DE19727114C2 - Verfahren zur Ermittlung und Darstellung von Spektren für Schwingungssignale - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung und Darstellung von Spektren für SchwingungssignaleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Darstellung von Spektren für
Schwingungssignale gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches Verfahren ist bekannt aus dem Buch "Machinery Analysis and Monitoring" des
Verfassers John S. Mitchell (zweite Auflage, Pennwell Publishing Company, Tulsa, Oklahoma,
ISBN 0-87814-401-3, 1993). In diesem Buch wird auf Seiten 107 bis 110 dargestellt, welche
Vorteile sich aus der Verwendung von Datensammelgeräten (sogenannte Datensammler)
ergeben, wenn diese zur Erfassung von Körperschall-Messgrössen eingesetzt werden. Solche
Körperschall-Emissionen werden insbesondere von rotierenden und damit schwingenden
Maschinen oder Maschinenteilen abgegeben. Die Überwachung von Schwingungszuständen
der genannten Maschinen wird durch geeignete Signaldiagnosegeräte insgesamt stark
rationalisiert und effizienter gestaltet. Dies gilt insbesondere dann, wenn die genannten
Datensammler mit einer übergeordneten Daten-Auswertestation (z. B. in Form eines Personal
Computers) kombinierbar sind. In diesem Falle ergeben sich gute Möglichkeiten, in einem
(eventuell mehrstündigen) Arbeitsgang einer Messrunde periodisch auch eine grössere Anzahl
Maschinen und deren Maschinenteile zu messen, und so dauernd auf ihren Zustand zu
überwachen, und bei Bedarf eingehender zu analysieren, wenn sich signifikante Änderungen
ergeben. Hierbei werden erfasste Messgrössen und -signale zunächst in einem Datensammler
zwischengespeichert. Die Vielzahl der erfassten Messgrössen wird sodann in einen Speicher
der übergeordneten Daten-Auswertestation übertragen und kann sodann mittels zugehöriger
Software in relativ bequemer Weise zusammengefasst, dargestellt und ausgewertet werden.
Die genannte Vorgehensweise zielt letztlich darauf ab, Schäden an Maschinen zu vermeiden
oder zumindest bereits in einem Frühstadium zu erkennen. Hierzu kann es genügen, eine
Überprüfung von Maschinenschwingungen, zum Beispiel in Hinblick auf Pegelhöhe und
Eigenschaften der Lagergeräusche oder der Rotorschwingungen, turnusmässig nur jede
Woche oder jeden Monat durchzuführen.
Mittlerweile sind tragbare Datenerfassungsgeräte (sogenannte FFT-Datensammler) in der
Lage, eine erhebliche Anzahl einzelner Messwerte und -signale zwischenzuspeichern. Es
wurde dadurch die Möglichkeit eröffnet, die Überprüfung von Maschinenschwingungen
mittels hoch auflösender Zeitsignaluntersuchung und Spektralanalysen durchzuführen. Hierzu
wird beispielsweise für eine einzelne Maschinenüberprüfung ein Datensatz von ca. 10000 bis
20000 Einzel-Abtastwerten des Schwingungssignales zunächst zwischengespeichert und in
einem zweiten Schritt einer sogenannten Fouriertransformation zugeführt. Das Ergebnis der
Fouriertransformation kann dann auf einem Bildschirm oder einem Sichtgerät in an sich
bekannter Weise dargestellt werden.
Entsprechend einem zu diagnostizierenden Bauteil werden derzeit an einer Messstelle
nacheinander mehrere Signale jeweils mit verschiedenen Messeinstellungen zur gesamten
Zustandsuntersuchung gemessen. Dafür muss für ein einzeln zu untersuchendes Bauteil das
Schwingungssignal mit der entsprechend nötigen Frequenzauflösung in dem Frequenzbereich
analysiert werden, in dem die Schwingungen des Bauteils auftreten. Die verschiedenen Bauteile
und Baugruppen führen wie bekannt mit zunehmender Grösse jeweils niederfrequentere
Schwingungen aus, die bei niederen Frequenzen für eine gute Signaldynamik und
Rauschabstand als Schwinggeschwindigkeit oder als Schwingweg gemessen werden. Für
niedrigere Frequenzen ist eine um so feinere Frequenzauflösung der einzelnen
Schmalbandlinien erforderlich, um einzelne Schwingungskomponenten unterscheiden zu
können. Beispielsweise sind die Messeinstellungen für Schwingungssignale grosser langsamer
Rotoren so zu gestalten, dass der Schwingweg in einem Frequenzbereich von 2 bis 400 Hz mit
ca. 0,1 Hz bis ca. 0,13 Hz Auflösung, also 3200 Linien, analysiert wird. Die
Schwingungssignale kleiner Bauteile wie Wälzlager hingegen werden mit der
Schwingbeschleunigung in einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 40 kHz mit 3200 Linien mit
je ca. 12,5 Hz Auflösung ausreichend genau analysiert. Wird nun versucht, zur Vereinfachung
für alle Bauteile nur ein Schwingungssignal zu analysieren, bis zu einer hohen Frequenz, so ist
für die Rotoren selbst bei noch höheren Linienanzahlen die Auflösung nicht ausreichend.
Zur Erfassung der Frequenzspektren der Schwingungssignale werden bekannterweise an einer
gewählten Messposition Schwingbeschleunigungsaufnehmer eingesetzt, die das
Schwingungssignal liefern, das im Messgerät verstärkt und im Frequenzbereich
hardwaremässig gefiltert wird. Danach erfolgt eine A/D-Wandlung des Signales mit der
Abtastung mit einer Abtastfrequenz die bekannterweise das ca. zweifache der zu
untersuchenden obersten Grenzfrequenz des Frequnzspektrums sein muss, um aus dem
digitalen Zeitsignal richtig ein Frequenzspektrum mittels einer FFT oder anderen
Transformation berechnen zu können. Für die Anzahl der Abtastungen muss eine entspechend
grosse Zahl vorgesehen werden, um im Frequenzbereich eine erforderliche Frequenzauflösung
der einzelnen Schmalbandlinien zu erhalten. Für Maschinen-Schwingungssignale werden
Frequenz-Bänder mit konstanter Absolutbandbreite verwendet.
Vom nun erhaltenen gemessenen Frequenzbereich kann für eine günstige Darstellung ein
Ausschnitt eines dargestellten Frequenzbereiches abgebildet werden. Sollen viele Maschinen an
mehreren Messpositionen in einer Messrunde oder über einen langen Zeitraum mehrfach
untersucht werden, so ist entsprechend viel Speicherplatz vorzusehen. Es versteht sich, dass
ein grösserer Speicher in nachteiliger Weise ein grösseres Bauvolumen und höhere Kosten
eines Signaldiagnosegeräts verursacht. Ebenso wie Datensammler werden sogenannte
Analysatoren in ähnlicher Weise verwendet, wobei hier keine periodische Überwachung
durchgeführt wird, sondern nur bei Bedarf eine tiefer gehende Ursachenanalyse bei veränderten
Schwingungszuständen durchgeführt wird. Die Aufgabe des Datensammlers kann auch an
beispielsweise sehr wichtigen oder nicht zugänglichen Maschinen ein festinstalliertes
Überwachungsgerät mit einer Dauerüberwachung in gleicher Weise erfüllen. Allerdings werden
dann dauernd Messgrössen oder -signale erfasst und bei Bedarf über eine ebenso fest
installierte längere Datenleitung an der Auswertestation weiter verarbeitet, endgespeichert,
ausgewertet und sichtbar gemacht. Die FFT-Datensammler, Analysatoren und festinstallierte
Überwachungsgeräte werden in der Folge auch als Signaldiagnosegeräte bezeichnet.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Datensammler, Analysator oder
Überwachungsgerät bereitzustellen, welches für eine Spektralanalyse von
Maschinenschwingungen mit partiell möglichst hoher Auflösung entsprechend dem
Informationsgehalt der Signale verwendbar ist, andererseits mit einem Minimum an
erforderlichem Speicherplatz für die Zwischenspeicherung von Messdaten auskommt und keine
digitale Filter mit digitalem Signalprozessor erfordert. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
gemäss der Erfindung ein Verfahren angewendet wird, bei welchem - in Kombination -
folgende Schritte ausgeführt werden:
In einem ersten Schritt wird eine Anzahl an Schwingungssignalen mit Abtastwerten einzeln oder in paralleler Weise als Datensatz erfasst und gespeichert, wobei diese Schwingungssignale mit einer ersten Abtastfrequenz aufgenommen werden, so dass für den breitbandigsten zu untersuchenden Frequenzbereich eine zugeordnete erforderliche Auflösung erzielt wird.
In einem ersten Schritt wird eine Anzahl an Schwingungssignalen mit Abtastwerten einzeln oder in paralleler Weise als Datensatz erfasst und gespeichert, wobei diese Schwingungssignale mit einer ersten Abtastfrequenz aufgenommen werden, so dass für den breitbandigsten zu untersuchenden Frequenzbereich eine zugeordnete erforderliche Auflösung erzielt wird.
In einem zweiten Schritt wird eine zweite Anzahl Schwingungssignalen mit Abtastwerten
einzeln oder in paralleler Weise als Datensatz erfasst, verarbeitet und gespeichert, wobei diese
Schwingungssignale aber mit einer zweiten Abtastfrequenz aufgenommen werden, die
vorzugsweise ein ganzzahliger Bruchteil der ersten Abtastfrequenz ist, und soweit von der
ersten Abtastfrequenz verschieden ist, dass für einen niedrigeren zu untersuchenden
Frequenzbereich eine zugeordnete erforderliche Auflösung erzielt wird.
In einem oder mehreren weiteren Schritten wird jeweils wiederum eine Anzahl
Schwingungssignalen mit Abtastwerten einzeln oder in paralleler Weise als Datensatz erfasst,
verarbeitet und gespeichert, wobei auch diese Schwingungssignale aber mit einer weiteren
Abtastfrequenz aufgenommen werden, die vorzugsweise ein ganzzahliger Bruchteil der
zweiten Abtastfrequenz ist, und soweit von der zweiten Abtastfrequenz verschieden ist, dass
für einen niedrigsten, oder niedrigeren zu untersuchenden Frequenzbereich eine zugeordnete
erforderliche Auflösung erzielt wird. Diese Schritte können auch in anderer Reihenfolge
ausgeführt werden, müssen jedoch in gleicher Weise zueinander gestaffelt durchgeführt
werden.
In einer abschliessenden, beliebig zeitversetzten weiteren Schrittfolge werden die gespeicherten
Messsignale analysiert und kombiniert, so dass das Ergebnis der Analyse über ein Sichtteil
oder einen Drucker selektiv oder vollumfänglich darstellbar ist. Wichtig ist dabei die
Ausführung aller genannten Schritte unmittelbar nacheinander oder in vordefinierter Abfolge,
damit die verschiedenen Schwingungserscheinungen und deren Ursachen in Korrelation
gebracht werden können.
Dieses Verfahren wird beispielsweise durch die Benutzung eines erfindungsgemässen
zugehörigen Gerätes, speziell in Form eines Signaldiagnosegeräts, ausgeführt. Verfahren und
Gerät bieten den Vorteil, dass Körperschalluntersuchungen an Maschinen und Maschinenteilen
in verschiedenen interessierenden Frequenzbereichen mit optimaler und partiell mit hoher und
höchster Auflösung durchgeführt werden können, während der Aufwand und Raumbedarf für
einen erforderlichen Speicher, insbesondere einen Zwischenspeicher, im Vergleich zu
bekannten Lösungen erheblich verringert wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden wie folgt angegeben:
Das oben angegebene Verfahren verhindert Probleme bei der Interpretation der Messergebnisse dadurch, dass die Frequenzdarstellung ermittelter Teil- oder Einzelspektren in einem rechtwinkligen Koordinatensystem erfolgt, wobei die Abszisse des Koordinatensystems in mehrere Einzelabschnitte mit gleichartiger, insbesondere linearer, oder gegebenenfalls auch logarithmischer, Teilung unterteilt ist, und wobei die Einzelabschnitte unterschiedliche Skalenendwerte und jeweils optimale Frequenzauflösungen aufweisen. Die Ordinaten jedes Einzelabschnitts repräsentieren dabei jeweils spektrale Intensitäten, die aus jeweils zugehörigen Messsignalen abgeleitet sind, welche aus einem vordefinierten, bandbegrenzten, mithin durch eine obere Abtastfrequenz bestimmten Frequenzbereich entstammen oder einem solchen zugeordnet werden können.
Das oben angegebene Verfahren verhindert Probleme bei der Interpretation der Messergebnisse dadurch, dass die Frequenzdarstellung ermittelter Teil- oder Einzelspektren in einem rechtwinkligen Koordinatensystem erfolgt, wobei die Abszisse des Koordinatensystems in mehrere Einzelabschnitte mit gleichartiger, insbesondere linearer, oder gegebenenfalls auch logarithmischer, Teilung unterteilt ist, und wobei die Einzelabschnitte unterschiedliche Skalenendwerte und jeweils optimale Frequenzauflösungen aufweisen. Die Ordinaten jedes Einzelabschnitts repräsentieren dabei jeweils spektrale Intensitäten, die aus jeweils zugehörigen Messsignalen abgeleitet sind, welche aus einem vordefinierten, bandbegrenzten, mithin durch eine obere Abtastfrequenz bestimmten Frequenzbereich entstammen oder einem solchen zugeordnet werden können.
Weiterhin wird das erfindungsgemässe Verfahren mit Vorteil so ausgestaltet, dass die
Frequenzbereiche für mehrere darzustellende Spektralbereiche derart angeordnet und so nach
Grösse gestaffelt sind, dass mehrere Einzelspektren superponiert dargestellt werden können.
Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, dass der spektrale Informationsgehalt für die genannten
Frequenzbereiche in einer zusammengefassten und kombinierten Form speicherbar, übertragbar
und darstellbar ist.
Es ist von Vorteil, wenn gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren überlappende
Spektralbereiche ausgeblendet oder weggelassen werden können und somit nicht mehrfach zur
Darstellung auf einem Sichtgerät gelangen oder als sogenannte Hardcopy ausgedruckt werden
und die Datenmenge auch in einem gemeinsamen Datensatz somit reduziert werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens wird mittels eines
einzigen Mess-Befehls, der vorher definierte Messeinstellungen oder Mess-Parameter enthält,
eine vorgegebene Anzahl an Abtastwerten ermittelt, damit die genannten Einzelspektren
errechnet werden können und darüber hinaus gemeinschaftlich über einen einzigen
Darstellungs-Befehl, der vorher definierte Darstellungseinstellungen enthält, kombiniert
darstellbar sind. Mit Vorteil wird hierzu in einem vorher auszuführenden Schritt sowohl für
einen höchstfrequenten als auch für einen mittelfrequenten Einzelspektralbereich eine
zugehörige obere Grenzfrequenz und Auflösung mittels einer Tastatur oder mittels einer
Cursorfunktion auf einer grafischen Oberfläche vorgegeben.
Weiterhin besteht gemäss der Erfindung eine spektrale Gesamtdarstellung bevorzugt aus den
Auswertungsergebnissen für drei einzelne Spektralbereiche, wobei die oberen Grenzfrequenzen
der Spektralbereiche im Verhältnis 1 : 10 : 100 stehen und bevorzugt die Frequenzbereiche
zwischen 0-400, 400-4000 und 4000 bis 40000 Hz umfassen, die bei gleicher Linienanzahl pro
Bereich jeweils eine um den Faktor 10 bessere Frequenzauflösung ermöglicht.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann bei der Abtastung der Messignale zur Berechnung
einzelner fouriertransformierten Spektren eine strikt sukzessive Vorgehensweise vorsehen oder
die erforderlichen Messignale, für jeweils einen zugeordneten Frequenzbereich, zumindest fast
gleichzeitig erstellen. Dieses Vorgehensweise kann auch gemäss der Erfindung mehrfach
nacheinander wiederholt werden, so dass die Berechnung einer Mehrzahl von
fouriertransformierten Spektren (oder Sätzen von Spektren) mit gleicher Bandbreite ermöglicht
wird und diese Mehrzahl an Spektren in einer gemittelten Spektrum zusammengefasst wird und
gespeichert werden kann, so dass eine Auswertung anhand der Mittelwerte, Streuungen und
anderer statistischer Kenngrössen möglich ist. Je nach Mittelungsart können dadurch
interessierende Signalkomponenten hervorgehoben werden. In diesem Zusammenhang ist es
gemäss der Erfindung auch möglich, dass die zeitliche Reihenfolge der Abtastung von
einkanalig oder mehrkanalig zu erfassenden Schwingungssignalen zwecks Berechnung und
Darstellung einzelner fouriertransformierter Spektral-Teile nach einem vorgegebenen Muster
erfolgt, wobei ein solches Muster eine Reihenfolge oder eine Häufigkeitsverteilung von direkt
nacheinander auszumessenden Teil-Frequenzbereichen vorgibt. Diese Muster können dabei
durch einen Bediener einer Apparatur, welche gemäss dem Verfahren der Erfindung arbeitet, in
einem vorhergehenden Arbeitsschritt ausgewählt oder frei bestimmt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann mit besonderem Vorteil so ausgestaltet werden, dass
nur Spektralbereiche mit genügend grossen Signal-Intensitäten oder genügend grossem Signal-
Rauschabständen zur Darstellung gelangen, und dafür die Amplitudenwerte ggf. umgerechnet
werden. Diese Spektral- oder Frequenz-Bereiche werden in automatischer Weise errechnet und
mittels einer automatisch durchgeführten Skalierung zur Darstellung gebracht.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der
Zeichnungen beschrieben. - Es zeigt
Fig. 1 ein Körperschallspektrum, dargestellt für einen Frequenzbereich von 0 bis 40 kHz,
gemäss dem Stand der Technik
Fig. 2a eine apparative Anordnung, wie sie bei dem erfindungsgemässen Verfahren
eingesetzt wird
Fig. 2b einen zeitlichen Ablauf für die Ermittlung von Messwerten, in symbolischer
Darstellung
Fig. 2c eine alternative apparative Ausführung ähnlich Fig. 2a, mit fest installiertem
Datensammler oder Überwachungsgerät
Fig. 3 eine kombinierte Darstellung einzelner Körperschall-Spektren
Fig. 4 eine zusammenhängende Darstellung eines differenziert-auflösenden Körperschall-
Spektrums nach dem Stand der Technik
Die in Fig. 1 wiedergegebene Darstellung bezieht sich auf die Tatsache, dass zur Analyse von
Schwingungszuständen, wie sie an in Betrieb befindlichen Maschinen bevorzugt auftreten, ein
Frequenzbereich von ca. 0 bis 40000 Hz erfasst werden sollte. Die Analyse höherer
Frequenzen ist im allgemeinen nur bei speziellen Fragestellungen und Untersuchungen
erforderlich. Um eine Darstellung gemäss Fig. 1 bereitzustellen, wird in an sich bekannter
Weise mit einem Sensor, welcher auf Beschleunigungen reagiert, zunächst sukzessive und in
geordneter zeitlicher Reihenfolge eine Vielzahl einzelner Beschleunigungssignale erfasst.
Hierzu wird in an sich bekannter Weise an einem geeigneten Punkt der Oberfläche einer zu
überprüfenden Maschine (wie Motor, Pumpe, Turbine, Werkzeugbearbeitungsmaschine an der
Lagerstelle oder einer entsprechenden Subkomponente wie Getriebe) ein
Beschleunigungssensor angesetzt, welcher die mechanischen Beschleunigungssignale in ein
elektrisches Signal umwandelt. Ein solches Signal wird sodann mittels eines Analog-Digital-
Wandlers in einzelne Abtastwerte konvertiert ("gesampelt"). Es wird bei jedem Messvorgang
also eine Mehrzahl zeitlich nacheinander erfasster einzelner Messignale (Samples)
bereitgestellt. Diese Messignale werden zur weiteren und zeitversetzten Auswertung
zwischengespeichert. (Bei speziellen Messverfahren kann anstelle dieser beschriebenen,
sogenannten einkanaligen auch eine sog. mehrkanalige Messwerterfassung erfolgen. Bei
mehrkanaliger Messwerterfassung werden - anstelle eines jeweils einzelnen Messsignals - zu
praktisch gleichen Zeitpunkten zwei oder mehr Messignale erfasst, konvertiert und in einem
Signaldiagnosegerät zwischengespeichert). Unter Anwendung an sich bekannter
mathematischer Methoden werden mittels eines FFT-Algorithmus in einer Auswerteeinheit die
spektralen Anteile solcher Körperschallemissionen in einem Folgeschritt errechnet. Ihre
Darstellung erfolgt dann zweckmässig auf dessen Sichtteil in einem kartesischen
Koordinatensystem mit linear oder logarithmisch geteilter Ordinate und Abszisse.
Je nach betrieblichen Erfordernissen wird die beschriebene Messwerterfasssung mittels mobiler
Datenerfassung per Datensammler im turnusmässigem Rhythmus wiederholt, zum Beispiel
jeden Monat oder auch halbjährlich. Von einem Analysator oder festinstallierten
Überwachungsgerät erfolgt die Messung bei Bedarf oder bei Festinstallierten dauernd.
Fig. 2a zeigt apparative Anordnungen, wie sie nach dem erfindungsgemässen Verfahren
bevorzugt werden. An eine zu überwachenden Maschine 1, z. B. einen Motor, wird ein Sensor
4, z. B. ein Beschleunigungssensor, zur Messung des Schwingungszustandes der Maschine
angesetzt. Der zu ermittelnde Körperschall kann zumindest anteilig auch von einem
mitlaufenden weiteren Aggregat 2, wie z. B. einer Pumpe, Kompressor oder dergleichen
herrühren und über eine Kupplung 3 übertragen werden. Die vom Sensor 4 erzeugten
elektrischen Signale sind also ein Abbild des an einem jeweiligen Messpunkt ermittelten
Körperschalls und werden über das Anschlusskabel 5 dem Datensammler 6 zugeführt. Dieser
ist typischerweise als tragbares Gerät ausgestaltet, weist z. B. ein erstes (7) und ein zweites
Bedienfeld (7') mit Tastaturen sowie ein Sichtteil 8 auf und besitzt mit Vorteil mindestens
einen Daten-Ausgang (nicht gezeigt). Über den Datenausgang kann der Datensammler 6 mit
einer Daten-Auswertestation 11 direkt, gegebenenfalls indirekt, in Verbindung gebracht
werden, so dass ein Transfer von Daten aus dem Speicher des Datensammlers in die Daten
auswertestation 11 oder zurück möglich ist. Die Verbindungsmittel (per Kabel oder drahtlos)
sind dabei durch den Pfeil mit Bezugsziffer 10 symbolisiert. - Die Datenauswerte-Station 11 ist
typischerweise ein handelsüblicher Personal-Computer mit Tastatur 12 und Bildschirm 13
sowie zugehörigem Betriebssystem und weiterer Auswerte-Software. Unter Verwendung
geeigneter Kommunikationssoftware und weiterer anwendungsspezifischer Auswerte-Software
können die auf dem Datensammler 6 gespeicherten Daten in die Datenauswerte-Station 11
hereingenommen und nach Vorgaben des Bedieners ausgewertet und dargestellt und
endgespeichert werden. Alternativ und gegebenenfalls auch zusätzlich kann für den portablen
Datensammler 6 auch ein festinstalliertes Überwachungsgerät 6' vorgesehen sein, welches
vergleichbare Funktionen wie der Datensammler (ggf auf automatisierter Basis) durchführen
kann. Es kann mittels entsprechender Verbindungs- oder drahtloser Datenübertragungs-Mittel,
beide durch den Pfeil mit Bezugsziffer 10' symbolisiert, ebenfalls mit der Datenauswerte-
Station 11 kommunizieren (Fig. 2c).
Die in Fig. 2a gezeigte Anordnung ist in der Lage, Körperschallmessungen sowohl nach dem
Stand der Technik als auch gemäss der Erfindung auszuführen. Die erfindungsgemässe
Vorgehensweise wird durch Fig. 2b dargestellt, welche den zeitlichen Ablauf für eine Messung
an einer einzigen Messposition darstellt. Die Abszisse t bezeichnet die Zeit, während die mit M
beschriftete Ordinate anzeigt, ob eine Erfassung und Registrierung einzelner Messignale erfolgt
oder nicht.
In einem ersten, relativ kurzen Zeitabschnitt erfolgt durch den Datensammler 6 eine Messung
M1. Zu dieser Messung werden die vom Sensor 4 abgegebenen Beschleunigungssignale mit
einer ersten Abtastfrequenz einem im Datensammler enthaltenen Tiefpass zugeführt. Die
genannte erste Abtastfrequenz ist auf einen relativ hohen Wert voreingestellt oder
voreinstellbar. Die tiefpassgefilterten Beschleunigungssignale werden sodann mit relativ hoher
Abtastrate (beispielsweise 100 kHz) konvertiert und gespeichert, bis etwa 1000 bis 4000
Abtastwerte im Datensammler 6 abgespeichert sind. Zur Konversion wird zweckmässig ein
Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einer Auflösung von typisch 12 bis 16 bit vorgesehen.
In Anschluss an die erste Messung M1 erfolgt eine Messung M 2. Diese ähnelt in ihrem
Ablauf der ersten Messung. Es wird jedoch eine andere, nämlich niedrigere Abtastfrequenz
eingesetzt, d. h. die Abtastrate ist niedriger. Sie ist bevorzugt um einen Faktor von ca. 10
reduziert und beträgt damit beispielsweise nur noch etwa 10 kHz. Die Anzahl der
Abtastwerte ist vergleichbar gross. Aufgrund der niedrigeren Abtastrate dauert die Messung
M2 jedoch entsprechend länger, beispielsweise etwa 10fach länger als Messung M1, um eine
gleiche Linienanzahl zu erzeugen.
Im Anschluss an die zweite Messung M2 erfolgt die Messung M3. Auch diese ähnelt in ihrem
Ablauf der ersten bzw. der zweiten Messung. Es wird jedoch ein Tiefpass mit einer noch
niedrigeren Grenzfrequenz eingesetzt. Ausserdem ist auch hier die Abtastrate reduziert und
beträgt nur noch etwa 1000 Hz, d. h. sie liegt um einen bevorzugten Faktor von ca. 10
niedriger als bei Messung 2. Die Anzahl der Abtastwerte ist wiederum vergleichbar gross wie
bei Messung M1 und M2. Dementsprechend dauert Messung M3 wiederum länger als
Messung M2, nämlich etwa 10 mal so lang wie bei M2, je nach vorgesehener Abtastrate.
Durch die mehrfache Messung und Erfassung von Körperschall in unterschiedlichen
Frequenzbereichen ergibt sich im Gegensatz zu herkömmlichen Vibrations- und
Geräuschmessungen an Maschinen der grosse wirtschaftliche Vorteil, dass für jede der
Messungen eine spektrale Darstellung mit bereichsweiser optimaler und partiell besonders
feiner Auflösung errechnet werden kann, wohingegen bei herkömmlichen Messungen die
Auflösung in Teilbereichen entweder nicht genügend fein war oder nur mit erheblichem
Speicher-Aufwand erzielbar war. Wichtig ist, dass eine mehrfache Messung mit
unterschiedlichen Abtastraten vorgenommen wird. Die Reihenfolge, mit der die Abtastraten
und gleichzeitig die max. Abtastfrequenzen umgeschaltet werden, ist jedoch beliebig. Der
Vorteil des geringeren Speicherplatzbedarfes im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren
kommt jedoch besonders dann zum Tragen, wenn regelmässig an eine erste Mess-Sequenz (mit
mehreren Abtastraten) am selben Messpunkt weitere solcher Mess-Sequenzen durchgeführt
werden, so dass in einer späteren Auswertungsphase auch statistische Werte und historische
Änderungen ermittelt und dargestellt werden können.
Gemäss der Erfindung wird eine weitere Reduktion des erforderlichen Speicherplatzes im
Signaldiagnosegerät dadurch erreicht, dass nur solche Signale erfasst werden, deren
Spektralanteile insgesamt oder anteilig ein voreingestelltes unteres Intensitäts-Limit
überschreiten. Spektralanteile, deren Pegel nicht ausreichend hoch ist, werden mit einer
speziellen Codierung in Kurzform abgespeichert.
Gemäss der Erfindung können erfasste Körperschallsignale auch mittels einer Vorab-Analyse,
welche durch ein Datensammler 6 durchgeführt wird, auf interessierende Frequenzbereiche mit
signifikanten Frequenzanteilen untersucht werden. Je nach Ergebnis einer solchen Vorab-
Analyse werden die Einstell-Parameter (Abtastrate, Grenzfrequenz des vorgeschalteten
Tiefpasses) für die oben beschriebenen (und gegebenenfalls weiteren) Messungen M1, M2, M
3 automatisch nach Massgabe eines Messeinstellungs-Teilprogramms festgelegt, damit
erfolgt die Einstellung der Abtastfrequenzen automatisch ohne Bedienaufwand.
Das Messeinstellungs-Teilprogramm kann dabei ggf auf Informationen zurückgreifen, die
durch eine Identifizierungs-Codierung einzelner Messpunkte festgelegt wird. Das heisst, dass
im Verlaufe einer (z. B. mehrere Stunden dauernden) Messrunde Körperschallmessungen an
einigen hundert Messpunkten durchgeführt werden, wobei die Festlegung der genannten
Parameter unter anderem davon abhängt, an welchem Messpunkt gerade eine aktuelle
Messung erfolgt.
Nach Abschluss einer Messrunde werden die Daten über die Verbindungs- oder
Datenübertragungsmittel (Bezugszeichen 10) zur Daten-Auswertestation 11 übermittelt, wobei
die Länge der Verbindungsstrecke zwischen Signaldiagnosegerät und Daten-Auswertestation
bei Verwendung von Modems, Funktelefonen oder ähnlichen Einrichtungen der
Telekommunikation nahezu beliebig sein kann.
In einem weiteren Schritt gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren ermittelt die Daten-
Auswertestation 11 sodann aus der Vielzahl der an sie übertragenen Datensätze individuelle
Spektrogramme, Übersichten oder Statistiken und gibt diese über einen Bildschirm oder über
einen Drucker aus.
Eine erfindungsgemäss bevorzugte Darstellungsform am Sichtteil eines Datensammlers oder
Analysators zeigt Fig. 3, bei der beispielsweise 3 Spektralbereiche B1, B2 und B3 horizontal
nebeneinander angeordnet und dargestellt sind. Diese Spektralbereiche sind den Signalen
zugeordnet, welche durch unterschiedliche Abtastraten erfasst werden und welche im obigen
beispielsweise mit M1, M2, M3 bezeichnet worden sind. Es wird gemäss der Erfindung
bevorzugt, dass die Spektralbereiche B1 bis B3 (ggf. weitere) nur diejenigen Informationen
wiedergeben, die nicht bereits in einer Darstellung enthalten sind, welche zu einem anderen
ebenfalls gezeigten Spektralbereich gehört. Wichtig ist gemäss der Erfindung die konstante
Absolut-Schmalbandbreite, d. h. lineare Teilung, innerhalb der einzelnen Bereiche, da ansonsten
die häufig auftretenden und zu erkennenden Harmonischen von Grundschwingungen oder
deren Seitenbänder verfälscht dargestellt werden. Hierdurch wird die visuelle Interpretation
der dargestellten Spektren in B1, B2 und B3 erheblich erleichtert, da. z. B. Seitenbänder,
welche zu einer Spektrallinie gehören, wesentlich leichter zu erkennen sind, als wenn eine
logarithmische Abszissenteilung verwendet wird. In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung können die in B1, B2 und B3 dargestellten Spektren untereinander auch durch
relativ breite Frequenzbereiche voneinander getrennt sein. In einer anderen Ausgestaltung der
Erfindung können die jeweils oberen und unteren Frequenzgrenzen, die zu einer Darstellung
der Spektren in B1, B2 und B3 gehören, an der Daten-Auswertestation 11 oder am
Analysator oder Datensammler durch das Bedienpersonal variiert oder eingestellt werden.
Insgesamt wird durch die beschriebene erfindungsgemässe Vorgehensweise, bei der sich die
Datenerfassung auf vorgegebene, fest eingestellte oder automatisch festgelegte
Frequenzbereiche beschränkt, viel weniger Speicherplatz in einem speziellen Datensammler 6
benötigt, als wenn eine herkömmliche Darstellung von mehreren Spektrogrammen
mit hoher Frequenzauflösung oder mehrere Spektrogramme
unterschiedlicher Endfrequenzen angestrebt wird. Eine Darstellung der Spektrogramme mit
sehr grosser Linienzahl gemäss dem Stand der Technik (Fig. 4) ist darüber hinaus auch nur
dann bedienerfreundlich, wenn ein hochauflösender und damit teurer Bildschirm 13 zum
Einsatz kommt. Dieser Nachteil wird durch die vorliegende Erfindung ebenfalls vermieden.
Die Vorteile der erfindungsgemässen Erfassung und Darstellung eines Gesamtspektrums
gegenüber den bisherigen Verfahren bestehen darin, dass die zu einer Interpretation durch
einen Benutzer erforderliche Frequenzauflösung der Einzelabschnitte sehr günstig ist, weiterhin
ergibt sich bei der Benutzung des erfindungsgemässen Verfahrens eine wesentliche Verkürzung
der erforderlichen Zeit für eine Messung, besonders hinsichtlich einer vorzunehmenden
Messeinstellung, was besonders bei dauerndem oder zyklischem Messen wirksam wird, ferner
ist ggf eine gute Korrelation der einzelnen Einzelabschnitte ersichtlich, was damit Korrelation
der Wirkungsursachen bei Interpretation ermöglicht, darüberhinaus ergeben sich aus der
übersichtlichen Darstellung und der einfachen Handhabung und Nachverarbeitung nur eines
einzigen, konsolidierten Messdatensatzes zusätzliche Vorteile.
Claims (14)
1. Verfahren zur Ermittlung und Darstellung von Spektren für gemessene
Schwingungssignale, insbesondere für Körperschall-Signale, die von Maschinen mit
rotierenden oder schwingenden Komponenten emittiert werden, bei dem mehrere Messignale,
einzeln oder als Datensätze, mittels Datenerfassungsmitteln, insbesondere in Form portabler
Datensammler, Signalanalysatoren oder festinstallierter Dauerüberwachungsgeräte, an
mindestens einer Messposition mit einem Schwingungsaufnehmer an einer Maschine zeitlich
nacheinander erfasst und einer Auswerteeinheit in einem Schwingungsmessgerät oder in einer
Auswertestation zugeführt werden und mittels der Auswerteeinheit einer
Frequenztransformation, speziell einer diskreten Fouriertransformation mit konstanter Absolut-
Schmalbandbandbreite unterzogen werden und wobei die Ergebnisse einer solchen
Transformation nach Einzelfrequenzen geordnet und nach Betrag, Phase oder
komplexwertigen Resultaten wiedergegeben werden,
gekennzeichnet durch
- a) die kombinierte Ausführung folgender Schritte zur Erfassung der genannten Schwingungssignale:
- - In einem ersten Schritt wird eine Anzahl an Schwingungssignalen anhand von Abtastwerten einzeln oder in paralleler Weise als Datensatz erfasst, verarbeitet und gespeichert, wobei diese Schwingungssignale mit einer ersten vordefinierten Abtastfrequenz für einen zu untersuchenden Frequenzbereich aufgenommen werden, so dass für den zu untersuchenden Frequenzbereich eine zugeordnete, für eine Interpretation erforderliche Auflösung der Signalkomponenten erzielt wird.
- - In einem mit dem genannten ersten unmittelbar verknüpften zweiten Schritt wird eine Anzahl an Schwingungssignalen anhand von Abtastwerten einzeln oder in paralleler Weise als Datensatz erfasst, verarbeitet und gespeichert, wobei diese Schwingungssignale mit einer zweiten vordefinierten, anderen Abtastfrequenz für den zu untersuchenden Frequenzbereich aufgenommen werden, welche soweit von der ersten Abtastfrequenz verschieden ist, dass für einen zweiten oder darin enthaltenen zu untersuchenden Frequenzbereich eine zugeordnete für eine Interpretation erforderliche Auflösung der Signalkomponenten erzielt wird.
- - in einem oder mehreren Folge-Schritten, die mit den vorgenannten Schritten in vordefinierter Weise verküpft sind, wird jeweils wiederum eine Anzahl Schwingungssignale mit Abtastwerten einzeln oder in paralleler Weise als Datensatz erfasst, verarbeitet und gespeichert, wobei diese Schwingungssignale mit einer jeweils weiteren Abtastfrequenz aufgenommen werden, welche soweit von der vorherigen Abtastfrequenz verschieden ist, dass für einen dritten oder enthaltenen zu untersuchenden Frequenzbereich eine zugeordnete zur Interpretation erforderliche Auflosung der Signalkomponenten erzielt wird
- a) die zusätzliche Ausführung eines beliebig zeitversetzten Schrittes, in welchem die gespeicherten Messsignale der vorgenannten Einzelschritte einer Frequenz- oder Spektralanalyse unterzogen und zu einem Gesamtfrequenzpektrum kombiniert werden, wobei das Ergebnis der Frequenz- oder Spektralanalyse aller Schritte gespeichert, und im Bedarfsfall weiterverarbeitet werden kann
- a) die Frequenzdarstellung der kombinierten Ergebnisse der Einzelschritte über ein Sichtteil oder einen Drucker gleichzeitig und gemeinsam in einem rechtwinkligen Koordinatensystem erfolgen kann, wobei die Abszisse in mehrere, den vorgenannten Einzelschritten zugeordneten Einzelabschnitte mit gleichartiger Teilung unterteilt ist und die Einzelabschnitte annähernd gleiche Linienanzahl sowie unterschiedliche Skalenendwerte des Frequenzachsenabschnitts mit unterschiedlichen absoluten Frequenzauflösungen aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung einzelner der
genannten ersten, zweiten, dritten oder weiteren Schritte mittels einer Vorabanalyse davon
abhängig gemacht wird, ob innerhalb des jeweils einem Schritt zugeordneten Zeitsignales
oder Frequenzbereiches eine oder mehrere Signalkomponenten mit einer Signalintensität
vertreten sind, welche oberhalb eines bzw. mehrerer vordefinierter Schwellwerte liegen.
3. Verfahren zur Ermittlung und Darstellung von Schwingungssignalen nach einem der
vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzbereiche für mehrere
Einzelspektren nach Grösse gestaffelt sind, so dass errechnete Einzelspektren in
aneinandergereihter Form oder nebeneinander superponierbar und als Kombination gleichzeitig
und als spektrale Gesamtinformation speicherbar, übertragbar und darstellbar sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem überlappende spektrale Bereiche der
vorgenannten Einzelschritte in der Kombination ausblendbar sind oder weggelassen werden
und nicht zur Darstellung mittels eines Sichtgerätes oder eines Druckers oder zur Speicherung
gelangen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
genannten Einzelspektren gemeinschaftlich über einen einzigen Mess-Befehl nach Massgabe
vordefinierter darin enthaltener Messeinstellungen erfasst und in einem Folgeschritt über einen
einzigen Darstellungs-Befehl nach Massgabe vordefinierter darin enthaltenen
Darstellungeinstellungen dargestellt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
genannten Einzelspektren kombiniert in einem einzigen Datensatz abspeicherbar und zu einem
späteren Zeitpunkt in der genannten Form verwendbar sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem
vorhergehenden Schritt sowohl für einen höchstfrequenten als auch für mittelfrequente
Einzelspektralbereiche eine zugehörige obere Grenzfrequenz und Auflösung mittels einer
Tastatur oder mittels einer Cursor-Fuktion auf einer grafischen Oberfläche als Messeinstellung
oder Parametervorgabe für einen vorgenannten Messbefehl vorgebbar ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
vorzugsweise drei Spektralbereiche für Maschinenschwingungssignale oder andere
Schwingungssignale gemessen und ausgewertet werden, wobei die oberen Grenzfrequenzen
der Spektralbereiche im Verhältnis 1 : 10 : 100 stehen und diese bevorzugt die Frequenzbereiche
0 bis 400 Hz, 400 Hz bis 4000 Hz beziehungsweise 4000 Hz bis 40 kHz umfassen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
zeitliche Reihenfolge der Abtastung von einkanalig oder mehrkanalig zu erfassender
Schwingungssignale zwecks Berechnung und Darstellung einzelner fouriertransformierter
Spektral-Teile nach einem vorgegebenen Muster erfolgt, wobei das Muster eine Reihenfolge
oder eine Häufigkeitsverteilung von direkt nacheinander auszumessenden Teil-
Frequenzbereichen vorgibt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrfache
sukzessive Abtastung der Messignale zur Berechnung einzelner fouriertransformierter Spektren
erfolgt und mehrere Einzelspektren eines vorgegebenen Spektralbereiches zu einem
gemittelten Spektrum zusammengefasst werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Einzelschritte
an verschiedenen Messpositionen und Schwingungsaufnehmern, die jeweils dem zu
untersuchenden Maschinenteil zugeordnet sind, gleichzeitig oder unmittelbar nacheinander
durchgeführt werden.
12. Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens, wie in einem der Anspruche 1 bis 11
genannt, mit
Datenerfassungsmitteln für die Erfassung von Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssignalen, mit mindestens einem Sensor und einem Analog-Digital-Wandler,
mindestens einem Tiefpass für die Behandlung der genannten Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssignale,
einer Auswerteeinheit,
einem Bildschirm (Display) für die Darstellung mehrerer horizontal nebeneinander angeordneter Spektral- oder Frequenzdiagramme.
Datenerfassungsmitteln für die Erfassung von Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssignalen, mit mindestens einem Sensor und einem Analog-Digital-Wandler,
mindestens einem Tiefpass für die Behandlung der genannten Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssignale,
einer Auswerteeinheit,
einem Bildschirm (Display) für die Darstellung mehrerer horizontal nebeneinander angeordneter Spektral- oder Frequenzdiagramme.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Mittel zur automatischen
Erkennung von Frequenzbereichen, welche Frequenzbereiche sich durch eine vordefinierte
Verteilung von Signal-Intensitäten auszeichnen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, mit Mitteln zur Erfassung von Messsignalen, welche
den genannten Frequenzbereichen mit vordefinierter Verteilung von Signalintensitäten
zuordenbar sind, wobei durch die Mittel eine automatische Einstellung der Grenzfrequenz eines
als Tiefpass geschalteten Anti-Alias-Filters sowie entsprechend eine automatische Einstellung
der Abtastrate eines Analog-Digital-Wandlers ausführbar ist.
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