DE102011082995A1

DE102011082995A1 - Anordnung zur Schwingungsüberwachung

Info

Publication number: DE102011082995A1
Application number: DE201110082995
Authority: DE
Inventors: Hans-Willi Kessler; Götz Langer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Schwingungsüberwachung mit einem MEMS-Beschleunigungssensor (01) zur Erfassung stationärer Zustände und/oder Zustände mit sehr niedrigen Frequenzen, einem Piezobeschleunigungssensor (02) zur Erfassung von Zuständen bis in den KHz-Frequenzbereich, einer mit den Sensoren (01, 02) verbundenen Auswerteeinheit (03) zur Auswertung der Sensorsignale (M1, P1)), wobei der MEMS-Sensor (01) und der Piezosensor (02) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Schwingungsüberwachung mit einem MEMS-Sensor (MEMS = mikro-elektro-mechanische Systeme), einem Piezobeschleunigungssensor und einer mit den Sensoren verbundenen Auswerteeinheit zur Auswertung der Sensorsignale.
Eine Schwingungsüberwachung von Maschinen ermöglicht deren kontinuierliche Kontrolle. Beginnende Schäden zeigen sich oft frühzeitig durch Veränderung des Schwingungsspektrums. Insbesondere bei großen und im Dauerbetrieb stehenden Maschinen ist eine vorbeugende und ständige Schwingungsüberwachung gerechtfertigt, da sich bei unverhofften Störungssituationen enorme Reparaturmaßnahmen und -kosten ergeben. Außerdem verursachen reparaturbedingte Stillstände vor allem bei Produktionsmaschinen beträchtliche Verluste. Zu solchen Maschinen gehören beispielsweise Papiermaschinen, Maschinen im Bereich der Stahlindustrie und Kraftwerke, insbesondere Windkraftanlagen. Windkraftanlagen unterliegen hohen Betriebsbelastungen. Hierdurch können sich unterschiedliche Fehler und Schäden an den Hauptkomponenten einer Anlage ergeben. So kann es beispielsweise durch Unwucht und starke Böen zu Turmschwingungen kommen, welche eine niedrige Frequenz < 0,5 Hz aufweisen. Am Rotor kann es ebenfalls zu Schwingungen im unteren Frequenzbereich kommen, welche durch Verschmutzung, Eisansatz, Unwucht, Ermüdung, Rissbildung und Fehler der Blattverstellung hervorgerufen werden. Bei Windkraftanlagen können jedoch auch Schwingungen bis in höchste Frequenzbereiche (> 20 KHz) auftreten. So kann es beispielsweise im Getriebe durch Abnutzung bzw. Bruch von Zähnen, Versatz und Exzentrizität von Zahnrädern zu unerwünschten Schwingungen im hohen Frequenzbereich kommen.
Zum Erfassen von Schwingen werden unter anderem Beschleunigungssensoren eingesetzt. Die DE 101 13 038 C2 zeigt eine Windenergieanlage mit einem Turm und einer Steuerungseinrichtung zur Betriebsführung der Windenergieanlage sowie eine Einrichtung zur Erfassung der Schwingung des Turmes, welche zumindest eine Beschleunigungsmesseinrichtung aufweist.
Derzeit auf den Markt verfügbare Schwingungsüberwachungssysteme verwenden als Beschleunigungssensorik häufig Piezosensorik oder MEMS (Mikro-elektromechanische Systeme)-Sensorik. Bei piezoelektrischen Beschleunigungssensoren wandelt ein piezokeramisches Sensorplättchen dynamische Druckschwankungen in elektrische Signale um, die entsprechend weiterverarbeitet werden können. Die Druckschwankung wird durch eine am piezokeramischen Sensorplättchen befestigte Masse erzeugt und wirkt bei einer Beschleunigung des Gesamtsystems auf die Piezokeramik. Piezosensoren zeichnen sich vor allem durch einen sehr weiten Frequenzbereich aus, der sich bis in höchste Frequenzbereiche (> 20 kHz) erstreckt. Ein Anwendungsgebiet für Piezosensoren ist beispielsweise die Erkennung von Maschinenschäden, wie Lagerdefekte. Durch die Funktionsweise der Piezotechnik bedingt, ist bei Piezosensoren jedoch immer eine untere Grenzfrequenz zu beachten, die in der Regel im Frequenzbereich von 0,2 bis 0,5 Hz liegt. Aus diesem Grund eignen sich Piezosensoren nicht für statische Messungen bzw. Messungen im niedrigen Frequenzbereich, wie beispielsweise zum Erfassen der Turmschwingungen bei Windkraftanlagen bzw. sehr niederfrequenten Unwuchterscheinungen.
MEMS-Sensoren sind miniaturisierte Beschleunigungssensoren, welche zumeist aus Silicium hergestellt werden. Sie haben relativ geringe Stückkosten und eine hohe Zuverlässigkeit. Wegen ihrer geringen Größe zeichnen sie sich durch eine hohe Messgeschwindigkeit aus. MEMS-Sensoren eignen sich insbesondere für statische Messungen sowie Messungen im niedrigen Frequenzbereich, wie beispielsweise zum Erfassen von Turmschwingungen bei Windkraftanlagen bzw. sehr niederfrequente Unwuchterscheinungen. MEMS-Sensoren, die für höhere Frequenzbandbreiten ausgelegt sind, haben im Vergleich zu Piezosensoren den Nachteil, dass die Signalqualität des Sensorsignals üblicherweise schlechter ist, da MEMS-Sensoren deutlich höhere Rauschanteile haben und somit der Signal-Rauschabstand deutlich schlechter ist. Der deutlich niedrigere Signal-Rauschabstand wirkt sich somit negativ auf die Erkennbarkeit von Schäden im Schwingungssignal aus, welches in der Regel von Prozessgeräuschen überlagert ist. MEMS-Sensoren eignen sich daher nur bedingt für Einsätze in höheren Frequenzbereichen.
Zur Erfassung von niederfrequenten als auch höherfrequenten Schwingungen mit der erforderlichen Signalgüte ist es derzeit erforderlich zwei verschiedene Messsysteme (Piezosensoren, MEMS-Sensoren) einzusetzen, welche parallel ausgewertet werden müssen. Durch die Verwendung von zwei Messsystemen ergibt sich im Vergleich zu einem Messsystems ein höherer Installations- und Wartungsaufwand, was zu höheren Kosten führt.
Die DE 10 2009 033 137 A1 beinhaltet eine Linearführung mit einer ortsfesten Führungsschiene und einem diese zumindest teilweise umgreifenden Führungswagen. Die Linearführung umfasst ein Messsystem mit einem Schwingungssensor zur Erfassung der vertikalen Schwingungen des Führungswagens und einem Beschleunigungssensor zur Erfassung der horizontalen Beschleunigungen des Führungswagens. Der Schwingungssensor, der Beschleunigungssensor sowie eine Auswerteeinheit können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden. Der Beschleunigungssensor kann als Piezo-Sensor, MEMS-Sensor oder dehnungsmessstreifenbasierter seismischer Sensor (DMS-Sensor) ausgebildet sein. Als Schwingungssensor kann ein Piezo-Aufnehmer oder ein MEMS-Aufnehmer zum Einsatz kommen. In der Auswerteeinheit sollen nur solche Messwerte von vertikalen Führungswagenschwingungen ausgewertet werden, die bei einer konstanten Geschwindigkeit des Führungswagens ermittelt wurden. Auf diese Weise sollen die beim Abbremsen und Beschleunigen des Führungswagens am Schwingungssensor auftretenden Schwingungspegel, die nicht die normale vertikale Betriebsschwingung bei einer konstanten Geschwindigkeit widergeben, und daher nicht zur Zustandsüberwachung geeignet sind, unberücksichtigt bleiben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Schwingungsüberwachung mittels Beschleunigungssensoren zur Verfügung zu stellen, mit welcher sowohl statische Messungen als auch Messungen bis in höchste Frequenzbereiche möglich sind. Die Anordnung soll sich durch einen kompakten Aufbau auszeichnen und einfach zu installieren und zu warten sein. Insbesondere soll eine Anordnung zur Schwingungsüberwachung an Windkraftanlagen bereitgestellt werden.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der MEMS-Sensor und der Piezosensor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Der MEMS-Sensor dient zur Erfassung stationärer Zustände und / oder Zustände mit sehr niedrigen Frequenzen, während mittels Piezosensor Zustände bis in den kHz-Frequenzbereich erfasst werden können.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung steht ein Kombinationssensor zur Verfügung, der die positiven Eigenschaften von zwei verschiedenen Beschleunigungssensortypen vereint. Im stationären Bereich bzw. bei sehr niederfrequenten Schwingungen wird der in die Anordnung integrierte MEMS-Sensor verwendet, da er in diesem Bereich ein Sensorsignal mit der entsprechenden Güte zur Verfügung stellen kann. Der integrierte Piezosensor zeichnet sich vor allem durch seine hohe Signalgüte bis in den kHz-Bereich aus und lässt sich daher im Bereich von wenigen Hz bis in den kHz-Bereich sehr gut einsetzen. Durch die erfindungsgemäße Lösung steht ein System zur Schwingungsmessung zur Verfügung, mit dem Schwingungen sowohl im stationären als auch im kHz-Bereich erfasst werden können. Durch die Integration beider Sensortypen in ein gemeinsames Gehäuse wird ein Kombinationssensor geschaffen, der leichter zu installieren und zu warten ist, als zwei getrennte Sensorsysteme. Zwei getrennte Sensorsysteme erfordern u. a. eine getrennte Energieversorgung und Signalleitung zur Auswerteeinheit.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anordnung ein Filterelement zum Filtern der Sensorsignale. Die Filterung erfolgt dabei derart, dass die Frequenzbereiche der Sensorsignale von MEMS-Sensor und Piezosensor sich nicht überschneiden, sondern möglichst lückenlos aneinander anschließen. Die beiden Signale werden nach der Filterung addiert und auf den Sensorausgang gelegt. Somit steht lediglich ein Signal über den gesamten Frequenzbereich zur Verfügung, welches entsprechend auszuwerten ist. Bei zwei getrennten Sensorsystemen würden dagegen auch zwei getrennte Signale zur Verfügung stehen, deren anschließende Auswertung sich wesentlich aufwendiger gestalten würde.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der MEMS-Sensor zum Erfassen von Frequenzen im Bereich von 0 Hz bis 2 Hz ausgelegt ist. In diesem Frequenzbereich kann dieser Sensortyp seine Vorzüge besonders gut ausspielen. Abweichungen vom genannten Frequenzbereich sind durchaus möglich, solange das vom MEMS-Sensor gelieferte Signal noch eine ausreichende Signalgüte aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Piezosensor zum Erfassen von Frequenzen im Bereich von 2 Hz bis 20 kHz ausgelegt. In diesem Messbereich hat sich der Einsatz von Piezosensoren als besonders günstig erwiesen, welche in der Regel über breite Frequenzbereiche Signale von hoher Qualität liefern können. Sinnvolle Abweichungen vom genannten Frequenzbereich, sowohl unterhalb der angegebenen Grenze von 2 Hz als auch oberhalb der angegebenen Grenze von 20 kHz sind wiederum möglich. Die Limitierung nach unten wird durch die bei dem jeweils verwendeten Piezosensor zu beachtende untere Grenzfrequenz bestimmt. Diese untere Grenzfrequenz liegt zumeist im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 Hz.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinheit, welche vorzugsweise einen Mikroprozessor umfasst, in das gemeinsame Gehäuse von MEMS-Sensor und Piezosensor integriert. Die Anordnung der Auswerteeinheit, des Piezosensors und des MEMS-Sensors in einem gemeinsamen Gehäuse hat zunächst den Vorteil, dass sich das System leicht handhaben und einfach an der entsprechenden, zu überwachenden Komponente befestigen lässt. Das somit vorliegende System ist ähnlich einem Smart-Sensor aufgebaut. Ein Smart-Sensor, der auch unter dem Begriff intelligenter Sensor bekannt ist, ist ein Sensor, der neben der eigentlichen Messgrößenerfassung auch die komplette Signalaufbereitung und Signalverarbeitung in einem Gehäuse vereinigt. Solche komplexen Sensoren beinhalten meist einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller sowie komplexe Logikeinheiten und stellen standardisierte Schnittstellen zur Kommunikation mit übergeordneten Systemen bereit, z. B. über Feldbussysteme. Auf diese Weise soll die komplette anspruchsvolle Aufgabe solcher Sensoren ohne einen externen Rechner erfüllt werden. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich Miniaturisierung, Dezentralisierung, Erhöhung der Zuverlässigkeit, Reduzierung der Kosten sowie Verbesserung der Flexibilität.
Bei anderen Ausführungsformen kann die Auswerteeinheit auch als externe Auswerteeinheit ausgebildet sein.
Nach einer bevorzugten Ausführung sind die im Gehäuse angeordneten Komponenten (MEMS-Sensor, Piezosensor, ggf. Auswerteeinheit) in dem gemeinsamen Gehäuse mittels einer elektrisch isolierenden Vergussmasse fest miteinander verbunden. Dies hat den Vorteil, dass diese Komponenten zueinander nicht mehr bewegbar sind und damit die Position in Bezug auf eine Schwingungsquelle gleich bleibt. Damit kann der zwei Teilsensoren umfassende Sensor insbesondere in seinem nach außen gerichteten Verhalten leicht kalibriert und als ein einziger Sensor behandelt werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann vorzugsweise in ein System zur Überwachung von Windkraftanlagen integriert sein. Bei Windkraftanlagen können sowohl Schwingungen im tiefen Frequenzbereich, wie beispielsweise Turmschwingungen, als auch Schwingungen bis in höchste Frequenzbereiche, wie sie zum Beispiel bei Lagerdefekten entstehen, auftreten. Der genannte Anwendungsfall stellt jedoch lediglich ein Einsatzgebiet dar. Andere Einsatzfelder sind selbstverständlich möglich. So kann die Anordnung beispielsweise auch bei Anwendungen im Bereich Mining oder in der Stahlindustrie zum Einsatz kommen.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1: eine erfindungsgemäße Anordnung zur Schwingungsüberwachung in einer vereinfachten Darstellung;
2: eine schematische Darstellung der Signalverarbeitung in der erfindungsgemäßen Anordnung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur Schwingungsüberwachung in einer vereinfachten Darstellung. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen MEMS-Sensor 01, einen Piezosensor 02 sowie eine mit dem MEMS-Sensor 01 und dem Piezosensor 02 verbundene Auswerteeinheit 03. MEMS-Sensor 01, Piezosensor 02 und Auswerteeinheit 03 sind auf einem Gehäusefuß 04 angeordnet. Der Gehäusefuß 04 ist Bestandteil eines Gehäuses (nicht dargestellt), welches MEMS-Sensor 01, Piezosensor 02 und Auswerteeinheit 03 umschließt.
Die beiden Sensoren 01 und 02 und die Auswerteeinheit 03 sind vorzugsweise mittels einer elektrisch isolierenden Vergussmasse im gemeinsamen Gehäuse fest miteinander verbunden, so dass sie ihre Lage zueinander nicht mehr verändern können. Durch die gemeinsame Anordnung der Sensoren 01, 02 und der Auswerteeinheit 03 in einem Gehäuse steht ein kompaktes System zur Verfügung, welches leicht zu installieren bzw. zu deinstallieren ist und aufwandsarm gewartet werden kann. Wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Smart-Sensoren erfolgt auch bei der dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung eine direkte, zeitsynchrone Erfassung und Auswertung der Sensorsignale. Hierzu ist die Auswerteeinheit 03 mit einem Mikroprozessor ausgestattet.
Bei anderen Ausführungsformen kann statt der in das Gehäuse integrierten Auswerteeinheit 03 auch ein externes Überwachungssystem zur Verarbeitung und Auswertung der Sensorsignale verwendet werden. Dieses externe Überwachungssystem ist über entsprechend ausgeführte Kabelwege mit dem MEMS-Sensor 01 und dem Piezosensor 02 verbunden.
Mittels der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich sowohl stationäre Zustände (Frequenz = Null) und sehr niedrige Frequenzen als auch Messungen bis in höchste Frequenzbereiche (20 kHz) erfassen. Dies wird durch die Kombination von zwei verschiedenen Messprinzipien ermöglicht. Für Messungen stationärer Zustände bzw. niederfrequenter Schwingungen wird der MEMS-Sensor 01 eingesetzt. Der MEMS-Sensor 01 ist vorzugsweise für Messungen im Bereich 0 Hz bis 2 Hz ausgelegt. MEMS-Sensoren liefern in diesem bzw. ähnlichen Messbereichen Sensorsignale mit guter Qualität. Im sich anschließenden Messbereich von 2 Hz bis etwa 20 kHz kommt der Piezosensor 02 zum Einsatz. Die von Piezosensoren gelieferten Sensorsignale sind in diesem Messbereich wesentlich besser als die von MEMS-Sensoren. MEMS-Sensoren haben hier einen deutlich höheren Rauschanteil und aufgrund dessen einen deutlich schlechteren Signal-Rausch-Abstand. Dieser deutlich niedrigere Signal-Rausch-Abstand wirkt sich negativ auf die Detektion von Schäden im Schwingungssignal aus, welches zumeist von Prozessgeräuschen überlagert ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Schwingungsüberwachung ist vorzugsweise mit einem Filterelement 06 (siehe 2) zum Filtern der Sensorsignale ausgestattet, welches in die Auswerteeinheit 03 integriert ist. Durch dieses Filterelement 06 wird sichergestellt, dass sich die Frequenzbereiche der Sensorsignale von MEMS-Sensor 01 und Piezosensor 02 nicht überschneiden, sondern aneinander anschließen.
In diesem Zusammenhang soll auf 2 verwiesen werden, welche eine schematische Darstellung der Signalaufbereitung in der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt. Durch den MEMS-Sensor 01 wird das Sensorsignal M1 generiert. Der Piezosensor 02 liefert das Sensorsignal P1. Die Sensoren 01, 02 sowie die weiteren aktiven Komponenten werden von einer Stromversorgungseinheit 05 mit der benötigten Betriebsspannung versorgt. Die Sensorsignale M1 und P1 werden der Auswerteeinheit 03 zugeführt, in welcher sie zunächst mittels Filterelement 06 entsprechend gefiltert werden. Bei dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel wird vom MEMS-Sensor 01 der Frequenzbereich von 0 Hz bis 2 Hz und vom Piezosensor der Frequenzbereich von 2 Hz bis 20 kHz selektiert. Die derart gefilterten Signale werden mittels Verarbeitungseinheit 07 anschließend addiert und auf den Sensorausgang gelegt. Im Ergebnis liegt über den gesamten Frequenzbereich von 0 Hz bis 20 KHz ein kombiniertes Sensorsignal AMP mit guter Signalgüte vor, welches sich aus den gefilterten Ausgangssignalen AM1 des MEMS-Sensors 01 und AP1 des Piezosensors 02 zusammensetzt. Bislang mussten für Messungen über derartige Frequenzbandbreiten verschiedene Messsysteme eingesetzt werden, um eine gute Signalgüte erreichen zu können. Für besondere Anwendungen können natürlich auch die gefilterten Einzelsignale der beiden integrierten Sensoren als AM1 und AP1 ausgegeben werden.
Bezugszeichenliste

01: MEMS-Sensor
02: Piezosensor
03: Auswerteeinheit
04: Gehäusefuß
05: Stromversorgungseinheit
06: Filterelement
07: Verarbeitungseinheit
M1: Signal des MEMS-Sensors
P1: Signal des Piezosensors
AM1: gefiltertes Signal des MEMS-Sensors
AP1: gefiltertes Signal des Piezosensors
AMP: von der erfindungsgemäßen Anordnung geliefertes Ausgangssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10113038 C2 [0003]
DE 102009033137 A1 [0007]

Claims

Anordnung zur Schwingungsüberwachung mit einem MEMS-Beschleunigungssensor (01) zur Erfassung stationärer Zustände und/oder Zustände mit sehr niedrigen Frequenzen, einem Piezobeschleunigungssensor (02) zur Erfassung von Zuständen bis in den kHz-Frequenzbereich, einer mit den Sensoren (01, 02) verbundenen Auswerteeinheit (03) zur Auswertung der Sensorsignale (M1, P1)), wobei mindestens der MEMS-Sensor (01) und der Piezosensor (02) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiterhin ein Filterelement (06) zum Filtern der beiden Sensorsignale (M1, P1) aufweist, welches die Sensorsignale (M1, P1) derart filtert, dass die von MEMS-Sensor (01) und Piezosensor (02) ausgewerteten Frequenzbereiche sich nicht überschneiden, sondern aneinander anschließen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Sensor (01) zum Erfassen von Frequenzen im Bereich von 0 Hz bis 2 Hz ausgelegt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezosensor (02) zum Erfassen von Frequenzen im Bereich von 2 Hz bis 20 kHz ausgelegt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (03) einen Mikroprozessor umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (03) in das Gehäuse integriert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine externe Auswerteeinheit aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinheit (06) integraler Bestandteil der Auswerteeinheit (03) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im Gehäuse angeordneten Komponenten (01, 02, 03) mittels einer elektrisch isolierenden Vergussmasse fest miteinander verbunden sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie in ein System zur Überwachung von Windkraftanlagen integriert ist.