DE102016117554B4

DE102016117554B4 - Universelle Sensorschnittstelle für ein Maschinenüberwachungssystem

Info

Publication number: DE102016117554B4
Application number: DE102016117554.4A
Authority: DE
Inventors: Hermann Beeke
Original assignee: Epro GmbH
Current assignee: Epro GmbH
Priority date: 2015-10-12
Filing date: 2016-09-19
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2036-09-20
Also published as: CN106568471A; RU2016111274A; DE102016117554A1; US10175148B2; CN106568471B; US20170102294A1; RU2016111274A3; RU2707413C2

Abstract

Eine Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) eines Maschinenzustands-Überwachungssystems, die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) enthaltend:einen Sensorschnittstellenverbinder (12) der dazu bereit ist, mit verschiedenen Typen von Sensoren verbunden zu werden, die an einer Maschine angebracht werden können, um verschiedene Charakteristika der Maschine zu überwachen, der Sensorschnittstellenverbinder (12) enthaltend:Sensorsignalanschlüsse zum Empfangen eines analogen Sensorsignals generiert von einem verbundenen Sensor; undein positiver Versorgungsanschluss und ein negativer Versorgungsanschluss zum Bereitstellen von Energie an den verbundenen Sensor;einen Sensorsignaleingangsschaltkreis (42) der elektrisch verbunden ist mit den Sensorsignalanschlüssen des Sensorschnittstellenverbinders (12), wobei der Sensorsignaleingangsschaltkreis (42) dazu bereit ist, das analoge Sensorsignal über den Sensorschnittstellenverbinder (12) über einen Sensorsignal-Eingangsspannungsbereich, der analogen Sensorsignale erzeugt bei den mehreren Typen von Sensoren Rechnung trägt, zu empfangen; undein Sensorenergieschaltkreis (25) der elektrisch verbunden ist mit den positiven und negativen Versorgungsanschlüssen des Sensorschnittstellenverbinders (12), der Sensorenergieschaltkreis (25) zum Bereitstellen von Energie an den verbundenen Sensor über den Sensorschnittstellenverbinder (12), der Sensorenergieschaltkreis (25) enthaltend:eine Sensorenergieversorgung (26) fähig zum Erzeugen einer positiven Versorgungsspannung, einer negativen Versorgungsspannung und einer neutralen Versorgungsspannung;einen ersten softwaresteuerbaren Schalter (30) zum abwechselnden Verbinden der neutralen Versorgungsspannung der Sensorenergieversorgung (26) mit Masse;einen zweiten softwaresteuerbaren Schalter (22) zum wahlweisen Verbinden des positiven Versorgungsanschlusses des Sensorschnittstellenverbinders (12) mit Masse; undeinen dritten softwaresteuerbaren Schalter (24) zum wahlweisen Verbinden des negativen Versorgungsanschlusses des Sensorschnittstellenverbinders (12) mit Masse,wobei der Sensorenergieschaltkreis (25) betreibbar ist zum Bereitstellen von mindestens drei Versorgungsspannungsoptionen an die positiven und negativen Versorgungsanschlüsse des Sensorschnittstellenverbinders (12) wie bestimmt durch Zustände der ersten, zweiten und dritten softwaresteuerbaren Schalter (30, 22, 24), die mindestens drei Versorgungsspannungsoptionen enthalten:eine Versorgungsspannung mit einem Wert von zweimal der negativen Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), und der positive Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) ist geerdet wennder erste softwaresteuerbare Schalter (30) offen ist,der zweite softwaresteuerbare Schalter (22) geschlossen ist, und der dritte softwaresteuerbare Schalter (24) offen ist,eine Versorgungsspannung mit einem Wert von zweimal der positiven Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), und der negative Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) wird geerdet, wennder erste softwaresteuerbare Schalter (30) offen ist,der zweite softwaresteuerbare Schalter (22) offen ist, undder dritte softwaresteuerbare Schalter (24) geschlossen ist, unddie negative Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), und die positive Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), wennder erste softwaresteuerbare Schalter (30) geschlossen ist,der zweite softwaresteuerbare Schalter (22) offen ist, undder dritte softwaresteuerbare Schalter (24) offen ist.

Description

Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Maschinenzustandsüberwachung. Spezieller bezieht sich diese Erfindung auf eine universelle Sensorschnittstelle zum Aufnehmen von verschiedenen Sensortypen zur Verwendung in einem Maschinenüberwachungssystem.
Hintergrund

In derzeitigen Online-Maschinenüberwachungssystemen, die für den Schutz von Maschinen und die Fehlervorhersage verwendet werden, sind eine große Vielfalt von elektronischen Überwachungsgeräten verfügbar, und jedes ist typischerweise darauf spezialisiert, einen bestimmen Typ von Sensor für eine bestimmte Überwachungsanwendung aufzunehmen. Verschiedene Sensorfamilien enthalten Wirbelstromsensoren, seismische Sensoren, passive magnetische Sensoren, piezoelektrische Sensoren, Halleffekt-Sensoren und Niederfrequenzsensoren. Verschiedene Hersteller bieten eine große Vielfalt an Sensoren innerhalb jeder dieser Sensorfamilien, um Schutz- und Vorhersagemessungen zu machen, und der Sensor jedes Herstellers hat typischerweise seine eigenen Charakteristika bezogen auf die Energieversorgung des Sensors, den Spannungsbereich des Sensorsignals und die Anwendung, wie die in der unten stehenden Tabelle 1 aufgelisteten. Tabelle 1

Energieversorgung	Strom, einstellbar (0 bis 8mA)	piezo- und seismische Sensoren
	Spannung, einstellbar (-22V bis -30V)	Wirbelstromsensoren
	Spannung, fest +/-15V	N iede rfreq uenzsensoren
	Spannung, fest +30V	Halleffekt-Sensoren
Signalbereich	-30V bis 0V	Wirbelstromsensoren
	0V bis +30V	piezo, passiv magnetisch, Halleffekt
	-15V bis +15V	seismisch, Niederfrequenzsensoren
Messanwendung	statisch (Position, Exzentrizität)	Wirbelstromsensoren, Niederfrequenz
	dynamisch (Vibration)	Wirbelstrom, piezo, seismisch
	Geschwindigkeit (Geschwindigkeit, Schlüssel)	Wirbelstrom, Hall, passiv magnetisch

Üblicherweise, für ein Maschinenüberwachungssystem, um die vielfachen Sensortypen mit vielfachen Sensor-Versorgungsspannungs-Anforderungen und Signal-Spannungsbereich-Anforderungen aufzunehmen, werden verschiedene Sensor-Energieversorgungen und Konditionierungsschaltkreise erforderlich. Verkäufe und Projektmanagement wären einfacher, wenn eine einzelne Sensorschnittstelle alle die verschiedenen Sensortypen und Messungen handhaben könnte. Die Produktion und die Bevorratung wären kosteneffektiver und die Anzahl der im Bestand vorhandenen Geräte und deren Ersatzteile könnte signifikant verringert werden, für die Hersteller der Geräte und ihre Kunden.
Aus der DE 10 2009 047 544 A1 ist ein Verfahren zum Einstellen von Energieversorgungs-Parametern von mehreren Feldgerätstromversorgungsmodulen bekannt, wobei jeweils ein Feldgerätstromversorgungsmodul an ein Feldgerät angeschlossen ist. Gemäß dem Verfahren wird zunächst ein Feldgerätetyp des angeschlossenen Feldgerätes durch das Feldgerätstromversorgungsmodul identifiziert. Anschließend wird entsprechend dem Feldgerätetyp eine Parametereinstellung von mindestens einem Energieversorgungsparameter durch das Feldgerätstromversorgungsmodul aus einer Datenbank ausgelesen und in das Feldgerätstromversorgungsmodul geladen.
Die DE 20 2007 013 013 U1 offenbart eine Messvorrichtung für analoge oder digitale Signale. Die Messvorrichtung weist mindestens einen Messeingang mit einer sechs poligen Buchse, zum Anschluss eines zugeordneten Steckers, auf und ist dabei mit einem bestehenden fünf poligen Stecksystem kompatibel.
Aus der US 2007/0198749 A1 ist ein Datenkommunikationssystem bekannt, welches Daten von einem Netzwerk zu einem Eingangs-/Ausgangsmodul kommuniziert. Hierfür umfasst das Datenkommunikationssystem ein Adaptermodul mit einer Eingabe-/Ausgabe-Erweiterungseinheit.
Was somit gefordert ist, ist eine universelle Sensorschnittstelle, die dazu in der Lage ist, sich mit all den verschiedenen Sensorfamilien, die zur Maschinenüberwachung benötigt werden, zu verbinden.
Zusammenfassung
Die obigen und anderen Anforderungen werden erfüllt von einer einzelnen universellen Sensorschnittstelle, die dazu in der Lage ist, einen Sensor-Versorgungsspannungs-Bereich anzubieten, der auswählbar ist von 0 V bis -30 V, 0 V bis +30 V oder +/- 15 V, und einen Sensorsignal-Eingangsbereich von -30 V bis +30 V, um verschiedene Typen von Sensoren Rechnung zu tragen. Einige bevorzugte Ausführungsformen stellen ebenfalls einen gepufferten, unveränderten Sensorsignal-Ausgang bereit.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind gerichtet auf eine Sensorenergie- und -Signalkonditionierungs-Schnittstelle eines Maschinenzustands-Überwachungssystems. Eine bevorzugte Ausführungsform der Schnittstelle enthält einen Sensorinterfaceverbinder, einen Sensorsignal-Eingangsschaltkreis und einen Sensorenergieschaltkreis. Der Sensorschnittstellenverbinder ist betätigbar, um sich mit verschiedenen Typen von Sensoren zu verbinden, die an einer Maschine angebracht werden können, um verschiedene Charakteristika der Maschine zu überwachen. Der Sensorschnittstellenverbinder enthält Sensorsignalanschlüsse zum Empfangen eines analogen Sensorsignals erzeugt von einem verbundenen Sensor, und positive und negative Versorgungsanschlüsse, um den verbundenen Sensor Energie bereitzustellen. Der Sensorsignaleingangsschaltkreis empfängt das analoge Sensorsignal über den Sensorschnittstellenverbinder über einen Sensorsignal-Eingangsspannungs-Bereich, der analogen Sensorsignalen Rechnung trägt, die von den verschiedenen Typen von Sensoren erzeugt werden. Der Sensorenergieschaltkreis enthält eine Sensorenergieversorgung und verschiedene, softwaresteuerbare Schalter. Die Sensorenergieversorgung erzeugt eine positive Versorgungsspannung, eine negative Versorgungsspannung und eine neutrale Versorgungsspannung. Ein erster softwaresteuerbarer Schalter verbindet wahlweise die neutrale Versorgungsspannung der Sensorenergieversorgung mit Masse. Ein zweiter softwaresteuerbarer Schalter verbindet wahlweise den positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders mit Masse. Ein dritter softwaresteuerbarer Schalter verbindet wahlweise den negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders mit Masse.
Der Sensorenergieschaltkreis liefert mindestens drei Versorgungsspannungs-Optionen an die positiven und negativen Versorgungsanschlüsse des Sensorschnittstellenverbinders wie bestimmt durch die Zustände der ersten, zweiten und dritten softwaresteuerbaren Schalter. Die Versorgungsspannungs-Optionen enthalten:

eine Versorgungsspannung mit einem Wert von zweimal der negativen Versorgungsspannung an dem negativen Versorgungsanschluss und einem geerdeten positiven Versorgungsanschluss wenn der erste softwaresteuerbare Schalter offen ist, der zweite softwaresteuerbare Schalter geschlossen ist und der dritte softwaresteuerbare Schalter offen ist;
eine Versorgungsspannung mit einem Wert von zweimal der positiven Versorgungsspannung an dem positiven Versorgungsanschluss und dem negativen Versorgungsanschluss geerdet wenn der erste softwaresteuerbare Schalter offen ist, der zweite softwaresteuerbare Schalter offen ist und der dritte softwaresteuerbare Schalter geschlossen ist; und
die negative Versorgungsspannung an dem negativen Versorgungsanschluss und die positive Versorgungsspannung an dem positiven Versorgungsanschluss wenn der erste softwaresteuerbare Schalter geschlossen ist, der zweite softwaresteuerbare Schalter geschlossen ist und der dritte softwaresteuerbare Schalter offen ist.

In bevorzugten Ausführungsformen ist der Sensorschnittstellenverbinder verwendbar, um mit verschiedenen Typen von Sensoren verbunden zu werden, enthaltend seismische Sensoren, piezoelektrische Beschleunigungsmesser, „Integrated Circuit Piezoelectric (ICP)“ Vibrationssensoren, piezoelektrische dynamische Drucksensoren, elektrodynamische Geschwindigkeitssensoren, Wirbelstromsensoren, Niederfrequenzsensoren, AC-Vibrationssensoren, DC-Verschiebungssensoren, passive elektromagnetische Sensoren, Halleffekt-Tachometersensoren, Drehgebersensoren und TTL-Pulssensoren.
In einigen Ausführungsformen ist die negative Versorgungsspannung - 15 V, zweimal die negative Versorgungsspannung ist -30 V, die positive Versorgungsspannung ist +15 V, und zweimal die positive Versorgungsspannung ist +30 V.
Einige Ausführungsformen enthalten eine einstellbare Konstantstromquelle und einen vierten softwaresteuerbaren Schalter, der elektrisch verbunden ist mit dem positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders. Der vierte softwaresteuerbare Schalter verbindet die einstellbare Konstantstromquelle mit dem positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders, wenn der vierte softwaresteuerbare Schalter in einer ersten Position ist, und es trennt die einstellbare Konstantstromquelle von dem positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders in einer zweiten Position. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die einstellbare Konstantstromquelle einen konstanten Sensorversorgungsstrom im Bereich von 0 mA bis 8 mA bereit.
Einige Ausführungsformen enthalten eine einstellbare Spannungsquelle und einen fünften softwaresteuerbaren Schalter, der elektrisch verbunden ist mit dem negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders. Der fünfte softwaresteuerbare Schalter zum Verbinden der einstellbaren Spannungsquelle mit dem negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders wenn der fünfte softwaresteuerbare Schalter in einer ersten Position ist und zum Trennen der einstellbaren Spannungsquelle von dem negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders wenn der fünfte softwaresteuerbare Schalter in einer zweiten Position ist. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die einstellbare Spannungsquelle eine Sensor-Versorgungsspannung im Bereich von -22 V bis -30 V bereit.
Einige Ausführungsformen enthalten einen sechsten softwaresteuerbaren Schalter, der elektrisch mit den Sensorsignalanschlüssen und mit den positiven und negativen Versorgungsanschlüssen des Sensorschnittstellenverbinders verbunden ist. Der sechste softwaresteuerbare Schalter hat eine erste und zweite Position. In der ersten Position ist der Sensorsignalanschluss elektrisch mit dem positiven Versorgungsanschluss verbunden, und der Sensorrückgabeanschluss ist elektrisch verbunden mit dem negativen Versorgungsanschluss. In der zweiten Position ist der Sensorsignalanschluss elektrisch von dem positiven Versorgungsanschluss getrennt, und der Rückgabeanschluss ist elektrisch von dem negativen Versorgungsanschluss getrennt. In dieser Ausführungsform ist die Sensorschnittstelle angepasst an zweidrahtige Sensoren wenn der sechste softwaresteuerbare Schalter in der ersten Position ist, und ist an vierdrahtige Sensoren angepasst, wenn der sechste softwaresteuerbare Schalter in der zweiten Position ist.
In einigen Ausführungsformen enthält der Sensorsignaleingangsschaltkreis einen 10:1 Differenzverstärker zur Anpassung an analoge Sensorsignale über einen Sensorsignal-Eingangsbereich von bis zu +/-30 V.
In einigen Ausführungsformen hat die Schnittstelle einen gepufferten Sensorsignal-Ausgangsschaltkreis, der einen gepufferten Sensorsignal-Ausgangsverbinder enthält, der elektrisch mit einem Operationsverstärker verbunden ist. Der Operationsverstärker wird von denselben Spannungen von dem Sensorenergieschaltkreis versorgt wie sie der positiven und negativen Versorgung der Sensorschnittstelle bereitgestellt werden, so dass ein gepuffertes Sensorsignal an dem gepufferten Sensorsignal-Ausgangsverbinder automatisch auf einen Sensorsignalbereich gesetzt wird, der demjenigen des verbundenen Sensors entspricht.
Figurenliste
Andere Ausführungsformen der Erfindung werden offensichtlich durch Bezug auf die detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Figuren, wobei Elemente nicht maßstabsgerecht sind, um Details klarer darzustellen, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente über die verschiedenen Ansichten bezeichnen und wobei:

die 1 mehrere verschiedene Sensortypen zeigt, die typischerweise verwendet werden können, um mehrere verschiedene Maschinencharakteristika in einem Maschinenüberwachungssystem zu messen; und
die 2 eine universelle Sensorschnittstelle, die mehreren verschiedenen Sensortypen Rechnung tragen kann, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung
Die 1 zeigt einige Beispiele der verschiedenen Typen von Sensoren, die verwendet werden können, um Maschinencharakteristika in einem Maschinenüberwachungssystem zu erkennen. Diese beispielhaften Sensoren enthalten einen seismischen / passiven magnetischen Sensor, einen Wirbelstromsensor, einen piezoelektrischen Sensor, einen Halleffekt-Sensor und einen Niederfrequenzsensor. Der seismische / passive magnetische Sensor und der piezoelektrische Sensor sind Beispiele von zweidrahtigen Geräten, derart dass sie nur zwei Signal- und Rückgabeverbindungen haben mit einer optionalen Stromversorgung intern verbunden mit dem Signal und der Rückgabe. Die anderen Sensoren sind vierdrahtige Geräte, die zwei Energieverbindungen (Versorgung+ und Versorgung-) zusätzlich zu den Signal- und Rückgabeverbindungen haben. Die 1 zeigt außerdem die typischen Bereiche der Ausgangssignale erzeugt von diesen Sensoren und, für die vierdrahtigen Geräte, ihre Anforderungen an die Energieversorgung.
Die 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer universellen Sensorschnittstelle 10, die betätigbar ist, um all den Ausgangssignalbereichen und den Anforderungen an die Energieversorgung der beispielhaften Sensoren gezeigt in der 1 und anderen Sensortypen Rechnung zu tragen. In der bevorzugten Ausführungsform enthält ein Sensorenergieschaltkreis 25 eine +/-15 V Spannungsversorgung 26. Abhängig von dem Typ des mit dem Sensorschnittstellenverbinder 12 verbundenen Sensors kann der Bezug zur Masse (GND) des Sensorenergieschaltkreises 25 unter Verwendung der Schalter 18, 20, 22, 24 und 30, die gesteuert werden über ein Schaltersteuernetzwerk 32 basierend auf Steuersignalen von einem digitalen Signalprozessor (DSP) oder Controller 36, auf den positiven, neutralen oder negativen Pol der Versorgung 26 geschaltet werden. Die hierin beschriebenen Schalter, wie die Schalter 18, 20, 22, 24, 30 und 44, können unter Verwendung von Relaiskontakten, elektronischen Schaltern, Halbleiterrelais oder Äquivalenten solcher Schaltgeräte implementiert sein.
Zum Beispiel wird eine feste -30 V Versorgungsspannung erreicht mit der folgenden Kombination der Schalterpositionen:

- Schalter 30 offen
- Schalter 22 geschlossen (GND)
- Schalter 24 offen.

Eine feste +30 V Versorgungsspannung wird erreicht mit der folgenden Kombination der Schalterpositionen:

- Schalter 30 offen
- Schalter 22 offen
- Schalter 24 geschlossen (GND).

Eine feste +/-15 V Versorgungsspannung wird erreicht mit der folgenden Kombination von Schalterpositionen:

- Schalter 30 geschlossen (GND)
- Schalter 22 offen
- Schalter 24 offen.

Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform eine +/-15 V Spannungsversorgung 26 verwendet wird, kann in alternativen Ausführungsformen eine Spannungsversorgung verwendet werden, die einen anderen Bereich, wie +/-14 V, bereitstellt. Daher versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf einen bestimmten Versorgungsspannungsbereich beschränkt ist.
Sensoren, die eine Konstantstromversorgung benötigen, arbeiten in typischerweise auf einer positiven Versorgungsspannung. Daher stellt eine bevorzugte Ausführungsform eine Konstantstromquelle (U/l) 16 in dem positiven Zweig des Versorgungsschaltkreises bereit. Die Stromquelle 16 ist selber unter Verwendung des Schalters 20, der gesteuert wird von dem DSP/Controller 36 über das Schaltersteuernetzwerk 32. Wenn andere Spannungsniveaus benötigt werden für Sensoren, die in dem negativen Versorgungsspannungsbereich arbeiten, kann eine einstellbare Spannungsquelle (U/U) 14 in dem negativen Zweig des Schaltkreises ausgewählt werden unter Verwendung des Schalters 18, der ebenfalls von dem DSP/Controller 36 über das Schaltersteuernetzwerk 32 gesteuert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in den positiven und negativen Versorgungszweigen Strombegrenzungsschaltkreise 28a-28b vorgesehen, die gegen eine exzessive Laststromanforderung schützen, wie z. B. aufgrund eines Kurzschlusses über die Versorgungsanschlüsse. Der Spannungsabfall über die Strombegrenzungsschaltkreise 28a-28b wird als vernachlässigbar angesehen.
Um den Sensorsignalbereichen aller Sensoren, die üblicherweise in Maschinenüberwachungsanwendungen verwendet werden, gerecht zu werden, stellen bevorzugte Ausführungsformen der Schnittstelle 10 einen Sensorsignaleingangsschaltkreis 42 bereit, der in einer bevorzugten Ausführungsform ein Operationsverstärker (OPAMP) konfiguriert als ein Differenzverstärker mit einem Eingang mit einem breiten Spannungsbereich, wie einem 10:1 Spannungsverhältnis, ist. Mit einem 10:1 Spannungsverstärkungsverhältnis kann Sensorsignalbereichen von -30 V bis +30 V Rechnung getragen werden. In alternativen Ausführungsformen können von dem OPAMP 42 Spannungsverhältnisse anders als 10:1 bereitgestellt werden, um anderen Eingangsbereichen Rechnung zu tragen, wie z. B. +/-25 V. Daher versteht sich, dass die Erfindung nicht auf einen bestimmten Sensorsignalbereich beschränkt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen enthalten einen Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) 40, wie einen 24bit Delta-Sigma ADC, der sich sowohl für die Datenerfassung von DC-Signalen (statische Messung) als auch für AC-Signale (dynamisch, Geschwindigkeitsmessung) eignet, und einen einzelnen Anti-Aliasingfilter 38 vor dem ADC 40. Der DSP/Controller 36 führt bevorzugt eine digitale Verarbeitung und Filterung der Sensorsignale durch, wie z. B. für statische, dynamische oder Geschwindigkeitsmessungen der überwachten Maschinen.
Ein zweipoliger Schalter 44 ermöglicht das Wählen eines zweidrahtigen Sensors oder eines vierdrahtigen Sensors, wobei die Notwendigkeit einer externen Verkabelung eliminiert wird. Ein vierdrahtiger Sensor wird ausgewählt mit dem Schalter 44 in der offenen Position, und ein zweidrahtiger Sensor wird ausgewählt mit dem Schalter 44 in der geschlossenen Position. Der Schalter 44 wird bevorzugt von dem DSP/Controller 36 über das Schaltersteuernetzwerk 32 gesteuert.
Wie in der 2 gezeigt enthält eine bevorzugte Ausführungsform einen gepufferten Sensorsignal-Ausgangsschaltkreis 46, der einen OPAMP 48 enthält, der versorgt wird mit derselben Versorgungsspannung (U+ und U-) wie sie bei der Spannungsversorgung 26 bereitgestellt wird. Somit wird der gepufferte Signalausgang an dem Verbinder 50 automatisch auf den geeigneten Sensorsignalspannungsbereich gesetzt. Der gepufferte Signalausgang kann überwacht werden, z. B. durch Verwendung eines Oszilloskops, oder er kann einen Maschinenanalysesystem für Vorhersagezwecke bereitgestellt werden.
Die vorangegangene Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen für diese Erfindung wurde präsentiert für Absichten der Illustration und Beschreibung. Sie sind nicht beabsichtigt als erschöpfend oder die Erfindung auf die präzise offenbarte Form beschränkend. Offensichtliche Modifikationen oder Änderungen sind möglich im Lichte der obigen Lehren. Die Ausführungsformen sind ausgewählt und beschrieben in dem Bestreben, die besten Illustrationen der Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung bereitzustellen, und somit dem durchschnittlichen Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen wie sie für die gedachte spezielle Verwendung geeignet sind, zu verwenden. Alle solche Modifikationen und Variationen sind innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie bestimmt durch die angehängten Ansprüche wenn diese interpretiert werden gemäß der Breite in der sie fair, rechtmäßig und angemessen berechtigt sind.

Claims

Eine Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) eines Maschinenzustands-Überwachungssystems, die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) enthaltend: einen Sensorschnittstellenverbinder (12) der dazu bereit ist, mit verschiedenen Typen von Sensoren verbunden zu werden, die an einer Maschine angebracht werden können, um verschiedene Charakteristika der Maschine zu überwachen, der Sensorschnittstellenverbinder (12) enthaltend: Sensorsignalanschlüsse zum Empfangen eines analogen Sensorsignals generiert von einem verbundenen Sensor; und ein positiver Versorgungsanschluss und ein negativer Versorgungsanschluss zum Bereitstellen von Energie an den verbundenen Sensor; einen Sensorsignaleingangsschaltkreis (42) der elektrisch verbunden ist mit den Sensorsignalanschlüssen des Sensorschnittstellenverbinders (12), wobei der Sensorsignaleingangsschaltkreis (42) dazu bereit ist, das analoge Sensorsignal über den Sensorschnittstellenverbinder (12) über einen Sensorsignal-Eingangsspannungsbereich, der analogen Sensorsignale erzeugt bei den mehreren Typen von Sensoren Rechnung trägt, zu empfangen; und ein Sensorenergieschaltkreis (25) der elektrisch verbunden ist mit den positiven und negativen Versorgungsanschlüssen des Sensorschnittstellenverbinders (12), der Sensorenergieschaltkreis (25) zum Bereitstellen von Energie an den verbundenen Sensor über den Sensorschnittstellenverbinder (12), der Sensorenergieschaltkreis (25) enthaltend: eine Sensorenergieversorgung (26) fähig zum Erzeugen einer positiven Versorgungsspannung, einer negativen Versorgungsspannung und einer neutralen Versorgungsspannung; einen ersten softwaresteuerbaren Schalter (30) zum abwechselnden Verbinden der neutralen Versorgungsspannung der Sensorenergieversorgung (26) mit Masse; einen zweiten softwaresteuerbaren Schalter (22) zum wahlweisen Verbinden des positiven Versorgungsanschlusses des Sensorschnittstellenverbinders (12) mit Masse; und einen dritten softwaresteuerbaren Schalter (24) zum wahlweisen Verbinden des negativen Versorgungsanschlusses des Sensorschnittstellenverbinders (12) mit Masse, wobei der Sensorenergieschaltkreis (25) betreibbar ist zum Bereitstellen von mindestens drei Versorgungsspannungsoptionen an die positiven und negativen Versorgungsanschlüsse des Sensorschnittstellenverbinders (12) wie bestimmt durch Zustände der ersten, zweiten und dritten softwaresteuerbaren Schalter (30, 22, 24), die mindestens drei Versorgungsspannungsoptionen enthalten: eine Versorgungsspannung mit einem Wert von zweimal der negativen Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), und der positive Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) ist geerdet wenn der erste softwaresteuerbare Schalter (30) offen ist, der zweite softwaresteuerbare Schalter (22) geschlossen ist, und der dritte softwaresteuerbare Schalter (24) offen ist, eine Versorgungsspannung mit einem Wert von zweimal der positiven Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), und der negative Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) wird geerdet, wenn der erste softwaresteuerbare Schalter (30) offen ist, der zweite softwaresteuerbare Schalter (22) offen ist, und der dritte softwaresteuerbare Schalter (24) geschlossen ist, und die negative Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), und die positive Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), wenn der erste softwaresteuerbare Schalter (30) geschlossen ist, der zweite softwaresteuerbare Schalter (22) offen ist, und der dritte softwaresteuerbare Schalter (24) offen ist.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) von Anspruch 1, wobei der Sensorschnittstellenverbinder (12) betreibbar ist mit mehreren Typen von Sensoren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus seismischen Sensoren, piezoelektrischen Beschleunigungsmessern, Integrated Circuit Piezoelectric (ICP) Vibrationssensoren, piezoelektrischen dynamischen Drucksensoren, elektrodynamischen Geschwindigkeitssensoren, Wirbelstromsensoren, Niederfrequenzsensoren, AC-Vibrationssensoren, DC-Verschiebungssensoren, passiven elektromagnetischen Sensoren, Halleffekt-Tachometersensoren, Drehzahlgebern und TTL-Pulssensoren, verbunden zu werden.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 1, wobei die negative Versorgungsspannung -15 V ist, zweimal die negative Versorgungsspannung -30 V ist, die positive Versorgungsspannung +15 V ist, und zweimal die positive Versorgungsspannung +30 V ist.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 1, wobei der Sensorenergieschaltkreis (25) weiterhin enthält: eine einstellbare Konstantstromquelle (16); und einen vierten softwaresteuerbaren Schalter (20) elektrisch verbunden mit dem positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), der vierte softwaresteuerbare Schalter (20) zum Verbinden der einstellbaren Konstantstromquelle (16) mit dem positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), wenn der vierte softwaresteuerbare Schalter (20) in einer ersten Position ist und zum Trennen der einstellbaren Konstantstromquelle (16) von dem positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), wenn der vierte softwaresteuerbare Schalter (20) in einer zweiten Position ist.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 4, wobei die einstellbare Konstantstromquelle (16) einen konstanten Sensorversorgungsstrom von 0 mA bis 8 mA bereitstellt.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 1, wobei der Sensorenergieschaltkreis (25) weiterhin aufweist: eine einstellbare Spannungsquelle (14); und einen fünften softwaresteuerbaren Schalter (18) elektrisch verbunden mit dem negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), der fünfte softwaresteuerbare Schalter (18) zum Verbinden der einstellbaren Spannungsquelle (14) mit dem negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), wenn der fünfte softwaresteuerbare Schalter (18) in einer ersten Position ist und zum Trennen der einstellbaren Spannungsquelle (14) von dem negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), wenn der fünfte softwaresteuerbare Schalter (18) in einer zweiten Position ist.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 6, wobei die einstellbare Spannungsquelle (14) eine Sensorversorgungsspannung in einem Bereich von -22 V bis -30 V bereitstellt.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 1, weiterhin aufweisend: die Sensorsignalanschlüsse des Sensorschnittstellenverbinders (12) enthaltend einen Signalanschluss und einen Rückgabeanschluss; und einen sechsten softwaresteuerbaren Schalter (44) elektrisch verbunden mit den Sensorsignalanschlüssen und den positiven und negativen Versorgungsanschlüssen des Sensorschnittstellenverbinders (12), der sechste softwaresteuerbare Schalter (44) habend: eine erste Position, in der der Signalanschluss elektrisch verbunden ist mit dem positiven Versorgungsanschluss und der Rückgabeanschluss elektrisch verbunden ist mit dem negativen Versorgungsanschluss; und eine zweite Position, in der der Signalanschluss elektrisch getrennt ist von dem positiven Versorgungsanschluss und der Rückgabeanschluss elektrisch getrennt ist von dem negativen Versorgungsanschluss, wobei die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) angepasst ist an zweidrahtige Sensoren, wenn der sechste softwaresteuerbare Schalter (44) in der ersten Position ist und die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) an vierdrahtige Sensoren angepasst ist, wenn der sechste softwaresteuerbare Schalter (44) in der zweiten Position ist.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 1, wobei der Sensorsignal-Eingangsschaltkreis (42) einen 10:1 Differenzverstärker (48) enthält, um analogen Sensorsignalen über einen Sensorsignaleingangsbereich von bis zu +/-30 V Rechnung zu tragen.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 1, weiter aufweisend einen Analog-zu-Digital-Konvertierungsschaltkreis (40) zum Konvertieren des analogen Sensorsignals von dem Sensorsignal-Eingangsschaltkreis (42) in ein digitales Messsignal.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 1, weiterhin aufweisend einen gepufferten Sensorsignal-Ausgangsschaltkreis (46) enthaltend einen gepufferten Sensorsignal-Ausgangsverbinder (50), der elektrisch verbunden ist mit einem Operationsverstärker (48), wo der Operationsverstärker (48) versorgt wird von denselben Spannungen von dem Sensorenergieschaltkreis (25) wie denjenigen, die den positiven und negativen Versorgungsspannungen bereitgestellt werden, so dass ein gepuffertes Sensorsignal an dem gepufferten Sensorsignal-Ausgangsverbinder (50) automatisch auf einen Sensorsignalbereich gesetzt wird, der dem des verbundenen Sensors entspricht.
Eine Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) eines Maschinenzustands-Überwachungssystems, die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) aufweisend: einen Sensorschnittstellenverbinder (12), der betreibbar ist, sich mit mehreren Typen von Sensoren zu verbinden, die an einer Maschine angebracht sein können, um verschiedene Charakteristika der Maschine zu überwachen, den Sensorschnittstellenverbinder (12) enthaltend: einen Signalanschluss und einen Rückgabeanschluss zum Empfangen eines analogen Sensorsignals erzeugt von einem verbundenen Sensor; und einen positiven Versorgungsanschluss und einen negativen Versorgungsanschluss zum Bereitstellen von Energie an den verbundenen Sensor; einen sechsten softwaresteuerbaren Schalter (44) elektrisch verbunden mit den Signal- und Rückgabeanschlüssen und den positiven und negativen Versorgungsanschlüssen des Sensorschnittstellenverbinders (12), der sechste softwaresteuerbare Schalter (44) habend: eine erste Position, in der der Signalanschluss elektrisch verbunden ist mit dem positiven Versorgungsanschluss und der Rückgabeanschluss elektrisch verbunden ist mit dem negativen Versorgungsanschluss; und eine zweite Position, in der der Signalanschluss elektrisch getrennt ist von dem positiven Versorgungsanschluss und der Rückgabeanschluss elektrisch getrennt ist von dem negativen Versorgungsanschluss, wobei die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) an zweidrahtige Sensoren angepasst ist, wenn der sechste softwaresteuerbare Schalter (44) in der ersten Position ist und die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) an vierdrahtige Sensoren angepasst ist, wenn der sechste softwaresteuerbare Schalter (44) in der zweiten Position ist; einen Sensorsignal-Eingangsschaltkreis (42), der elektrisch verbunden ist mit den Sensorsignalanschlüssen des Sensorschnittstellenverbinders (12), der Sensorsignal-Eingangsschaltkreis (42) enthaltend einen 10:1 Differenzverstärker (48) zum Empfangen des analogen Sensorsignals über den Sensorschnittstellenverbinder (12) über einen Sensorsignal-Eingangsbereich von bis zu +/-30 V, somit analogen Sensorsignalen erzeugt von den mehreren Typen von Sensoren Rechnung tragend; und einen Sensorenergieschaltkreis (25), der elektrisch verbunden ist mit den positiven und negativen Versorgungsanschlüssen des Sensorschnittstellenverbinders (12), der Sensorenergieschaltkreis (25) zum Bereitstellen von Energie an den verbundenen Sensor über den Sensorschnittstellenverbinder (12), der Sensorenergieschaltkreis (25) aufweisend: eine Sensorenergieversorgung (26) betreibbar zum Erzeugen einer +15 V Versorgungsspannung, einer -15 V Versorgungsspannung und einer 0 V Versorgungsspannung; einen ersten softwaresteuerbaren Schalter (30) zum wahlweisen Verbinden der 0 V Versorgungsspannung der Sensorenergieversorgung (26) mit Masse; einen zweiten softwaresteuerbaren Schalter (22) zum wahlweisen Verbinden des positiven Versorgungsanschlusses des Sensorschnittstellenverbinders (12) mit Masse; und einen dritten softwaresteuerbaren Schalter (24) zum wahlweisen Verbinden des negativen Versorgungsanschlusses des Sensorschnittstellenverbinders (12) mit Masse, wobei der Sensorenergieschaltkreis (25) betreibbar ist, um zumindest drei Spannungsversorgungsoptionen an die positiven und negativen Versorgungsanschlüsse des Sensorschnittstellenverbinders (12) bereitzustellen, wie bestimmt durch Zustände der ersten, zweiten und dritten softwaresteuerbaren Schalter (30, 22, 24), die mindestens drei Versorgungsspannungsoptionen enthalten: eine -30 V Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) und der positive Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) ist geerdet wenn der erste softwaresteuerbare Schalter (30) offen ist, der zweite softwaresteuerbare Schalter (22) geschlossen ist, und der dritte softwaresteuerbare Schalter (24) offen ist, eine +30 V Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) und der negative Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) ist geerdet wenn der erste softwaresteuerbare Schalter (30) offen ist, der zweite softwaresteuerbare Schalter (22) offen ist, und der dritte softwaresteuerbare Schalter (24) geschlossen ist, und die -15 V Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) und die +15 V Versorgungsspannung wird bereitgestellt an den positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) wenn der erste softwaresteuerbare Schalter (30) geschlossen ist, der zweite softwaresteuerbare Schalter (22) offen ist, und der dritte softwaresteuerbare Schalter (24) offen ist; und einen gepufferten Sensorsignal-Ausgangsschaltkreis enthaltend einen gepufferten Sensorsignal-Ausgangsverbinder der elektrisch verbunden ist mit einem Operationsverstärker (48), wobei der Operationsverstärker (48) versorgt wird von denselben Spannungen von dem Sensorenergieschaltkreis (25), wie sie an die positive und negative Versorgungsspannungen bereitgestellt werden, so dass ein gepuffertes Sensorsignal an dem gepufferten Sensorsignal-Ausgangsverbinder automatisch gesetzt ist auf einen Sensorsignalbereich, der dem des verbundenen Sensors entspricht.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 1, wobei der Sensorenergieschaltkreis (25) weiterhin enthält: eine einstellbare Konstantstromquelle (16); und einen vierten softwaresteuerbaren Schalter (20) elektrisch verbunden mit dem positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), der vierte softwaresteuerbare Schalter (20) zum Verbinden der einstellbaren Konstantstromquelle (16) mit dem positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) wenn der vierte softwaresteuerbare Schalter (20) in einer ersten Position ist und zum Trennen der einstellbaren Konstantstromquelle (16) von dem positiven Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12) wenn der vierte softwaresteuerbare Schalter (20) in einer zweiten Position ist.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 4, wobei die einstellbare Konstantstromquelle (16) einen konstanten Sensorversorgungsstrom von 0 mA bis 8 mA bereitstellt.
Die Sensor-Energie-und-Signalkonditionierungs-Schnittstelle (10) des Anspruchs 1, wobei der Sensorenergieschaltkreis (25) weiterhin aufweist: eine einstellbare Spannungsquelle (14); und einen fünften softwaresteuerbaren Schalter (18) elektrisch verbunden mit dem negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), der fünfte softwaresteuerbare Schalter (18) zum Verbinden der einstellbaren Spannungsquelle (14) mit dem negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), wenn der fünfte softwaresteuerbare Schalter (18) in einer ersten Position ist und zum Trennen der einstellbaren Spannungsquelle (14) von dem negativen Versorgungsanschluss des Sensorschnittstellenverbinders (12), wenn der fünfte softwaresteuerbare Schalter (18) in einer zweiten Position ist.