DE102017109460A1

DE102017109460A1 - System und Verfahren zur Schwingungsmessung an einer Maschine

Info

Publication number: DE102017109460A1
Application number: DE102017109460.1A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Lysen
Original assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Current assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2018-11-08
Also published as: US20180321080A1; US10704952B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Schwingungsmessung an einer Maschine, mit einem Träger (14) zum Ansetzen an eine Messstelle (12) der Maschine, einem auf dem Träger angeordneten Sensor (16) zum Erfassen von Schwingungen, einer Anordnung (16, 22, 28, 30) zum Erfassen der elektromechanischen Impedanz des Sensors, sowie einer Überwachungseinrichtung (22, 24, 26) zum Überwachen der aktuellen Ankoppelung des Trägers an der Messstelle mittels Auswerten der erfassten elektromechanischen Impedanz. Die aktuelle Ankoppelung wird dabei aus der Differenz zwischen der aktuell erfassten elektromechanischen Impedanz und der für eine vorgegebene optimale Koppelung des Trägers an die Messstelle erfassten elektromechanischen Impedanz ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Schwingungsmessung an einer Maschine.
Schwingungsmessungen sind ein wesentlicher Aspekt bei der Zustandsüberwachung von Maschinen, wobei typischerweise eine Schwingungsmessvorrichtung mit einem Träger, der einen Schwingungssensor trägt, an eine Maschinenoberfläche eingesetzt wird. Für eine zuverlässige Schwingungsmessung ist es dabei wesentlich, dass eine gute mechanische Kopplung zwischen dem Träger des Schwingungssensors und der Maschinenoberfläche besteht. Eine relativ unsichere Kopplung kann beispielsweise vorliegen, wenn die Schwingungsmessvorrichtung manuell an die Maschine angedrückt wird oder mittels einer magnetischen Halteeinrichtung mithilfe von magnetischen Kräften an der Maschine gehalten wird. Dies gilt insbesondere, wenn die Maschinenoberfläche rau, uneben, lackiert und/oder mit Spänen, Staub oder Schmierfetten verunreinigt ist; im Falle einer magnetischen Halteeinrichtung kann auch eine unbekannte bzw. variable magnetische Permeabilität der Maschine im Bereich der Messstelle problematisch sein.
In der EP 2 209 110 A1 ist ein Vibrationssensor beschrieben, der induktiv arbeitet und eine Erregerspule aufweist, mittels welcher über den Sensor auch Schwingungen erzeugt werden können.
Schwingungssensoren, die mittels einer magnetischen Haltevorrichtung an der Maschinenoberfläche gehalten werden, sind beispielsweise aus der US 5,642,089 , DE 10 2014 217 706 A1 oder DE 101 06 060 A1 bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Schwingungsmessung an einer Maschine mit einem Träger zum Ansetzen an die Messstelle der Maschine und einem auf dem Träger angeordneten Schwingungssensor zu schaffen, wobei eine besonders zuverlässige Schwingungsmessung ermöglicht werden sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 14.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist vorteilhaft, dass dadurch, dass die komplexe elektromechanische Impedanz des Schwingungssensors erfasst wird und die aktuelle Ankopplung des Trägers an die Messstelle der Maschine aus der Differenz zwischen der aktuell erfassen elektromechanischen Impedanz und der für eine vorgegebene optimale Kopplung des Trägers an die Messstelle erfassten elektromechanischen Impedanz ermittelt wird, eine Überwachung der aktuellen Ankopplung realisiert wird, welche es erlaubt, die Qualität der Schwingungsmessung zu beurteilen bzw. aufgrund einer ungenügenden Ankopplung fehlerhafte Schwingungsmessungen zu vermeiden.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im Folgenden werden Ausgestaltungen der Erfindung beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert, wobei die einzige Figur schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Schwingungsmesssystems zeigt.
In der einzigen Figur ist eine an eine Maschinenoberfläche 12 anzusetzende und ein System bildende Schwingungsmessvorrichtung 10 gezeigt, die einen Träger 14 aufweist, auf dem ein elektromechanischer Schwingungssensor 16 (typischerweise mit piezo-elektrischem Wandler) angeordnet ist. Der Träger 14 kann eine magnetische Halteeinrichtung 18 zum Halten des Trägers 14 der Messstelle bzw. der Maschinenoberfläche 12 mittels magnetischen Kräften aufweisen. Ferner weist die Schwingungsmessvorrichtung 10 eine Eingabeeinrichtung 20 zur Daten- und Befehlseingabe, eine Datenverarbeitungseinrichtung 22, die sowohl zum Verarbeiten der von dem Schwingungssensor 16 gelieferten Daten als auch als Steuergerät für die Messvorrichtung 10 wirken kann, eine Ausgabeeinrichtung 24 zum Ausgeben von Messergebnissen sowie einen Datenspeicher 26 auf.
Ferner ist die Messvorrichtung 10 so ausgebildet, dass sie die elektromechanische Impedanz des Sensors 16 erfassen kann und die aktuelle Ankopplung des Trägers 14 an die Maschinenoberfläche 12 aus der Differenz zwischen der aktuell erfassten elektromechanischen Impedanz des Sensors 16 und der für eine vorgegebene optimale Kopplung des Trägers 14 an die Maschinenoberfläche 12 erfassten elektromechanischen Impedanz ermitteln kann. Dabei kann der Datenspeicher 26 zum Abspeichern der für eine vorgegebene optimale Kopplung des Trägers 14 an die Maschinenoberfläche 12 erfassten elektromechanischen Impedanz verwendet werden. Bei der Ermittlung der elektromechanischen Impedanz für die optimale Kopplung des Trägers 14 an die Maschinenoberfläche 12 werden möglichst genau definierte Messbedingungen geschaffen, indem der Träger 14 an eine definierte möglichst glatte und saubere Oberfläche angesetzt wird, wobei vorher auch die Oberfläche des Trägers 14 entsprechend gereinigt wird. Dabei sollte auch die Anpresskraft bzw. Haltekraft des Trägers 14 an der Maschinenoberfläche möglichst genau erfasst bzw. kontrolliert werden, um einen möglichst verlässlichen Referenzwert für die elektromechanische Impedanz des Sensors 16 bei optimaler Ankopplung zu erhalten.
Mit „elektromechanischer Impedanz“ ist hier gemeint, dass sich Änderungen der mechanischen Ankoppelung des Sensors 16 an die Maschine in Änderungen der elektrischen Impedanz des Sensors 16 niederschlagen, d.h. die elektrische Impedanz des mechanisch gekoppelten Sensors 16 wird unter Schwingungsanregung als Funktion der Frequenz ermittelt, um Informationen bzgl. der mechanischen Koppelung zu erhalten. Tatsächlich gemessen wird also die elektrische Impedanz des Sensors / Wandlers 16.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel kann die elektromechanische Impedanz dadurch erfasst werden, dass der Schwingungssensor 16 über einen Treiber 28 von der Datenverarbeitungs-/Steuereinrichtung 22 auch als Erreger für die Impedanzmessung verwendet wird, wobei der elektromechanische Wandler (typischerweise ein piezoelektrischer Wandler) des Sensors 16 einen möglichst hohen elektromechanischen Koppelfaktor haben sollte.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Erreger als vom Sensor 16 getrenntes Element 30 vorgesehen sein, Die Antwort des Systems auf die Erregung wird in beiden Fällen durch den Schwingungssensor 16 erfasst.
Da die in der Schwingungsmessvorrichtung 10 gemessene elektromechanische Impedanz von der Ankopplung des Trägers 14 an die Maschinenoberfläche 12 abhängt, kann durch Erfassen der aktuellen elektromechanischen Impedanz die aktuelle Ankopplung abgeschätzt bzw. bestimmt werden, zumindest im Vergleich zu der vorher ermittelten optimalen Ankopplung. Bei der Erfassung der elektromechanischen Impedanz kann angenommen werden, dass die Masse der Maschine wesentlich größer als die Masse des Schwingungssensors 16 ist.
Die Ausgabeeinrichtung 24 kann verwendet werden, um nicht nur Ergebnisse von Schwingungsmessungen auszugeben, sondern auch um Informationen zur aktuellen Ankopplung auszugeben, so dass der Nutzer beispielsweise die Messvorrichtung 10 bei aktuell schlechter Ankopplung neu ansetzen oder gleich ganz auf eine Schwingungsmessung verzichten kann bzw. das Ergebnis einer Schwingungsmessung bei schlechter Ankopplung verwerfen kann. Dabei kann die aktuelle Ankopplung als skalarer Qualitätsindikator, beispielsweise mit einem Wert zwischen 0 und 1, über die Ausgabeeinrichtung 24 ausgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Warnsignal ausgegeben werden, wenn die ermittelte aktuelle Ankopplung unterhalb einer festgelegten Schwelle liegt. Beispielsweise kann die Ermittlung der aktuellen Ankopplung auch dazu verwendet werden, um festzustellen, ob die Messvorrichtung 10 momentan an eine Maschine bzw. Messstelle angesetzt ist oder nicht.
Zusätzlich oder alternativ zur Ausgabe über die Ausgabeeinrichtung 24 kann die ermittelte aktuelle Ankopplung im Datenspeicher 26 abgespeichert werden. Insbesondere kann dabei die ermittelte aktuelle Ankopplung zusammen mit dem Ergebnis der entsprechenden Schwingungsmessung abgespeichert werden. Ferner kann die aktuelle Ankopplung auch dazu verwendet werden, um die Ergebnisse einer entsprechenden Schwingungsmessung anhand der ermittelten entsprechenden aktuellen Ankopplung zu korrigieren; beispielsweise kann die gemessene Schwingungsamplitude durch Korrektur erhöht werden, wenn eine relativ schlechte Ankopplung festgestellt wird bzw. der ermittelte Frequenzgang der aktuellen Koppelung kann berücksichtigt werden, um die die gemessene Schwingungsamplitude hinsichtlich der Koppelung zu korrigieren. Es kann auch allgemein ein Modell der Koppelung bzw. Schwingungsübertragung mit Parametern gebildet werden, deren Werte mithilfe der Bestimmung der elektromechanischen Impedanz empirisch ermittelt werden und dann bei der Korrektur der gemessenen Schwingungen verwendet werden.
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 2209110 A1 [0003]
US 5642089 [0004]
DE 102014217706 A1 [0004]
DE 10106060 A1 [0004]

Claims

System zur Schwingungsmessung an einer Maschine, mit einem Träger (14) zum Ansetzen an eine Messstelle (12) der Maschine, und einem auf dem Träger angeordneten Sensor (16) zum Erfassen von Schwingungen, gekennzeichnet durch eine Anordnung (16, 22, 28, 30) zum Erfassen der elektromechanischen Impedanz des Sensors sowie eine Überwachungseinrichtung (22, 24, 26) zum Überwachen der aktuellen Ankoppelung des Trägers an der Messstelle mittels Auswerten der erfassten elektromechanischen Impedanz, wobei die aktuelle Ankoppelung aus der Differenz zwischen der aktuell erfassten elektromechanischen Impedanz und der für eine vorgegebene optimale Koppelung des Trägers an die Messstelle erfassten elektromechanischen Impedanz ermittelt wird.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) eine Speichereinrichtung (26) zum Abspeichern der für eine vorgegebene optimale Koppelung des Trägers (14) an die Messstelle (12) erfassten elektromechanischen Impedanz aufweist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) eine Ausgabeeinrichtung (24) aufweist, um Ergebnisse der Überwachungseinrichtung (22, 24, 26) an einen Nutzer auszugeben.
System gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (22, 24, 26) ausgebildet ist, um die aktuelle Ankoppelung als skalaren Qualitätsindikator über die Ausgabeeinrichtung (24) auszugeben.
System gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (22, 24, 26) ausgebildet ist, um die aktuelle Ankoppelung als Qualitätsindikator mit einem Wert zwischen 0 und 1 über die Ausgabeeinrichtung (24) auszugeben.
System gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinrichtung (24) ausgebildet ist, um ein Warnsignal auszugeben, wenn die von der Überwachungseinrichtung (22, 24, 26) ermittelte aktuelle Ankopplung unterhalb einer festgelegten Schwelle liegt.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist, um die von der Überwachungseinrichtung (22, 24, 26) ermittelte aktuelle Ankoppelung abzuspeichern.
System gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist, um die von der Überwachungseinrichtung (22, 24, 26) ermittelte aktuelle Ankoppelung zusammen mit dem Ergebnis der entsprechenden Schwingungsmessung abzuspeichern.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (22, 24, 26) ausgebildet ist, um die Ergebnisse der Schwingungsmessung anhand der von der Überwachungseinrichtung ermittelten entsprechenden aktuellen Ankoppelung zu korrigieren.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (16, 22, 28) zum Erfassen der elektromechanischen Impedanz des Sensors einen Treiber (28) aufweist, um den Sensor (16) als Erreger zu verwenden.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (16, 22, 28, 30) zum Erfassen der elektromechanischen Impedanz des Sensors einen von dem Sensor (16) getrennten Erreger (30) aufweist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine magnetische Halteeinrichtung (18) zum Halten des Trägers (14) an der Messstelle (12) mittels Magnetkraft aufweist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (22, 24, 26) ausgebildet ist, um aus der aktuell erfassten Impedanz zu erkennen, ob der Träger (14) aktuell an eine Messstelle (12) angesetzt ist oder nicht.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schwingungssensor (16) um einen Piezo-Sensor handelt.
Verfahren zur Schwingungsmessung an einer Maschine, wobei: ein Schwingungssensor mit einem Träger (14) an eine Messstelle (12) der Maschine angesetzt wird; die elektromechanische Impedanz des Sensors erfasst wird; und die aktuelle Ankoppelung des Trägers an der Messstelle mittels Auswerten der erfassten elektromechanischen Impedanz überwacht wird, wobei die aktuelle Ankoppelung aus der Differenz zwischen der aktuell erfassten elektromechanischen Impedanz und der für eine vorgegebene optimale Koppelung des Trägers an die Messstelle erfassten elektromechanischen Impedanz ermittelt wird.