.
Vibrationsmesssystem nach Anspruch 6, wobei Sender- und Empfängerstruktur (S, E) derart angeordnet sind, dass sich der Abstand der ersten Empfängerkammstruktur (E1) und der ersten Senderkammstruktur (S1) bei einer Auslenkung der Senderstruktur (S) vergrößert, während sich der Abstand der zweiten Empfängerkammstruktur (E2) und der zweiten Senderkammstruktur (S2) verkleinert.
Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vibrationsmesssystem zur frequenzselektiven Bestimmung mechanischer Schwingungen vorgesehen ist, deren Frequenzen insbesondere kleiner als ein Kilohertz sind.
Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerfrequenz (f_T) größer als die Anregungsfrequenz (f_A) ist.
Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vibrationsmesssystem eine Vorrichtung zur Einstellung der Trägerfrequenz (f_T) aufweist.
Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfängerstruktur eine Resonanzfrequenz (f_RE) aufweist, die im Wesentlichen einem Seitenband im Spektrum der amplitudenmodulierten resultierenden Kraft entspricht.
Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Resonanzfrequenz (f_RE) der Empfängerstruktur (E) einstellbar ist.
Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vibrationsmesssystem eine Auswerteeinrichtung zur Generierung eines der resultierenden Kraft proportionalen Auswertesignals und zur Filterung und/oder Demodulation dieses Auswertesignals aufweist.
Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vibrationsmesssystem zur insbesondere permanenten Zustandsüberwachung von Produktionsmitteln vorgesehen ist.
Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vibrationsmesssystem zur Überwachung eines vibrationsempfindlichen Produktionsprozesses vorgesehen ist.