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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung für die Untersuchung und Überprüfung des dynamischen Verhaltens von mechanischen Ausrüstungen. Die Erfindung legt ihren Untersuchungen eine Messung der Vibrationen zugrunde, die an der Ausrüstung vorhanden sind.
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Heutzutage werden für die Messung der Vibrationen verbreitet tragbare elektronische Vorrichtungen verwendet, die Vibrationssensoren und Displays mit den Ergebnissen umfassen. Diese Vorrichtungen werden in der Phase des Einbaus der Ausrüstung und danach während der regelmäßig geplanten Überprüfungen verwendet.
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Dieser Stand der Technik weist den Nachteil auf, dass keine durchgehende Überwachung des Systemzustands erhalten werden kann, weswegen es nicht möglich ist, eventuelle Funktionsstörungen in der Zeit zwischen den beiden aufeinanderfolgenden regelmäßigen Überprüfungen festzustellen und/oder vorherzusehen.
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Ein weiterer sehr verbreiteter Typ der Vorrichtung schließt die Verwendung von Vibrationssensoren ein, die durch ein Kabel stets mit der Messelektronik verbunden sind, die in einem in Entfernung befindlichen Schaltschrank installiert wird.
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Diese Art der Vorrichtung wird verwendet, um bei konstanter Geschwindigkeit rotierende Ausrüstungen zu überprüfen, wie zum Beispiel Pumpen und Gebläseräder, deren Vibrationseigenschaften im Lauf der Zeit konstant sind. Aus diesem Grund kann die Datenuntersuchung auf einfache Weise erfolgen.
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Auch dieser Stand der Technik weist jedoch einige Nachteile auf.
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Die Anwendung dieser Arten von Vorrichtungen muss für jede Art der Ausrüstung auf spezifische Weise auf dem Prüfcomputer dediziert werden.
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Außerdem bewirkt die Verwendung solcher Vorrichtungen hohe Kosten für die Verkabelung und eine Begrenzung für die Anzahl der anschließbaren Vorrichtungen, das mit den Verarbeitungskapazitäten des Computers im Schaltschrank in Zusammenhang steht.
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Überdies werden normalerweise piezoelektrische Sensoren verwendet, die hohe Kosten verursachen und in der Lage sind, Messungen auf nur einer Achse durchzuführen.
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Die oben genannten Typen von Sensoren erlauben keine Überwachung von Ausrüstungen, die mehrere mechanische Systeme umfassen, die gleichzeitig arbeiten.
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Außerdem sind diese Vorrichtungen nicht bei Ausrüstungen anwendbar, die mechanische Bauteile mit besonderen und nicht konstanten Vibrationseigenschaften aufweisen, wie zum Beispiel elektrische Zylinder oder lineare Achsen.
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Die Vorrichtungen sind nicht für die Verwendung von Ausrüstungen geeignet, die in mehrere Phasen getrennte Arbeitszyklen mit Umkehrungen der Richtung und kontinuierlichen Geschwindigkeiten vorsehen. Für solche Ausrüstungen wären verschiedene Überprüfungen für jede Phase notwendig.
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Außerdem werden bei komplexeren Ausrüstungen mehrere Untersysteme gleichzeitig oder sequenziell bewegt, und dies führt dazu, dass die Vibrationen, die von jedem einzelnen Untersystem herrühren, sich am Messpunkt summieren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektronische Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen zu schaffen, die in der Lage ist, den Stand der Technik bei einem oder mehreren der oben genannten Aspekte zu verbessern.
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Im Rahmen dieser Aufgabe besteht ein Ziel der Erfindung darin, eine elektronische Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen einer Ausrüstung zu schaffen, die in der Lage ist, mehrere mechanische Untersysteme gleichzeitig zu überwachen.
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Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, eine elektronische Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen zu schaffen, die eine reduzierte Verkabelung aufweist und auf diese Weise geringe Installationskosten bewirkt.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine elektronische Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen auf drei Achsen zu schaffen, die eine hohe Datenverarbeitungskapazität hat.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine elektronische Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen zu schaffen, die die kontinuierliche Überwachung der Ausrüstung ermöglicht und die Daten der Messungen für eine nachfolgende Verarbeitung speichert.
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Außerdem setzt sich die vorliegende Erfindung zum Ziel, die Nachteile des Stands der Technik auf alternative Weise zu eventuellen bestehenden Lösungen zu überwinden.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine elektronische Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen mit kleinen Abmessungen zu schaffen, die bei bereits auf dem Markt befindlichen Ausrüstungen anwendbar ist.
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Nicht zuletzt besteht ein Ziel der Erfindung darin, eine elektronische Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen zu schaffen, die sehr zuverlässig, relativ einfach herzustellen ist und einen wettbewerbsfähigen Preis hat.
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Diese Aufgabe sowie diese und andere Ziele, die nachfolgend deutlicher hervorgehen, werden durch eine elektronische Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen einer mechanischen Ausrüstung erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: einen Mikrocontroller, einen Drei-Achsen-Beschleunigungssensor, ein Element zur Verstärkung und Filterung des Signals, eine Schnittstelle zum Anwender und ein Element zur Datenkommunikation.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher aus der Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronische Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen hervor, die als Beispiel dient und nicht beschränkend in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, wobei:
- - die 1 ein Schema der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen darstellt;
- - die 2 die Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch darstellt;
- - die 3a und 3b zwei verschiedene Anwendungsbereiche einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellen.
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Unter Bezugnahme auf die genannten Figuren wird eine erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen im Gesamten mit dem Bezugszeichen 10 angegeben.
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Die Vorrichtung umfasst einen Drei-Achsen-Beschleunigungssensor 11.
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Der Beschleunigungssensor 11 ist ein an sich bekannter Sensor, zum Beispiel ein MEMS-Sensor (Micro Electro-Mechanical Systems).
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Der Beschleunigungssensor 11 ist geeignet, um die Beschleunigungen auf den drei Achsen zu messen, die von den Vibrationen erzeugt werden, und sie in ein elektronisches Signal zu übersetzen.
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Die Vorrichtung 10 umfasst auch ein Element zur Verstärkung und Filterung 12 des vom Beschleunigungssensor 11 herrührenden Signals, das mit dem Sensor 11 verbunden ist.
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Das Element zur Verstärkung und Filterung 12 ist elektronischer Art und an sich bekannt.
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Das Element zur Verstärkung und Filterung 12 wird in der Installationsphase auf die Eigenfrequenzen der Ausrüstung geeicht.
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Die Vorrichtung 10 umfasst auch einen Mikrocontroller 13, der mit dem Element zur Verstärkung und Filterung 12 des Signals verbunden ist, der geeignet ist, um die Daten, die von den Messungen des Sensors 11 herrühren, zu erfassen, die schnelle Fourier-Transformation (FFT) zu berechnen und einen Vergleich mit den vordefinierten Schwellenwerten durchzuführen.
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Mit dem Mikrocontroller 13 sind verbunden: ein Element zur Dauerspeicherung der Daten 22, zum Beispiel vom Typ Flash oder EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), zur Aufzeichnung der jedem Alarm zugeordneten Daten, eine Schnittstelle zum Anwender, zum Beispiel ein LED- oder alphanumerisches Display, zur unmittelbaren Anzeige der Ergebnisse der Überprüfungen und ein Wi-Fi-Element zur Datenkommunikation 15.
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Das Element zur Datenspeicherung 22 wird im Alarmfall zur Aufzeichnung der Daten verwendet.
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Das Wi-Fi-Kommunikationselement 15 bewirkt eine drastische Reduzierung der Verkabelungen, da das einzige für die Vorrichtung 10 erforderliche Kabel jenes für die Versorgung ist.
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Das Funktionsschema der Vorrichtung ist in 1 dargestellt und funktioniert folgendermaßen:
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Der Drei-Achsen-Beschleunigungssensor 11 führt die Messung der Vibrationen durch und überträgt die Daten in Form eines elektronischen Signals an das Element zur Verstärkung und Filterung 12 in die vom Pfeil 16 angegebene Richtung.
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Das Element 12 verstärkt und filtert das Signal auf der Grundlage der Eichung, die auf der Basis der Eigenschaften der Ausrüstung in der Phase der Installation der Vorrichtung 10 durchgeführt wurde, und überträgt es an den Mikrocontroller 13 entsprechend Pfeil 17.
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Der Mikrocontroller 13 erfasst die Daten, berechnet die FFT durch Spektralanalyse und führt einen Vergleich mit dem Modell der korrekten Daten zur Erfassung der Verläufe und des Vorliegens von Alarmen durch.
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Dieses Modell legt ein Überprüfungsprofil fest, das die maximalen Vibrationsschwellenwerte für jedes Frequenzintervall definiert.
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Im Besonderen wird das Überprüfungsprofil in der Phase der Installation der Ausrüstung definiert.
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Wenn aus dem Vergleich Werte hervorgehen, die die maximalen Schwellenwerte überschreiten, erzeugt der Mikrocontroller 13 einen Alarm und zeichnet die Daten im Speicherelement 22 in Richtung des Pfeils 21 auf.
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Der Mikrocontroller 13 überträgt ein Signal an die Schnittstelle 14 in Richtung des Pfeils 19, um dem Anwender den Status des Systems über ein Display mitzuteilen.
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Der Mikrocontroller 13 errechnet auch einen Satz von zusammenfassenden Parametern der Daten, wie zum Beispiel Maximum, Minimum, Durchschnitt, Standardabweichung.
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Der Parameter-Satz wird entsprechend dem Pfeil 20 an das Wi-Fi-Kommunikationselement 15 gesendet.
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Unter Bezugnahme auf 2, in der die Vorrichtung 10 bei einer Ausrüstung angewendet wird, die eine lineare Achse mit einem Zahnriemen 29 aufweist, überträgt das Kommunikationselement 15 die Daten in Bezug auf das Parameter-Set in Richtung des Pfeils 26 über ein Wi-Fi-Netz 23 an eine „Cloud“-Datenbank 24, mit der es verbunden ist, wobei die Richtung vom Pfeil 27 angegeben ist, und / oder an eine lokale Datenbank 25, mit der es verbunden ist, wobei die Richtung vom Pfeil 28 angegeben ist.
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Im Besonderen erfolgt die Übertragung der berechneten Parameter gemäß dem Standard-MQTT-Protokoll (Message Queue Telemetry Transport).
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Die Vorrichtung 10 weist einen Kommunikationsport auf, der zum Einstecken eines Kabels für die Konfiguration geeignet ist, wie zum Beispiel einen Ethernet- oder USB-Port.
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Die Vorrichtung 10 kann sowohl über ein Wi-Fi-Netz in Richtung des Pfeils 18 als auch über ein Ethernet-Netz konfiguriert werden.
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Die Vorrichtung 10 ist in der Lage, visuelle Alarme vor Ort zu erzeugen.
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Außerdem sind die in der „Cloud“-Datenbank 24 enthaltenen Daten durch eine auf einem PC, einem Smartphone oder einem Tablet dedizierte Applikation oder durch bereits auf dem Markt vorhandene Applikationen untersuchbar.
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Die Vorrichtung 10 kann verschiedene Schwellenwerte für verschiedene Phasen des Arbeitszyklus verwenden und kann verschiedene Vibrationsachsen abhängig von der Art der Ausrüstung und der Phase des Arbeitszyklus auswählen.
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Bei einigen Anwendungsbereichen kann die Vorrichtung 10 die Daten, die sie von den an der Ausrüstung angebrachten Temperatursensoren oder Wägezellen erhalten hat, die mit ihr verbunden sind, aufnehmen.
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Die Erfindung ist bei bereits bestehenden Ausrüstungen anwendbar oder kann, bereits eingebaut, in neuen Ausrüstungen geliefert werden.
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Die 3a und 3b stellen einige Anwendungsbereiche der Erfindung dar. In 3a wird die Vorrichtung 10 bei einer Ausrüstung angewendet, die einen Schraubenzylinder 30 aufweist. In 3b wird sie dagegen bei einem Mehrachsensystem 31 angewendet.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung 10 für die Messung und Untersuchung von Vibrationen ist Folgende:
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Während der Einstellungsphase der Ausrüstung untersucht die Vorrichtung die vorhandenen Vibrationen, die im Wesentlichen von zwei Arten sind. Die erste Art von Vibrationen ist jene, die auf die inneren Bewegungen der Stellantriebe zurückzuführen ist, deren Frequenz aufgrund der Drehgeschwindigkeit des Motors bekannt ist. Je nach Art der verwendeten Ausrüstung können die Vibrationen unterschiedliche Gründe haben: Sie können zum Beispiel auf die Exzentrizität der Schraube eines Schraubenzylinders oder auf die Vibration des Riemens einer linearen Riemenachse zurückzuführen sein.
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Die zweite Art von Vibrationen ist jene, die auf die Eigenfrequenzen der mechanischen Ausrüstung zurückzuführen ist.
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Die Vibrationskomponenten in Verbindung mit diesen Frequenzen werden in der Phase der Überprüfung der Alarme abgezogen.
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Die Spektralanalyse (FFT) ermöglicht, die Komponenten der Vibrationen, die auf die verschiedenen Gründe zurückzuführen sind, zu identifizieren und die Normalbetriebs- und Schwellenwerte für jede dieser Kategorien einzustellen.
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In der Betriebsphase arbeitet die Vorrichtung 10 autonom, indem sie ständig die Vibrationsdaten untersucht, sie mit den im Vorhinein festgelegten Schwellenwerten vergleicht und einen visuellen Alarm auslöst, wenn die Schwellen überschritten werden.
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Außerdem überträgt die Vorrichtung 10 eine Zusammenfassung der Daten über das Wi-Fi-Kommunikationselement 15.
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Während der Betriebsphase kann die Vorrichtung einige fortgeschrittene Funktionen durchführen. Sie kann zum Beispiel einen Trigger-Vorgang auf einer Achse durchzuführen, wenn sie bei Ausrüstungen angewendet wird, die Stellantriebe mit einem definierten Maschinenzyklus umfassen.
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In diesem Fall werden unterschiedliche Schwellen in den verschiedenen Segmenten des Zyklus angewendet. Die Erkennung des Zyklussegments kann zum Beispiel von den Positions- und / oder von den Geschwindigkeitsdaten hergeleitet werden, die erhalten werden, indem die Beschleunigung integriert wird, wenn die Vorrichtung 10 auf dem beweglichen Teil angebracht wird.
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Alternativ dazu kann die Vorrichtung mit einem Positionssensor verbunden werden, wie zum Beispiel einem Hall-Sensor, und es kann das Eingangssignal verwendet werden, das von dem Positionssensor herrührt, der auf dem Zylinder oder der Achse des Stellantriebs platziert ist.
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Die Vorrichtung 10 ist auch bei Ausrüstungen mit Mehrachsensystemen anwendbar.
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Eine Karte kann zur Überwachung eines Mehrachsensystems verwendet werden, wie zum Beispiel die „Pick and Place“-Systeme.
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In diesem Fall wendet die Vorrichtung verschiedene Schwellen an und führt Messungen an verschiedenen Achsen abhängig vom Zyklussegment durch.
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In der Praxis wurde festgestellt, dass die Erfindung die Aufgabe und die gesetzten Ziele erfüllt, indem eine elektronische Vorrichtung für die Messung und Untersuchung von Vibrationen einer mechanischen Ausrüstung geschaffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: einen Mikrocontroller, einen Drei-Achsen-Beschleunigungssensor, ein Element zur Verstärkung und Filterung des Signals, ein Element zur Datenspeicherung, eine Schnittstelle zum Anwender und ein Element zur Datenkommunikation.
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Die auf diese Weise konzipierte Erfindung kann zahlreiche Abänderungen und Varianten haben, die alle in den Bereich der erfinderischen Idee fallen; außerdem können alle Details durch technisch gleichwertige andere Elemente ersetzt werden.
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In der Praxis können die verwendeten Materialien, vorausgesetzt, dass sie mit der speziellen Anwendung kompatibel sind, sowie die Abmessungen und die unwesentlichen Formen je nach Anforderung und Stand der Technik beliebig sein.
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Wo die Merkmale und erwähnten Techniken in einem beliebigen Anspruch von Bezugszeichen gefolgt sind, wurden diese Zeichen mit dem einzigen Zweck hinzugefügt, die Verständlichkeit der Ansprüche zu erhöhen; folglich haben diese Bezugszeichen keine einschränkende Wirkung auf die Auslegung jedes Elements, das rein als Beispiel mit diesen Bezugszeichen bezeichnet ist.
