DE19855145A1

DE19855145A1 - Verfahren und Vorrichtung zur laufenden Überwachung von schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art auf das Auftreten von Veränderungen

Info

Publication number: DE19855145A1
Application number: DE19855145A
Authority: DE
Inventors: Robert Kuehn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2000-01-20

Abstract

Verfahren zur laufenden Überwachung von schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art, insbesondere solchen Elementen oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszuständen ausgesetzt sind, bei dem DOLLAR A - zur gleichen Zeit an verschiedenen schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen oder einer Kombination aus gleichen und gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder an der gleichen schwingungsfähigen Gesamtheit Schwingungen und/oder Schwingungsgemische ermittelt werden, DOLLAR A - Unterschiede zwischenden ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen ermittelt werden, DOLLAR A - Unterschiede durch Nachahmung der Fähigkeiten des menschlichen Gehörs klassifiziert und bewertet werden, DOLLAR A - aufgrund ermittelter und bewerteter Unterschiede auf bestimmte Veränderungen geschlossen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur laufenden Überwachung von schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art auf das Auftreten von Veränderungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf solche Elemente oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszuständen ausge setzt sind.

Unter schwingungsfähigen Elementen werden hier solche Elemente verstanden, die selbst zumindest teilweise schwingungsfähig sind und solche, die, obwohl selbst nicht oder kaum schwingungsfähig, unter bestimmten Umständen zumindest teilweise zum Schwingen angeregt werden können und deshalb Schwingungen verschiedenster Art abgeben, z. B. Schallschwingungen.

Zu den schwingungsfähigen Elementen zählen insbesondere Bauelemente sowie flüs sige und gasförmige Medien, die in Rohren und bestimmten Behältern oder beim Aus strömen aus diesen zum Schwingen angeregt werden können.

Die schwingungsfähigen Gesamtheiten umfassen mehrere Elemente, die schwin gungsfähige Elemente sein können, insbesondere Bauelemente oder flüssige oder gas förmige Medien. Diese Gesamtheiten sind ganz oder teilweise schwingungsfähig, wo bei die Schwingungsfähigkeit auf ein Element oder mehrere Elemente beschränkt sein kann. Dazu zählen insbesondere Maschinen, Anlagen, Fahrzeuge und Bauwerke.

Schwingungsfähige Elemente oder Gesamtheiten können erheblichen Beanspruchun gen unterliegen bzw. erhebliche Beanspruchungen auf andere Elemente oder Gesamt heiten ausüben. Die in der Praxis auftretenden Beanspruchungen umfassen mechani sche, mechanisch-thermische sowie tribologische Beanspruchungen, die entweder einzeln oder kombiniert auftreten können. Die kritischen mechanischen Beanspru chungen konzentrieren sich erfahrungsgemäß auf die durch Schwingungen verur sachten Belastungen, die zu den häufigsten Schadensursachen gehören.

Man ist bestrebt, durch konstruktive Maßnahmen die Schwingneigung kritischer Ele mente oder Gesamtheiten zu verringern, kann diese jedoch nicht in jedem Fall ganz unterdrücken. Man versucht damit zu erreichen, daß sie den Betriebsbeanspruchungen über die geplante Nutzungsdauer ohne Versagen standhalten. Da dieses nicht mit ab soluter Sicherheit möglich ist, sind in den Betriebspausen Überprüfungen notwendig und werden vorsorglich bestimmte Elemente oder Gesamtheiten ausgetauscht.

Bekannte meßtechnische Überwachungen haben den Nachteil, daß die gewonnenen Meßwerte in aller Regel nur einen sehr begrenzten Ausschnitt der insgesamt anfallen den, sehr komplexen Erscheinungen des Beanspruchungsvorgangs repräsentieren. Deshalb kommt es immer noch viel zu häufig zu einem Versagen mit bisweilen kata strophalen Folgen.

So wurde der furchtbare Unfall des ICE bei Eschede im Juni 1998 auf das Versagen eines Radreifens zurückgeführt. Dabei handelte es sich um einen die Lauffläche und den Spurkranz aufweisenden Reifen, der als Verschleißteil auf den scheibenförmigen Radkörper aus hochwertigem Material aufgebracht war und daran mittels einer Siche rung gesichert war. Die Räder wurden bis zu dem Unfall nur einer regelmäßigen Sichtkontrolle unterzogen. Danach wurden die Räder sämtlicher baugleicher ICE einer Materialprüfung mittels Ultraschall unterworfen. Diese Prüfung ist aufwendig und gewährt keinen Schutz vor einem Versagen, das auch mittels Ultraschall nicht zwi schen zwei Untersuchungen vorhersehbar wäre.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zur laufenden Überwachung mit erhöhter Über wachungssicherheit von schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art zu schaffen, insbesondere solcher Elemente oder Gesamtheiten, die unterschied lichen Betriebszuständen ausgesetzt sind, auf die Erkennung von Veränderungen, ins besondere die Früherkennung von Schäden.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden

- zur gleichen Zeit an verschiedenen schwingungsfähigen Elementen oder Gesamt heiten mit gleichen oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsge mischen oder einer Kombination aus gleichen und gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder der gleichen schwingungsfähigen Gesamtheit Schwingungen und/oder Schwingungsgemische ermittelt,
- Unterschiede zwischen den ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsge mischen ermittelt,
- aufgrund ermittelter Unterschiede auf das Auftreten von Veränderungen geschlos sen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat

- mindestens je einen Sensor zum Ermitteln von Schwingungen und/oder Schwin gungsgemischen zur gleichen Zeit an verschiedenen schwingungsfähigen Ele menten oder Gesamtheiten mit gleichen oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen oder einer Kombination aus gleichen und gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu ver schiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder an der gleichen schwingungsfähigen Gesamtheit,
- einen Vergleicher zum Ermitteln von Unterschieden der ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemische und
- eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Veränderungen aufgrund der ermit telten Unterschiede.

Damit knüpft die Erfindung an die Erfahrung alter Fachleute an, die, zum Beispiel im Maschinenbau, mittels ihres empfindlichen Gehörs Unregelmäßigkeiten aus der Ge räuschentwicklung erkennen können, bevor es zu Ausfällen kommt. Die Erfindung ahmt diese gehörmäßige Beobachtung nach, indem sie imstande ist, Abweichungen oder Änderungen im spektralen Bild zu einem bestimmten Zeitpunkt oder über kurze oder längere Zeiträume festzustellen. Durch den Einsatz technischer Mittel ist die Er findung jedoch im Unterschied zum menschlichen Gehör nicht auf Schallschwingun gen beschränkt, sondern bezieht die Überwachung beliebiger Schwingungsarten und Schwingungsgemischen ein, die im Betrieb entstehen.

Bei den überwachten Veränderungen kann es sich insbesondere um Veränderungen von Material, Struktur, Betriebsstoffen etc. oder um Schäden der Elemente oder Ge samtheiten handeln, oder auch nur um Veränderungen ihrer Betriebszustände, bei spielsweise in einer Aufwärmphase oder durch Belastungsänderung. Die Betriebszu stände können von den Betriebsbedingungen abhängen. Damit sind diese ebenfalls ei ner Überwachung zugänglich.

Eine gleichzeitige Überwachung verschiedener schwingungsfähigen Elemente oder Gesamtheiten kann beispielsweise an den Radsätzen des ICE oder anderer Schienen fahrzeuge erfolgen. Aufgrund übereinstimmender Bauweise weisen die Radreifen ein- und desselben Fahrzeugs durchweg im unbeschädigten Zustand nahezu übereinstim mende Schwingungen bzw. Schwingungsgemische auf. Ein rißfreier Radreifen wird jedoch einen anderen Klang bzw. ein anderes Klanggemisch beim Abrollen auf der Schiene entwickeln als ein gerissener. Folglich läßt sich durch Vergleich gleichzeitig ermittelter Schwingungen bzw. Schwingungsgemische mehrerer Radreifen ermitteln, ob ein Schaden vorliegt. Ferner können die Ermittlung und der Vergleich der Schwin gungen bzw. Schwingungsgemische ununterbrochen oder auch stichprobenartig in Zeitabständen erfolgen, so daß im Betrieb eine laufende oder quasi-laufende Über wachung des Radreifens gegeben ist. Angesichts der hohen und noch weiter erhöhten Reisegeschwindigkeit von ICE und vergleichbaren Zügen zugleich mit dem sensibler gewordenen Sicherheitsbedürfnis der Öffentlichkeit ist eine permanente Überwachung unerläßlich.

Die Ermittlung und der Vergleich von Schwingungen bzw. Schwingungsgemischen, die zu verschiedenen Zeiten am gleichen Element oder an der gleichen Gesamtheit ermittelt werden, ermöglichen eine Bewertung von Veränderungen. Plötzliche Verän derungen, die beispielsweise auf einer Beschädigung durch ein besonderes Ereignis beruhen können, können durch wiederholtes Nehmen von Proben in kurzen Zeitab ständen (z. B. Sekunden und darunter) und Vergleichen der Proben miteinander ermit telt werden. Um allmähliche Veränderungen, die beispielsweise auf allmählichem Verschleiß beruhen, zu erkennen, werden die Proben in langen Zeitabständen (z. B. Minuten und darüber) genommen und miteinander verglichen. Der Zeitabstand zwi schen den Proben kann der zu überwachenden Einrichtung in der Weise angepaßt werden, daß beim Erkennen von Unregelmäßigkeiten der Zeitabstand entsprechend verringert wird. In manchen Fällen ist eine Überwachung in kurzen und in langen Zeitabständen zweckmäßig, etwa bei Strahltriebwerken von Flugzeugen. Die Über wachung in Zeitabständen kann auch mit einer gleichzeitigen Überwachung an ver schiedenen Stellen kombiniert werden. Dies wäre beispielsweise bei Flugzeugen mit mehreren baugleichen Triebwerken sinnvoll. Wenn hingegen kein zweites Element als Grundlage für den Vergleich der Schwingungen bzw. Schwingungsgemische zur Ver fügung steht, kommt nur die Überwachung des einzigen Elementes in Zeitabständen in Betracht.

Die Überwachung ist sowohl bei gleichzeitiger Ermittlung von Schwingungen bzw. Schwingungsgemischen an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten als auch bei Ermittlung von Schwingungen bzw. Schwingungsgemischen zu verschiedenen Zeiten an demselben Element oder derselben Gesamtheit adaptiv, d. h. paßt sich den Gege benheiten des Augenblickes an (z. B. bei Schienenfahrzeugen: Geschwindigkeit, Zu stand von Schiene und Radreifen). Dies beruht darauf, daß sich die Analyse nicht auf statische Referenzwerte abstützt, sondern auf Vergleichswerte, die bei vergleichbaren Betriebszuständen genommen werden. Die gleichzeitige Ermittlung von Schwingun gen bzw. Schwingungsgemischen erfolgt per se bei vergleichbaren Betriebszuständen. Bei der Ermittlung in längeren Zeitabständen ist Voraussetzung, daß dies unter ver gleichbaren Betriebszuständen erfolgt. Somit ist die Erfindung besonders für die Überwachung von Maschinen, Anlagen, Fahrzeugen und Bauwerken oder deren Ele menten geeignet, die unterschiedlichen Betriebszuständen ausgesetzt sind.

Die ermittelten Schwingungsgemische können Schwingungsanteile enthalten, die für die Überwachung des betreffenden Elementes oder der betreffenden Gesamtheit ohne Bedeutung sind oder diese sogar stören, beispielsweise das reine Abrollgeräusch des Rades auf der Schiene, und Schwingungsanteile, die von besonderer Bedeutung sind, beispielsweise für die Früherkennung von Resonanzen. Deshalb kann zweckmäßig sein, bestimmte Bänder der Schwingungsgemische hervorzuheben und/oder zu unter drücken und danach dem Vergleich zuzuführen. Im Rahmen der Erfindung kann das Selektionsvermögen qualitativ und quantitativ nach bestimmten Kriterien fortlaufend verändert werden, beispielsweise um allmählichem Verschleiß und damit Änderungen des Schwingungsverhaltens des zu überwachenden Elementes bzw. der Gesamtheit gerecht zu werden.

Das Ergebnis des Vergleichs kann ausgegeben werden. Hierzu können aufgrund des Ergebnisses Daten erstellt werden, die in digitaler oder analoger Form, als akustisches Signal, als Warnsignal oder als Bilddarstellung oder in einer Kombination dieser Dar stellungsformen ausgegeben werden. Die Ausgabeeinheit kann also einen akustischen Signalgeber, ein Display oder einen Bildschirm umfassen und/oder in den Betrieb des betreffenden Elementes oder der Gesamtheit eingreifen. Dafür kann beim Vergleich untersucht werden, ob eine Vorgabe für den Grad der Übereinstimmung erfüllt ist. Bei Nichteinhaltung der Vorgabe werden entsprechende Maßnahmen ausgelöst.

Die Erfindung ist immer dann anwendbar, wenn aufgrund von Änderungen der ange zeigten Schwingungen bzw. Schwingungsgemische in Elementen oder Gesamtheiten eine Beurteilung des Zustandes derselben möglich ist. So kommt über Schienen- und Luftfahrzeuge hinaus eine Anwendung bei Straßenfahrzeugen und Schiffen in Be tracht. Darüber hinaus sind Anwendungen in allen Bereichen des Maschinenbaus, der Verfahrenstechnik, Energietechnik, Bautechnik usw. denkbar, beispielsweise bei der Überwachung von Maschinenelementen, Turbinen, Motoren, Gebläsen, Brücken oder von energietechnischen oder verfahrenstechnischen Anlagen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ahmt im Prinzip mit technischen Mitteln das Ver halten des Menschen nach, über das Gehör empfangene Informationen zu verarbeiten. Der Mensch verarbeitet akustische Wahrnehmungen in sehr komplexer Weise. Die unterschiedlichen und verschiedenartigen Anteile der gesamten akustischen Wahr nehmung werden von ihm miteinander verknüpft und aus dem Ergebnis der Verknüp tung bestimmte Reaktionen abgeleitet. In aller Regel besteht die Verarbeitung aus ei ner Kette aufeinanderfolgender, sehr unterschiedlicher, Verknüpfungen. Die Art der jeweiligen Verknüpfung und die damit verbundenen Bedingungen sind durch die Art der jeweiligen Aufgabe und die Erfahrung des Menschen bestimmt und werden durch dessen andauernden Lehrprozeß fortwährend verändert.

Bekannt ist z. B., daß das menschliche Gehör insbesondere bei thermodynamischen Prozessen imstande ist, Unregelmäßigkeiten zu erkennen, bevor eine Meßeinrichtung solche diagnostiziert. Auch aus den übrigen Bereichen der Maschinen- und Anlagen technik sind derartige Erfahrungen bekannt und werden ständig mit Erfolg angewen det.

Die Kriterien, nach denen der Mensch handelt, sind weitgehend bekannt und lassen sich nachbilden.

Erfindungsgemäß werden zur Hauptsache nachgeahmt und ausgenutzt

1. die Fähigkeit des Menschen, einzelne Töne und Tongemische wahrzunehmen und zu bewerten,
2. unterschiedliche, gemeinsam auftretende Töne und Tongemische voneinander zu unterscheiden und getrennt voneinander zu verarbeiten und zu bewerten,
3. die Stärke von Tönen und Tongemischen wahrzunehmen und zu bewerten,
4. Veränderungen zu 1., 2. und 3. wahrzunehmen und zu bewerten,
5. Wahrnehmungen von Frequenz, Frequenzänderungen, von Stärke und Änderun gen der Stärke, der Zusammensetzung eines Tongemisches und dessen Änderung sowie andere Wahrnehmungen miteinander zu verknüpfen und zu bewerten,
6. aus dem Vergleich von Tönen und Tongemischen diejenigen Unterschiede wahr zunehmen und miteinander in einer speziellen Weise zu verknüpfen und zu be werten, wie sie für die jeweilige Aufgabe von Bedeutung sind,
7. die Einfallsrichtung eines Schallereignisses festzustellen und das Ergebnis mit an deren Wahrnehmungen zu verknüpfen.

Darüber hinaus werden hier nicht aufgeführte Fähigkeiten des Menschen in bezug auf sein Gehör nachgebildet, wie sie in der medizinischen und physiologischen Fachlite ratur erwähnt werden.

Die physikalischen Merkmale der in diesen Verfahren ausgenutzten Schwingungen und Schwingungsgemische weichen insofern von denen ab, die das menschliche Ge hör wahrnehmen und verarbeiten kann, als sie nicht auf Schallschwingungen des Luft schalls, nicht auf den Hörbarkeitsbereich des menschlichen Gehörs, nicht auf dessen Dynamikbereich beschränkt sind und andere frequenzabhängige Eigenschaften auf weisen können, als sie im Prinzip durch die physiologische Gehörkurve des Menschen dargestellt wird.

Dementsprechend ist ein besonders vorteilhafter Erfindungsaspekt die Verknüpfung verschiedenartiger Wahrnehmungen von Schwingungen, z. B. die Wahrnehmung Ton höhe, verknüpft mit der Wahrnehmung der Stärke eines Eingangssignals und der Wahrnehmung einer bestimmten Veränderung in verschiedenartiger Weise, der Wahrnehmung der Einfallsrichtung, unter Umständen sogar des Ortes der Quelle, so wie die fortlaufende Veränderung der Verknüpfungsbedingungen.

Die Verknüpfung ist im einfachsten Fall einstufig und durch eine einfache Bedingung definiert, z. B. durch Vorgabe eines Grenzwertes. Die umfangreichste Verarbeitung wäre derzeit die mit Hilfe eines fortwährenden Lernprozesses z. B. der Künstlichen Intelligenz (KI) oder in einem neuronalen Netz, mit dessen Hilfe die Einrichtung sich einem idealen Ergebnis annähert.

1. Die Bedingungen für die Verknüpfungen werden
- 1. 8.1 intern unverändert festgelegt und/oder
- 2. 8.2 extern zugeführt und/oder
- 3. 8.3 fortlaufend durch festgelegte Algorithmen ermittelt und/oder
- 4. 8.4 im Rechner in einem fortwährenden Lernprozeß z. B. im Sinne der Künst lichen Intelligenz (KI) oder neuronaler Netze ermittelt und/oder
- 5. 8.5 von Hand verändert und/oder
- 6. 8.6 in einer Kombination von 8.1 bis 8.5 festgelegt.

Die Einrichtungen gemäß diesem Verfahren erlauben Ausbaustufen, die der jeweili gen Aufgabe angepaßt werden können. Ausgehend von einem Grundbaustein lassen sich vor allem mit Hilfe der Software die unterschiedlichen Charakteristiken darstellen und nahezu beliebig verändern.

Mit Hilfe eines externen Rechners lassen sich ggfs. die Funktionen bis ins Detail si mulieren und erlauben, auf diese Weise die Funktionsfähigkeit zu überprüfen und zu protokollieren.

Hierzu nachfolgend noch einige Grundlagen:

Der Mensch vermag mit einiger Aufmerksamkeit Lautstärkeunterschiede von plus minus 3 dB wahrzunehmen.

Mit einem Lautstärkeunterschied von 6 dB wird auch ohne bewußte Aufmerksamkeit beim Hörer eine deutliche Reaktion ausgelöst.

Mit 10 dB wird erfahrungsgemäß schon eine gewisse Aufgeregtheit ausgelöst.

Mit 20 dB und mehr wirkt ein Lautstärkeunterschied ausgesprochen alarmierend. Tonhöhenunterschiede vermag ein musikalisch ungeschulter Mensch ungefähr in Terzschritten wahrzunehmen.

Auch hier gilt, daß eine zunehmende Tonhöhenverschiebung sich letztlich alarmierend auswirkt.

Mit einer Kombination aus Lautstärke- und Tonhöhenänderung verstärken sich die Reaktionen gegenseitig.

Sinngemäß löst das Auftreten völlig neuer Schwingungsanteile neben dem Abschwä chen bisheriger gleichfalls abgestufte Reaktionen aus.

Mit den Erfahrungen vieler Generationen von Betriebsingenieuren, Entwicklungs ingenieuren und Servicefachleuten darf man davon ausgehen, daß die genannten abge stuften Werte von Stärke- und Frequenzänderung in den meisten Anwendungsfällen genügen werden. Sie liegen jedoch nicht unveränderbar fest und können z. B. bei sen siblen Anlagen innerhalb weiter Grenzen verschärft werden.

Vergleichsweise Reaktionen treten auf, wenn ein die Aufmerksamkeit erregendes Schallereignis aufgrund der Fähigkeit des Menschen zu stereophonem, d. h. räumli chem Hören zugleich die Einfallsrichtung und unter Umständen sogar den Ort im dreimensionalen Raum erkennen läßt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des anliegenden grobschematischen Block bildes einer Vorrichtung und einiger Anwendungsbeispiele näher erläutert:
Die Vorrichtung hat zwei Sensoren 1, 2, beispielsweise Mikrophone. Die Sensoren 1, 2 werden jeweils einem Maschinen- und Anlagen-Element zugeordnet, wobei die Elemente im Betrieb gleiche oder gleichartige Schwingungen bzw. Schwingungsge mische oder eine Kombination aus gleichen und gleichartigen Schwingungen bzw. Schwingungsgemischen erzeugen.

Jeder Sensor 1, 2 speist einen Analog/Digital-Wandler 3, 4 auf, der das vom Sensor gelieferte Analogsignal digitalisiert.

Das digitalisierte Meßsignal wird von den Analog/Digital-Wandlern 3, 4 jeweils ei nem digitalen Filter 5, 6 zugeführt. Die Filter 5, 6 können aus den ermittelten Schwin gungsgemischen bestimmte Bänder nach Lage und Breite hervorheben und andere unterdrücken. Der Filter-Algorithmus und damit die Filtercharakteristiken der beiden Filter 5, 6 werden über eine Filtersteuerung 7 gesteuert.

Die gefilterten Schwingungen bzw. Schwingungsgemische werden von den Filtern 5, 6 einem digitalen Komparator 8 zugeführt, z. B. einem Sequenzer. Als Sequenzer wer den neuerdings schnelle Komparatoren bezeichnet, die Sequenzen miteinander ver gleichen, z. B. in der Gen-Analyse. Von diesen werden die digitalisierten Schwingun gen bzw. Schwingungsgemische bitweise oder gruppenweise verglichen und über prüft, ob ein bestimmter Grad von Übereinstimmung gegeben ist. Der Vergleichs- Algorithmus wird von einer Komparator-Steuerung 9 gesteuert.

Der Komparator 9 liefert ein Steuersignal an eine Ausgabe-Einheit 10, falls der Ver gleich eine Überschreitung der Vorgabewerte zum Ergebnis hat. Über die Ausgabe- Einheit kann ein Warnsignal akustisch und/oder optisch gegeben oder automatisch in den Betrieb der zu überwachenden Elemente eingegriffen werden.

Der gesamten Vorrichtung ist eine Prozeß-Steuerung 11 übergeordnet, über die die Arbeitsweise sämtlicher Vorrichtungsteile 1 bis 10 beeinflußt werden kann.

Es folgen einige Anwendungsbeispiele.

Beispiel 1

Das IST-Geräuschspektrum einer Maschinenanlage zum Zeitpunkt t1 wird, nachdem es auf den relevanten Frequenzbereich durch Filterung eingeengt worden ist, als Refe renz-Spektrum SOLL₁ gespeichert.

Es wird mit einem IST₂-Spektrum verglichen, das zum Zeitpunkt t2 gewonnen wurde, wobei als Auslösekriterien bestimmte Verknüpfungen von Absolutwerten und Verän derungen benutzt werden.

Im nächsten Intervall wird das IST₂-Spektrum als neues Referenzspektrum abgespei chert und mit dem darauffolgenden Spektrum zum Zeitpunkt t3 verglichen und so fort.

Das Ergebnis der Verknüpfung kann entweder zu einer programmierten automati schen Reaktion führen als auch angezeigt und manuell beantwortet werden.

Beispiel 2

Aus der Verknüpfung verschiedenartiger und unterschiedlicher Augenblickswerte von Frequenz und Stärke eines Geräuschspektrums in Abhängigkeit vom jeweiligen Be triebszustand leitet eine Bedienungskraft bestimmte Reaktionen ab.

Veränderungen nach Art und Wert, wiederum in Abhängigkeit vom augenblicklichen, jedoch nun veränderten, Betriebszustand, lösen bei der Bedienungskraft andere Reak tionen aus.

Aus der Kette von Zuordnungen ermittelt der Rechner den Algorithmus des Lernpro zesses.

Auf diese Weise "lernt" die Überwachungseinrichtung, sich auf unterschiedliche Be triebszustände einzustellen, zu interpolieren und im u. U. mehrdimensionalen Kenn linienfeld zu verschieben und bewertet die unterschiedlichen und verschiedenartigen Geräusche, wie zuvor der Mensch, als Funktion des jeweiligen Betriebszustandes. Abweichungen davon werden wiederum miteinander verknüpft und lösen abgestufte selbsttätige Reaktionen aus.

Beispiel 3

In einer Maschinenanlage, die aus gleichartigen Elementen besteht, die unter genau gleichen Arbeitsbedingungen arbeiten, müssen die Geräuschspektren weitgehend übereinstimmen.

Ein Beispiel sind die Laufräder eines Eisenbahnfahrzeugs von genau gleicher Bauart und gleichem Verschleißzustand, wenn sie auf der gleichen Schiene laufen. Jedes Laufrad erzeugt beim Abrollen auf der Schiene ein Geräusch, das sich zusammensetzt aus

a) dem eigentlichen Abrollgeräusch auf der Schiene,
b) dem Lagergeräusch,
c) dem Windgeräusch und
d) dem Geräusch, das durch die von den Unebenheiten der Schienenoberfläche ange regten Schwingungen der Radkonstruktion, insbesondere des Radreifens, besteht.

Der Radreifen selbst läßt sich als schwingungsfähiges Element recht sauber definie ren, selbst wenn die Schwingungsneigung durch konstruktive Maßnahmen und vom Material her bedämpft wird.

Nach dem hier zum Patent angemeldeten Verfahren werden die Laufgeräusche eines bestimmten Eisenbahnfahrzeuges in der Weise miteinander verglichen, indem zu nächst durch Filterung auf die Schwingungen der Radreifen abgestellt wird.

Der eigentliche Vergleich wird zwischen den Laufrädern ein und desselben Fahrzeugs vorgenommen, die auf der gleichen Schiene laufen, mithin von den gleichen Uneben heiten der Schienenoberfläche angeregt werden.

Im zyklischen Verfahren werden die Laufgeräusche der Radreifen miteinander ver glichen, wobei die verschiedenartigen Symptome miteinander verknüpft und bewertet werden.

Schon eine beginnende Rißbildung führt sofort dazu, daß die Schwingneigung des Radreifens unterbleibt und zwischen dem defekten Laufrad und den unversehrten Laufrädern ein signifikanter Geräuschunterschied entsteht.

Beispiel 4

In einer Anlage der chemischen Industrie werden mehrere Mikrofone als Schwin gungsaufnehmer verteilt in einem dreidimensionalen System angeordnet.

Je nach Art des Mediums - Gas, hoch- oder niedrigviskose Flüssigkeiten, Dampf - entsteht beim Bruch einer Leitung oder eines anderen Anlagenteils ein typisches Ge räusch, das fast immer

a) auf das Medium
b) u. U. auf den Schadensumfang schließen läßt.

Durch die stereophone Eigenschaft der hier zum Patent angemeldeten Uberwachungs einrichtung wird ohne merkliche Zeitverzögerung auch der exakte Schadensort defi niert.

Wenn im Rechner eine genaue dreidimensionale Zuordnung von Ort und Medium ab gelegt ist, ermöglicht die Überwachungseinrichtung im Schadensfall darüber hinaus durch die sichere Erkennung des Schadensortes die Bestimmung des Gefahrenspoten tials.

Claims

1. Verfahren zur laufenden Überwachung von schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art, insbesondere solchen Elementen oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszuständen ausgesetzt sind, bei dem

1. zur gleichen Zeit an verschiedenen schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen oder einer Kombination aus gleichen und gleich artigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu ver schiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder an der gleichen schwingungsfähigen Gesamtheit Schwingungen und/oder Schwin gungsgemische ermittelt werden,
2. Unterschiede zwischen den ermittelten Schwingungen und/oder Schwin gungsgemischen ermittelt werden,
3. aufgrund ermittelter Unterschiede auf Veränderungen geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schwingungen und/oder Schwingungs gemische Schallschwingungen und/oder Schallschwingungsgemische sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schwingungen und/oder Schwin gungsgemische außerhalb der physiologischen Fähigkeit des menschlichen Gehörs angesiedelt sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in kurzen Zeitabständen ermittelte Schwingungen und/oder Schwingungsgemische ermittelt und miteinan der verglichen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in langen Zeitabständen unter vergleichbaren Betriebszuständen Schwingungen und/oder Schwingungs gemische ermittelt und miteinander verglichen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem aus den ermittelten Schwin gungen und/oder Schwingungsgemische bestimmte Bänder nach Lage und Breite hervorgehoben und/oder unterdrückt und dem Vergleich zugeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Hervorhebung oder Unterdrückung be stimmter Bänder nach bestimmten Vorgaben fortlaufend verändert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem beim Vergleich der Schwin gungen und/oder Schwingungsgemische untersucht wird, ob eine Vorgabe für den Grad der Übereinstimmung erfüllt ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem bei der Verarbeitung der ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemische mit technischen Mit teln das Verhalten des menschlichen Gehörs nachgeahmt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem Unterschiede einzelner Schwingungen und/oder Schwingungsgemische und/oder

1. unterschiedlicher, gemeinsam auftretender Schwingungen und/oder Schwingungsgemische und/oder
2. der Stärke von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder
3. der Einfallsrichtung einer Schwingung und/oder eines Schwingungsge misches

ermittelt und bewertet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem

1. die Frequenz oder Frequenzänderungen von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder
2. die Stärke und Änderungen der Stärke von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder
3. die Zusammensetzung eines Schwingungsgemisches und dessen Änderung und/oder
4. die Einfallsrichtung von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und deren Änderungen und/oder
5. andere Charakteristika von Schwingungen und/oder Schwingungsge mischen

ermittelt und miteinander verknüpft und bewertet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem aus dem Vergleich von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen diejenigen Unterschiede ermit telt und miteinander in einer Weise verknüpft und bewertet werden, die für die je weilige Aufgabe von Bedeutung sind.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Bedingungen für die Verknüp fungen

1. intern unverändert festgelegt und/oder
2. extern zugeführt und/oder
3. fortlaufend durch festgelegte Algorithmen ermittelt und/oder
4. in einer Datenverarbeitungsanlage in einem fortwährenden Lernprozeß ins besondere im Sinne der künstlichen Intelligenz (KI) oder neuronaler Netze ermittelt und/oder
5. von Hand verändert und/oder
6. aus einer Kombination der vorgenannten Möglichkeiten gewonnen werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem bei Auftreten einer unzu lässigen Veränderung ein Signal ausgegeben wird und/oder ein Eingriff in den Betrieb des schwingungsfähigen Elementes oder der schwingungsfähigen Ge samtheit erfolgt und/oder die unzulässige Veränderung dokumentiert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem ein akustisches und/oder optisches Signal ausgegeben wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die Schwingungen und/oder Schwingungsgemische analog verarbeitet werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Schwingungen und/oder Schwingungsgemische digitalisiert und digital verarbeitet werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem eine digitalisierte Schwingung und/oder ein digitalisiertes Schwingungsgemisch gespeichert und mit einer anderen digitali sierten Schwingung und/oder einem anderen digitalisierten Schwingungsgemisch verglichen wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem Elemente von Schienen-, Straßen- oder Luftfahrzeugen oder Schiffen, von Maschinen, verfahrenstechni schen und energietechnischen Anlagen oder Bauwerken oder diese Gesamtheiten insgesamt überwacht werden.

20. Vorrichtung zur laufenden Überwachung von schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art auf das Auftreten von Veränderungen, insbeson dere solcher Elemente oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszustän den ausgesetzt sind, insbesondere unter Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, mit

1. mindestens einem Sensor zum Ermitteln von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen zur gleichen Zeit an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen oder einer Kombination aus gleichen und gleich artigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu ver schiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder der glei chen schwingungsfähigen Gesamtheit,
2. einem Vergleicher zum Ermitteln von Unterschieden der ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemische und
3. einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Veränderungen aufgrund der ermittelten Unterschiede.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der der Sensor ein Mikrophon oder ein anderer Schwingungsaufnehmer ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, bei der dem Sensor ein Analog/Digital- Wandler zum Digitalisieren des Meßsignals des Sensors nachgeordnet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der dem Analog/Digital-Wandler ein Digital filter zum Hervorheben und/oder Unterdrücken bestimmter Bänder der ermittelten Schwingungsspektren nachgeordnet ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, bei der dem Analog/Digital-Wandler oder dem Digitalfilter ein digitaler Vergleicher zum Vergleichen eines digitalisierten Schwingungsspektrums mit einem anderen digitalisierten Schwingungsspektrum nachgeordnet ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, bei der die Ausgabeeinrichtung eine akustische Signaleinrichtung, eine optische Anzeigeeinrichtung und/oder eine in den Betrieb des schwingungsfähigen oder der Gesamtheit eingreifende Steuer einrichtung ist.