DE19950215C2 - Method for monitoring the condition, wear and breakage of a moving machine part and device for carrying out the method - Google Patents
Method for monitoring the condition, wear and breakage of a moving machine part and device for carrying out the methodInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Zustands-, Verschleiß- und Bruchüberwachung eines bewegten Maschinenteils durch Detektion von Körperschall, wobei an dem Maschinenteil oder an anderer Stelle der Maschine ein Schall abnehmer vorgesehen ist, der einen Teil des Körperschalls der Maschine an eine piezoelektrische Wandlereinrichtung ableitet, die daraus ein auswertbares Überwachungssignal generiert, wobei das Überwachungssignal in kausaler Abhängigkeit zu dem von der Maschine abgeleiteten Körperschall verändert wird.The invention relates to a method and an apparatus for monitoring the condition, wear and breakage of a moving Machine part by detection of structure-borne noise, with the Machine part or elsewhere on the machine a sound customer is provided, which is part of the structure-borne noise Leads the machine to a piezoelectric transducer device, which generates an evaluable monitoring signal, the monitoring signal being causally dependent on the structure-borne noise derived from the machine is changed.
Aus der DE 36 27 796 C1 ist ein gattungsgemäßer Gegenstand bekannt. Diese schlägt eine Vorrichtung mit einem flüssigen Schallabnehmer vor, der im Freistrahl gegen das bewegte Ma schinenteil strömt, in diesem Fall ein spanendes Werkzeug. Hierbei wird ein Teil des Körperschalls der Maschine durch den Flüssigkeitsstrahl an eine piezoelektrische Wandlereinrichtung abgeleitet, die daraus ein analoges Nutzsignal generiert und über eine feste Leitungsverbindung an eine Auswertungselek tronik weiterleitet. Vorzugsweise soll dieses Verfahren bei Werkzeugmaschinen eingesetzt werden. Dort übernimmt der ohne hin vorhandene Kühlschmierstoff die Zusatzfunktion des Schall abnehmers. Die Qualität der Körperschallverbindung ist unter anderem von der Art der Strömung in dem Freistrahl abhängig. DE 36 27 796 C1 is a generic object known. This proposes a device with a liquid Pickup in front of the open jet against the moving Ma part of the stream flows, in this case a cutting tool. Here a part of the structure-borne noise of the machine is caused by the Liquid jet to a piezoelectric transducer device derived, which generates an analog useful signal and via a fixed line connection to an evaluation elec tronik forwards. This method should preferably be used for Machine tools are used. There he takes over without available cooling lubricant the additional function of sound decreasing. The quality of the structure-borne noise connection is below depends on the type of flow in the free jet.
Eine gute Körperschallübertragung wird mit einer laminaren Anströmung des Maschinenteils erreicht. Nachteiligerweise verschlechtert sich die Ankopplung, wenn sich das Maschinen teil, beispielsweise ein rotierendes Werkzeug, mit einer der art hohen Umfangsgeschwindigkeit bewegt, daß es an der Auf treffstelle des Freistrahls zu einem Strömungsabriß kommt. Das Verfahren eignet sich somit nicht für schnell bewegte Werkzeu ge. Darüber hinaus dämpfen Luftblasen in der Flüssigkeit die Übertragung des Körperschalls in dem Freistrahl, so daß kein ausreichendes Nutzsignal erhalten werden kann. Zur Beseitigung der Luftblasen müssen zusätzlich Entgasungseinrichtungen vor gesehen werden.A good structure-borne sound transmission is with a laminar Inflow of the machine part reached. Unfortunately the coupling deteriorates when the machines part, for example a rotating tool, with one of the Art high peripheral speed that it moves on the where the free jet comes to a stall. The The method is therefore not suitable for fast moving tools ge. In addition, air bubbles dampen the liquid Transmission of structure-borne noise in the free jet, so that no sufficient useful signal can be obtained. For elimination the air bubbles must also have degassing devices be seen.
Die DE 43 16 473 C2 offenbart eine Vorrichtung, deren Schall abnehmer einen Teil des Körperschalls des bewegten Maschinen teils, beispielsweise eines Werkzeugs, über ein Federstahl element abgreift. Das Federstahlelement steht mit dem bewegten Maschinenteil in direktem Kontakt und leitet den abgegriffenen Körperschall an eine piezoelektrische Wandlereinrichtung, die daraus ein analoges Nutzsignal generiert. Auch hierbei wird das Nutzsignal über eine feste Leitungsverbindung zur Überwa chung des Maschinenteils an eine Auswertungselektronik gelei tet. Weiterhin ist die Entstehung von reibungsbedingtem Kör perschall zwischen dem Federstahlelement und dem bewegten Maschinenteil problematisch, weil sich der reibungsbedingte Körperschall und der von der Maschine abgeleitete Körperschall überlagern. Um reibungsbedingten Körperschall zu vermeiden, muß daher an der Kontaktstelle zwischen dem Federstahlelement und dem zu überwachenden Maschinenteil ständig eine Schmierung aufrechterhalten werden, was mit zusätzlichem Vorrichtungsauf wand verbunden ist.DE 43 16 473 C2 discloses a device whose sound Part of the structure-borne noise of moving machines partly, for example a tool, via spring steel element taps. The spring steel element stands with the moving one Machine part in direct contact and leads the tapped Structure-borne noise to a piezoelectric transducer device, the an analog useful signal is generated therefrom. Here too the useful signal via a fixed line connection to the monitor The machine part is supplied with evaluation electronics tet. Furthermore, the emergence of friction-related body Perschall between the spring steel element and the moving Machine part problematic because the friction-related Structure-borne noise and the structure-borne noise derived from the machine overlay. To avoid structure-borne noise caused by friction, must therefore at the contact point between the spring steel element and the machine part to be monitored is constantly lubricated be maintained, what with additional device wall is connected.
Darüber hinaus ist an den Vorrichtungen gemäß DE 36 27 796 C1 sowie DE 43 16 473 C2 gleichermaßen zu bemängeln, daß ein Einsatz an mobilen Maschinen oder Maschinenkomponenten wegen der leitungsgebundenen Übertragung des Nutzsignals von der Wandlereinrichtung zur Auswertungselektronik nicht möglich ist beziehungsweise wegen zu hoher Kosten nicht praktiziert wird. In addition, the devices according to DE 36 27 796 C1 as well as DE 43 16 473 C2 to complain that a Use on mobile machines or machine components because of the wired transmission of the useful signal from the Converter device for evaluation electronics is not possible or is not practiced due to high costs.
Außerdem ist die Auswertungselektronik üblicherweise in eini ger Entfernung von der Wandlereinrichtung angebracht, wobei sich eine erhöhte Störanfälligkeit schon dadurch ergibt, daß die relativ lange Leitungsverbindung wie eine Antenne wirkt und Störsignale externer elektromagnetischer Quellen empfängt. Die Frequenz und der Pegel des analogen Nutzsignals werden von diesen Störsignalen überlagert. Eine Abschirmung der Leitungs verbindungen kann diese Störeinflüsse nur unzureichend mil dern.In addition, the evaluation electronics are usually in one ger distance from the converter device attached, wherein an increased susceptibility to faults results from the fact that the relatively long line connection acts like an antenna and receives interference signals from external electromagnetic sources. The frequency and level of the analog useful signal are determined by superimposed on these interference signals. A shielding of the line connections can be insufficiently mil other.
Aus der 197 38 229 A1 ist ferner ein OFW-Senor bekannt, dessen Überwachungssignal in kausaler Abhängigkeit zu einer prozeßbe dingten Verformung des Maschinenteils steht. Der OFW-Sensor muß so appliziert sein, daß er im Betrieb derselben Verformung unterworfen ist, wie das Maschinenteil selbst. Die Einkoppe lung von Körperschall ist nicht vorgesehen.From 197 38 229 A1 an OFW senor is also known, the Monitoring signal in a causal relationship to a process due deformation of the machine part. The SAW sensor must be applied in such a way that it operates with the same deformation is subject, like the machine part itself. The Einkoppe Structure-borne noise is not intended.
Aus der DE 42 00 076 A1 ist es bekannt für eine Meßwertermitt lung zwei OFW-Sensoren vorzusehen, wobei der zweite OFW-Sensor als Referenz dient. Offengelassen ist, auf welche Weise die zu messende physikalische Größe Einfluß auf den OFW-Sensor nehmen soll damit dieser ein auswertbares Überwachungssignal gene riert.From DE 42 00 076 A1 it is known for a measured value determination to provide two SAW sensors, the second SAW sensor serves as a reference. It is left open in what way measuring physical quantity influence the SAW sensor so that this is an evaluable monitoring signal gene riert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren anzugeben, das auf der Ableitung von Körperschall aus dem Maschinenteil basiert sowie eine kostengünstige und einfach applizierbare Vorrichtung zur Zustands-, Verschleiß- und Bruchüberwachung für bewegte Maschinenteile zu schaffen, die auch die Überwachung mobiler Maschinen oder Maschinen komponenten vereinfacht.The invention is therefore based on the task of a simple one Procedure specifying that on the derivation of structure-borne noise based on the machine part as well as an inexpensive and easy to apply device for condition, wear and tear and create breakage monitoring for moving machine parts, which is also the monitoring of mobile machines or machines components simplified.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die pie zoelektrische Wandlereinrichtung als passiver OFW-Sensor aus gebildet ist und wenigstens eine Wandlerstruktur mit Antenne sowie einen Reflektor aufweist, daß eine Sendeelektronik auf einanderfolgend Funksignale und Funkpausen generiert, daß die Funksignale von der Antenne empfangen und von der Wandlerstruktur in gedämpfte Oberflächenschwingungen des OFW-Sensors umgesetzt werden, daß die Oberflächenschwingungen von dem Reflektor zurück zur Wandlerstruktur reflektiert werden, die in den Funkpausen der Sendeelektronik mit den reflektierten Oberflächenschwingungen ein Antwortsignal erzeugt, das von der Antenne abgestrahlt und von einer Auswertungselektronik emp fangen wird, wobei der Schallabnehmer mit dem abgeleiteten Körperschall der Maschine zusätzliche Oberflächenstörwellen auf dem OFW-Sensor erzeugt, die das Antwortsignal in kausaler Abhängigkeit zu dem von der Maschine abgeleiteten Körperschall verändern. According to the invention the object is achieved in that the pie zoelectric converter device as a passive SAW sensor is formed and at least one transducer structure with an antenna and has a reflector that a transmitter electronics consecutively radio signals and radio pauses generated that the Radio signals received by the antenna and by the transducer structure in damped surface vibrations of the SAW sensor be implemented that the surface vibrations of the Reflector to be reflected back to the transducer structure in the radio breaks of the transmission electronics with the reflected Surface vibrations generates a response signal from the Antenna radiated and emp of evaluation electronics will catch, the pickup with the derivative Structure-borne noise of the machine additional surface interference waves generated on the SAW sensor, which is the response signal in causal Dependence on the structure-borne noise derived from the machine change.
Die Abkürzung OFW steht für Oberflächenwellen. Bei dem OFW- Sensor handelt es sich um einen elektromechanischen Sensor, wie er beispielsweise in Funktelefonen zur Stabilisierung der Frequenz angewandt wird. Der OFW-Sensor besteht im wesentlichen aus einer Platte mit geringen Kantenlängen von wenigen Millimetern beispielsweise. Die Platte ist aus einem piezo elektrischen Material gebildet, wie zum Beispiel einem Quarz substrat. Eine Oberfläche der Platte ist mit dünnen fadenför migen Strukturen versehen, nämlich der wenigstens einen Wand lerstruktur und dem Reflektor. Die Wandlerstruktur weist zwei Wandlerkämme auf, deren Zinken ineinandergreifen. Einer dieser Wandlerkämme hat beispielsweise eine Masseverbindung. Der andere Wandlerkamm ist mit der Antenne verbunden, über die ein hochfrequentes Funksignal, also die Energie eines elektro magnetischen Feldes, empfangbar ist. Mit dem Hochfrequenz signal regt die Wandlerstruktur die Oberfläche der Platte zu Schwingungen an. Es sind transversale und longitudinale Schwingungsanteile, die sich an der Grenzfläche zwischen der festen Platte und der Umgebungsluft überlagern und die soge nannten Oberflächenwellen oder Oberflächenschwingungen erzeu gen.The abbreviation OFW stands for surface waves. At the SAW Sensor is an electromechanical sensor, such as that used in radio telephones to stabilize the Frequency is applied. The SAW sensor essentially exists from a plate with small edge lengths of a few Millimeters for example. The plate is made of a piezo electrical material, such as quartz substrate. One surface of the plate is thin with thread Structures, namely the at least one wall structure and the reflector. The transducer structure has two Converter combs, the teeth of which interlock. One of these Transducer combs have, for example, a ground connection. The other converter comb is connected to the antenna via which a high-frequency radio signal, i.e. the energy of an electro magnetic field, is receivable. With the high frequency signal, the transducer structure excites the surface of the plate Vibrations. They are transverse and longitudinal Vibration components that occur at the interface between the solid plate and the ambient air and the so-called called surface waves or surface vibrations gene.
Nach dem vorgeschlagenen Verfahren stellt das von der Antenne des OFW-Sensors abgestrahlte Antwortsignal das auswertbare Überwachungssignal dar. Dieses wird von der Auswertungselek tronik empfangen und weiterverarbeitet. Das Antwortsignal ist eine Folge gedämpfter Oberflächenschwingungen, die während der Funkpause der Sendeelektronik von der Wandlerstruktur in ein Spannungssignal umgewandelt und von der Antenne abgestrahlt werden. Die Wandlerstruktur wandelt dabei zwei sich überla gernde Wellenerscheinungen in ein Spannungssignal um, nämlich die reflektierten Oberflächenschwingungen, die von der Sende elektronik verursacht werden sowie die Oberflächenstörwellen, die der Schallabnehmer mit dem abgeleiteten Körperschall er zeugt.According to the proposed method, this is done by the antenna response signal emitted by the SAW sensor is the evaluable one Monitoring signal. This is from the evaluation elec tronics received and processed. The answer signal is a consequence of damped surface vibrations that occur during the Radio pause of the transmitter electronics from the converter structure in one Converted voltage signal and radiated from the antenna become. The converter structure changes two overlaid converting wave phenomena into a voltage signal, namely the reflected surface vibrations from the transmit electronics are caused as well as the surface interference waves, that of the sound pickup with the derived structure-borne sound testifies.
Im Normalbetrieb ergibt sich ein charakteristisches Überwa chungssignal für das intakte Maschinenteil, beispielsweise ein Werkzeug. Das Überwachungssignal verändert sich durch Ver schleiß oder Bruch des Maschinenteils in charakteristischer Weise. Dann, wenn sich der OFW-Sensor in dem Sende- und Emp fangsbereich der Sende- und Auswertungselektronik befindet, ist stets eine zuverlässige Information über den Zustand des Maschinenteils verfügbar.In normal operation there is a characteristic monitoring signal for the intact machine part, for example Tool. The monitoring signal changes through Ver wear or breakage of the machine part in characteristic Wise. Then when the SAW sensor in the transmit and Emp range of the transmitter and evaluation electronics, is always reliable information about the state of the Machine part available.
Der Schallabnehmer und der OFW-Sensor lassen sich sehr leicht nahe an dem zu überwachenden Maschinenteil applizieren, so daß dessen Körperschall zuverlässig abgeleitet werden kann. Da es sich bei dem OFW-Sensor um einen passiven Sensor handelt, wird keine eigene Energieversorgung benötigt. Für das während der Funkpause generierte Antwort- oder Überwachungssignal wird nur eine geringe Energie benötigt. Diese Energie entnimmt der OFW- Sensor dem elektromagnetischen Feld der Funksignale.The sound pickup and the SAW sensor can be very easily Apply close to the machine part to be monitored so that whose structure-borne noise can be reliably derived. Because it the SAW sensor is a passive sensor no own energy supply needed. For that during the Radio pause generated response or monitoring signal is only requires a low energy. The SAW takes this energy Sensor the electromagnetic field of the radio signals.
Das Verfahren gestattet es daher, eine Vielzahl von Schallab nehmern und OFW-Sensoren zu applizieren, die alle von einer Sende- und einer Auswertungselektronik gespeist und überwacht werden. Der OFW-Sensor ist wartungsfrei. Da es sich um ein passives Bauteil handelt, weist der OFW-Sensor eine sehr lange Lebensdauer auf. Der Schallabnehmer und der OFW-Sensor lassen sich zu einer kompakten Baugruppe zusammenfassen, die in einem Montageschritt appliziert werden kann.The method therefore allows a variety of sound levels applicants and SAW sensors, all from one Transmitter and evaluation electronics fed and monitored become. The SAW sensor is maintenance-free. Since it is a passive component, the SAW sensor has a very long time Lifespan. Leave the pickup and the SAW sensor can be combined into a compact assembly, which in one Assembly step can be applied.
Als Beispiel zur Überwachung einer mobilen Maschine wären Schienenfahrzeuge zu nennen. Es können zum Beispiel alle Rä der, Achsen, etc. eines Zuges oder mehrerer Züge mit jeweils einem Schallabnehmer und einem OFW-Sensor versehen und von einer stationären Sende- und Auswertungselektronik sehr ko stengünstig überwacht werden.As an example to monitor a mobile machine To name rail vehicles. For example, all Ra the, axes, etc. of a train or several trains with each provided a sound pickup and an SAW sensor and by a stationary transmitter and evaluation electronics very ko be monitored at low cost.
Externe elektromagnetische Störquellen haben günstigerweise keinen Einfluß mehr auf das von der Antenne abgestrahlte Ant wortsignal. Überdies ist die Applikation des Schallabnehmers und des OFW-Sensors besonders einfach, weil keine lange Lei tungsverbindungen benötigt werden.External sources of electromagnetic interference conveniently have no more influence on the Ant radiated by the antenna word signal. In addition, the application of the sound absorber and the SAW sensor is particularly simple because there is no long lei connection connections are required.
Durch eine kontinuierliche Überwachung des Antwortsignals können allmähliche Veränderungen eines Maschinenteils erfaßt werden, beispielsweise das Abstumpfen eines Bearbeitungswerk zeugs oder der Verschleiß der Räder eines Zuges. By continuously monitoring the response signal can gradually detect changes in a machine part become, for example, the dulling of a processing plant stuff or the wear on the wheels of a train.
Eine einfache Ausführung des Verfahren sieht vor, daß der Schallabnehmer einen flüssigen oder festen Wellenleiter auf weist, der an den OFW-Sensor angekoppelt ist und einen Anteil des von der Maschine abgeleiteten Körperschalls in Oberflä chenstörwellen des OFW-Sensors umsetzt. Das Verfahren eignet sich besonders für Maschinen, bei denen der Schallwandler und OFW-Sensor an einer einfachen Maschinenstruktur appliziert werden können, die ausreichende Platzverhältnisse bietet. Es läßt sich beispielsweise dann ein hoher Anteil des Körper schalls in Oberflächenstörwellen des OFW-Sensors umwandeln, wenn es sich um einen Wellenleiter handelt, der den Körper schall mit geringen Verlusten transportieren kann und, wenn an der Kontaktstelle zwischen dem Wellenleiter und dem OFW-Sensor möglichst geringe Reflektionsverluste auftreten.A simple implementation of the method provides that the Pickup a liquid or solid waveguide points, which is coupled to the SAW sensor and a portion the structure-borne noise derived from the machine in surface interference waves of the SAW sensor. The procedure is suitable are particularly suitable for machines in which the transducer and SAW sensor applied to a simple machine structure be able to provide sufficient space. It then, for example, a high proportion of the body convert sound into surface interference waves of the SAW sensor, if it is a waveguide that is the body can transport sound with low losses and when on the contact point between the waveguide and the SAW sensor the lowest possible reflection losses occur.
Eine alternative Weiterbildung des Verfahrens arbeitet mit einem Schallabnehmer, der ein zusätzliches Wandlerelement aufweist, das den abgeleiteten Körperschall in ein Spannungs signal umwandelt. Das Spannungssignal wird zu einer zweiten Wandlerstruktur des OFW-Sensors geleitet, die mit dem Span nungssignal des zusätzlichen Wandlerelements die Oberflächen störwellen auf dem OFW-Sensor erzeugt. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß sich das zusätzliche Wandlerele ment und der OFW-Sensor auch an komplizierteren Maschinen strukturen gut applizieren lassen. Dies, weil eine kurze Ka belverbindung zwischen dem zusätzlichen Piezoelement und dem OFW-Sensor flexibler anzubringen ist, als ein fester Wellen leiter. Weiterhin ist es hilfreich, daß die von dem zusätzli chen Wandlerelement gelieferten Spannungssignale mit Hilfe der zweiten Wandlerstruktur des OFW-Sensors einen hohen Anteil der Energie des abgeleiteten Körperschalls in Oberflächenstörwel len umsetzen. An alternative development of the method works with a sound pickup, which is an additional transducer element has the derived structure-borne noise in a voltage signal converts. The voltage signal becomes a second Transducer structure of the SAW sensor directed to the chip voltage signal of the additional transducer element, the surfaces interference waves generated on the SAW sensor. An advantage of this The procedure is that the additional converter element ment and the SAW sensor also on more complicated machines have structures applied well. This is because a short Ka Bel connection between the additional piezo element and the SAW sensor is more flexible to install than a fixed wave ladder. It is also helpful that the additional Chen converter element supplied voltage signals using the second converter structure of the SAW sensor a high proportion of Energy of the derived structure-borne noise in surface disturbance implement len.
Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Vorrichtung mit einem Schallabnehmer, mit dem ein Teil des Körperschalls der Maschine an eine piezoelektrische Wandlereinrichtung ableitbar ist, wobei die Wandlereinrichtung als passiver elektromecha nischer OFW-Sensor aus einer Platte piezoelektrischen Materi als gebildet ist. Auf einer Plattenoberfläche der Platte sind fadenförmige Strukturen nämlich wenigstens eine Wandlerstruk tur und ein Reflektor aufgebracht. Die Wandlerstruktur ist aus zwei Wandlerkämmen aufgebaut, deren Zinken ineinandergreifen. Ein Wandlerkamm weist eine Masseverbindung auf und der andere Wandlerkamm ist mit einer Antenne verbunden. Es ist eine Sen deelektronik vorgesehen, mit der aufeinanderfolgend Funksigna le und Funkpausen generierbar sind und es ist eine Auswer tungselektronik vorgesehen, mit der in den Funkpausen der Sendeelektronik ein Antwortsignal empfangbar und auswertbar ist. Mit dem Schallabnehmer sind aus dem abgeleiteten Körper schall der Maschine zusätzliche Oberflächenstörwellen auf dem OFW-Sensor (1) erzeugbar. A device with a sound pickup is used to carry out the method, with which a part of the structure-borne noise of the machine can be derived from a piezoelectric transducer device, the transducer device being formed as a passive electromechanical SAW sensor from a plate of piezoelectric material. On a plate surface of the plate, thread-like structures namely namely at least one transducer structure and a reflector are applied. The converter structure is made up of two converter combs, the teeth of which interlock. One converter comb has a ground connection and the other converter comb is connected to an antenna. There is a de-electronics provided, with which radio signals and radio pauses can be generated in succession and evaluation electronics are provided with which a response signal can be received and evaluated in the radio pauses of the transmission electronics. With the sound pickup, additional surface interference waves can be generated on the SAW sensor ( 1 ) from the derived body sound of the machine.
Eine einfache Ausführungsform der Vorrichtung weist einen Schallabnehmer mit einem flüssigen oder festen Wellenleiter auf, der an den OFW-Sensor angekoppelt ist und mit dem ein Anteil des von der Maschine abgeleiteten Körperschalls in Oberflächenstörwellen des OFW-Sensors umsetzbar ist.A simple embodiment of the device has one Pickups with a liquid or solid waveguide on, which is coupled to the SAW sensor and with the one Proportion of structure-borne noise derived from the machine in Surface interference waves of the SAW sensor can be implemented.
Eine alternative Ausführungsform weist einen Schallabnehmer mit einem zusätzlichen Wandlerelement auf, das den abgeleite ten Körperschall in ein Spannungssignal umwandelt. Der OFW- Sensor weist dafür eine aus zwei Wandlerkämmen aufgebaute zweite Wandlerstruktur auf. Die Zinken der beiden Wandlerkämme der zweiten Wandlerstruktur greifen ineinander und jeder Wand lerkamm ist über eine Kabelverbindung mit dem zusätzlichen Wandlerelement verbunden, damit mit dem Spannungssignal des zusätzlichen Piezoelements die Oberflächenstörwellen des OFW- Sensors erzeugbar sind.An alternative embodiment has a sound pickup with an additional transducer element that derives the converted structure-borne noise into a voltage signal. The OFW For this purpose, the sensor has one constructed from two converter combs second converter structure. The tines of the two converter combs the second transducer structure interlock and each wall The comb is connected to the additional cable Transducer element connected to the voltage signal of the additional piezo element the surface interference waves of the SAW Sensors can be generated.
Der Einfachheit halber ist das zusätzliche Wandlerelement des Schallabnehmers als Piezoelement ausgebildet. Ein derartiges Piezoelement ist sehr kostengünstig und läßt sich leicht ap plizieren.For the sake of simplicity, the additional converter element of the Sound pickup designed as a piezo element. Such a thing Piezo element is very inexpensive and can be easily ap plicate.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung ist für die Über wachung von Maschinenteilen vorgesehen, die ferromagnetische Eigenschaften aufweisen. Hierbei ist das zusätzliche Wandler element des Schallabnehmers als Spule ausgebildet, die das zu überwachende Maschinenteil umgibt. Zweckmäßig ist dann, wenn sich das Maschinenteil bewegt, beispielsweise rotiert, Luft zwischen der Spule und dem Maschinenteil vorgesehen. Alterna tiv ist es auch möglich, daß die Spule mit dem Maschinenteil in Kontakt steht. Mit dieser Konstruktion wird der sogenannte Barkhausen-Effekt ausgenutzt. Nach Barkhausen wird in einer ein ferromagnetisches Bauteil umgebenden Spule eine Spannung induziert, wenn sich der magnetische Zustand des Bauteils än dert. Dabei werden die geringen sprunghaften Änderungen des magnetischen Zustands des Maschinenteils aufgenommen, von denen jede kleine Änderung auf einer Versetzung innerhalb eines ferromagnetischen Kristalls beruht.Another embodiment of the device is for the over Machine parts provided, the ferromagnetic Have properties. Here is the additional converter element of the pickup is designed as a coil that the surrounding machine part. It is useful if the machine part is moving, for example rotating, air provided between the coil and the machine part. Alterna tiv it is also possible that the coil with the machine part is in contact. With this construction, the so-called Barkhausen effect exploited. After Barkhausen is in one a coil surrounding a ferromagnetic component has a voltage induced when the magnetic state of the component changes different. The small, sudden changes in the magnetic state of the machine part recorded by which every little change on a transfer within of a ferromagnetic crystal.
In der vorliegenden Konstruktion erzeugt der Körperschall innere Zug-, Druck- und Scherwirkungen in einem Maße, daß die dadurch hervorgerufenen Änderungen des magnetischen Zustands des Maschinenteils als Induktionsspannung an der Spule ab greifbar sind. Das Spannungssignal wird dann auf die gleiche Weise zur Erzeugung der Oberflächenstörwellen auf dem OFW- Sensor verwendet, wie bei dem vorbeschriebenen Schallabnehmer mit Piezoelement.In the present construction, structure-borne noise is generated internal tensile, pressure and shear effects to an extent that the changes in the magnetic state caused thereby of the machine part as induction voltage on the coil are tangible. The voltage signal is then the same How to generate the surface interference waves on the SAW Sensor used, as with the above-mentioned sound pickup with piezo element.
Nachstehend ist die Erfindung in einer Zeichnung beispielhaft veranschaulicht und anhand der Figuren detailliert beschrie ben. Es zeigen:The invention is exemplified in a drawing below illustrated and described in detail with reference to the figures ben. Show it:
Fig. 1 einen Schallabnehmer mit einem festen Wellenleiter und einen OFW-Sensor, Fig. 1 is a sound collector having a solid waveguide and a SAW sensor,
Fig. 2 einen Schallabnehmer mit einem Piezoelement und einen OFW-Sensor mit zwei Wandlerstrukturen, Fig. 2 is a sound collector having a piezoelectric element and a SAW sensor with two transducer structures,
Fig. 3 einen Schallabnehmer mit einer das bewegte Maschinen teil umgebenden Spule und einen OFW-Sensor mit zwei Wandlerstrukturen. Fig. 3 shows a sound pickup with a coil surrounding the moving machine part and an SAW sensor with two transducer structures.
In den Figuren sind die wesentlichen Bauteile dreier Ausfüh rungsformen der Vorrichtung dargestellt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen. Gleiche Merkmale sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. In the figures, the main components are three versions tion forms of the device shown to carry out serve the inventive method. Same features are provided with the same reference numerals in the figures.
Gemäß Fig. 1 ist eine piezoelektrische Wandlereinrichtung 1 in Form eines OFW-Sensors vorgesehen. Der OFW-Sensor 1 ist aus einer Platte 2 gebildet, die aus einem Quarzsubstrat besteht. Auf der Plattenoberfläche 3 sind fadenförmige Strukturen auf gebracht, die in dem Ausführungsbeispiel aus Aluminium beste hen. Bei den fadenförmigen Strukturen handelt es sich um eine aus zwei Wandlerkämmen 4a und 4b bestehende Wandlerstruktur 4 und um zwei Reflektorfelder 5 und 6 mit mehreren parallel ne beneinander angeordneten Reflektoren 5a, 5b, 5c, 5d, 5e sowie 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6e. Die Wandlerkämme 4a und 4b der Wand lerstruktur 4 sind so angeordnet, daß die Zinken a und b der Wandlerkämme 4a und 4b ineinandergreifen. Die Zinken a und b der Wandlerkämme 4a und 4b sind parallel zu den Reflektoren 5a, 5b, 5c, 5d, 5e sowie 6a, 6b, 6c, 6d, 6e der Reflektor felder 5 und 6 ausgerichtet. Von der Wandlerstruktur 4 er zeugte Oberflächenschwingungen breiten sich zu beiden Längs seiten des OFW-Sensors 1 im wesentlichen senkrecht zu den Zinken a und b der Wandlerkämme 4a und 4b auf der Plattenober fläche 3 aus. Anstelle einzelner Reflektoren 5a, 5b, 5c, 5d, 5e sowie 6a, 6b, 6c, 6d, 6e ist zu jeder Seite der Wandler struktur 4 deshalb je ein Reflektorfeld 5 beziehungsweise 6 mit mehreren nebeneinander angeordneten Reflektoren vorgese hen, damit die von der Wandlerstruktur erzeugte Oberflächen schwingungen möglichst vollständig reflektiert und die Energie möglichst effizient zur Erzeugung eines Antwortsignals ausge nutzt werden kann. Die Wandlerstruktur 4 ist in der vorliegen den Ausführungsform in unterschiedlichen Abständen zwischen den beiden Reflektorfeldern 5 und 6 angeordnet.Referring to FIG. 1, a piezoelectric transducer device 1 is provided in the form of a SAW sensor. The SAW sensor 1 is formed from a plate 2 , which consists of a quartz substrate. On the plate surface 3 filamentary structures are brought up, which are best in the exemplary embodiment made of aluminum. The thread-like structures are a transducer structure 4 consisting of two transducer combs 4 a and 4 b and two reflector fields 5 and 6 with a plurality of reflectors 5 a, 5 b, 5 c, 5 d, 5 e and 6 arranged parallel to one another a, 6 b, 6 c, 6 d, 6 e, 6 e. The transducer combs 4 a and 4 b of the wall structure 4 are arranged so that the prongs a and b of the transducer combs 4 a and 4 b interlock. The tines a and b of the converter combs 4 a and 4 b are parallel to the reflectors 5 a, 5 b, 5 c, 5 d, 5 e and 6 a, 6 b, 6 c, 6 d, 6 e of the reflector fields 5 and 6 aligned. From the transducer structure 4 he generated surface vibrations spread to both longitudinal sides of the SAW sensor 1 substantially perpendicular to the prongs a and b of the transducer combs 4 a and 4 b on the plate surface 3 from. Instead of individual reflectors 5 a, 5 b, 5 c, 5 d, 5 e and 6 a, 6 b, 6 c, 6 d, 6 e, there is therefore one reflector field 5 or 6 with several side by side on each side of the transducer structure 4 arranged reflectors hen provided so that the surface vibrations generated by the transducer structure are reflected as completely as possible and the energy can be used as efficiently as possible to generate a response signal. In the present embodiment, the converter structure 4 is arranged at different distances between the two reflector fields 5 and 6 .
Zur Erzeugung der Oberflächenschwingung ist an einem Wand lerkamm 4a der Wandlerstruktur 4 eine Antenne 7 angebracht und weist der andere Wandlerkamm 4b eine Masseverbindung 8 auf. Eine Sendeelektronik (nicht dargestellt) sendet ein durch Funkpausen unterbrochenes hochfrequentes Funksignal, dessen Frequenz vorzugsweise im Resonanzbereich des OFW-Sensors 1 liegt. Der Abstand zwischen den Reflektoren 5a, 5b, 5c, 5d, 5e sowie 6a, 6b, 6c, 6d, 6e eines Reflektorfeldes 5 beziehungs weise 6 ist zweckmäßig so auf die Resonanzfrequenz des OFW- Sensors 1 abgestimmt, daß sich im Normalbetrieb eine vorzugs weise stehende Oberflächenschwingung und eine gute energeti sche Ausnutzung des Funksignals der Sendeelktronik ergibt.To generate the surface vibration is attached to a wall lerkamm 4 a of the transducer structure 4, an antenna 7 and the other transducer comb 4 b has a ground connection 8 . Transmitting electronics (not shown) transmits a high-frequency radio signal interrupted by radio pauses, the frequency of which is preferably in the resonance range of the SAW sensor 1 . The distance between the reflectors 5 a, 5 b, 5 c, 5 d, 5 e and 6 a, 6 b, 6 c, 6 d, 6 e of a reflector field 5 or 6 is expedient so on the resonance frequency of the SAW sensor 1 agreed that in normal operation there is a preferred standing surface vibration and good energetic utilization of the radio signal from the transmitter electronics.
Es ist ein Wellenleiter 9 vorgesehen, der einen Teil des Kör perschalls von einer Maschine oder einem Maschinenteil ablei tet. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist in den Figs. 1 und 2 auf die Darstellung der Maschine beziehungsweise des Maschi nenteils verzichtet worden. Um mit dem abgeleiteten Körper schall Oberflächenstörwellen auf dem OFW-Sensor 1 zu erzeugen, steht der Wellenleiter 9 mit der Plattenoberfläche 3 in Kon takt. Um eine gute akkustische Übertragung zwischen dem Wel lenleiter 9 und der Plattenoberfläche 3 zu erreichen, kann der Wellenleiter 9 beispielsweise mit einer Klebeverbindung oder unter Zwischenschaltung eines pastösen Übertragungsmittels an die Plattenoberfläche 3 angekoppelt sein.A waveguide 9 is provided, which conducts part of the body noise from a machine or a machine part. To simplify the drawing, in Figs. 1 and 2 have been dispensed with the representation of the machine or the machine part. In order to generate surface interference waves on the SAW sensor 1 with the derived body, the waveguide 9 is in contact with the plate surface 3. In order to achieve good acoustic transmission between the wave guide 9 and the plate surface 3 , the waveguide 9 can, for example be coupled to the plate surface 3 with an adhesive connection or with the interposition of a pasty transmission medium.
Die von den Reflektorfeldern 5 und 6 des OFW-Sensors 1 reflek tierten Oberflächenschwingungen werden von den Oberflächenstörwellen überlagert, die der Wellenleiter 9 auf der Plattenoberfläche 3 des OFW-Sensors 1 erzeugt. Daraus generiert die Wandlerstruktur 4 in den Funkpausen der Sendee lektronik ein Antwortsignal, das von der Antenne 7 abgestrahlt und von einer Auswertungselektronik (nicht dargestellt) emp fangen wird.The surface vibrations reflected by the reflector fields 5 and 6 of the SAW sensor 1 are superimposed by the surface interference waves which the waveguide 9 generates on the plate surface 3 of the SAW sensor 1 . From this, the converter structure 4 generates a response signal during the radio pauses in the transmission electronics, which is emitted by the antenna 7 and received by evaluation electronics (not shown).
Im Normalbetrieb der Maschine ergibt sich aus den reflektier ten Oberflächenschwingungen und den Oberflächenstörwellen ein charakteristisches Antwortsignal. Abnorme Betriebszustände, wie Verschleiß des Maschinenteils oder sonstige Schädigung des Maschinenteils sind jederzeit und zuverlässig erkennbar. An hand der Veränderung des Antwortsignals kann sogar auf die Art der Schädigung eine Maschinenteils geschlossen werden.During normal operation of the machine, the reflective surface vibrations and surface interference waves characteristic response signal. Abnormal operating conditions, such as wear of the machine part or other damage to the Machine parts can be recognized reliably and at any time. On hand the change of the response signal can even on the Art damage to a machine part.
Gemäß Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrich tung dargestellt, deren grundsätzliche Funktion der Funktion der vorbeschriebenen Vorrichtung entspricht. Es unterscheiden sich aber die Art der Ableitung des Körpeschalls von der Maschine sowie die Art der Erzeugung der Oberflächenstörwellen auf dem OFW-Sensor 1. Hierzu weist der OFW-Sensor 1 nämlich eine zweite zwischen den Reflektorfeldern 5 und 6 angeordnete Wandlerstruktur 10 mit zwei ineinandergreifenden Wandlerkämmen 10a und 10b auf, mit der die Oberflächenstörwellen aus einem Spannungssignal erzeugt werden. Das Spannungssignal wird von einem besonderen Schallabnehmer geliefert. Dieser weist ein zusätzliches wandlerelement in Form eines Piezoelements 11 auf, das den Körperschall der Maschine in ein analoges Span nungssignal umwandelt. Das Spannungssignal wird auf kurzem Wege über Kabelverbindungen 12 und 13 an die zweite Wandler struktur 10 des OFW-Sensors 1 geleitet, auf dem die Oberflä chenstörwellen entstehen. Das Piezoelement 11 und der OFW- Sensor 1 werden sehr nah beieinander appliziert, so daß sich Störsignale externer elektromagnteischer Quellen nicht nach teilig auswirken können. Mit dieser Anordnung läßt sich ein hoher Anteil des von der Maschine abgeleiteten Körperschalls in Oberflächenstörwellen umsetzen.Referring to FIG. 2, an alternative embodiment of the Vorrich shown tung, whose basic function corresponds to the function of the device described above. However, the type of structure-borne noise derived from the machine and the type of generation of the surface interference waves on the SAW sensor 1 differ. For this purpose, the SAW sensor 1 has a second transducer structure 10 arranged between the reflector fields 5 and 6 with two intermeshing transducer combs 10 a and 10 b, with which the surface interference waves are generated from a voltage signal. The voltage signal is supplied by a special sound pickup. This has an additional transducer element in the form of a piezo element 11 , which converts the structure-borne noise of the machine into an analog voltage signal. The voltage signal is routed via cable connections 12 and 13 to the second transducer structure 10 of the SAW sensor 1 , on which the surface interference waves arise. The piezo element 11 and the SAW sensor 1 are applied very close to one another, so that interference signals from external electromagnetic sources cannot have a detrimental effect. With this arrangement, a high proportion of the structure-borne noise derived from the machine can be converted into surface interference waves.
Schließlich ist in Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zu sehen, die sich den Barkhausen-Effekt zur De tektion des Körperschalls einer Maschine zu nutze macht. Hier bei ist ebenfalls ein OFW-Sensor 1 mit einer zweiten zwischen den Reflektorfeldern 5 und 6 angeordneten Wandlerstruktur 10 vorgesehen, mit der die Oberflächenstörwellen aus einem Span nungssignal erzeugt werden. Das Spannungssignal wird bei die ser Konstruktion aus einem zusätzlichen Wandlerelement gewon nen, das eine Spule 14 aufweist. Wie in Fig. 3 erkennbar, um gibt die Spule 14 das zu überwachende Maschinenteil. Mit der Spule 14 sind solche Änderungen des magnetischen Zustands des Maschinenteils 15 erkennbar, die eine Induktionsspannung her vorrufen. Diese Ausführungsform eignet sich daher ausschließ lich für die Überwachung von Maschinenteilen, die ferromagne tische Eigenschaften aufweisen. Die durch den Körperschall be wirkten geringen inneren Zug-, Druck- und Scherkräfte in dem Maschinenteil 15 führen bereits zu sprunghaften Versetzungen innerhalb der ferromagnetischen Kristallstruktur und sind als sprunghafte Spannungsinduktionen an der Spule 14 abgreifbar. Finally, FIG. 3 shows a further embodiment of a device which makes use of the Barkhausen effect for the detection of structure-borne noise in a machine. Here also an SAW sensor 1 is provided with a second transducer structure 10 arranged between the reflector fields 5 and 6 , with which the surface interference waves are generated from a voltage signal. The voltage signal is won in this construction from an additional transducer element NEN, which has a coil 14 . As can be seen in FIG. 3, the coil 14 outputs the machine part to be monitored. With the coil 14 , such changes in the magnetic state of the machine part 15 can be recognized which cause an induction voltage. This embodiment is therefore only suitable for monitoring machine parts that have ferromagnetic properties. The low internal tensile, compressive and shear forces in the machine part 15 , which are caused by structure-borne noise, already lead to abrupt dislocations within the ferromagnetic crystal structure and can be tapped off as sudden voltage induction on the coil 14 .
Dieses Spannungssignal wird dann über Kabelverbindungen 12 und 13 der zweiten Wandlerstruktur 10 des OFW-Sensors 1 zugeführt und auf die gleiche Weise zur Erzeugung der Oberflächenstör wellen auf dem OFW-Sensor 1 verwendet, wie bei dem gemäß Fig. 2 beschriebenen Schallabnehmer mit Piezoelement. This voltage signal is then supplied via cable connections 12 and 13 to the second transducer structure 10 of the SAW sensor 1 and is used in the same way for generating the surface interference waves on the SAW sensor 1 as in the sound absorber with piezo element described in accordance with FIG. 2.
11
piezoelektrische Wandlereinrichtung/OFW-Sensor
piezoelectric transducer device / SAW sensor
22nd
Platte
plate
33rd
Plattenoberfläche
Plate surface
44th
Wandlerstruktur
Converter structure
44th
a Wandlerkamm
a converter comb
44th
b Wandlerkamm
b converter comb
55
Reflektorfeld
Reflector field
55
a Reflektor
a reflector
55
b Reflektor
b reflector
55
c Reflektor
c reflector
55
d, d,
55
e Reflektor
e reflector
66
Reflektorfeld
Reflector field
66
a Reflektor
a reflector
66
b Reflektor
b reflector
66
c Reflektor
c reflector
66
d, d,
66
e Reflektor
e reflector
77
Antenne
antenna
88th
Masseverbindung
Ground connection
99
Wellenleiter
Waveguide
1010th
zweite Wandlerstruktur
second converter structure
1010th
a Wandlerkamm
a converter comb
1010th
b Wandlerkamm
b converter comb
1111
Piezoelement
Piezo element
1212th
Kabelverbindung
Cable connection
1313
Kabelverbindung
Cable connection
1414
Spule
Kitchen sink
1515
Maschinenteil
a Zinke
b Zinke
c Zinke
d Zinke
x Abstand
Machine part
a prong
b tine
c tine
d tine
x distance
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |