DE102022105370B3

DE102022105370B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bewertung eines Zustands eines Objekts sowie Computerprogramm

Info

Publication number: DE102022105370B3
Application number: DE102022105370.9A
Authority: DE
Inventors: Raino Petričević
Original assignee: iNDTact GmbH
Current assignee: iNDTact GmbH
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2042-03-09

Abstract

Verfahren zur Bewertung eines Zustands eines Objekts (2), umfassend folgende Schritte:- Erhalten einer Anregungsinformation (4), die eine mechanische Anregung des Objekts (2) beschreibt;- Erzeugen einer Vielzahl spektraler Anregungswerte (7) in Abhängigkeit der Anregungsinformation (4) mittels einer Frequenzanalyse, wobei die spektralen Anregungswerte (7) jeweils einem Spektralabschnitt von mehreren vorgegeben Spektralabschnitten zugeordnet sind;- Ermitteln eines Anregungskompensationswerts (7b) durch Verknüpfung der spektralen Anregungswerte (7) über einen einen oder mehrere der Spektralabschnitte umfassenden ersten Spektralbereich;- Ermitteln normierter spektraler Anregungswerte (7c) durch Normierung der spektralen Anregungswerte (7) mittels des Anregungskompensationswerts (7b) innerhalb eines einen oder mehrere der Spektralabschnitte umfassenden zweiten Spektralbereichs, der nicht deckungsgleich mit dem ersten Spektralbereich ist;- Erhalten einer Vielzahl normierter spektraler Referenzanregungswerte (9), die sich auf einen Referenzzustand des Objekts (2) beziehen, einem jeweiligen der Spektralabschnitte des zweiten Spektralbereichs zugeordnet sind und mittels eines über den ersten Spektralbereich gebildeten Referenzkompensationswerts normiert sind; und- Ermitteln relativer Anregungswerte (11) für zumindest einen Teil der Spektralabschnitte des zweiten Spektralbereichs durch In-Bezug-Setzen des dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Anregungswerts (7c) mit dem dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Referenzanregungswert (9).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung eines Zustands eines Objekts. Daneben betrifft die Erfindung ein Computerprogramm sowie eine Vorrichtung zur Bewertung eines Zustands eines Objekts.
Die Druckschrift DE 10 2018 210 470 A1 offenbart ein Verfahren zur Schadensfrüherkennung einer Maschine, bei dem ein Schwingungssignal einer Maschine erfasst wird, ein Signal vom Zeitbereich in ein Bildbereich transformiert wird, eine gemäß einer Betriebsgröße bestimmte dominante Anregung betragsmäßig reduziert wird und ein Signalwert mit einem Vergleichswert verglichen wird.
Die Druckschrift US 6 425 293 B1 offenbart ein Verfahren, bei dem eine Vibration erfasst und durch Durchführung einer FFT ein Vibrationsspektrum erhalten wird. Das Vibrationsspektrum wird in N Bänder aufgeteilt und für jedes Band eine spektrale Energie erzeugt. Die spektrale Energie in einem jeweiligen Band wird mit spektralen Energieschwellwerten verglichen. Für jedes Band werden numerische Werte jedem Überschreiten eines Schwellwerts zugeordnet. Die nummerischen Werte werden summiert und mit weiteren Schwellwerten verglichen.
Die Druckschrift US 2011 / 0 062 339 A1 offenbart ein Verfahren zur akustischen Thermografie, bei dem eine Ultraschallanregung erfolgt und ein Testspektrum erfasst und mit einem Referenzspektrum verglichen wird.
Die nachveröffentlichte Druckschrift DE 10 2020 123 548 A1 offenbart ein Verfahren zur Bewertung eines Zustands eines Objekts, umfassend folgende Schritte: Erhalten einer Anregungsinformation, die eine mechanische Anregung des Objekts beschreibt; Erzeugen einer Vielzahl spektraler Anregungswerte in Abhängigkeit der Anregungsinformation mittels einer Frequenzanalyse, wobei die spektralen Anregungswerte jeweils einem Spektralabschnitt von mehreren vorgegeben Spektralabschnitten zugeordnet sind; Erhalten einer Vielzahl spektraler Referenzanregungswerte, die sich auf einen Referenzzustand des Objekts beziehen und einem jeweiligen der Spektralabschnitte zugeordnet sind; und Ermitteln relativer Anregungswerte für zumindest einen Teil der Spektralabschnitte durch In-Bezug-Setzen des dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten spektralen Anregungswerts mit dem dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten spektralen Referenzanregungswert.
Bei herkömmlichen Zustandsbewertungsverfahren werden typischerweise aus einer Anregungsinformation, die eine mechanische Anregung des Objekts beschreibt, mittels einer Frequenzanalyse spektrale Anregungswerte ermittelt. Aus diesen wird sodann durch eine die spektralen Anregungswerte über die Frequenz aufsummierende Funktion ein Kennwert ermittelt. Dieser Kennwert wird mit einem Referenzwert verglichen, der auf im Wesentlichen gleichen Weg aus einer Anregungsinformation, die in einem Referenzzustand des Objekts erfasst wurde, ermittelt worden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Möglichkeit zur Bewertung eines Zustands eines Objekts anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bewertung eines Zustands eines Objekts, umfassend folgende Schritte: Erhalten einer Anregungsinformation, die eine mechanische Anregung des Objekts beschreibt; Erzeugen einer Vielzahl spektraler Anregungswerte in Abhängigkeit der Anregungsinformation mittels einer Frequenzanalyse, wobei die spektralen Anregungswerte jeweils einem Spektralabschnitt von mehreren vorgegeben Spektralabschnitten zugeordnet sind; Ermitteln eines Anregungskompensationswerts durch Verknüpfung der spektralen Anregungswerte über einen einen oder mehrere der Spektralabschnitte umfassenden ersten Spektralbereich; Ermitteln normierter spektraler Anregungswerte durch Normierung der spektralen Anregungswerte mittels des Anregungskompensationswerts innerhalb eines einen oder mehrere der Spektralabschnitte umfassenden zweiten Spektralbereichs, der nicht deckungsgleich mit dem ersten Spektralbereich ist; Erhalten einer Vielzahl normierter spektraler Referenzanregungswerte, die sich auf einen Referenzzustand des Objekts beziehen, einem jeweiligen der Spektralabschnitte des zweiten Spektralbereichs zugeordnet sind und mittels eines über den ersten Spektralbereich gebildeten Referenzkompensationswerts normiert sind; und Ermitteln relativer Anregungswerte für zumindest einen Teil der Spektralabschnitte des zweiten Spektralbereichs durch In-Bezug-Setzen des dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Anregungswerts mit dem dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Referenzanregungswert.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass einzelne, durch die Frequenzanalyse erzeugte spektrale Anregungswerte mit den bezüglich der Spektralabschnitte korrespondierenden spektralen Referenzanregungswerten in Bezug gesetzt werden, um so auf die Spektralabschnitte bezogene relative Anregungswerte zu erhalten. Im Vergleich zu einem herkömmlichen In-Bezug-Setzen aufsummierter spektraler Anregungswerte und aufsummierter spektraler Referenzanregungswerte kann eine Zustandsabweichung dadurch auf den jeweiligen Spektralabschnitt bezogen ermittelt werden, sodass vorteilhafterweise der gesamte Informationsgehalt über das Spektrum der spektralen Anregungswerte gleichzeitig genutzt werden kann.
Während bei herkömmlichen Verfahren die Auswahl des Spektralabschnitte bereits so erfolgen muss, dass für eine Zustandsabweichung relevante Spektralabschnitte bei der Ermittlung der spektralen Referenzanregungswerte und der spektralen Anregungswerte abgedeckt sind, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine gar nicht erwartete Änderung der spektralen Anregungswerte in einzelnen Spektralabschnitte erkannt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren hat daher den Vorteil, universell einsetzbar zu sein, auch wenn relevante Spektralabschnitte unbekannt sind, so dass gerade bei der Verwendung breitbandiger Sensoren, welche die mechanische Anregung erfassen, deren Erfassungspotential voll ausgenutzt werden kann.
Durch die Normierung der spektralen Anregungswerte und die Verwendung normierter spektraler Referenzanregungswerte können nicht für die Zustandsbewertung relevante, beispielsweise last- und/oder temperaturabhängige, Einflüsse auf das Objekt kompensiert werden. Dementsprechend kann der erste Spektralbereich als repräsentativ für diese nicht relevanten Einflüsse gewählt und über diesen Spektralbereich der Anregungs- und Referenzkompensationswert ermittelt werden. Anhand des Anregungs- und Referenzkompensationswerts können diese Einflüsse dann im zweiten Spektralbereich, der insbesondere die für die Bewertung des Zustands relevanten Spektralabschnitte umfasst, kompensiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt so eine intrinsische Kompensation dieser Einflüsse ohne weitere Messwerte für eine extrinsische Kompensation erfassen und verarbeiten zu müssen. Der Zustand des Objekts kann so kontinuierlich ermittelt und bewertet werden.
Mit besonderem Vorteil erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren auch, Abweichungen in Spektralabschnitten hoher Frequenz mit einem geringen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) wirkungsvoll zu erfassen, da die relativen Anregungswerte für diese hohen Spektralabschnitte die Abweichung unabhängig von Abweichungen in niedrigeren - und damit dominanteren - Spektralabschnitten enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sehr flexibel eingesetzt werden. Der Zustand kann beispielsweise ein Verschleiß, eine Mangelschmierung, eine Verschmutzung, eine Ermüdung, ein Defekt, ein Betriebszustand, eine Intaktheit, ein Gesundheitszustand, eine Qualität, eine Auslastung, ein Kraftaufwand, eine Leistungsaufnahme, ein Füllstand, eine Härte oder eine Fluidfördergröße sein. Auch hinsichtlich des Objekts sind eine Vielzahl von Anwendungsfälle denkbar: So kann das Objekt eine Maschine, eine Anlage, ein Maschinenelement, insbesondere ein Getriebe, ein Lager, eine Pumpe, ein Motor oder ein Roboter, ein Fertigungswerkzeug, ein Land-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug oder ein Teil davon, eine Struktur, ein Bauteil oder ein Bauwerk oder ein Teil davon sein. Auch ist es möglich, dass das Objekt ein Körperteil eines Lebewesens, insbesondere eines Tieres oder eines Menschen, ist.
Dabei kann der Betriebszustand ein stationärer Betriebszustand oder ein nicht-stationärer Betriebszustand, insbesondere mit einem beliebigen oder charakteristischen Verlauf sein. Die Maschine kann eine Spritzgießmaschine sein. Das Lager kann ein Schwenklager, beispielsweise bei einem Kran oder einer Windkraftanlage sein. Bei einer Windkraftanlage kann das Schwenklager ein Pitchlager sein. Das Objekt kann ferner ein Stellantrieb oder ein Ein- und Ausfahrmechanismus, insbesondere eines Sonnensegels eines Satelliten, eines Fahrwerks eines Flugzeugs oder eines Weichenstellantriebs, sein.
Der Anregungskompensationswert und/oder der Referenzkompensationswert können ein skalarer Wert oder um eine über die Frequenz definierte Wertemenge sein. Außerdem kann der erste Spektralbereich derart gewählt sein, dass der Anregungskompensationswert eine Funktion, insbesondere proportional zu, einer Drehzahl und/oder einem Drehmoment und/oder einer Temperatur des Objekts und/oder einer auf das Objekt einwirkenden Kraft ist.
Da sich empirisch gezeigt hat, dass bei einer Reihe von Objektzuständen eine sich eine Verschlechterung des Zustands des Objekts eher in niedrigen Frequenzbereichen als in hohen Frequenzbereichen auswirkt, kann in bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass der erste Spektralbereich und der zweite Spektralbereich jeweils durch eine Maximalfrequenz begrenzt sind und die Maximalfrequenz des ersten Spektralbereichs höher als die Maximalfrequenz des zweiten Spektralbereichs ist. Abhängig vom Zustand des Objekts ist es jedoch alternativ auch möglich, dass der erste Spektralbereich und der zweite Spektralbereich jeweils durch eine Maximalfrequenz begrenzt sind und die Maximalfrequenz des zweiten Spektralbereichs höher als die Maximalfrequenz des ersten Spektralbereichs ist.
Zudem gibt es Objektzustände, bei denen sich die Verschlechterung des Zustands hauptsächlich oder sogar ausschließlich bei mittleren Frequenzen abspielt. Genauso gibt es Objektzustände, bei denen sich die Verschlechterung des Zustands sowohl bei den eher niedrigen als auch bei den eher hohen Frequenzen abspielt jedoch weniger oder überhaupt nicht in den eher mittleren Frequenzen.
Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass der erste Spektralbereich solche Spektralabschnitte umfasst, in denen eine lastabhängige und/oder temperaturabhängige und durch den Anregungskompensationswert und/oder den Referenzkompensationswert zumindest teilweise kompensierbare Veränderung der spektralen Anregungswerte zu erwarten ist. Typischerweise wirkt sich die kompensierbare Veränderung im ersten Spektralbereich linear oder nahezu linear aus. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass sich die kompensierbare Veränderung in diesem ersten Spektralbereich in besonderen Fällen auch nichtlinear also nach einer beliebigen (z. B. analytischen) Funktion auf die Anregungs- bzw. Referenzanregungswerte auswirkt. Insbesondere ist im ersten Spektralbereich keine oder nur eine geringe für die Bewertung des Zustands des Objekts relevante Veränderung der spektralen Anregungswerte zu erwarten.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der zweite Spektralbereich solche Spektralabschnitte umfasst, in denen über die Zeit eine Zustandsveränderung des Objekts zu erwarten ist.
Hinsichtlich der Wahl des ersten Spektralbereichs kann vorgesehen sein, dass dieser ein zusammenhängender Bereich von mehreren der Spektralabschnitte ist. Es ist aber auch möglich, dass der erste Spektralbereich aus mehreren voneinander spektral beabstandeten Teilbereichen aus jeweils mehreren der Spektralabschnitte besteht.
Es wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner bevorzugt, wenn die Verknüpfung der spektralen Anregungswerte eine Integration der spektralen Anregungswerte umfasst. Mathematisch ausgedrückt kann dies bespielweise bedeuten: $A = \sum_{n} \int_{f n_{1}}^{f n_{2}} p_{i} d f$
$c = \frac{1}{A}$
Dabei bezeichnet c den als skalaren Normierungsfaktor ausgedrückten Anregungskompensationswert, p_i die spektralen Anregungswerte, fn₁, fn₂ die Grenzen des ersten Spektralbereichs bzw. die Grenzen eines jeweiligen von n Teilbereichen des ersten Spektralbereichs und ƒ die Frequenz.
Die Verknüpfung kann ferner eine Gewichtung eines Ergebnisses der Integration mit einer Gewichtungsfunktion umfassen. In diesem Fall gilt: $c = G (f) \cdot \frac{1}{A}$
Dabei bezeichnet G(f) die Gewichtungsfunktion.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können der erste Spektralbereich und der zweite Spektralbereich überschneidungsfrei sein. Es ist aber auch möglich, dass sich der erste Spektralbereich und der zweite Spektralbereich überlappen.
Typischerweise beschreiben die spektralen Anregungswerte eine physikalische Größe und die normierten Referenzanregungswerte die durch den Referenzkompensationswert normierte physikalische Größe. Die physikalische Größe ist beispielsweise eine Amplitude, eine Phase, eine Leistung oder eine spektrale Leistungsdichte (engl. power spectral density - PSD).
Es kann vorgesehen sein, dass die spektralen Anregungswerte einen Effektivwert, einen Betragsmaximalwert oder eine Amplitudenverteilungsdichte oder einen daraus abgeleiteten Wert, insbesondere einen Crestfaktor oder einen Kurtosisfaktor, der physikalischen Größe beschreiben. Entsprechend können die normierten Referenzanregungswerte einen durch den Referenzkompensationswert normierten Effektivwert, einen durch den Referenzkompensationswert normierten Betragsmaximalwert oder eine durch den Referenzkompensationswert normierte Amplitudenverteilungsdichte oder einen daraus abgeleiteten Wert, insbesondere einen Crestfaktor oder einen Kurtosisfaktor, der physikalischen Größe beschreiben.
Es wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wenn im Schritt des Erzeugens der Vielzahl spektraler Anregungswerte die spektralen Anregungswerte in einer vorgegebenen Datenstruktur, insbesondere einer Matrix, einem Vektor, einer Liste oder einem Datenfeld (englisch array), gespeichert werden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Vielzahl spektraler Referenzanregungswerte in einer vorgegebenen Datenstruktur, insbesondere einer Matrix, einem Vektor, einer Liste oder einem Datenfeld, bereitgestellt wird. Außerdem kann vorgesehen sein, dass im Schritt des Ermittelns der Vielzahl relativer Anregungswerte die relativen Anregungswerte in einer vorgegebenen Datenstruktur, insbesondere einer Matrix, einem Vektor, einer Liste oder einem Datenfeld, gespeichert werden. Eine „Datenstruktur“ im vorgenannten Sinne kann auch allgemein als Zahlenliste aufgefasst werden.
Außerdem können die normierten spektralen Anregungswerte für ein Zeitintervall oder gemittelt über mehrere Zeitintervalle erzeugt werden. Dadurch können die normierten spektralen Anregungswerte gefenstert erzeugt werden.
Alternativ oder zusätzlich können die normierten spektralen Referenzanregungswerte für ein Zeitintervall oder gemittelt über mehrere Zeitintervalle erzeugt werden. Entsprechend können die normierten spektralen Referenzanregungswerte auch gefenstert erzeugt werden.
Eine Mittelung der normierten spektralen Anregungswerte und/oder der normierten spektralen Referenzanregungswerte über mehrere Zeitintervalle in Folge ist insbesondere für sich wiederholende Betriebszustände mit kurzen quasi-stationären Zeitintervallen vorteilhaft, um das SNR zu verbessern.
Zweckmäßigerweise können die Spektralabschnitte disjunkt und/oder über den Frequenzbereich definiert sein. Alternativ oder zusätzlich können die Spektralabschnitte gleich groß oder unterschiedlich groß sein, insbesondere logarithmisch eingeteilt sein. Die Spektralabschnitte können zusammenhängend oder getrennt sein. Bevorzugt werden die spektralen Anregungswerte über ein vorgegebenes, die Spektralabschnitte umfassendes Frequenzband ermittelt.
Die relativen Anregungswerte können für alle Spektralabschnitte des zweiten Spektralbereichs ermittelt werden. Es ist aber auch möglich, dass einzelne Spektralabschnitte oder ein Intervall von Spektralabschnitten durch einen Nutzer manuell und/oder automatisch ausgewählt werden bzw. wird.
Bevorzugt weisen die relativen Anregungswerte einen kontinuierlichen, insbesondere reellen, Wertebereich auf. Dadurch können auch geringfügige Abweichungen von den Referenzanregungswerten aufgelöst werden.
Im Hinblick auf die Frequenzanalyse ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren typischerweise vorgesehen, dass sie mittels einer Fourieranalyse, insbesondere mittels kontinuierlicher Fouriertransformation, diskreter Fouriertransformation, schneller Fouriertransformation oder Fouriertransformation für zeitdiskrete Signale, oder mittels einer Ermittlung der bzw. einer spektralen Leistungsdichte erfolgt.
Das Verfahren kann insbesondere bei verhältnismäßig groben Frequenzauflösungen mit guten Ergebnissen durchgeführt werden. So kann vorgesehen sein, dass die Frequenzanalyse eine Frequenzauflösung von wenigstens 1 Hz, ferner bevorzugt wenigstens 10 Hz, ferner bevorzugt wenigstens 100 Hz, besonders bevorzugt wenigstens 1 kHz, aufweist. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine erhebliche Reduktion anfallender Datenmengen.
Nichtsdestotrotz kann das Verfahren auch mit verhältnismäßig feinen Frequenzauflösungen durchgeführt werden. So kann vorgesehen sein, dass die Frequenzanalyse eine Frequenzauflösung höchstens 1 Hz, bevorzugt höchstens 10^-1 Hz, ferner bevorzugt höchstens 10^-2 Hz, ferner bevorzugt höchstens 10^-3 Hz, besonders bevorzugt höchstens 10^-4 Hz, aufweist.
Typischerweise ist vorgesehen, dass im Schritt des Ermittelns der relativen Anregungswerte die jeweiligen normierten spektralen Anregungswert und die zugehörigen normierten spektralen Referenzanregungswerte durch Dividieren in Bezug gesetzt werden.
Mit besonderem Vorteil kann das erfindungsgemäße Verfahren auch folgenden Schritt umfassen: Ermitteln einer Zustandsbewertungsgröße durch eine Zustandsbewertungsfunktion, welche als Parameter die relativen Anregungswerte und/oder aus den relativen Anregungswerten abgeleitete Werte verknüpft. Bei der Ermittlung einer solchen Zustandsbewertungsgröße wird insbesondere vermieden, dass spektralabschnittspezifische Abweichungen des spektralen Anregungswerts vom spektralen Referenzanregungswert durch vorherige Summenbildung ausgeglichen werden und somit „verschmieren“. Die Zustandsbewertungsfunktion kann allgemein mit Q(x_i) bezeichnet werden, wobei Q die Zustandsbewertungsgröße, x_i die Parameter und 1 ≤ i ≤ n die n Spektralabschnitte bezeichnen. Die Zustandsbewertungsgröße hat zweckmäßigerweise skalare Werte.
Es ist dabei möglich, dass die relativen Anregungswerte direkt als Parameter der Zustandsbewertungsfunktion verknüpft werden. In diesem Fall ist $x_{i} = q_{i} (c \cdot p_{i}, c_{0} \cdot p_{i}^{0})$

wobei $q_{i} (c \cdot p_{i}, c_{0} \cdot p_{i}^{0})$
die relativen Anregungswerte bezeichnet, die durch das In-Bezug-Setzen der normierten spektralen Anregungswerte c · p_i und der normierten spektralen Referenzanregungswerte $c_{0} \cdot p_{i}^{0}$
ermittelt werden. Dabei bezeichnet c₀ den Referenzkompensationswert und $p_{i}^{0}$
einen (unnormierten) spektralen Referenzanregungswert. Erfolgt das In-Bezug-Setzung durch Division kann $q_{i} = \frac{c \cdot p_{i}}{c_{0} \cdot p_{i}^{0}}$
sein.
Mit besonderem Vorteil ist jedoch vorgesehen, dass als jeweiliger Parameter ein aus einem invertierten relativen Anregungswert ermittelter Parameterwert verwendet wird, wenn der normierte spektrale Anregungswert kleiner als der normierte spektrale Referenzanregungswert ist, und der relative Anregungswert verwendet wird, wenn der normierte spektrale Anregungswert größer als der normierte spektrale Referenzanregungswert ist. Alternativ kann als jeweiliger Parameter ein aus einem invertierten relativen Anregungswert ermittelter Parameterwert verwendet werden, wenn der normierte spektrale Anregungswert größer als der normierte spektrale Referenzanregungswert ist, und der relative Anregungswert verwendet werden, wenn der normierte spektrale Anregungswert kleiner als der normierte spektrale Referenzanregungswert ist. So können Abweichung des normierten spektralen Anregungswerts vom normierten spektralen Referenzanregungswert in beide Richtungen, also sowohl eine Verringerung des normierten spektralen Anregungswerts als auch eine Erhöhung des normierten spektralen Anregungswerts, die Zustandsbewertungsgröße in gleicher Weise beeinflussen. Bei herkömmlichen Verfahren, welche die spektralen Anregungswerte lediglich aufsummieren, gleichen sich Abweichungen nach oben und nach unten in unterschiedlichen Spektralabschnitten indes aus, was die Aussagekraft der Zustandsbewertungsgröße erheblich verringern kann.
Formelmäßig kann dabei gelten: $x_{i} = q_{i} {(p_{i}, p_{i}^{0})}^{sign (c \cdot p_{i} - c_{0} \cdot p_{i}^{0})} oder x_{i} = q_{i} {(p_{i}, p_{i}^{0})}^{sign (c_{0} \cdot p_{i}^{0} - c \cdot p_{i})}$
wobei sign(·) die Signum-Funktion bezeichnet und im Übrigen die vorgenannten Bezeichnungen gelten. Für den Fall des In-Bezug-Setzens durch Division gilt dann insbesondere: $x_{i} = {(\frac{c \cdot p_{i}}{c_{0} \cdot p_{i}^{0}})}^{sign (c \cdot p_{i} - c_{0} \cdot p_{i}^{0})}$
beziehungsweise $x_{i} = {(\frac{c \cdot p_{i}}{c_{0} \cdot p_{i}^{0}})}^{sign (c_{0} \cdot p_{i}^{0} - c \cdot p_{i})}$
Für die konkrete Ausgestaltung der Zustandsbewertungsfunktion stehen eine Vielzahl von Möglichkeiten offen: So kann die Zustandsbewertungsfunktion eine Summation, die Bildung eines arithmetischen Mittelwerts, die Bildung eines Effektivwerts oder die Bildung einer Zero-Crossing Rate umfassen. Die Zero-Crossing Rate ist dabei eine Anzahl von Nulldurchgängen, insbesondere der Phase. Alternativ oder zusätzlich kann die Zustandsbewertungsfunktion eine Gewichtung der Parameter, insbesondere mittels rationaler, reeller oder eine irrationale Komponente aufweisender komplexer Gewichtungsfaktoren und/oder mittels linearer oder exponentieller Gewichtungsfaktoren und/oder frequenzabhängiger Gewichtungsfaktoren, umfassen.
Wenn die Zustandsbewertungsfunktion die Bildung eines arithmetischen Mittelwerts umfasst, kann diese durch folgende Formel ausgedrückt werden: $Q (x_{i}) = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} x_{i}$
Wenn die Zustandsbewertungsfunktion die Bildung eines arithmetischen Mittelwerts und eine Gewichtung umfasst, kann diese durch folgende Formel ausgedrückt werden: $Q (x_{i}) = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} a_{i} \cdot x_{i}$
Wenn die Zustandsbewertungsfunktion die Bildung eines Effektivwerts umfasst, kann diese durch folgende Formel ausgedrückt werden: $Q (x_{i}) = \sqrt{\frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} x_{i}^{2}}$
Wenn die Zustandsbewertungsfunktion die Bildung eines Effektivwerts und eine Gewichtung umfasst, kann diese durch folgende Formel ausgedrückt werden: $Q (x_{i}) = \sqrt{\frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} a_{i} \cdot x_{i}^{2}}$
Dabei bezeichnet a_i einen Gewichtungsfaktor, wobei a_i ∈ ℚ oder a_i ∈ ℝ oder a_i ∈ ℂ, wobei ℚ die Menge der rationalen Zahlen, ℝ die Menge der reellen Zahlen bzw. cC die Menge der komplexen Zahlen bezeichnen. Für die rationalen und reellen Gewichtungsfaktoren gilt insbesondere 0 ≤ a_i ≤ 1. Bei linearen Gewichtungsfaktoren gilt insbesondere a_i = m · i + c, wobei m und c Konstanten sind. Bei exponentiellen Gewichtungsfaktoren gilt insbesondere $a_{i} = e^{- \frac{b \cdot i}{n}}$
wobei b eine Konstante ist.
Wenn die Zustandsbewertungsfunktion die Bildung einer Zero-Crossing Rate umfasst, kann dies durch folgende Formel ausgedrückt werden: $Q (x_{i}) = \frac{1}{n - 1} \sum_{i = 1}^{n - 1} χ_{n} (x_{i} x_{i - 1})$
Dabei bezeichnet χ_n(·) eine Indikatorfunktion, beispielsweise: $χ_{n} (x_{i} x_{i - 1}) = {\begin{cases} 1, falls x_{i} x_{i - 1} \geq 0 \\ 0, falls x_{i} x_{i - 1} < 0 \end{cases}$
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner folgenden Schritt umfassen: Bereitstellen der spektralen Anregungswerte und/oder der normierten spektralen Anregungswerte und/oder der relativen Anregungswerte an einer Funk- und/oder Hardwareschnittstelle. Dadurch können spektralen Anregungswerte bzw. die normierten spektralen Anregungswerte bzw. die relativen Anregungswerte für eine externe Verarbeitung bereitgestellt werden.
Es ist ferner möglich, dass das erfindungsgemäße Verfahren ferner folgenden Schritt umfasst: Anzeigen der Zustandsbewertungsgröße und/oder eines zeitlichen Verlaufs der Zustandsbewertungsgröße auf einer Anzeigeeinheit. So kann die aktuelle Zustandsbewertungsgröße einem Benutzer komfortabel angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann folgender Schritt vorgesehen sein: Bereitstellen der Zustandsbewertungsgröße an einer Funk- und/oder Hardwareschnittstelle. Dadurch kann die Zustandsbewertungsgröße für eine externe Verarbeitung bereitgestellt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst es ferner folgende Schritte: Durchführen eines Vergleichs der Zustandsbewertungsgröße oder einer zeitlichen Änderung der Zustandsbewertungsgröße mit einem oder mehreren vorgegebenen oder einstellbaren Schwellwerten. Vorzugsweise ist dann ferner folgender Schritt vorgesehen: Ausgeben eines akustisch und/oder visuell und/oder haptisch wahrnehmbaren Signals in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleichs. Auf diese Weise kann ein Benutzer direkt auf relevante Änderungen der Zustandsbewertungsgröße hingewiesen werden. Der Schwellwert oder einer der Schwellwerte kann beispielsweise eine Vorwarnschwelle sein. Dadurch kann der Benutzer beispielsweise darauf hingewiesen werden, dass ein fortgeschrittener Verschleißgrad erreicht ist. Der Schwellwert oder einer der Schwellwerte kann beispielsweise eine Alarmschwelle sein. Dadurch kann der Benutzer beispielsweise darauf hingewiesen werden, dass eine verschleißbedingte Schädigung unmittelbar zu erwarten oder bereits eingetreten ist. Sofern eine zeitliche Änderung der Zustandsbewertungsgröße betrachtet wird, kann so eine Trenddarstellung bzw. Trendanzeige des Zustands ermöglicht werden.
Es ist möglich, dass ein Erfassungsbereich des wenigstens einen Sensors homogen ist. Alternativ kann ein Erfassungsbereich des wenigstens einen Sensors bei einer vorgegebenen Frequenz oder mehreren vorgegebenen Frequenzen eine Resonanz aufweisen. Werden durch eine Zustandsänderung Signale in einem Bereich um die Resonanz angeregt, spricht ein resonanter Sensor früher als ein über seine Bandbreite homogener Senor an. Dadurch kann eine Zustandsänderung, die im Bereich der Resonanz liegt entsprechend früher erkannt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Sensor hinsichtlich der vorgegebenen Frequenz oder Frequenzen abstimmbar ist oder abgestimmt wird, insbesondere auf eine Frequenz, bei der eine Änderung des Zustands des Objekts zu erwarten ist. Dann kann die oder eine jeweilige Resonanz je nach zu überwachendem Objekt entsprechend gewählt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner folgenden Schritt umfassen, durch den insbesondere die Anregungsinformation erhalten wird: Erfassen der mechanischen Anregung, insbesondere mittels eines Schwingungssensors und/oder eines Schallsensors und/oder eines Körperschallsensors und/oder eines Beschleunigungssensors und/oder eines Lagesensors und/oder eines Gyroskops und/oder eines optischen Sensors, und Bereitstellen der Anregungsinformation.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner folgende dem Schritt des Erhaltens der Anregungsinformation, insbesondere auch dem Schritt des Erfassung der mechanischen Anregung, vorangehenden Schritte umfassen: Ermitteln der spektralen Referenzanregungswerte entsprechend den spektralen Anregungswerte, wenn sich das Objekt vor dem Schritt des Erfassens der mechanischen Größe im Referenzzustand befindet; Ermitteln des Referenzkompensationswerts durch Verknüpfung der spektralen Referenzanregungswerte über den ersten Spektralbereich; Ermitteln der normierten spektralen Referenzanregungswerte durch Normierung der spektralen Referenzanregungswerte mittels des Referenzkompensationswerts innerhalb des zweiten Spektralbereichs und Abspeichern der ermittelten normierten spektralen Referenzanregungswerte. Dadurch können die normierten spektralen Referenzanregungswerte im Rahmen des Verfahrens selbst ermittelt werden. Es ist alternativ auch möglich, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest teilweise virtuell oder synthetisch erzeugte spektrale Referenzanregungswerte bzw. normierte spektrale Referenzanregungswerte verwendet werden.
Vorzugsweise erfolgt zumindest das Erzeugen der spektralen Anregungswerte, insbesondere auch die Ermittlung der normierten spektralen Anregungswerte und/oder die Ermittlung der relativen Anregungswerte und/oder die Ermittlung der Zustandsbewertungsgröße, wiederholt, insbesondere periodisch. Das Wiederholen kann zeitgesteuert oder durch ein Triggersignal ausgelöst werden. Typischerweise werden die spektralen Anregungswerte über ein Zeitfenster von mehreren Minuten erzeugt.
Bevorzugt werden die spektralen Anregungswerte bei jedem Wiederholen in demselben stationären oder quasi-stationären Betriebszustand, beispielsweise bei einer konstanten Drehzahl, des Objekts erzeugt. Es ist auch möglich, dass die spektralen Anregungswerte im Rahmen des Wiederholens bei mehreren unterschiedlichen stationären oder quasi-stationären Betriebszuständen des Objekts erzeugt werden. In diesem Fall können sich die spektralen Referenzanregungswerte für jede Wiederholung auf einen unterschiedlichen Referenzzustand beziehen. Durch die quasi-stationären Betriebszustände kann insbesondere ein daraus zusammengesetzter nicht-stationärer Betriebszustand erfasst werden. Insbesondere können damit nicht-stationäre Zustände mit einem charakteristischen Verlauf zusätzlich bzgl. einer Änderung ihrer Charakteristik bewertet werden. Der stationäre bzw. quasi-stationäre Betriebszustand entspricht insbesondere jenem, bei dem die Referenzanregungswerte erzeugt wurden.
Es ist auch möglich, dass sich das Zeitfenster wenigstens eine zehntel Sekunde und/oder höchstens 10 Sekunden erstreckt, insbesondere bei nicht-stationären Betriebszuständen mit nur kurzen, sich wiederholenden quasi-stationären Zeitfenstern. In diesem Fall kann über mehrere Zeitfenster mit dem sich wiederholenden quasi-stationären Betriebszustand in Folge gemittelt werden. Dies kann solange geschehen, bis ein annehmbares SNR erzielt wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner eine wenigstens einen Umgebungsparameter des Objekts beschreibende Umgebungsinformation verwendet werden. Der wenigstens eine Umgebungsparameter kann eine Temperatur und/oder eine Feuchtigkeit und/oder ein Weg und/oder eine Kraft und/oder eine Dehnung und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung und/oder ein SPS-Prozessabschnitt und/oder ein Durchfluss und/oder eine Position, insbesondere eine Winkel- oder Schaltposition, und/oder eine Beleuchtungsstärke und/oder eine Lage und/oder eine Neigung und/oder ein Magnetfeld und/oder eine Drehzahl und/oder ein Druck sein.
Dazu kann die Umgebungsinformation durch einen Umgebungssensor bereitgestellt werden. Der Umgebungssensor kann einen Temperatursensor und/oder einen Feuchtesensor und/oder einen Lagesensor und/oder einen Neigungssensor und/oder ein Gyroskop und/oder einen Magnetfeldsensor und/oder einen Drehzahlsensor und/oder einen Wegsensor und/oder einen Kraftsensor und/oder einen Dehnungssensor und/oder einen Geschwindigkeitssensor und/oder einen Beschleunigungssensor und/oder einen Lagesensor und/oder ein Gyroskop und/oder einen Positionssensor und/oder einen Lichtsensor und/oder einen Durchflusssensor und/oder einen Drucksensor aufweisen. Damit können zusätzlich zu den, insbesondere mechanischen, Anregungsinformationen auch andere für den Zustand des Objekts relevante Informationen aus der Umgebung bzw. Umwelt erfasst werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Umgebungsinformation als, insbesondere analoges oder digitales, Steuersignal erhalten werden. Vorzugsweise wird die Umgebungsinformation von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) erhalten.
Es kann vorgesehen sein, dass die Umgebungsinformation als Triggersignal verwendet wird. Dadurch kann das Ermitteln der spektralen Anregungswerte und/oder der relativen Anregungswerte und/oder der Zustandsbewertungsgröße in Abhängigkeit der Umgebungsinformation ausgelöst werden.
Obwohl erfindungsgemäß bereits die intrinsische Kompensation vorgesehen ist, kann für eine zusätzlich extrinsische Kompensation vorgesehen sein, dass die Anregungsinformation und/oder die Zustandsbewertungsgröße mit der Umgebungsinformation in Korrelation gebracht werden. Außerdem ist es bevorzugt, wenn die Anregungsinformation und/oder die spektralen Anregungswerte und/oder die normierten spektralen Anregungswerte und/oder die spektralen Referenzanregungswerte und/oder die normierten spektralen Referenzanregungswerte anhand der Umgebungsinformation korrigiert werden. Dies kann anhand hinterlegter Daten über eine Abhängigkeit dieser Informationen bzw. Werte von der Umgebungsinformation erfolgen. Die Abhängigkeit kann in Form einer Funktion oder einer Formel hinterlegt sein. Bevorzugt werden die relativen Anregungswerte in Abhängigkeit der korrigierten normierten spektralen Anregungswerte und/oder der korrigierten normierten spektralen Referenzanregungswerte, insbesondere daraus, ermittelt. Es ist ferner möglich, dass die Zustandsbewertungsgröße anhand der Umgebungsinformation korrigiert wird. Dabei können nicht-korrigierte oder nur teil-korrigierte Zustandsbewertungsgrößen zusammen mit Umgebungsinformation bereitgestellt werden und die Korrelationen bzw. erste oder zusätzliche Korrekturen der Zustandsbewertungsgröße bezüglich der Umgebungsinformation Off-Device (z. B. auf einem User-Interface) erfolgen.
So können die spektralen Referenzanregungswerte und/oder die normierten spektralen Referenzanregungswerte und/oder die spektralen Anregungswerte und/oder die normierten spektralen Anregungswerte und/oder die temperaturabhängige Zustandsbewertungsgröße über eine gespeicherte Temperaturabhängigkeitsfunktion mithilfe der die Temperatur beschreibenden Umgebungsinformation korrigiert werden, bevor die temperaturunabhängige Zustandsbewertungsgröße ermittelt wird. Dadurch kann eine Temperaturkorrektur der Zustandsbewertungsgröße erreicht werden.
Entsprechend kann z. B. auch bei einer Drehzahlabhängigkeit eine Korrektur der spektralen Anregungswerte und/oder der normierten spektralen Anregungswerte und/oder der spektralen Referenzanregungswerte und/oder der normierten spektralen Referenzanregungswerte und/oder die drehzahlabhängige Zustandsbewertungsgröße mithilfe der die Drehzahl beschreibenden Umgebungsinformation korrigiert werden, bevor die drehzahlunabhängige Zustandsbewertungsgröße ermittelt wird. Dadurch kann eine Drehzahlkorrektur der Zustandsbewertungsgröße erreicht werden.
In gleicher Weise kann z. B. auch bei einer Prozessdruckabhängigkeit eine Korrektur der spektralen Anregungswerte und/oder der normierten spektralen Anregungswerte und/oder der spektralen Referenzanregungswerte und/oder der normierten spektralen Referenzanregungswerte und/die die prozessdruckabhängige Zustandsbewertungsgröße mithilfe der den Prozessdruck beschreibenden Umgebungsinformation korrigiert werden, bevor die prozessdruckunabhängige Zustandsbewertungsgröße ermittelt wird. Dadurch kann eine Prozessdruckkorrektur der Zustandsbewertungsgröße z. B. bei einer Pumpe oder einem Spritzgießprozess erreicht werden.
Inwieweit die erfindungsgemäße intrinsische Kompensation mit der Korrektur bzw. Korrelation anhand der Umgebungsinformation kombiniert wird ist eine Frage des konkreten Objekts bzw. des konkret zu bewertenden Zustands.
Nachdem durch den Anregungskompensationswert eine intrinsische Berücksichtigung der Lastzustände des Objekts erfolgen kann, hat sich ferner gezeigt, dass der Anregungskompensationswert bzw. die Verknüpfung der spektralen Anregungswerte über den ersten Spektralbereich auch zur Information über derartige Lastzustände verwendet werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher auch folgender Schritt vorgesehen sein: Ermitteln einer einen Lastzustand und/oder eine Umgebungsgröße, insbesondere eine auf das Objekt einwirkende Kraft oder Temperatur, beschreibenden Objektinformation anhand der Verknüpfung der spektralen Anregungswerte über den ersten Spektralbereich. Die so ermittelte Objektinformation kann der Funk- und/oder Hardwareschnittstelle bereitgestellt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bewertung eines Zustands eines Objekts, insbesondere eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend: eine Datenschnittstelle, die zum Erhalten einer Anregungsinformation, die eine mechanische Anregung des Objekts beschreibt, eingerichtet ist; und eine Signalanalyseeinheit, umfassend einen Analyseabschnitt, der zum Erzeugen einer Vielzahl spektraler Anregungswerte in Abhängigkeit der Anregungsinformation mittels einer Frequenzanalyse eingerichtet ist, wobei die spektralen Anregungswerte jeweils einem Spektralabschnitt von mehreren vorgegeben Spektralabschnitten zugeordnet sind, einen ersten Ermittlungsabschnitt, der zum Ermitteln eines Anregungskompensationswerts durch Verknüpfung der spektralen Anregungswerte über einen einen oder mehrere der Spektralabschnitte umfassenden ersten Spektralbereich eingerichtet ist, einen zweiten Ermittlungsabschnitt, der zum Ermitteln normierter spektraler Anregungswerte durch Normierung der spektralen Anregungswerte mittels des Anregungskompensationswerts innerhalb eines einen oder mehrere der Spektralabschnitte umfassenden zweiten Spektralbereichs, der nicht deckungsgleich mit dem ersten Spektralbereich ist, eingerichtet ist, eine Datenschnittstelle, die zum Erhalten einer Vielzahl normierter spektraler Referenzanregungswerte, die sich auf einen Referenzzustand des Objekts beziehen, einem jeweiligen der Spektralabschnitte zugeordnet sind und mittels eines über den ersten Spektralbereich gebildeten Referenzkompensationswerts normiert sind, eingerichtet ist, einen dritten Ermittlungsabschnitt, der zum Ermitteln relativer Anregungswerte für zumindest einen Teil der Spektralabschnitte des zweiten Spektralbereichs durch In-Bezug-Setzen des dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Anregungswerts mit dem dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Referenzanregungswert eingerichtet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Signalanalyseeinheit ferner einen weiteren Ermittlungsabschnitt umfasst, der zum Ermitteln einer Zustandsbewertungsgröße durch eine die relativen Anregungswerte und/oder daraus abgeleitete Parameterwerte als Parameter verwendende Zustandsbewertungsfunktion eingerichtet ist.
Mit Vorteil kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine Funk- und/oder Hardwareschnittstelle, die zum Bereitstellen der spektralen Anregungswerte und/oder der normierten spektralen Anregungswerte und/oder der relativen Anregungswerte und/oder der Zustandsbewertungsgröße eingerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße ferner eine Anzeigeeinheit umfassen, die zum Anzeigen der Zustandsbewertungsgröße und/oder eines zeitlichen Verlaufs der Zustandsbewertungsgröße eingerichtet ist. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner: eine Vergleichseinheit, die zum Durchführen eines Vergleichs der Zustandsbewertungsgröße oder einer zeitlichen Änderung der Zustandsbewertungsgröße mit einem oder mehreren vorgegebenen oder einstellbaren Schwellwerten eingerichtet ist; und eine Ausgabeeinheit, die zum Ausgeben eines akustisch und/oder visuell und/oder haptisch wahrnehmbaren Signals in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleichs eingerichtet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner einen Eingang und/oder eine Schnittstelle für ein externes Triggersignal aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner einen Umgebungssensor aufweisen, welcher dazu eingerichtet ist, eine einen Umgebungsparameter des Objekts beschreibende Umgebungsinformation bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Schnittstelle, über welche die Umgebungsinformation erhaltbar ist, aufweisen.
Es wird außerdem bevorzugt, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine Erfassungseinheit, die zum Erfassen von analogen Messsignalen der mechanischen Anregung und zum Bereitstellen der Anregungsinformation für die Datenschnittstelle eingerichtet ist, umfasst, wobei die Erfassungseinheit zum Erfassen der analogen Messsignale insbesondere einen Schwingungssensor und/oder einen Schallsensor und/oder einen Körperschallsensor und/oder einen Beschleunigungssensor und/oder einen optischen Sensor umfasst.
Die mechanische Anregung kann während des Betriebs des Objekts selbst auftreten und/oder künstlich in das Objekt eingebracht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Erfassungseinheit dazu eingerichtet ist, die analogen Messsignale in digitale Messsignale umzusetzen. Alternativ ist vorgesehen, dass die Erfassungseinheit ferner einen Signalverarbeitungsabschnitt umfasst, der zum Filtern und/oder zu einer, insbesondere einstellbaren, Analogsignalkonditionierung der analogen Messsignale eingerichtet ist, wobei die Erfassungseinheit dazu eingerichtet ist, die gefilterten und/oder konditionierten Messsignale in digitale Messsignale zu wandeln.
Zweckmäßigerweise ist die Erfassungseinheit dazu eingerichtet, die digitalen Messignale als Anregungsinformation an der Datenschnittstelle bereitzustellen. Vorzugsweise weist die Erfassungseinheit dazu einen Analog-Digital-Umsetzer auf.
In bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Analyseabschnitt ferner dazu eingerichtet, Ausgangsdaten der Frequenzanalyse als spektrale Anregungswerte bereitzustellen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Analyseabschnitt ferner einen Signalverarbeitungsunterabschnitt umfasst, der einerseits zum Filtern und/oder zu einer, insbesondere einstellbaren, Digitalsignalkonditionierung der Ausgangsdaten der Frequenzanalyse und andererseits zum Bereitstellen der gefilterten und/oder konditionierten Ausgangsdaten der Frequenzanalyse als spektrale Anregungswerte eingerichtet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine eigene Stromversorgung umfassen. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu eingerichtet, autonom zu arbeiten, insbesondere eine integrale Auswertung zu realisieren.
Sämtliche Ausführungen, einschließlich der beschriebenen Vorteile, zum erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und umgekehrt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 Signalverläufe einer Anregungsinformation ohne Schädigung, bei einer geringen Schädigung und bei einer fortgeschrittenen Schädigung des Objekts;
4 Signalverläufe spektraler Anregungswerte bei den in 3 gezeigten Schädigungsstufen;
5 einen Verlauf der Zustandsbewertungsgröße über verschiedene Schädigungsstufen;
6 Verläufe der Zustandsbewertungsgröße bei unterschiedlich gewählten Spektralabschnitten; und
7 mögliche Alarmschwellen für die Zustandsbewertungsgröße.

1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Bewertung eines Zustands eines Objekts 2.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Datenschnittstelle 3, die zum Erhalten einer Anregungsinformation 4, die eine mechanische Anregung des Objekts 2 beschreibt, eingerichtet ist. Daneben umfasst die Vorrichtung 1 eine Signalanalyseeinheit 5.
Die Signalanalyseeinheit 5 umfasst einen Analyseabschnitt 6, der zum Erzeugen einer Vielzahl spektraler Anregungswerte 7 in Abhängigkeit der Anregungsinformation 4 mittels einer Frequenzanalyse eingerichtet ist. Die spektralen Anregungswerte 7 sind jeweils einem Spektralabschnitt von mehreren vorgegeben Spektralabschnitten zugeordnet.
Daneben umfasst die Signalanalyseeinheit 5 einen ersten Ermittlungsabschnitt 6a, der zum Ermitteln eines Anregungskompensationswerts 7b durch Verknüpfung der spektralen Anregungswerte 7 über einen mehrere der Spektralabschnitte umfassenden ersten Spektralbereich eingerichtet ist, und einen zweiten Ermittlungsabschnitt 6b, der Ermitteln normierter spektraler Anregungswerte 7c durch Normierung der spektralen Anregungswerte mittels des Anregungskompensationswerts 7b innerhalb eines mehrere der Spektralabschnitte umfassenden zweiten Spektralbereichs, der nicht deckungsgleich mit dem ersten Spektralbereich ist, eingerichtet ist.
Außerdem umfasst die Signalanalyseeinheit 5 eine Datenschnittstelle 8, die zum Erhalten einer Vielzahl normierter spektraler Referenzanregungswerte 9, die sich auf einen Referenzzustand des Objekts 2 beziehen, einem jeweiligen der Spektralabschnitte zugeordnet sind und mittels eines über den ersten Spektralbereich gebildeten Referenzkompensationswerts normiert sind, eingerichtet ist.
Ein dritter Ermittlungsabschnitt 10 der Signalanalyseeinheit 5 ist zum Ermitteln relativer Anregungswerte 11 für einen jeweiligen oder einem einstellbaren Teil der Spektralabschnitte des zweiten Spektralbereichs eingerichtet. Das Ermitteln erfolgt durch In-Bezug-Setzen des dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Anregungswerts 7c mit dem dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten Referenzanregungswert 9. Daneben umfasst die Signalanalyseeinheit 5 einen vierten Ermittlungsabschnitt 12, der zum Ermitteln einer Zustandsbewertungsgröße 13 durch eine die relativen Anregungswerte als Parameter x_i verwendende Zustandsbewertungsfunktion Q(x_i) eingerichtet ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Erfassungseinheit 14, die zum Erfassen von analogen Messsignalen 15 der mechanischen Anregung des Objekts 2 und zum Bereitstellen der Anregungsinformation 4 für die Datenschnittstelle 3 eingerichtet ist. Die Erfassungseinheit 14 kann dazu einen oder mehrere Sensoren 16 aus der folgenden Gruppe umfassen: Einen Schwingungssensor, einen Schallsensor, einen Körperschallsensor, einen Beschleunigungssensor, einen Lagesensor, ein Gyroskop und einen optischen Sensor. Die Erfassungseinheit 14 umfasst ferner einen Analog-Digital-Umsetzer 17, der dazu eingerichtet ist, die analogen Messsignale 15 in als die Anregungsinformation 4 bereitgestellte digitale Messsignale umzusetzen.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Vergleichseinheit 19, die zum Durchführen eines Vergleichs der Zustandsbewertungsgröße 13 oder einer zeitlichen Änderung der Zustandsbewertungsgröße 13 mit vorgegebenen oder mittels einer Benutzerschnittstelle 20 der Vorrichtung 1 einstellbaren Schwellwerten eingerichtet ist. Außerdem weist die Vorrichtung 1 eine Ausgabeeinheit 21 auf, die zum Ausgeben eines akustisch und/oder visuell und/oder haptisch wahrnehmbaren Signals in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleichs eingerichtet ist.
Zusätzlich sind bei der Vorrichtung 1 ferner eine oder mehrere Funk- und/oder Hardwareschnittstellen 22 vorgesehen, die zum Bereitstellen der spektralen Anregungswerte 7, der normierten spektralen Anregungswerte 7c, der relativen Anregungswerte 11 und der Zustandsbewertungsgröße 13 eingerichtet ist bzw. sind. Dadurch können diese Informationen extern weiterverarbeitet werden. Außerdem weist die Vorrichtung 1 zusätzlich eine Anzeigeeinheit 23, beispielsweise einen Monitor oder ein Display, auf, die zum Anzeigen der Zustandsbewertungsgröße 13 oder ihres zeitlichen Verlaufs eingerichtet ist.
Dabei können auch die Ausgabeeinheit 21 und/oder die Anzeigeeinheit 23 mittels der Benutzerschnittstelle 20 parametrierbar sein.
Die Ermittlung der normierten spektralen Referenzanregungswerte 9 erfolgt ebenfalls mittels der Signalanalyseeinheit 5, wenn sich das Objekt 2 im Referenzzustand befindet. Der Analyseabschnitt 6 ist dazu eingerichtet, die normierten spektralen Referenzanregungswerte 9 über die Datenschnittstelle 8 in einem Speicher 24 der Vorrichtung 1 abzuspeichern. Aus dem Speicher 24 sind die normierten spektralen Referenzanregungswerte 9 über die Datenschnittstelle 8 vom dritten Ermittlungsabschnitt 10 abrufbar.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das im Übrigen dem zuvor Beschriebenen entspricht, umfasst die Erfassungseinheit 14 ferner einen Signalverarbeitungsabschnitt 25, der zum Filtern und zu einer Analogsignalkonditionierung der analogen Messsignale 15 eingerichtet ist. Dazu kann die Analogsignalkonditionierung mittels der Benutzerschnittstelle 20 einstellbar sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Erfassungseinheit 14 dazu eingerichtet, die gefilterten und konditionierten Messsignale 15a mittels des Analog-Digital-Umsetzers 17 in als die Anregungsinformation bereitgestellte digitale Messsignale zu wandeln.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das im Übrigen einem der zuvor Beschriebenen entspricht, umfasst der Analyseabschnitt 6 einen Signalverarbeitungsunterabschnitt 26, der einerseits zum Filtern und zu einer Digitalsignalkonditionierung der Ausgangsdaten der Frequenzanalyse und andererseits zum Bereitstellen der gefilterten und konditionierten Ausgangsdaten 7a der Frequenzanalyse als spektrale Anregungswerte 7 eingerichtet ist. Dazu kann die Digitalsignalkonditionierung mittels der Benutzerschnittstelle 20 einstellbar sein.
Der Betrieb der Vorrichtung 1 wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zur Bewertung des Zustands des Objekts 2, zu dessen Durchführung die Vorrichtung 1 eingerichtet ist, näher beschrieben:

2 ist ein Flussdiagramm der Ausführungsbeispiele des Verfahrens.

Während sich das Objekt 2 im Referenzzustand befindet, wird ein Schritt S100 des Erfassens der mechanischen Anregung des Objekts 2 mittels des Sensors bzw. der Sensoren 16 der Erfassungseinheit 14 durchgeführt. Ist der Signalverarbeitungsabschnitt 25 bei der Vorrichtung 1 vorgesehen, so werden im Schritt S100 ferner ein Filtern und eine Analogsignalkonditionierung, insbesondere in Abhängigkeit einer über die Benutzerschnittstelle 20 erhaltenen Einstellung, der erfassten analogen Messsignale 15 durchgeführt. Außerdem werden im Schritt S100 die analogen Messignale 15 bzw. die gefilterten und konditionierten Messsingale 15a und mittels des Analog-Digital-Umsetzers 17 in die digitalen Messsignale umgesetzt, welche der Datenschnittstelle 3 als Anregungsinformation 4 bereitgestellt werden. 3 zeigt die analogen Messsignale 15, hier die Amplitude einer Spannung u in Volt, über die Zeit t in Sekunden, wobei das obere Diagramm die analogen Messsignale 15 im Referenzzustand zeigt.
In einem anschließenden Schritt S110 erhält der Analyseabschnitt 6 der Signalanalyseeinheit 5 die Anregungsinformation 4.
In einem folgenden Schritt S120 erzeugt der Analyseabschnitt 6 eine Vielzahl spektraler Anregungswerte 7 in Abhängigkeit der Anregungsinformation 4 mittels einer Frequenzanalyse, wobei die spektralen Anregungswerte 7 jeweils einem Spektralabschnitt zugeordnet sind. Ist der Signalverarbeitungsunterabschnitt 26 bei der Vorrichtung 1 vorgesehen, so werden im Schritt S120 ferner ein Filtern und eine Digitalsignalkonditionierung, insbesondere in Abhängigkeit einer über die Benutzerschnittstelle 20 erhaltenen Einstellung, der Ausgangsdaten der Frequenzanalyse durchgeführt. Die Ausgangsdaten der Frequenzanalyse bzw. die gefilterten und konditionierten Ausgangsdaten der Frequenzanalyse 7a werden dann als spektrale Anregungswerte 7 bereitgestellt. 4 zeigt spektrale Anregungswerte 7, hier in Form einer Amplitude U in V·Hz^-1/2, über die Frequenz f in Hz, wobei das obere Diagramm den Referenzzustand darstellt.
In einem folgenden Schritt S121 wird ein Referenzkompensationswert durch Verknüpfung der spektralen Referenzanregungswerte über einen ersten Spektralbereich, der mehrere der Spektralabschnitte umfasst, ermittelt. Der erste Spektralbereich kann ein zusammenhängender Bereich von Spektralabschnitten sein oder aus mehreren voneinander spektral beabstandeten Teilbereichen von Spektralabschnitten bestehen.
In einem folgenden Schritt S122 wird werden normierte spektralen Referenzanregungswerte 9 durch Normierung der spektralen Referenzanregungswerte mittels des Referenzkompensationswerts innerhalb eines zweiten Spektralbereichs, der nicht deckungsgleich mit dem ersten Spektralbereich ist, ermittelt. Der erste und der zweite Spektralbereich können dabei überschneidungsfrei sein oder sich überlappen.
Für Details zu den Schritten S121 und S122 wird auf die weiter unten beschreiben Schritte S231 und S232 verwiesen, da das Ermitteln der normierten spektralen Referenzanregungswerte 9 analog zum Ermitteln der normierten spektralen Anregungswerte 7c erfolgt.
In einem folgenden Schritt S130 werden die ermittelten normierten spektralen Anregungswerte 9 im Referenzzustand über die Datenschnittstelle 8 im Speicher 24 gespeichert.
Die folgenden Schritte des Verfahrens werden zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt, wenn sich das Objekt 2 nicht mehr im Referenzzustand befindet. Das Objekt 2 erfährt dabei kontinuierlich eine Abweichung seines Zustands vom Referenzzustand. Nimmt man als Objekt 2 beispielsweise exemplarisch ein Lager an, kann als Zustand eine Schädigung des Lagers überwacht werden.
In einem Schritt S200 wird die mechanische Anregung des Objekts 2 mittels des Sensors bzw. der Sensoren 16 der Erfassungseinheit 14 erfasst. Ist der Signalverarbeitungsabschnitt 25 bei der Vorrichtung 1 vorgesehen, so werden im Schritt S200 ferner ein Filtern und eine Analogsignalkonditionierung, insbesondere in Abhängigkeit einer über die Benutzerschnittstelle 20 erhaltenen Einstellung, der erfassten analogen Messsignale 15 durchgeführt. Außerdem werden im Schritt S200 die analogen Messignale 15 bzw. die gefilterten und konditionierten Messsingale 15a und mittels des Analog-Digital-Umsetzers 17 in die digitalen Messsignale umgesetzt, welche der Datenschnittstelle 3 als Anregungsinformation 4 bereitgestellt werden. 3 zeigt dabei im mittleren Diagramm die analogen Messsignale 15 bei einer geringen Schädigung und im unteren Diagramm die analogen Messsignale 15 bei einer fortgeschrittenen Schädigung.
In einem anschließenden Schritt S210 erhält der Analyseabschnitt 6 der Signalanalyseeinheit 5 die Anregungsinformation 4.
In einem folgenden Schritt S220 erzeugt der Analyseabschnitt 6 eine Vielzahl spektraler Anregungswerte 7 in Abhängigkeit der Anregungsinformation 4 mittels der Frequenzanalyse, wobei die spektralen Anregungswerte 7 jeweils einem Spektralabschnitt zugeordnet sind. Ist der Signalverarbeitungsunterabschnitt 26 bei der Vorrichtung 1 vorgesehen, so werden im Schritt S220 ferner ein Filtern und eine Digitalsignalkonditionierung, insbesondere in Abhängigkeit einer über die Benutzerschnittstelle 20 erhaltenen Einstellung, der Ausgangsdaten der Frequenzanalyse durchgeführt. Die Ausgangsdaten der Frequenzanalyse bzw. die die gefilterten und konditionierten Ausgangsdaten der Frequenzanalyse 7a werden dann als spektrale Anregungswerte 7 bereitgestellt. 4 zeigt dazu im mittleren und unteren Diagramm die spektralen Anregungswerte 7 bei geringer bzw. fortgeschrittener Schädigung. Die Frequenzanalyse kann dabei durchaus mit einer recht groben Frequenzauflösung von beispielsweise wenigstens 100 Hertz oder gar 1 kHz durgeführt werden, was das Datenaufkommen während des Verfahrens erheblich reduziert.
Die Ermittlung der spektralen Anregungswerte 7 in den Schritten S200 bis S220 kann beispielsweise während eines Zeitfensters von wenigstens einer Minute und/oder höchstens zehn Minuten erfolgen.
In einem Schritt S230 werden die spektralen Anregungswerte 7 an der bzw. einer Funk- und/oder Hardwareschnittstelle 22 bereitgestellt.
In einem folgenden Schritt S231 wird ein Anregungskompensationswert 7b mittels des ersten Ermittlungsabschnitts 6a durch Verknüpfung der spektralen Anregungswerte 7 über den ersten Spektralbereich ermittelt. Dies erfolgt durch eine Integration der spektralen Anregungswerte 7 und Gewichtung mit einer Gewichtungsfunktion gemäß folgendem Zusammenhang: $A = \sum_{n}_{f n_{1}}^{f n_{2}} p_{i} d f$
$c = G (f) \cdot \frac{1}{A}$
Dabei bezeichnet c den als Normierungsfaktor ausgedrückten Anregungskompensationswert, p_i die spektralen Anregungswerte, fn₁, fn₂ die Grenzen des ersten Spektralbereichs bzw. die Grenzen eines jeweiligen von n Teilbereichen des ersten Spektralbereichs und ƒ die Frequenz.
In einem folgenden Schritt S232 werden normierter spektraler Anregungswerte 7c durch Normierung der spektralen Anregungswerte 7 mittels des Anregungskompensationswerts 7b innerhalb des zweiten Spektralbereichs ermittelt. Dies erfolgt durch Multiplikation der spektralen Anregungswerte 7 mit dem Anregungskompensationswert c.
In einem folgenden Schritt S240 werden die zuvor in den Schritten S100 bis S130 ermittelten normierten spektralen Referenzanregungswerte 9 über die Datenschnittstelle 8 aus dem Speicher 24 abgerufen.
In einem anschließenden Schritt S250 werden relative Anregungswerte 11 für einen jeweiligen der Spektralabschnitte durch In-Bezug-Setzen des dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Anregungswerts 7c mit dem dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Referenzanregungswert 9 mittels des dritten Ermittlungsabschnitts 10 ermittelt. Das In-Bezug-Setzen erfolgt dabei durch Division der normierten spektralen Anregungswerte 7c durch die normierten spektralen Referenzanregungswerte 9. Formelmäßig ausgedrückt gilt dabei: $q_{i} = \frac{c \cdot p_{i}}{c_{0} \cdot p_{i}^{0}}$
Dabei bezeichnet q_i die relativen Anregungswerte 11, p_i die spektralen Anregungswerte 7, c · p die normierten spektralen Anregungswerte 7cund $c_{0} \cdot p_{i}^{0}$
die normierten spektralen Referenzanregungswerte 9 für einen jeweiligen Spektralabschnitt 1 ≤ i ≤ n, wobei c₀ der Referenzkompensationswert ist und $p_{i}^{0}$
die unnormierten spektralen Referenzreferenzanregungswerte sind .
In einem folgenden Schritt S260 werden die relativen Anregungswerte 11 an der bzw. einer Funk- und/oder Hardwareschnittstelle 22 bereitgestellt.
In einem anschließenden Schritt S270 wird eine Zustandsbewertungsgröße 13 durch eine Zustandsbewertungsfunktion Q(X_i) mittels des vierten Ermittlungsabschnitts 12 ermittelt. Dazu verknüpft der vierte Ermittlungsabschnitt 12 entweder direkt die relativen Anregungswerte 11 als Parameter x_i, sodass gilt x_i = q_i. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel des Verfahrens verknüpft der vierte Ermittlungsabschnitt 12 aus den relativen Anregungswerten 11 abgeleitete Werte als Parameter. Ein jeweiliger abgeleiteter Werte kann ein aus einem invertierten relativen Anregungswert ermittelter Parameterwert sein, wenn der relative Anregungswert größer als eins ist, und der relative Anregungswert verwendet werden, wenn der relative Anregungswert kleiner als eins ist: $x_{i} = q_{i} {(p_{i}, p_{i}^{0})}^{sign (c \cdot p_{i} - c_{0} \cdot p_{i}^{0})} = {(\frac{p_{i}}{p_{i}^{0}})}^{sign (c \cdot p_{i} - c_{0} \cdot p_{i}^{0})}$
Alternativ kann ein jeweiliger abgeleiteter Wert ein aus einem invertierten relativen Anregungswert ermittelter Parameterwert sein, wenn der relative Anregungswert kleiner als eins ist, und der relative Anregungswert verwendet werden, wenn der relative Anregungswert größer als eins ist: $x_{i} = q_{i} {(p_{i}, p_{i}^{0})}^{sign (c_{0} \cdot p_{i}^{0} - c \cdot p_{i})} = {(\frac{p_{i}}{p_{i}^{0}})}^{sign (c_{0} \cdot p_{i}^{0} - c \cdot p_{i})}$
Beispielhafte Zustandsbewertungsfunktionen sind:

- ein arithmetischer Mittelwert $Q (x_{i}) = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} x_{i}$
- ein gewichteter arithmetischer Mittelwert: $Q (x_{i}) = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} a_{i} \cdot x_{i}$
- ein Effektivwert: $Q (x_{i}) = \sqrt{\frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} x_{i}^{2}}$
- ein gewichteter Effektivwert: $Q (x_{i}) = \sqrt{\frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} a_{i} \cdot x_{i}^{2}}$
- eine Zero-Crossing Rate: $Q (x_{i}) = \frac{1}{n - 1} \sum_{i = 1}^{n - 1} χ_{n} (x_{i} x_{i - 1})$

Dabei bezeichnet a_i einen Gewichtungsfaktor, wobei a_i ∈ ℚ oder a_i ∈ ℝ oder a_i ∈ ℂ, wobei Q die Menge der rationalen Zahlen, ℝ die Menge der reellen Zahlen bzw. cC die Menge der komplexen Zahlen bezeichnen. Für die rationalen und reellen Gewichtungsfaktoren gilt insbesondere 0 ≤ a_i ≤ 1. Bei linearen Gewichtungsfaktoren gilt insbesondere a_i = m · i + c, wobei m und c Konstanten sind. Bei exponentiellen Gewichtungsfaktoren gilt insbesondere $a_{i} = e^{- \frac{b \cdot i}{n}}$
wobei b eine Konstante ist. Ferner bezeichnet χ_n(·) eine Indikatorfunktion, beispielsweise: $χ_{n} (x_{i} x_{i - 1}) = {\begin{cases} 1, falls x_{i} x_{i - 1} \geq 0 \\ 0, falls x_{i} x_{i - 1} < 0 \end{cases}$
5 zeigt qualitativ den Verlauf der Zustandsbewertungsgröße 13 (an der Ordinate mit Q bezeichnet) über die Zeit (an der Abszisse mit t bezeichnet) für eine Zeit kurz nach dem Referenzzustand, für eine geringe Schädigung und für eine fortgeschrittene Schädigung. 6 zeigt rein qualitativ Verläufe der Zustandsbewertungsgröße, wenn die Spektralabschnitte, für welche die relativen Anregungswerte ermittelt werden, unterschiedlich gewählt werden. Die durchgezogene Line entspricht beispielsweise einem Frequenzband von 0 bis 50 kHz, während die gestrichelte Linie einem Frequenzband von 11 bis 18 kHz entspricht.
In einem Schritt S280 wird die Zustandsbewertungsgröße 13 an der bzw. einer Funk- und/oder Hardwareschnittstelle 23 bereitgestellt.
In einem Schritt S290 wir die Zustandsbewertungsgröße 13 und ein zeitlicher Verlauf der Zustandsbewertungsgröße 13 auf der Anzeigeeinrichtung 23 angezeigt.
In einem Schritt S300 wird ein Vergleich der Zustandsbewertungsgröße 13 mit zwei Schwellwerten T1, T2 vorgenommen. 7 zeigt dazu einen exemplarischen Verlauf der Zustandsbewertungsgröße 13 (an der Ordinate wieder mit Q bezeichnet) über die Zeit (an der Abszisse mit t bezeichnet).
In einem Schritt S301 wird eine einen Lastzustand und/oder eine Umgebungsgröße, insbesondere eine auf das Objekt einwirkende Kraft oder Temperatur, beschreibenden Objektinformation anhand der Verknüpfung der spektralen Anregungswerte 7 über den ersten Spektralbereich ermittelt. Es kann beispielsweise im Rahmen des Schritts S301 der Anregungskompensationswert 7b oder ein daraus abgeleiteter Wert durch die erste Ermittlungseinheit 6a der Anzeigeeinheit 23 zur Anzeige oder der Funk- und/oder Hardwareschnittstelle 22 bereitgestellt werden.
In einem anschließenden Schritt S310 wird mittels der Ausgabeeinheit 21 visuell und/oder akustisch und/oder haptisch wahrnehmbares Signal ausgegeben, wenn der Schwellwert T1 überschritten oder erreicht wird. Der Schwellwert T1 stellt eine Warnschwelle dar. Wird der Schwellwert T2 überschritten oder erreicht, wird ein weiteres visuell und/oder akustisch und/oder haptisch wahrnehmbares Signal mittels der Ausgabeeinheit 21 ausgegeben. Der Schwellwert T2 stellt hier eine Alarmschwelle dar.
Die Schritte S200 bis S301 oder S200 bis S310 werden dann in vorgegebenen oder einstellbaren Zeitabschnitten, insbesondere periodisch wiederholt. Typische Wiederholungsraten sind beispielsweise einmal je Stunde.
Die Vorrichtung 1 kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, auf das sich alle Ausführungen der vorangegangenen Ausführungsbeispiele übertragen lassen, ferner einen Umgebungssensor (nicht gezeigt) aufweisen. Der Umgebungssensor stellt eine einen Umgebungsparameter des Objekts 2 beschreibende Umgebungsinformation bereit. Alternativ oder zusätzlich weist die Vorrichtung 1 einen Eingang (nicht gezeigt) zum Erhalten der Umgebungsinformation auf, welche als analoges oder digitales Steuersignal von einer speicherprogrammierbaren Steuerung erhaltbar ist. Der Umgebungsparameter kann eine Temperatur und/oder eine Feuchtigkeit und/oder ein Weg und/oder eine Kraft und/oder eine Dehnung und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung und/oder ein SPS-Prozessabschnitt und/oder ein Durchfluss und/oder eine Position, insbesondere eine Winkel- oder Schaltposition, und/oder eine Beleuchtungsstärke und/oder eine Lage und/der eine Neigung und/oder ein Magnetfeld und/oder eine Drehzahl und/oder ein Druck sein. Der Umgebungssensor kann dementsprechend einen Temperatursensor und/oder einen Feuchtesensor und/oder einen Lagesensor und/oder einen Neigungssensor und/oder ein Gyroskop und/oder einen Magnetfeldsensor und/oder einen Drehzahlsensor und/oder einen Wegsensor und/oder einen Kraftsensor und/oder einen Dehnungssensor und/oder einen Geschwindigkeitssensor und/oder einen Beschleunigungssensor und/oder einen Positionssensor und/oder einen Lichtsensor und/oder einen Durchflusssensor und/oder einen Drucksensor aufweisen. Die Anregungsinformation wird mit der Umgebungsinformation in Korrelation gebracht.
Ferner werden die Anregungsinformation 4 und/oder die spektralen Anregungswerte 7 und/oder die spektralen Referenzanregungswerte anhand der Umgebungsinformation korrigiert. Dies erfolgt anhand von im Speicher 24 hinterlegten Daten über eine Abhängigkeit dieser Informationen bzw. Werte von der Umgebungsinformation. Die Abhängigkeit ist in Form einer Funktion oder einer Formel hinterlegt, sodass die relativen Anregungswerte 11 in Abhängigkeit der korrigierten spektralen Anregungswerte 7 und/oder der korrigierten spektralen Referenzanregungswerte ermittelt werden.
Exemplarisch werden die spektralen Referenzanregungswerte und/oder die spektralen Anregungswerte 7 über eine gespeicherte Temperaturabhängigkeitsfunktion mithilfe der die Temperatur beschreibenden Umgebungsinformation korrigiert, bevor die Zustandsbewertungsgröße 13 berechnet wird. Dadurch kann eine Temperaturkorrektur der Zustandsbewertungsgröße 13 erreicht werden. Entsprechend kann z. B. auch bei einer Drehzahlabhängigkeit eine Korrektur der spektralen Anregungswerte 7 und/oder der Referenzanregungswerte mithilfe der die Drehzahl beschreibenden Umgebungsinformation korrigiert werden, bevor die Zustandsbewertungsgröße 13 ermittelt wird. Dadurch kann eine Drehzahlkorrektur der Zustandsbewertungsgröße erreicht werden.
Es ist auch möglich, dass die Zustandsbewertungsgröße 13 alternativ oder zusätzlich zu einer Korrektur der spektralen Anregungswerte 7 und/oder der Referenzanregungswerte anhand der Umgebungsinformation korrigiert wird. Dies kann mittels der Benutzerschnittstelle 20 erfolgen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, auf die sich alle Ausführungen der vorangegangenen Ausführungsbeispiele übertragen lassen, wird das Wiederholen durch ein Triggersignal ausgelöst. In diesem Fall kann die Vorrichtung 1 einen Eingang und/oder eine Schnittstelle (nicht gezeigt) für ein externes Triggersignal aufweisen. Alternativ oder zusätzlich wird die Umgebungsinformation als Triggersignal verwendet. Alternativ oder zusätzlich werden die spektralen Anregungswerte bei jedem Wiederholen in demselben stationären oder quasi-stationären Betriebszustand, beispielsweise bei einer konstanten Drehzahl, des Objekts erzeugt. Alternativ werden die spektralen Anregungswerte im Rahmen des Wiederholens bei mehreren unterschiedlichen stationären oder quasi-stationären Betriebszuständen des Objekts erzeugt. Durch die quasi-stationären Betriebszustände kann ein nicht-stationärer Betriebszustand, der sich z. B. auch einer Abfolge verschiedener quasi-stationärer Betriebszustände zusammensetzt, erfasst werden, um bewertet bzw. charakterisiert zu werden. Insbesondere kann bei nicht-stationären Zuständen mit einem charakteristischen Verlauf zusätzlich eine Bewertung der Änderung seiner Charakteristik erfolgen. Der stationäre bzw. quasi-stationäre Betriebszustand entspricht insbesondere jenem, bei dem die Referenzanregungswerte erzeugt wurden. Das Zeitfenster kann in diesem Fall zwischen einer zehntel Sekunde und 10 Sekunden betragen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, auf die sich alle Ausführungen der vorangegangenen Ausführungsbeispiele übertragen lassen, weist ein Erfassungsbereich des Sensors 16 bzw. der Sensoren 16 bei einer vorgegebenen Frequenz oder mehreren vorgegebenen Frequenzen eine Resonanz auf. Der Sensor 16 wird hinsichtlich der vorgegebenen Frequenz oder Frequenzen auf eine Frequenz, bei der eine Änderung des Zustands des Objekts 2 zu erwarten ist, abgestimmt.
Obwohl das Verfahren zuvor anhand des Verschleißgrades eines Lagers als Objekts erörtert wurde, kann der Zustand auch eine Mangelschmierung, eine Verschmutzung, eine Ermüdung, ein Defekt, ein Betriebszustand, eine Intaktheit, ein Gesundheitszustand, eine Qualität, eine Auslastung, ein Kraftaufwand, eine Leistungsaufnahme, ein Füllstand, eine Härte oder eine Fluidfördergröße sein. Auch hinsichtlich des Objekts 2 sind eine Vielzahl von Anwendungsfälle denkbar: So kann das Objekt eine Maschine, eine Anlage, ein Maschinenelement, insbesondere ein Getriebe, ein Lager, eine Pumpe, ein Motor oder ein Roboter, ein Fertigungswerkzeug, ein Land-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug oder ein Teil davon, eine Struktur, ein Bauteil oder ein Bauwerk oder ein Teil davon sein. Auch ist es möglich, dass das Objekt 2 ein Körperteil eines Lebewesens, insbesondere eines Tieres oder eines Menschen, ist.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der Betriebszustand ein stationärer Betriebszustand oder ein nicht-stationärer Betriebszustand, insbesondere mit einem beliebigen oder charakteristischen Verlauf sein. Die Maschine kann eine Spritzgießmaschine sein. Das Lager kann ein Schwenklager, beispielsweise bei einem Kran oder einer Windkraftanlage sein. Bei einer Windkraftanlage kann das Schwenklager ein Pitchlager sein. Das Objekt kann ferner ein Stellantrieb oder ein Ein- und Ausfahrmechanismus, insbesondere eines Sonnensegels eines Satelliten, eines Fahrwerks eines Flugzeugs oder eines Weichenstellantriebs, sein.

Claims

Verfahren zur Bewertung eines Zustands eines Objekts (2), umfassend folgende Schritte: - Erhalten einer Anregungsinformation (4), die eine mechanische Anregung des Objekts (2) beschreibt; - Erzeugen einer Vielzahl spektraler Anregungswerte (7) in Abhängigkeit der Anregungsinformation (4) mittels einer Frequenzanalyse, wobei die spektralen Anregungswerte (7) jeweils einem Spektralabschnitt von mehreren vorgegeben Spektralabschnitten zugeordnet sind; - Ermitteln eines Anregungskompensationswerts (7b) durch Verknüpfung der spektralen Anregungswerte (7) über einen einen oder mehrere der Spektralabschnitte umfassenden ersten Spektralbereich; - Ermitteln normierter spektraler Anregungswerte (7c) durch Normierung der spektralen Anregungswerte (7) mittels des Anregungskompensationswerts (7b) innerhalb eines einen oder mehrere der Spektralabschnitte umfassenden zweiten Spektralbereichs, der nicht deckungsgleich mit dem ersten Spektralbereich ist; - Erhalten einer Vielzahl normierter spektraler Referenzanregungswerte (9), die sich auf einen Referenzzustand des Objekts (2) beziehen, einem jeweiligen der Spektralabschnitte des zweiten Spektralbereichs zugeordnet sind und mittels eines über den ersten Spektralbereich gebildeten Referenzkompensationswerts normiert sind; und - Ermitteln relativer Anregungswerte (11) für zumindest einen Teil der Spektralabschnitte des zweiten Spektralbereichs durch In-Bezug-Setzen des dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Anregungswerts (7c) mit dem dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Referenzanregungswert (9).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei - der erste Spektralbereich solche Spektralabschnitte umfasst, in denen eine lastabhängige und/oder temperaturabhängige und durch den Anregungskompensationswert (7b) und/oder den Referenzkompensationswert zumindest teilweise kompensierbare Veränderung der spektralen Anregungswerte zu erwarten ist und/oder - der zweite Spektralbereich solche Spektralabschnitte umfasst, in denen über die Zeit eine Zustandsveränderung des Objekts zu erwarten ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verknüpfung der spektralen Anregungswerte (7) eine Integration der spektralen Anregungswerte (7) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Spektralbereich ein zusammenhängender Bereich von mehreren der Spektralabschnitte ist oder aus mehreren voneinander spektral beabstandeten Teilbereichen aus jeweils mehreren der Spektralabschnitte besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Spektralbereich und der zweite Spektralbereich überschneidungsfrei sind oder sich überlappen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die spektralen Anregungswerte (7) eine physikalische Größe und die normierten Referenzanregungswerte die durch den Referenzkompensationswert normierte physikalische Größe beschreiben, wobei - die physikalische Größe eine Amplitude, eine Phase, eine Leistung, oder eine spektrale Leistungsdichte, ist und/oder - die spektralen Anregungswerte (7) einen Effektivwert, einen Betragsmaximalwert oder eine Amplitudenverteilungsdichte oder einen daraus abgeleiteten Wert, insbesondere einen Crestfaktor oder einen Kurtosisfaktor, der physikalischen Größe beschreiben und/oder - die normierten Referenzanregungswerte (9) einen durch den Referenzkompensationswert normierten Effektivwert, einen durch den Referenzkompensationswert normierten Betragsmaximalwert oder eine durch den Referenzkompensationswert normierte Amplitudenverteilungsdichte oder einen daraus abgeleiteten Wert, insbesondere einen Crestfaktor oder einen Kurtosisfaktor, der physikalischen Größe beschreiben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgenden Schritt: Ermitteln einer Zustandsbewertungsgröße (13) durch eine Zustandsbewertungsfunktion, welche als Parameter - die relativen Anregungswerte (11) und/oder - aus den relativen Anregungswerten (11) abgeleitete Werte verknüpft.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei als jeweiliger Parameter - ein aus einem invertierten relativen Anregungswert (11) ermittelter Parameterwert verwendet wird, wenn der normierte spektrale Anregungswert (7c) kleiner als der normierte spektrale Referenzanregungswert (9) ist, und der relative Anregungswert (11) verwendet wird, wenn der normierte spektrale Anregungswert (7c) größer als der normierte spektrale Referenzanregungswert ist (9), oder - ein aus einem invertierten relativen Anregungswert (11) ermittelter Parameterwert verwendet wird, wenn der normierte spektrale Anregungswert (7c) größer als der normierte spektrale Referenzanregungswert (9) ist, und der relative Anregungswert (11) verwendet wird, wenn der normierte spektrale Anregungswert (7c) kleiner als der normierte spektrale Referenzanregungswert (9) ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Zustandsbewertungsfunktion - eine Summation, die Bildung eines arithmetischen Mittelwerts, die Bildung eines Effektivwerts oder die Bildung einer Zero-Crossing Rate und/oder - eine Gewichtung der Parameter, insbesondere (i) mittels rationaler, reeller oder eine irrationale Komponente aufweisender komplexer Gewichtungsfaktoren und/oder (ii) mittels linearer oder exponentieller Gewichtungsfaktoren, und/oder (iii) frequenzabhängiger Gewichtungsfaktoren umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner umfassend - folgenden Schritt: Anzeigen der Zustandsbewertungsgröße (13) und/oder eines zeitlichen Verlaufs der Zustandsbewertungsgröße (13) auf einer Anzeigeeinheit (23); und/oder - folgenden Schritt: Bereitstellen der Zustandsbewertungsgröße (13) an einer Funk- und/oder Hardwareschnittstelle (22); und/oder - folgende Schritte: Durchführen eines Vergleichs der Zustandsbewertungsgröße (13) oder einer zeitlichen Änderung der Zustandsbewertungsgröße (13) mit einem oder mehreren vorgegebenen oder einstellbaren Schwellwerten (T1, T2); und Ausgeben eines akustisch und/oder visuell und/oder haptisch wahrnehmbaren Signals in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleichs.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgenden Schritt: Bereitstellen der spektralen Anregungswerte (7) und/oder der normierten spektralen Anregungswerte (7c) und/oder der relativen Anregungswerte (11) an einer Funk- und/oder Hardwareschnittstelle (22).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgenden Schritt: Erfassen der mechanischen Anregung und Bereitstellen der Anregungsinformation (4).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Erfassen mittels wenigstens eines Sensors, insbesondere eines Schwingungssensors und/oder eines Schallsensors und/oder eines Körperschallsensors und/oder eines Beschleunigungssensors und/oder eines Lagesensors und/oder eines Gyroskops und/oder eines optischen Sensors, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgende dem Schritt des Erhaltens der Anregungsinformation (4) vorangehenden Schritte: - Ermitteln spektraler Referenzanregungswerte entsprechend den spektralen Anregungswerten (7), wenn sich das Objekt (2) vor dem Schritt des Erfassens der mechanischen Größe im Referenzzustand befindet; und - Ermitteln des Referenzkompensationswerts durch Verknüpfung der spektralen Referenzanregungswerte über den ersten Spektralbereich - Ermitteln der normierten spektralen Referenzanregungswerte (9) durch Normierung der spektralen Referenzanregungswerte mittels des Referenzkompensationswerts innerhalb des zweiten Spektralbereichs; - Abspeichern der ermittelten normierten spektralen Referenzanregungswerte (9).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest das Erzeugen der spektralen Anregungswerte (7), insbesondere auch die Ermittlung der normierten spektralen Anregungswerte (7c) und/oder die Ermittlung der relativen Anregungswerte (11) und/oder die Ermittlung der Zustandsbewertungsgröße (13), wiederholt, insbesondere zeitgesteuert oder durch ein, vorzugsweise externes, Triggersignal ausgelöst, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine wenigstens einen Umgebungsparameter des Objekts (2) beschreibende Umgebungsinformation verwendet wird, wobei die Umgebungsinformation vorzugsweise als Triggersignal verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgenden Schritt: Ermitteln einer einen Lastzustand und/oder eine Umgebungsgröße, insbesondere eine auf das Objekt einwirkende Kraft oder Temperatur, beschreibenden Objektinformation anhand der Verknüpfung der spektralen Anregungswerte (7) über den ersten Spektralbereich.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Vorrichtung (1) zur Bewertung eines Zustands eines Objekts (2), insbesondere eingerichtet zur Durchführung eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, umfassend: - eine Datenschnittstelle (3), die zum Erhalten einer Anregungsinformation (4), die eine mechanische Anregung des Objekts (2) beschreibt, eingerichtet ist; und - eine Signalanalyseeinheit (5), umfassend - einen Analyseabschnitt (6), der zum Erzeugen einer Vielzahl spektraler Anregungswerte (7) in Abhängigkeit der Anregungsinformation (4) mittels einer Frequenzanalyse eingerichtet ist, wobei die spektralen Anregungswerte (7) jeweils einem Spektralabschnitt von mehreren vorgegeben Spektralabschnitten zugeordnet sind, - einen ersten Ermittlungsabschnitt (6a), der zum Ermitteln eines Anregungskompensationswerts (7b) durch Verknüpfung der spektralen Anregungswerte (7) über einen einen oder mehrere der Spektralabschnitte umfassenden ersten Spektralbereich eingerichtet ist, - einen zweiten Ermittlungsabschnitt (6b), der zum Ermitteln normierter spektraler Anregungswerte (7c) durch Normierung der spektralen Anregungswerte mittels des Anregungskompensationswerts (7b) innerhalb eines einen oder mehrere der Spektralabschnitte umfassenden zweiten Spektralbereichs, der nicht deckungsgleich mit dem ersten Spektralbereich ist, eingerichtet ist, - eine Datenschnittstelle (8), die zum Erhalten einer Vielzahl normierter spektraler Referenzanregungswerte (9), die sich auf einen Referenzzustand des Objekts (2) beziehen, einem jeweiligen der Spektralabschnitte zugeordnet sind und mittels eines über den ersten Spektralbereich gebildeten Referenzkompensationswerts normiert sind, eingerichtet ist, - einen dritten Ermittlungsabschnitt (10), der zum Ermitteln relativer Anregungswerte (11) für zumindest einen Teil der Spektralabschnitte des zweiten Spektralbereichs durch In-Bezug-Setzen des dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Anregungswerts (7) mit dem dem jeweiligen Spektralabschnitt zugeordneten normierten spektralen Referenzanregungswert (9) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Signalanalyseeinheit (5) ferner einen weiteren Ermittlungsabschnitt (12) umfasst, der zum Ermitteln einer Zustandsbewertungsgröße (13) durch eine die relativen Anregungswerte (11) und/oder daraus abgeleitete Parameterwerte als Parameter verwendende Zustandsbewertungsfunktion eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, ferner umfassend: - eine Funk- und/oder Hardwareschnittstelle (22), die zum Bereitstellen der spektralen Anregungswerte (7) und/oder der normierten spektralen Anregungswerte (7c) und/oder der relativen Anregungswerte (11) und/oder der Zustandsbewertungsgröße (13) eingerichtet ist; und/oder - eine Anzeigeeinheit (23), die zum Anzeigen der Zustandsbewertungsgröße (12) und/oder eines zeitlichen Verlaufs der Zustandsbewertungsgröße (12) eingerichtet ist; und/oder - eine Vergleichseinheit (19), die zum Durchführen eines Vergleichs der Zustandsbewertungsgröße (13) oder einer zeitlichen Änderung der Zustandsbewertungsgröße (13) mit einem oder mehreren vorgegebenen oder einstellbaren Schwellwerten (T1, T2) eingerichtet ist; und eine Ausgabeeinheit (21), die zum Ausgeben eines akustisch und/oder visuell und/oder haptisch wahrnehmbaren Signals in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleichs eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, ferner umfassend: eine Erfassungseinheit (14), die zum Erfassen von analogen Messsignalen (15) der mechanischen Anregung und zum Bereitstellen der Anregungsinformation (4) für die Datenschnittstelle (3) eingerichtet ist, wobei die Erfassungseinheit (14) zum Erfassen der analogen Messsignale (15) insbesondere einen Schwingungssensor und/oder einen Schallsensor und/oder einen Körperschallsensor und/oder einen Beschleunigungssensor und/oder einen optischen Sensor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Erfassungseinheit (14) - dazu eingerichtet ist, die analogen Messsignale (15) in digitale Messsignale umzusetzen, oder - ferner einen Signalverarbeitungsabschnitt (25) umfasst, der zum Filtern und/oder zu einer, insbesondere einstellbaren, Analogsignalkonditionierung der analogen Messsignale eingerichtet ist, wobei die Erfassungseinheit (14) dazu eingerichtet ist, die gefilterten und/oder konditionierten Messsignale (15a) in digitale Messsignale zu wandeln, wobei die Erfassungseinheit dazu eingerichtet ist, die digitalen Messignale als Anregungsinformation (4) an der Datenschnittstelle (3) bereitzustellen.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 19 bis 23, wobei der Analyseabschnitt (6) ferner - dazu eingerichtet ist, Ausgangsdaten der Frequenzanalyse als spektrale Anregungswerte (7) bereitzustellen oder - einen Signalverarbeitungsunterabschnitt (26) umfasst, der einerseits zum Filtern und/oder zu einer, insbesondere einstellbaren, Digitalsignalkonditionierung der Ausgangsdaten der Frequenzanalyse und andererseits zum Bereitstellen der gefilterten und/oder konditionierten Ausgangsdaten (7a) der Frequenzanalyse als spektrale Anregungswerte (7) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, ferner umfassend - einen Eingang und/oder eine Schnittstelle für ein externes Triggersignal und/oder - einen Umgebungssensor, welcher dazu eingerichtet ist, eine einen Umgebungsparameter des Objekts beschreibende Umgebungsinformation bereitzustellen und/oder - eine Schnittstelle, über welche die Umgebungsinformation erhaltbar ist.