EP1877740A2 - Method and system for diagnosing mechanical, electromechanical and fluid components - Google Patents

Method and system for diagnosing mechanical, electromechanical and fluid components

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Publication number
EP1877740A2
EP1877740A2 EP06754961A EP06754961A EP1877740A2 EP 1877740 A2 EP1877740 A2 EP 1877740A2 EP 06754961 A EP06754961 A EP 06754961A EP 06754961 A EP06754961 A EP 06754961A EP 1877740 A2 EP1877740 A2 EP 1877740A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
signal
predetermined threshold
measurement signal
exceeds
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06754961A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alf PÜTTMER
Edmund Linzenkirchner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1877740A2 publication Critical patent/EP1877740A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector

Definitions

  • the invention relates to a method for the diagnosis of mechanical, electromechanical or fluidic components, in particular of a valve which can be actuated by a positioner via a drive, according to the preamble of claim 1 and a system for diagnosis of such compo ⁇ nents according to the preamble of the claim 5th
  • a diagnostic system for a actuated by a position controller via a drive valve is known in which the Intensi ⁇ ty of the structure-borne sound signal in a spectral range above 50 kHz for detecting a leakage in the valve is used.
  • the known diagnostic system requires a spec ⁇ tral analysis of the measurement signal and thus a considerable on ⁇ wall of electronics and computing power. Associated with this is an increased electrical power consumption of the evaluation device.
  • the invention has for its object to provide a method and a system for the diagnosis of mechanical, electro-mechanical or fluidic components, which are characterized by a low effort.
  • Claim 5 describes a system for carrying out the method, in the dependent claims further developments of the invention are described.
  • the invention has the advantage that considerably less circuit and energy expenditure is required to carry out the method than has hitherto been the case.
  • This advantage is achieved by the combined realizable functions and be greatly simplified in ⁇ same functions several radio ⁇ satisfies the example a device.
  • a sensor for structure-borne sound besides the actual conversion of the sound signal into an electrical signal at the same time filtering function of a bandpass ⁇ .
  • This is achieved in a simple manner in that the mechanical resonance frequency and the capacitance of the transducer as well as an inductance are suitably matched to one another.
  • the measuring signal is fed to a comparator, and determines the frequency with which the level of the Messsig ⁇ Nals exceeds a first predetermined threshold.
  • the invention is based on the finding that the probability is larger for increasing ⁇ the amplitude of the measurement signal that a sampled value is higher than the constant threshold value.
  • An error message signal is generated when the determined frequency exceeds a second predetermined threshold.
  • the frequency with which the level is the first predetermined threshold value can be determined in a simple manner with the aid of a comparator whose output signal ⁇ is queried.
  • a simple statistical characteristic K is suitable, which can be calculated as the ratio of the number of samples having a level exceeding the first predetermined threshold to the total number of samples considered.
  • an interrupt routine of a microcontroller or a counter may count the number of times the first threshold has been exceeded within a time period.
  • the ermit ⁇ Telte frequency is then compared in a simple manner with a two ⁇ th predetermined threshold to obtain a statement as to whether a fault condition of the mechanical, electromechanical or fluidic component is present or not.
  • This second threshold value can be predetermined, for example, by manual input or by a previous measurement and analysis in a good condition.
  • the measurement signal can be fed to a digital input of a microcontroller which records the applied value at predetermined time intervals. asks.
  • a microcontroller which records the applied value at predetermined time intervals.
  • a lower computing power and thus less operating power is required when the time intervals between interrogations by at least an order of magnitude longer than the maximum signal period of the signal components of the frequency of interest in the measurement region ⁇ .
  • a subsampling means that the measurement signal is detected at a lower sampling rate for determining the frequency than would be required according to the known Nyquist-Shannon sampling theorem for analyzing the frequency components of interest of the measurement signal.
  • a signal amplification of the signal generated by the transducer for structure-borne noise can be performed with an additional bandpass filtering in an electronic circuit having only one operational amplifier. This has the advantage that a better selection of the signal components in the frequency range of interest is made possible, without having to increase the energy requirements for the diagnosis significantly.
  • the optional operational amplifier is the one hand nalverstärkung to Sig ⁇ and secondly used by its wiring to the band-pass filtering.
  • the bandpass filtering leaves only the signal components that are related to the phenomenon to be detected.
  • the new diagnostic method and system for leakage detection in control valves is applicable, since this is a frequency range of the measurement signal of interest, which is above 50 kHz and reflects the strength of Kavi ⁇ tion noise.
  • FIG. 1 is a block diagram of a diagnostic system
  • FIG. 2 shows a diagnostic system with optional active bandpass filter
  • FIG. 3 is a timing diagram of a bandpass filtered measurement signal.
  • a transducer 1 for structure-borne noise has, according to FIG. 1, a piezoceramic 2 which is provided with electrodes.
  • a capacity of CO which, if can be modified by additional factors Kondensa ⁇ required.
  • an inductance Ll is connected in parallel, which, as indicated in Figure 1 with broken lines, is integrated in the transducer 1.
  • the inductance can be realized as getrenn ⁇ tes component.
  • the mechanical resonance frequency of the piezoceramic 2, the capacitance CO and the inductance L 1 are suitably matched to one another.
  • the measuring signal 3 is fed to a digital input DIGITAL IN of a microcontroller 4.
  • the microcontact Roller 4 forms an evaluation device, in which programmatically queried at certain time intervals, whether a logical one or a logical zero at the digi ⁇ taleingang DIGITAL IN is present. A logical one is applied to the digital input DIGITAL IN when the level of the measurement signal 3 exceeds a first predetermined threshold. From a plurality of such queries, the microcontroller 4 determines, based on a simple calculation, a statistical characteristic K according to the formula:
  • An error message signal 9 is generated when the characteristic value K exceeds a second predetermined threshold value.
  • the diagnostic system according to FIG. 1 is integrated in an electropneumatic positioner for a valve which can be actuated by a pneumatic drive.
  • the microcontroller 4 is the microcontroller already present in the positioner. It is particularly clear that the new diagnostic system can be supplemented with very little effort in an existing positioner. In principle, only the transducer 1 for structure-borne noise and a digital input of the microcontroller 4 is required. The changes required in the program of the microcontroller 4 for carrying out the diagnostic procedure are of comparatively small scope due to the simple calculations. The calculations require only a small part of the existing computing power of the microcontroller 4.
  • the amplification of the measurement signal 3 takes place by utilizing the resonance peaking of the resonant circuit, which is caused by the
  • FIG. 2 shows a diagnostic system which is expanded by an optional amplifier circuit 5.
  • the additional amplifier circuit 5 consists in its core of an operational amplifier 6, the supply terminals are connected to a positive power supply voltage VCC or to ground. Half the supply voltage VCC / 2 is fed to the reference input of the operational amplifier 6.
  • a series circuit of a resistor Rl and a capacitor Cl is arranged in the input path of the Operations ⁇ amplifier 6, a series circuit of a resistor Rl and a capacitor Cl is arranged.
  • the feedback branch is a parallel circuit of a resistor R2 and a capacitor C2. With correct tuning, this circuit of the operational amplifier 6 becomes simpler
  • the optional operational amplifier 6 is thus on the one hand to Ver ⁇ amplification of the measuring signal 3 and the other hand used by its wiring to the band-pass filtering.
  • the number of electronic components is reduced to a minimum.
  • the structure-borne sound pickup 1 and the electronic circuit 5 are specifically optimized for high sensitivity to flow noise while insensitivity to the working noise of pumps or similar adjacent components.
  • the mounting of the pickup 1 is carried out continuously at a preparatory ⁇ ended smooth outside surface be on the valve housing with a Schrau ⁇ .
  • a tem ⁇ peraturbe For a reliable acoustic coupling a tem ⁇ peraturbe damagess coupling grease between the valve body and Sen ⁇ sor provides.
  • the attachment can be made with good acoustic coupling to the housing of the positioner.
  • no additional sensors are necessary.
  • An adaptation of the evaluation to changing load ⁇ conditions such as pressure and stroke rate can be done automatically, without any parameters needing to be set or calibrating to a good condition.
  • the alarm thresholds can also be set manually by a user.
  • FIG. 3 serves to clarify the evaluation of the frequency with which the level of the measuring signal exceeds the first predetermined threshold value. Shown is a Ver ⁇ run 7 of the bandpass filtered measurement signal with 100 sample values, which were obtained at a sampling rate, which is adapted in the usual way to the frequency range of interest. On the abscissa the number of the sample, the so-called sample, is plotted on the ordinate its amplitude.
  • the first predetermined threshold value is shown in FIG. 3 as a horizontal line 8.
  • Level exceeds the first predetermined threshold are marked by dots, such as sample 9. It will be appreciated that as the amplitude of the measurement signal increases, the probability increases that samples exceed the constant first threshold.
  • This type of evaluation requires bandpass filtering of the measurement signal to the frequency range of interest. In the framework of fault-related structure-borne sound Fourier analysis Fast thus can be dispensed with for viewing the refsie- Governing frequency range to a manoeuvrable on ⁇ . This leads to a substantial reduction of the computational effort required for carrying out the diagnostic method and thus the power requirement, so that the new diagnostic method can also be used in field devices in which only a limited amount of auxiliary power is available for operation.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a diagnosis method and system comprising a structure-born noise sensor (1) which transmits, in a bandpass filtered manner, a measuring signal (3) based on the mechanical resonance frequency and capacity (CO) thereof and on an inductance (LI) and an evaluating device (4) in which the frequency, at which the measuring signal (3) level exceeds a predetermined threshold value, is defined and which is used for producing an error signal (9), when the frequency exceeds a second predetermined threshold value. As far as the diagnosis performance requires a small number of electronic components and a low power supply, the diagnostic can be integrated into existing devices, in particular into process instrumentation field devices for which a restricted quantity of operating power is available. Said invention is advantageously used for identifying a valve leakage with the aid of an electro-pneumatic positional regulator.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und System zur Diagnose von mechanischen, elektro- mechanischen oder fluidischen KomponentenMethod and system for the diagnosis of mechanical, electromechanical or fluidic components
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose von mechanischen, elektromechanischen oder fluidischen Komponenten, insbesondere von einem Ventil, das von einem Stellungsregler über einem Antrieb betätigbar ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein System zur Diagnose derartiger Kompo¬ nenten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.The invention relates to a method for the diagnosis of mechanical, electromechanical or fluidic components, in particular of a valve which can be actuated by a positioner via a drive, according to the preamble of claim 1 and a system for diagnosis of such compo ¬ nents according to the preamble of the claim 5th
Durch die Analyse von Körperschall können Merkmale gewonnen werden, die zur Erkennung von Störungen oder Fehlern in mechanischen, elektromechanischen oder fluidischen Komponenten beitragen. Beispielsweise ist aus der EP 1 216 375 Bl ein Diagnosesystem für ein von einem Stellungsregler über einen Antrieb betätigbares Ventil bekannt, in welchem die Intensi¬ tät des Körperschallsignals in einem Spektralbereich oberhalb von 50 kHz zur Erkennung einer Leckage im Ventil herangezogen wird. Das bekannte Diagnosesystem erfordert jedoch eine Spek¬ tralanalyse des Messsignals und somit einen erheblichen Auf¬ wand an Elektronik und Rechenleistung. Damit verbunden ist eine erhöhte elektrische Leistungsaufnahme der Auswerteein- richtung. Eine Integration des Diagnoseverfahrens als zusätz¬ liche Funktion in vorhandene Geräte ist deshalb nur selten möglich, da die zusätzliche Leistung häufig nicht zur Verfü¬ gung steht. Dies ist insbesondere bei Feldgeräten der Automa¬ tisierungstechnik, beispielsweise Messumformern oder Stell- gliedern, der Fall. Diese müssen häufig den Anforderungen des Explosionsschutzes genügen oder werden über eine 4 bis 20 mA- Schnittstelle oder eine PROFIBUS-Anschaltung mit der erforderlichen Hilfsenergie versorgt. Das Diagnosesystem muss dann aufwendig in einem zusätzlichen Gerät untergebracht werden.By analyzing structure-borne noise, features can be obtained that contribute to the detection of faults or faults in mechanical, electromechanical or fluidic components. For example, from EP 1216375 Bl, a diagnostic system for a actuated by a position controller via a drive valve is known in which the Intensi ¬ ty of the structure-borne sound signal in a spectral range above 50 kHz for detecting a leakage in the valve is used. However, the known diagnostic system requires a spec ¬ tral analysis of the measurement signal and thus a considerable on ¬ wall of electronics and computing power. Associated with this is an increased electrical power consumption of the evaluation device. An integration of the diagnostic method As an added ¬ Liche function in existing equipment is rarely possible because the extra power is often not, has become available ¬ supply. This is divided in particular for field devices of automation technology set ¬ such as transmitters or manipulated, the case. These often have to meet the requirements of explosion protection or are supplied with the required auxiliary power via a 4 to 20 mA interface or a PROFIBUS interface. The diagnostic system then has to be laboriously accommodated in an additional device.
Aus der US-PS 5 477 729 ist ein Aufnehmer für Körperschall bekannt, der zur Messung hochfrequenter akustischer Signale bis zu etwa 2 MHz geeignet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Diagnose von mechanischen, elektromechanischen oder fluidischen Komponenten zu schaffen, die sich durch ei- nen geringen Aufwand auszeichnen.From US-PS 5 477 729 a transducer for structure-borne noise is known, which is suitable for measuring high-frequency acoustic signals up to about 2 MHz. The invention has for its object to provide a method and a system for the diagnosis of mechanical, electro-mechanical or fluidic components, which are characterized by a low effort.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In Anspruch 5 ist ein System zur Durchführung des Verfahrens, in den abhängigen Ansprüchen sind Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.To solve this problem, the new method of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 features. Claim 5 describes a system for carrying out the method, in the dependent claims further developments of the invention are described.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein wesentlich geringerer Schaltungs- und Energieaufwand zur Durchführung des Verfah- rens erforderlich ist, als dies bisher der Fall war. Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, dass die zu realisierenden Funktionen zusammengefasst und stark vereinfacht werden, in¬ dem beispielsweise ein Bauelement gleichzeitig mehrere Funk¬ tionen erfüllt. So hat ein Aufnehmer für Körperschall neben der eigentlichen Wandlung des Schallsignals in ein elektrisches Signal auch gleichzeitig die Funktion einer Bandpass¬ filterung. Dies wird in einfacher Weise dadurch erreicht, dass die mechanische Resonanzfrequenz und die Kapazität des Aufnehmers sowie eine Induktivität in geeigneter Weise auf- einander abgestimmt werden. Durch den Aufnehmer für Körperschall wird somit bereits ein Messsignal erzeugt, das über¬ wiegend Signalanteile in dem für die jeweilige Anwendung relevanten Frequenzbereich aufweist. Weitere Filterelemente sind daher nicht zwingend erforderlich. In der Auswerteein- richtung wird das Messsignal auf einen Komparator geführt und die Häufigkeit ermittelt, mit welcher der Pegel des Messsig¬ nals einen ersten vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass bei zunehmen¬ der Amplitude des Messsignals die Wahrscheinlichkeit größer wird, dass ein abgetasteter Wert über dem konstanten Schwellwert liegt. Ein Fehlermeldesignal wird dann erzeugt, wenn die ermittelte Häufigkeit einen zweiten vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Die Häufigkeit, mit welcher der Pegel den ersten vorbestimmten Schwellwert übersteigt, kann in einfacher Weise mit Hilfe eines Komparators ermittelt werden, dessen Aus¬ gangssignal abgefragt wird. Zur Wiedergabe der Häufigkeit ist beispielsweise ein einfacher statistischer Kennwert K geeig- net, welcher als das Verhältnis der Zahl der Abtastwerte mit einem Pegel, der den ersten vorbestimmten Schwellwert übersteigt, zu der Gesamtzahl der betrachteten Abtastwerte berechnet werden kann. Alternativ dazu kann mit einer Interrupt-Routine eines MikroControllers oder durch einen Zähler die Anzahl der Überschreitungen des ersten Schwellwerts innerhalb eines Zeitraumes gezählt werden. Die ermit¬ telte Häufigkeit wird nun in einfacher Weise mit einem zwei¬ ten vorbestimmten Schwellwert verglichen, um eine Aussage zu erhalten, ob ein Fehlerzustand der mechanischen, elektrome- chanischen oder fluidischen Komponente vorliegt oder nicht. Dieser zweite Schwellwert kann beispielsweise durch manuelle Eingabe oder durch eine vorherige Messung und Analyse in einem Gutzustand vorbestimmt werden.The invention has the advantage that considerably less circuit and energy expenditure is required to carry out the method than has hitherto been the case. This advantage is achieved by the combined realizable functions and be greatly simplified in ¬ same functions several radio ¬ satisfies the example a device. Thus, a sensor for structure-borne sound, besides the actual conversion of the sound signal into an electrical signal at the same time filtering function of a bandpass ¬. This is achieved in a simple manner in that the mechanical resonance frequency and the capacitance of the transducer as well as an inductance are suitably matched to one another. By the transducer for structure-borne sound thus a measurement signal is already generated, which has ¬ predominantly signal components in the relevant frequency range for each application. Further filter elements are therefore not mandatory. In the Auswerteein- direction, the measuring signal is fed to a comparator, and determines the frequency with which the level of the Messsig ¬ Nals exceeds a first predetermined threshold. The invention is based on the finding that the probability is larger for increasing ¬ the amplitude of the measurement signal that a sampled value is higher than the constant threshold value. An error message signal is generated when the determined frequency exceeds a second predetermined threshold. The frequency with which the level is the first predetermined threshold value can be determined in a simple manner with the aid of a comparator whose output signal ¬ is queried. To reproduce the frequency, for example, a simple statistical characteristic K is suitable, which can be calculated as the ratio of the number of samples having a level exceeding the first predetermined threshold to the total number of samples considered. Alternatively, an interrupt routine of a microcontroller or a counter may count the number of times the first threshold has been exceeded within a time period. The ermit ¬ Telte frequency is then compared in a simple manner with a two ¬ th predetermined threshold to obtain a statement as to whether a fault condition of the mechanical, electromechanical or fluidic component is present or not. This second threshold value can be predetermined, for example, by manual input or by a previous measurement and analysis in a good condition.
Aufgrund der wenigen benötigten elektronischen Bauelemente sowie der geringen erforderlichen Rechenleistung und somit elektrischen Leistung ist nun eine Integration der Diagnose mit Körperschallmessung und Signalanalyse in vorhandene Gerä¬ te, wie zum Beispiel Sensoren oder Aktuatoren der Prozessins- trumentierung, insbesondere eine Integration in ein Regelventil, das mit einem Stellungsregler über einen Antrieb betätigbar ist, möglich. Diese Integration ist besonders einfach, wenn bereits ein MikroController in dem Gerät vorhanden ist, der ohne Weiteres die zur Auswertung des Messsignals notwen- digen Berechnungen zusätzlich neben seinen bisherigen Aufgaben übernehmen kann. Das neue Diagnoseverfahren und -System zeichnet sich somit durch einen besonders geringen Aufwand aus, der zur Durchführung der Diagnose aufgebracht werden muss .Due to the few required electronic components and the low required computing power and thus electrical power is now an integration of the diagnosis with structure-borne noise measurement and signal analysis in existing Gerä ¬ te, such as sensors or actuators of process instrumentation, in particular an integration in a control valve, the with a positioner can be actuated via a drive, possible. This integration is particularly simple if a microcontroller is already present in the device, which can readily assume the necessary calculations for evaluating the measurement signal in addition to its previous tasks. The new diagnostic method and system is therefore characterized by a particularly low cost, which must be applied to carry out the diagnosis.
Zur Ermittlung der Häufigkeit kann das Messsignal auf einen Digitaleingang eines MikroControllers geführt werden, der den anliegenden Wert in vorbestimmten zeitlichen Abständen ab- fragt. Das hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Kompara- torschaltung und auch keine Analog/Digital-Umsetzung mit größerer Auflösung nötig ist. Alternativ dazu ist selbstverständlich auch ein außerhalb eines MikroControllers angeord- neter Komparator einsetzbar.In order to determine the frequency, the measurement signal can be fed to a digital input of a microcontroller which records the applied value at predetermined time intervals. asks. This has the advantage that no additional comparator circuit and also no analog / digital conversion with a higher resolution is necessary. Alternatively, of course, a comparator arranged outside a microcontroller can also be used.
In vorteilhafter Weise wird lediglich eine geringere Rechenleistung und somit weniger Betriebsenergie benötigt, wenn die zeitlichen Abstände zwischen den Abfragen um zumindest eine Größenordnung länger sind als die maximale Periodendauer der Signalanteile des interessierenden Frequenzbereichs im Mess¬ signal. Dies entspricht einer starken Unterabtastung des Messsignals. Dadurch erfolgt im Bereich der Analyse zur Merkmalsgewinnung eine Minimierung der erforderlichen Rechenleis- tung. Eine Unterabtastung bedeutet, dass das Messsignal mit einer geringeren Abtastrate zur Ermittelung der Häufigkeit erfasst wird, als dies gemäß dem bekannten Nyquist-Shannon- Abtasttheorem zur Analyse der interessierenden Frequenzanteile des Messsignals erforderlich wäre.Advantageously, only a lower computing power and thus less operating power is required when the time intervals between interrogations by at least an order of magnitude longer than the maximum signal period of the signal components of the frequency of interest in the measurement region ¬. This corresponds to a strong undersampling of the measurement signal. This minimizes the required computing power in the area of the feature extraction analysis. A subsampling means that the measurement signal is detected at a lower sampling rate for determining the frequency than would be required according to the known Nyquist-Shannon sampling theorem for analyzing the frequency components of interest of the measurement signal.
Bevor die Häufigkeit ermittelt wird, mit welcher der Pegel des Messsignals einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, kann eine Signalverstärkung des durch den Aufnehmer für Körperschall erzeugten Signals mit einer zusätzlichen Bandpass- filterung in einer elektronischen Schaltung vorgenommen werden, die nur einen Operationsverstärker aufweist. Das hat den Vorteil, dass eine bessere Selektion der Signalanteile im interessierenden Frequenzbereich ermöglicht wird, ohne dazu den Energiebedarf für die Diagnose wesentlich erhöhen zu müssen.Before the frequency with which the level of the measurement signal exceeds a predetermined threshold value is determined, a signal amplification of the signal generated by the transducer for structure-borne noise can be performed with an additional bandpass filtering in an electronic circuit having only one operational amplifier. This has the advantage that a better selection of the signal components in the frequency range of interest is made possible, without having to increase the energy requirements for the diagnosis significantly.
Der optionale Operationsverstärker wird einerseits zur Sig¬ nalverstärkung und andererseits durch seine Beschaltung zur Bandpassfilterung verwendet. Somit ist die Anzahl zusätzli- eher elektronischer Bauelemente auf ein Minimum reduziert. In verbesserter Weise lässt die Bandpassfilterung nur die Signalanteile übrig, die im Zusammenhang mit dem zu detektieren- den Phänomen stehen. In besonders vorteilhafter Weise ist das neue Diagnoseverfahren und -System zur Leckageerkennung in Regelventilen anwendbar, da hierzu ein Frequenzbereich des Messsignals von Inter- esse ist, der oberhalb 50 kHz liegt und die Stärke des Kavi¬ tationsrauschens wiedergibt. Bezüglich einer näheren Erläute¬ rung einer Anordnung zur Ventildiagnose mittels Körperschall¬ analyse sowie der damit verbundenen Vorteile wird auf die bereits eingangs erwähnte EP 1 216 375 Bl verwiesen.The optional operational amplifier is the one hand nalverstärkung to Sig ¬ and secondly used by its wiring to the band-pass filtering. Thus, the number of additional rather electronic components is reduced to a minimum. In an improved way, the bandpass filtering leaves only the signal components that are related to the phenomenon to be detected. In a particularly advantageous manner, the new diagnostic method and system for leakage detection in control valves is applicable, since this is a frequency range of the measurement signal of interest, which is above 50 kHz and reflects the strength of Kavi ¬ tion noise. For a more detailed Erläute ¬ tion of an arrangement for valve diagnosis using acoustic emission analysis ¬ and the related advantages will be made to the already initially mentioned EP 1216375 Bl.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert. Es zeigen:With reference to the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the invention and refinements and advantages are explained in more detail below. Show it:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Diagnosesystems,FIG. 1 is a block diagram of a diagnostic system;
Figur 2 ein Diagnosesystem mit optionalem aktivem Bandpassfilter und2 shows a diagnostic system with optional active bandpass filter and
Figur 3 ein Zeitdiagramm eines bandpassgefilterten Messsignals .FIG. 3 is a timing diagram of a bandpass filtered measurement signal.
Ein Aufnehmer 1 für Körperschall weist gemäß Figur 1 eine Piezokeramik 2 auf, die mit Elektroden versehen ist. Im elektrischen Ersatzschaltbild hat die Piezokeramik 2 eine Kapazität CO, die, falls erforderlich, durch zusätzliche Kondensa¬ toren verändert werden kann. Zur Piezokeramik 2 ist eine Induktivität Ll parallel geschaltet, die, wie in Figur 1 mit durchbrochenen Linien angedeutet, in den Aufnehmer 1 integriert ist. Alternativ dazu kann die Induktivität als getrenn¬ tes Bauelement realisiert sein. Damit der Aufnehmer 1 ein Messsignal 3 abgibt, das im Wesentlichen nur Signalanteile in einem interessierenden Frequenzbereich enthält, sind die me- chanische Resonanzfrequenz der Piezokeramik 2, die Kapazität CO und die Induktivität Ll in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt. Das Messsignal 3 ist auf einen Digitaleingang DIGITAL IN eines MikroControllers 4 geführt. Der Mikrocont- roller 4 bildet eine Auswerteeinrichtung, in welcher programmgesteuert in gewissen zeitlichen Abständen abgefragt wird, ob eine logische Eins oder eine logische Null am Digi¬ taleingang DIGITAL IN anliegt. Eine logische Eins liegt am Digitaleingang DIGITAL IN an, wenn der Pegel des Messsignals 3 einen ersten vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Aus einer Vielzahl derartiger Abfragen bestimmt der Mikrocont- roller 4 anhand einer einfachen Berechnung einen statistischen Kennwert K gemäß der Formel:A transducer 1 for structure-borne noise has, according to FIG. 1, a piezoceramic 2 which is provided with electrodes. In the electric equivalent circuit diagram of the piezoelectric ceramic 2 has a capacity of CO which, if can be modified by additional factors Kondensa ¬ required. To the piezoceramic 2, an inductance Ll is connected in parallel, which, as indicated in Figure 1 with broken lines, is integrated in the transducer 1. Alternatively, the inductance can be realized as getrenn ¬ tes component. In order for the transducer 1 to emit a measuring signal 3 which essentially contains only signal components in a frequency range of interest, the mechanical resonance frequency of the piezoceramic 2, the capacitance CO and the inductance L 1 are suitably matched to one another. The measuring signal 3 is fed to a digital input DIGITAL IN of a microcontroller 4. The microcontact Roller 4 forms an evaluation device, in which programmatically queried at certain time intervals, whether a logical one or a logical zero at the digi ¬ taleingang DIGITAL IN is present. A logical one is applied to the digital input DIGITAL IN when the level of the measurement signal 3 exceeds a first predetermined threshold. From a plurality of such queries, the microcontroller 4 determines, based on a simple calculation, a statistical characteristic K according to the formula:
N mitN with
M - Zahl der Abfragen, die logisch Eins ergeben haben und N - Gesamtzahl der Abfragen.M - number of queries that logically resulted in one and N - total number of queries.
Ein Fehlermeldesignal 9 wird erzeugt, wenn der Kennwert K einen zweiten vorbestimmten Schwellwert übersteigt.An error message signal 9 is generated when the characteristic value K exceeds a second predetermined threshold value.
Das Diagnosesystem gemäß Figur 1 ist in einen elektropneuma- tischen Stellungsregler für ein Ventil, das über einen pneumatischen Antrieb betätigbar ist, integriert. Bei dem Mikro- controller 4 handelt es sich um den ohnehin im Stellungsregler vorhandenen MikroController. Dabei wird besonders deutlich, dass das neue Diagnosesystem mit sehr geringem Aufwand in einen vorhandenen Stellungsregler ergänzt werden kann. Prinzipiell ist lediglich der Aufnehmer 1 für Körperschall und ein Digitaleingang des MikroControllers 4 erforderlich. Die an dem Programm des MikroControllers 4 zur Durchführung des Diagnoseverfahrens erforderlichen Änderungen sind auf- grund der einfachen Berechnungen von vergleichsweise geringem Umfang. Die Berechnungen beanspruchen nur einen geringen Teil der vorhandenen Rechenleistung des MikroControllers 4.The diagnostic system according to FIG. 1 is integrated in an electropneumatic positioner for a valve which can be actuated by a pneumatic drive. The microcontroller 4 is the microcontroller already present in the positioner. It is particularly clear that the new diagnostic system can be supplemented with very little effort in an existing positioner. In principle, only the transducer 1 for structure-borne noise and a digital input of the microcontroller 4 is required. The changes required in the program of the microcontroller 4 for carrying out the diagnostic procedure are of comparatively small scope due to the simple calculations. The calculations require only a small part of the existing computing power of the microcontroller 4.
Die Verstärkung des Messsignals 3 erfolgt durch Ausnutzung der Resonanzüberhöhung des Schwingkreises, der durch dieThe amplification of the measurement signal 3 takes place by utilizing the resonance peaking of the resonant circuit, which is caused by the
Kapazität CO der Piezokeramik und die Induktivität Ll gebil¬ det wird. Figur 2 zeigt ein Diagnosesystem, das um eine optionale Verstärkerschaltung 5 erweitert ist. Die bereits anhand Figur 1 erläuterten Schaltungsteile sind in Figur 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die zusätzliche Verstärkerschaltung 5 besteht in ihrem Kern aus einem Operationsverstärker 6, dessen Versorgungsanschlüsse an eine positive Versorgungsspan¬ nung VCC bzw. an Masse angeschlossen sind. Auf den Referenzeingang des Operationsverstärkers 6 ist die halbe Versor- gungsspannung VCC/2 geführt. Im Eingangspfad des Operations¬ verstärkers 6 ist eine Reihenschaltung aus einem Widerstand Rl und einem Kondensator Cl angeordnet. Im Rückkopplungszweig befindet sich eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R2 und einem Kondensator C2. Bei korrekter Abstimmung wird mit dieser Schaltung des Operationsverstärkers 6 in einfacherCapacitance CO of the piezoceramic and the inductance Ll gebil ¬ det is formed. FIG. 2 shows a diagnostic system which is expanded by an optional amplifier circuit 5. The already explained with reference to Figure 1 circuit parts are provided in Figure 2 with the same reference numerals. The additional amplifier circuit 5 consists in its core of an operational amplifier 6, the supply terminals are connected to a positive power supply voltage VCC or to ground. Half the supply voltage VCC / 2 is fed to the reference input of the operational amplifier 6. In the input path of the Operations ¬ amplifier 6, a series circuit of a resistor Rl and a capacitor Cl is arranged. In the feedback branch is a parallel circuit of a resistor R2 and a capacitor C2. With correct tuning, this circuit of the operational amplifier 6 becomes simpler
Weise eine Bandpasswirkung erreicht, die gerade die Signalan¬ teile im interessierenden Frequenzbereich verstärkt. Der optionale Operationsverstärker 6 wird somit einerseits zur Ver¬ stärkung des Messsignals 3 und andererseits durch seine Beschaltung zur Bandpassfilterung verwendet. Somit ist die Anzahl der elektronischen Bauelemente auf ein Minimum reduziert .Way achieves a bandpass effect, which just amplifies the Signalan ¬ parts in the frequency range of interest. The optional operational amplifier 6 is thus on the one hand to Ver ¬ amplification of the measuring signal 3 and the other hand used by its wiring to the band-pass filtering. Thus, the number of electronic components is reduced to a minimum.
Bei dem beschriebenen Einsatz des Diagnosesystems zur Er- kennung einer Ventilleckage sind der Aufnehmer 1 für Körperschall und die elektronische Schaltung 5 speziell auf eine große Empfindlichkeit für strömungsbedingte Geräusche bei gleichzeitiger Unempfindlichkeit für die Arbeitsgeräusche von Pumpen oder ähnlichen benachbarten Komponenten optimiert. Die Montage des Aufnehmers 1 erfolgt permanent an einer vorberei¬ teten glatten Fläche außen am Ventilgehäuse mit einer Schrau¬ be. Für eine zuverlässige akustische Kopplung sorgt ein tem¬ peraturbeständiges Koppelfett zwischen Ventilgehäuse und Sen¬ sor. Alternativ kann die Befestigung bei guter akustischer Kopplung am Gehäuse des Stellungsreglers erfolgen. Neben dem Aufnehmer 1 für Körperschall ist keine zusätzliche Sensorik notwendig. Eine Anpassung der Auswertung an wechselnde Last¬ bedingungen wie Druck und Hubzahl kann automatisch erfolgen, ohne dass irgendwelche Parameter eingestellt werden müssen oder dass eine Kalibrierung auf einen Gutzustand notwendig wäre. Die Alarmschwellen können auch manuell durch einen Anwender festgelegt werden.In the described use of the diagnostic system for detecting valve leakage, the structure-borne sound pickup 1 and the electronic circuit 5 are specifically optimized for high sensitivity to flow noise while insensitivity to the working noise of pumps or similar adjacent components. The mounting of the pickup 1 is carried out continuously at a preparatory ¬ ended smooth outside surface be on the valve housing with a Schrau ¬. For a reliable acoustic coupling a tem ¬ peraturbeständiges coupling grease between the valve body and Sen ¬ sor provides. Alternatively, the attachment can be made with good acoustic coupling to the housing of the positioner. In addition to the transducer 1 for structure-borne noise, no additional sensors are necessary. An adaptation of the evaluation to changing load ¬ conditions such as pressure and stroke rate can be done automatically, without any parameters needing to be set or calibrating to a good condition. The alarm thresholds can also be set manually by a user.
Figur 3 dient zur Verdeutlichung der Auswertung der Häufigkeit, mit welcher der Pegel des Messsignals den ersten vor¬ bestimmten Schwellwert übersteigt. Dargestellt ist ein Ver¬ lauf 7 des bandpassgefilterten Messsignals mit 100 Abtast- werten, die mit einer Abtastrate gewonnen wurden, die in üblicher Weise an den interessierenden Frequenzbereich ange- passt ist. Auf der Abszisse ist die Nummer des Abtastwerts, der so genannte Sample, auf der Ordinate seine Amplitude aufgetragen. Der erste vorbestimmte Schwellwert ist in Figur 3 als horizontale Linie 8 dargestellt. Abtastwerte derenFIG. 3 serves to clarify the evaluation of the frequency with which the level of the measuring signal exceeds the first predetermined threshold value. Shown is a Ver ¬ run 7 of the bandpass filtered measurement signal with 100 sample values, which were obtained at a sampling rate, which is adapted in the usual way to the frequency range of interest. On the abscissa the number of the sample, the so-called sample, is plotted on the ordinate its amplitude. The first predetermined threshold value is shown in FIG. 3 as a horizontal line 8. Samples whose
Pegel den ersten vorbestimmten Schwellwert übersteigt, sind durch Punkte markiert, wie zum Beispiel der Abtastwert 9. Es wird deutlich, dass bei zunehmender Amplitude des Messsignals die Wahrscheinlichkeit größer wird, dass Abtastwerte den konstanten ersten Schwellwert übersteigen. Diese Art der Auswertung setzt eine Bandpassfilterung des Messsignals auf den interessierenden Frequenzbereich voraus. Bei der Überwachung auf störungsbedingten Körperschall kann somit auf eine auf¬ wendige Fast-Fourier-Analyse zur Betrachtung des interessie- renden Frequenzbereichs verzichtet werden. Dies führt zu einer wesentlichen Verringerung des zur Durchführung des Diagnoseverfahrens erforderlichen Rechenaufwands und somit des Strombedarfs, so dass das neue Diagnoseverfahren auch bei Feldgeräten eingesetzt werden kann, bei denen zum Betrieb nur eine begrenzte Menge an Hilfsenergie zur Verfügung steht. Level exceeds the first predetermined threshold are marked by dots, such as sample 9. It will be appreciated that as the amplitude of the measurement signal increases, the probability increases that samples exceed the constant first threshold. This type of evaluation requires bandpass filtering of the measurement signal to the frequency range of interest. In the framework of fault-related structure-borne sound Fourier analysis Fast thus can be dispensed with for viewing the interessie- Governing frequency range to a manoeuvrable on ¬. This leads to a substantial reduction of the computational effort required for carrying out the diagnostic method and thus the power requirement, so that the new diagnostic method can also be used in field devices in which only a limited amount of auxiliary power is available for operation.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Diagnose von mechanischen, elektromechani- sehen oder fluidischen Komponenten, insbesondere von einem1. A method for diagnosing mechanical, electromechanical see or fluidic components, in particular of a
Ventil, das mit einem Stellungsregler über einen Antrieb betätigbar ist, mit einem Aufnehmer (1) für Körperschall, der im Bereich niederfrequenter Arbeitsgeräusche vergleichsweise unempfindlich, im höherfrequenten Bereich der Fehlergeräusche aber empfindlich ist, und mit einer Einrichtung (4) zur Auswertung des aufgenommenen Messsignals (3) , dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer für Körperschall das Messsignal (3) aufgrund seiner mechanischen Resonanzfrequenz, seiner Kapazität (CO) und einer Induktivität (Ll) bandpassgefiltert ausgibt, dass die Auswerteeinrichtung (4) die Häufigkeit ermittelt, mit welcher der Pegel des Messsignals (3) einen ersten vorbestimmten Schwellwert übersteigt und dass ein Fehlermeldesignal (9) erzeugt wird, wenn die ermittelte Häu¬ figkeit einen zweiten vorbestimmten Schwellwert übersteigt.Valve, which is operable with a positioner via a drive, with a transducer (1) for structure-borne noise, which is relatively insensitive in the low-frequency operating noise, but sensitive in the higher-frequency range of error noise, and with a device (4) for evaluating the recorded measurement signal (3), characterized in that the transducer for structure-borne noise, the measurement signal (3) due to its mechanical resonance frequency, its capacitance (CO) and an inductance (Ll) outputs bandpass filtered that the evaluation device (4) determines the frequency with which the level the measuring signal (3) exceeds a first predetermined threshold value and that an error message signal (9) is produced when the determined Frequently ¬ stiffness exceeds a second predetermined threshold.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (3) zur Ermittelung der Häufigkeit auf einen Digitaleingang (DIGITAL IN) eines MikroControllers (4) geführt wird, der den anliegenden Wert in vorbestimmten zeit- liehen Abständen abfragt.2. The method according to claim 1, characterized in that the measurement signal (3) for determining the frequency to a digital input (DIGITAL IN) of a microcontroller (4) is performed, which queries the applied value at predetermined time lent intervals.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Abstände um zumindest eine Größenordnung länger sind als die maximale Periodendauer der Signalanteile des interessierenden Frequenzbereichs im Messsignal (3).3. The method according to claim 2, characterized in that the time intervals are longer by at least an order of magnitude than the maximum period of the signal components of the frequency range of interest in the measurement signal (3).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalverstärkung des Messsignals 3 mit zusätzlicher Bandpassfilterung in einer elektronischen Schaltung mit nur einem Operationsverstärker (6) vorgenommen wird, bevor der Pegel des Messsignals (3) mit dem ersten vor¬ bestimmten Schwellwert verglichen wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a signal amplification of the measuring signal 3 with additional bandpass filtering in an electronic circuit with only one operational amplifier (6) is made before the level of the measuring signal (3) with the first before ¬ certain threshold is compared.
5. System zur Diagnose von mechanischen, elektromechanischen oder fluidischen Komponenten, insbesondere von einem Ventil, das von einem Stellungsregler über einen Antrieb betätigbar ist, mit einem Aufnehmer (1) für Körperschall, der im Bereich niederfrequenter Arbeitsgeräusche vergleichsweise unempfind¬ lich, im höherfrequenten Bereich der Fehlergeräusche aber empfindlich ist, und mit einer Einrichtung (4) zur Auswertung des aufgenommenen Messsignals (3) , dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer (1) für Körperschall derart ausgebildet ist, dass er das Messsignal (3) aufgrund seiner mechanischen Resonanzfrequenz, seiner Kapazität (CO) und einer Induktivität (Ll) bandpassgefiltert ausgibt, dass die Auswerteeinrich¬ tung zur Ermittelung der Häufigkeit ausgebildet ist, mit wel¬ cher der Pegel des Messsignals (3) einen ersten vorbestimmten Schwellwert übersteigt, und dass die Auswerteeinrichtung (4) weiterhin derart ausgebildet ist, dass sie ein Fehlermelde¬ signal (9) erzeugt, wenn die ermittelte Häufigkeit einen zweiten vorbestimmten Schwellwert übersteigt. 5. System for the diagnosis of mechanical, electromechanical or fluidic components, in particular of a valve which is actuated by a positioner via a drive, with a transducer (1) for structure-borne noise, the comparatively unempfind ¬ lich in the field of low-frequency operating noise, in the higher frequency range the error noise but is sensitive, and with a device (4) for evaluating the recorded measurement signal (3), characterized in that the transducer (1) for structure-borne noise is designed such that it the measurement signal (3) due to its mechanical resonance frequency, his Capacitance (CO) and an inductance (Ll) outputs bandpass filtered that the Auswerteeinrich ¬ device is designed to determine the frequency with wel ¬ cher the level of the measuring signal (3) exceeds a first predetermined threshold, and that the evaluation device (4) continues is designed such that it sends an error message signal ( 9) when the determined frequency exceeds a second predetermined threshold.
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