DE102018104516A1

DE102018104516A1 - System zur Überwachung von Gebläseschwingungen

Info

Publication number: DE102018104516A1
Application number: DE102018104516.6A
Authority: DE
Inventors: Cong Li; Xiao Zhang; Jiangou Yin; Zhiqiang Sui; Shouren Wang; Peiquan Guo; Lizhe Guan
Original assignee: Shandong Roltec Blower Co Ltd
Current assignee: Shandong Roltec Blower Co Ltd
Priority date: 2017-05-27
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2018-11-29
Also published as: CN106969825A; CN106969825B

Abstract

Das erfindungsgemäße System zur Überwachung von Gebläseschwingungen umfasst zumindest ein Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmodul, zumindest ein Wirbelstromsonde-Erfassungsmodul, ein Speichermodul, eine Bezugsspannungsschaltung und ein Steuermodul. Das Steuermodul umfasst einen Steuerchip STM32F047 und dessen Peripherieschaltung. Das Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmodul ist mit dem Eingang eines Multiplexers verbunden, während das Wirbelstromsonde-Erfassungsmodul sowohl mit dem Ausgang einer Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung als auch mit dem Eingang des Multiplexers verbunden ist. Der Eingang der Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung ist mit dem PWM-Ausgangsport des Steuerchips verbunden. Der Ausgang des Multiplexers ist über eine Differenzverstärkerschaltung mit dem Eingang eines Schaltmoduls verbunden, dessen Ausgang sowohl mit dem Eingang eines Niederfrequenzfiltermoduls als auch mit dem Eingang eines Hochfrequenzfiltermoduls verbunden ist, wobei der Ausgang des Niederfrequenzfiltermoduls und der Ausgang des Hochfrequenzfiltermoduls mit einem A/D-Port des Steuerchips verbunden sind. Dieses System wird auf der Grundlage eines digitalen Hochleistungssteuergeräts betrieben und ermöglicht eine Echtzeit-Messung von Schwingungsparametern der Lager und der Drehwelle eines Gebläses während dessen Betriebs.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Überwachung von Gebläsezuständen, insbesondere auf ein System zur Überwachung von Gebläseschwingungen.
Technischer Hintergrund
Das Gebläse findet als rotierende Maschine breite Anwendung in der Metallurgie, Chemieindustrie, Elektrizitätswirtschaft usw. Die in der Regel hohe Drehzahl eines Gebläses kann starke Schwingungen und große Geräusche hervorrufen und zudem leicht zum Fehlschlagen des Gebläses führen. Ein nicht rechtzeitig beseitigter Fehler kann nicht nur zum Betriebsausfall des Gebläses führen. Im schlimmsten Fall sind sogar eine Zerstörung der Maschine und Verluste an Menschenleben zu erwarten. So stellt das Gebläse z.B. in der Kohlen- und Elektroindustrie, bei der es sich um ein kontinuierliches Produktionssystem handelt, eine Schlüsselausrüstung der Gesamtanlage dar, so dass der planmäßige Betrieb der gesamten Anlage gestört würde, wenn das Gebläse wegen eines schwingungsbedingten Fehlers nicht weiter betrieben werden kann. Daraus ergeben sich große wirtschaftliche Verluste und manchmal auch noch eine enorme Bedrohung der Sicherheit der Personen in der Nähe.
Die Gründe für den schwingungsbedingten Ausfall eines Gebläses sind vielfältig. Als gewöhnliche Ursachen sind insbesondere (1) Unwucht des Flügelrads, (2) Fehlausrichtung der Kupplung, (3) unzureichende Grund- und Verbindungssteifigkeit und (4) überdimensioniertes Wälzlagerspiel zu nennen. Statistiken zufolge äußern sich mehr als 70% der mechanischen Fehler in Schwingungen. Daher ist es notwendig, ein Gebläse auf Schwingungen zu überwachen, die Ursache für die erfasste Schwingung anhand deren Zustände und Merkmale zu analysieren und diagnostizieren und bei Kenntnis der Ursache eine entsprechende Warnung auszugeben.
Als Schwingungssensor zur Gebläsemessung werden zurzeit häufig berührungslose Wirbelstromsensoren und Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren eingesetzt, wobei mit dem Wirbelstromsensor üblicherweise eine Schwingung der Drehwelle und mit dem Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensor die Schwingung eines Lagers gemessen wird.
Ein Wirbelstromsensor besteht aus einer Sonde und einem sogenannten Proximitor, der u.a. einen Oszillator, eine Rückkopplungsschaltung und eine Detektionsschaltung umfasst und zur Umwandlung einer Verschiebung in eine relativ lineare Analogausgabe dient. Dabei benötigt die Signalverarbeitung entsprechende Sekundärinstrumente oder Funktionsmodule, so dass eine mit einem derartigen Sensor an einem einzigen Punkt durchgeführte Schwingungsmessung insgesamt Tausende CNY kostet.
Zur Messung von Gebläseschwingungen wird normalerweise ein piezoelektrischer Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensor verwendet, der ebenfalls aus einer Sonde und einem Proximitor besteht, wobei die Sonde ein Dehnungsmessstreifen oder eine Piezokeramik ist und der Proximitor zur Signalverarbeitung dient. Ein derartiger Sensor ist auch zu einem Preis von bis zu 1000 CNY erhältlich. Hinzu kommt, dass der Proximitor je nach Geschwindigkeit oder Beschleunigung unterschiedlich betrieben wird.
Zur Gewährleistung der Produktionssicherheit wird derzeit in der Regel an mindestens fünf Stellen eines mittelgroßen bis großen Gebläses, nämlich dem Motorlager, dem antriebsseitigen Lager, dem nicht-antriebsseitigen Lager, dem Grundträger des Lagergehäuses und dem Stützgestell des Grundträgers, gemessen, um die Stelle, an der eine Schwingung auftritt, festzustellen und die Art der Schwingung und die Ursache dafür zu analysieren. Beim Betrieb des Gebläses wird ein Effektivwert der radialen Schwingungsgeschwindigkeit an den fünf Messstellen mittels Schwingungsmessgeräte gemessen. Dabei kommen ein Wirbelstromsensor und ein Beschleunigungssensor zum Einsatz, um mit dem Wirbelstromsensor eine Schwingung der Drehwelle und mit dem Beschleunigungssensor eine Schwingung des jeweiligen Lagers zu messen. Dies führt zu hohen Gebrauchskosten und macht eine allgemeine Umsetzung bei kleinen und mittelständischen Unternehmen unmöglich.
Offenbarung der Erfindung
Um die oben erwähnten Probleme zu beheben, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und leicht bedienbares System zur Überwachung von Gebläseschwingungen anzubieten, das auf ein digitales Hochleistungssteuergerät zurückgreift, um mit Hilfe eines A/D-Wandlers zur schnellen Abtastung und eines PWM-Impulssignalgebers innerhalb des digitalen Hochleistungssteuergeräts in Kombination mit peripheren analogen Elektronikschaltungen beim Betrieb eines Gebläses die Schwingungsparameter der Lager und der Drehwelle des Gebläses in Echtzeit zu messen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung folgende Ausgestaltungen vor:
Ein System zur Überwachung von Gebläseschwingungen umfasst zumindest ein Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmodul, zumindest ein Wirbelstromsonde-Erfassungsmodul, einen Multiplexer, eine Differenzverstärkerschaltung, ein Schaltmodul, ein Niederfrequenzfiltermodul, ein Hochfrequenzfiltermodul, eine Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung, ein Speichermodul, eine Bezugsspannungsschaltung und ein Steuermodul. Das Steuermodul umfasst einen Steuerchip STM32F047 und dessen Peripherieschaltung. Mit der Bezugsspannungsschaltung wird eine Bezugsspannung bereitgestellt. Das Speichermodul ist elektrisch mit dem Steuermodul verbunden. Das Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmodul ist mit dem Eingang des Multiplexers verbunden, während das Wirbelstromsonde-Erfassungsmodul sowohl mit dem Ausgang der Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung als auch mit dem Eingang des Multiplexers verbunden ist. Der Eingang der Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung ist mit dem PWM-Ausgangsport des Steuerchips verbunden. Der Ausgang des Multiplexers ist über die Differenzverstärkerschaltung mit dem Eingang des Schaltmoduls verbunden, dessen Ausgang sowohl mit dem Eingang des Niederfrequenzfiltermoduls als auch mit dem Eingang des Hochfrequenzfiltermoduls verbunden ist, wobei der Ausgang des Niederfrequenzfiltermoduls und der Ausgang des Hochfrequenzfiltermoduls jeweils mit einem A/D-Port des Steuerchips verbunden sind. Hingegen sind der Multiplexer und das Schaltmodul jeweils mit einem I/O-Ausgangsport des Steuerchips verbunden.
Weiter ist vorgesehen, dass das Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmodul einen Kombinationssensor und eine Spannungsregler- und Spannungsteiler-Differentialschaltung umfasst, wobei die Spannungsregler- und Spannungsteiler-Differentialschaltung an ihrem Eingang mit dem Kombinationssensor und dem Ausgang der Bezugsspannungsschaltung und an ihrem Ausgang mit dem Eingangsport des Multiplexers verbunden ist.
Weiter ist vorgesehen, dass das Wirbelstromsonde-Erfassungsmodul einen Kombinationssensor, eine Filterschaltung und eine LC-Oszillatorschaltung umfasst, wobei der Kombinationssensor über die Filterschaltung mit dem Eingangsport des Multiplexers und über die LC-Oszillatorschaltung mit dem Ausgangsport der Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung verbunden ist.
Weiter ist vorgesehen, dass die Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung eine Filter- und Verstärkerschaltung und eine Amplitudeneinstellungsschaltung umfasst, wobei die Filter- und Verstärkerschaltung eine Triode Q2 und die Amplitudeneinstellungsschaltung einen Schiebewiderstand R17 umfasst. Dabei ist die Basis der Triode Q2 mit dem PWM-Port des Steuerchips verbunden und über einen Widerstand R18 geerdet, während der Kollektor der Triode Q2 über eine Kapazität C19 mit der LC-Oszillatorschaltung und zudem mit einem Ende einer Kapazität C14 und einem Ende einer Induktivität L3 verbunden ist, wobei sowohl die Kapazität C14 als auch die Induktivität L3 mit ihrem anderen Ende an VCC angeschlossen sind. Darüber hinaus ist der Emitter der Triode Q2 über den Schiebewiderstand R17 geerdet.
Weiter ist vorgesehen, dass der Kombinationssensor einen Sensorkörper umfasst. Bei dem Messende des Sensorkörpers handelt es sich um eine nach oben offene Kammerstruktur, wobei an der Öffnung eine mit einer Abgangsöffnung versehene obere Abdeckung angeordnet ist. Innerhalb der Kammer befinden sich ein erstes Trennblech und ein zweites Trennblech, welche parallel zueinander angeordnet sind, wobei an der Oberseite des ersten Trennbleches ein Dehnungsmessstreifen angebracht ist. Zwischen dem ersten Trennblech und dem zweiten Trennblech befindet sich ein Gewicht, das über eine erste Feder mit der Unterseite des ersten Trennbleches und über eine zweite Feder mit der Oberseite des zweiten Trennbleches fest verbunden ist. An dem Messende ist ein hohles Verlängerungsrohr fest angeschlossen, wobei an der dem Messende zugewandten Außenwand des Verlängerungsrohrs eine Befestigungsmutter und ein Befestigungsgewinde vorgesehen sind, während am unteren Ende des Verlängerungsrohrs eine Sonde fest angeschlossen ist. Innerhalb des Sensors sind zwei Leiter angeordnet, wobei der eine Leiter an beiden Enden jeweils mit dem Dehnungsmessstreifen bzw. der Abgangsöffnung verbunden ist, während der andere Leiter an beiden Enden jeweils mit der Sonde bzw. der Abgangsöffnung verbunden ist.
Weiter ist vorgesehen, dass der Multiplexer einen Chip U4 in Form eines CD4052-Chips umfasst, wobei sowohl der sechste Pin als auch der achte Pin des Chips U4 geerdet sind. Überdies ist der sechzehnte Pin des Chips U4 an einer +5V-Gleichspannung angeschlossen, während der dritte und der dreizehnte Pin des Chips U4 mit einer Differenzverstärkerschaltung verbunden sind. Weiters ist der siebte Pin des Chips U4 an einer -5V-Spannung angeschlossen und zudem mit dem Minuspol einer polaren Kapazität C37 und einem Ende einer Kapazität C38 verbunden, wobei der Pluspol der polaren Kapazität C37 und das andere Ende der Kapazität C38 jeweils geerdet sind.
Weiter ist vorgesehen, dass die Differenzverstärkerschaltung einen Chip U5 in Form eines Differenzverstärkers AD620 umfasst, wobei zwischen dem ersten Pin und dem achten Pin des Chips U5 ein Widerstand geschaltet ist. Der dritte Pin des Chips U5 ist über eine Kapazität C30 geerdet und zudem mit dem dritten Pin des Chips U4 verbunden. Hingegen ist der zweite Pin des Chips U5 über eine Kapazität C41 geerdet und zudem mit dem dreizehnten Pin des Chips U4 verbunden. Der vierte Pin des Chips U5 ist einerseits an einer -5V-Spannung angeschlossen und andererseits mit einem Ende einer Kapazität C35 und dem Minuspol einer polaren Kapazität C42 verbunden, während das andere Ende der Kapazität C35, der Pluspol der polaren Kapazität C42 und der fünfte Pin des Chips U5 jeweils geerdet sind. Zusätzlich hierzu ist der sechste Pin des Chips U5 mit dem Schaltmodul verbunden, während der siebte Pin des Chips U5 mit dem Pluspol einer polaren Kapazität C29, einer +5V-Spannung und einem Ende einer Kapazität C28 verbunden ist, wobei sowohl der Minuspol der polaren Kapazität C29 als auch das andere Ende der Kapazität C28 geerdet sind.
Weiter ist vorgesehen, dass das Schaltmodul einen Chip U9 in Form eines ADG619-Chips umfasst, wobei der erste Pin des Chips U9 mit einem Ende einer Kapazität C48 und einem Ende eines Widerstands R42 verbunden ist, während das andere Ende des Widerstands R42, das andere Ende der Kapazität C48 sowie der fünfte und der dritte Pin des Chips U9 jeweils geerdet sind. Außerdem ist der sechste Pin des Chips U9 mit dem I/O-Port des Steuerchips verbunden, während der vierte Pin des Chips U9 an VCC angeschlossen und zudem über eine Kapazität C44 geerdet ist. Des Weiteren ist der siebte Pin des Chips U9 an VCC angeschlossen und zudem über eine Kapazität C49 geerdet, während der achte Pin des Chips U9 mit dem Niederfrequenzfiltermodul und der zweite Pin des Chips U9 mit dem Hochfrequenzfiltermodul verbunden ist.
Weiter ist vorgesehen, dass das Niederfrequenzfiltermodul einen Niederfrequenzfilter und eine Filter-, Integrations- und Verstärkerschaltung umfasst, wobei der Niederfrequenzfilter einen Chip U6 in Form eines Operationsverstärkers LT1057 und die Filter-, Integrations- und Verstärkerschaltung einen Chip U7 in Form eines Operationsverstärkers MAX4416 umfasst.
Dabei ist der zweite Pin des Chips U6 mit einem Ende eines Widerstands R26 und einem Ende eines Widerstands R27 verbunden, wobei das andere Ende des Widerstands R26 geerdet und das andere Ende des Widerstands R27 mit dem ersten Pin des Chips U6 verbunden ist. Der dritte Pin des Chips U6 ist mit einem Ende einer Kapazität C40 und einem Ende eines Widerstands R30 verbunden, während das andere Ende der Kapazität C40 mit dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende des Widerstands R30 mit einem Ende einer Kapazität C39 und einem Ende eines Widerstands R33 verbunden ist, wobei das andere Ende der Kapazität C39 mit dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende des Widerstands R33 mit dem Schaltmodul verbunden ist.
Ferner ist der zweite Pin des Chips U7 mit einem Ende eines Widerstands R28 und einem Ende einer Kapazität C34 verbunden, während das eine Ende des Widerstands R28 mit einem Ende einer Kapazität C31 und dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende der Kapazität C31 mit dem anderen Ende der Kapazität C34, einem Ende eines Widerstands R32 und einem Ende eines Widerstands R29 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstands R32 mit dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende des Widerstands R29 mit dem ersten Pin des Chips U6 verbunden ist. Darüber hinaus ist der achte Pin des Chips U7 an einer +5V-Spannung angeschlossen und zudem mit dem Pluspol einer polaren Kapazität C33 und einem Ende einer Kapazität C32 verbunden, wobei sowohl der Minuspol der polaren Kapazität C33 als auch das andere Ende der Kapazität C32 mit dem ersten Pin des Chips U7 verbunden sind. Hingegen ist der vierte Pin des Chips U7 an einer -5V-Spannung angeschlossen und zudem mit einem Einde einer Kapazität C36 und dem Minuspol einer polaren Kapazität C43 verbunden, wobei sowohl das andere Ende der Kapazität C36 als auch der Pluspol der polaren Kapazität C43 mit dem ersten Pin des Chips U7 verbunden sind. Der erste Pin des Chips U7 ist wiederum mit dem A/D-Port des Steuerchips verbunden.
Weiter ist vorgesehen, dass das Hochfrequenzfiltermodul eine Hochfrequenzfilterschaltung und einen aktiven Vollwellengleichrichtungsfilter umfasst, wobei die Hochfrequenzfilterschaltung einen Chip U8 in Form eines Operationsverstärkers LT1057 und der aktive Vollwellengleichrichtungsfilter einen Chip U10 und einen Chip U11 jeweils in Form eines Operationsverstärkers LT1057 umfasst.
Dabei ist der zweite Pin des Chips U8 mit einem Ende eines Widerstands R35 und einem Ende eines Widerstands R36 verbunden, wobei das andere Ende des Widerstands R35 geerdet und das andere Ende des Widerstands R36 mit dem ersten Pin des Chips U8 verbunden ist. Der dritte Pin des Chips U8 ist mit einem Ende einer Kapazität C46 und einem Ende eines Widerstands R41 verbunden, während das andere Ende der Kapazität C46 mit einem Ende eines Widerstands R40 und einem Ende einer Kapazität C45 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstands R40 mit dem ersten Pin des Chips U8, das andere Ende der Kapazität C45 mit dem Schaltmodul verbunden und das andere Ende des Widerstands R41 geerdet ist.
Der dritte Pin des Chips U11 ist über einen Widerstand R44 geerdet. Der zweite Pin des Chips U8 ist mit dem Minuspol einer Diode D2, einem Ende eines Widerstands R38 und einem Ende eines Widerstands R39 verbunden, während der Pluspol der Diode D2 mit dem ersten Pin des Chips U11 und dem Minuspol einer Diode D3, das andere Ende des Widerstands R38 mit dem ersten Pin des Chips U8 und einem Ende eines Widerstands R37, das andere Ende des Widerstands R37 mit einem Ende eines Widerstands R34, einem Ende einer Kapazität C47 und dem zweiten Pin des Chips U10 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstands R34 und das andere Ende der Kapazität C47 jeweils mit dem ersten Pin des Chips U10 verbunden sind und das andere Ende des Widerstands R39 mit dem Pluspol der Diode D3 und einem Ende eines Widerstands R43 verbunden ist, während das andere Ende des Widerstands R43 mit dem zweiten Pin des Chips U10 verbunden ist. Der dritte Pin des Chips U10 ist über einen Widerstand R45 geerdet. Der erste Pin des Chips U10 ist mit dem Pluspol einer polaren Kapazität C48 und dem A/D-Port des Steuerchips verbunden, wobei der Minuspol der polaren Kapazität C48 geerdet ist.
Die Erfindung bietet folgende Vorteile:

1. Es wurde ein einen Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensor und einen Wirbelstromsensor in sich vereinender Schwingungssensor, also sogenannter Kombinationssensor, geschaffen, der einfach aufgebaut, kostengünstig und leicht zu montieren ist. Mit einem derartigen Sensor lassen sich an einer einzigen Messstelle die Schwingungsgeschwindigkeit oder -beschleunigung eines Lagers sowie die Schwingungsamplitude und -frequenz des Lagers oder deren spektrale Eigenschaften erfassen, was zur Reduzierung der Anzahl sowohl der Messstellen als auch der Sensoren beiträgt.
2. Die Gesamtschaltung zeichnet sich durch einfache Gestaltung, geringe Kosten und hohe Digitalisierung und Intellektualisierung aus. Mit einem aus dem Steuerchip und der Schaltung in Kombination mit einer gewöhnlichen Peripherieschaltung bestehenden Instrument bzw. Funktionsmodul können digitale Anzeige, Datenübertragung und intelligente Steuerung realisiert werden, um die Sicherheit eines Gebläses und dessen hohe Betriebsleistung zu gewährleisten.

Figurenliste
Es zeigen

1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Kombinationssensors;
2 eine Einbauzeichnung eines erfindungsgemäßen Kombinationssensors;
3 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems;
4 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Steuermoduls;
5 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Bezugsspannungsschaltung;
6 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Speichermoduls;
7 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmoduls;
8 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Wirbelstromsonde-Erfassungsmoduls;
9 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung;
10 eine Prinzipdarstellung eines Multiplexers und einer Differenzverstärkerschaltung gemäß der Erfindung;
11 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltmoduls;
12 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Niederfrequenzfiltermoduls;
13 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzfiltermoduls;
14 in schematischer Darstellung zwei Schwingungskurven eines Wirbelstromsensors;
15 eine schematische Darstellung einer Schwingungskurve eines Geschwindigkeitssensors.

In 1 wird mit 1 eine obere Abdeckung, mit 2 ein Dehnungsmessstreifen, mit 3 ein erstes Trennblech, mit 4 ein Gewicht, mit 5 eine erste Feder, mit 6 eine zweite Feder, mit 7 ein zweites Trennblech, mit 8 eine Befestigungsmutter, mit 9 ein Befestigungsgewinde, mit 10 ein Verlängerungsrohr, mit 11 eine Sonde und mit 12 eine Abgangsöffnung bezeichnet;
In 2 wird mit 13 ein Sensorkörper, mit 14 eine Lagerschale und mit 15 eine Drehwelle bezeichnet.
Konkrete Ausführungsformen
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird deren Realisierungsprinzip nachstehend anhand konkreter Strukturen näher beschrieben.
Laut dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion wird innerhalb eines metallischen Leiters, wenn dieser in ein magnetisches Wechselfeld eingebracht wird, ein wirbelnder Strom induziert, der als Wirbelstrom bezeichnet wird. Diese Erscheinung wird als Wirbelstromeffekt bezeichnet, nach dem ein Wirbelstromsensor funktioniert. Beim Einschalten einer Stromversorgung des Sensorsystems wird innerhalb des Proximitors ein Hochfrequenzsignal erzeugt, das über ein Kabel an den Kopf der Sonde übertragen wird und in der Umgebung des Kopfs ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Werden die Amplitude und die Phasenlage des Hochfrequenzstroms in der Spule des Kopfs der Sonde geändert, so ändert sich auch die wirksame Impedanz der Spule. Bei gewöhnlichen Wirbelstromsensoren wird mit Hilfe hochgenauer und hochstabiler Quarzkristalle ein hochfrequentes 1MHz-Signal mit stabiler Frequenz bereitgestellt, um einen aus einer Spule L und einer Kapazität C des Sensors bestehenden Parallelschwingkreis anzuregen, wobei die Signalamplitudenänderung durch den Proximitor in ein Gleichstromsignal umgewandelt wird.
Demzufolge wird erfindungsgemäß ein digitales Hochleistungssignalsteuergerät verwendet, um ein genaueres und stabileres Hochfrequenz-1MHz-Signal als bei herkömmlichen Verfahren zu erzeugen. Aus diesem Signal ergeben sich durch eine Verstärkung und eine Hochfrequenz- und Niederfrequenzfilterung wiederum zwei Signale, nämlich eine statische Amplitude und eine dynamische Wellenformkurve. Die beiden Signale können von einem analogen A/D-Wandler des digitales Signalsteuergeräts abgetastet werden, um durch eine Verarbeitung mittels Algorithmen statische Verschiebungen, Schwingungsamplituden, Schwingungsfrequenzen und spektrale Eigenschaften der Schwingungen zu ermitteln.
Um die vorgenannten Funktionen zu erzielen, schlägt die Erfindung ein System zur Überwachung von Gebläseschwingungen gemäß 3 vor, das zwei Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmodule, zwei Wirbelstromsonde-Erfassungsmodule, einen Multiplexer, eine Differenzverstärkerschaltung, ein Schaltmodul, ein Niederfrequenzfiltermodul, ein Hochfrequenzfiltermodul, eine Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung, ein Speichermodul, eine Bezugsspannungsschaltung und ein Steuermodul umfasst.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen jedes der Module in Hinsicht auf seine konkrete Struktur und Konfiguration näher beschrieben.
Wie in 4 dargestellt ist, umfasst das Steuermodul einen Steuerchip STM32F047 und dessen Peripherieschaltung, wobei der 94., 37., 20., 10., 27., 74. und 99. Pin des Steuerchips geerdet sind, während der 100., 75., 50., 28., 22., 21., 19., 11. und 6. Pin des Steuerchips an einer 3,3V-Gleichspannung angeschlossen sind. Die Peripherieschaltung des Steuerchips umfasst einen aktiven Kristalloszillator Y1, eine Kapazität C13 und eine Kapazität C15. Der dritte Pin des aktiven Kristalloszillators Y1 ist mit dem zwölften Pin des Steuerchips verbunden. Der vierte Pin des aktiven Kristalloszillators Y1 ist unmittelbar an einer 3,3V-Gleichspannung angeschlossen. Der vierte Pin des aktiven Kristalloszillators Y1 ist über einen Widerstand R15 mit dem vierzehnten Pin des Steuerchips verbunden. Der vierte Pin des aktiven Kristalloszillators Y1 ist über eine Kapazität C23 geerdet. Der zweite Pin des aktiven Kristalloszillators Y1 ist über eine Kapazität C26 an der 3,3V-Gleichspannung angeschlossen. Der zweite Pin des aktiven Kristalloszillators Y1 ist über die Kapazität C26 mit dem vierzehnten Pin des Steuerchips verbunden. Der zweite Pin des aktiven Kristalloszillators Y1 ist unmittelbar geerdet. Die Kapazität C13 ist an einem Ende mit dem dreiundsiebzigsten Pin des Steuerchips verbunden und am anderen Ende geerdet. Die Kapazität C15 ist an einem Ende mit dem neunundvierzigsten Pin des Steuerchips verbunden und am anderen Ende geerdet.
Wie in 5 dargestellt ist, umfasst die Bezugsspannungsschaltung einen Chip U2 in Form eines ref3012-Chips, wobei der erste Pin des Spannungschips U2 geerdet ist, während der zweite Pin des Spannungschips U2 nicht nur an einer +5V-Gleichspannung angeschlossen, sondern auch mit dem Pluspol einer polaren Kapazität C8 und einem Ende einer Kapazität C9 verbunden ist. Dabei sind sowohl der Minuspol der polaren Kapazität C8 als auch das andere Ende der Kapazität C9 geerdet. Zudem ist der dritte Pin des Spannungschips U2 mit einem Ende einer Klemmdiode D1, dem Pluspol einer polaren Kapazität C1 und einem Ende einer Kapazität C2 verbunden, wobei das andere Ende der Klemmdiode D1, der Minuspol der polaren Kapazität C1 und das andere Ende der Kapazität C2 geerdet sind.
Wie in 6 dargestellt ist, wird bei dem Speichermodul ein FM25040 als Speicherchip eingesetzt.
Die in 7 gezeigte Struktur umfasst zwei Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmodule, die jeweils einen Kombinationssensor und eine Spannungsregler- und Spannungsteiler-Differentialschaltung umfassen, wobei die Spannungsregler- und Spannungsteiler-Differentialschaltung an ihrem Eingang mit dem Kombinationssensor und dem Ausgang der Bezugsspannungsschaltung und an ihrem Ausgang mit dem Eingangsport des Multiplexers verbunden ist. In 7 sind zwei Spannungsregler- und Spannungsteiler-Differentialschaltungen dargestellt, wobei die eine Spannungsregler- und Spannungsteiler-Differentialschaltung einen Widerstand R1, einen Widerstand R2, einen Widerstand R4, einen Widerstand R5, eine Kapazität C3, eine Kapazität C4, eine Kapazität C5, eine Kapazität C6 und eine Kapazität C7 und die andere Spannungsregler- und Spannungsteiler-Differentialschaltung einen Widerstand R12, einen Widerstand R13, einen Widerstand R16, einen Widerstand R19, eine Kapazität C16, eine Kapazität C17, eine Kapazität C18, eine Kapazität C20 und eine Kapazität C22 enthält.
Die in 8 gezeigte Struktur umfasst zwei Wirbelstromsonde-Erfassungsmodule, die jeweils einen Kombinationssensor, eine Filterschaltung und eine LC-Oszillatorschaltung umfassen, wobei der Kombinationssensor über die Filterschaltung mit dem Eingangsport des Multiplexers und über die LC-Oszillatorschaltung mit dem Ausgangsport der Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung verbunden ist. In 8 sind zwei LC-Oszillatorschaltungen dargestellt, wobei die eine LC-Oszillatorschaltung eine Triode Q1, einen Widerstand R8, einen Widerstand R9, einen Widerstand R10 und einen Widerstand R11 und die andere LC-Oszillatorschaltung eine Triode Q3, einen Widerstand R21, einen Widerstand R22, einen Widerstand R24 und einen Widerstand R25 enthält. In 8 sind des Weiteren zwei Filterschaltungen erkennbar, wobei die eine Filterschaltung einen Widerstand R6, eine Kapazität C11, eine Induktivität L1, eine Kapazität C10 und einen Widerstand R7 und die andere Filterschaltung einen Widerstand R20, eine Kapazität C26, eine Induktivität L4, eine Kapazität C24 und einen Widerstand R23 enthält.
Der gleichzeitig in dem Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmodul und in dem Wirbelstromsonde-Erfassungsmodul vorhandene Kombinationssensor stellt ein und denselben Sensor dar, der sowohl als Geschwindigkeitssensor als auch als Wirbelstromsensor dienen kann und wie folgt ausgelegt ist:
Mit einem Wirbelstromsensor werden vor allem die Schwingungsparameter der Drehwelle eines Gebläses gemessen. Sollen ferner die Schwingungsparameter eines Lagers des Gebläses gemessen werden, so werden ein Geschwindigkeitssensor und ein Beschleunigungssensor benötigt. Die Auslegung eines Beschleunigungssensors basiert auf dem Grundsatz des Dehnungsmessstreifens.
Demzufolge wird erfindungsgemäß an beiden Enden eines Gewichts jeweils eine Feder und an deren oberem Ende ein Dehnungsmessstreifen vorgesehen, der sich mit einer Schwingung verformt, um die Schwingungsparameter eines Lagers messen zu können. Aus 1 geht ein entsprechender Kombinationssensor hervor, der einen Sensorkörper umfasst. Bei dem Messende des Sensorkörpers handelt es sich um eine nach oben offene Kammerstruktur, wobei an der Öffnung eine mit einer Abgangsöffnung 12 versehene obere Abdeckung 1 angeordnet ist.
Innerhalb der Kammer befinden sich ein erstes Trennblech 3 und ein zweites Trennblech 7, welche parallel zueinander angeordnet sind, wobei an der Oberseite des ersten Trennbleches ein Dehnungsmessstreifen 2 angebracht ist. Zwischen dem ersten Trennblech und dem zweiten Trennblech befindet sich ein Gewicht 4, das über eine erste Feder 5 mit der Unterseite des ersten Trennbleches und über eine zweite Feder 6 mit der Oberseite des zweiten Trennbleches fest verbunden ist. An dem Messende ist ein hohles Verlängerungsrohr 10 fest angeschlossen, wobei an der dem Messende zugewandten Außenwand des Verlängerungsrohrs eine Befestigungsmutter 8 und ein Befestigungsgewinde 9 vorgesehen sind, während am unteren Ende des Verlängerungsrohrs eine Sonde 11 fest angeschlossen ist. Innerhalb des Sensors sind zwei Leiter angeordnet, wobei der eine Leiter an beiden Enden jeweils mit dem Dehnungsmessstreifen bzw. der Abgangsöffnung verbunden ist, während der andere Leiter an beiden Enden jeweils mit der Sonde bzw. der Abgangsöffnung verbunden ist.
Gemäß den technischen Vorschriften für die Messung von Gebläseschwingungen sind die Sensoren zur Vermessung der Drehwelle eines Gebläses in der Regel derart auf beiden Seiten eines Lagers angebracht, dass sie in einem Winkel von 45° sowohl zur Vertikale als auch zur Horizontale ausgerichtet sind. Zur Messung von absoluten Schwingungswerten des Lagers ist der jeweilige Sensor hingegen normalerweise senkrecht zu dem Lager positioniert. So wird, wie aus 2 ersichtlich, auf beiden Seiten eines Lagers jeweils an einer geeigneten Stelle ein Kombinationssensor angebracht, der sowohl mit der horizontalen Richtung als auch mit der vertikalen Richtung einen Winkel von 45° einschließt, wobei der Sensorkörper 13 durch die Lagerschale 14 hindurchtritt und die Sonde bis in die Nähe der Drehwelle 15 reicht. Wenn der Kombinationssensor in einem Winkel von 45° zur Horizontale an dem Lager angebracht ist, erfolgt die Schwingung in vertikaler Richtung.
Wie in 9 dargestellt ist, umfasst die Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung eine Filter- und Verstärkerschaltung und eine Amplitudeneinstellungsschaltung, wobei die Filter- und Verstärkerschaltung eine Triode Q2 und die Amplitudeneinstellungsschaltung einen Schiebewiderstand R17 umfasst. Dabei ist die Basis der Triode Q2 mit dem PWM-Port des Steuerchips verbunden und über einen Widerstand R18 geerdet, während der Kollektor der Triode Q2 über eine Kapazität C19 mit der LC-Oszillatorschaltung und zudem mit einem Ende einer Kapazität C14 und einem Ende einer Induktivität L3 verbunden ist, wobei sowohl die Kapazität C14 als auch die Induktivität L3 mit ihrem anderen Ende an VCC angeschlossen sind. Darüber hinaus ist der Emitter der Triode Q2 über den Schiebewiderstand R17 geerdet.
Wie in 10 gezeigt ist, umfasst der Multiplexer einen Chip U4 in Form eines CD4052-Chips, wobei sowohl der sechste Pin als auch der achte Pin des Chips U4 geerdet sind. Überdies ist der sechzehnte Pin des Chips U4 an einer +5V-Gleichspannung angeschlossen, während der dritte und der dreizehnte Pin des Chips U4 mit einer Differenzverstärkerschaltung verbunden sind. Weiters ist der siebte Pin des Chips U4 an einer -5V-Spannung angeschlossen und zudem mit dem Minuspol einer polaren Kapazität C37 und einem Ende einer Kapazität C38 verbunden, wobei der Pluspol der polaren Kapazität C37 und das andere Ende der Kapazität C38 jeweils geerdet sind.
Die Differenzverstärkerschaltung umfasst einen Chip U5 in Form eines Differenzverstärkers AD620, wobei zwischen dem ersten Pin und dem achten Pin des Chips U5 ein Widerstand geschaltet ist. Der dritte Pin des Chips U5 ist über eine Kapazität C30 geerdet und zudem mit dem dritten Pin des Chips U4 verbunden. Hingegen ist der zweite Pin des Chips U5 über eine Kapazität C41 geerdet und zudem mit dem dreizehnten Pin des Chips U4 verbunden. Der vierte Pin des Chips U5 ist einerseits an einer -5V-Spannung angeschlossen und andererseits mit einem Ende einer Kapazität C35 und dem Minuspol einer polaren Kapazität C42 verbunden, während das andere Ende der Kapazität C35, der Pluspol der polaren Kapazität C42 und der fünfte Pin des Chips U5 jeweils geerdet sind. Zusätzlich hierzu ist der sechste Pin des Chips U5 mit dem Schaltmodul verbunden, während der siebte Pin des Chips U5 mit dem Pluspol einer polaren Kapazität C29, einer +5V-Spannung und einem Ende einer Kapazität C28 verbunden ist, wobei sowohl der Minuspol der polaren Kapazität C29 als auch das andere Ende der Kapazität C28 geerdet sind.
Wie sich aus 11 ergibt, umfasst das Schaltmodul einen Chip U9 in Form eines ADG619-Chips, wobei der erste Pin des Chips U9 mit einem Ende einer Kapazität C48 und einem Ende eines Widerstands R42 verbunden ist, während das andere Ende des Widerstands R42, das andere Ende der Kapazität C48 sowie der fünfte und der dritte Pin des Chips U9 jeweils geerdet sind. Außerdem ist der sechste Pin des Chips U9 mit dem I/O-Port des Steuerchips verbunden, während der vierte Pin des Chips U9 an VCC angeschlossen und zudem über eine Kapazität C44 geerdet ist. Des Weiteren ist der siebte Pin des Chips U9 an VCC angeschlossen und zudem über eine Kapazität C49 geerdet, während der achte Pin des Chips U9 mit dem Niederfrequenzfiltermodul und der zweite Pin des Chips U9 mit dem Hochfrequenzfiltermodul verbunden ist.
Wie in 12 dargestellt ist, umfasst das Niederfrequenzfiltermodul einen Niederfrequenzfilter und eine Filter-, Integrations- und Verstärkerschaltung, wobei der Niederfrequenzfilter einen Chip U6 in Form eines Operationsverstärkers LT1057 und die Filter-, Integrations- und Verstärkerschaltung einen Chip U7 in Form eines Operationsverstärkers MAX4416 umfasst. Dabei ist der zweite Pin des Chips U6 mit einem Ende eines Widerstands R26 und einem Ende eines Widerstands R27 verbunden, wobei das andere Ende des Widerstands R26 geerdet und das andere Ende des Widerstands R27 mit dem ersten Pin des Chips U6 verbunden ist. Der dritte Pin des Chips U6 ist mit einem Ende einer Kapazität C40 und einem Ende eines Widerstands R30 verbunden, während das andere Ende der Kapazität C40 mit dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende des Widerstands R30 mit einem Ende einer Kapazität C39 und einem Ende eines Widerstands R33 verbunden ist, wobei das andere Ende der Kapazität C39 mit dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende des Widerstands R33 mit dem Schaltmodul verbunden ist. Ferner ist der zweite Pin des Chips U7 mit einem Ende eines Widerstands R28 und einem Ende einer Kapazität C34 verbunden, während das eine Ende des Widerstands R28 mit einem Ende einer Kapazität C31 und dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende der Kapazität C31 mit dem anderen Ende der Kapazität C34, einem Ende eines Widerstands R32 und einem Ende eines Widerstands R29 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstands R32 mit dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende des Widerstands R29 mit dem ersten Pin des Chips U6 verbunden ist. Darüber hinaus ist der achte Pin des Chips U7 an einer +5V-Spannung angeschlossen und zudem mit dem Pluspol einer polaren Kapazität C33 und einem Ende einer Kapazität C32 verbunden, wobei sowohl der Minuspol der polaren Kapazität C33 als auch das andere Ende der Kapazität C32 mit dem ersten Pin des Chips U7 verbunden sind. Hingegen ist der vierte Pin des Chips U7 an einer -5V-Spannung angeschlossen und zudem mit einem Einde einer Kapazität C36 und dem Minuspol einer polaren Kapazität C43 verbunden, wobei sowohl das andere Ende der Kapazität C36 als auch der Pluspol der polaren Kapazität C43 mit dem ersten Pin des Chips U7 verbunden sind. Der erste Pin des Chips U7 ist wiederum mit dem A/D-Port des Steuerchips verbunden.
Aus 13 wird ersichtlich, dass das Hochfrequenzfiltermodul eine Hochfrequenzfilterschaltung und einen aktiven Vollwellengleichrichtungsfilter umfasst, wobei die Hochfrequenzfilterschaltung einen Chip U8 in Form eines Operationsverstärkers LT1057 und der aktive Vollwellengleichrichtungsfilter einen Chip U10 und einen Chip U11 jeweils in Form eines Operationsverstärkers LT1057 umfasst. Dabei ist der zweite Pin des Chips U8 mit einem Ende eines Widerstands R35 und einem Ende eines Widerstands R36 verbunden, wobei das andere Ende des Widerstands R35 geerdet und das andere Ende des Widerstands R36 mit dem ersten Pin des Chips U8 verbunden ist. Der dritte Pin des Chips U8 ist mit einem Ende einer Kapazität C46 und einem Ende eines Widerstands R41 verbunden, während das andere Ende der Kapazität C46 mit einem Ende eines Widerstands R40 und einem Ende einer Kapazität C45 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstands R40 mit dem ersten Pin des Chips U8, das andere Ende der Kapazität C45 mit dem Schaltmodul verbunden und das andere Ende des Widerstands R41 geerdet ist. Der dritte Pin des Chips U11 ist über einen Widerstand R44 geerdet. Der zweite Pin des Chips U8 ist mit dem Minuspol einer Diode D2, einem Ende eines Widerstands R38 und einem Ende eines Widerstands R39 verbunden, während der Pluspol der Diode D2 mit dem ersten Pin des Chips U11 und dem Minuspol einer Diode D3, das andere Ende des Widerstands R38 mit dem ersten Pin des Chips U8 und einem Ende eines Widerstands R37, das andere Ende des Widerstands R37 mit einem Ende eines Widerstands R34, einem Ende einer Kapazität C47 und dem zweiten Pin des Chips U10 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstands R34 und das andere Ende der Kapazität C47 jeweils mit dem ersten Pin des Chips U10 verbunden sind und das andere Ende des Widerstands R39 mit dem Pluspol der Diode D3 und einem Ende eines Widerstands R43 verbunden ist, während das andere Ende des Widerstands R43 mit dem zweiten Pin des Chips U10 verbunden ist. Der dritte Pin des Chips U10 ist über einen Widerstand R45 geerdet. Der erste Pin des Chips U10 ist mit dem Pluspol einer polaren Kapazität C48 und dem A/D-Port des Steuerchips verbunden, wobei der Minuspol der polaren Kapazität C48 geerdet ist.
Die Funktionsweise des ganzen Systems ist wie folgt:
Gemäß den technischen Vorschriften für die Messung von Gebläseschwingungen werden in der Regel an einem Lager zwei Wirbelstromsensoren und zwei zur Vermessung von Schwingungen in vertikaler Richtung dienende Geschwindigkeitssensoren angebracht. Dazu wird eine Schnittstellenschaltung für zwei Kombinationssensoren ausgelegt.
Aus der Prinzipdarstellung gehen zwei Kombinationssensoren hervor, wobei die 1MHz-Frequenz des Wirbelstroms von PWM des Steuergeräts über die Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung zwei LC-Oszillatorschaltungen zugeführt wird. Um ein stabiles Frequenzsignal bereitstellen zu können, werden für jeden Sensor eine zusätzliche Verstärkung und eine Übertragung mittels einer Parallelleitung an die LC-Oszillatorschaltung der Sonde durchgeführt, wobei der Ausgang von LC gleichzeitig durch eine Filterschaltung mit einer Mittenfrequenz von 1,1 MHz von Hochfrequenzsignalen befreit wird. Aus den Signalen unter 1,1 MHz ergeben sich durch eine Differenzverstärkung jeweils zwei Signale, wobei ein Signal einer Hochfrequenzfilterung und einer aktiven Vollwellengleichrichtung unterzogen wird, um ein Gleichstromsignal auszugeben, das von A/D des digitales Signalsteuergeräts genutzt wird, um den Abstand zwischen der Sonde und der Drehwelle zu ermitteln. Das andere Signal wird einer Niederfrequenzfilterung unterzogen, um Frequenzsignale mit einer Hochfrequenz von 1 MHz herauszufiltern und mittels der Filter-, Integrations- und Verstärkerschaltung eine glatte Kurve zu erhalten, nach deren Abtastung durch den Hochgeschwindigkeits-A/D des Steuergeräts eine Datenverarbeitung stattfindet, um Schwingungsamplituden, Schwingungsfrequenzen und spektrale Eigenschaften zu ermitteln.
Bei der Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssonde werden nach der Spannungsregler- und Spannungsteiler-Differentialschaltung eine zeitvariable Differenzverstärkung durch den Multiplexer und danach eine zeitvariable Niederfrequenzfilterung durch einen Zweiwegeumschalter durchgeführt, um durch eine Filterung, Integration und Verstärkung eine glatte Kurve zu erzeugen, die von dem internen A/D des Steuergeräts erfasst wird, um durch eine Datenverarbeitung Schwingungsamplituden, Schwingungsfrequenzen, spektrale Eigenschaften, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu ermitteln.
Die in den Schaltungen vorhandenen elektronischen Bauelemente bieten während des Messvorgangs folgende konkrete Funktionen:
Der Dehnungsmessstreifen der Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssonde erfährt durch R3 aufgrund einer Schwingung in vertikaler Richtung eine Änderung seines Widerstandswerts, der durch eine aus R1, R3, R4 bestehende Spannungsregelungs- und Spannungsteilungsschaltung in ein Spannungssignal umgewandelt wird, welches über R2, R5 und den Differential-Multiplexer CD4052 in den Differenzverstärker AD620 zur Verstärkung eintritt. Um Störsignale zu beseitigen, wird anschließend ein einkanaliger einpoliger Umschalter einer zeitvariablen Niederfrequenzfilterung durch den LT1057-Kern und einer zeitvariablen Filterung, Integration und Verstärkung durch den MAX4416-Kern unterzogen, um ein glattes AC-Kurvensignal zu erzeugen, das von dem internen AD0 des digitalen STM32F-Signalsteuergeräts erfasst wird, um durch eine Datenverarbeitung Schwingungsamplituden, Schwingungsfrequenzen, spektrale Eigenschaften, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu ermitteln. Dies gilt auch für die zweite Geschwindigkeitssonde.
Die Frequenz des Schwingkreises der Sonde des Wirbelstromsensors ist durch eine vom PWM-Pin des digitalen STM32F-Signalsteuergeräts ausgehende Rechteckwelle gebildet, aus der sich mittels einer Glättungs- und Verstärkerschaltung zwei regelmäßige Wechselstromkurven ergeben. Das Ausgangssignal der LC-Oszillatorschaltung wird durch eine aus R6, L1, C10, R7, C11 bestehende Schaltung gefiltert, über den Multiplexer durch den AD620-Differenzverstärker zeitvariabel verstärkt und durch einen einkanaligen einpoligen Umschalter in zwei Signale aufgeteilt, wobei ein Signal einer Hochfrequenzfilterung durch den LT1057-Kern zur Herausfilterung niederfrequenter Schwingungssignale und einer aktiven Vollwellengleichrichtung durch den LT1057-Kern unterzogen wird, um ein Gleichstromsignal auszugeben, das von AD1 des digitalen STM32F-Signalsteuergeräts erfasst wird, um den Abstand zwischen der Sonde und der Drehwelle zu ermitteln. Das andere Signal wird einer Niederfrequenzfilterung durch den LT1057-Kern unterzogen, um Frequenzsignale mit einer Hochfrequenz von 1 MHz herauszufiltern und mittels der durch den MAX4416-Kern gebildeten Filter-, Integrations- und Verstärkerschaltung eine glatte Kurve zu erhalten, nach deren Erfassung durch AD0 des digitalen STM32F-Signalsteuergeräts eine Datenverarbeitung stattfindet, um Schwingungsamplituden, Schwingungsfrequenzen und spektrale Eigenschaften zu ermitteln.
In der Praxis ist der Wirbelstromsensor berührungslos ausgebildet und weist einen unbestimmten Abstand zur Drehwelle auf, so dass zwei Kurven auftreten können, d.h. die Amplitudenspitzen liegen entweder über und unter der Mittelposition oder auf einer Seite der Mittelposition, wie dies in 14 gezeigt ist. Die Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren können nur auf beiden Seiten der Gleichgewichtslage angeordnet sein, wobei sich die Amplituden auf beiden Seiten unterscheiden, siehe hierzu 15.
So lassen sich Verschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungswerte ableiten, wenn, wie in 14 dargestellt, beispielsweise von einer Amplitude mit den Amplitudenwerten A1, A2, einer Schwingungsperiode T und einem Abstand S von der Gleichgewichtslage des Wirbelstromsensors zur Mittelachse ausgegangen wird. Der konkrete Berechnungsvorgang liegt wie folgt: ${Schwingungsamplitude: Es gilt bei A}_{2} \geq 0 A = A_{1} - A_{2} {und bei A}_{2} \leq 0 A = A_{1} + | A_{2} |$
wobei A1 und A2S jeweils ein Grenzwert sind; $Schwingungsfrequenz: f = 1/T$
wobei T für die Schwingungsperiode steht; ${Statische Verschiebung Es gilt bei A}_{2} \geq 0 S = A/2 + A_{2} {und bei A}_{2} \leq 0 S = A/2 - | A_{2} |$
wobei S für die absolute Verschiebung steht; $Schwingungsgeschwindigkeit: V = A/T$
$Schwingungsbeschleunigung: V = (V_{2} - V_{2}) / T$
wobei V1 und V2 für benachbarte Geschwindigkeiten stehen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen konkreten Ausführungsformen keine Einschränkung der Erfindung darstellen, sondern lediglich zum besseren Verständnis des genauen Aufbaus der Erfindung dienen. Den Fachleuten auf diesem Gebiet wird daher klar sein, dass im Rahmen der Erfindung trotz deren näherer Erläuterung in der Beschreibung sowie mittels der beigefügten Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele Änderungen oder gleichwertige Substitutionen möglich sind, wobei jede Variante und ihre Verbesserungen, welche nicht von den Grundideen der Erfindung abweichen, in den Schutzumfang der Erfindung fallen.

Claims

System zur Überwachung von Gebläseschwingungen, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmodul, zumindest ein Wirbelstromsonde-Erfassungsmodul, einen Multiplexer, eine Differenzverstärkerschaltung, ein Schaltmodul, ein Niederfrequenzfiltermodul, ein Hochfrequenzfiltermodul, eine Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung, ein Speichermodul, eine Bezugsspannungsschaltung und ein Steuermodul umfasst, wobei - das Steuermodul einen Steuerchip STM32F047 und dessen Peripherieschaltung umfasst, - die Bezugsspannungsschaltung zur Bereitstellung einer Bezugsspannung dient, - das Speichermodul elektrisch mit dem Steuermodul verbunden ist, - das Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmodul mit dem Eingang des Multiplexers verbunden ist, während das Wirbelstromsonde-Erfassungsmodul sowohl mit dem Ausgang der Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung als auch mit dem Eingang des Multiplexers verbunden ist, - der Eingang der Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung mit dem PWM-Ausgangsport des Steuerchips verbunden ist, - der Ausgang des Multiplexers über die Differenzverstärkerschaltung mit dem Eingang des Schaltmoduls verbunden ist, dessen Ausgang sowohl mit dem Eingang des Niederfrequenzfiltermoduls als auch mit dem Eingang des Hochfrequenzfiltermoduls verbunden ist, wobei der Ausgang des Niederfrequenzfiltermoduls und der Ausgang des Hochfrequenzfiltermoduls jeweils mit einem A/D-Port des Steuerchips verbunden sind, - der Multiplexer und das Schaltmodul jeweils mit einem I/O-Ausgangsport des Steuerchips verbunden sind.
System zur Überwachung von Gebläseschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschwindigkeitssonde-Erfassungsmodul einen Kombinationssensor und eine Spannungsregler- und Spannungsteiler-Differentialschaltung umfasst, wobei die Spannungsregler- und Spannungsteiler-Differentialschaltung an ihrem Eingang mit dem Kombinationssensor und dem Ausgang der Bezugsspannungsschaltung und an ihrem Ausgang mit dem Eingangsport des Multiplexers verbunden ist.
System zur Überwachung von Gebläseschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelstromsonde-Erfassungsmodul einen Kombinationssensor, eine Filterschaltung und eine LC-Oszillatorschaltung umfasst, wobei der Kombinationssensor über die Filterschaltung mit dem Eingangsport des Multiplexers und über die LC-Oszillatorschaltung mit dem Ausgangsport der Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung verbunden ist.
System zur Überwachung von Gebläseschwingungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungs-, Filter- und Verstärkerschaltung eine Filter- und Verstärkerschaltung mit einer Triode Q2 und eine Amplitudeneinstellungsschaltung mit einem Schiebewiderstand R17 umfasst, wobei - die Basis der Triode Q2 mit dem PWM-Port des Steuerchips verbunden und über einen Widerstand R18 geerdet ist, - der Kollektor der Triode Q2 über eine Kapazität C19 mit der LC-Oszillatorschaltung und zudem mit einem Ende einer Kapazität C14 und einem Ende einer Induktivität L3 verbunden ist, wobei sowohl die Kapazität C14 als auch die Induktivität L3 mit ihrem anderen Ende an VCC angeschlossen sind, - der Emitter der Triode Q2 über den Schiebewiderstand R17 geerdet ist.
System zur Überwachung von Gebläseschwingungen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombinationssensor einen Sensorkörper umfasst, bei dessen Messende es sich um eine nach oben offene Kammerstruktur handelt, wobei an der Öffnung eine mit einer Abgangsöffnung versehene obere Abdeckung angeordnet ist und innerhalb der Kammer sich ein erstes Trennblech und ein zweites Trennblech befinden, welche parallel zueinander angeordnet sind, wobei an der Oberseite des ersten Trennbleches ein Dehnungsmessstreifen angebracht ist und zwischen dem ersten Trennblech und dem zweiten Trennblech sich ein Gewicht befindet, das über eine erste Feder mit der Unterseite des ersten Trennbleches und über eine zweite Feder mit der Oberseite des zweiten Trennbleches fest verbunden ist, wobei an dem Messende ein hohles Verlängerungsrohr fest angeschlossen ist, an dessen dem Messende zugewandter Außenwand eine Befestigungsmutter und ein Befestigungsgewinde vorgesehen sind, während am unteren Ende des Verlängerungsrohrs eine Sonde fest angeschlossen ist, und dass innerhalb des Sensors zwei Leiter angeordnet sind, wobei der eine Leiter an beiden Enden jeweils mit dem Dehnungsmessstreifen bzw. der Abgangsöffnung verbunden ist, während der andere Leiter an beiden Enden jeweils mit der Sonde bzw. der Abgangsöffnung verbunden ist.
System zur Überwachung von Gebläseschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiplexer einen Chip U4 in Form eines CD4052-Chips umfasst, wobei - sowohl der sechste Pin als auch der achte Pin des Chips U4 geerdet sind, - der sechzehnte Pin des Chips U4 an einer +5V-Gleichspannung angeschlossen ist, - der dritte und der dreizehnte Pin des Chips U4 mit einer Differenzverstärkerschaltung verbunden sind, - der siebte Pin des Chips U4 an einer -5V-Spannung angeschlossen und zudem mit dem Minuspol einer polaren Kapazität C37 und einem Ende einer Kapazität C38 verbunden ist, wobei der Pluspol der polaren Kapazität C37 und das andere Ende der Kapazität C38 jeweils geerdet sind.
System zur Überwachung von Gebläseschwingungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzverstärkerschaltung einen Chip U5 in Form eines Differenzverstärkers AD620 umfasst, wobei - zwischen dem ersten Pin und dem achten Pin des Chips U5 ein Widerstand geschaltet ist, - der dritte Pin des Chips U5 über eine Kapazität C30 geerdet und zudem mit dem dritten Pin des Chips U4 verbunden ist, - der zweite Pin des Chips U5 über eine Kapazität C41 geerdet und zudem mit dem dreizehnten Pin des Chips U4 verbunden ist, - der vierte Pin des Chips U5 einerseits an einer -5V-Spannung angeschlossen und andererseits mit einem Ende einer Kapazität C35 und dem Minuspol einer polaren Kapazität C42 verbunden ist, während das andere Ende der Kapazität C35, der Pluspol der polaren Kapazität C42 und der fünfte Pin des Chips U5 jeweils geerdet sind, - der sechste Pin des Chips U5 mit dem Schaltmodul verbunden ist, - der siebte Pin des Chips U5 mit dem Pluspol einer polaren Kapazität C29, einer +5V-Spannung und einem Ende einer Kapazität C28 verbunden ist, wobei sowohl der Minuspol der polaren Kapazität C29 als auch das andere Ende der Kapazität C28 geerdet sind.
System zur Überwachung von Gebläseschwingungen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmodul einen Chip U9 in Form eines ADG619-Chips umfasst, wobei - der erste Pin des Chips U9 mit einem Ende einer Kapazität C48 und einem Ende eines Widerstands R42 verbunden ist, während das andere Ende des Widerstands R42, das andere Ende der Kapazität C48 sowie der fünfte und der dritte Pin des Chips U9 jeweils geerdet sind, - der sechste Pin des Chips U9 mit dem I/O-Port des Steuerchips verbunden ist, - der vierte Pin des Chips U9 an VCC angeschlossen und zudem über eine Kapazität C44 geerdet ist, - der siebte Pin des Chips U9 an VCC angeschlossen und zudem über eine Kapazität C49 geerdet ist, - der achte Pin des Chips U9 mit dem Niederfrequenzfiltermodul verbunden ist, - der zweite Pin des Chips U9 mit dem Hochfrequenzfiltermodul verbunden ist.
System zur Überwachung von Gebläseschwingungen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederfrequenzfiltermodul einen Niederfrequenzfilter und eine Filter-, Integrations- und Verstärkerschaltung umfasst, wobei der Niederfrequenzfilter einen Chip U6 in Form eines Operationsverstärkers LT1057 und die Filter-, Integrations- und Verstärkerschaltung einen Chip U7 in Form eines Operationsverstärkers MAX4416 umfasst, wobei - der zweite Pin des Chips U6 mit einem Ende eines Widerstands R26 und einem Ende eines Widerstands R27 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstands R26 geerdet ist und das andere Ende des Widerstands R27 mit dem ersten Pin des Chips U6 verbunden ist, - der dritte Pin des Chips U6 mit einem Ende einer Kapazität C40 und einem Ende eines Widerstands R30 verbunden ist, während das andere Ende der Kapazität C40 mit dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende des Widerstands R30 mit einem Ende einer Kapazität C39 und einem Ende eines Widerstands R33 verbunden ist, wobei das andere Ende der Kapazität C39 mit dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende des Widerstands R33 mit dem Schaltmodul verbunden ist, - der zweite Pin des Chips U7 mit einem Ende eines Widerstands R28 und einem Ende einer Kapazität C34 verbunden ist, während das eine Ende des Widerstands R28 mit einem Ende einer Kapazität C31 und dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende der Kapazität C31 mit dem anderen Ende der Kapazität C34, einem Ende eines Widerstands R32 und einem Ende eines Widerstands R29 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstands R32 mit dem ersten Pin des Chips U7 und das andere Ende des Widerstands R29 mit dem ersten Pin des Chips U6 verbunden ist, - der achte Pin des Chips U7 an einer +5V-Spannung angeschlossen und zudem mit dem Pluspol einer polaren Kapazität C33 und einem Ende einer Kapazität C32 verbunden ist, wobei sowohl der Minuspol der polaren Kapazität C33 als auch das andere Ende der Kapazität C32 mit dem ersten Pin des Chips U7 verbunden sind, - der vierte Pin des Chips U7 an einer -5V-Spannung angeschlossen und zudem mit einem Einde einer Kapazität C36 und dem Minuspol einer polaren Kapazität C43 verbunden ist, wobei sowohl das andere Ende der Kapazität C36 als auch der Pluspol der polaren Kapazität C43 mit dem ersten Pin des Chips U7 verbunden sind, - der erste Pin des Chips U7 mit dem A/D-Port des Steuerchips verbunden ist.
System zur Überwachung von Gebläseschwingungen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzfiltermodul eine Hochfrequenzfilterschaltung und einen aktiven Vollwellengleichrichtungsfilter umfasst, wobei die Hochfrequenzfilterschaltung einen Chip U8 in Form eines Operationsverstärkers LT1057 und der aktive Vollwellengleichrichtungsfilter einen Chip U10 und einen Chip U11 jeweils in Form eines Operationsverstärkers LT1057 umfasst, wobei - der zweite Pin des Chips U8 mit einem Ende eines Widerstands R35 und einem Ende eines Widerstands R36 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstands R35 geerdet und das andere Ende des Widerstands R36 mit dem ersten Pin des Chips U8 verbunden ist, - der dritte Pin des Chips U8 mit einem Ende einer Kapazität C46 und einem Ende eines Widerstands R41 verbunden ist, während das andere Ende der Kapazität C46 mit einem Ende eines Widerstands R40 und einem Ende einer Kapazität C45 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstands R40 mit dem ersten Pin des Chips U8, das andere Ende der Kapazität C45 mit dem Schaltmodul verbunden und das andere Ende des Widerstands R41 geerdet ist, - der dritte Pin des Chips U11 über einen Widerstand R44 geerdet ist, - der zweite Pin des Chips U8 mit dem Minuspol einer Diode D2, einem Ende eines Widerstands R38 und einem Ende eines Widerstands R39 verbunden ist, während der Pluspol der Diode D2 mit dem ersten Pin des Chips U11 und dem Minuspol einer Diode D3, das andere Ende des Widerstands R38 mit dem ersten Pin des Chips U8 und einem Ende eines Widerstands R37, das andere Ende des Widerstands R37 mit einem Ende eines Widerstands R34, einem Ende einer Kapazität C47 und dem zweiten Pin des Chips U10 verbunden ist, wobei das andere Ende des Widerstands R34 und das andere Ende der Kapazität C47 jeweils mit dem ersten Pin des Chips U10 verbunden sind und das andere Ende des Widerstands R39 mit dem Pluspol der Diode D3 und einem Ende eines Widerstands R43 verbunden ist, während das andere Ende des Widerstands R43 mit dem zweiten Pin des Chips U10 verbunden ist, - der dritte Pin des Chips U10 über einen Widerstand R45 geerdet ist, - der erste Pin des Chips U10 mit dem Pluspol einer polaren Kapazität C48 und dem A/D-Port des Steuerchips verbunden ist, wobei der Minuspol der polaren Kapazität C48 geerdet ist.