DE102010010190A1

DE102010010190A1 - Verfahren und Vorschaltgerät zur Bereitstellung mindestens zweier analoger Signale in einem Kanal eines Schwingungsdiagnosegerätes

Info

Publication number: DE102010010190A1
Application number: DE201010010190
Authority: DE
Inventors: Götz Langer; Dr. Kessler Hans-Willi
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2011-09-08

Abstract

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bereitstellung mindestens zweier analoger Messsignale (02, 03) in einem Kanal (04) eines Schwingungsdiagnosegerätes (06) werden mindesten ein erstes und ein zweites analoges Messsignal (02, 03) von verschiedenen Sensoren (07, 08) bereitgestellt. Die analogen Messsignale (02, 03) weisen eine vorgegebene maximale Bandbreite auf. Es erfolgt eine Modulation eines Trägersignals (12) mit dem zweiten analogen Messsignal (03). Dabei weist das Trägersignal (12) eine Trägerfrequenz fT auf, die größer ist, als die doppelte maximale Bandbreite. In einem weiteren Schritt erfolgt eine Überlagerung des nicht modulierten ersten Messsignals (02) mit dem modulierten zweiten Messsignal (12-03) zu einem Summensignal (14). Anschließend wird das Summensignal (14) dem Kanal (04) des Schwingungsdiagnosegerätes (06) eingespeist. Ein erfindungsgemäßes Vorschaltgerät (01) zur Bereitstellung mindestens zweier analoger Messsignale (02, 03) in einem Kanal (04) eines Schwingungsdiagnosegerätes (06) umfasst mindestens zwei Eingänge für analoge Messsignale (02, 03), einen Modulator (11) zur Modulation des zweiten Messsignals (03) mit einem Trägersignal (12), eine Summeneinheit (09) zur Überlagerung des modulierten zweiten Messsignals (12-03) mit einem nicht modulierten ersten Messsignal (02) und einen Ausgang zur Ausgabe eines aus der Überlagerung resultierenden Summensignals (14).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung mindestens zweier analoger Signale in einem Kanal eines Schwingungsdiagnosegerätes und ein Vorschaltgerät zur Durchführung des Verfahrens.
Schwingungsdiagnosegeräte dienen der permanenten Überwachung von Maschinen und Anlagen, um eine optimale Anlagenauslastung zu erreichen und Schäden frühzeitig und zuverlässig zu diagnostizieren und geeignete Maßnahmen einzuleiten. Hierzu werden Maschinengeräusche mit einem oder mehreren Sensoren erfasst und in einem Schwingungsmessgerät ausgewertet. Fehler oder Schäden an Maschinenteilen führen zu veränderten Schwingungspegeln. Diskrete Schäden eines Wälzlagers (beispielsweise Pittings auf den Laufbahnen) erzeugen bei ihrer Überrollung eine periodische Folge von Einzelstößen. Die Impulsfolgefrequenzen bzw. Schadensfrequenzen sind von der Lagergeometrie abhängig und proportional zur Drehzahl.
Eine Überwachung einzelner Maschinenteile und eine frühzeitige Schadensdetektion sind nur durch eine frequenzselektive Überwachung realisierbar, da kleine Schäden oder Fehler eine Amplitudenzunahme einzelner charakteristischer Frequenzen eines Messsignals verursachen. Eine wichtige Rolle spielt hierbei die Hüllkurvenanalyse. Sie ermöglicht, periodische Stoßimpulse im Schwingungssignal einer Maschine zu erkennen, wie sie beispielsweise bei Getriebe- oder Wälzlagerschäden auftreten.
Schädigungen sind frühzeitig durch charakteristische Muster in den Frequenzspektren der Maschinenschwingung erkennbar. Mittels festgelegter schmalbandiger Frequenzbänder ist es möglich, Amplituden einzelner Bauteile zielgerichtet zu überwachen.
Aus der technischen Produktinformation ”FAG DTECT X1 Permanente Überwachung von Maschinen und Anlagen” der Schaeffler KG ist ein Schwingungsüberwachungssystem zur permanenten frequenzselektiven Überwachung bekannt. Das Gerät ermöglicht den Anschluss aller gängigen Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- und Wegsensoren. Das Signal jedes dieser Sensoren wird aufgezeichnet und mit Hilfe der Fast Fourier Transformation (FFT) in seine Frequenzanteile zerlegt. Damit ist es möglich, Amplituden innerhalb fester und sehr schmaler Frequenzbänder auf vorgegebene Grenzwerte zu überwachen. Das Gerät verfügt in der Standardausstattung über zwei Kanäle zum direkten Anschluss von Sensoren. Außerdem ist ein Acht-Kanal-System mit einem Multiplexer zum indirekten Anschluss von acht Sensoren verfügbar. Die begrenzte Anzahl der Eingangskanäle ist in vielen Anwendungsfällen nicht ausreichend.
Die EP 0 874 495 A2 beschreibt eine Modulationseinrichtung zur Modulation digitaler Signale. Bei der Übertragung digitaler Signale werden dabei je Übertragungskanal mindestens zwei Trägerfrequenzen verwendet und dadurch eine Erhöhung der Übertragungskapazität eines Kanals erreicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, kostengünstig die vorhandene Kanalzahl und damit die Anzahl der an ein Schwingungsdiagnosegerät anschließbaren Sensoren zu erhöhen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Vorschaltgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bereitstellung mindestens zweier analoger Messsignale in einen Kanal eines Schwingungsdiagnosegerätes werden mindesten ein erstes und ein zweites analoges Messsignal von verschiedenen Sensoren bereitgestellt. Die analogen Messsignale weisen eine vorgegebene maximale Bandbreite auf. Es erfolgt nun eine Modulation eines Trägersignals mit dem zweiten analogen Messsignal. Dabei weist das Trägersignal eine Trägerfrequenz auf, die größer ist, als die doppelte maximale Bandbreite. Dies gewährleistet, dass sich die Seitenbänder im Summensignal nicht überlappen und eine spätere Demodulation einfach möglich ist. In einem weiteren Schritt erfolgt eine Überlagerung des nicht modulierten ersten Messsignals mit dem modulierten zweiten Messsignal zu einem Summensignal. Anschließend wird das Summensignal dem Kanal des Schwingungsdiagnosegerätes eingespeist.
Ein erfindungsgemäßes Vorschaltgerät zur Bereitstellung mindestens zweier analoger Messsignale in einem Kanal eines Schwingungsdiagnosegerätes umfasst mindestens zwei Eingänge für analoge Messsignale, einen Modulator zur Modulation eines zweiten Messsignals mit einem Trägersignal, eine Summeneinheit zur Überlagerung des modulierten zweiten Messsignals mit einem nicht modulierten ersten Messsignal und einen Ausgang zur Ausgabe eines aus der Überlagerung resultierenden Summensignals.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass eine einfache und preiswerte Methode zur Erhöhung der in einem Schwingungsdiagnosegerät auswertbaren Messsignale geschaffen wurde. Dabei kann die Leistungsfähigkeit des Schwingungsdiagnosegerätes optimal ausgeschöpft werden.
Vorteilhafterweise können insgesamt n Messsignale dem Kanal des Schwingungsdiagnosegerätes hinzugefügt werden. Dabei wird das n-te Messsignal mit der (n – 1)-fachen Trägerfrequenz moduliert. Dies ist erforderlich, damit sich die entstehenden Seitenbänder im Summensignal nicht überlappen und eine Demodulation und Auswertung, sowie sichere Fehlerdiagnose der ursprünglichen Messsignale möglich ist.
Vorteilhafterweise kann bei geeigneter Modulationstechnik der sonst vorgeschaltete Multiplexer zur Kanalvervielfachung entfallen, da das Vorschaltgerät selbst als Frequenzmultiplexer ausgeführt sein kann.
Die maximale Anzahl n der Messsignale ist lediglich durch die Bandbreite des Eingangskanals des Schwingungsdiagnosegerätes begrenzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Schwingungsdiagnosegerät zunächst eine Demodulation des Summensignals in die ursprünglichen Messsignale. Dies kann im Gerät hardwaremäßig oder softwaremäßig in einer Überwachungskonfiguration realisiert sein.
Die Überwachungskonfiguration kann im Schwingungsdiagnosegerät individuell eingerichtet werden. Damit wird die Basis für eine spätere Auswertung gelegt. Jede Überwachungskonfiguration definiert dabei mindestens die einem Kanal zugeordneten Messgrößen, Kennwertarten, Kennwertgrößen, Frequenzbänder und Alarmschwellen. Es ist möglich, für einen Eingangskanal mehrere Überwachungskonfigurationen zu definieren.
Für jede dieser Konfigurationen werden im Schwingungsdiagnosegerät aus den Zeit- und Frequenzsignalen die Kennwerte ermittelt und in einem konfigurationseigenen Speicher abgelegt.
Eine erfolgreiche Schwingungsüberwachung hängt stark von der eingesetzten Software ab. Neben der einfachen Konfiguration und Bedienung sind die vielfältigen Analyse- und Darstellungsmöglichkeiten in der Software von entscheidender Bedeutung. Eine Anpassung der Software des Schwingungsdiagnosegerätes auf den Empfang des Summensignals kann gegebenenfalls erfolgen.
Das Schwingungsdiagnosegerät kann auch Zusatzkanäle zur Mitführung bestimmter Prozessgrößen (z. B. Drehzahl, Drehmoment, Temperatur, Druck, Betriebsdauer, ...) umfassen. Diese Prozessgrößen können zur Auswertung und Validierung der Messsignale herangezogen werden. Dadurch kann zum Beispiel eine drehzahlabhängige Mitführung der Frequenzbänder oder die Einstellung von last- und drehzahlabhängigen Alarmgrenzen realisiert werden.
Eine Begrenzung der Bandbreite der analogen Messsignale auf die vorgegebene maximale Bandbreite erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform durch Filterung der analogen Signale an einem Tiefpass. Die Filtereigenschaften können dabei zum Beispiel anhand der mitgeführten Prozessgröße Drehzahl festgelegt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Amplitudenmodulation der zweiten bis n-ten Messsignale. Der Vorteil dieser klassischen Modulationsart liegt darin, dass das Messsignal in der Hüllkurve des Trägersignals enthalten ist und durch eine Gleichrichtung und nachgeschaltete Tiefpassfilterung bis auf einen konstanten Gleichanteil wieder zurück gewonnen werden kann. Eine solche Hüllkurvendemodulation beherrschen bekannte Schwingungsdiagnosegeräte ohnehin.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1: ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorschaltgerätes;
2: ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung mindestens zweier analoger Signale in einem Kanal eines Schwingungsdiagnosegerätes.
In 1 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorschaltgerätes 01 zur Bereitstellung mindestens zweier analoger Messsignale 02, 03 in einem Kanal 04 eines Schwingungsdiagnosegerätes 06 dargestellt.
Die analogen Messsignale 02, 03 werden dabei von Sensoren 07, 08 bereitgestellt. Das erste Messsignal 02 wird direkt auf eine Summeneinheit 09 geleitet.
Das zweite Messsignal 03 wird zunächst in einem Modulator 11 mit einem Trägersignal 12 moduliert, nachdem eine Filterung in einem Tiefpassfilter 13 erfolgte. Gegebenenfalls kann auch das erste Messsignal einer Tiefpassfilterung unterzogen werden, um dessen Bandbreite sicher zu begrenzen, sofern dies nicht bereits in der Sensorschaltung realisiert ist. Dies ist mit dem gestrichelt dargestellten Tiefpassfilter angedeutet. Anschließend wird das modulierte Trägersignal 12-03 ebenfalls der Summeneinheit 09 zugeführt. In der Summeneinheit 09 erfolgt eine einfache additive Überlagerung zu einem Summensignal 14. Das Summensignal 14 wird am Kanal 04 des Schwingungsdiagnosegerätes 06 angelegt.
Da im Schwingungsdiagnosegerät 06 eine Überwachungskonfiguration eingerichtet ist, sind die Bandbreiten der einzelnen Messsignale 02, 03 bekannt. Daher kann eine einfache Zerlegung des Summensignals 14 über entsprechende Filter erfolgen.
Durch einen Tiefpassfilter 16 wird aus dem Summensignal 14 wieder das erste Messsignal 02 extrahiert. Das Summensignal 14 wird außerdem in einem Demodulator 17 einer Hüllkurvendemodulation unterzogen. Da im Modulator 11 dieser Ausführungsform eine Amplitudenmodulation vorgenommen wurde, ist das Messsignal 03 in der Umhüllenden des modulierten Signals 12-03 enthalten und kann durch einen Bandpassfilter 18 (Filterung auf Trägerfrequenz), nachfolgende Gleichrichtung in einem Gleichrichter 19 und Filterung mit einem Tiefpassfilter 21 aus dem Summensignal 14 wieder erhalten werden.
Da das Schwingungsdiagnosegerät 06 ohnehin auch über die Möglichkeit verfügt, eine Hüllkurvendemodulation auszuführen, kann die volle mögliche Bandbreite des Kanals 04 für Messsignale ausgenutzt werden.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bereitstellung von drei analogen Messsignalen 02, 03, 24 in den Kanal 04 des Schwingungsdiagnosegerätes 06 als Blockschaltbild dargestellt. Das Verfahren wird im Vorschaltgerät 01 ausgeführt, wobei in dieser Ausführungsform drei Eingangskanäle vorhanden sind. Gleiche Bezugsziffern bedeuten dabei gleiche Elemente, wie in 1 beschrieben.
Die Messsignale 02, 03, 24 haben dabei eine maximale Bandbreite f_m von 5 kHz. Das erste Messsignal 02 wird unbearbeitet auf die Summeneinheit 09 geleitet. Das zweite Messsignal 03 wird im Modulator 11 auf das Trägersignal 12 moduliert. Das Trägersignal 12 hat eine Trägerfrequenz f_T von 12,5 kHz.
Das dritte Messsignal 24 (n = 3) wird im Modulator 26 auf ein weiteres Trägersignal 27 moduliert, dessen Trägerfrequenz (n – 1) × f_T = 2 × 12,5 kHz = 25 kHz beträgt. Das mit dem Messsignal 24 modulierte Trägersignal 27-24 wird über eine weitere Summeneinheit 28 mit dem modulierten Trägersignal 12-03 und über die Summeneinheit 09 mit dem Messsignal 02 zum Summensignal 14 überlagert.
Im Spektrum 29 des Summensignals 14 ist nun erkennbar, wie die Messsignale 02, 03, 24 bei der Modulation in unterschiedliche Frequenzbereiche verschoben wurden. Durch das Verschieben in unterschiedliche Frequenzbereiche können mehrere Messsignale gleichzeitig und ohne gegenseitige Störung übertragen werden.
Denkbar ist es auch, andere bekannte Modulations- und ggf. Filterverfahren, z. B. Einseitenbandmodulation zu verwenden, um jeweils nur die interessierenden Seitenbänder zu übertragen. Allerdings sind dann Modulation und Demodulation aufwendiger.
Bezugszeichenliste

01: Vorschaltgerät
02: Messsignal
03: Messsignal
04: Kanal
05
06: Schwingungsdiagnosegerät
07: Sensor
08: Sensor
09: Summeneinheit
10
11: Modulator
12: Trägerfrequenz
13: Tiefpassfilter
14: Summensignal
15
16: Tiefpassfilter
17: Demodulator
18: Bandpassfilter
19: Gleichrichter
20
21: Tiefpass
22
23
24: Messsignal
25
26: Modulator
27: Trägersignal
28: Summeneinheit
29: Spektrum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0874495 A2 [0006]

Claims

Verfahren zur Bereitstellung mindestens zweier analoger Messsignale (02, 03) in einem Kanal (04) eines Schwingungsdiagnosegerätes (06), folgende Schritte umfassend: – Bereitstellen mindestens eines ersten analogen Messsignals (02) und eines zweiten analogen Messsignals (03) vorgegebener maximaler Bandbreite durch verschiedene Sensoren (07, 08); – Modulation eines Trägersignals (12) mit dem zweiten analogen Messsignal (03), wobei das Trägersignal (12) eine Trägerfrequenz f_T aufweist, die größer ist, als die doppelte maximale Bandbreite; – Überlagern des ersten Messsignals (02) mit dem modulierten zweiten Messsignal (12-03) zu einem Summensignal (14); – Aufschalten des Summensignals (14) auf den Kanal (04) des Schwingungsdiagnosegerätes (06).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein n-tes analoges Signal (24) mit einem Trägersignal (27) mit (n – 1)-facher Trägerfrequenz moduliert und mit dem ersten analogen Messsignal (02) und dem zweiten modulierten Signal (12-03) zum Summensignal (14) überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Anzahl n der analogen Messsignale durch die Bandbreite des Kanals (04) des Schwingungsdiagnosegerätes (06) begrenzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schwingungsdiagnosegerät (06) eine Demodulation und Analyse der Einzelsignale erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzung der Bandbreite der analogen Messsignale (03) auf die vorgegebene maximale Bandbreite durch Filterung der Signale in einem Tiefpassfilter (13) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitudenmodulation erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einseitenbandmodulation erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schwingungsdiagnosegerät (06) eine Aufspaltung der Summensignals (14) in die Ursprungs-Messsignale (02, 03) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hüllkurven-Demodulation des Summensignals (14) erfolgt.
Vorschaltgerät (01) zur Bereitstellung mindestens zweier analoger Messsignale (02, 03) in einem Kanal (04) eines Schwingungsdiagnosegerätes (06) umfassend: – mindestens zwei Eingänge für die analogen Messsignale (02, 03); – einen Amplitudenmodulator (11) zur Modulation des zweiten Messsignals (03) mit einem Trägersignal (12); – eine Summeneinheit zur Überlagerung des modulierten zweiten Messsignals (12-03) mit einem ersten, vorzugsweise nicht modulierten Messsignal (02); – einen Ausgang zur Ausgabe eines aus der Überlagerung resultierenden Summensignals (04).
Vorschaltgerät (01) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen Filter zur Filterung der analogen Messsignale umfasst.
Vorschaltgerät (01) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Frequenzgenerator zur Erzeugung des Trägersignals (12) umfasst.