DE102009031182A1

DE102009031182A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines piezoelektrischen Sensorsystems

Info

Publication number: DE102009031182A1
Application number: DE200910031182
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Sonnenschein; Andreas Behr
Original assignee: Bruel and Kjaer Vibro GmbH
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines piezoelektrischen Sensors (1) auf Ausfall oder Fehlerhaftigkeit, bei dem während des Sensormessbetriebs die vom Sensor (1) gelieferten elektrischen Messwerte abgetastet werden und ein darin enthaltener Prüfsignalanteil zur Feststellung eines Ausfalls oder eines Fehlers des Sensorsystems ermittelt wird. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einem piezoelektrischen Sensor (1) dieser mit einer elektrischen Prüfimpulsfolge beaufschlagt wird, dessen Signalantwort als Prüfsignalanteil aus dem Messsignal erfasst und mit einer vorgegebenen Referenzantwort verglichen wird. Dabei wird bei einer vorbestimmbaren Abweichung der Referenzantwort dies als Ausfall oder Fehlerhaftigkeit des Sensorsystems signalisiert oder angezeigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines piezoelektrischen Sensorsystems nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Mit piezoelektrischen Messverfahren sollen häufig Schadensereignisse an sicherheitsrelevanten Anlagenteilen erfasst und angezeigt werden. Im Schadensfall ist es dann oft erforderlich, die sicherheitsrelevanten Anlagenteile kurzfristig abzuschalten oder in einen ungefährlichen Betriebszustand zu steuern. Dazu muss aber sichergestellt werden, dass das überwachende Messverfahren seinerseits keine Defekte aufweist oder selbst ausgefallen ist. Deshalb besteht ein Bedarf nach Systemen oder Verfahren zur Selbstdiagnose, um derartige Defekte an sensorisch überwachenden Messsystemen aufzuspüren. Dort, wo keine Selbstdiagnose möglich ist, müssen die überwachenden Messsysteme in zeitlichen Abständen selbst überprüft werden, was aber meist nicht ohne Beeinträchtigung des normalen Betriebsablaufs der sicherheitsrelevanten Anlagenteile möglich ist.
Aus der WO 98/54 544 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen eingriffsfreien Fehlerüberwachung eines faseroptischen Sensors zur Erfassung der Leistung eines Kreisels für ein Kreiselkompasssystem bekannt. Dabei werden während des Betriebs des Kreisels die Amplitudenwerte des Sensorsignals abgetastet und die Abtastwerte in einem elektronischen Speicher zwischengespeichert. In der Überwachungsvorrichtung werden dann die aufeinanderfolgenden Amplitudenwerte von den vorhergehenden Werten subtrahiert, so dass im Grunde nur noch ein Wert des Eigenrauschens des verstärkten Sensorssignals als ein Prüfsignalpegel verbleibt. Die Differenzwerte werden dann für einen vorgegebenen Zeitraum aufsummiert, zwischengespeichert und mit vorgegebenen oberen und unteren Grenzwerten verglichen. Liegt die aufsummierte Eigenrausch-Summe außerhalb dieser Grenzwerte, wird ein Sensorausfall festgestellt und angezeigt. Ein derartiges Überwachungsverfahren ist auch für piezoelektrische Sensoren anwendbar. Unbemerkt bleiben jedoch etwa mechanische Defekte der Piezokeramik oder Dynamikverlust wegen unzureichender Spannungsversorgung.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von piezoelektrischen Sensorsystemen zu schaffen, die eine kontinuierliche Überwachung ohne Unterbrechung des Betriebsablaufs der sicherheitsrelevanten Anlagenteile gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 und 7 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Umkehrung des piezoelektrischen Effekts mit Aufschaltung einer Prüfsignalfolge eine mechanische Schwingung des Sensors erzeugbar ist, dessen abklingende elektrische Schwingungen aus dem Messsignal auskoppelbar sind und die ordnungsgemäße Funktion des Sensorsystems bestätigen beziehungsweise dessen Nichtvorhandensein ein Ausfall oder eine Fehlerhaftigkeit des Sensorsystems auf einfache Weise erkennen lässt. Durch die gleichzeitige Auswertung der primären elektrischen Prüfimpulsfolge kann vorteilhafterweise auch die ordnungsgemäße Funktion beziehungsweise eine Fehlerhaftigkeit in der elektrischen Messstrecke außerhalb des piezoelektrischen Sensors festgestellt werden.
Die Erfindung hat durch die parallele Auswertung der Mess- und Prüfsignalfolge den Vorteil, dass die Überwachungsvorrichtung auf einfache Weise in die Messstrecke integrierbar ist und nur durch wenige zusätzliche elektronische Schaltungselemente realisiert werden kann.
Durch die Auswertung der Schwingungsantwort wird der Vorteil erreicht, dass die Überwachung eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet, da dessen Ausbleiben eine sicheres Zeichen für den Ausfall des piezoelektrischen Sensors darstellt und das auch höchste sicherheitstechnische Anforderungen erfüllt. Da die Überwachung des piezoelektrischen Sensorsystems die Messsignale im Grunde nicht beeinträchtigt, kann eine derartige Überwachung sowohl kontinuierlich als auch in vorgegebenen zeitlichen Abständen je nach Sicherheitsanforderung durchgeführt werden.
Bei einer besonderen Ausführung der Erfindung wird ein Ausfall oder ein Fehler des Sensorsystems durch einen Schaltkontakt eines Relais signalisiert oder angezeigt, was den Vorteil hat, dass damit gleichzeitig auch die Stromversorgung der Mess- und Überwachungsvorrichtung überprüfbar ist, in dem das Relais in einem Ruhestromkreis gehalten wird und ein Abfall des Relais den Schaltkontakt zur Signalisierung betätigt.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt,
ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Überwachung eines piezoelektrischen Sensorsystems.
Die Vorrichtung nach der Fig. der Zeichnung enthält einen Sensor 1 mit einem Piezoelement zur Erfassung einer physikalischen Größe, dem ein Ladungsverstärker 2 nachgeschaltet ist, der in vorgegebenen Zeitabständen mit einer elektrischen Prüfimpulsfolge beaufschlagt wird, die mechanische Resonanzen im Piezoelement anregt, dessen abklingende elektrische Schwingungsantwort als Prüfsignalanteil während des Messbetriebs zur Überwachung des piezoelektrischen Sensorsystems ausgewertet wird.
Der piezoelektrische Sensor 1 ist vorzugsweise als Beschleunigungssensor zur Überwachung von hochbelasteten Kugellagern an Kraftwerksturbinen ausgebildet. Derartige piezoelektrische Sensoren 1 können aber auch als Kraft- oder Drucksensoren oder zur Erzeugung einer Schallwelle zur Erfassung der Materialstruktur nach dem Impuls-Echo-Verfahren ausgeführt sein. Derartige piezoelektrische Sensorsysteme beruhen auf dem direkten piezoelektrischen Effekt. Dabei treten bei einer Verformung der Kristalle durch äußere mechanische Krafteinwirkung an bestimmten Kristalloberflächen elektrische Ladungen auf, die gemessen werden können. Die auftretende Ladung ist dabei der mechanischen Beanspruchung direkt proportional. Zur Messung einer derartigen Ladung ist dem piezoelektrischen Sensor 1 ein Ladungsverstärker 2 nachgeschaltet, der die Ladung in eine proportionale elektrische Spannung umwandelt.
Der Ausgang des Ladungsverstärkers 2 ist mit einem kapazitiven Rückkopplungszweig 3 mit einem Sensoreingang 4 verbunden. Andererseits ist der Ausgang des Ladungsverstärkers 2 gleichzeitig mit einem Eingang eines Track-and-Hold-Schalters 5 verbunden. Der Track-and-Hold-Schalter 5 erlaubt analoge Spannungswerte kurzzeitig auf dem Momentanwert zu halten. Der Ausgang des Track-and-Hold-Schalters 5 ist mit einem Eingang eines ersten Analog-Digital-Wandlers 8 verbunden. Der Ausgang des ersten Analog-Digital-Wandlers 8 ist auf einen nachfolgenden gemeinsamen Verknüpfungspunkt 9 geschaltet, der gleichzeitig mit einem nachgeschalteten programmgesteuerten Mikroprozessor 10 als Rechenschaltung verbunden ist.
Mit dem Ausgang des Ladungsverstärkers 2 und dem Eingang des Track-and-Hold-Schalters 5 ist noch ein zweiter Analog-Digital-Wandler 11 eingangsseitig verbunden, wobei der Ausgang des zweiten Analog-Digital-Wandlers 11 mit dem Verknüpfungspunkt 9 verschaltet ist. Gleichzeitig ist der Verknüpfungspunkt 9 noch mit einem Prüfpulsgenerator 12 verbunden, der als Digital-Analog-Wandler ausgebildet ist und dessen analoger Ausgang auf den nicht invertierenden Eingang 16 des Ladungsverstärkers 2 gelegt ist.
Zur Anzeige oder Signalisierung eines Störungsfalls in der Messstrecke oder beim Ausfall des piezoelektrischen Sensors 1 ist ein Relais 13 vorgesehen, dessen Schaltkontakt 14 zur elektrischen Anschaltung einer Signalisierung oder Anzeige dient. Dabei ist ein Eingang des Relais 13 mit einem Steuerausgang (Control) des Mikroprozessors 10 und gleichzeitig mit dem zweiten Eingang des Track-and-Hold-Schalter 5 verbunden. Zur Stromversorgung des Relais 13 ist dieses noch mit einer Spannungsquelle 15 verbunden. Dabei enthält die Messstrecke mindestens den Ladungsverstärker 2, einen Analog-Digital-Wandler 8, 11 und einen Mikroprozessor 10 als Auswerteschaltung.
Das vorbeschriebene Sensorsystem mit der Vorrichtung zur Überwachung des piezoelektrischen Sensors 1 weist nachfolgend beschriebene Funktion auf:
Im Messbetrieb erfasst der piezoelektrische Sensor 1 mittels einer seismischen Masse eine Beschleunigung und erzeugt mit dieser bei einer erfassten Beschleunigung eine entsprechende Ladung, die im nachfolgenden Ladungsverstärker 2 in eine proportionale elektrische Spannung umgewandelt wird. Im reinen Messbetrieb ist der Track-and-Hold-Schalter 5 abgeschaltet, so dass die abgetasteten Messsignale durch den nachfolgenden zweiten Analog-Digital-Wandler 11 in entsprechende Digital-Werte umgewandelt und über den Verknüpfungspunkt 9 dem Mikroprozessor 10 zugeführt werden, der diese programmgesteuert auswertet oder einer nachfolgenden nicht dargestellten separaten Auswertevorrichtung zuführt.
Zur Überwachung des Sensorsystems mit dem piezoelektrischen Sensor 1 wird die Tatsache ausgenutzt, dass der Piezoeffekt des Sensors 1 durch einen elektrischen Impuls umkehrbar ist, wobei die dadurch entstehenden mechanischen Schwingungen oberhalb der Messfrequenz zur Selbstdiagnose oder Überwachung während des Messbetriebs ausgenutzt werden können. Dazu wird programmgesteuert in vorgegebenen Zeitabständen vom Mikroprozessor 10 der Prüfpulsgenerator 12 aktiviert, der eine Prüfimpulsfolge von mindestens einem kurzen rechteckigen Prüfimpuls erzeugt, der an den nicht invertierenden Eingang 16 des Ladungsverstärkers 2 gelegt wird. Dabei ist die Amplitude des Prüfimpulses der Prüfimpulsfolge so gewählt, dass der Ladungsverstärker 2 möglichst bis zu seinem verzerrungsfreien Maximum gut ausgesteuert wird. Dazu wird das Piezoelement des Sensors 1 über den Rückkopplungszweig 3 zu mechanischen hochfrequenten Schwingungen angeregt, deren Verlauf als Prüfsignalantwort auf den Prüfimpuls der Prüfimpulsfolge für einen einwandfreien Sensor 1 und die Messstreckenelektronik definiert ist. Diese Prüfsignalantwort stellt am Ausgang des Sensors 1 dann einen Prüfsignalanteil der gelieferten elektrischen Messwerte dar.
Für den Zeitraum des Prüfimpulses wird der Track-and-Hold-Schalter 6 vom Mikroprozessor 10 aktiviert, so dass dieser den primären Rechteckimpuls ausblendet und den vorherigen Messwert als Spannungswert hält. Dadurch erlaubt es der Track-and-Hold-Schalter 5 den Prüfimpuls der Prüfimpulsfolge aus dem Eingangssignal des ersten Analog-Digital-Wandlers 8 zu entfernen, so dass dieser erste Analog-Digital-Wandler 8 die Digitalisierung der Messsignale mit etwa der gleichen Dynamik erledigt, als wäre keine Vorrichtung zur Überwachung eines Sensorsystems vorhanden.
Hingegen werden durch den zweiten Analog-Digital-Wandler 11 sowohl die Messwerte als auch die diesen überlagernde Prüfsignalantwort als Prüfsignalanteil vollständig erfasst, wobei dessen abgetastete Werte am Ausgang des zweiten Analog-Digital-Wandlers 11 digital anliegen. Dabei werden diese Abtastwerte aus dem zweiten Analog-Digital-Wandler 11 über den Verknüpfungspunkt 9 dem Mikroprozessor 10 zugeführt und dort durch ein vorgegebenes Programm untersucht.
Dabei werden die Parameter der in den Abtastwerten von Analog-Digital-Wandler 8 enthaltenen Prüfsignalantwort in Gestalt einer Resonanzschwingung geschätzt und mit den für einen gegebenen Sensortyp charakteristischen Werten verglichen. Übereinstimmung ist ein Beleg dafür, dass der piezoelektrische Sensor 1 im Grundsatz ordnungsgemäß arbeitet. Deshalb wird der programmgesteuerte Mikroprozessor 10 beim Fehlen dieser Resonanzschwingungsfolge ein Störungssignal erzeugen, durch das das mit einem Ruhestrom gehaltene Relais 13 abfällt und dessen Schaltkontakt 14 betätigt wird. Mithilfe des Schaltkontakts 14 wird dann eine Anzeige- oder Signalisierungseinrichtung eingeschaltet.
Durch den Mikroprozessor 10 kann gleichzeitig auch ein Dynamikverlust in der primären Signalfolgeantwort ermittelt werden. Dazu wird die Prüfsignalfolge der Rechteckimpulse mit den eingespeicherten Rechteckimpulsen und der Referenzantwort im Mikroprozessor 10 programmgemäß verglichen und eine eventuelle Abweichung festgestellt. Sollte dabei die Abweichung einen unteren Grenzwert unterschreiten, so würde dies einen Dynamikverlust im Sensorsystem bedeuten. Dieser kann dann ebenfalls als Fehler oder Störung über den Relaiskontakt 14 signalisiert oder angezeigt werden. Damit ist die gesamte Messstrecke vom piezoelektrischen Sensor 1 bis zur Auswerteschaltung im Mikroprozessor 10 überwachbar, ohne dass die Messstrecke oder der erfassbare Betriebsablauf unterbrochen werden müsste.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit während des Überwachungszeitraums werden die Ausgangssignale des ersten Analog-Digital-Wandlers 8 noch um darin enthaltene Resonanzschwingungsanteile bereinigt, indem diese punktweise mit den eingespeicherten Werten zur bekannten Frequenz, Amplitude und Relaxationszeit subtrahiert werden. Nachfolgend ist noch eine nicht dargestellte Tiefpass-Filterung vorgesehen, die die gewöhnlich interessierenden Messsignalanteile hervorhebt und die Resonanzschwingungsanteile während des Überwachungszeitraums noch weiter reduziert, so dass die eigentliche Auswertung der Messsignalanteile nicht weiter beeinträchtigt wird. Diese bereinigten Messsignalanteile können dann im programmgesteuerten Mikroprozessor 10 weiter ausgewertet oder einer externen Auswerteschaltung zugeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 98/54544 [0003]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Sensors 1 auf Ausfall oder Fehlerhaftigkeit, bei dem während des Sensormessbetriebs die vom Sensor (1) gelieferten elektrischen Messwerte fortlaufend abgetastet werden und ein darin enthaltener Prüfsignalanteil zur Feststellung eines Ausfalls oder eines Fehlers ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem piezoelektrischen Sensor (1) dieser mit einer elektrischen Prüfimpulsfolge beaufschlagt wird, dessen abklingende Resonanzsignalantwort als Prüfsignalanteil aus dem Messsignal erfasst und mit einer vorgegebenen abklingenden Referenzantwort verglichen wird und bei einer vorbestimmbaren Abweichung der Referenzantwort als Ausfall oder Fehlerhaftigkeit signalisiert oder angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Sensor (1) mit einem Ladungsverstärker (2) mit kapazitivem Rückkopplungszweig (3) auf dessen Eingang (4) verbunden ist, wobei auf dem nicht invertierenden zweiten Eingang (16) des Ladungsverstärkers (2) von einem Prüfpulsgenerator (12) eine kurze Prüfimpulsfolge aus mindestens einem oder mehreren kurzen rechteckförmigen Spannungsimpulsen aufgegeben wird, dessen Amplituden den Ladungsverstärker (2) maximal und verzerrungsfrei aussteuern.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die am Ausgang des Ladungsverstärkers (2) anliegende elektrische Prüfimpulsfolge über den Rückkopplungszweig (3) an den piezoelektrischen Sensor (1) angelegt wird, durch dessen mechanisches Schwingungsverhalten dann eine Prüfsignalantwort erzeugt wird, die als abklingende elektrische Schwingung dann am Ausgang des Ladungsverstärkers (2) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die am Ausgang des Ladungsverstärkers (2) vor dem Überwachungsvorgang anliegenden Messsignale einem nachfolgenden Track-and-Hold-Schalter (5) zugeführt werden, der die Messsignale während der Dauer der Prüfimpulsfolge auf den vorherigen Messwert hält und dadurch mindestens den Prüfimpuls der Prüfimpulsfolge aus dem Messsignalwerten ausblendet, wobei nur diese gehaltenen Messwerte einem ersten Analog-Digital-Wandler (8) zugeführt, dort digitalisiert und zur Auswertung an einen nachfolgenden Mikroprozessor (10) übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die am Ausgang des Ladungsverstärkers (2) anliegenden Messsignale und die ihnen überlagerte Prüfimpulsfolge und die Prüfsignalantwort von einem zweiten Analog-Digital-Wandler (11) abgetastet und dem Mikroprozessor (10) zugeführt und dort programmgesteuert von den Ausgangswerten des ersten Analog-Digital-Wandlers (8) verarbeitet werden, so dass dann nur noch die Prüfimpulsfolge und die Prüfsignalantwort vorliegt, die dann im Mikroprozessor (10) mit einer Referenzantwort verglichen wird und bei einer vorbestimmten Abweichung der abklingenden Schwingungswerte als Sensorausfall signalisiert oder angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer bestimmten Abweichung der rechteckförmigen Prüfimpulsfolge von den rechteckförmigen Referenzimpulswerten dies vom Mikroprozessor (10) als Fehler der Messstrecke signalisiert oder angezeigt wird.
Vorrichtung zur Überwachung eines Sensors (1) mit einer daran angeschlossenen Messstrecke nach einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 6, die mindestens eine Verstärkervorrichtung (2) zur Verstärkung der Messsignale enthält, die durch Parameterschätzung die Prüfsignalantwort errechnet, was zur Überwachung des Sensorsystems dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als piezoelektrischer Sensor (1) ausgebildet ist, dem ein Ladungsverstärker (2) mit kapazitivem Rückkopplungszweig (3) nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang ein Track-and-Hold-Schalter (5) und parallel dazu ein zweiter Analog-Digital-Schalter (11) geschaltet ist, wobei am Ausgang des Track-and-Hold-Schalters (5) ein erster Analog-Digital-Wandler (8) angeschlossen ist und die Ausgänge des ersten Analog-Digital-Wandlers (8) und des zweiten Analog-Digital-Wandlers (11) mit einem programmgesteuerten Mikroprozessor (10) als Rechenschaltung zur Auswertung der Messsignale und des Prüfsignalanteils verbunden sind, wobei der Mikroprozessor (10) noch an einem Prüfpulsgenerator (12) zur Erzeugung einer Prüfimpulsfolge angeschossen ist, dessen analoger Ausgang mit einem nicht invertierenden Eingang (16) des Ladungsverstärkers (2) verbunden ist.
Vorrichtung zur Überwachung eines Sensors (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der programmgesteuerte Mikroprozessor (10) so ausgebildet ist, dass er in zeitlich vorgegebenen Abständen den Prüfimpulsgenerator (12) zur Erzeugung einer Prüfimpulsfolge ansteuert und über einen Steuerausgang (Control) den Track-and-Hold-Schalter (5) aktiviert und die Ausgangssignale des ersten Analog-Digital-Wandlers (8) von den Ausgangssignalen des zweiten Analog-Digital-Wandlers (11) durch den Subtrahierer subtrahiert und diese Werte mit einer Referenzantwort vergleicht und bei einer vorbestimmten Abweichung der Referenzantwort über den Steuerausgang (Control) ein nachfolgendes Relais (13) mit Schaltkontakt (14) betätigt.