DE102021204884A1

DE102021204884A1 - Vorrichtung zur Messung eines indikativen Parameters der Drehgeschwindigkeit eines Bauteils

Info

Publication number: DE102021204884A1
Application number: DE102021204884.6A
Authority: DE
Inventors: Jim Wei
Original assignee: SKF China Co Ltd China; SKF China Co Ltd Hong Kong
Current assignee: SKF China Co Ltd China; SKF China Co Ltd Hong Kong
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2022-11-17
Also published as: US20220364908A1; CN115343499A

Abstract

Die Vorrichtung (1) zum Messen eines indikativen Parameters einer Drehgeschwindigkeit eines Bauteils umfasst:- ein Erfassungsmittel (2), das ausgelegt ist, ein von einem Vibrationssensor (3) gesendetes Vibrationssignal zu empfangen;- einen Verstärkungsfilter (4), der ausgelegt ist, das Vibrationssignal auf der Grundlage eines vorbestimmten Frequenzbereichs in ein sinusförmiges Signal zu filtern, und- einen Komparator (5), der ausgelegt ist, ein Impulswellensignal aus dem Sinussignal zu erzeugen, um den Wert des Parameters abzulesen.

Description

Die Erfindung betrifft Signalverarbeitungsverfahren und -vorrichtungen, die geeignet sind, einen spezifischen Parameter aus einem erfassten Signal zu extrahieren.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verarbeitung von Vibrationssignalen, die sich auf rotierende Bauteile beziehen.
Um das Aus-/Einschalten oder die Regelung der Motorstromversorgung zu steuern, wenn beispielsweise die Drehgeschwindigkeit einen vorgegebenen Wert überschreitet, ist es wichtig, einen indikativen Parameter der Drehgeschwindigkeit einer Motorwelle zu messen und diese Information dem System bereitzustellen.
Da der Wert dieses Parameters wöchentlich gemäß spezifischer Normen oder Empfehlungen überprüft werden muss, ist es außerdem zweckmäßig, den Parameter auf einfache und schnelle Weise zu erhalten, insbesondere wenn eine große Anzahl von Bauteilen überprüft werden muss.
Diese Überprüfung sollte auch während der Herstellung von Motoren durchgeführt werden. So wird beispielsweise beim Bau eines Elektromotors die Drehgeschwindigkeit der Welle gemäß dem aufgenommenen Strom geregelt.
Diese Prüfung erfordert den Einsatz eines schnellen und genauen Drehgeschwindigkeitsmessgeräts.
In der Industrie gibt es verschiedene Lösungen zur Messung der Drehgeschwindigkeit von Bauteilen, wie z. B. ein Tachometer.
Genauer gesagt handelt es sich bei einem Tachometer um ein Instrument zur Messung der Geschwindigkeit eines beweglichen Objekts. Er kann mechanisch, optisch oder mit Wirbelstrom arbeiten.
Optische Tachometer, die insbesondere für Messungen an rotierenden Objekten verwendet werden, senden beispielsweise Licht aus, das von einem Target reflektiert wird und zu dem Gerät zurückkehrt, das mit einem Empfänger versehen ist.
Die Geschwindigkeit wird also durch Zählen der Frequenz, mit der der Lichtstrahl reflektiert wird, gemessen.
Diese Lösung ist jedoch sehr platzraubend und erfordert eine komplexe Installation am oder im Bauteil.
Ferner muss, wenn ein Kraftübertragungssystem mehrere Wellen hat, die durch ein Getriebe verbunden sind, der Tachometer für jede Welle installiert werden.
Außerdem wird bei anderen Lösungen nur die durchschnittliche Drehgeschwindigkeit während der gesamten Datenerfassungszeit geschätzt, indem das Spektrum des Vibrationssignals untersucht wird.
Die durchschnittliche Drehgeschwindigkeit kann jedoch nicht dazu verwendet werden, eine gute Diagnose des Bauteils bereitzustellen, insbesondere wenn die Drehgeschwindigkeit stark schwankt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen genauen Wert des Parameters auf vereinfachte und schnelle Weise zu messen und gleichzeitig den Platzbedarf im Bauteil zu minimieren.
Zu diesem Zweck ist gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Messung einer Kenngröße der Drehgeschwindigkeit eines Bauteils bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst

- Erfassen eines Vibrationssignals, das von einem an dem Bauteil befestigten Vibrationssensor erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst:
- Filtern des Vibrationssignals, basierend auf einem vorbestimmten Frequenzbereich, in ein sinusförmiges Signal und,
- Erzeugen eines Pulswellensignals aus dem Sinussignal, um den Wert des Parameters abzulesen.

Mit dieser Methode wird der Parameter aus dem Vibrationssignal abgeleitet.
Wird dieses Verfahren auf eine Kraftübertragungskette angewandt, so werden für alle Wellen eines Getriebes Signale erzeugt, die mit dem Parameter in Zusammenhang stehen.
Konkret wird das von einem Sensor gelieferte Vibrationssignal als Funktion der Zeit dargestellt. Diese Darstellung wird verwendet, um das Vibrationsverhalten des Bauteils während seiner Nutzung zu verfolgen.
Da das Vibrationssignal jedoch schwer abzulesen ist, ist es vorzuziehen, es zunächst in ein durch seine Amplitude definiertes Sinussignal zu zerlegen.
Dieses sinusförmige Signal kann dann in Form eines Impulswellensignals, dem so genannten Tastverhältnis, dargestellt werden, mit dessen Hilfe der Wert des genannten Parameters abgelesen werden kann.
Mit anderen Worten wird jedes Vibrationssegment durch einen vertikalen Balken dargestellt, dessen Abszisse die Zeit und dessen Ordinate die Amplitude darstellt.
Auf diese Weise ist es möglich, sie beispielsweise in eine Drehgeschwindigkeit umzuwandeln, ohne einen Drehgeschwindigkeitssensor zu verwenden. Mit anderen Worten wird die Installation eines Sensors, der zu der Erfassung dieses Parameters ausgelegt ist, unnötig.
In einer Ausführungsform ist der vorbestimmte Frequenzbereich ein Frequenzbereich der Variation des genannten Parameters.
Insbesondere dann, wenn der Wert des Parameters unter optimalen Bedingungen und sein Variationsbereich bekannt sind, ist es vorteilhaft, diese Informationen zu verwenden, um die Bandbreite für die Anwendung der Filterung zu wählen.
In einer Ausführungsform ist das Bauteil eine Antriebswelle.
In einer Ausführungsform ist der Parameter die Rotationsfrequenz der Antriebswelle.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Parameter die Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle.
In einer Variante handelt es sich bei dem Bauteil um eine Zentrifugalpumpe.
In einer Ausführungsform ist der Parameter der Schaufeldurchgang der Zentrifugalpumpe.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Messung eines indikativen Parameters der Drehgeschwindigkeit eines Bauteils, umfassend:

- ein Erfassungsmittel, der ausgelegt ist, ein Vibrationssignal zu empfangen, das von einem an dem Bauteil befestigten Vibrationssensor gesendet wird;
- einen Verstärkungsfilter, der ausgelegt ist, das Vibrationssignals basierend auf einem vorbestimmten Frequenzbereich in ein sinusförmiges Signal zu filtern, und
- einen Komparator, der ausgelegt ist, ein Impulswellensignal aus dem Sinussignal zu erzeugen, um den Wert des Parameters abzulesen.

Der Verstärkungsfilter verstärkt oder reduziert die Mittelfrequenzbänder gemäß der Einstellung von zumindest drei Filterparametern, nämlich der Mittenfrequenz, einer Bandbreite und einer Verstärkung.
In einer Ausführungsform ist der vorbestimmte Frequenzbereich ein Frequenzbereich der Variation des Parameters.
Die Erfindung umfasst weiter eine integrierte Schaltung, die eine Vorrichtung zur Messung eines indikativen Parameters der Drehgeschwindigkeit eines Bauteils wie oben definiert umfasst.
Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden besser verstanden, wenn man die detaillierte Beschreibung einer spezifischen Ausführungsform studiert, die als nicht einschränkendes Beispiel gegeben und durch die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht wird, auf denen:

1 schematisch eine Vorrichtung zeigt, die ausgelegt ist, einen indikativen Parameter der Drehgeschwindigkeit eines Bauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu messen;
2A eine erste Grafik G1 zeigt, die eine Vibrationsamplitude gemäß der Zeit illustriert;
2B eine zweite Grafik G2 zeigt, die die Amplitude in Abhängigkeit von der Zeit in Form eines sinusförmigen Signals darstellt; und
2C eine dritte Grafik G3 zeigt, die ein Impulswellensignal darstellt.

1 zeigt eine Vorrichtung 1, die ausgelegt ist, einen indikativen Parameter der Drehgeschwindigkeit eines Bauteils wie einer Zentrifugalpumpe oder einer Antriebswelle zu messen.
Handelt es sich bei dem Bauteil beispielsweise um eine Zentrifugalpumpe, kann der Parameter die Schaufeldurchgangsfrequenz der Zentrifugalpumpe sein.
Handelt es sich bei dem Bauteil um die Antriebswelle eines Motors, so kann der Parameter in diesem Fall die Drehfrequenz der Antriebswelle oder ihre Drehgeschwindigkeit sein.
Eine solche Vorrichtung 1 kann in eine integrierte Schaltung eingebettet sein.
Um den Wert des Parameters zu bestimmen, umfasst die Vorrichtung 1 Erfassungsmittel 2, die zum Empfang eines Vibrationssignals ausgelegt sind, das von einem außerhalb der Vorrichtung befindlichen und an dem Bauteil befestigten Vibrationssensor 3 gesendet wird.
Das Vibrationssignal stellt die Vibrationsamplitude (G) in Abhängigkeit von der Zeit (T) dar, wie in 2A dargestellt.
Selbstverständlich kann der Vibrationssensor 3 durch jedes andere Gerät ersetzt werden, das zu einer Erfassung des Vibrationssignals ausgelegt ist.
Der Vibrationssensor 3 kann mit den Erfassungsmitteln 2 verdrahtet oder drahtlos an diese gekoppelt sein.
Da das Vibrationssignal jedoch schwer zu lesen ist, umfasst die Vorrichtung 1 ferner einen Verstärkungsfilter 4, der mit den Erfassungsmitteln 2 gekoppelt und so ausgelegt ist, dass er das Vibrationssignal als Eingangssignal empfängt.
Der Verstärkungsfilter 4 ist weiter ausgelegt, um das Vibrationssignal in ein sinusförmiges Signal umzuwandeln, das durch seine über die Zeit (T) fortschreitende Amplitude (A) definiert ist, wie in 2B dargestellt.
Zu diesem Zweck wird das Verstärkungsfilter 4 gemäß mindestens drei Filterparametern aufgebaut, nämlich der Mittenfrequenz, einer Bandbreite und einer Verstärkung.
Der Aufbau des Verstärkungsfilters 4 erfolgt weiter auf der Grundlage des Variationsbereichs der genannten Parameter. Somit ist der Verstärkungsfilter 4 so ausgelegt, dass er einen vorgegebenen Frequenzbereich extrahiert, der einen Variationsbereich des Parameters umfasst.
Es ist beispielsweise bekannt, dass die Eingriffsfrequenz eines Getriebes bei einer Geschwindigkeit von 40 km/h unter optimalen Bedingungen im Allgemeinen 775,21 Hz beträgt. Auf der Grundlage dieser Information kann die Zentralfrequenz auf 775 Hz, die Bandbreite auf 200 Hz und die Verstärkung auf 100 eingestellt werden, um die Geschwindigkeitsvariation zu ermöglichen.
Um den Parameterwert an dem vom Verstärkungsfilter 4 ausgegebenen Sinussignal abzulesen, umfasst die Vorrichtung 1 auch einen Komparator 5, der mit dem Verstärkungsfilter 4 gekoppelt und so ausgelegt ist, dass er als Ausgang ein Impulswellensignal aus dem Sinussignal erzeugt.
Insbesondere stellt das Impulswellensignal die Entwicklung der Amplitude (A) über die Zeit (T) dar, wie in 2C gezeigt.
Das Impulswellensignal wird hier verwendet, um ein Tastverhältnis darzustellen, mit dessen Hilfe der Wert des genannten Parameters, wie z. B. die Drehgeschwindigkeit des Bauteils, ohne Verwendung eines Drehgeschwindigkeitssensors abgelesen werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten. So kann die Vorrichtung 1 beispielsweise am Bauteil angebracht sein und den Parameter drahtlos übertragen.
Die Vorrichtung kann sich auch außerhalb des Bauteils befinden und so ausgelegt sein, dass sie das Vibrationssignal aus der Ferne empfängt.

Claims

Verfahren zur Messung eines indikativen Parameters einer Drehgeschwindigkeit eines Bauteils, umfassend die folgenden Schritte - Erfassen eines Vibrationssignals, das von einem an dem Bauteil befestigten Vibrationssensor (3) erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: - Filtern des Vibrationssignals, basierend auf einem vorbestimmten Frequenzbereich, in ein sinusförmiges Signal und, - das Erzeugen eines Impulswellensignals aus dem Sinussignal, um den Wert des Parameters abzulesen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Frequenzbereich ein Frequenzbereich der Variation des Parameters ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Bauteil eine Antriebswelle ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Parameter die Drehfrequenz der Antriebswelle ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Parameter die Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bauteil eine Zentrifugalpumpe ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der Parameter die Schaufeldurchgangsfrequenz der Zentrifugalpumpe ist.
Vorrichtung (1) zum Messen eines indikativen Parameters einer Drehgeschwindigkeit eines Bauteils, umfassend: - ein Erfassungsmittel (2), das ausgebildet ist, ein Vibrationssignal zu empfangen, das von einem an dem Bauteil befestigten Vibrationssensor (3) gesendet wird; - einen Verstärkungsfilter (4), der ausgelegt ist, das Vibrationssignal basierend auf einem vorbestimmten Frequenzbereich in ein sinusförmiges Signal zu filtern, und - einen Komparator (5), der ausgelegt ist, ein Impulswellensignal aus dem Sinussignal zu erzeugen, um den Wert des Parameters abzulesen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 8, wobei der vorbestimmte Frequenzbereich ein Frequenzbereich der Variation des Parameters ist.
Integrierte Schaltung, umfassend eine Vorrichtung zur Messung eines die Drehgeschwindigkeit eines Bauteils (1) anzeigenden Parameters gemäß Anspruch 9.