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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft das Sammeln und Analysieren von Vibrationsdaten
zu Zwecken der voraussagenden Instandhaltung.
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Technologischer
Hintergrund der Erfindung
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Es
existieren viele gut bekannte Verfahren für das Sammeln von Vibrationsdaten
zur Durchführung
voraussagender Instandhaltung. Üblicherweise wird
bei diesen Verfahren ein mechanischer Vibrationsmesser, wie z.B.
ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser, an die zu überwachende
Maschine gekoppelt. Der Vibrationsmesser erfasst Vibrationen von
der Maschine, und wandelt diese Vibration in ein elektrisches Signal
um. Das elektrische Signal wird von einer geeigneten elektrischen
Signalverarbeitung verarbeitet, und aus analoger in digitale Form umgewandelt.
Das resultierende Digitalsignal wird zur späteren Analyse gespeichert.
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Ein
solcher üblicher
Datenkollektor und ein entsprechendes Verfahren zur Benutzung mit
diesem Datenkollektor sind beispielsweise in US-Patentschrift 4,352,293
offenbart. Der Datenkollektor ermittelt eine Quelle ungewöhnlicher
Vibration einer Rotationsmaschine, die auf einer Rotationswelle
angebracht ist, die auf einem Wellenlager gelagert ist, auf Grundlage
des Ergebnisses des Schritts, bei dem das gesamte Wellenvibrationssignal
einer Frequenzanalyse (Fourieranalyse) unterzogen wird, um seine Frequenzverteilung
zu analysieren, und um die Amplitude des Wellenvibrationssignals
und andere Parameter des Wellenvibrationssignals zu analysieren.
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Die
Analyse eines Vibrationssignals von einer Maschine umfasst üblicherweise
eines oder beides von: (1) Vergleichen des Signals mit zuvor erfassten
Signalen, um eine Abweichung zu ermitteln, die auf eine Abnutzung
und einen möglicherweise bevorstehenden
Ausfall der Maschine hinweisen würde,
und (2) Bilden eines Frequenzspektrums des Vibrationssignals, und
Auswerten dieses Spektrums nach Mustern, die auf einen möglichen
Ausfall hinweisen. Üblicherweise
werden diese Schritte mit Hilfe eines Datenkollektors durchgeführt. Ein
Datenkollektor umfasst Analogsignal-Verarbeitungselektronik zum
Empfangen eines Vibrationssignals und zum Aufbereiten des Signals,
und einen Analog-Digital-Konverter zum digitalen Erfassen des Analogsignals,
so dass es gespeichert und analysiert werden kann. Die Signalanalyse
kann mit Hilfe des Datenkollektors selbst oder durch Laden gesammelter
und digitalisierter Signale von dem Datenkollektor in einen Host-Computer
erfolgen, wo die Signalanalyse durchgeführt wird.
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Üblicherweise
weist der analoge Eingang eines Datenkollektors eine Anzahl auswählbarer
Analogsignal-Aufbereitungsschaltkreise auf, von denen jeder durch
Steuern eines Analogschalters auswählbar ist, um das Element über den
Datenkollektor in den Signalweg zu koppeln. Wie in 1 zu
sehen, kann ein üblicher
Datenkollektor einen ersten Signalaufbereitungsabschnitt aufweisen,
wo Analogschalter 12 und 22 benutzt werden können, um
ein eingehendes Analogsignal selektiv durch ein Hochpassfilter 14 oder
andere Analogsignal-Verarbeitungsblöcke 14' und 14'' zu
leiten (diese Blöcke
können
z.B. Tiefpass- oder
Bandpassfilter aufweisen). Außerdem kann
ein zweiter Signalaufbereitungsabschnitt in dem Datenkollektor weitere
Analogschalter 24 und 31 zum selektiven Koppeln
des eingehenden Vibrationssignals durch einen Spitzendetektionsschaltkreis 30 oder
einen anderen Analogsignal-Verarbeitungsschaltkreis 30'. Nach diesen
Verarbeitungsblöcken
kann das Signal weiter aufbereitet und tiefpass gefiltert werden,
und dann von dem Analog-Digital- Konverter
aus einer analogen in eine digitale Form umgewandelt und in einem
Digitalspeicher gespeichert werden.
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Als
ein Beispiel dieser Arten der Analyse, die mit einem Datenkollektor
durchgeführt
werden, kann eine Rotationsmaschine vorgesehen sein, die Vibrationssignale
mit einer Grundfrequenz erzeugt, die der Frequenz der Rotation der
Maschine entspricht. Während
des normalen Betriebs werden außerdem weitere
Vibrationssignale mit höheren
Frequenzen erzeugt. Diese Vibrationen mit höherer Frequenz entsprechen
dem Zusammenwirken mechanischer Bauteile, während die Maschine rotiert,
wie z.B. Bewegungen beweglicher Bauteile in Lagern, Gleitkolben und
Nocken, Resonanzen von Maschinenkomponenten, und anderen normalen
mechanischen Aktivitäten,
welche die Rotation der Maschine begleiten. Wenn allerdings ein
Lager oder ein anderes mechanisches System zu versagen beginnt,
werden die Bauteile anfangen, unterschiedliche Frequenzmuster zu
erzeugen. Beispielsweise kann ein Lager einen Riss entwickeln, was
dazu führt,
dass immer dann, wenn Druck auf den Riss im Lager ausgeübt wird,
ein „Klicken" auftritt, das als
eine Zunahme der Vibration höherer
Frequenz in einem Vibrationssignal der Maschine reflektiert wird.
Alternativ kann ein gleitendes mechanisches Bauteil zu versagen
beginnen, und bei seiner Bewegung in unerwünschter Weise kratzen, was
wiederum eine Zunahme der Vibration höherer Frequenz verursacht.
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Man
wird verstehen, dass das Erfassen und Analysieren von Hochfrequenzenergie
in einem Vibrationssignal für
die voraussagende Instandhaltungsanalyse häufig entscheidend ist. Aus
diesem Grund wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um Hochfrequenzpulse
oder andere Hochfrequenzinformation in einem Vibrationssignal zu
isolieren. Üblicherweise
umfassen diese Verfahren außerdem
das Erzeugen eines Signals mit niedrigerer Frequenz, das die Hochfrequenzenergie
im Ursprungssignal quantifiziert, so dass das Niedrigfrequenzsignal
digitalisiert und analysiert werden kann. Mehrere dieser Verfahren
sollen im Folgenden erörtert
werden:
Die so genannte „Schockpuls"-Analyse, in den 1970ern
entwickelt durch SPM Instrument AB aus Schweden, benutzt einen speziellen
Signalumwandler mit einer eingestellten Resonanzfrequenz von 32 kHz.
Auf diese Weise ist dieser Signalumwandler am empfindlichsten für „Schockpuls"-Signale auf diesem Frequenzband,
die oft auf Lagerdefekte und eine schlechte Schmierung hinweisen.
Der Ausgang des Resonanzsignalumwandlers gibt die Energie im Frequenzband
des Signalumwandlers wieder und wird benutzt, um einen Messwert
auf einer Skala von 1 bis 100 für
die Hochfrequenzenergie im Signal zu entwickeln, wobei ein Wert
nahe 100 einen Ausfallmodus anzeigt.
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Das
Kurtosis-Verfahren, entwickelt von British Steel und der Universität Southampton
in den 1970ern, wendet ein statistisches Verfahren auf isolierte
Frequenzbänder
an, um statistische Parameter zu entwickeln, welche die Verteilung
der Energie des Vibrationssignals auf diesen verschiedenen Frequenzbändern anzeigen.
Diese Analyse wird üblicherweise
für Bänder von
2,5 bis 5,0 kHz, 5 bis 10 kHz, 10 bis 20 kHz, 20 bis 40 kHz, und
40 bis 80 kHz durchgeführt,
und es wird eine Summe der Kurtosis-Parameter für jedes der fünf Bänder erzeugt,
um einen Gesamtmesswert des Hochfrequenzgehalts im Signal zu erzeugen.
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Ein
Umhüllungsverfahren
wurde von verschiedenen voraussagenden Instandhaltungsunternehmen
benutzt, darunter Computational Systems Incorporated, SKF, und Diagnostic
Instruments. In diesem Prozess wird das Vibrationssignal gleichgerichtet
und tiefpass gefiltert, was dazu führt, dass die Hochfrequenzenergie
in dem Signal auf das Basisband demoduliert wird; die Amplitude
des resultierenden Signals gibt die Hochfrequenzenergie in dem Signal
vor der Demodulation wieder.
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Ein
letztes Verfahren, bekannt als „Stoßimpulsenergie-Detektion" oder alternativ „Peak Vue", wurde von dem Inhaber
der vorliegenden Anmeldung und anderen benutzt, um einen Messwert
der Hochfrequenzenergie in einem Vibrationssignal zu erzeugen. 1 zeigt
die üblichen
Analogschaltkomponenten, die zum Durchführen der Detektion der Stoßimpulsenergie
benutzt werden. In 1 ist der Datenkollektor zur
Detektion von Stoßimpulsenergie konfiguriert;
auf diese Weise wird das elektrische Signal, das von dem Vibrationsmesser
empfangen wird, durch Analogschalter 12 an Hochpassfilter 14 geleitet.
Wie in 1 sichtbar, würde
das Signalumwandlersignal in einer typischen Situation, in der das Stoßimpuls-Verfahren
nützlich
wäre, ein
Niedrigfrequenz-Vibrationssignal enthalten (in 1 als
eine sinusförmige
Wellenform zu sehen), das mit kurzen Stoßimpulsen von Hochfrequenzvibration 18 überlagert
ist. Der Hochpassfilter 14 entfernt die niedrig frequente
sinusförmige
Wellenform von dem eingehenden Vibrationssignal, was zu einem Signal
führt,
wie in 1 zu sehen, wobei die Stoßimpulse 18 ein flaches
Basislinien-Niedrigfrequenzsignal 20 überlagern.
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Der
Ausgang des Hochpassfilters 14 wird, nachdem er einen zweiten
Analogschalter 22 durchlaufen hat, durch Analogschalter 24 an
einem abfallenden Spitzenddetektor 30 bereitgestellt. Der
Detektor 30 gibt ein Signal aus, das die Spitze-Spitze-Amplitude
des Signals wiedergibt, welches er als Eingang empfing. Diese Funktion
wird durch eine Kombination aus Widerständen und Kondensatoren mit Operationsverstärker-Schaltungen
erreicht, welche nahezu ideale Dioden bildet.
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Genauer
ausgedrückt,
umfasst ein erster Abschnitt des Detektors 30 einen Kondensator
C1, einen Widerstand R1, und eine Operationsverstärker-Schaltung,
die sich wie eine nahezu ideale Diode verhält, und deshalb als Diode D1
bezeichnet wird. Durch die Wirkung von Diode D1 akkumuliert Kondensator
C1 bei jeder negativen Spannungsschwankung des Signals, das Detektor 30 zugeführt wird, eine
ausreichende Ladung, um eine Spitzenspannung aufzuweisen, die gleich
der negativen Spitzenspannung des Eingangssignals ist. Diese Ladung entlädt sich
von Kondensator C1 über
Widerstand R1, wenn das Eingangssignal über seiner negativen Spitzenamplitude
liegt. Die Entladungsrate wird durch die Zeitkonstante bestimmt,
die durch Multiplizieren von R1 mit C1 gebildet wird. Üblicherweise wird
diese Zeitkonstante so ausgewählt,
dass sie sich dem Kehrwert der Grenzfrequenz des Hochpassfilters 14 annähert. Auf
diese Weise dringen nur die interessierenden Frequenzen oberhalb
der Grenzfrequenz durch den Kondensator C1, und werden dem zweiten
Abschnitt von Detektor 30 zugeführt.
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Der
zweite Abschnitt von Detektor 30 umfasst eine zweite Operationsverstärker-Schaltung, die
sich wie ein Dämpfer
und eine nahezu ideale Diode verhält, und deshalb als Dämpfer B1
und Diode D2 bezeichnet ist. Der Ausgang dieser Operationsverstärker-Schaltung
wird einer Parallelverbindung eines Kondensators C2 und eines Widerstands
R2 zugeführt.
Aufgrund der Anwesenheit von Diode D2 wird der Kondensator C2 mit
der Spannung für
Widerstand R1 und Diode D1 geladen, wenn diese Spannung höher ist
als die gegenwärtige
Spannung für
Kondensator C2. So lädt
sich der Kondensator C2 auf einen Wert auf, der den Spitze-Spitze-Wert des Eingangssignals
darstellt, der aus der Summe der Spannung von Kondensator C1, die
von dem ersten Abschnitt des Detektors 30 erzeugt wird,
und der positiven Spitzenamplitude des Eingangssignals zusammengesetzt
ist. Der Kondensator C2 gibt auf diese Weise akkumulierte Ladung über Widerstand
R2 ab, mit einer Rate, die von der Zeitkonstante bestimmt wird,
die sich durch Multiplizieren von R2 mit C2 ergibt. Diese Zeitkonstante
ist normalerweise so ausgewählt,
dass sie proportional zu der Wiederholungsdauer der Stoßimpulse
in dem Eingangssignal ist.
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Aufgrund
der Langzeitkonstante R2C2 weist der Wellenformausgang von Detektor 30 eine
sägezahnförmige Wellenform 32 mit
einer großen
Niedrigfrequenzkomponente auf. Diese Wellenform kann leicht digitalisiert
und mit zuvor aufgezeichneten Vibrationssignalen verglichen und/oder
zur Analyse frequenzumgewandelt werden, wie oben beschrieben.
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Eine
den verschiedenen Verfahren zur Detektion von Hochfrequenzenergie
inhärente
Schwierigkeit ist ihr Mangel an Flexibilität. Bei jedem der oben beschriebenen
Verfahren werden spezifizierte Frequenzbändern des eingehenden Vibrationssignals
mit Hilfe spezieller Analogschaltkreise isoliert. Wenn verschiedene
Anwendungen oder verschiedene Maschinen die Benutzung unterschiedlicher
Frequenzbänder
erfordern, muss der Datenkollektor redundante Analogschaltkreise
enthalten; d.h., der Datenkollektor müsste mehrere Hochpassfilter
und mehrere Spitze-Spitze Detektoren enthalten, einen für jedes
interessierende Frequenzband. Alternativ können die Filter und Detektoren
einstellbar ausgebildet sein, aber dies würde Komplexität erforderlich machen,
das heißt,
in den Filtern und Detektoren würden
Analogschalter benötigt,
um zwischen Schaltkomponenten verschiedener Werte auszuwählen, um
die Frequenzbänder
und Zeitkonstanten des Schaltkreises zu verändern. Dieser Ansatz kann aufgrund
der Anzahl der Schalter, die in dem Analogsignalweg vorgesehen sind,
auch Rauschprobleme aufweisen.
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Deshalb
werden ein Datenkollektor und ein Datenerfassungsverfahren benötigt, die
für die
Detektion von Hochfrequenzenergie in einem Signal geeignet sind,
und die Benutzung in einer breiten Spanne von Anwendungen ermöglichen.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Gemäß den Grundgedanken
der Erfindung wird dieses Bedürfnis
durch einen Datenkollektor zur Detektion und Quantifizierung von
Hochfrequenzenergie in einem empfangenen Vibrationssignal erreicht,
der aufweist einen Analog-Digital-Konverter, welcher das Vibrationssignal
in ein digitalisiertes Vibrationssignal bei einer Abtastfrequenz
umwandelt, die hoch genug liegt, um auch eine höchste interessierende Frequenz
des Vibrationssignals zu reproduzieren, und eine Digital-Signal-Verarbeitungs-Schaltung,
die das digitalisierte Vibrationssignal empfängt und zuerst Verarbeitungsschritte
ausführt,
um Hochfrequenzpulse im digitalen Vibrationssignal zu isolieren,
und danach die isolierten Hochfrequenzpulse verarbeitet, um den
Energiegehalt der isolierten Hochfrequenzpulse zu quantifizieren,
wobei als Teil der Quantifizierung des Energiegehalts der Hochfrequenzpulse
die Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung eine
maximale Spitze-Spitze-Amplitude des digitalisierten Vibrationssignals
detektiert, und wobei die Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung eine
Frequenzumwandlung an dem maximalen Spitze-Spitze-Wert durchführt, um
ein Spektrum für
den maximalen Spitze-Spitze-Wert zu erzeugen.
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Gemäß den Grundgedanken
der vorliegenden Erfindung wird das Vibrationssignal von einem Analog-Digital-Konverter
bei einer Abtastfrequenz digitalisiert, die ausreicht, um auch eine
höchste
interessierende Frequenz des Eingangssignals zu reproduzieren. Dann
führt die
Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung für das resultierende Digitalsignal
eine Hochfrequenzpulsisolation und Energiequantifizierung durch.
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In
der beschriebenen Ausführungsform
führt die
Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung eine Amplitudenerfassung durch,
indem eine Spitze-Spitze-Amplitude des empfangenen Vibrationssignals
erfasst wird. Genauer ausgedrückt,
vergleicht die Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung
das Digitalsignal mit einem negativen Höchstwert, und wenn das Signal
den negativen Höchstwert überschreitet,
wird der negative Höchstwert
aktualisiert, um mit dem Digitalsignal gleichgesetzt zu werden.
Dann vergleicht die Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung einen Spitze-Spitze-Höchstwert
mit der Differenz zwischen dem Digitalsignal und dem negativen Höchstwert,
und wenn die Differenz größer ist,
wird der Spitze-Spitze-Höchstwert
aktualisiert. Die Größe des Spitze-Spitze-Höchstwerts
und des negativen Höchstwertes
wird regelmäßig durch
einen Abfallfaktor reduziert, so dass der negative Höchstwert
und der Spitze-Spitze-Höchstwert
im Laufe der Zeit abnehmen.
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In
dieser beschriebenen Ausführungsform umfasst
der Spitze-Spitze-Höchstwert
ein digitales spitzenerfasstes Ausgangssignal, das als eine Wiedergabe
des Hochfrequenzgehalts des Vibrationssignals gespeichert und/oder
einem Nutzer angezeigt werden kann. Außerdem führt die Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung
auch eine Frequenzumwandlung (z.B. als Fast- Fourier-Transformation) des Spitze-Spitze-Höchstwerts
durch, um ein Spektrum für den
Spitze-Spitze-Höchstwert
zum Speichern und/oder Anzeigen an einen Nutzer zu erhalten.
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Diese
digitale Verfahrensweise zur Hochfrequenzanalyse erzeugt ein resultierendes
spitzenerfasstes Ausgangssignal, das leicht zu denjenigen in Analogie
gebracht werden kann, die bei der Benutzung von Analogschaltungen
in bekannten Datenkollektoren erzeugt werden. Entsprechend können Nutzer,
die bewandert in der Analyse von spitzenerfassten Wellenformen sind,
die von Datenkollektoren des Stands der Technik erzeugt werden,
dieses Wissen leicht auf das digitale spitzenerfasste Ausgangssignal
anwenden, das gemäß den Grundgedanken
der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
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Es
ist ein signifikanter Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass die
benutzten Abfallfaktoren, die zum Berechnen des Spitze-Spitze-Höchstwerts
und des negativen Höchstwerts
benutzt werden, durch die Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung bestimmt werden,
und leicht geändert
werden können.
Auf diese Weise kann eine Hochfrequenzverarbeitung, die durch die
Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung durchgeführt wird, leicht auf die jeweiligen
Frequenzcharakteristika der Maschine angewandt werden, die für die voraussagende
Instandhaltung analysiert wird. Wichtig ist, dass die Anpassung
ohne Modifizierung der Analogschaltungen des Datenkollektors erfolgt.
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In
der beschriebenen Ausführungsform nimmt
die Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung die Form eines softwareprogrammierbaren
Prozessors an, der einen softwaredefinierten Signalverarbeitungsprozess
ausführt,
um die oben beschriebenen Verfahren zu implementieren. In dieser
Ausführungsform
wird die Anpassung von Parametern weiter vereinfacht, indem der
softwaredefinierte Prozess angepasst wird, um diese Parameter von
einem Speicherort zu erhalten, und es einem Nutzer zu erlauben, diese
Parameter nach Wunsch zu festzulegen.
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Die
oben genannten sowie weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden durch die begleitenden Figuren und deren Beschreibung
verdeutlicht.
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Kurze Beschreibung der
Figuren
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Die
begleitenden Figuren, die in die Beschreibung aufgenommen und ein
Teil derselben sind, zeigen Ausführungsformen
der Erfindung, und dienen, zusammen mit der oben angeführten allgemeinen
Beschreiben der Erfindung und der folgenden genauen Beschreibung
der Ausführungsformen, zur
Erläuterung
der Grundgedanken der Erfindung.
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1 ist
ein Blockdiagramm eines üblichen Datenkollektors
mit Stoßimpuls-Analogsignal-Verarbeitungsschaltungen;
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Datenkollektors gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung
zum Durchführen
einer Digitalsignalverarbeitung von Hochfrequenzenergie in einem
Vibrationssignal;
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3 ist
ein Prozessdiagramm, das die Verarbeitungsschritte erläutert, die
bei der Digitalsignalverarbeitung aus 2 durchgeführt werden;
und
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4 ist
ein Ablaufdiagramm für
Operationen, die von der Digitalsignalverarbeitung nach Anspruch
2 beim Verarbeiten von Hochfrequenzenergie in einem Vibrationssignal
gemäß den Grundgedanken
der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
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Genaue Beschreibung
einzelner Ausführungsformen
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Bezug
nehmend auf 2 kann ein Datenkollektor 40 gemäß den Grundgedanken
der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Funktionsblöcke des
Datenkollektors sind in 2 gezeigt, um die Beschreibung
der Operationen zu unterstützen, die
von der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind. Man wird jedoch
verstehen, dass ein Datenkollektor, der zur Ausführung der Grundgedanken der
Erfindung geeignet ist, viele Formen annehmen kann. In einer Ausführungsform
umfasst ein geeigneter Datenkollektor einen Datenkollektor, der
bei dem Inhaber der vorliegenden Erfindung unter der Modellbezeichnung
dataPAC 1500 erhältlich
ist. Ein anderer geeigneter Datenkollektor ist in US-Patentschrift 5,633,811
offenbart, die an Canada et al. erteilt ist und Computational Systems
Incorporated gehört.
Alternativ ist ein anderer geeigneter Datenkollektor ein Palmtop-Computer
mit einer Audioschnittstellenkarte zum Empfangen digitaler Vibrationsdaten,
wie offenbart in US-Patentschrift 5,808,903, die an Schiltz erteilt
ist und dem Inhaber der vorliegenden Anmeldung gehört.
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Unabhängig von
der Ausführung
des benutzten Datenkollektors umfasst der Datenkollektor Analogsignal-Verarbeitungsschaltkreise 42 zum
Empfangen eines Signals von einem Vibrationsmesser, wie z.B. einem
piezoelektrischen Beschleunigungsmesser, und zum Aufbereiten dieses
Signals zum Erfassen und Umwandeln in ein digitales Format. Zu den Operationen,
die von den Schaltkreisen 42 durchgeführt werden, können Verstärkungs-
und Offset-Korrektur sowie diverse Filteroperationen zählen, sowie Tiefpassfilterung
für das
Anti-Aliasing.
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Ein
Analog-Digital-(A/D)-Konverter 44 empfängt den Ausgang der Signalverarbeitungsschaltkreise 42 und
wandelt das Analogsignal in eine digitalisierte Form um. Der A/D-Konverter 44 ist
ein hoch auflösender
Datenwandler mit hoher Abtastfrequenz, der dazu programmiert ist,
sein analoges Eingangssignal mit einer Abtastfrequenz zu erfassen,
die wenigstens das Doppelte der interessierenden Höchstfrequenz
in dem Vibrationssignal beträgt.
Ein für
diesen Zweck geeigneter A/D-Konverter wird von Burr-Brown als Bauteil
Nr. DSP 101 oder DSP 102 vertrieben.
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Das
digitalisierte Vibrationssignal, das von dem A/D-Konverter 44 erzeugt
wird, wird an einen Digitalsignalprozessor 46 bereitgestellt.
Der Digitalsignalprozessor 46 kann einen speziellen Digitalsignalprozessor
aufweisen, der unter Steuerung geeigneter Software arbeitet, einen
Mehrzweck-Mikroprozessor, der unter Steuerung geeigneter Software
arbeitet, oder einen diskreten Logikschaltkreis zum Verarbeiten
von Digitalsignalen in der unten beschriebenen Weise. Jede dieser
Ausführungsformen
liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wobei sich
jedoch die nachfolgende Beschreibung auf Ausführungsformen der Erfindung
konzentrieren wird, bei denen der Digitalsignalprozessor 46 ein
programmierbarer Schaltkreis ist, der unter Steuerung von Software
arbeitet.
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Der
Prozessor 46 ist an eine Tastatur und ein Display 48 gekoppelt,
um mit einem Nutzer des Datenkollektors 40 zu interagieren.
Tastatur und Display können
die Tastatur und den Display umfassen, die in einem Laptop-Computer
enthalten sind, oder die Touchscreen, die in einem Palmtop-Computer
enthalten ist, oder einen maßgefertigten
Display und ihn umgebende Funktionstasten an einem speziellen Datenkollektor.
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Der
Prozessor 46 ist außerdem
gekoppelt an eine Speichervorrichtung 50 zum Speichern
von Digitaldaten, einschließlich
(wobei der Prozessor 46 ein programmierbarer Schaltkreis
ist) Software zum Betreiben des Prozessors, um die Verfahren der
vorliegenden Erfindung auszuführen,
sowie von gespeicherten digitalisierten Vibrationssignalen und/oder verarbeiteter
Versionen derselben.
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Die
Speichervorrichtung 50 und der Prozessor 46, oder
eine/r von diesen, kann optional über eine Host-Schnittstellenschaltung 52 gekoppelt
sein, um gespeicherte Daten von der Speichervorrichtung 50 an
einen Host-Computer 54 bereitzustellen. Der Host-Computer 54 kann
Software zum Auswerten oder Archivieren von Digitalsignalen enthalten,
die von dem Datenkollektor 40 gespeichert werden. In einer
solchen Ausführungsform
können
einige oder alle Analyseschritte, die im Zusammenhang mit 3 beschrieben
werden, in einem Host-Computer an
Digitaldaten durchgeführt
werden, die von dem Datenkollektor 40 gespeichert werden.
Alternativ kann der Datenkollektor 40 ausreichend Verarbeitungsleistung
aufweisen, um Digitalsignale, die von dem Datenkollektor erfasst
werden, vollständig
zu verarbeiten und zu archivieren, wobei in diesem Fall die Host-Schnittstelle 52 und
der Host-Computer 54 nicht benötigt werden. Obwohl beide Ausführungsformen
innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, konzentriert sich die
nachfolgende Beschreibung auf Ausführungsformen der Erfindung,
bei denen der Digitalsignalprozessor 46 ein programmierbarer
Schaltkreis ist, der unter Steuerung von Software arbeitet.
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Die
Host-Schnittstelle 52 kann verschiedene Formen annehmen,
darunter die einer seriellen Schnittstelle wie z.B. RS-232 oder
USB, gekoppelt an einen PC, ein Ethernet oder eine andere Netzwerkverbindung,
die über
Netzwerkkabel, eine Parallelanschluss-Verbindung oder andere geeignete
Formen angeschlossen ist. Außerdem
kann der Host-Computer einen Palmtop, Laptop oder Desktop-PC umfassen,
oder einen Mono- oder Multiprozessorserver.
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Bezug
nehmend auf 3 sollen nun die Schritte erläutert werden,
die von dem Datenkollektor und/oder Host-Computer aus 2 gemäß den Grundgedanken
der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Ein digitalisiertes
Vibrationssignal 59, das von dem A/D-Konverter 44 an
den Digitalsignalprozessor 46 bereitgestellt wird, und
das ein guter Kandidat für
eine Hochfrequenzverarbeitung ist, ist in 3 gezeigt.
Dieses Signal 59 umfasst ein Niedrigfrequenz-Vibrationssignal
(in 3 als sinusförmige Wellenform 16 zu
sehen), das von kurzen Impulsstößen von
Hochfrequenzvibration 18 überlagert ist.
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Der
Digitalsignalprozessor 46 führt eine erste Programmroutine
zum Filtern und optionalen Dezimieren des digitalisierten Signals
durch. Genauer ausgedrückt,
führt der
Prozessor 46 eine Programmroutine zur Digitalsignalverarbeitung
an dem empfangenen Digitalsignal durch, die ein Tiefpass- oder Bandpassfilter
implementiert. Wie unter 60 in 3 gezeigt,
kann diese Filterroutine auf gespeicherte Parameter ansprechen,
die für
die Software in Prozessor 46 verfügbar sind, um ein gewünschtes
interessierendes Frequenzband auszuwählen: z.B. kann das Filter
ein Bandpassfilter mit einer niedrigeren Grenzfrequenz sein, die
aus 100 Hz, 200 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz und 5 kHz auswählbar ist,
und einer oberen Grenzfrequenz von 65 kHz. Für unterschiedliche Anwendungen
können
auch andere Frequenzbänder
benutzt werden. Prinzipiell muss die untere Grenzfrequenz über der
Grundvibrationsfrequenz der Maschine liegen, die durch das sinusförmige Niedrigfrequenzsignal 16 wiedergegeben
wird, das von dem Digitalsignalprozessor 46 empfangen wird. Die
obere Grenzfrequenz muss eine ausreichend hohe Frequenz sein, um
es den kurzen Impulsstößen 18 des
Hochfrequenzsignals zu erlauben, mit minimaler Abschwächung oder
Verzerrung durchgeleitet zu werden. Die obere Grenzfrequenz ist
auch durch das analoge Anti-Aliasing-Filtern begrenzt, das an dem
Signal vor der A/D-Umwandlung
vorgenommen wird. In der dargestellten Ausführungsform liegt die obere
Grenzfrequenz bei 65 kHz.
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Das
Bandpassfiltern, das von Prozessor 46 durchgeführt wird,
entfernt die sinusförmige
Niedrigfrequenz-Wellenform 16 aus dem eingehenden Vibrationssignal,
und lässt
die Hochfrequenz-Impulsstöße 18 durch,
was zu einem Signal 61 führt, wie in 3 sichtbar,
bei dem die Impulsstöße 18 ein
flaches Niedrigfrequenz-Basisliniensignal 20 überlagern.
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Indem
so die Hochfrequenz-Impulsstöße durch
Bandpassfilterung isoliert wurden, führt der Prozessor 46 in
einem zweiten Verarbeitungsschritt eine Digitalsignal-Verarbeitungsroutine
aus, die im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 genauer beschrieben
werden soll, um ein Spitze-Spitze erfasstes Signal zu erzeugen.
Die Verarbeitungsroutine für
das Spitze-Spitze-Erfassungssignal
enthält
Zeitkonstanten, die dazu führen,
dass die resultierende Wellenform eine sägezahnartige Wellenform 32 mit einer
großen
Niedrigfrequenzkomponente aufweist.
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Diese
sägezahnförmige Digitalsignalwellenform
entspricht dem Analogsignal, das mit Hilfe analoger Schaltungen
bekannter Datenkollektoren erzeugt wird. Demgemäß kann es in entsprechender Weise
durch Anzeigen seiner mittleren Amplitude oder Zeitwellenform verarbeitet
werden, wie unter 62 oder 64 in 3 gezeigt,
oder durch Ausführen
einer Fast-Fourier-Transformation,
oder anderer Frequenzumwandlungen, und durch Anzeigen des Energiespektrums
für das
Signal, wie unter 66 in 3 gezeigt.
Nutzer, die bewandert sind in der Analyse von spitzenerfassten Wellenformen,
die von Datenkollektoren des Standes der Technik erzeugt werden,
und in dem Erscheinungsbild ihrer Amplitude, Zeit- und Frequenzdomäne, können dieses
Wissen leicht auf das spitzenerfasste digitale Ausgangssignal anwenden,
das gemäß den Grundgedanken
der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, um eine voraussagende Instandhaltungsanalyse
durchzuführen.
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Bezug
nehmend auf 4 kann der Prozess, der von
dem Digitalsignalprozessor 46 beim Verarbeiten eines Vibrationssignals
in Reaktion auf Nutzer-Input durchgeführt wird, genauer beschrieben werden.
In einem ersten Schritt 70 legt ein Nutzer des Systems
Bandpassfrequenzen für
die digitale Bandpassfilterung fest, die unter 60 in 3 gezeigt
sind. Genauer ausgedrückt,
legt der Nutzer eine untere Grenzfrequenz fest, z.B. durch Auswählen von
einem Wert aus 100 Hz, 200 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz oder 5 kHz,
und wählt
optional eine obere Grenzfrequenz. In Schritt 70 legt der
Nutzer auch die erwartete Frequenz fD fest, bei der wahrscheinlich
ein Defektsignal sichtbar wird, und die Anzahl der Harmonischen,
n, dieser erwarteten Frequenz, die für Anzeige und Analyse interessant
sind. Die obere Grenzfrequenz muss, wenn sie durch den Nutzer festgelegt
wird, hoch genug sein, um alle kurzen Impulsstöße 18 durchzulassen,
und eine Bestätigung
hierzu kann in Schritt 70 enthalten sein.
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In
einem folgenden Schritt 72 wird die vom Nutzer bereitgestellte
Information benutzt, um Parameter für die digitale Verarbeitung
zu berechnen, die in den nachfolgenden Prozessen durchgeführt wird. Genauer
ausgedrückt,
enthalten diese Parameter eine Zeitkonstante τ1 und eine zweite Zeitkonstante τ2. Die Zeitkonstante τ1 wird als
0,000324 Sekunden berechnet, wenn der Nutzer in Schritt 70 eine
untere Bandpass-Grenzfrequenz von 2 kHz oder 5 kHz festlegt, und τ1 wird als
0,0069 berechnet, wenn der Nutzer in Schritt 70 eine untere
Bandpass-Grenzfrequenz von oder unter 1 kHz festlegt. Die Zeitkonstante τ2 wird wie
folgt berechnet:
2,07/(2 · π · tD) oder
2,07 · n/(2 · π · fmax).
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Wie
man verstehen wird, stellt die erste Zeitkonstante τ2 der ersten
Formel eine geeignete Abfallrate auf, um die gewünschte Defektfrequenz fD nahe der
maximalen Amplitude anzuzeigen, während die Zeitkonstante τ2 der zweiten
Formel sicherstellt, dass n Harmonische der Defektfrequenz fD angezeigt
werden, wobei fmax die Höchstfrequenz
ist, die von dem A/D-Konverter erfasst wird.
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Nach
Berechnen dieser Parameter in Schritt 72 beginnt die digitale
Verarbeitung. Zunächst
werden in Schritt 74 Werte für das negative Spitzensample
und den Spitze-Spitze-Höchstwert
auf null initialisiert. Dann wird in Schritt 76 das digitalisierte
Vibrationssignal von dem A/D-Konverter 44 empfangen.
Das Signal wird in Schritt 78 bandpassgefiltert, indem
auf die in Schritt 70 festgelegten Frequenzen der Bandpassfilteralgorithmus
angewandt wird. Der resultierende gefilterte Strom von Samples wird von
einem Algorithmus zur Spitzendetektion empfangen. In Schritt 80 wird
ein Sample empfangen und in einer Schleife, die aus den Schritten 82, 84, 86, 88, 90 und 92 besteht,
verarbeitet. Anschließend
wird in Schritt 96 ein folgendes Sample empfangen, und
die Verarbeitung kehrt zurück
zu Schritt 82, um das neue Sample zu verarbeiten.
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Im
ersten Schritt 82 der oben genannten Schleife wird das
aktuelle Sample ausgewertet, um zu bestimmen, ob es negativer ist
als das gespeicherte negative Spitzensample. Wenn ja, wird in Schritt 84 das
negative Spitzensample durch den aktuellen Samplewert ersetzt. Auf
diese Weise weist das negative Spitzensample stets das negativste Sample
auf, das zuvor beobachtet wurde, oder eine reduzierte Version desselben.
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Wenn
das aktuelle Sample in Schritt 82 nicht negativer als das
negative Spitzensample ist, fährt die
Verarbeitung mit Schritt 86 fort, wobei die Differenz zwischen
dem aktuellen Sample und dem negativen Spitzensample berechnet wird,
und mit dem gespeicherten reduzierten Spitze-Spitze-Höchstwert verglichen
wird. Wenn die aktuelle Differenz höher ist als der gespeicherte
reduzierte Spitze-Spitze-Höchstwert,
wird in Schritt 88 der gespeicherte reduzierte Spitze-Spitze-Höchstwert
durch die aktuelle Differenz ersetzt. Auf diese Weise gibt der gespeicherte
reduzierte maximale Spitze-Spitze-Höchstwert stets den höchsten reduzierten Spitze-Spitze-Wert
der eingehenden Samples wieder, der bis zu diesem Punkt beobachtet
wurde.
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Nach
Schritt 84 oder 88, oder unmittelbar nach Schritt 86,
wenn die aktuelle Differenz unter dem gespeicherten Spitze-Spitze-Höchstwert
liegt, fährt
die Verarbeitung mit Schritt 90 und 92 fort, wobei
Schritte unternommen werden, um die Abfallzeitkonstanten τ1 und τ2 auf den
gespeicherten negativen Spitzenwert und den Spitze-Spitze-Höchstwert anzuwenden.
Genauer ausgedrückt,
wird in Schritt 90 das negative Spitzensample multipliziert
mit folgendem Faktor:
exp(–T/τ1),
wobei
exp() die natürliche
Exponentialoperation darstellt, und T die Zeitdauer zwischen den
digitalen Samples ist; in Schritt 92 wird der Spitze-Spitze-Höchstwert
multipliziert mit einem Faktor
exp(–T/τ2).
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Man
wird verstehen, dass diese Operationen dazu führen können, dass der negative Höchstwert und
der Spitze-Spitze-Höchstwert
im Laufe der Zeit mit einer exponentiellen Abfallkennlinie mit den
Zeitkonstanten τ1
bzw. τ2
abfallen.
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Nach
Schritt 92 werden, neben dem Empfangen eines neuen Samplewerts
in Schritt 96, andere Operationen an dem berechneten Wert
für den
Spitze-Spitze-Höchstwert
durchgeführt.
Genauer ausgedrückt,
wird in Schritt 94 der reduzierte Spitze-Spitze-Höchstwert,
der in den vorangehenden Schritten berechnet wurde, an nachfolgende
Prozesse bereitgestellt, die eine Stoßimpulsenergie-Zeitwellenform anzeigen,
oder eine Fast-Fourier-Transformation des reduzierten Spitze-Spitze-Höchstwerts
berechnen, um eine spektrale Anzeige zu erzeugen. Die resultierenden
zeitlichen und spektralen Darstellungen entsprechen denjenigen,
die von Instrumenten des Standes der Technik unter Benutzung ausschließlich analoger
Schaltungen zur Detektion von Stoßimpulsenergie erzeugt werden,
und können
so leicht von Personen angewandt werden, die erfahren sind in der
Benutzung von Schaltungen zur Detektion von Stoßimpulsenergie des Stands der
Technik.
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Der
reduzierte Spitze-Spitze-Höchstwert wird
auch in Schritt 98 benutzt, um einen „Gesamt"-Stoßimpulsenergiewert
zu erzeugen, entsprechend demjenigen, der von einigen Datenkollektoren des
Stands der Technik erzeugt wird. Bei Datenkollektoren des Standes
der Technik, die von dem Inhaber der vorliegenden Erfindung vertrieben
werden, wird der „Gesamt"-Stoßimpulsenergiewert
durch einen analogen Stoßimpulsenergie-Schaltkreis
erzeugt. In diesem Schaltkreis beträgt die Zeitkonstante des RC-Filters,
das durch Kondensator C2 und Widerstand R2 aus 1 gebildet
ist, 0,03 Sekunden. Der Ausgang des Schaltkreises zur Stoßimpulsdetektion
wird dann durch ein Tiefpassfilter geführt, das eine Grenzfrequenz
von 0,1 Hz aufweist. Der resultierende Wert, der im Wesentlichen
ein Gleichspannungswert ist, zeigt die „Gesamt"-Energie der Stoßimpulse in dem Eingangssignal
an. Um ein entsprechendes Signal mit Hilfe der vorliegenden Erfindung zu
erzeugen, wird eine Kompensation durchgeführt, um die Zeitkonstante τ2 zu korrigieren:
genauer ausgedrückt,
wird τ2
so korrigiert, dass sie nicht weniger als 0,03 Sekunden beträgt. Um dies
zu erreichen, wird, wenn τ2
unter 0,03 Sekunden liegt, in Schritt 98 der Spitze-Spitze-Höchstwert mit einem Kompensationsfaktor
multipliziert, der gleich
exp(–T(0,03 – τ2))
ist.
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Die
kombinierte Wirkung dieses Kompensationsfaktors und des Faktors,
der in Schritt 92 benutzt wird, entspricht dem Multiplizieren
des Spitze-Spitze-Höchstwerts
mit einem Faktor von exp(–T/0,03). Wenn
also der Wert von τ2
unter 0,03 Sekunden liegt, passt der kompensatorische Schritt 98 den
Spitze-Spitze-Höchstwert
an, um eine τ2
von 0,03 Sekunden zu simulieren.
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Nach
der Durchführung
der Kompensation aus Schritt 98 werden in Schritt 100 die
resultierenden Spitze-Spitze-Höchstwertsample
einem digitalen Tiefpassfilterprozess zugeführt, der eine Grenzfrequenz
von 0,1 Hz aufweist. Dies entspricht der Tiefpassfilterung, die
benutzt wird, um die „Gesamt"-Stoßimpulsenergiewerte
bei Datenkollektoren des Stands der Technik zu berechnen. Dann werden
die resultierenden tiefpass gefilterten Samples als ein Gleichspannungswert
angezeigt, um die „Gesamt"-Stoßimpulsenergie
in dem empfangenen Vibrationssignal anzuzeigen. Dieser „Gesamt"-Wert entspricht
in einfacher Weise denjenigen, die von Datenkollektoren des Stands
der Technik erzeugt werden, und kann deshalb leicht von Personen
benutzt werden, die bewandert sind in entsprechenden Werten, die
von Datenkollektoren erzeugt werden, die analoge Funktionen zur
Spitzenerfassung aufweisen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung durch eine Beschreibung verschiedener
Ausführungsformen
erläutert
wurde, und obwohl diese Ausführungsformen relativ
detailliert beschrieben wurden, beabsichtigen die Anmelder nicht,
den Umfang der beiliegenden Ansprüche zu beschränken oder
in irgendeiner Weise einzugrenzen. Weitere Vorteile und Modifikationen werden
für Fachleute
offensichtlich sein. Die Erfindung ist in ihren weiter gefassten
Aspekten deshalb nicht auf die spezifischen Details, die repräsentativen Vorrichtungen
und das repräsentative
Verfahren sowie das gezeigte erläuternde
Beispiel beschränkt. Entsprechend
können
Abweichungen von diesen Details erfolgen, ohne von dem Umfang des
allgemeinen erfinderischen Konzepts des Anmelders abzuweichen, der
in den Ansprüchen
definiert ist.