DE69628802T2

DE69628802T2 - Analyse von rotierenden Maschinen

Info

Publication number: DE69628802T2
Application number: DE69628802T
Authority: DE
Inventors: Barbara Lynn King's Lynn Jones; Thomas Francis March Wylie; Marcus John King's Lynn Hawkins
Original assignee: Snap On Equipment Ltd
Current assignee: Snap On Inc
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: ATE243842T1; EP0775894A3; EP0775894B1; EP0775894A2; DE69628802D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Analyse rotierender Maschinen, insbesondere im Hinblick auf Verbrennungsmotoren und Motordrehzahimessung, wobei die Motordrehzahlmessung, insbesondere bei Verbrennungsmotoren und dabei speziell bei Kraftfahrzeugmotoren, eine besondere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung darstellt.
Ein spezieller Aspekt der Erfindung betrifft das Vorsehen einer Drehzahlmeßeinrichtung, die sich gut für den Einsatz am Straßenrand eignet, indem sie es ermöglicht, daß Kraftfahrzeuge einfach zur Rauchmessung auf die Vorrichtung zur Drehzahlmessung im Leerlauf und bei maximaler Motordrehzahl auffahren.
Die derzeit in Werkstätten üblichen Verfahren zur Messung der Motordrehzahl von Kraftfahrzeugen sind weitgehend auf den jeweiligen Motor ausgerichtet. So umfassen beispielsweise die mindestens etwa acht derzeit zur Verfügung stehenden unterschiedlichen Verfahren zur Motordrehzahlmessung optische Reflexionstechniken, Techniken unter Einsatz von Induktivklemmen, Primärzündungs-Spannungsaufnahmetechniken, Batteriesignaltechniken sowie abgasimpulsbezogene Techniken. Keine dieser Techniken läßt sich ohne weiteres für die gesamte Bandbreite von Motoren einsetzen, wobei einige sogar speziell auf nur ein spezifisches Motordesign ausgerichtet sind.
In der US-A-5,109,700 (Hicho) sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von rotierenden Maschinen beschrieben, in denen ein Vibrationswandler derart an einer rotierenden Maschine gehaltert ist, daß er auf deren Vibrationen anspricht. Das Wandlerausgangssignal wird an einen Integrator geleitet, wo es aus einem zur Beschleunigung proportionalen Vibrationssignal in ein zur Geschwindigkeit proportionales Vibrationssignal umgewandelt wird. Ein Drehzahlanalyseprogramm bestimmt dabei Frequenz-Bereiche und liefert ein Steuersignal an eine Drehzahlanzeige. Eine Analyse des Zustands der rotierenden Maschine erfolgt durch Eliminierung derjenigen Frequenzen, die nicht den Zustand der Maschine anzeigen, sowie Bewertung der Amplitude der verbleibenden Frequenz. Ein solches Verfahren ist vergleichsweise kompliziert und der das Signal erzeugende Wandler ist relativ unempfindlich und läßt sich nicht ohne weiteres zur Erzeugung entsprechender Ausgangssignale bequem an der zu analysierenden Maschine anbringen. Die EP 96 300 484.1 (Zeichen des Vertreters: P52555EP), eine Anmeldung derselben Anmelder, die einen früheren Anmeldetag besitzt, jedoch nicht vorveröffentlicht ist, betrifft Drehzahlmeßvorrichtungen, wobei in einem Ausfüh rungsbeispiel ein piezoelektrisches Element zur Erzeugung von Signalen für Drehzahlmessungen eingesetzl wird. Zu den den Einsatz von piezoelektrischen Sensoren betreffenden Vorveröffentlichungen gehören zudem die GB 20 49 935 und die US 4,173,896 sowie die US 4,577,496 , die US 3,798,474 und die EP-A-251 901. Allerdings wird bei diesen früheren Veröffentlichungen zu piezoelektrischen Sensorelementen das Problem nicht gelöst, daß das mit Hilfe solcher Systeme zu erzeugende Signal üblicherweise eine relativ geringe Amplitude aufweist und sich im Hinblick auf die Befestigung des Sensors an der rotierenden Maschine auch nur vergleichsweise urnständlich gewinnen läßt. Dementsprechend wäre es besonders wichtig, wenn sich, um ein einfaches Beispiel zu nennen, Mittel zur Gewinnung von Drehzahlmeßwerten vorsehen ließen, die ein ausreichend starkes und deutliches, durch einfaches Auffahren auf eine Sensorvorrichtung direkt von den Rädern des Fahrzeugs abgeleitetes Signal liefern.
Somit besteht also ein Bedarf nach einem Verfahren und einer Vorrichtung, das bzw. die sich in größerem Umfang und müheloser einsetzen läßt als das Hicho-System und/oder verwendet werden kann, ohne daß hierfür im wesentlichen Umfang eine Entfernung von zum Motorzubehör gehörender Ausrüstung nötig wäre, indem man stattdessen beispielsweise einfach mit einem Rad des Kraftfahrzeugs auf eine Sensorplatte fährt, und/oder das bzw. die relativ kostengünstig ist und/oder einfach anzubringen ist und/oder bei dem bzw. bei der eine Anbringung an mehreren Stellen möglich ist und/oder das bzw. die einen geringen Stromverbrauch aufweist und sich somit leichter transportieren läßt als bestehende Ausrüstungen und/oder das bzw. die sowohl für Benzinmotoren als auch für Dieselmotoren einsetzbar ist.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von rotierenden Maschinen sowie zugehörige Sensorgeräte vorzusehen, welche Verbesserungen im Hinblick auf einen oder mehrere der weiter oben diskutierten Aspekte bieten und/oder allgemein Verbesserungen aufweisen.
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von rotierenden Maschinen gemäß den beigefügten Ansprüchen vorgesehen. Ein besonderer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Motordrehzahlmessung, beispielsweise für Rauchtests.
Es wurde festgestellt, daß sich Einschränkungen hinsichtlich der Ausgangssignale, wie sie bei früheren Vorschlägen auftreten, bei denen piezoelektrische Schichten als Grundlage für die Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes oder eines anderen elektrischen oder elektronischen Ausgangssignals eingesetzt werden, wesentlich verringern lassen, wenn man das Format des piezoelektrischen Sensormaterials modifiziert. So wurde beispielsweise ermittelt, daß sich ein erheblich verbessertes elektrisches oder elektronisches Ausgangssignal erzielen läßt, wenn die Motorvibrationen an das piezoelektrische Material derart weitergegeben werden, daß sich dabei eine örtlich begrenzte Belastung dieses Materials ergibt. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet das für das piezoelektrische Material gewählte Format, durch das eine solche örtlich begrenzte Belastung erzielt wird, die Verwendung eines länglichen Seil- oder Kabelelements oder einer anderen strangähnlichen Form, wodurch die Schwingungen mechanisch nur an einen Abschnitt des äußeren Elementprofils weitergegeben werden.
In einem Ausführungsbeispiel umfaßt das Verfahren das Vorsehen eines Sensors, welcher piezoelektrisches Material enthält, sowie das Anordnen des Sensors in Bezug zum Motor oder einer mit: einem Motor verbundenen Struktur in einer solchen Weise, daß auf das Element Vibrationen oder Bewegungen einwirken, welche durch den Motor im Einsatz hervorgerufen werden, so daß dann ein von diesem Element erzeugtes elektrisches oder elektronisches Ausgangssignal in Beziehung zur Motordrehzahl steht. Auf diese Weise ist es mit Hilfe des als sehr einfaches Kabel oder in entsprechender Weise ausgebildeten piezoelektrischen Sensorelements möglich, elektronische Antwortsignale zu erzeugen, die es erlauben, eine Analyse durchzuführen und die Motordrehzahl zu bestimmen, indem man das Element einfach am Motor oder zu diesem benachbart anordnet oder haltert und es mit einer relativ einfachen Analyseausrüstung verbindet. Induktivklemmen oder andere elektronische Abnehmerelemente werden hierbei nicht länger benötigt. Es genügt, wenn auf das piezoelektrische Sensorelement zumindest eine Vibration kleiner Amplitude mit einer zur Motordrehzahl in Beziehung stehenden Frequenz einwirkt, wobei in den meisten Situationen, in denen das Sensorelement an einer vibrierenden Struktur gehaltert ist, eine örtlich begrenzte Belastung des piezoelektrischen Materials erfolgt.
Dementsprechend ermöglichen die Ausführungsbeispiele die Durchführung einer Analyse und die Bestimmung der Motordrehzahl ohne die geringsten Modifikationen am Motor oder irgendein Entfernen von Ausrüstung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Analyseschritte hinsichtlich der Spannungskomponente des Ausgangssignals der piezoelektrischen Vorrichtung oder der Frequenz und/oder Amplitude des Spannungsausgangssignals durchgeführt, wozu – sofern dies praktikabel ist – eine dominante Spitzenkomponente des Ausgangssignals oder die Ausgangsleistungsspektraldichte herangezogen wird, was eine schnelle Bestimmung der Motordrehzahl ermöglicht.
Das piezoelektrische Sensorelement selbst ist so gestaltet, daß es auf eine an örtlich begrenzten Stellen darauf einwirkende Schwingungsbelastung derart anspricht, daß die Weitergabe von Bewegungen oder von Vibrationen bzw. Schwingungen an das Sensorelement eine Belastung des Elements wenigstens in einem solchen Ausmaß hervorruft, daß das Element ein entsprechendes Ausgangssignal beispielsweise im Mikrovoltbereich erzeugen kann. Bei einigen der im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele ist das piezoelektrische Element selbst länglich gestaltet und ähnelt dabei in seiner Form Vorrichtungen, wie sie zur Straßenverkehrszählung eingesetzt werden. Es wurde sichergestellt, daß eine solche Vorrichtung, die im Hinblick auf ihre Größe in geeigneter Weise modifiziert und so angebracht wird, daß Vibrationen auf sie einwirken und dabei eine örtlich begrenzte Belastung hervorrufen, in der Lage ist, in zufriedenstellender Weise auf durch Motorvibrationen hervorgerufene Bewegungen relativ niedriger Amplitude anzusprechen und so ein Ausgangssignal zu erzeugen, das sich beispielsweise im Hinblick auf Spannung und Frequenz erfassen läßt, was die Durchführung einer Analyse und/oder Bestimmung der Motordrehzahl ermöglicht. Auf diese Weise bietet die Erfindung ein äußerst einfaches Mittel zur Bestimmung der Motordrehzahl oder zur Durchführung anderer Analyseschritte, bei dem die meisten bei bekannten Systemen auftretenden Schwierigkeiten vermieden werden.
Was die eigentliche physikalische Form des piezoelektrischen Sensorelementes anbelangt, so kann dieses einfach als ein Kabel ausgebildet sein, das piezoelektrisches Material umfaßt und im Einsatz mit der Vibrationsquelle derart verbunden wird, daß diese auf das Element eine örtlich begrenzte Belastung ausübt. Das Sensorelement kann stattdessen aber auch mehrere Schlingen eines solchen Kabels umfassen, welche in ein einheitliches Sensorelement integriert sind, wobei dann zum Beispiel ein Lastelement oder eine Lastplatte eine örtlich begrenzte Belastung und Kompression des piezoelektrischen Materials bewirkt.
Bei den meisten Ausführungsbeispielen der Erfindung bewirkt die Ausübung der örtlich begrenzten Belastung auf das piezoelektrische Material eine entsprechende örtlich begrenzte Kompression des Materials, was zur Erzeugung eines entsprechenden elektronischen Ausgangssignals führt. Durch das Vorsehen des piezoelektrischen Materials in einem Format (beispielsweise in kabelähnlicher Form), durch das eine örtlich begrenzte Belastung und damit zumindest ein gewisses Ausmaß an Kompression herbeigeführt wird, oder durch Vorsehen des piezoelektrischen Materials in Verbindung mit einem Lastelement, das zueinander beabstandete Oberflächenformationen aufweist, welche so ausgelegt sind, daß sie eine Belastung an zueinander beabstandeten Positionen auf das piezoelektrische Material ausüben, ist es bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen möglich, vom Sensormaterial ein verbessertes elektronisches Ausgangssignal zu erhalten, so daß man hier ein geeignetes Antwortsignal ohne die bisher notwendige Erhöhung der Empfindlichkeit zugehöriger Antwortsignal-Nachweisschaltungen erhält.
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel umfaßt das Sensorelement ein länglich geformtes piezoelektrisches Material, beispielsweise in Form eines Kabels, wobei das Kabel spiralförmig angeordnet und zwischen einem Paar von relativ steifen Metallplatten positioniert wird, mit denen es eine einheitliche Anordnung bildet, auf die ein Automobil, beispielsweise ein Lastwagen, eine Belastung ausüben kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist somit diese Kernverbund-Sensoranordnung so ausgelegt, daß sie unterhalb eines Reifens eines Lastwagens plaziert werden kann und dann auf vom Dieselmotor des Lastwagens stammende Vibrationen anspricht. Zur Begrenzung der auf das piezoelektrische Material zwischen den Begrenzungsplatten einwirkenden örtlich begrenzten Kompressionskräfte werden Anschlagelemente vorgesehen, wodurch die Möglichkeit einer Beschädigung des piezoelektrischen Materials für den Fall ausgeschlossen wird, daß die durch den Reifen ausgeübte Belastung die akzeptable Grenzlast für dieses Material überschreitet. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die örtlich begrenzte Belastung des piezoelektrischen Kabels in Längsrichtung entlang des kabelförmigen Elements, wobei allerdings wesentliche Bereiche des Kabelumfangs nicht belastet werden, die nicht mit den Lastplatten in Kontakt stehen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ermöglicht der Einsatz der Analysevorrichtung eine Identifizierung der Spitzenmotordrehzahl während eines Motorrauchemissionstests. Dementsprechend umfaßt das Verfahren einen Schritt, in dem zu diesem Zweck die höchste Motorfrequenzspitze identifiziert wird. Für den Test werden Rauchanalysevorrichtungen herangezogen, wobei gleichzeitig Meßwerte für die maximale Motordrehzahl und die Motorrauchdichte ermittelt werden.
Alternative Ausführungsbeispiele können anstatt eines kabelartig geformten piezoelektrischen Sensorelements eine piezoelektrische Materialschicht umfassen, die in geeigneter Weise so angeordnet ist, daß darauf örtlich begrenzte, auf Vibrationen von einer zu analysierenden rotierenden Maschine zurückgehende Belastungen einwirken können.
Somit kommt bei der Erfindung eine piezoelektrische Vorrichtung zum Einsatz, welche dann, wenn sie einer örtlich begrenzten oder einer anders gearteten Kompressionsbelastung ausgesetzt wird, eine Spannung zwischen ihren Anschlüssen erzeugt, deren Frequenzwechsel der Motordrehzahl proportional sind. Mit Hilfe einer elektronischen Meßschaltung zur Bestimmung der erzeugten Frequenz ist es daher möglich, die Motordrehzahl oder andere Analysedaten zu erhalten. Alternativ hierzu läßt sich auch die aus dem Signal der piezoelektrischen Vorrichtung gewonnene Leistungsspektraldichte analysieren. Dieses Signal umfaßt eine dominante Spitze, wobei die Motordrehzahl ein Vielfaches dieser dominanten Spitze darstellt, und es ist möglich, die Spitze unter Einsatz digitaler Verarbeitungselektronik über den Drehzahlbereich des Motors hinweg zu beobachten.
Ein besonderer Vorteil der im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele bezieht sich auf die Möglichkeit, den piezoelektrischen Sensor problemlos mit der zu bewertenden bzw. zu analysierenden Vibrationsquelle zu verbinden, indem eine Übertragung durch einen Fahrzeugreifen an einen diesen Reifen tragenden Sensor erfolgt.
Die erhöhte elektrische Empfindlichkeit der Sensoren bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen führt im Einsatz zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch sich eine weniger empfindliche und somit kostengünstigere Analysevorrichtung einsetzten läßt.
Im folgenden werden erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, welches ein piezoelektrisches Sensorelement sowie eine zugehörige Analyse- und Anzeigevorrichtung umfaßt;
2 bis 7 die Ausgangsspannung einer piezoelektrischen Vorrichtung, welche für sechs im folgenden näher erläuterte unterschiedliche Einsatzorte der piezoelektrischen Vorrichtung gegen die Zeit abgetragen ist, einschließlich einem Einsatzort gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie dies weiter unten noch genauer beschrieben wird; und
8 und 9 je ein Blockdiagramm zur Darstellung der funktionellen und konstruktiven Aspekte eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, welches eine befahrbare Drehzahlmeßeinrichtung bietet, die sich beispielsweise zur Rauchmessung bei Kraftfahrzeug-Dieselmotoren einsetzen läßt.
Bei der in den 1 bis 7 gezeigten Anordnung umfaßt die Vorrichtung ein Sensorelement in Form eines piezoelektrischen Kables, welches in geeigneter Weise mit einem Polymermaterial, beispielsweise Gummi oder Kunststoff, umhüllt ist und elektronische Ausgangsleitungen zur Kopplung an eine Analyseschaltung aufweist. Bei dieser Vorrichtung ermöglicht die längliche Form des piezoelektrischen Sensorelements die Zuführung von Vibrationen an örtlich relativ begrenzte Stellen des Sensorelements, an denen dieses mit dem betreffenden Kraftfahrzeug in Kontakt kommt.
Als piezoelektrische Kabel wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein Kabel verwendet, welches sich von der Firma Kistler Instruments Ltd., Whiteoaks, Whitney, Hampshire, Vereinigtes Königreich, unter der Bauteilnummer ANP 1001697-7225-94-8152A211 beziehen läßt.
Wie sich 1 entnehmen läßt, ist ein flexibles Sensorelement 10 mit einer Analysevorrichtung 12 verbunden, welche wiederum mit der in Form einer alphanumerischen Flüssigkristallanzeige ausgebildeten Anzeigevorrichtung 14 gekoppelt ist.
Die Analysevorrichtung 12 umfaßt einen Meßverstärker 16, der ein Signal an einen Eingabepuffer 18 leitet, welcher das Signal wiederum an einen digitalen Si gnalprozessor 20 weitergibt. Der Prozessor 20 ist über einen Mikrocontroller 22 mit der Flüssigkristallanzeige 14 gekoppelt. Der Prozessor 20 verarbeitet die empfangenen Signale mit Hilfe einer geeigneten Treiberschaltung gemäß einem festgelegten Algorithmus zur Erzeugung der Drehzahlwiedergabe durch die Flüssigkristallanzeige 14.
Im Einsatz wird das flexible piezoelektrische Element 10 am Motor oder einer benachbarten Struktur gehaltert und das von diesem Element gewonnene Ausgangssignal in entsprechender Weise analysiert, wobei man die in den 2 bis 7 gezeigten Ergebnisse erhält. Auf das Element 10 wirken an verschiedenen Stellen an seinem Außenumfang Schwingungen ein, wobei diese Belastungen somit an örtlich relativ begrenzten Stellen zugeführt werden.
2 zeigt eine Spur, die man erhält, wenn man das Sensorelement unter den Fahrzeugreifen plaziert, wobei es sich um ein Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt.
Die in 3 gezeigte Spur wurde gewonnen, indem man den Sensor an der Motorhaube des Fahrzeugs plazierte, wobei es sich um ein technisch mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 verwandtes Beispiel handelt.
Die Spur gemäß 4 wurde erzeugt, indem man den Sensor an der zum Motor führenden Ausgangsleitung des Kühlers platzierte; auch hierbei handelt es sich um ein technisch mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 verwandtes Beispiel.
Die Spur gemäß S wurde erzeugt, indem man den Sensor an die vom Motor zum Kühler führende Ausgangsleitung platzierte. Hierbei handelt es sich wiederum um ein technisch mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 verwandtes Beispiel.
Die Spur gemäß 6 wurde erzeugt, indem man den Sensor an den Kraftstoffleitungseinlaß des Fahrzeug-Vergasers plazierte, während die Spur gemäß 7 auf ein Einklemmen des Sensors im vorderen Fenster auf der Fahrerseite des Fahrzeugs zurückgeht. Auch hierbei handelt es sich jeweils um ein technisch mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 verwandtes Beispiel.
In den genannten Fällen wurde das Ausgangssignal vom piezoelektrischen Sensor analysiert und als graphische Darstellung der Spannung gegen die Zeit angegeben, wie sich dies der Zeichnung entnehmen läßt.
Jeder der in den 2 bis 7 gezeigten graphischen Darstellungen wurde tatsächlich von einem Fluke-Oszilloskop Modell PM 3384A Combiscope, Autoranging, gewonnen, wobei es sich um ein im Handel erhältliches Oszilloskop mit Mathematik-Suite und einem Druckerausgang handelt.
Wie sich 2 entnehmen läßt, erhält man eine einzige Spur mit der Frequenz von 102 Hertz und mit einer maximalen Spannungsschwankung von 14,0 Millivolt. Die Frequenz der Spur entspricht dem Zweifachen der Motordrehzahl, die sich somit folgendermaßen errechnen läßt: U/min = 102 × 60/2 = 3.060.
Bei dem Ausführungsbeispiel gernäß 2 gelangen die Vibrationen zum länglichen piezoelektrischen Sensorelement, indem die Motorvibrationen direkt über den Fahrzeugaufbau und weiter über das entsprechende Rad und den zugehörigen Reifen zu dem länglichen piezoelektrischen Sensorelement übertragen werden, das in der Aufstandsfläche des Fahrzeugreifens schlaufenförmig angeordnet sein kann, um so eine größere Sensorelementlänge zu erhalten, auf die die Vibrationen einwirken. In jedem Fall werden die Vibrationen unabhängig davon, ob eine schlaufenförmige Anordnung vorgesehen ist oder nicht, durch einzelne Abschnitte des Reifenprofils zum kabelartigen Sensor übertragen, wodurch die Belastung wirksam an zueinander beabstandeten Stellen auf den Sensor einwirkt. Dieses Ausführungsbeispiel stellt damit offensichtlich eine einfache Vorgängerform des im folgenden noch beschriebenen Ausführungsbeispiels eines integrierten befahrbaren Sensors dar.
In dem in 3 dargestellten Fall, bei dem der Sensor straft mit der Motorhaube des Fahrzeugs verbunden ist, wurde wiederum bei einer Frequenz von 61,4 Hertz, die einer Motordrehzahl von 1.842 U/min entspricht, eine einzige Spur ermittelt.
Bei der Darstellung in 4, bei der der Sensor am zum Motor führenden Auslaßrohr des Kühlers angebracht ist, beträgt die Frequenz 31,6 Hertz, was einer Motordrehzahl von 948 U/min entspricht. Bei der Darstellung in 5 befindet sich der Sensor am vom Motor zum Kühler führenden Auslaßrohr und es ergibt sich eine doppelte Spur mit einer dominanten Frequenzspitze bei 89,3 Hertz, die einer Motordrehzahl von 2.679 U/min entspricht. 6, die auf einen am Kraftstoffleitungseinlaß des Vergasers angebrachten Sensor zurückgeht, umfaßt zwei Spuren mit einer dominanten Frequenzspitze von 32,9 Hertz, was einer Motordrehzahl von 987 U/min entspricht, während 7 wiederum eine doppelte Spur mit einer dominanten Frequenzspitze von 31.7 Hertz zeigt, die auf eine Motordrehzahl von 951 U/min verweist.
Bei in den in 3 und 4 gezeigten Fällen erfolgt die Übertragungen der Vibrationen zum Sensorelement offensichtlich an einzelnen, relativ weit voneinander beabstandeten Positionen entsprechend dem Prinzip, eine solche Belastung und die entsprechende, damit verbundene zu erwartende Kompression des piezoelektrischen Materials an diesen zueinander beabstandeten Positionen auszuüben.
In den genannten Fällen gehören zu den von einem Fachmann auf diesem Gebiet durchführbaren Modifikationen Veränderung im Aufbau und der Form des piezoelektrischen Sensorelements, der daran angeschlossenen Analyseausrüstung zur Bestimmung des Ansprechens des Sensorelements und der Darstellung der Ergebnisse, wie sie unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 beschrieben wurden, sowie die Anordnung des Sensorelernents selbst in bezug zum Motor oder zu damit verbundenen Strukturen.
Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel bietet die Vorrichtung eine Drehzahlmeßeinrichtung, auf die man auffahren kann, um beispielsweise eine Rauchmessung bei Dieselkraftfahrzeugrnotoren vorzunehmen. Bei diesem Ausführungsbeispiel basiert die Auffahreinrichtung auf der Verwendung der Vorrichtung in einer Weise, bei der das Kraftfahrzeug derart oberhalb der Sensormittel positioniert wird, daß es mit diesen in Kontakt kommt, wodurch diese Vorrichtung auf die entsprechende, vom Kraftfahrzeugmotor zugeführte Vibrationsenergie anspricht und ein Antwortsignal erzeugt. Dementsprechend ist es nicht notwendig, den Motorraum des Fahrzeugs (bei Pkws und Kraftfahrzeugen) zu öffnen bzw. die das Fahrerhaus bei Lastwagen nach vorne zu ziehen, um Zugang zum Motor zu erhalten.
Die Vorrichtung 100 zur Analyse von rotierenden Maschinen, und insbesondere zur Bestimmung der Drehzahl, umfaßt Sensormittel 102, Signalbearbeitungsmittel 104 und Signalanalysemittel 106 zur Erzeugung eines Signals, das sich durch Anzeigemittel, beispielsweise die Flüssigkristallanzeige 14 des Ausführungsbeispiels gemäß 1, wiedergeben läßt.
Das Sensormittel 102 umfaßt ein Sensorelement, das piezoelektrisches Material enthält. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt das Sensorelement eine (nicht dargestellte) Piezo-Kabelspirale, die zwischen zwei (nicht dargestellten) Lastplatten angeordnet ist. Die Länge der Kabelspirale beträgt 5 Meter. Bei einer modifizierten Ausführung ist anstelle des Kabels eine flache Schicht aus piezoelektrischem Material vorgesehen. Zur Zuführung der Vibrationsbelastung zur piezoelektrischen Schicht an zueinander beabstandeten Positionen, sind Mittel vorgesehen, die es den Lastplatten ermöglichen, an bestimmten Positionen auf die Schicht einzuwirken. Dies läßt sich durch profilierte (beispielsweise mit Rippen versehene) (nicht dargestellte) Kontaktstrukturen erzielen. Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem das kabelförmige Element zum Einsatz kommt, besitzt das Piezokabel je nach verwendetem Kabel eine Enddicke von etwa Gauge 20 oder 24, was es erlaubt, (nicht dargestellte) Abstandhalter zwischen den Lastplatten vorzusehen, um so die auf das Kabel einwirkende Last zu begrenzen und hierdurch eine irreversible Kompression des Kabels unter den schwersten Lastwagen zu verhindern.
Die Piezokabel-Lastplatten umfassen ein 4 mm dickes Metallblech, vorzugsweise aus Aluminium, um so die Verformung im Einsatz zu minimieren. Die Platten besitzen ein viereckiges Format und sind parallel zueinander gehaltert. Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem eine flache Schicht aus piezoelektrischem Material Verwendung findet, ist es möglich, eine der Platten oder auch beide Platten für Belastungszwecke mit Rippen zu versehen. Die Rippen können beispielsweise im wesentlichen sinusförmig gestaltet sein, wobei die Rippen und entsprechenden Nuten eine Wellenamplitude von 1 bis 5 mm und eine Wellenlänge von 2 bis 10 mm aufweisen.
Bei einer Modifikation kommt nur eine Platte zum Einsatz und das piezoelektrische Material ist zwischen dieser Platte und einer massiven Oberfläche, beispielsweise einem Zementboden oder einer anderen Oberfläche in einer Prüfeinrichtung, angeordnet. Die Größe der Lastplatten kann im Bereich von 240 × 240 mm liegen, wobei sie dann für die meisten Reifen geeignet sind und wobei dann nur mindestens 1/6 der Plattenfläche mit den Fahrzeugreifen in Kontakt kommen muß.
Beim Einsatz ist es wichtig, dass das Sensorelement 102 entweder unter dem Rad des Fahrzeugs, das dem Motor am nächsten liegt, oder unter einem der Antriebsräder des Fahrzeugs angeordnet ist, um die Vibrationsempfindlichkeit zu maximieren.
Das Sensormittel 102 erzeugt in Abhängigkeit von Matorvibrationen ein Signal, welches Signalbearbeitungsrnitteln 104 zugeführt wird.
Entsprechend den Eigenschaften des durch den piezoelektrischen Sensor 102 erzeugten Signals wird durch die Schaltung 104 vor der Analyse des Signals eine Signalbearbeitungsfunktion ausgeführt.
Dementsprechend umfaßt die Signalbearbeitungsvorrichtung 104 einen Verstärker 108, auf den eine Regelstufe 100 folgt, die eine zusätzliche Verstärkung und eine spannungsgesteuerte Dämpfung bewirkt. Das Ausgangssignal von der Regelstufe passiert ein Sallen & Key-Niedrigpaßfilter 112, das die am meisten interessierenden Frequenzen, d. h. diejenigen unter 250 Hertz, durchläßt. Das sich ergebende Signal wird durch eine A/D-Umwandlervorrichtung 114 einem A/D-Umwandlungsschritt unterzogen.
Das sich ergebende digitale Signail wird dem Signalanalysemittel 106 zugeführt, auf das im folgenden näher eingegangen wird.
Das Signalanalysemittel 106 umfaßt einen 8-Bit-CMOS-Mikrocontroller mit internem EPROM, der das Signalanalyseprogramm liefert. Das Ausgangssignal vom piezoelektrischen Sensormittel 102 wird in einen externen RAM 118 gesampelt. Die gesampelten Daten werden einer schnellen Fourier-Transformation sowie einer Spitzensuchroutine unterzogen. Verwendet man ein pulsbreitenmoduliertes (PWM-) digitales Ausgangssignal, so entspricht die gesampelte Frequenz gemäß dem folgenden Algorithmus den U/min des Motors: U/min = (Frequenz des pulsbreitenmodulierten Ausgangssignals × 120) – 1.
Somit entspricht zum Beispiel ein 8-Hertz-PWM-Signal einer Motordrehzahl von 959 U/min.
Die vom Mikrokontroller 116 durchgeführte Spitzensuchroutine wird so eingestellt, daß sie für einen Motor im Leerlauf in einem Frequenzfenster von 300 bis 1.300 U/min und zusätzlich bei maximaler Motordrehzahl (Dieselmotor) in einem Frequenzfenster von 1.800 bis 3.600 U/min abläuft, wodurch sich die Leerlauf- und die Höchstdrehzahl aufzeichnen lassen.
Der Spitzensuchalgorithmus lautet wie folgt:
Gehe davon aus, daß Motor läuft
ZYKLUS START
Pausiere 5 sek.
Finde höchste Spitze im Bereich 8 – 20 Hz
Gib U/min = Spitze × 60 aus
Befehle, den Motor auf Höchstdrehzahl zu bringen
Finde höchste Spitze im Bereich 30–60 Hz in einem Zeitraum von 5 Sekunden
Gib U/min = Spitze × 60 aus
Behalte Spitzen-U/min bis zur Rückstellung auf dem Bildschirm
ZYKLUS ENDE
Beim Ausführungsbeispiel der 9, das im übrigen in gleicher Weise aufgebaut ist wie das bereits beschriebene Ausführungsbeispiel der 8, wird der Mikrokontroller 116 durch einen digitalen Signalprozessor in Form eines 24-Bit-CMOS-DSP-Prozessors ersetzt, der als Programmspeicher einen zusätzlichen externen, nichtflüchtigen EPROM umfaßt. Der funktionelle Betrieb entspricht dabei im wesentlichen dem unter Bezugnahme auf 8 beschriebenen Betrieb.
Die beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind von besonderer Bedeutung, da sie das Vorsehen einer befahrbaren Drehzahlmeßeinrichtung für Lastwagen und ähnliche Fahrzeuge ermöglichen, die direkt am Straßenrand für Dieselmotor-Rauchtests eingesetzt werden kann.

Claims

Verfahren zur Analyse von rotierenden Maschinen mit Hilfe von Sensormitteln während der Maschinenoperation, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: a) Vorsehen von Sensormitteln in Form eines Sensorelements, welches ein piezoelektrisches Material umfaßt und so ausgelegt ist, dass es auf eine Energiezuführung von einer rotierenden Maschine während der Maschinenoperation anspricht und ein entsprechendes Antwortsignalerzeugt; b) Anordnen des Sensorelements relativ zur Maschine oder zu einer mit dieser verbundenen Struktur in einer solchen Weise, dass auf das Element von der Maschine während ihres Einsatzes erzeugte Schwingungen oder Bewegungen einwirken; c) Analyse des elektrischen oder elektronischen Ausgangssignals des Sensorelements zur Bestimmung einer Beziehung zwischen dem Ausgangssignal und Schwingungseigenschaften der Maschine; und d) Anzeigen eines Signals, welches die Schwingungseigenschaften wiedergibt oder hierzu in Beziehung steht; dadurch gekennzeichnet, dass e) das Analyseverfahren die Bereitstellung einer befahrbaren Tachometereinrichtung für Kraftfahrzeuge umfaßt, wobei das Sensormittel unterhalb eines Reifens eines Fahrzeugs so angeordnet ist, dass es auf vom Fahrzeugmotor kommende Schwingungen anspricht; f) das Sensorelement piezoelektrisches Material umfaßt, dem die Schwingungen zur Ausübung einer örtlich begrenzten Belastung des piezoelektrischen Materials mit Hilfe eines Lastelements zugeführt werden, welches derart. unterhalb eines Fahrzeugreifens angeordnet ist, dass es auf vom Fahrzeugmotor kommende Schwingungen anspricht, wobei das Verfahren einen Schritt umfaßt, in dem die örtlich begrenzte Belastung des piezoelektrischen Materials vom Reifen über das Lastelement an zueinander beabstandeten Positionen am piezoelektrischen Material hervorgerufen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor durch das piezoelektrische Sensorelement für die örtlich begrenzte Belastung ausgelegt ist, inderm das piezoelektrische Sensorelement derart in Form eines länglichen Seil- oder Kabelelements ausgebildet oder strangartig geformt ist, dass die vom Motor kommenden Schwingungen darauf einwirken.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das längliche Element direkt unterhalb des Lastelements befindet und das Vertahren die Zuführung der Schwingungen von diesem Lastelement zum piezoelektrischen Element umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement für die örtlich begrenzte Belastung ausgelegt ist, indem das Lastelement zur Ausübung der örtlich begrenzten Belastung zueinander beabstandete Oberflächenformationen aufweist, und dass das Verfahren einen Schritt umfaßt, in dem das piezoelektrische Element entsprechend belastet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastelement selbst ein zusammendrückbares Material umfaßt, an dem Oberflächenformationen ausgebildet sind und das hierdurch zur Ausübung der örtlich begrenzten Belastung ausgelegt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analyseschritt die Bewertung des Antwortsignals des piezoelektrischen Sensorelements bezüglich eines elektrischen Parameters umfaßt, welcher aus einer Gruppe ausgewählt wird, die die Frequenz, die Amplitude, die dominante Spitzenkomponente, das Spannungsmuster und die Leistungsspektraldichte des Ausgangssignals des piezoelektrischen Elements umfaßt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analyseschritt eine Spitzensuchroutine für das elektrische oder elektronische Ausgangssignal des piezoelektrischen Elements umfaßt.
Vorrichtung zur Analyse von rotierenden Maschinen mit Hilfe von Sensormitteln während der Maschinenoperation, wobei die Vorrichtung die folgenden Bestandteile enthält: a) Sensormittel in Form eines Sensorelements, welches ein piezoelektrisches Material umfaßt und so ausgelegt ist, dass es auf eine Energiezuführung von einer rotierenden Maschine während der Maschinenoperationen anspricht und ein entsprechendes Antwortsignal erzeugt; b) eine Analysevorrichtung, die mit den Sensormitteln verbunden und für die Analyse des elektrischen oder elektronischen Ausgangssignals des piezoelektrischen Sensorelements dazu ausgelegt ist, das Ausgangssignal zu den Schwingungseigenschaften der Maschine in Beziehung zu setzen; c) eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige eines Signals, welches die Schwingungseigenschaften wiedergibt oder zu diesen in Beziehung steht; dadurch gekennzeichnet, dass d) die Vorrichtung zusätzlich ein Lastelement umfaßt und eine befahrbare Tachometereinrichtung für Kraftfahrzeuge bietet, wobei das Sensormittel so ausgelegt ist, dass es im Einsatz unterhalb eines Reifens eines Fahrzeugs positioniert ist, um so auf vom Fahrzeugmotor kommende Schwingungen anzusprechen; und e) das piezoelektrisches Material umfassende Sensorelement so ausgelegt ist, dass ihm zur Ausübung einer örtlich begrenzten Belastung des piezoelektrischen Materials die Schwingungen mit Hilfe des Lastelements zugeführt werden, welches so ausgelegt ist, dass es im Einsatz unterhalb eines Reifens eines Fahrzeugs positioniert ist und so auf vom Fahrzeugmotor kommende Schwingungen anspricht, wobei die Anordnung derart gestaltet ist, dass der Reifen die örtlich begrenzte Belastung des piezoelektrischen Materials über das Lastelement an zueinander beabstandeten Positionen am piezoelektrischen Material hervorruft.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement in Form eines länglichen Seil- oder Kabelelementes ausgebildet oder strangartig geformt ist, so dass die vom Motor kommenden Schwingungen nur einem Bereich des äußeren Profils des Sensorelements an den zueinander beabstandeten Positionen mechanisch zugeführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das längliche Element direkt unterhalb des Lastelements angeordnet ist, welches so ausgelegt ist, das es die Schwingungen dem piezoelektrischen Strom zuführt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement für die örtlich begrenzte Belastung ausgelegt ist, indem das piezoelektrische Material so angeordnet ist, dass ihm die Schwingungen durch das zur Ausübung der örtlich begrenzten Belastung mit zueinander beabstandeten Oberflächenformationen versehene Lastelement zugeführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastelement selbst ein zusammendrückbares Material umfaßt, welches Oberflächenformationen aufweist und dazu ausgelegt ist, die örtlich begrenzte Belastung auszuüben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, das Antwortsignal vom piezoelektrischen Sensorelement bezüglich eines elektrischen Parameters zu bewerten, welcher aus einer Gruppe ausgewählt wird, die die Frequenz, die Amplitude, die dominante Spitzenkomponente, das Spannungsmuster und die Leistungsspektraldichte des Ausgangssignals des piezoelektrischen Elements umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, das die Vorrichtung so ausgelegt ist, dass sie eine Analyse des elektrischen oder elektronischen Ausgangssignals des Sensorelements mittels eines Verfahrens durchführt, das eine Spitzensuchroutine für das elektrische oder elektronische Ausgangssignal des piezoelektrischen Elements umfaßt.