DE4116345A1 - Early detection of damage in rotary machine - using single acoustic pick=up to measure structure-borne sound parameters in high and low frequency bands for calculation of coherence function - Google Patents

Early detection of damage in rotary machine - using single acoustic pick=up to measure structure-borne sound parameters in high and low frequency bands for calculation of coherence function

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DE4116345A1 DE19914116345 DE4116345A DE4116345A1 DE 4116345 A1 DE4116345 A1 DE 4116345A1 DE 19914116345 DE19914116345 DE 19914116345 DE 4116345 A DE4116345 A DE 4116345A DE 4116345 A1 DE4116345 A1 DE 4116345A1
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Abstract

The method involves measuring a structure-borne sound parameter in the high frequency region and a second in the low frequency region of the spectrum. Both measurement values are fed to a frequency analyser which derives auto power (G11 to G22) and cross power (G12) spectra values which are fed to a computer which derives a coherence function as G12 squared/G11G22. Both structure-borne sound parameters are measured using a single acoustic transducer and are sepd. in the filter, forming the two measurement values for the frequency analyser. USE/ADVANTAGE - Esp. for use with machine with rotating part. Simplified appts. and method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schadensfrüher­ kennung an einem im Betrieb Körperschall emittierenden Bauteil einer Maschine, insbes. einer Maschine mit rotie­ renden Bauteilen, wobei an der Maschine ein erster Körper­ schallparameter im hochfrequenten Bereich und ein zweiter Körperschallparameter im tieffrequenten Bereich des Frequenzspektrums gemessen wird und die Meßwerte einem Frequenzanalysator zugeführt werden, der aus den Meßwerten des ersten Körperschallparameters das Autoleistungsspek, trum G11 und aus den Meßwerten des gleichzeitig gemessenen zweiten Körperschallparameters das Autoleistungsspektrum G22 sowie aus beiden Meßwerten das Kreuzleistungsspektrum G12 bildet, wobei ferner diese Leistungsspektren G11, G22 und G12 einem Computer zugeführt werden, der daraus die KohärenzfunktionThe invention relates to a method for early damage detection on a structure-borne sound-emitting component of a machine, in particular a machine with rotating components, wherein a first body sound parameter in the high-frequency range and a second structure-borne sound parameter in the low-frequency range of the frequency spectrum is measured on the machine and the measured values are fed to a frequency analyzer, which forms the auto power spectrum from the measured values of the first structure-borne noise parameter, the G 11 spectrum and from the measured values of the second structure-borne noise parameter measured at the same time forms the auto power spectrum G 22 and the cross power spectrum G 12 from both measured values, these power spectra G 11 , G 22 and G 12 are fed to a computer, which results in the coherence function

γ2 = G12 2/G11G22,γ 2 = G 12 2 / G 11 G 22 ,

bildet, wobei ein Ansteigen des Wertes von γ2 als Scha­ densfrüherkennungssignal verwendet wird.forms, using an increase in the value of γ 2 as damage early detection signal.

Das gattungsgemäße Verfahren gehört zur Methode der Scha­ densfrüherkennung durch Bestimmung des Schwingungsverhal­ tens des zu überwachenden Bauteils. Diese Methode wird hauptsächlich bei der Überwachung von Wälzlagern, Getrie­ ben und bei Turbinenanlagen eingesetzt. Bei der Schadens­ früherkennung durch Körperschallmessung wird zur Beurtei­ lung des Zustandes eines Bauteiles die Veränderung seines Schwingungsverhaltens betrachtet. Da die Energie, die zur Änderung des Schwingungsverhaltens eines Bauteiles not­ wendig ist, relativ niedrig ist, kann mit Hilfe dieser Methode ein eintretender Schaden unter Umständen bereits in seinem Anfangsstadium erkannt werden. Als Körperschall­ parameter können im Rahmen dieser Maßnahmen direkt oder indirekt gemessen werden,
der Effektivwert der Beschleunigung, das erste Integral dieser Beschleunigung, d. h. die Schwingungsgeschwindigkeit oder die Schnelle, das zweite Integral dieser Beschleunigung ent­ sprechend dem ersten Integral der Schwingungs­ geschwindigkeit, d. h. die Auslenkung oder der Weg.The generic method belongs to the method of early damage detection by determining the vibration behavior of the component to be monitored. This method is mainly used for monitoring rolling bearings, gearboxes and turbine systems. In the case of early detection of damage by structure-borne noise measurement, the change in its vibration behavior is considered to assess the condition of a component. Since the energy required to change the vibration behavior of a component is relatively low, this method can be used to detect any damage that may already occur in its initial stage. As a structure-borne noise parameter, these measures can be used to measure directly or indirectly
the effective value of the acceleration, the first integral of this acceleration, ie the oscillation speed or the speed, the second integral of this acceleration corresponding to the first integral of the oscillation speed, ie the deflection or the path.

Mit Hilfe eines heute zumeist elektronischen Frequenzana­ lysators können die Meßwerte analysiert, transformiert und verknüpft werden.With the help of a mostly electronic frequency channel Analyzers can analyze and transform the measured values and be linked.

Es versteht sich im Rahmen des gattungsgemäßen Verfahrens, daß der Vergleich des hochfrequenten und tieffrequenten Signals mittels der Kohärenzfunktion für eine bestimmte Frequenz erfolgen muß. Das hochfrequente Signal wird dazu demoduliert. Durch die Demodulation wird die Träger­ frequenz des hochfrequenten Signals - z. B. 200 kHz - unterdrückt, und es bleibt die tieffrequente Amplituden- Modulation übrig. Das demodulierte hochfrequente Signal wird gleichsam in ein tieffrequentes Signal umgewandelt.It is understood within the scope of the generic method that that the comparison of the high-frequency and low-frequency Signal using the coherence function for a specific Frequency must be done. The high-frequency signal becomes this demodulated. The carrier becomes by the demodulation frequency of the high-frequency signal - e.g. B. 200 kHz - suppressed, and the low-frequency amplitude remains Modulation left. The demodulated high-frequency signal is transformed into a low-frequency signal.

Der dazu erforderliche Demodulator ist ein handelsübliches Gerät (welches ähnlich in jeden Rundfunkempfänger einge­ baut ist). The demodulator required for this is a commercially available one Device (which is similar in every radio receiver is building).  

Bei den Autoleistungsspekten und dem Kreuzleistungsspek­ trum handelt es sich um bekannte Größen der Random Data Analysis (vgl. Bendat, Piersol "Engineering applications of correlation and spectral analysis", John Wiley & Sons), die mit handelsüblichen Frequenzanalysatoren ermittelt werden können. Diese Größen lassen eine Schadensfrüher­ kennung sicher zu, ohne daß ein Referenzwert ermittelt werden muß. Das gattungsgemäße Verfahren beruht insoweit auf der Erkenntnis, daß sich vor Eintreten eines Schadens an einer Maschine die Korrelationen zwischen den angege­ benen Meßwerten ändern, und zwar im Sinne eines Anstei­ gens der oben angegebenen Werte. Bei der normal arbei­ tenden Maschine, in der auch ein beginnender Fehler sich noch nicht ausprägt, sind die genannten Werte konstant.With the car performance spectra and the cross performance spec trum are known sizes of random data Analysis (cf. Bendat, Piersol "Engineering applications of correlation and spectral analysis ", John Wiley & Sons), which is determined using commercially available frequency analyzers can be. These sizes leave an earlier damage identifier safely without determining a reference value must become. The generic method is based on this on the knowledge that before damage occurs on a machine the correlations between the given change the measured values, in the sense of an increase against the values given above. When working normally machine in which there is also a beginning error the values mentioned are not constant yet.

Da nur das Ansteigen dieser Werte ermittelt werden muß, z. B. als erste Ableitung nach der Zeit, bedarf es eines Referenzwertes nicht. Die konstante Größe fällt vielmehr bei der Bildung der ersten Ableitung gleichsam heraus.Since only the increase in these values has to be determined, e.g. B. as the first derivative according to time, one is required Reference value not. Rather, the constant size falls in the formation of the first derivative, as it were.

Die durchzuführenden Rechnungen erfolgen mit Hilfe eines dafür eingerichteten Computers, wie er bei Korrelations­ untersuchungen üblich ist.The calculations to be carried out are carried out using a computers set up for this purpose, such as those used in correlation investigations is common.

Bei dem bekannten Verfahren der eingangs beschriebenen Art werden zwei Schallaufnehmer benötigt, nämlich ein Schallaufnehmer, um den Körperschallparameter im hoch­ frequenten Bereich zu messen, und ein Schallaufnehmer, um den Körperschallparameter im tieffrequenten Bereich zu messen. Von diesen beiden Schallaufnehmern führen zwei getrennte Signalleitungen über zwei Vorverstärker, nämlich über einen Vorverstärker für den tiefen Frequenzbereich und einen Vorverstärker für den hohen Frequenzbereich, unter Zwischenschaltung von zwei Verstärkern mit einstell­ barer Verstärkung zu einem Filter für den tiefen Frequenz­ bereich und einem Filter mit Demodulator für den hohen Frequenzbereich, und von dort aus zu dem Frequenzana­ lysator. Diese Maßnahmen haben sich zwar bewährt, sind jedoch hinsichtlich ihres Aufwandes in verfahrens- und anlagentechnischer Hinsicht reduzierungsbedürftig.In the known method of that described above Kind two transducers are needed, namely one Sound sensor to the structure-borne sound parameters in the high frequency range, and a sound pickup, around the structure-borne noise parameter in the low-frequency range to eat. Two of these two sound recorders lead separate signal lines via two preamplifiers, namely via a preamplifier for the low frequency range and a preamplifier for the high frequency range,  with the interposition of two amplifiers amplification to a filter for the low frequency area and a filter with demodulator for the high Frequency range, and from there to the frequency domain lysator. While these measures have proven their worth, they are however with regard to their expenditure in procedural and from a technical point of view, needs to be reduced.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Schadensfrüherkennung der eingangs beschriebenen Art sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zu vereinfachen.The object of the invention is the method for the early detection of damage of the type described in the introduction and a suitable one for carrying out this method Simplify device.

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einem gattungsge­ mäßen Verfahren dadurch, daß die beiden Körperschallpara­ meter mit Hilfe lediglich eines einzigen Schallaufnehmers gemessen und im Filterbereich unter Bildung der beiden Meßwerte für den Frequenzanalysator getrennt werden.This object is achieved by the invention in a genus moderate method in that the two structure-borne sound para meters using just a single sound pickup measured and in the filter area to form the two Measured values for the frequency analyzer are separated.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich an der betreffenden Maschine der erste Körperschallpara­ meter im hochfrequenten Bereich und der zweite Körper­ schallparameter im tieffrequenten Bereich gleichzeitig mit lediglich einem einzigen Schallaufnehmer messen lassen und daß deren elektrische Trennung in den zugeordneten Filtern möglich ist, so daß dem Frequenzanalysator nach wie vor getrennte Meßwerte zugeleitet werden können, um das gattungsgemäße Verfahren auszuführen. Überraschender­ weise treten auf dem Wege von dem Aufnahmebereich bis in den Filterbereich keine störenden Kohärenzen auf, obwohl nur mit einem einzigen Schallaufnehmer gearbeitet wird.The invention is based on the knowledge that the first structure-borne sound of the machine in question meters in the high frequency range and the second body sound parameters in the low-frequency range at the same time can be measured with just a single sound sensor and that their electrical isolation in the assigned Filtering is possible, so that the frequency analyzer as before separate measured values can be supplied in order to to carry out the generic method. More surprising step wisely on the way from the recording area to the filter area doesn't have any disruptive coherences, though only one sound transducer is used.

Tatsächlich arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren ohne Störanfälligkeit selbst dann, wenn eine extrem lange Signalleitung zwischen dem Schallaufnehmer und den Filtern benötigt wird.The method according to the invention actually works without  Susceptibility to failure even when extremely long Signal line between the sound sensor and the Filtering is needed.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beson­ ders geeignet ist. Diese Vorrichtung mit einem Filter und Demodulator für den hohen Frequenzbereich, mit einem Fil­ ter für den niedrigen Frequenzbereich, mit einem den bei­ den Filtern und dem Demodulator nachgeschalteten Fre­ quenzanalysator und mit einem dem Frequenzanalysator nachgeschalteten Computer, ist gekennzeichnet durch einen einzigen Schallaufnehmer mit einer einzigen unter Zwischenschaltung eines Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung zu den beiden Filtern führenden Signalleitung. Dem Verstärker kann ein Vorverstärker vorgeordnet sein. Diese Maßnahmen haben zur Folge, daß sich bei der er­ findungsgemäßen Vorrichtung bzw. Meßausrüstung die Bau­ teile ganz erheblich reduzieren, weil von dem Aufnahme­ bereich bis in den Filterbereich lediglich noch ein ein­ ziger Schallaufnehmer, eine einzige Signalleitung, ein einziger Verstärker mit einstellbarer Verstärkung und ggf. noch ein einziger Vorverstärker benötigt werden.The invention also relates to a device which to carry out the method according to the invention which is suitable. This device with a filter and Demodulator for the high frequency range, with one fil ter for the low frequency range, with one at the filters and the demodulator downstream Fre frequency analyzer and with a frequency analyzer downstream computer, is characterized by a single transducer with a single under Interposition of an amplifier with adjustable Gain to the signal line leading to the two filters. A preamplifier can be arranged upstream of the amplifier. The result of these measures is that he device or measuring equipment according to the invention the construction reduce parts quite considerably because of the inclusion only a range up to the filter area ziger sound pickup, a single signal line, a only amplifier with adjustable gain and a single preamplifier may be required.

Darüber hinaus vereinfacht sich die Montage der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung im Bereich des zu überwachenden Bauteils. Außerdem wird durch die in anlagentechnischer Hinsicht reduzierte Vorrichtung bzw. Meßausrüstung er­ hebliche Platzersparnis insbesondere im Bereich der Meßstelle erreicht.In addition, the assembly of the inventions is simplified device according to the invention in the area of the monitored Component. In addition, the system engineering Regarding reduced device or measuring equipment he considerable space savings especially in the area of Measuring point reached.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Schadensfrüherkennung in schematischer Darstellung.In the following, the invention is based on a an exemplary embodiment drawing closer  explained. The only figure shows an inventive Device for early detection of damage in schematic Presentation.

In der Figur ist eine Maschine 1 dargestellt, die zum Zwecke der Schadensfrüherkennung nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zu überwachen ist. Mit Hilfe lediglich eines einzigen Schallaufnehmers 2 wird an der Maschine 1 ein erster Kör­ perschallparameter im hochfrequenten Bereich und ein zwei­ ter Körperschallparameter im tieffrequenten Bereich des Frequenzspektrums gemessen. Die beiden Meßwerte werden auf besondere Weise verglichen. Sie werden dazu über eine einzige Signalleitung 3 und über einen einzigen Vorver­ stärker 4 einem einzigen Verstärker 5 mit einstellbarer Verstärkung und von dort den beiden Filtern F1 und F2 zu­ geführt. Der hochfrequente Meßwert muß demoduliert wer­ den. Dazu befindet sich im hochfrequenten Zweig ein Demodulator D. Von diesem Demodulator D wird das hoch­ frequente Signal und von dem Filter F2 das tieffrequente Signal einem Frequenzanalysator 6 zugeführt. Der Frequenz­ analysator 6 erzeugt das Autoleistungsspektrum G11 und das Autoleistungsspektrum G22 sowie außerdem das Kreuz­ leistungsspektrum G12. Diese Leistungsspektren werden in einem Computer 7 eingeführt, der daraus die Kohärenzfunk­ tion
γ2 = G12 2 /G11G22
bildet. Der Wert ist konstant, wenn die Maschine ord­ nungsgemäß und ohne beginnenden Schaden läuft und steigt an, wenn sich ein Schaden ausbildet. - Der Filter F1 ist als Oktavbandpaß für einen Frequenzbereich von 50 kHz bis 800 kHz eingerichtet, der Filter F2 ist als Tiefpaß für einen Frequenzbereich bis 20 kHz eingerichtet.In the figure, a machine 1 is shown, which is to be monitored for the purpose of early damage detection according to the method according to the invention or with the device according to the invention. With the help of only a single sound sensor 2 , a first structure-borne sound parameter is measured on the machine 1 in the high-frequency range and a second structure-borne sound parameter in the low-frequency range of the frequency spectrum. The two measured values are compared in a special way. For this purpose, they are fed via a single signal line 3 and a single amplifier 4 to a single amplifier 5 with adjustable gain and from there to the two filters F 1 and F 2 . The high-frequency measured value must be demodulated. For this purpose, there is a demodulator D in the high-frequency branch. The high-frequency signal is fed from this demodulator D and the low-frequency signal from the filter F 2 to a frequency analyzer 6 . The frequency analyzer 6 generates the auto power spectrum G 11 and the auto power spectrum G 22 as well as the cross power spectrum G 12 . These performance spectra are introduced in a computer 7 , which is the coherence function
γ 2 = G 12 2 / G 11 G 22
forms. The value is constant when the machine is running properly and without incipient damage, and rises when damage develops. - The filter F 1 is set up as an octave band pass for a frequency range from 50 kHz to 800 kHz, the filter F 2 is set up as a low pass for a frequency range up to 20 kHz.

Claims (3)

1. Verfahren zur Schadensfrüherkennung an einem im Be­ trieb Körperschall emittierenden Bauteil einer Maschine, insbesondere einer Maschine mit rotierenden Bauteilen, wobei an der Maschine ein erster Körperschallparameter im hochfrequenten Bereich und ein zweiter Körperschall­ parameter im tieffrequenten Bereich des Frequenzspektrums gemessen wird und beide Meßwerte einem Frequenzanalysator zugeführt werden, der aus den Meßwerten des ersten Körper­ schallparameters das Autoleistungsspektrum G11 und aus den Meßwerten des gleichzeitig gemessenen zweiten Körper­ schallparameters das Autoleistungsspektrum G22 sowie aus beiden Meßwerten das Kreuzleistungsspektrum G12 bildet, wobei ferner diese Leistungsspektren G11, G22 und G12 einem Computer zugeführt werden, der daraus die Kohärenz­ funktion, q2=G12 2/G11G22,bildet, und ein Ansteigen des Wertes von γ2 als Schadens­ früherkennungssignal verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Körperschall­ parameter mit Hilfe eines einzigen Schallaufnehmers ge­ messen und im Filterbereich unter Bildung der jeweils beiden Meßwerte für den Frequenzanalysator getrennt wer­ den.1. A method for early detection of damage to a structure-borne sound-emitting component of a machine, in particular a machine with rotating components, a first structure-borne sound parameter in the high-frequency range and a second structure-borne sound parameter being measured in the low-frequency range of the frequency spectrum, and both measured values being measured on a frequency analyzer are supplied, which forms the auto power spectrum G 11 from the measured values of the first body sound parameter and the auto power spectrum G 22 from the measured values of the second body sound parameter measured at the same time, and the cross power spectrum G 12 from both measured values, these power spectra G 11 , G 22 and G 12 a computer are supplied, the resulting functional coherence, q 2 = G 12 2 / G 11 G 22 forms, and an increase of the value is used early warning signal of γ 2 as the damage, characterized in that the two body sound parameter measure with the help of a single sound pickup and separated in the filter area to form the two measured values for the frequency analyzer. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, mit einem Filter und Demodulator für den hohen Frequenzbereich und einem Filter für den niedrigen Fre­ quenzbereich, mit einem den beiden Filtern und dem Demodulator nachgeschalteten Frequenzanalysator und mit einem dem Frequenzanalysator nachgeschalteten Computer, gekennzeichnet durch einen einzigen Schallaufnehmer (2) mit einer einzigen unter Zwischenschaltung eines Ver­ stärkers (5) mit einstellbarer Verstärkung zu den beiden Filtern (F1, F2) führenden Signalleitung (3).2. Apparatus for performing the method according to claim 1, with a filter and demodulator for the high frequency range and a filter for the low frequency range, with a frequency analyzer connected downstream of the two filters and the demodulator and with a computer downstream of the frequency analyzer, characterized by a single acoustic sensor (2) with a single interposition of a Ver er (5) with adjustable gain to the two filters (F 1, F 2) leading signal line (3). 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (5) ein Vorverstärker (4) vorgeordnet ist.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the amplifier ( 5 ) is preceded by a preamplifier ( 4 ).
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