DE102016122081A1 - Verfahren und vorrichtung zur akustischen zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen bauelement in einem gesamtsystem - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur akustischen zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen bauelement in einem gesamtsystem Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur akustischen Zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen Bauelement (102) in einem Gesamtsystem beschrieben. Dabei wird ein Schwingungssignal (108), welches ein akustisches Signal (106) oder eine mechanische Schwingung, hervorgerufen durch das Betreiben des elektrischen Bauelements (102), repräsentiert, unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift (116) analysiert, um eine Zustandsinformation (118) über das elektrische Bauelement (102) zu ermitteln und ein Fehlersignal (120) unter Verwendung der Zustandsinformation (118) bereitzustellen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen Bauelement in einem Gesamtsystem sowie eine Vorrichtung zur akustischen Zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen Bauelement in einem Gesamtsystem.
  • Stand der Technik
  • Zustandsüberwachung gehört im Bereich der (rotierenden) Maschinen oder Maschinenkomponenten in vielen Bereichen zum Standard. Oft wird hier der englische Begriff „Machine Condition Monitoring“ verwendet. Das Ziel der Zustandsüberwachung ist es, Abnutzung und Fehler von Komponenten bereits frühzeitig zu erkennen, um beispielsweise eine vorausschauende Wartung durchführen zu können. So ist es das Ziel, Fehler nicht erst bei ihrem Auftreten und dem damit verbundenen Ausfall einer Maschinenkomponente zu diagnostizieren, sondern bereits Anzeichen für einen aufkommenden Fehler zu diagnostizieren. Die gleichen Bedürfnisse ergeben sich im Bereich elektrischer und elektronischer Anlagen, jedoch sind hier noch keine vergleichbaren Methoden bekannt.
  • Die EP 2 343 960 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung der Betriebsbedingungen einer Vorrichtung, die Leistungselektronikbauteile enthält. Hierbei werden Stromüberwachung, Spannungsüberwachung und Temperaturüberwachung kombiniert. Die Temperatur ist dabei eine träge Messgröße, und wird von vielen anderen Parametern beeinflusst.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine verbesserte Zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen Bauelement zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen Bauelement in einem Gesamtsystem umfasst die Schritte Betreiben des Bauelements, Einlesen eines Schwingungssignals und Analysieren des Schwingungssignals. Insbesondere kann es sich um ein Verfahren zur akustischen Zustandsüberwachung handeln.
  • Das Schwingungssignal repräsentiert ein akustisches Signal oder eine mechanische Schwingung. Das akustische Signal und/oder die mechanische Schwingung werden durch das Betreiben des elektrischen Bauelements hervorgerufen. Bei dem Schwingungssignal handelt es sich um ein elektrisches Signal, welches sich über die Zeit verändert. So kann das Schwingungssignal sich überlagernde Frequenzsignale umfassen. Im Schritt des Analysierens wird das Schwingungssignal unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift analysiert, um eine Zustandsinformation über das elektrische Bauelement zu bestimmen. Die Verarbeitungsvorschrift kann dabei mathematische Operationen insbesondere aus dem Bereich der digitalen Signalverarbeitung umfassen.
  • Vorteilhafterweise wird unter Verwendung der ermittelten Zustandsinformation ein Fehlersignal bei Auftreten eines Fehlers bereitgestellt.
  • Unter einem elektrischen Bauelement kann ein Bauteil oder Bauelement aus der Gruppe elektromechanisches Bauelement, Bauelement zum Trennen und Verbinden von Leitungen, Bauelement für die Stromversorgung, Bauelement für die Frequenzerzeugung, passives Bauelement, Energiequelle, aktives Bauelement, Röhre, diskreter Halbleiter und Leistungshalbleiter, Integrierter Schaltkreis (IC - Integrated Circuit), optoelektronisches Bauelement und/oder Sensor verstanden werden. Dabei umfassen beispielsweise die Bauelemente für die Stromversorgung Schalter, Relais, Schütz, Leitungsschutzschalter, Motorschutzschalter, Nulldurchgangsschalter, Nullspannungsschalter sowie Reed-Relais. Unter einem Bauelement für die Frequenzerzeugung kann ein Keramikresonator, Oszillator, Filter oder Keramikfilter verstanden werden. Passive Bauelemente umfassen beispielsweise Widerstände, Kondensatoren sowie induktive Bauelemente, Unter einer Energiequelle im engeren Sinn sollen im Rahmen dieser Offenbarung eine galvanische Zelle, galvanisches Element, eine Brennstoffzelle, ein elektrischer Generator, eine Solarzelle oder ein Peltier-Element verstanden werden. Als diskrete Halbleiter und Leistungshalbleiter werden Dioden, Transistoren, Vierschicht-Bauelemente wie Thyristoren, Diac und Triac bezeichnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird als elektrisches Bauelement ein Bauelement eines Gleichspannungswandlers, wie beispielsweise eine Spule, überwacht. In immer mehr Fahrzeugen werden Gleichspannungswandler eingesetzt. Teilweise werden diese zur Versorgung von Komponenten im Fahrzeug verwendet, für die eine hohe funktionale Sicherheit gefordert wird, beziehungsweise die Teil von Fail-Operational-Funktionen des automatisierten Fahrens verwendet werden. Hier ist der sichere Zustand „an“, weshalb ein plötzlicher Ausfall der Bauelemente weitreichende Folgen haben kann und deshalb vermieden werden sollte. Mit anderen Worten ergibt sich im Bereich der funktionalen Sicherheit eine Basisanforderung: Nicht nur für die elektronische Funktion, sondern auch für das Versorgungsbordnetz des Fahrzeugs ist eine Diagnoseabdeckung vorzusehen, bezugnehmend auf die ASIL-Einstufung der zu versorgenden Funktion, da ein Ausfall der Energieversorgung für Fail-Operational-Funktionen des hochautomatisierten Fahrens direkt zu einer Verletzung der Sicherheitsziele führt.
  • Günstig ist es auch, wenn die Verarbeitungsvorschrift zumindest eine Funktion der (digitalen) Signalverarbeitung des Schwingungssignals umfasst. So kann beispielsweise ein Schallpegel, eine Lautstärke, eine Integration über das Schwingungssignal oder ein Differential bestimmt und diese mit einem Referenzsignal oder einem Schwellwert verglichen werden. Das Referenzsignal kann entweder ein früher aufgenommenes, ein berechnetes oder ein parallel zum Schwingungssignal an einem anderen Ort aufgezeichnetes Signal sein. Das Referenzsignal kann dabei als Schwellwert verwendet werden. Eine Funktion der (digitalen) Signalverarbeitung kann einfach und effizient beispielsweise auf einem Mikrocontroller (µC) oder digitalem Signalprozessor (DSP) berechnet werden.
  • Vorteilhafterweise umfasst die Verarbeitungsvorschrift eine Frequenzanalyse des Schwingungssignals. So kann ein Frequenzspektrum bestimmt und bestimmte Frequenzanteile überwacht werden. Als Teil der Verarbeitungsvorschrift können das Schwingungssignal oder das Frequenzspektrum mit einem Referenzsignal verglichen werden.
  • Ferner kann eine Frequenzabweichung des Schwingungssignals von einem Soll-Frequenzspektrum bestimmt werden. Zur Analyse eines Fehlers kann ein Überschreiten eines Grenzwertes oder eines Grenzwertebereiches durch die Frequenzabweichung überwacht und bestimmt werden. So kann mit einfachen Methoden eine Zustandsüberwachung des elektrischen Bauelements erfolgen.
  • Das elektrische Bauelement kann mit einer vorbestimmten, insbesondere veränderlichen, Schaltfrequenz betrieben werden. So kann das elektrische Bauelement mit der Schaltfrequenz angesteuert werden. Die Schaltfrequenz kann gezielt variiert werden, um das durch das Bauelement erzeugte akustische Signal oder die erzeugte mechanische Schwingung zu verändern. So kann beispielsweise eine sich ändernde Eigenfrequenz oder ein Fehler, der in unterschiedlichen Frequenzen oder Frequenzbändern angeregt eine verschiedene Wirkung zeigt, besonders einfach provoziert und das Ergebnis erfasst werden. Weiterhin kann auf die Schaltfrequenz ein Jitter-Signal moduliert werden, um ein gut auswertbares Schwingungssignal zu erhalten. Bei dem Jitter-Signal kann es sich um ein Rausch-Signal wie beispielsweise weißes Rauschen oder rosa Rauschen handeln.
  • Mittels eines variierenden Schaltsignals (=Schaltfrequenz) und Auswertung der Rückantwort in Form des Schwingungssignals kann ein optimaler Arbeitspunkt für das elektrische Bauelement bestimmt werden. Dabei kann ein Schalldruckpegel in Abhängigkeit zur Schaltfrequenz bestimmt werden. Als optimaler Arbeitspunkt wird die Schaltfrequenz bei einem Minimum des Schalldruckpegels bestimmt. So kann das elektrische Bauelement besonders effizient betrieben werden, sowohl aus Sicht der Lebensdauer, der Energieaufnahme als auch der Geräuschemission.
  • Das zu überwachende elektrische Bauelement kann abgeschaltet werden, wenn im Schritt des Analysierens ein (aufkommender) Fehler oder eine einen Fehler repräsentierende Zustandsinformation diagnostiziert wird. So kann besonders effizient Schaden am Gesamtsystem vermieden werden. Alternativ kann ein Hinweis für eine vorausschauende Wartung ausgegeben werden und im Rahmen des nächsten anstehenden Service das entsprechende elektrische Bauelement ausgetauscht werden. Ein aufkommender Fehler kann beispielsweise den Wirkungsgrad des elektrischen Bauelements verschlechtern, die Hauptfunktion kann aber eventuell trotzdem noch ausgeführt werden. Durch weitere Degradation wird sich der Fehler mit der Zeit verschlimmern, bis es zum Totalausfall des elektrischen Bauelements kommt. Die Zeitdauer bis dahin kann für eine vorausschauende Wartung genutzt werden.
  • Zur Validierung kann im Schritt des Einlesens zumindest ein zusätzliches Signal eingelesen werden, welches eine Information über einen Stromfluß, eine Spannung und ergänzend oder alternativ eine Temperatur des zu überwachenden elektrischen Bauelements repräsentiert. Dann kann im Schritt des Analysierens das Schwingungssignal unter Verwendung des zumindest einen zusätzlichen Signals analysiert werden. Neben dem Validieren kann das zusätzliche Signal auch zur Fehlereingrenzung genutzt werden.
  • Bis jetzt wurde ein an einem (ersten) Ort erfasstes Schwingungssignal eingelesen und analysiert. Das Verfahren lässt sich sinnvoll erweitern durch ein zweites und optional durch ein drittes Schwingungssignal, welche an einem zweiten Ort, respektive einem dritten Ort erfasst werden. Das zweite Schwingungssignal repräsentiert ein zweites akustisches Signal oder eine zweite mechanische Schwingung, das dritte Schwingungssignal repräsentiert ein drittes akustisches Signal oder eine dritte mechanische Schwingung. Dabei kann jedes Schwingungssignal einem elektrischen Bauelement zugeordnet sein oder alternativ weist das Gesamtsystem eine Anzahl von elektrischen Bauelementen auf und über zur Geodäsie analoge Verfahren (d.h. beispielsweise der Satellitengeodäsie entlehnte Methoden; Stichwort: GPS, Galileo) kann ein Fehlerort eines betroffenen elektrischen Bauelements der Anzahl von elektrischen Bauelementen bestimmt werden. So können im Schritt des Analysierens zumindest drei Schwingungssignale analysiert und mittels Triangulation oder vergleichbarer (geodätischer) Verfahren zusätzlich eine Fehlerortinformation bestimmt und bereitgestellt werden. Dabei werden Signallaufzeiten analysiert und ausgewertet. Über die Fehlerortinformation lässt sich das von einem Fehler oder einem sich anbahnenden Fehler betroffene elektrische Bauelement im Gesamtsystem ermitteln. Unter dem Gesamtsystem kann beispielsweise eine elektrische Schaltung auf einer Leiterplatte (PCB) verstanden werden. Durch eine weitere Erhöhung der Anzahl der eingelesenen und ausgewerteten Schwingungssignale kann eine Fehlerrechnung inkludiert werden und somit die Genauigkeit der Berechnung verbessert werden. Auch lassen sich Iterationen innerhalb der Berechnungsalgorithmen reduzieren.
  • In einer besonderen Ausführungsform kann je elektrischem Bauelement ein Signalempfänger in Form einen Mikrofons oder Schwingungssensors vorgesehen sein, um die entsprechenden Schwingungssignale zu erfassen. So lässt sich der Fehlerort durch höheren Hardwareeinsatz mit geringerem Rechenaufwand trotzdem schneller bestimmen.
  • Auch durch eine Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe effizient gelöst werden. Eine Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen Bauelement eines Gesamtsystems kann ausgebildet sein, Schritte einer Variante des hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen der Vorrichtung auszuführen, durchzuführen bzw. umzusetzen.
  • Die vorstehenden Erläuterungen betreffend das Verfahren gelten für die Vorrichtung entsprechend und umgekehrt. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein. Ferner kann die Vorrichtung in einen ASIC oder einer vergleichbaren integrierten Schaltung (µC, FPGA, ...) integriert sein. Unter der Vorrichtung kann allgemein auch ein Steuergerät verstanden werden.
  • Die hier genannte Vorrichtung kann insbesondere als eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung für das beschriebene Verfahren ausgeführt sein. Besagte Vorrichtung kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) sein oder umfassen.
  • Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen. So kann das Computerprogrammprodukt Teil der oben beschriebenen Vorrichtung sein.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur akustischen Zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine vereinfachte dreidimensionale Darstellung eines elektrischen Bauelements auf einer Leiterplatte mit einer Vorrichtung zur Zustandsüberwachung des elektrischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 3 das in 2 dargestellte System erweitert um eine Abdeckung;
    • 4 ein vereinfachtes Systemschaltbild einer Vorrichtung zur Zustandsüberwachung eines elektrischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
    • 5 einen Ablaufplan eines Verfahrens zur Zustandsüberwachung eines elektrischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur akustischen Zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen Bauelement 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einer räumlichen Nähe zu dem elektrischen Bauelement 102 ist ein Mikrofon angeordnet. Das elektrische Bauelement 102 erzeugt ein akustisches Signal 106. Das Mikrofon 104 ist eingerichtet, das akustische Signal 106 zu empfangen und in ein Schwingungssignal 108 zu wandeln. Bei dem Schwingungssignal 108 handelt es sich um ein elektrisches Signal (im Zeitbereich).
  • Die Vorrichtung 100 weist eine Schnittstelle 110 zum Einlesen des Schwingungssignals 108, eine Analyseeinrichtung 112 sowie eine Ausgabeschnittstelle 114 auf. Die Analyseeinrichtung 112 ist eingerichtet, eine Verarbeitungsvorschrift 116 zu empfangen und das Schwingungssignal 108 unter Verwendung der Verarbeitungsvorschrift 116 zu analysieren, um eine Zustandsinformation 118 über das elektrische Bauelement 102 zu generieren. Die Ausgabeschnittstelle 114 ist eingerichtet, ein Fehlersignal 120 in Abhängigkeit von der Zustandsinformation 118 auszugeben.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Schnittstelle 110 zum Einlesen um einen A/D-Wandler, der das analoge elektrische Schwingungssignal 108 in ein für die weiteren Einrichtungen verarbeitbares digitales Signal umwandelt.
  • Eine Einrichtung zum Bestimmen 121 ist eingerichtet, eine Frequenzabweichung 122 des Schwingungssignals 108 von einem Soll-Frequenzspektrum 124 zu bestimmen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird hierzu eine Frequenzanalyse des Schwingungssignals 108 durchgeführt, insbesondere durch eine Signaltransformation in den Frequenzraum, beispielsweise mittels einer Fouriertransformation (FFT, DFT). Dann kann über Hüllkurven und/oder durch Vergleich mit einem Grenzwert oder einem Grenzwertebereich 126 die Frequenzabweichung 122 oder ein vergleichbarer Wert ermittelt werden. So können in der Einrichtung des Bestimmens Methoden der digitalen Signalverarbeitung angewendet werden, um eine Zustandsinformation über das elektrische Bauelement 102 zu bestimmen.
  • Über eine Steuerschnittstelle 127 wird eine Schaltfrequenz 128 zum Betreiben des elektrischen Bauelements ausgegeben. In einem optionalen Ausführungsbeispiel ist die Steuerschnittstelle 127 eingerichtet, die das elektrische Bauelement 102 betreibende Schaltfrequenz 128 zu variieren. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Steuerschnittstelle 127 eingerichtet, auf die Schaltfrequenz 128 ein Jitter-Signal 130 zu überlagern.
  • In einem besonderen Ausführungsbeispiel ist die Analyseeinrichtung 112 eingerichtet, einen optimalen Arbeitspunkt 132 zum Betreiben für das elektrische Bauelement 102 zu bestimmen. Dabei wird ein Schalldruckpegel 134 in Abhängigkeit zur Schaltfrequenz 128 bestimmt. Ein lokales Maximum oder Minimum zeigt einen optimalen Arbeitspunkt 132. Bevorzugt wird die Schaltfrequenz 128 bei einem Minimum des Schalldruckpegels 134 als optimaler Arbeitspunkt 132 definiert. Dies lässt sich auch bestimmen und analog anwenden, wenn anstelle eines akustischen Signals ein (mechanisches) Schwingungssignal, welches beispielsweise mit einem Beschleunigungssensor aufgezeichnet wurde, analysiert wird.
  • Die in 1 dargestellte Schnittstelle 110 zum Einlesen ist ausgebildet, weitere optionale Signale einzulesen. So kann ein zusätzliches Signal 136, ein zweites Schwingungssignal 138 und/oder ein drittes Schwingungssignal 140 eingelesen werden. Das zusätzliche Signal 136 repräsentiert eine Information über einen Stromfluß, eine Spannung und/oder eine Temperatur des zu überwachenden elektrischen Bauelements 102. So steht das zusätzliche Signal 136 in einem Ausführungsbeispiel repräsentativ für bis zu drei Signale, oder sogar für bis zu drei Signale je eingelesenem Schwingungssignal 108, 138, 140. In diesen Ausführungsbeispielen ist die Analyseeinrichtung 112 eingerichtet, das Schwingungssignal 108 bzw. die Schwingungssignale 108, 138, 140 auch unter Verwendung des zumindest einen zusätzlichen Signals 136 zu analysieren.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die 121 zum Bestimmen eingerichtet, unter Verwendung der eingelesenen Signale eine Fehlerortinformation 142 zu bestimmen. Die Fehlerortinformation 142 umfasst eine Information darüber, welches elektrisches Bauelement einen Fehler aufweist (oder aufweisend wird).
  • Optional umfasst die Vorrichtung 100 eine zusätzliche Abschalteinrichtung 146 zum Abschalten des zu überwachenden elektrischen Bauelements 102. Das elektrische Bauelement 102 kann in Abhängigkeit der Zustandsinformation 118 oder des Fehlersignals 120 abgeschaltet werden, um einem Ausfall des Bauelements 102 vorzubeugen und/oder einen Schaden von einem übergeordneten Gesamtsystem abzuwenden.
  • Eine Signalüberlagerungseinrichtung 148 ist eingerichtet, das Steuerungssignal 128 und das Jitter-Signal 130 einander zu überlagern, und das gemischte zur Steuerung an das elektrische Bauelement 102 auszugeben.
  • 2 zeigt eine vereinfachte dreidimensionale Darstellung eines elektrischen Bauelements 102 auf einer Leiterplatte 252 mit einer Vorrichtung 100 zur Zustandsüberwachung des elektrischen Bauelements 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Auf der Leiterplatte 252 sind ein erstes elektrisches Bauelement 102 und ein zweites elektrisches Bauelement 202 angeordnet. Weiterhin ist an einem ersten Ort P(x1, y1 ) ein erstes Mikrofon 104', an einem zweiten Ort P(x2, y2 ) ein zweites Mikrofon 104" und an einem dritten Ort P(x3, y3 ) ein drittes Mikrofon 104''' angeordnet. Das erste Mikrofon 104' ist eingerichtet, ein erstes Schwingungssignal 108 zu erfassen, das zweite Mikrofon 104" ist eingerichtet, ein zweites Schwingungssignal 138 zu erfassen und das dritte Mikrofon 104''' ist eingerichtet, ein drittes Schwingungssignal 140 zu erfassen. Die Schwingungssignale sind hier nicht in der Figur dargestellt - die verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf 1 und sind hier der einfacheren Zuordnung halber auch angegeben.
  • Die Signale werden von einer nicht dargestellten Vorrichtung 100 zur Zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen Bauelement 102, 202 eingelesen und ausgewertet.
  • Die Analyseeinrichtung 112 ist ausgebildet, die zumindest drei Schwingungssignale 108, 138, 140 zu analysieren, um mittels Triangulation oder vergleichbarer Verfahren (angelehnt an die Geodäsie) zusätzlich eine Fehlerortinformation 142 bereitzustellen, die eine Information über das von dem Fehler betroffene elektrische Bauelement 102, 202 repräsentiert.
  • 3 zeigt das in 2 dargestellte System erweitert um eine Abdeckung 360. Dadurch ist auch die räumliche Anordnung der Mikrofone variierbar. Gleichzeitig filtert die Abdeckung eventuelle Störsignale (zumindest teilweise) heraus.
  • 4 zeigt ein vereinfachtes Systemschaltbild einer Vorrichtung 100 zur Zustandsüberwachung eines elektrischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 ist in einen Gleichspannungswandler (Abwärtswandler) integriert. Anhand des Systemschaltbilds wird deutlich, dass bereits vorhandene Infrastruktur mit genutzt werden kann und somit ein kostengünstiger Aufbau der Überwachungsfunktion möglich ist.
  • Der in 4 dargestellte Abwärtswandler verbindet den Hochvoltbereich (links dargestellt) mit dem Niederspannungsbereich (rechts dargestellt). Zur Spannungswandlung wird eine Spule 102 eingesetzt, welche mit einem Mikrofon 104 und einer Vorrichtung 100 zur Zustandsüberwachung, welche mittels eines DSP (Signalprozessor) 470 oder µC (Mikrocontroller) 470 realisiert ist, überwacht wird. Innerhalb des Signalprozessors 470 arbeitet ein als ein Programm oder ein Programmablaufplan implementierter Zustandsregler 472. Der Signalprozessors 470 verfügt über Sensoreingänge 474, über die das Sensorsignal 108 (Schwingungssignal 108) des Mikrofons 104 eingelesen wird. Teil des Signalprozessors 470 ist auch eine Signalanalyse 476.
  • 5 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zur Zustandsüberwachung eines elektrischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Im Kern umfasst das Verfahren einen Schritt S1 des Betreibens, einen Schritt S2 des Einlesens, einen Schritt S3 des Analysierens und einen Schritt S4 des Bereitstellens.
  • Optional wird das Verfahren in besonderen Ausführungsbeispielen erweitert um einen oder mehrere der folgenden Schritte: Schritt S5 des Bestimmens, Schritt S6 des Abschaltens, und/oder Schritt S7 des Erfassens.
  • Im Schritt S1 des Betreibens wird das elektrische Bauelement angesteuert. Im Schritt S2 des Einlesens wird zumindest ein Schwingungssignal eingelesen, welches dann im Schritt S3 unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift analysiert wird, um eine Zustandsinformation über zumindest ein elektrisches Bauelement zu erhalten. Aus der Zustandsinformation wird ein Fehlersignal erzeugt, welches im Schritt S4 des Bereitstellens bereitgestellt wird.
  • Im Schritt S5 des Bestimmens wird eine Frequenzabweichung bestimmt, die im Schritt S3 des Analysierens genutzt wird. Dabei wird die Frequenzabweichung gegen Grenzwerte überwacht. Die Grenzwerte können als eine Hüllkurve vorliegen.
  • Der Schritt S1 des Betreibens kann einen zusätzlichen Schritt des Variierens umfassen oder diese Funktionalität aufweisen, wobei eine Schaltfrequenz zum Betreiben des elektrischen Bauelements variiert wird oder auf das Signal zum Betreiben des elektrischen Bauelements ein Jitter-Signal überlagert wird. Optional kann somit auch ein optimaler Arbeitspunkt gefunden werden.
  • Im Schritt S6 des Abschaltens wird das zu überwachende elektrische Bauelement abgeschaltet, wenn im Schritt S3 des Analysierens ein Fehler oder eine einen Fehler repräsentierende Zustandsinformation diagnostiziert wird.
  • In einem Schritt S7 des Erfassens wird zumindest ein Schwingungssignal erfasst, welches im Schritt S2 des Einlesens dann eingelesen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Vorrichtung
    102
    elektrisches/elektronisches Bauelement
    104
    Mikrofon
    106
    akustisches Signal
    108
    Schwingungssignal
    110
    Schnittstelle zum Einlesen
    112
    Analyseeinrichtung
    114
    Ausgabeschnittstelle
    116
    Verarbeitungsvorschrift
    118
    Zustandsinformation
    120
    Fehlersignal
    121
    Einrichtung zum Bestimmen
    122
    Frequenzabweichung
    124
    Soll-Frequenzspektrum
    126
    Grenzwert / Grenzwertebereich
    127
    Steuerschnittstelle
    128
    Schaltfrequenz
    130
    Jitter-Signal
    132
    Arbeitspunkt
    134
    Schalldruckpegel
    136
    zusätzliches Signal
    138
    zweites Schwingungssignal
    140
    Drittes Schwingungssignal
    142
    Fehlerortinformation
    127
    Steuerschnittstelle
    146
    Abschalteinrichtung
    148
    Signalüberlagerungseinrichtung
    250
    Gesamtsystem
    252
    Leiterplatte (PCB)
    P (x1, y1)
    Erster Ort
    P (x2, y2)
    Zweiter Ort
    P (x3, y3)
    Dritter Ort
    360
    Abdeckung
    470
    DSP, µC (Mikrocontroller)
    472
    Zustandsregler, Programm, Programmablaufplan
    474
    Sensoreingänge
    476
    Signalanalyse
    S1
    Schritt des Betreibens
    S2
    Schritt des Einlesens
    S3
    Schritt des Analysierens
    S4
    Schritt des Bereitstellens
    S5
    Schritt des Bestimmens
    S6
    Schritt des Abschaltens
    S7
    Schritt des Erfassens
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2343960 A1 [0003]

Claims (16)

  1. Verfahren zur Zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen Bauelement (102) in einem Gesamtsystem mit den Schritten: - Betreiben (S1) des elektrischen Bauelements (102), - Einlesen (S2) eines Schwingungssignals (108), welches ein akustisches Signal (106) oder eine mechanische Schwingung, hervorgerufen durch das Betreiben des elektrischen Bauelements (102), repräsentiert; - Analysieren (S3) des Schwingungssignals (108) unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift (116), um eine Zustandsinformation (118) über das elektrische Bauelement (102) zu ermitteln; und - Bereitstellen (S4) eines Fehlersignals (120) unter Verwendung der Zustandsinformation (118).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsvorschrift (116) eine digitale Signalverarbeitung des Schwingungssignals (108) und/oder einen Vergleich mit zumindest einem Referenzsignal umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verarbeitungsvorschrift (116) eine Frequenzanalyse und/oder einen Vergleich mit zumindest einem Referenzsignal umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt (S5) des Bestimmens einer Frequenzabweichung (122) des Schwingungssignals (108) von einem Soll-Frequenzspektrum (124) als Zustandsinformation (118), wobei im Schritt (S3) des Bereitstellens das Fehlersignal (120) bereitgestellt wird, wenn die Frequenzabweichung (122) einen Grenzwert (126) oder einen Grenzwertebereich (126) übersteigt.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (S1) des Betreibens eine Schaltfrequenz (128), mit der das elektrische Bauelement (102) betrieben wird, während des Erfassens des im Schritt (S2) des Einlesens eingelesenen Schwingungssignals (108) variiert wird, und/oder im Schritt (S1) des Betreibens ein Jitter-Signal (130) auf die Schaltfrequenz (128) überlagert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem im Schritt (S3) des Analysierens ein optimaler Arbeitspunkt (132) für das elektrische Bauelement (102) bestimmt wird, in dem ein Schalldruckpegel (134) in Abhängigkeit zur Schaltfrequenz (128) bestimmt wird, wobei die Schaltfrequenz (128) bei einem Minimum des Schalldruckpegels (134) als optimaler Arbeitspunkt (132) bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt (S6) des Abschaltens, bei dem das zu überwachende elektrische Bauelement (102) abgeschaltet wird, wenn im Schritt (S3) des Analysierens ein Fehler oder eine einen Fehler repräsentierende Zustandsinformation diagnostiziert wird, um einen Schaden am Gesamtsystem zu vermeiden.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (S2) des Einlesens zumindest ein zusätzliches Signal (136) eingelesen wird, welches eine Information über einen Stromfluss und/oder eine Spannung und/oder eine Temperatur des zu überwachenden elektrischen Bauelements (102) repräsentiert, wobei im Schritt (S3) des Analysierens das Schwingungssignal (108) unter Verwendung des zumindest einen zusätzlichen Signals (136) analysiert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (S2) des Einlesens zumindest ein an einem zweiten Ort (P (x2, y2)) erfasstes zweites Schwingungssignal (138) und ein an einem dritten Ort (P (x3, y3)) erfasstes drittes Schwingungssignal (140) eingelesen werden, welche ein akustisches Signal oder einer mechanische Schwingung des elektrischen Bauelements (102) und/oder eines zweiten elektrischen Bauelements (202) und/oder eines dritten elektrischen Bauelements (202) repräsentieren, und im Schritt (S3) des Analysierens die zumindest drei Schwingungssignale (108, 138, 140) analysiert werden, um mittels Triangulation oder vergleichbarer (geodätischer) Verfahren zusätzlich eine Fehlerortinformation (142) bereitzustellen, die eine Information über das von dem Fehler betroffene elektrische Bauelement (102, 202) repräsentiert.
  10. Vorrichtung (100) zur Zustandsüberwachung von zumindest einem elektrischen Bauelement (102) eines Gesamtsystems mit: - einer Steuerschnittstelle (127) zum Betreiben des elektrischen Bauelements (102); - einer Schnittstelle (110) zum Einlesen eines Schwingungssignals (108), welches ein akustisches Signal (106) oder eine mechanische Schwingung, hervorgerufen durch das Betreiben des elektrischen Bauelements (102), repräsentiert; - einer Analyseeinrichtung (112), welche eingerichtet ist, das Schwingungssignal (108) unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift (116) zu analysieren, um eine Zustandsinformation (118) über das elektrische Bauelement (102) zu ermitteln; und - einer Ausgabeschnittstelle (114) zum Bereitstellen eines Fehlersignals (120) unter Verwendung der Zustandsinformation (118).
  11. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (121) zum Bestimmen, die ausgebildet ist, eine Frequenzabweichung (122) des Schwingungssignals (108) von einem Soll-Frequenzspektrum (124) zu bestimmen, wobei die Analyseeinrichtung (112) ausgebildet ist, die Zustandsinformation (118) unter Verwendung der Frequenzabweichung (122) zu bestimmen, insbesondere durch einen Vergleich der Frequenzabweichung (122) mit einem Grenzwert (126) oder einem Grenzwertebereich (126).
  12. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, bei der die Steuerschnittstelle (127) ausgebildet ist, eine das elektrische Bauelement (102) betreibende Schaltfrequenz (128) zu variieren und/oder die mit einem Jitter-Signal (130) überlagerte Schaltfrequenz (128) bereitzustellen.
  13. Vorrichtung (100) nach Anspruch 12, bei der die Analyseeinrichtung (112) ausgebildet ist, einen optimalen Arbeitspunkt (132) für das elektrische Bauelement (102) zu bestimmen, wobei die Analyseeinrichtung (112) weiterhin eingerichtet ist, einen Schalldruckpegel (134) in Abhängigkeit zur Schaltfrequenz (128) zu bestimmen, um die Schaltfrequenz (128) bei einem Minimum des Schalldruckpegels (134) als optimalen Arbeitspunkt (132) zu bestimmen.
  14. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, mit einer Abschalteinrichtung (146) zum Abschalten des zu überwachenden elektrischen Bauelements (102) in Abhängigkeit des von der Analyseeinrichtung (112) bereitgestellten Fehlersignals (120), um einen Schaden am Gesamtsystem zu vermeiden.
  15. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der die Schnittstelle (110) zum Einlesen ausgebildet ist, zumindest ein zusätzliches Signal (136) einzulesen, welches eine Information über einen Stromfluss und/oder eine Spannung und/oder eine Temperatur des zu überwachenden elektrischen Bauelements (102) repräsentiert, wobei die Analyseeinrichtung (112) ausgebildet ist, das Schwingungssignal (108) auch unter Verwendung des zumindest einen zusätzlichen Signals (136) zu analysieren.
  16. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei der die Schnittstelle (110) zum Einlesen dazu eingerichtet ist, zumindest ein an einem zweiten Ort erfasstes zweites Schwingungssignal (138) und ein an einem dritten Ort erfasstes drittes Schwingungssignal (140) einzulesen, welche jeweils ein akustisches Signal oder eine mechanische Schwingung des jeweiligen elektrischen Bauelements (102, 202) repräsentieren, und die Analyseeinrichtung (112) ausgebildet ist, die zumindest drei Schwingungssignale (108, 138, 140) zu analysieren, um mittels Triangulation oder vergleichbarer Verfahren zusätzlich eine Fehlerortinformation (142) bereitzustellen, die eine Information über die von dem Fehler betroffene elektrische Bauelement (102) repräsentiert.
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