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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlerfassung und ein Drehzahlerfassungssystem.
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In einer Vielzahl von Maschinen, Fahrzeugen und weiteren technischen Gegenständen befinden sich rotierende Teile, deren Drehzahl von Interesse sein kann. Die Erfassung von Drehzahlen ist seit langem bekannt.
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Nach dem Stand der Technik können Drehzahlen zum Beispiel mit einem Drehzahltachometer erfasst werden, das mechanisch mit dem rotierenden Teil in Verbindung gebracht wird, wodurch Teile des Drehzahltachometers selbst rotieren. Diese können mit einem Wirbelstromtachometer oder einem elektronisch ausgelesenen Encoder verbunden sein. Über eine Anzeige oder eine elektronische Schnittstelle der entsprechenden Messgeräte wird die Drehzahl als Information verfügbar. Nachteilig an einem solchen Drehzahlerfassungssystem ist, dass ein Drehzahltachometer rotierende Teile enthält und diese mechanisch mit dem Drehzahlerfassungssystem in Verbindung stehen müssen, was einen merklichen Aufwand bei der Herstellung des Drehzahlerfassungssystems und beim Einsatz bedeutet.
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Dadurch sind in dem Drehzahlerfassungssystem Lagerungen erforderlich, die mit Verschleiß behaftet und für Ausfälle anfällig sind. Insbesondere bei Betriebsüberwachungsaufgaben ist eine sehr hohe Zuverlässigkeit von Drehzahlerfassungssystemen äußerst wichtig. Derartige Drehzahlerfassungssysteme sind daher für die dauerhafte Betriebsüberwachung meist ungeeignet.
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Weiter sind optische Drehzahlerfassungssysteme bekannt, bei denen eine Reflexmarke auf einem rotierenden Teil angebracht und von einem Lichtstrahl beleuchtet wird. Die Reflexmarke befindet sich nur auf einem Teil des Umfangs, sodass auf die Reflexion von der Welle durch die verschieden starken Reflektivitäten der Reflexmarke und der Oberfläche des rotierenden Teils selbst das Drehzahlsignal aufmoduliert ist. Die Reflexionen werden durch eine Abbildungsoptik auf einen Detektor geführt, sodass dort ein Signal mit der Drehzahlinformation zur Verfügung steht. Ein optisches Drehzahlerfassungssystem ist durch die berührungslose Messung für die Betriebsüberwachung besser geeignet als ein Tachometersystem. Nachteilig an einem solchen Drehzahlerfassungssystem ist, dass optische Störungen, wie beispielsweise Sonneneinstrahlung, 100 Hz-Neonlicht oder andere Lichtquellen die Messung verfälschen oder unmöglich machen können. Zudem kann die Reflexmarke mit der Zeit ihre Reflektivität verändern, sodass das gemessene Signal sich verändern kann. Im ungünstigsten Fall kann sich die Reflexmarke auch von dem rotierenden Teil lösen, sodass dadurch die Messung unmöglich wird. Ein weiterer Nachteil ist, dass das Messgerät genau auf die Marke ausgerichtet sein muss. Zuverlässiger sind optische Systeme, die mit optischen Encodern oder ähnlichen mitrotierenden Strahlunterbrechungseinrichtungen arbeiten.
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Weiterhin sind Drehzahlerfassungssysteme bekannt, die auf Signalen von Beschleunigungssensoren basieren, wobei die Beschleunigungssensoren an einem nichtrotierenden Teil einer Maschine befestigt sind. Durch die Unwucht von rotierenden Teilen der Maschine entsteht ein Beschleunigungssignal, das die Drehzahlinformation enthält. Das Beschleunigungssignal wird dann einer Fourier-Transformation unterworfen und die Grundwelle der stärksten auftretenden Schwingungen als Drehfrequenz der rotierenden Teile der Maschine herangezogen. Ein Beschleunigungssensor kann dabei an verschiedenen Stellen der Maschine angebracht werden. Eine direkte Zugänglichkeit des rotierenden Teils ist nicht erforderlich. Für die Betriebsüberwachung ist ein solches System daher recht gut geeignet. Ein Nachteil ist jedoch, dass durch die Fourier-Transformation ein relativ langer Zeitraum erforderlich ist, bis ein Messsignal zur Verfügung steht. Dies hängt damit zusammen, dass für eine genaue Erfassung einer Frequenz eine entsprechend hohe Anzahl von abgetasteten Werten erforderlich ist. Zudem ist eine leistungsfähige und damit teure Hardware erforderlich, um die Fourier-Transformation ausreichend genau zu berechnen und auszuwerten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Drehzahlmessung mit Hilfe von Schwingungssensoren dahingehend zu verbessern, dass eine Drehzahlinformation sehr schnell und genau zur Verfügung steht, wobei nur ein geringer Hardwareaufwand erforderlich ist.
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Nach der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Drehzahlerfassung gelöst, das die folgenden Schritte umfasst: Erfassen eines ersten Schwingungssignals eines rotierenden Objekts, Vergleichen des ersten Schwingungssignals mit einem ersten Schwellenwert, Erfassen eines ersten Zeitpunkts, zu dem das erste Schwingungssignal bei einer ersten Schwingung den ersten Schwellenwert überschreitet, Erfassen eines zweiten Zeitpunkts, zu dem das erste Schwingungssignal bei einer zweiten Schwingung den ersten Schwellwert überschreitet, Verwenden der Periodendauer zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt als Maß für die Drehzahl des rotierenden Objekts.
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Vorteilhaft folgt die zweite Schwingung unmittelbar auf die erste Schwingung. Dadurch ist es möglich, die Drehfrequenz als einfachen Kehrwert der Periodendauer zu berechnen. Die Drehzahl in der Einheit Umdrehungen pro Minute beträgt dann das 60fache der Drehfrequenz in Umdrehungen pro Sekunde. Liegen zwischen ersten und der zweiten Schwingung weitere Schwingungen, so muss die Periodendauer durch die Anzahl der weiteren Schwingungen +1 geteilt werden, bevor das Ergebnis durch Kehrwertbildung in die Drehfrequenz umgerechnet wird. Die Messgenauigkeit wird dadurch erhöht. Das „Ausblenden” von Schwingungen zwischen der ersten und der zweiten Schwingung kann durch Deaktivierung der Erfassung des Überschreitens des Schwellenwertes erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird folglich keine Fourier-Transformation mit dem Schwingungssignal durchgeführt, was den Hardwareaufwand erheblich verringert. Die Erfassung von Zeitpunkten des Schwingungssignals und die Messung der Periodendauer ermöglichen eine maximal schnelle Verfügbarkeit des Signals, das die Drehzahlinformation enthält.
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Ein Schwingungssignal kann ein Beschleunigungssignal, ein Geschwindigkeitssignal oder ein Positionssignal sein. Zur Erfassung dieser Signale können Sensoren nach dem Stand der Technik verwendet werden.
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Zur Erfassung des ersten und des zweiten Zeitpunkts kann der erste Schwellenwert von dem Signal von oben oder von unten her überschritten werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird nach dem Schritt des Erfassens des ersten Zeitpunkts ein zusätzlicher Schritt durchgeführt, in dem auf eine Erfassung des Überschreitens des ersten Schwellenwertes durch das erste Schwingungssignal hin das Erfassen des Überschreitens des ersten Schwellenwerts deaktiviert wird, und die Deaktivierung auf die Erfassung des Überschreitens eines zweiten Schwellenwertes durch das erste Schwingungssignal hin wieder aufgehoben wird.
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Der Vorteil der Deaktivierung und Aktivierung des Schwellenwerts mit Hilfe des zweiten Schwellenwerts verhindert ein mehrfaches Auslösen der Erfassung des Überschreitens der ersten Schwellenwerts. Erst wenn ein deutlich von dem ersten Schwellenwert verschiedener zweiter Schwellenwert ebenfalls überschritten wird, kann das Überschreiten des ersten Schwellenwerts wieder eine Erfassung auslösen. Dadurch wird verhindert, dass kleine Schwankungen auf dem Schwingungssignal die Erfassung des Überschreitens des ersten Schwellenwerts mehrfach auslösen und so eine wesentlich höhere Frequenz vortäuschen. Der zweite Schwellenwert ist dabei von dem ersten Schwellenwert verschieden.
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Vorteilhaft wird dabei die Erfassung des Überschreitens des ersten Schwellenwerts von einer ersten Richtung her durchgeführt, während die Erfassung des Unterschreitens des zweiten Schwellenwerts durch das Schwingungssignal von einer zweiten, der ersten entgegengesetzten Richtung her durchgeführt wird.
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Vorteilhaft liegen die Schwellenwerte zwischen 60% und 99% beziehungsweise zwischen 40% und 1%, besonders bevorzugt zwischen 60% und 90% beziehungsweise zwischen 10% und 40% des Intervalls zwischen Minimalwerten und den Maximalwerten der Schwingungen, besonders bevorzugt im oberen und im unteren Drittel in dem Intervall zwischen den Minimalwerten und den Maximalwerten der Schwingungen. Wenn die Minimalwerte und Maximalwerte nicht konstant sind, so gilt das oben definierte für deren Mittelwerte. Der Schwellenwert, der von höheren Werten her überschritten wird, ist dabei vorteilhaft der größere der beiden Schwellenwerte. Dementsprechend ist der Schwellenwert, der von kleineren Werten her unterschritten wird, vorteilhaft der kleinere der beiden Schwellenwerte.
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Bei Betrachtung des Schwingsignals ohne Gleichanteil ist dabei vorteilhaft als ersten Schwellwert den Gleichrichtwert aus den positiven Signalanteilen zu nutzen, und als zweiten Schwellwert den Gleichrichtwert aus den negativen Signalanteilen zu nutzen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein dritter Zeitpunkt erfasst, zu dem das Schwingungssignal den zweiten Schwellenwert während einer ersten Schwingung des Schwingungssignals überschreitet, und es wird ein vierter Zeitpunkt erfasst, zu dem das Schwingungssignal den zweiten Schwellenwert während einer zweiten Schwingung des Schwingungssignals überschreitet und die Periodendauer zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt in ein Maß für die Drehzahl des rotierenden Objekts eingeht.
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Der dritte und der vierte Zeitpunkt können zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt erfasst werden, wobei aus den daraus jeweils erfassten Drehzahlen ein Mittelwert gebildet werden kann.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird nach dem Schritt des Erfassens des Überschreitens des zweiten Schwellenwerts durch das erste Schwingungssignal ein zusätzlicher Schritt durchgeführt, in dem auf eine Erfassung des Überschreitens des zweiten Schwellenwertes durch das erste Schwingungssignal hin das Erfassen des Überschreitens des zweiten Schwellenwerts deaktiviert wird, und die Deaktivierung auf die Erfassung des Überschreitens eines ersten Schwellenwertes hin wieder aufgehoben wird.
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Das Vorgehen ist zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform analog, mit dem Unterschied, dass ein mehrfaches Auslösen durch das Überschreiten des zweiten Schwellenwerte statt des ersten Schwellenwertes verhindert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird das Schwingungssignal in einem weiteren Schritt vor dem Schritt des Vergleichens des ersten Schwingungssignals mit einem Schwellenwert durch ein Tiefpassfilter gefiltert.
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Durch die Tiefpassfilterung vor der Weiterverarbeitung des Schwingungssignals werden störende hochfrequente Anteile ausgefiltert. Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters wird zweckmäßig oberhalb der Drehfrequenz des rotierenden Objekts vorgesehen. Für einen einfachen Aufbau des Systems ist ein passiver Tiefpassfilter zweckmäßig. Vorteilhaft wird die Steilheit des Filters so groß gewählt, dass die Drehfrequenz durch den Filter nicht beeinträchtigt wird, die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters jedoch in der Nähe der Drehfrequenz liegen kann. Vorteilhaft wird ein Filter von mindestens achter Ordnung verwendet und die Grenzfrequenz in die Nähe der ersten Oberwelle der Drehfrequenz vorgesehen. Auf diese Weise wird die erste Oberwelle der Drehfrequenz unterdrückt. In einer weiteren Ausführungsform wird ein passiver Tiefpassfilter erster Ordnung verwendet, der mit geringem Aufwand aus einem Widerstand und einem Kondensator gebildet werden kann. Der Aufbau ist einem Fachmann wohlbekannt.
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Ergänzung
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In einer weiteren Ausführungsform wird das erste Schwingungssignal in einem weiteren Schritt vor dem Schritt des Vergleichens des ersten Schwingungssignals mit einem Schwellenwert durch ein Hochpassfilter gefiltert.
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Diese Hochpassfilterung dient dazu, den Gleichanteil aus dem Signal zu entfernen und niederfrequente Störungen unterhalb der Drehfrequenz zu unterdrücken. Durch das Entfernen des Gleichanteils verläuft das Schwingungssignal symmetrisch um seinen Mittelwert. Da der Gleichanteil bei einer nachfolgenden Verstärkung nicht mitverstärkt wird, wird dadurch eine Verstärkungsanpassung in nachfolgenden Signalpfad vereinfacht. Die Grenzfrequenz des Hochpassfilters wird zweckmäßig unterhalb der Drehfrequenz vorgesehen. Für einen Aufbau des Systems kann ein passiver Hochpassfilter vorgesehen werden. In einer weiteren Ausführungsform wird ein passiver Hochpassfilter erster Ordnung verwendet, der mit geringem Aufwand aus einem Widerstand und einem Kondensator gebildet werden kann. Der Aufbau ist einem Fachmann wohlbekannt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird das erste Schwingungssignal vor dem Schritt des Vergleichens des ersten Schwingungssignals mit einem Schwellenwert die Amplitude des ersten Schwingungssignals oder das Niveau von einem oder beiden Schwellenwerten automatisiert so modifiziert, dass ein maximaler Ausschlag der Schwingung im wesentlichen in einem zuvor festgelegten Verhältnis zu einem der Schwellenwerte oder einem Wert, der aus beiden Schwellenwerten gewonnen wird, steht.
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Durch eine solche Automatisierung der Amplitudenanpassung arbeitet das Drehzahlerfassungssystem unabhängig von der Amplitude des Schwingungssignals, die beispielsweise durch verschieden starke Unwucht verschiedene Größen haben kann. Dies macht das Drehzahlerfassungssystem universeller einsetzbar und vermeidet Einstellaufwand.
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In einer weiteren Ausführungsform wird das Schwingungssignal vor dem Schritt des Vergleichens des ersten Schwingungssignals mit einem Schwellenwert gleichgerichtet und tiefpassgefiltert, und das gleichgerichtete und tiefpassgefilterte Signal als Maß für die Einstellung einer Vergrößerung oder Verkleinerung der Amplituden des ersten Schwingungssignals und/oder für die Anpassung des Niveaus eines Schwellenwertes an die Amplitude des Schwingungssignals verwendet.
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Eine Gleichrichtung kann beispielsweise mit einer Diode oder mit einem Schaltnetzwerk, das mit der Drehfrequenz getaktet ist, durchgeführt werden. Die Tiefpassfilterung wird mit einer Grenzfrequenz unterhalb der Drehfrequenz zur Gleichrichtung durchgeführt. Das gleichgerichtete und tiefpassgefilterte Signal ist ein Maß für die Amplitude des Schwingungssignals. Vergrößert sich beispielsweise das gleichgerichtete Signal, so wird damit zweckmäßig eine geringere Verstärkung des Schwingungssignals für die Weiterverarbeitung bewirkt. Die Verstärkung kann z. B. durch das gleichgerichtete Signal stufenweise umgeschaltet, z. B. mit Hilfe von elektronisch einstellbaren Widerstandskaskaden in einer Verstärkerschaltung, oder kontinuierlich eingestellt werden, z. B. mit einem elektronischen Multiplikator. Die Verstärkung kann auch als rechnerische Multiplikation von digitalen Daten durchgeführt werden. Die Gleichrichtung bzw. Tiefpassfilterung kann in diesem Fall auch mit elektronischen Daten über das Schwingungssignal durchgeführt werden. Das gleichgerichtete Signal kann dann ebenfalls in Digitaldaten ermittelt werden, mit denen der Verstärkungsfaktor für das Schwingungssignal, der ein Faktor in einer Multiplikation sein kann, geeignet angepasst werden. Die Verstärkung kann auch kleiner eins sein, was eine Verringerung der „verstärkten” Amplitude bedeutet.
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Alternativ oder zusätzlich können auch die Schwellenwerte durch das gleichgerichtete Signal beeinflusst werden, sodass sie im Schwingungsbereich des Schwingungssignals liegen. Dazu können Verstärker verwendet werden, deren Verstärkungen einstellbar sind und deren Ausgangssignale die Schwellenwerte darstellen. Alternativ können die Schwellenwerte als digitale Daten vorliegen. Der Vergleich mit den Schwellenwerten wird dann mit digitalen Daten des Schwingungssignals durchgeführt. Die Anpassung der Schwellenwerte an die Amplituden des Schwingungssignals kann diesem Fall durch entsprechende Multiplikation der Schwellenwerte mit Faktoren vorgenommen werden, die von einem gleichgerichteten Signal abhängen.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform nutzt die Verwendung einer Diode in Verbindung mit einem passiven Tiefpassfilter für das Schwingungssignal, wobei das so erzeugte Signal als Schwellwert herangezogen wird. Ein Signal für einen zweiten Schwellwert kann mit einer entgegengesetzt gepolten Diode in Verbindung mit einem passiven Tiefpassfilter gewonnen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird in einem zusätzlichen Schritt von dem rotierenden Objekt ein zweites Schwingungssignal mit zwei zueinander in einem Winkel angeordneten Schwingungssensoren erfasst, das zu dem ersten Schwingungssignal phasenverschoben ist, und in einem weiteren zusätzlichen Schritt aus dem ersten und dem zweiten Schwingungssignal die Drehrichtung des rotierenden Objekts bestimmt.
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Ein zu dem ersten Schwingungssignal phasenverschobenes zweites Schwingungssignal kann erfasst werden, indem dazu ein zweiter Schwingungssensor eingesetzt wird, der zu dem ersten Schwingungssensor um die Drehachse des rotierenden Objekts verdreht angeordnet ist. Wenn die Schwingungssensoren unter einem anderen Winkel als 180° zueinander verdreht sind, enthält die Phasenverschiebung zwischen den beiden Schwingungssignalen die Information über die Drehrichtung. Beispielsweise kann ein zweiachsiger Beschleunigungssensor eingesetzt werden, der zwei Ausgangssignale aus zwei aufeinander senkrecht stehenden Schwingungsrichtungen liefert. Die zwei Schwingungsrichtungen stehen dabei vorteilhaft senkrecht zur Drehachse des rotierenden Objekts. Solche Beschleunigungssensoren sind als mikromechanische oder piezoelektrische Typen kommerziell erhältlich.
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Die Erfassung des ersten Zeitpunkts des zweiten Schwingungssignals wird dabei gleichartig wie bei der Erfassung des ersten Zeitpunkts des ersten Schwingungssignals durchgeführt. Es können beispielsweise die gleichen Schwellenwerte verwendet werden, beispielsweise kann dieselbe Schwellenspannung als Vergleichsspannung dienen. Aus dem zusätzlich erfassten zweiten Schwingungssignal kann unabhängig von dem ersten Schwingungssignal die Drehzahl mit einem der oben beschriebenen Verfahren die Drehzahl erfasst werden. Die so zusätzlich erfassten Drehzahlsignale können zur Verbesserung der Genauigkeit mit den aus dem ersten Schwingungssignal erfassten Drehzahlen zu einem Endergebnis verrechnet werden, zum Beispiel durch Mittelwertbildung.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Drehrichtung des rotierenden Objekts bestimmt, indem in einem weiteren Schritt das zweiten Schwingungssignal mit dem ersten Schwellenwert verglichen und bei dessen Überschreiten ein erster Zeitpunkt des zweiten Schwingungssignals erfasst wird, in einem weiteren Schritt die Periodendauer des ersten Schwingungssignals mit einer Phasenverzögerungszeit zwischen dem ersten Zeitpunkt des ersten Schwingungssignals und dem ersten Zeitpunkt des zweiten Schwingungssignals in Beziehung gesetzt wird, und in noch einem weiteren Schritt die Drehrichtung als eine erste Drehrichtung bestimmt wird, wenn die Phasenverzögerungszeit weniger als die Hälfte der Periodendauer des Schwingungssignals beträgt, oder die Drehrichtung als eine zweite, der ersten entgegengesetzte Drehrichtung bestimmt wird, wenn die Phasenverzögerungszeit mehr als die Hälfte der Periodendauer beträgt.
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Die Erfassung des ersten Zeitpunkt des zweiten Schwingungssignals ist dabei identisch wie die Erfassung des ersten Zeitpunkt des ersten Schwingungssignals. Wenn das erste und das zweite Schwingungssignal vertauscht werden, ändert sich die Drehrichtung in die entgegengesetzte Drehrichtung. Wenn dies berücksichtigt wird, können die Schwingungssignale vertauscht werden, ohne dass dies einen Einfluss auf ein Drehrichtungssignal hat.
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In einer weiteren Ausführungsform wird in einem weiteren Schritt ein Drehrichtungssignal an einen Benutzer und/oder zur Weiterverarbeitung ausgegeben.
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Wenn das erste und das zweite Schwingungssignal vertauscht werden, ändert sich die erfasste Drehrichtung in die entgegengesetzte Drehrichtung. Ein Vertauschen kann realisiert werden, indem beispielsweise der Schwingungssensor, der das erste Schwingungssignal liefert, an den Eingang des Drehzahlerfassungssystems angeschlossen wird, der für das zweite Schwingungssignal vorgesehen ist und umgekehrt. Die erfasste Drehrichtung kann sich auch umdrehen, indem die Positionen von einem oder beiden Schwingungssensoren so verändert werden, dass dadurch die Phasenverzögerung zwischen dem ersten Schwingungssignal und dem zweiten Schwingungssignal 180° oder 0° überschreitet.
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In noch einer weiteren Ausführungsform lässt in einem weiteren Schritt eine einstellbare Invertierungseinrichtung des Drehzahlsignal unverändert passieren oder invertiertes Drehrichtungssignal, wobei die einstellbare Invertierungseinrichtung durch Einwirkung einer Einstellungsaktion zwischen Passieren und Invertieren umschaltbar ist, jedoch ohne Einwirkung einer Einstellaktion fest eingestellt ist.
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Durch eine Einstellaktion kann folglich das ausgegebene Drehrichtungssignal invertiert werden. Dadurch ist es möglich, die Anzeige oder das Signal zur Weiterverarbeitung so umzuschalten, dass die Anzeige mit der Realität zusammenpasst oder das Signal zur Weiterverarbeitung die gewünschten Wirkungen hervorruft.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Drehzahlerfassungssystem vorgeschlagen, das eines der oben angegebenen Verfahren zur Drehzahlerfassung nutzt. Insbesondere wird ein Drehzahlerfassungssystem mit einem Schwingungssensor vorgeschlagen, bei dem durch den Schwingungssensor ein Schwingungssignal erfassbar ist und der Schwingungssensor an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen ist, wobei die Auswerteeinheit eine Vergleichseinrichtung umfasst, die für einen Vergleich des Schwingungssignals mit einem ersten Schwellensignal eingerichtet ist, und von der Auswerteeinheit der zeitliche Abstand von einer ersten Änderung des Ergebnisses des Vergleichs des Schwingungssignals mit dem ersten Schwellensignal bei einer Schwingung zu einer zweiten Änderung des Ergebnisses des Vergleichs des Schwingungssignals mit dem ersten Schwellensignal bei einer darauffolgenden Schwingung erfassbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform wird als Schwingungssignal die Beschleunigung herangezogen und mit einem mikromechanischen Beschleunigungssensor gemessen.
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In noch einer weiteren Ausführungsform ist das Schwingungssignal an einen Eingang eines Tiefpassfilters angeschlossen, und ein Ausgang des Tiefpassfilters ist unmittelbar oder über weitere Signalbeeinflussungseinrichtungen an die Auswerteeinheit angeschlossen ist.
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Vorteilhaft ist das Schwingungssignal an einen Eingang eines Hochpassfilters angeschlossen, und ein Ausgang des Hochpassfilters ist vorteilhaft unmittelbar oder über weitere Signalbeeinflussungseinrichtungen an die Auswerteeinheit angeschlossen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Leitung mit dem Schwingungssignal an den Eingang eines automatisch einstellbaren Verstärkers angeschlossen und der automatisch einstellbare Verstärker ist in dem Signalpfad des Schwingungssignals zwischen dem Schwingungssensor und der Vergleichseinrichtung angeordnet.
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In noch einer weiteren Ausführungsform wird in einen Gleichrichter mit einem nachgeschalteten Tiefpassfilter an ein Schwingungssignal eingespeist, und das Ausgangssignal aus dem Tiefpassfilter ist an den Eingang für die Verstärkungseinstellung ein Signal für die Verstärkung des automatisch einstellbaren Verstärkers angeschlossen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst das Drehzahlerfassungssystem einen zweiten Schwingungssensor, dessen maximale Empfindlichkeit in eine andere Richtung gerichtet ist, als die des ersten Schwingungssensors. Vorteilhaft beträgt der Winkel zwischen den beiden Schwingungssensoren 90°.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Drehzahlerfassungssystem vorgeschlagen, bei dem die Drehrichtungserkennungseinrichtung eine Vergleichseinrichtung umfasst, die für einen Vergleich zwischen einer Periodendauer des ersten Schwingungssignals und einer Phasenverzögerungszeit zwischen dem ersten Schwingungssignal und dem zweiten Schwingungssignal eingerichtet ist, und ein Ausgang der Vergleichseinrichtung eine Information über die Drehrichtung enthält, wobei die Vergleichseinrichtung ein erstes Drehrichtungssignal an den Ausgang anlegt, wenn die Phasenverzögerungszeit weniger als die Hälfte der Periodendauer beträgt, und ein zweites Drehrichtungssignal an den Ausgang anlegt, wenn die Phasenverzögerungszeit mehr als die Hälfte der Periodendauer beträgt. Bei einem Winkel von beispielsweise 60° zwischen den Sensoren beträgt die Phasenverzögerung in einer Drehrichtung 60° und in der entgegengesetzten Drehrichtung 360° – 60° = 300°. Allgemein gesprochen beträgt die Phasenverzögerung 0° ± (Winkel zwischen den Sensoren). Daher kann als Grenze zwischen den beiden Fällen und zur Bestimmung der Drehrichtung das Kriterium Phasenverzögerung < 180° bzw. Phasenverzögerung > 180° herangezogen werden, um festzustellen, ob die eine oder die entgegengesetzte Drehrichtung vorliegt. Bei einem Winkel von 180° zwischen den Sensoren versagt dieses Verfahren dementsprechend.
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In einer weiteren Ausführungsform des Drehzahlerfassungssystems werden die Periodendauer und die Phasenverzögerungszeit vor dem Vergleich in digitale Zahlen umgewandelt und der Vergleich in einer Vergleichseinheit für digitale Zahlen durchgeführt.
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In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst das Drehzahlerfassungsystem eine Markierung, mit deren Hilfe das Drehzahlerfassungssystem in Bezug auf die Drehachse des rotierenden Systems und deren Drehrichtung ausrichtbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform des Drehzahlerfassungssystems ist eine Anzeigevorrichtung vorgesehen, die an dem Drehzahlerfassungssystem für Benutzer sichtbar angebracht ist und die zwei verschiedene Drehrichtungen anzeigen kann. Vorzugsweise werden dazu dem Benutzer zwei Pfeile präsentiert, von denen jeweils einer für eine Drehrichtung als aktiv angezeigt wird. Dies kann beispielsweise durch Aufbringen der Pfeile auf der Oberfläche des Drehzahlerfassungssystems und zugehörige Leuchtdioden oder durch hinterleuchtete Durchbrüche in Pfeilform realisiert sein.
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Die Richtungen der Pfeile sind einander vorzugsweise entgegengesetzt. Ihre Richtungen sind vorzugsweise auf die Erfassungsrichtungen der zwei Schwingungssensoren bezogen, und zwar spannen die Erfassungsrichtungen der Schwingungssensoren eine Ebene auf, zu der die Drehrichtung des rotierenden Objekts senkrecht steht. Die Pfeilrichtungen liegen vorzugsweise in dieser Ebene und zeigen somit in Umfangsrichtung des rotierenden Objekts. Die Drehrichtung wird damit intuitiv angezeigt, wenn das Drehzahlerfassungssystem entsprechend auf einem stehenden Teil der Lagerung des drehbar gelagerten rotierenden Objekts angebracht ist.
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Ein Vorteil dieser Art der Anzeige ist es, dass bei einer um 180° verdrehten Montage des Drehzahlerfassungssystems die erfasste Richtung der Drehung, aber auch die Richtung der Anzeigepfeile verdreht wird. Die Wirkungen heben sich auf, sodass immer die richtige Drehrichtung angezeigt wird.
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Alternativ können eine oder zwei Darstellungen eines Motors mit Pfeilen für die Drehrichtung der Motorwelle zur Anzeige der Drehrichtung verwendet werden. Beispielsweise kann mit Leuchtdioden angezeigt werden, welche Drehrichtung erfasst wird. Vorteilhaft die Darstellung ist des einen oder der beiden Motoren so gewählt, dass die Zuordnung zwischen den Erfassungsrichtungen der Schwingungssensoren und der Anzeige der Drehrichtung dazu führt, dass die tatsächliche Drehrichtung richtig angezeigt wird, wenn das Drehzahlerfassungssystem so auf einem Elektromotor befestigt wird, dass die Abbildung des einen oder der beiden Elektromotoren in der gleichen Perspektive gesehen werden kann, wie der Motor, an dem das Drehzahlerfassungssystem befestigt ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens ein Teil des Drehzahlerfassungssystems, das wenigstens einen Schwingungssensor enthält, durch eine Klemmvorrichtung mit einer Rippe eines Elektromotors verbindbar.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Schwingungssensors, der im Inneren des Drehzahlerfassungssystems angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist die Raumdiagonale ist die größte Außenabmessung des Drehzahlerfassungssystems. Vorteilhaft überschreitet keine Außenabmessung einen Wert von 300 mm. Das Drehzahlerfassungssystem ist dadurch gut handhabbar.
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In noch einer weiteren Ausführungsform ist das wenigstens einen Teil Drehzahlerfassungssystem, das wenigstens einen Schwingungssensor enthält, durch Magnetkraft mit einer Lagerung eines rotierenden Objekts verbindbar. Vorzugsweise sind dazu Magneten an dem Drehzahlerfassungssystem derart befestigt, dass Magnetkräfte zu Objekten, an denen das Drehzahlerfassungssystem magnetisch befestigt werden soll, typischerweise Motoren oder angetriebene Aggregate, aufgebaut werden können.
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Die Markierungen können als Pfeile oder als Abbildungen eines Elektromotors einer weiteren Ausführungsform alternativ zu Aufdrucken durch die Form des Drehzahlerfassungssystems verwirklicht sein.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das oben beschriebene Drehzahlerfassungssystem als Teil eines Mobiltelefons realisiert. Dazu werden Beschleunigungssensoren und die Auswertungshardware genutzt, die in vielen Mobiltelefonen vorhanden sind. Durch eine Software, die eines der oben beschriebenen Verfahren auf dem Mobiltelefon implementiert, kann die Erfindung verwirklicht und genutzt werden.
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Die beschriebenen Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, so weit dies technisch möglich ist. Dem Fachmann nahe liegende Realisierungen und Erweiterungen des beschriebenen Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtungen sollen vom Schutzbereich des Patentes umfasst sein.
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In den folgenden Figuren, die nur als beispielhafte Ausführungen und nicht als Einschränkung des Schutzbereichs zu verstehen sind, ist folgendes dargestellt:
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1 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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2: Schematische Darstellung von Signalverläufen in einer bevorzugten Ausführungsform
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1 zeigt den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform des Drehzahlerfassungssystems nach der Erfindung. Ein Beschleunigungssignal oder Schwinggeschwindigkeitssignal SE, welches über die Schwingungen einer Maschine erzeugt wird, wird über einen Beschleunigungssensor erfasst, der im Inneren oder außerhalb eines Gehäuses des Drehzahlerfassungssystems angeordnet ist. Zur Abtrennung von Gleichanteilen wird das Signal über einen Hochpassfilter B1 geleitet. Das nach der Hochpassfilterung verbleibende Wechselsignal wird mit einem Tiefpassfilter mit einstellbarer Eckfrequenz B2 soweit vorgefiltert. Die Eckfrequenz wird dabei so eingestellt, dass Anteile des Schwingungssignals, die Oberwellen des zu erfassenden Drehzahlsignals sind, gedämpft werden. Sollen Drehzahlen im Bereich von 0 bis 3600 U/min ermittelt werden, würde dieser Filter z. B. auf ca. 60 Hz eingestellt werden. Das resultierende Signal wird danach über eine Verstärkerstufe B3 mit variabler Verstärkung V verstärkt. In dem Blockschaltbild ein Verstärkungsfaktor V des Verstärkers über einer Verstärkungseinstellgröße k schematisch dargestellt. Der Verstärker B3 mit variabler Verstärkung V bildet das Stellglied einer Regelung. Das Ziel dieser Regelung ist es, das mit den Stufen B1 und B2 gefilterte Signal unabhängig von der Stärke des Ausgangssignals SE auf eine vorgegebene Signalstärke zu regeln. Dazu wird das Signal SV nach der Verstärkerstufe B3 an eine Diode B4 und das gleichgerichtete Signal aus der Diode an einen Tiefpassfilter B5 angelegt. Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters ist dabei kleiner als die Frequenz der zu erfassenden gewählt, sodass von dem Tiefpassfilter im Wesentlichen ein Gleichsignal GP erzeugt wird. Dieses Signal GP wird als Istwert der Signalstärke an einen Summationspunkt angelegt, an dem es von einer Führungsgröße GW subtrahiert wird. Das sich ergebende Stellsignal steuert die Verstärkungseinstellgröße k der Verstärkerstufe. Auf diese Weise werden Schwankungen der Stärke der Eingangssignalgröße SE weitgehend ausgeregelt.
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Zur Bestimmung der Periodendauer der zu erfassenden Rotationsfrequenz wird das Signal SV nach der Verstärkerstufe B3 mittels eines Schmitt-Triggers B8 in ein Rechtecksignal umgewandelt. Für die Bestimmung der Schwellenwerte TS1 und TS2 eines Schmitt-Triggers B8 wird sowohl der Gleichanteil der positiven, wie auch der der negativen Halbwelle des Signals SV nach der Verstärkerstufe B3 genutzt. Diese werden erzeugt, indem über Dioden B4 und B6 der positive oder negative Schwingungsanteil an einen jeweils zugeordneten Tiefpassfilter B5 und B7 weitergeleitet werden, deren Grenzfrequenzen jeweils unterhalb der zu erfassenden Rotationsfrequenz liegt. Durch den Einsatz eines Schmitt-Triggers B8 mit einstellbaren Schwellenwerten TS1 und TS2 zur Weiterverarbeitung des Schwingungssignals SV wird, wie in 2 dargestellt, erreicht, dass Oberwellen keinen Einfluss auf die Erzeugung des resultierenden Rechteck-Ausgangssignals SA haben, da nach Überschreiten des ersten Schwellenwertes TS1 erst der zweite Schwellenwert TS2 unterschritten werden muss, um eine Änderung des Ausgangssignals zu erzeugen. Die Frequenz des Ausgangssignals kann mit verschiedenen Verfahren erfasst werden. So können zum einen die Zeiten zwischen den fallenden Flanken T1, oder die Zeiten zwischen den steigenden Flanken T2 bestimmt werden. Das Erfassen von Zeiten zwischen Flanken des Signals kann mit einem Zähler durchgeführt werden, der einen Oszillator mit bekannter Frequenz enthält und dessen Schwingungen gezählt werden, wobei das Zählen von den Flanken des zu erfassenden Signals gestartet und gestoppt wird.
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Der Zählwert nach dem Stoppen ist dann das Messergebnis und entspricht der Zeitdauer zwischen den Flanken. Der Kehrwert von T1 oder T2 entspricht dann der Frequenz. Diese kann mit einem Mikrocontroller, einem DSP oder auf andere, einem Fachmann bekannte Weise elektronisch berechnet werden.
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Zur Vermeidung von Schwankungen kann auch der Mittelwert der Zeiten T1 und T2 zu (T1 + T2)/2 bestimmt werden, oder es können mehrere aufeinander folgende Zeitintervalle in einem Mittelwert zusammengefasst werden, um aus diesem die zu messende Drehfrequenz zu bestimmen. Eine weitere Möglichkeit zur Erfassung der Frequenz ist das Torzeitverfahren, wobei über eine definierte Torzeit T die Anzahl der steigenden oder fallenden Flanken gezählt wird. Die Frequenz ergibt sich bei diesem Verfahren aus dem Quotient aus Flankenanzahl und Torzeit.
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2 beschreibt die Auswertung des Signalverlaufs. Die Signale S1 und S2 in dem unteren Diagramm der 2 bedeuten, dass der Schwellenwert TS1 überschritten wurde bzw. die Schwellenwert TS2 unterschritten wurde. Das Schwingungssignal mit möglichem Oberwellenanteil wird nach dem beschriebenen Verfahren wie folgt ausgewertet. Das Ausgangssignal SA wird erst geändert, nachdem beide Schwellenwerte TS1 und TS2 überschritten bzw. unterschritten worden sind. Dies führt bei entsprechender Schwellenwertwahl dazu, dass mehrmalige Schwellenwertüberschreitungen/unterschreitungen des Grundsignals, die häufig durch Oberwelleneinflüsse verursacht werden, nicht zu einer Änderung des Ausgangssignals führen. Dies wird mit dem Schmitt Trigger B8 erreicht. Das Ausgangssignal beschreibt damit das Verhalten der Grundfrequenz des gemessenen Signals. Da die niedrigste Schwingfrequenz in den meisten Fällen der Drehfrequenz entspricht, eignet sich diese Verfahren besonders gut um diese Frequenz zu ermitteln.
