DE69823937T2

DE69823937T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Schwingungen des Rotors einer drehenden Maschine

Info

Publication number: DE69823937T2
Application number: DE69823937T
Authority: DE
Inventors: The Tam Nguyen; Christian Lenclud; Roland Bigret
Original assignee: TotalFinaElf France SA
Current assignee: Total Marketing Services SA
Priority date: 1997-09-15
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2018-09-15
Also published as: EP0902263B1; US6158286A; FR2768509A1; DE69823937D1; ATE267391T1; EP0902263A1; FR2768509B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der <<echten>> Schwingungen des Rotors einer drehenden Maschine durch Erfassung von <<Scheinschwingungen>> des Rotors und anschließende Rauschsignalunterdrückung.
Die Erfindung hat ebenfalls Vorrichtungen zur Anwendung eines solchen Verfahrens und den Einsatz derartiger Vorrichtungen zur Bestimmung von Schwingungen der Rotoren drehender Maschinen in Echtzeit bevorzugt durch ein prozess-gekoppeltes System zum Gegenstand.
STAND DER TECHNIK
Drehende Maschinen sind in allen Bereichen der Industrie im Einsatz: so sind sie zum Beispiel sowohl in den Turbogeneratorensätzen von Elektrizitätswerken zur Erzeugung von Energie als auch in den Kompressoren von Raffinerien zu finden. Unter normalen Betriebsbedingungen drehen diese Maschinen im allgemeinen mit hoher Drehzahl, wobei sie häufig relativ starke Schwingungen erzeugen. Die Schwingungen dieser Maschinen müssen somit aus Gründen der Sicherheit und der Wartung überwacht werden (Diagnose zur Erfassung von Störungen, Unfallgefahren, ...).
Die Überwachung und Analyse ihres Schwingungsverhaltens sowie die Diagnose, die daraus gezogen werden kann, erfolgt im allgemeinen in der Weise, dass mit Hilfe von magnetischen Wegaufnehmern veränderliche Signale erfasst werden, die sich in Abhängigkeit von der Zeit in relative Scheinverschiebungen der Rotoren relativ zu den nicht drehenden Teilen der drehenden Maschinen umsetzen lassen.
Diese Wegaufnehmer sind normalerweise am Umfang des Rotors angeordnet. Dreht sich letzterer, so misst der Wegaufnehmer auf einem gleichen Umfang des Rotors das für dessen Verschiebung repräsentative Signal (dieser Umfang wird allgemein als <<Messspur>> bezeichnet).
Die von den Wegaufnehmern gemessenen Signale sind sehr häufig von insbesondere durch geometrische Fehler der Messspuren bedingtes Rauschen des Rotors und im Bereich dieser Spuren von Schwankungen der magnetischen Permeabilität und der Festigkeit der den Rotor bildenden Materialien betroffen. Die ausgehend von diesen Signalen bestimmten Schwingungswerte sind somit mit Fehlern behaftet: sie entsprechen den so genannten <<Scheinschwingungen>> und nicht den <<tatsächlichen>> Schwingungen des Rotors.
Das Rauschen (im Englischen <<runout>>) kann im Verhältnis zu den Schwingungswerten stark sein. Es ist daher unerlässlich, bei der Auswertung der <<tatsächlichen>> Schwingungen dieses Rauschen zu berücksichtigen, um eine falsche Diagnose zu vermeiden, die entweder zu einer nicht gerechtfertigten Stillsetzung der Maschine (Fehlalarm) oder zur Nichterfassung einer Störung der drehenden Maschine führen und somit schwerwiegende Konsequenzen mit sich bringen könnte (Unfälle, längere Betriebsunterbrechungen, ...).
Bis heute bestehen die zur Berücksichtigung des Rauschens vorgeschlagenen Techniken darin, mittels eines Wegaufnehmers das Signal der <<Scheinschwingung>> des Rotors zu messen und von diesem Signal ein zweites Signal in Abzug zu bringen, von dem ohne jede Prüfung angenommen wird, dass es sich um das Gesamtrauschen handelt, und das bei niedriger Drehzahl des Rotors mit nur einem Wegaufnehmer erfasst wird, wie dies zum Beispiel in EP 246 637 der Fall ist.
Diese Techniken sind jedoch nicht zufriedenstellend. So bieten sie dem Betreiber keine Sicherheit, dass der vom Signal der <<Scheinschwingung>> in Abzug gebrachte Wert dem dieses Signal beeinträchtigenden wirklichen Rauschen entspricht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem ist somit die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erfassung der <<tatsächlichen>> Schwingungen des Rotors einer drehenden Maschine, bei dem im voraus sichergestellt ist, dass das Rauschen, das vom Signal der <<Scheinschwingung>> in Abzug gebracht wird, tatsächlich dem dieses Signal betreffenden Rauschen entspricht, so dass die Gewissheit besteht, dass die nach besagtem Abzug erhaltene Größe effektiv mit den <<tatsächlichen>> Schwingungen des Rotors übereinstimmt.
Im Rahmen ihrer auf diesem Gebiet durchgeführten Untersuchungen ist von der Anmelderin ein Verfahren bereitgestellt worden, mit dem die Erfassung dessen möglich ist, was als das wirkliche Rauschen angesehen werden kann, das Auswirkungen auf die Schwingungssignale des Rotors einer drehenden Maschine hat.
Dieses Verfahren betrifft somit die Erfassung von relativen <<tatsächlichen>> Schwingungen des Rotors im Verhältnis zur nicht drehenden Konstruktion einer drehenden Maschine, die unter normalen Betriebsbedingungen mit hoher Drehzahl Ω arbeitet.
Zu diesem Zweck ist eine erste Zielsetzung der Erfindung ein Verfahren zur Erfassung der Schwingungen des Rotors einer drehenden Maschine, die unter normalen Betriebs-bedingungen mit hoher Drehzahl Ω arbeitet, wobei nach diesem Verfahren ein Signal S erfasst und digitalisiert wird, das von mindestens einem Wegaufnehmer des Rotors stammt, wenn dieser unter seinen normalen Betriebsbedingungen dreht, und wobei dann von diesem Signal ein Bezugssignal B der gleichen Art subtrahiert wird, das vorher bei einer unter der Betriebs-drehzahl Ω liegenden Drehzahl Ω_b des Rotors bestimmt wurde, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bezugssignal B bei einer Drehzahl Ω_b erfasst wurde dergestalt, dass die von mindestens zwei Wegaufnehmern des Rotors stammenden Signale winklig versetzt in einer gleichen vertikalen Ebene zur Symmetrieachse A des Rotors bei einer fast zeitgleichen Verschiebung weitgehend identisch sind.
„Signal B der gleichen Art wie Signal S" bedeutet, dass B mit der gleichen Art von Wegaufnehmer wie S erfasst wurde. Dies ist von grundlegender Bedeutung, nachdem das ein Signal beeinträchtigende Rauschen ebenfalls von der Art des Wegaufnehmers abhängt, mit dem dieses Signal erfasst wurde.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung mit mindestens zwei Wegaufnehmern des Rotors, die in einer gleichen Ebene senkrecht zur Symmetrieachse winklig versetzt sind, und mit Mitteln zur Digitalisierung, Aufzeichnung und Weiterverarbeitung des von mindestens einem der Wegaufnehmer emittierten Signals S, wobei die Verarbeitungsmittel die Möglichkeit bieten, vom Signal S ein Bezugssignal B zu subtrahieren, das vorher bei einer niedrigeren Drehzahl Ω_b des Rotors als der Betriebsdrehzahl Ω erfasst, digitalisiert und aufgezeichnet wurde, wobei die niedrigere Drehzahl Ω_b so gewählt wird, dass die von mindestens zwei Wegaufnehmern des Rotors stammenden Signale bei einer fast zeitgleichen Verschiebung weitgehend identisch sind.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind aus der nachfolgenden Beschreibung und den dieser beigefügten 1 bis 5 ersichtlich, die allein der Veranschaulichung dienen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1 zeigt die Schwankungen eines Bruttosignals S (<<Scheinschwingungssignal>>) in Abhängigkeit von der Zeit und auf eine bestimmte Drehdauer der drehenden Maschine.
Die 2 zeigt die Schwankungen eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Referenzsignals B (Rauschen) in Abhängigkeit von der Zeit und auf eine bestimmte Drehdauer der drehenden Maschine.
Die 3 zeigt die Schwankungen des Bruttosignals S nach 1, von dem das Rauschen B nach 2 in Abzug gebracht wurde, in Abhängigkeit von der Zeit und auf eine bestimmte Drehdauer der drehenden Maschine.
Die 4 zeigt in schematischer Darstellung und teilweise als Aufriss eine drehende Maschine mit einer Vorrichtung zur Bestimmung des Rauschsignals B gemäss der Erfindung.
Die 5 zeigt als schematische Darstellung und teilweise von links die drehende Maschine nach 4.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäßes Verfahren
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein zuvor aufgezeichnetes Signal B vom Signal S der <<Scheinschwingung>> des Rotors der drehenden Maschine unter Betriebsbedingungen bei einer Drehzahl Ω subtrahiert.
Ω kann eine feste Drehzahl (so genannte Nenndrehzahl entsprechend einem gegebenen Betriebsbereich) oder auch eine veränderliche Drehzahl sein, wie dies in Übergangsbereichen der Fall ist (Erhöhung oder Verringerung der Drehzahl des Rotors). Die Größenordnung von Ω ist vollständig abhängig von der Art der Maschine und ihren Betriebsbedingungen.
Um Diagnosefehler zu vermeiden, ist es erforderlich, dass das Referenzsignal B effektiv dem Rauschen entspricht, das Auswirkungen auf die Schwingungssignale des Rotors der drehenden Maschine hat.
Während das Rauschsignal B von Natur aus von der Drehzahl des Rotors unabhängig ist, variieren die Schwingungen in Abhängigkeit von dieser Drehzahl. Das ist der Grund, warum erfindungsgemäß das Signal B bei einer Drehzahl Ω_b des Rotors erfasst werden muss, die unter der normalen Betriebsdrehzahl Ω liegt. Ω_b muss ausreichend niedrig sein, damit der Rotor nicht mehr vibriert, so dass das bei dieser Drehzahl Ω_b gemessene Signal B kein Rauschen mehr aufweist.
Vorzugsweise liegt die Drehzahl Ω_b, bei welcher die Erfassung des Bezugssignals B erfolgt, unter 20% der mittleren Drehzahl Ω_m des in Betrieb befindlichen Rotors.
Die Drehzahl Ω_b des Rotors bei Erfassung des Signals B kann konstant sein (fester Bereich) oder langsam variieren (langsam variierender Bereich). Tatsächlich ist es in der Praxis schwierig, eine niedrige Drehzahl des Rotors absolut konstant zu halten. Daher kann es von Vorteil sein, dass die Erfassung in einem langsam variierenden Bereich erfolgt: die Drehzahl Ω_b variiert langsam und kontinuierlich im Verlauf der Erfassung, bleibt aber dennoch niedrig genug. Die Aufzeichnung wird dann durch an sich bekannte Mittel zur Datenverarbeitung verarbeitet, die eine Korrektur gestatten, damit die Aufzeichnung einer bei konstanter Drehzahl Ω_bm vorgenommenen Aufzeichnung äquivalent ist, wobei Ω_bm die mittlere Drehzahl des Rotors bei Erfassung des Signals B im langsam variierenden Bereich bezeichnet.
Um darüber hinaus die Art des bei der Drehzahl Ω_b des Rotors aufgezeichneten Signals B zu bestätigen, werden die von zwei auf einer gleichen Messspur winklig versetzten Wegaufnehmern C1 und C2 stammenden Signale B1 und B2 miteinander verglichen. Sind bei fast zeitgleichen Versetzungen die Signale B1 und B2 weitgehend identisch (unter Berücksichtigung der Ungenauigkeiten der Messung der Wegaufnehmer), so kann der Betreiber sicher sein, dass diese Signale B1 und B2 effektiv dem Rauschen entsprechen.
Sind B1 und B2 weitgehend identisch, so kann davon ausgegangen werden, dass bei der Drehzahl Ω_b, bei der diese Signale erfasst wurden, der Rotor nicht schwingt. Somit kann als Referenzsignal B irgendeines der Signale B1 und B2 gespeichert werden, nachdem diese quasi identisch sind.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt davon ausgegangen, dass die von zwei Wegaufnehmern stammenden Signale B1 und B2 identisch sind, wenn die Unterschiede zuwischen diesen beiden Signalen unter einem vorbestimmten Wert liegen. Dieser vorbestimmte Wert ist vorzugsweise ein niedriger Wert, der allgemein von der Art der Maschine, deren Betriebsbedingungen sowie den auferlegten Sicherheitsvorschriften abhängt, wie dies für den Fachmann offensichtlich ist.
Eine bevorzugte Methode zur Bestimmung des Referenz-signals B umfasst die folgenden Schritte:

a) in Abhängigkeit von der Zeit und bei niedriger Drehzahl Ω_b Erfassung, Digitalisierung und Aufzeichnung der von mindestens zwei auf einer gleichen Messspur relativ zueinander winklig versetzten Wegaufnehmern C1, C2 des Rotors stammenden Bezugssignale B1 und B2,
b) zeitliche Versetzung mindestens eines der Signale B1, B2, um eine Überlagerung der Signale zu erreichen,
c) bei weitgehend identischen Bezugssignalen B1 und B2 Wahl eines dieser Signale als Bezugssignal oder anderenfalls Wiederholung des Vorgangs beginnend mit Schritt a) mit einer neuen Drehzahl Ω_b'.

Um also die Signale B1 und B2, bei denen es sich um periodische Signale handelt, zu vergleichen, erfolgt eine zeitliche Versetzung eines dieser Signale dergestalt, dass die winklige Versetzung zwischen den beiden Wegaufnehmern kompensiert wird und eine Überlagerung der Signale erfolgt.
Es versteht sich von selbst, dass es für den Betreiber von Vorteil ist, sich nicht auf eine Aufzeichnung beschränken zu müssen selbst dann, wenn das entsprechende Signal B die vorgenannten Kriterien erfüllt. Soll die Rauschmessung bereinigt werden, so muss demgegenüber sogar eine große Anzahl von Aufzeichnungen der Signale B1 und B2 bei mehreren verschiedenen niedrigen Drehzahlen Ω_b verarbeitet werden dergestalt, dass anschließend aus allen erfolgten Aufzeichnungen diejenige herausgefiltert werden kann, welche sich für die Überlagerung des Signalpaares am besten eignet.
Eine bevorzugte Methode zur Bestimmung des Referenzsignals B besteht somit darin, das Signal ausgehend von mehreren Versuchen mit verschiedenen Drehzahlen Ω_b unter Wahl des Versuchs zu bestimmten, bei dem die mittels der zwei Wegaufnehmer C1, C2 erfassten Signale sich am besten überlagern.
Um die Qualität der Überlagerung der mittels der Wegaufnehmer C1 und C2 bei verschiedenen Aufzeichnungen des Rauschens bei verschiedenen Drehzahlen Ω_b erfassten Signale B1 und B2 zu vergleichen, können verschiedene Qualitätskriterien herangezogen werden.
So kann zum Beispiel wie folgt vorgegangen werden: ist bei einem gegebenen Versuch D das Signal, das der Differenz der Signale B1 und B2 nach erfolgter Überlagerung (zeitlicher Versetzung) entspricht, so werden die folgenden Kriterien errechnet:
Q_C1 = (Spitze-zu-Spitze-Maxiamlwert von D)/(Spitze-zu-Spitze-Mindestwert von B1)
Q_C2 = (Spitze-zu-Spitze-Maxiamlwert von D)/(Spitze-zu-Spitze-Mindestwert von B2)
Qs_C1 = (Spektralamplitudenkomponente von D)/Spektralamplituden-komponente von B1)
Qs_C2 = (Spektralamplitudenkomponente von D)/Spektralamplituden-komponente von B2).
Diese Kriterien werden für jeden Versuch errechnet. Das gewählte Signal B ist somit eines der Signale B1 oder B2 aus dem besten Versuch, bei dem die vorstehend definierten Kriterien am niedrigsten sind.
Die Überlagerung der Signale B1 und B2 kann dadurch optimiert werden, dass bei der Berechnung des Signals D (Differenz der Signale B1 und B2 nach Überlagerung) neben dem zwischen den Wegaufnehmern C1 und C2 gemessenen oder vom Hersteller vorgegebenen Winkel α in einem bestimmten Abstand Δα um α herum liegende Werte herangezogen werden, wobei für D der gefundene niedrigste Wert gewählt wird. Δα ist der Toleranzbereich des Winkels α und bedingt durch Ungenauigkeiten in der Positionierung der Wegaufnehmer.
Die Bestimmung der vorgenannten Kriterien erfolgt an den Einzelsignalen B1 und B2, nachdem diese im Moment ihrer Aufzeichnung diskretisiert (oder als Momentwerte gebildet) worden sind.
Erfindungsgemäß sind die Wegaufnehmer zwingend in einer gleichen Ebene senkrecht zur Symmetrieachse des Rotors angeordnet, d. h. auf einer gleichen Messspur positioniert.
Die Wegaufnehmer sind winklig unter einem bekannten Winkel α versetzt. Um die Ungenauigkeiten zu verringern und den Vergleich der über diese Wegaufnehmer erfassten Signale zu erleichtern, erfolgt die Versetzung der Wegaufnehmer C1 und C2 vorzugsweise relativ zueinander unter einem Winkel α von 90°.
Als Wegaufnehmer des Rotors kann jeder Wegaufnehmer verwendet werden, mit dem die Messung einer für die relative Verschiebung des Rotors in Richtung des Wegaufnehmers charakteristische Größe möglich ist. Dies ist bei magnetischen Wegaufnehmern der Fall, jedoch lässt sich die Messung auch mit anderen Arten von Wegaufnehmern wie zum Beispiel kapazimetrischen Wegaufnehmern oder optischen Wegaufnehmern (Laser-Wegaufnehmern) durchführen, wobei jedoch als vorausgesetzt gilt, dass es sich bei den Wegaufnehmern C1 und C2 unbedingt um die gleiche Art von Wegaufnehmern handelt.
Um die Überprüfung des Rauschsignals B zu bestätigen, kann der Betreiber sich ohne weiteres der vorstehend beschriebenen Methoden bedienen, um dieses Signal mit Hilfe von drei oder mehr Wegaufnehmern zu erfassen und zu validisieren, die winklig in einer gleichen Ebene senkrecht zur Symmetrieachse des Rotors versetzt sind. So kann zum Beispiel vorzugsweise mit drei Wegaufnehmern gearbeitet werden, die relativ zueinander um 120° versetzt sind.
Das Signal B wird bei einer Diskretisierungsfrequenz f_db (auch Momentwertbildung genannt) erfasst, digitalisiert und aufgezeichnet. Die Erfassung erfolgt bei mindestens einer Umdrehungsperiode des mit niedriger Drehzahl Ω_b drehenden Rotors.
Auf diese Weise ergeben sich Signalpaare des Typs (B(t), t), wobei B(t) der Wert des Signals B zum Zeitpunkt t ist. Die Anzahl k_b der Einzelwerte ist gleich der Diskretisierungsfrequenz f_db geteilt durch die Drehfrequenz f_rb des Rotors, d. h. k_b = f_db/f_rb.
Der zeitliche Abstand zwischen zwei Einzelwerten entspricht ΔT = 1/f_db.
Diese Zusammenstellung von Wertepaaren kann durch die Kurve gemäß 2 dargestellt werden, in der als Abszisse die einer Umdrehung des Rotors entsprechende Zeit und als Ordinate die entsprechenden Werte B(t) aufgetragen sind.
Das Bruttosignal S oder <<Scheinschwingungssignal>> des Rotors, wie in 1 dargestellt, wird mit einer Diskretisierungsfrequenz f_dr erfasst, digitalisiert und aufgezeichnet. Der Rotor arbeitet mit der normalen Betriebs-drehzahl der Maschine (Drehzahl Ω), und die Erfassung erfolgt auf die Dauer von mindestens einer Umdrehungsperiode des Rotors. Auf diese Weise ergeben sich Signalpaare des Typs (S(t), t), wobei B(t) der Wert des Signals B zum Zeitpunkt t ist. Die Anzahl k_r der Einzelwerte ist gleich der Diskretisierungsfrequenz f_dr geteilt durch die Drehfrequenz f_r des Rotors, d. h. k_r = f_dr/f_r.
Da die zur Messung des Signals B benutzte niedrige Drehzahl Ω_b des Rotors und die normale Betriebsdrehzahl Ω der drehenden Maschine von ihrer Definition her unterschiedlich sind, ist es erforderlich, wenn die Subtraktion des Signals B vom Signal S (beispielsweise nach Überlagerung ihrer jeweiligen Kurven) möglich sein soll, die Kurve des Signals S in Abhängigkeit von der Zeit aufzutragen bzw. die Kurve des Signals B zu verdichten. Dieses Auftragen und Verdichten sind allgemein bekannte mathematische Operationen, die darin bestehen, dass die Signale auf klassische Art und Weise rediskretisiert werden.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, jeden einzelnen Wert der Kurve des Signals S mit dem einzelnen Wert vergleichen zu können, der ihm auf der Kurve des Referenzsignals B entspricht. Mit anderen Worten: die Anzahl der einzelnen Wert innerhalb einer Periode des Signals S muss gleich der Anzahl der einzelnen Werte innerhalb einer Periode des Signals B sein. Dieser Zustand lässt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:
kb = kr, übersetzt als:
wobei:
f_dr die bei Erfassung des Signals S benutzte Diskretisierungsfrequenz ist,
f_r für die Drehfrequenz des Rotors bei Erfassung des Signals S an der drehenden Maschine steht,
f_db die bei Erfassung des Signals b benutzte Diskretisierungsfrequenz ist und
f_rb die Drehfrequenz des Rotors bei Erfassung des Signals B an der drehenden Maschine bezeichnet.
Diese Bedingung ist in der Praxis jedoch im allgemeinen nicht zu erfüllen. Da es nicht möglich ist, eine Änderung weder bei f_rb (da B nicht nochmals erfasst werden kann, nachdem die Maschine erneut in Betrieb ist) noch bei f_r herbeizuführen (da die von der jeweiligen Betriebsart abhängige Drehfrequenz des Rotors nicht beliebig variiert werden kann), wird von der Anmelderin somit eine Rediskretisierung des Signals B bzw. eine Rediskretisierung des Signals S vorgeschlagen.
Bei derartigen Rediskretisierungen handelt es sich um Informatikern allgemein bekannte Rechenoperationen. Mit ihnen lassen sich zum Beispiel bestimmen:

– von k_b Paaren von Einzelwerten (B(t), t) ausgehend k_b' Paare (B'(t'), t')
– von k_r Paaren von Einzelwerten (S(t), t) ausgehend k_r' Paare (S'(t'), t').

Mit k_b' = k_r' kann somit das Signal B von Signal S subtrahiert werden.
Vorzugsweise entsprechen die Diskretisierungs- und Rediskretisierungsfrequenzen der Signale B und S den folgenden Gleichungen:
für B:
0,2 ≤ f_rdb/f_db ≤ 1,2, wobei f_rdb die Rediskretisierungsfrequenz des Referenzsignals B ist,
und für S:
0,2 ≤ f_rdr/f_dr ≤ 1,2, wobei f_rdr die Rediskretisierungsfrequenz des Bruttosignals S ist.
Hierdurch kann vermieden werden, dass die rediskreti-sierten Werte von den tatsächlich gemessenen Werten zu weit entfernt sind.
Diese Rediskretisierungen bieten somit den Vorteil, dass eine freie Erfassung der Signale möglich ist, d. h. es nicht erforderlich ist, dass die Diskretisierungsfrequenzen einem Mehrfachen der Drehfrequenz des Rotors entsprechen.
Wird also allein das Signal B rediskretisiert, so erfolgt eine Überprüfung nach der folgenden Gleichung:
Bei einer Rediskretisierung nur des Signals S kommt die folgende Gleichung zur Anwendung:
Und werden schließlich das Signal S und das Signal B rediskretisiert, so erfolgt eine Überprüfung nach der folgenden Gleichung:
Da die Signale B und S periodisch sind, können die Berechnungen für eine einzige Umlaufperiode des Rotors durch-geführt werden. Wurden die Signale über mehrere Perioden hinweg aufgezeichnet, so können dessen ungeachtet die Mittelwerte errechnet werden, um die Bestimmung des Rauschens zu optimieren.
Sobald die Signale B und S entsprechend der vorstehenden Beschreibung erfasst und anschließend verarbeitet worden sind, kann das für das Rauschen repräsentative Signal B vom Signal S der <<Scheinschwingung>> des Rotors subtrahiert werden. Das Ergebnis ist ein Signal V, das der <<tatsächlichen>> Schwingung des Rotors entspricht.
Die Erfassung des Referenzsignals B muss bei niedriger Drehzahl Ω_b des Rotors, d. h. dann erfolgen, wenn die Maschine nicht unter normalen Betriebsbedingungen arbeitet. Es ist somit ganz offensichtlich für den Betreiber von Vorteil, die Stillstände der Maschine (beispielsweise während der Durch-führung von Wartungsarbeiten) zu nutzen, um unmittelbar nach dem Wiederanfahren dieses Signals B zu erfassen. Dieses wird dann auf einem geeigneten Träger (wie zum Beispiel Diskette, Magnetband) aufgezeichnet, wobei dann anschließend während des Betriebs dieses zuvor aufgezeichnete Referenzsignal B benutzt wird, um zu jeder Zeit die „tatsächluichen" Schwingungen des Rotors der Maschine zu bestimmen.
Die Ergebnisse, nach denen erfindungsgemäß gearbeitet werden kann, sind in den 1, 2 und 3 dargestellt.
Das (ggf. rediskretisierte) Bruttosignal S ist in 1 im Maßstab 1 zu sehen. Es wurde bei einer Drehzahl Ω des Rotors von 7620 UPM erfasst und entspricht somit den „Scheinschwingungen", in denen das Rauschen enthalten ist.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte (ggf. rediskretisierte) Referenzsignal B ist im Maßstab 0.44 in der 2 dargestellt. Es wurde bei einer Drehzahl Ω_b des Rotors von 500 UPM erfasst und entspricht dem Rauschen, mit dem das Bruttosignal S behaftet ist.
Das Signal V, welches das Signal S ist, von dem das Signal B subtrahiert wurde, ist im Maßstab 0.88 in 3 zu sehen. Es entspricht somit den „tatsächlichen" Schwingungen des Rotors bei einer Drehzahl von 7620 UPM.
Aus der 3 ist auf den ersten Blick ersichtlich, dass bei einer Zeit t = I die Schwingung des Rotors groß ist. Eine solche Schwingung ist in den 1 und 2 nicht zu finden. Sie kann somit dank des erfindungsgemäßen Verfahrens in 3 nachgewiesen werden, das die Möglichkeit bietet, Diagnosefehler bei der Schwingungsüberwachung von drehenden Maschinen zu vermeiden.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen realisiert werden, die zur Anordnung an einer drehenden Maschine in klassischer Bauart bestimmt sind.
Die Erfindung betrifft somit ebenfalls eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schwingungen des Rotors 1 einer mit einer hohen Drehzahl Ω arbeitenden drehenden Maschine.
Diese Vorrichtung umfasst mindestens zwei Wegaufnehmer C, C1, C2 des Rotors 1, die in einer gleichen Ebene senkrecht zur Symmetrieachse A des Rotors 1 winklig versetzt sind, sowie Mittel 4, 5 zur Digitalisierung, Aufzeichnung und Weiterverarbeitung des von mindestens einem Wegaufnehmer emittierten Signals S, wobei diese Verarbeitungsmittel 4, 5 in der Lage sind, vom Signal S ein Referenzsignal B zu subtrahieren, das zuvor bei einer unter der Betriebsdrehzahl Ω liegenden Drehzahl Ω_b des Rotors 1 erfasst, digitalisiert und aufgezeichnet wurde, wobei die niedrige Drehzahl Ω_b so gewählt ist, dass die von den mindestens zwei Wegaufnehmern C1, C2 des Rotors 1 stammenden Signale bei einer fast zeitgleichen Verschiebung weitgehend identisch sind.
Vorzugsweise sind die Verarbeitungsmittel 4, 5 in der Lage, ein dem gesuchten Rauschen entsprechendes Referenzsignal B auf folgende Weise zu bestimmen:

a) in Abhängigkeit von der Zeit und bei niedriger Drehzahl Ω_b des Rotors 1 Erfassung, Digitalisierung und Aufzeichnung der von den mindestens zwei Wegaufnehmern C1, C2 emittierten Referenzsignale B1, B2, wobei diese niedrige Drehzahl Ω_b ein fester Wert oder langsam variierbar ist,
b) zeitliche Versetzung mindestens eines der Bezugssignale B1, B2, um eine Überlagerung der Signale zu erreichen,
c) bei weitgehend identischen Bezugssignalen B1, B2 Wahl eines dieser Signale als Bezugssignal B; anderenfalls Wiederholung des Vorgangs beginnend mit Schritt a) mit einer neuen Drehzahl Ω_b des Rotors 1.

Bei den Wegaufnehmern C1 und C2 handelt es sich um Weg-aufnehmer des gleichen Typs und vorzugsweise um magnetische Wegaufnehmer.
Die Verarbeitungsmittel umfassen vorzugsweise Datenverarbeitungsmittel.
Sie sind bevorzugt dazu geeignet, das Referenzsignal B ausgehend von mehreren Versuchen bei unterschiedlichen Drehzahlen Ω_b des Rotors auszuwählen, indem der Versuch herangezogen wird, bei dem die von den zwei Wegaufnehmern emittierten Signale B1 und B2 sich am besten überlagern.
Darüber hinaus umfassen die Verarbeitungsmittel erforderlichenfalls an sich bekannte Datenverarbeitungs-mittel, welche die Möglichkeit bieten, das aufgezeichnete Signal B dahingehend zu korrigieren, dass es einer Aufzeichnung bei konstanter Drehzahl Ω_bm äquivalent ist, wenn die Erfassung des Signals B im langsam variierbaren Bereich bei einer mittleren Drehzahl Ω_bm des Rotors erfolgt ist.
Eine solche Vorrichtung zur Bestimmung der Rauschsignale B wird benutzt, wenn der Rotor mit niedriger Drehzahl Ω_b dreht, d. h. die Maschine nicht unter Betriebsbedingungen arbeitet.
Die Verarbeitungsmittel umfassen ebenfalls Signalverarbeitungsmittel, die in der Lage sind, das zuvor aufgezeichnete Signal B von Signal S zu subtrahieren, das vom Wegaufnehmer C erfasst wurde, während der Rotor mit der einen oder anderen seiner Betriebsdrehzahlen umläuft.
Vorzugsweise sind die Verarbeitungsmittel in der Lage, das eine oder das andere Signal S oder B innerhalb vorbestimmter Frequenzen zu rediskretisieren.
Die Verarbeitungsmittel umfassen vorzugsweise Datenverarbeitungsmittel und insbesondere Rechenmittel, die komplett oder teilweise durch eine aus einem geeigneten Datenverarbeitungsprogramm bestehender Software gesteuert wird.
Die schließlich erhaltene Schwingung V (nach Subtraktion des Signals B von Signal S), welche die „tatsächlichen" relativen Schwingungen des Rotors im Verhältnis zur nicht drehenden Konstruktion der drehenden Maschine repräsentiert, kann mittels klassischer Anzeigevorrichtungen wie zum Beispiel eines Bildschirms angezeigt, über einen Drucker ausgedruckt oder für eine spätere Verarbeitung herangezogen werden (zum Beispiel für einen Vergleich mit einem ggf. als Ansicht dargestellten Schwellenwert für die Auslösung eines Alarms).
Die Vorrichtungen zur Bestimmung des Referenzsignals B und des Signals V für die echte Schwingung umfassen zahlreiche gemeinsame Elemente. Die Vorrichtung zur Bestimmung des Referenzsignals B ist mit mindestens zwei Wegaufnehmern C1 und C2 versehen, während die Vorrichtung zur Bestimmung des Signals V für die echte Schwingung mindestens einen Wegaufnehmer C umfasst, bei dem es sich vorzugsweise um einen der Wegaufnehmer C1 oder C2 handeln kann.
Darüber hinaus können die Mittel zur Digitalisierung und Aufzeichnung der Signale in den beiden Vorrichtungen identisch sein. Die in diesen Vorrichtungen vorgesehenen Verarbeitungsmittel können bevorzugt die Möglichkeit bieten, die Signale auf andere klassische Weisen wie zum Beispiel eine Errechnung von Mittelwerten, eine Filterung, eine Glättung, usw. zu verarbeiten.
Aus diesem Grund ist es für den Betreiber von Vorteil, die beiden Vorrichtungen zu einer einzigen und gleichen polyvalenten Vorrichtung zusammenzufassen, bei der sowohl die Funktion zur Bestimmung des Referenzsignals B als auch die Funktion zur Bestimmung der <<echten>> Schwingungen V genutzt werden kann.
Diese Funktionen werden vorzugsweise über ein oder mehrere Softwaresysteme mit entsprechenden Datenverarbeitungs-programmen gesteuert.
Und schließlich umfassen die zwei Vorrichtungen bevorzugt mindestens ein Mittel zur Bestimmung der Drehzahl (Ω, Ω_b) des Rotors. Hierbei kann es sich um jedes klassische Mittel wie beispielsweise ein System zum Zählen der in Abhängigkeit von der Zeit gemachten Umdrehungen des Rotors handeln, wobei das Passieren eines auf dem Rotor ausgebildeten Bezugspunktes von einem Wegaufnehmer (in magnetischer oder einer sonstigen Ausführung) erfasst wird.
Die 4 und 5 zeigen eine drehende Maschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Referenzsignale B (Rauschen). Dargestellt ist allein der zum Verständnis der Erfindung erforderliche Teil der Maschine, bei dem der Rotor 1 für mindestens eine Messspur 2 vorgesehen ist. Der Rotor 1 ist auf einer feststehenden Halterung 3 angeordnet.
Die Vorrichtung zur Bestimmung der Rauschsignale B umfasst mindestens zwei Wegaufnehmer C1 und C2 des Rotors 1, die mit der Halterung 3 des Rotors fest verbunden sind. Diese Wegaufnehmer kontrollieren die Messspur 2 und sind relativ zueinander unter einem Winkel α winklig versetzt. Sie liefern jeweils ein Signal (B oder S) in Abhängigkeit vom radialen Scheinabstand des Rotors 1 relativ zum jeweiligen Wegaufnehmer. Diese Vorrichtung umfasst ebenfalls Mittel 4 zur zeitabhängigen Erfassung, Digitalisierung und Aufzeichnung von Signalen der Wegaufnehmer (C1, C2) sowie geeignete Mittel 5 zur Verarbeitung dieser Signale, wie dies im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben ist.
Die Wegaufnehmer C1 und C2 sind vorzugsweise magnetische Wegaufnehmer. Sie sind relativ zueinander unter einem Winkel α von vorzugsweise 90° versetzt und in einer gleichen Ebene senkrecht zur Symmetrieachse A des Rotors 1 angeordnet.
Die Mittel 4 zur zeitabhängigen Erfassung, Digitalisierung und Aufzeichnung von den Wegaufnehmern C1, C2 stammender Signale sind dem Fachmann allgemein bekannt. Sie umfassen in der Regel einen Analysator.
Die Verarbeitungsmittel 5 bieten die Möglichkeit einer Selektion des Signals B, wie dies im Vorstehenden beschrieben ist. Sie können vorzugsweise Qualitätskriterien errechnen und die Überlagerung der Signale optimieren, indem der Winkel zwischen Wegaufnehmern um seinen rechnerischen Wert variiert wird, wie dies aus der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens ersichtlich ist.
Dank der erfindungsgemäßen Bestimmung des Signals B kann somit davon ausgegangen werden, dass das Signal V, das sich als Ergebnis aus der Subtraktion des Signals B von Signal S ergibt, die <<tatsächliche>> Schwingung des Rotors ist, was die Durchführung einer vorbeugenden Diagnose gestattet, um größere Störungen zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungs-gemäßen Vorrichtungen stellen somit besondere Instrumente dar, die zur punktuellen oder prozessgekoppelten Überwachung der Arbeitsweise einer drehenden Maschine geeignet sind.
Vorzugsweise kommen sie in einem System zur automatischen prozessgekoppelten Überwachung der Arbeitsweise einer drehenden Maschine zum Einsatz, wobei ggf. ein Alarm (beispielsweise ein akustischer oder optischer Alarm) ausgelöst wird, wenn die Maschine Schwingungspegel erreicht, die über die zulässigen Sicherheitsschwellenwerte hinausgehen.
Der Betreiber kann somit in genauer Kenntnis der Gründe die Entscheidung treffen, die drehende Maschine zu stoppen oder weiterlaufen zu lassen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Schwingungen des Rotors (1) einer drehenden Maschine, die unter normalen Betriebsbedingungen mit hoher Drehzahl (Ω) arbeitet, wobei nach diesem Verfahren ein Signal (S) erfasst und digitalisiert wird, das von mindestens einem Wegaufnehmer (C) des Rotors (1) stammt, wenn dieser unter seinen normalen Betriebsbedingungen dreht, und wobei dann von diesem Signal ein Bezugssignal (B) der gleichen Art subtrahiert wird, das vorher bei einer unter der Betriebsdrehzahl (Ω) liegenden Drehzahl (Ω_b) des Rotors (1) bestimmt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugssignal (B) bei einer Drehzahl (Ω_b) erfasst wurde dergestalt, dass die von mindestens zwei Wegaufnehmern (C1, C2) des Rotors (1) stammenden Signale winklig versetzt in einer gleichen vertikalen Ebene zur Symmetrieachse (A) des Rotors bei einer fast zeitgleichen Verschiebung weitgehend identisch sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (Ω_b), bei welcher das Bezugssignal (B) erfasst wird, bis zu 20% unter der durchschnittlichen Drehzahl (Ω_m) des in Betrieb befindlichen Rotors liegt.
Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugssignal (B) bei einer Drehzahl (Ω_b) des Rotors (1) erfasst wird dergestellt, dass die Unterschiede zwischen den zwei von den beiden Wegaufnehmern (C1, C2) stammenden Signalen unter einem vorbestimmten Wert liegen.
Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Bezugssignals (B) mittels der folgenden Schritte erfolgt: a) in Abhängigkeit von der Zeit und bei niedriger Drehzahl (Ω_b) Erfassung, Digitalisierung und Aufzeichnung der von mindestens zwei auf einer gleichen Meßspur (2) relativ zueinander winklig versetzten Wegaufnehmern (C1, C2) des Rotors (1) stammenden Bezugssignale (B1 und B2), b) zeitliche Versetzung mindestens eines der Bezugssignale (B1, B2), um eine Überlagerung der Signale zu erreichen, c) bei weitgehend identischen Bezugssignalen (B1 und B2) Wahl eines dieser Signale als Bezugssignal (B) oder anderenfalls Wiederholung des Vorgangs beginnend mit Schritt a) mit einer neuen Drehzahl (Ω_b).
Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (Ω_b) des Rotors (1) im Verlauf der Erfassung des Bezugssignals (B) leicht und kontinuierlich variiert und dass die Aufzeichnung dann durch an sich bekannte Datenverarbeitungseinrichtungen verarbeitet wird, um sie so korrigieren zu können, dass sie einer bei konstanter Drehzahl (Ω_bm) gleich der durchschnittlichen Drehzahl des Rotors (1) bei Erfassung des Bezugssignals (B) im leicht veränderlichen Bereich erfolgten Aufzeichnung äquivalent ist.
Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugssignal (B) aus mehreren Versuchen mit verschiedenen Drehzahlen (Ω_b) entsprechend dem Versuch ausgewählt wird, bei dem die bestmögliche Überlagerung der Signale der zwei Wegaufnehmer (C1, C2) gegeben ist.
Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Wegaufnehmern (C, C1, C2) des Rotors (1) um Wegaufnehmer (C, C1, C2) zum Messen einer charakteristische physikalische Grösse der relativen Verschiebung des Rotors (1) in Richtung des betroffenen Wegaufnehmers wie zum Beispiel magnetische Wegaufnehmer, kapazimetrische Wegaufnehmer, optische Wegaufnehmer handelt.
Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bestimmung des Bezugssignals (B) erforderlichen Wegaufnehmer (C1, C2) relativ zueinander unter einem Winkel von 90° versetzt sind.
Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (S) in Abhängigkeit von der Zeit mit einer Diskretisierungsfrequenz f_dr erfasst, digitalisiert und dann aufgezeichnet wird und dass das Bezugssignal (B) in Abhängigkeit von der Zeit mit einer Diskretisierungsfrequenz f_db erfasst, digitalisiert und dann aufgezeichnet wird, wobei die Diskretisierungsfrequenzen f_dr und f_db der folgenden Gleichung entsprechen:
wobei: f_r = Drehfrequenz des Rotors bei Erfassung des Signals (S) und f_rb = Drehfrequenz des Rotors bei Erfassung des Bezugssignals (B).
Verfahren nach irgendeinem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Subtraktion des Bezugssignals (B) vom Signal (S) eine Rediskretisierung des Bezugssignals (B) mit einer Rediskretisierungsfrequenz f_rdb vorausgeht.
Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rediskretisierungsfrequenz f_rdb und die Diskretisierungsfrequenz f_db der folgenden Gleichung entsprechen: 0.2 ≤ frdb/fdb ≤ 1.2.
Verfahren nach irgendeinem der Patentansprüche 1 bis 8, 10, 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Subtraktion des Bezugssignals (B) vom Signal (S) eine vom Signal (S) eine Rediskretisierung des Signals (S) mit einer Rediskretisierungsfrequenz f_rdr vorausgeht.
Verfahren nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rediskretisierungsfrequenz f_rdr und die Diskretisierungsfrequenz f_dr der folgenden Gleichung entsprechen: 0.2 ≤ frdr/fdr ≤ 1.2.
Vorrichtung zur Bestimmung von Schwingungen des Rotors (1) einer mit hoher Drehzahl (Ω) arbeitenden drehenden Maschine, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Wegaufnehmer (C, C1, (C2) des Rotors (1) umfasst, die in einer gleichen Ebene senkrecht zur Symmetrieachse (A) des Rotors (1) winklig versetzt sind, und Einrichtungen zur Digitalisierung, Aufzeichnung und Weiterverarbeitung (4, 5) des von mindestens einem der Wegaufnehmer (C) emittierten Signals (S) besitzt, wobei die Verarbeitungseinrichtungen (4, 5) dazu geeignet sind, vom Signal (S) ein Bezugssignal (B) zu subtrahieren, das vorher bei einer niedrigeren Drehzahl (Ω_b) des Rotors (1) als der Betriebsdrehzahl (Ω) erfasst, digitalisiert und aufgezeichnet wurde, wobei die niedrigere Drehzahl (Ω_b) so gewählt ist, dass die von den mindestens zwei Wegauf nehmern (C1, C2) des Rotors (1) stammenden Signale bei einer fast zeitgleichen Verschiebung weitgehend identisch sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtungen (5) zur Auswahl des Bezugssignals (B) ausgehend von mehreren Versuchen mit verschiedenen Drehzahlen (Ω_b) des Rotors (1) und Wahl des Versuchs geeignet sind, bei dem die von den zwei Wegaufnehmern (C1, C2) stammenden Bezugssignale (B1 und B2) sich am besten überlagern.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Wegaufnehmern (C1 und C2) um Wegaufnehmer des gleichen Typs und bevorzugt um magnetische Wegaufnehmer handelt.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 14 und 15, bei der die Verarbeitungseinrichtungen (4, 5) geeignet sind, ein Bezugssignal (B) entsprechend den gewünschten Geräuschpegeln wie folgt zu bestimmen: a) zeitabhängige Erfassung, Digitalisierung und Aufzeichnung der von den mindestens zwei Wegaufnehmern (C1, C2) bei niedriger Drehzahl (Ω_b) des Rotors (1) emittierten Bezugssignale (B1, B2), wobei die niedrige Drehzahl (Ω_b) ein fester Wert oder leicht veränderlich ist. b) zeitliche Versetzung mindestens eines der Bezugssignale (B1, B2) dergestalt, dass eine Überlagerung der Signale erreicht wird. c) bei weitgehend identischen Bezugssignalen (B1, B2) Auswahl irgendeines der Signale (B1, B2) als Bezugssignal (B) oder anderenfalls Wiederholung des Vorgangs beginnend mit Schritt a) mit einer neuen Drehzahl (Ω_b) des Rotors (1).
Vorrichtung nach dem vorstehenden Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie Verarbeitungseinrichtungen (5) umfasst, die geeignet sind, entsprechend vorbestimmten Frequenzen das eine oder das andere der Signale (S) oder der Bezugssignale (B) zu rediskretisieren.
Vorrichtung nach irgendeinem der Patentansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Verarbeitungseinrichtungen (5) Informatikeinrichtungen wie zum Beispiel Rechnersysteme gehören, die ganz oder teilweise durch eine aus einem geeigneten Informatikprogramm bestehende Software gesteuert werden.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 13 oder Einsatz der Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 14 bis 19 zur punktuellen Überwachung oder Online-Überwachung des Betriebs einer drehenden Maschine.
Anwendung nach Patentanspruch 20 mit ggf. Auslösung eines akustischen oder optischen Alarms, wenn die Maschine über die zulässigen Sicherheitsgrenzen hinausgehende Schwingungspegel erreicht.