WO2001013077A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung von schwingungen eines spannungsführenden bauteils - Google Patents

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WO2001013077A1
WO2001013077A1 PCT/EP2000/007646 EP0007646W WO0113077A1 WO 2001013077 A1 WO2001013077 A1 WO 2001013077A1 EP 0007646 W EP0007646 W EP 0007646W WO 0113077 A1 WO0113077 A1 WO 0113077A1
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WO
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component
signal
sensor
module
transmitted
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PCT/EP2000/007646
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Inventor
Jürgen Klaar
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C23/00—Non-electrical signal transmission systems, e.g. optical systems
    • G08C23/02—Non-electrical signal transmission systems, e.g. optical systems using infrasonic, sonic or ultrasonic waves
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C23/00—Non-electrical signal transmission systems, e.g. optical systems
    • G08C23/04—Non-electrical signal transmission systems, e.g. optical systems using light waves, e.g. infrared
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C2201/00—Transmission systems of control signals via wireless link
    • G08C2201/50—Receiving or transmitting feedback, e.g. replies, status updates, acknowledgements, from the controlled devices
    • G08C2201/51—Remote controlling of devices based on replies, status thereof

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring vibrations of a live component, in particular in an electrical machine, wherein a vibration is detected by at least one sensor and a signal corresponding to the vibration is generated.
  • sensors and measuring systems are used which have to meet a number of requirements.
  • the sensors and measuring systems must not be disturbed by electrical and magnetic fields and should be largely independent of temperature. They may only have a low mass and a small construction volume and must be resistant to high voltage.
  • the sensors and measuring systems must of course be able to cover the expected range of vibrations with regard to acceleration and frequency.
  • the measurements should be carried out depending on the phase and phase. After the installation, it should no longer be necessary to calibrate. So far, for example, fiber optic vibration measurement systems have been used which only partially meet the above-mentioned conditions.
  • the known systems are associated with high investment costs and high installation costs. It is also a line-bound system in which the entire measuring chain must be calibrated.
  • the known systems are also only suitable for continuous measurement and monitoring in power plant operation to a limited extent.
  • the object of the present invention is therefore to achieve the measurement of vibrations of a live component, especially in an electrical machine, with lower costs and greater flexibility. According to the invention, this object is achieved in a method of the type mentioned in the introduction in that the signal is transmitted wirelessly to a receiving unit.
  • the wireless transmission of the signal means that there is no need for cables between the sensor and an evaluation unit.
  • the sensors can be quickly and easily attached to the live component. It is no longer necessary to lay cables or calibrate these cables. Thanks to the wireless signal transmission, the sensor can now also be attached to previously inaccessible points on the live component.
  • the signal is advantageously transmitted in digital form. This improves the sensitivity of the transmission to interference.
  • an optical, acoustic or electromagnetic signal is transmitted. If an optical signal is used, there must be a direct line of sight between the receiving unit and a transmitter module attached to the component.
  • the transmission is reliable and is in no way influenced by the stray field of the live component or the machine.
  • An acoustic or electromagnetic signal does not require a direct line of sight, but can be distorted by the component or the electrical machine.
  • a suitable signal is selected depending on the respective boundary conditions.
  • the signal is transmitted or called up at predetermined time intervals.
  • the energy consumption is reduced by the transmission at predetermined time intervals.
  • an the time interval between two transmissions a functional test of the sensor or the transmitter module can be carried out.
  • the signal can also be called up by the receiving unit.
  • the transmitter module attached to the component not only has a transmitter, but also a receiver. A continuous transmission of the signal is of course also possible.
  • the signal is transmitted when a certain limit value is exceeded. As long as the vibrations of the live component are not critical, no transmission takes place.
  • a test signal can be transmitted at specified time intervals to ensure the functionality of the sensor and the transmitter module. A signal is only transmitted when a certain predefinable limit value is exceeded.
  • the signals sent by several components are transmitted to a common receiving unit. This further reduces the investment costs.
  • an identifier for the respective component or the respective sensor is transmitted together with the signals.
  • the identifier enables the received signal to be uniquely assigned to the respective component or sensor.
  • a staggered transmission can be carried out.
  • the energy required to supply the sensor and transmit the signal is advantageously obtained from the stray electromagnetic field that surrounds the component.
  • the sensor, the transmitter module and, if necessary, further modules attached to the live component can then be used maintenance-free for a considerable period of time without exchanging energy stores such as batteries.
  • the invention further relates to a device for measuring vibrations of a live component, in particular for use in a method described above, with at least one sensor that can be attached to the component to generate a signal corresponding to the vibration.
  • this device has a transmitter module that can be attached to the component for wireless transmission of the signal to a receiving unit that is spaced apart from the component. This allows a reduction in installation costs while increasing flexibility.
  • the device comprises, in addition to the transmitter module, a sensor module with the at least one sensor, a converter module for converting and processing the signals generated by the sensor, and an energy module for energy supply.
  • a sensor module with the at least one sensor
  • a converter module for converting and processing the signals generated by the sensor
  • an energy module for energy supply Depending on the vibrations to be measured, one or more sensors are attached. If vibrations in two spatial directions are to be detected, a module in which two sensors are integrated is provided. A third sensor is provided for a measurement in the third spatial direction. If torsional vibrations are also to be recorded, further, correspondingly designed sensors are provided.
  • the converter module enables the signals generated by the sensor to be converted and processed. The energy supply is ensured by the energy module.
  • the transmitter module, the converter module and the energy module are arranged on a common carrier plate which can be fastened to the component.
  • the connections between the individual modules can be made independently of the live component.
  • the carrier plate is attached to the component.
  • the sensor module is arranged on the support plate or at a distance from it.
  • the sensor module can be attached to the carrier plate if it can be designed large enough and the acceleration to be measured is transmitted to the sensor undamped. If this is not the case or the mass of the carrier plate with the associated modules changes the vibration behavior, the sensor module is arranged at a distance from the carrier plate.
  • the distance between the sensor module and the carrier plate is advantageously chosen to be less than 150 mm.
  • the converter module has a computing unit for processing the signals output by the sensor and a memory. If several sensors are used, the different signals can be combined with one another in the converter module. Furthermore, a checksum can be formed, which is transmitted together with the signal and ensures the detection of an incorrect transmission. Of course, suitable signal transmission methods can also be used, which allow the signal sent by the transmitter module to be calculated in the event of an incorrect transmission. If no continuous transmission of the signal is provided, the signals are stored in the memory.
  • the transmitter module has a transmitter and a receiver.
  • the transmitter is required to transmit the signal.
  • Commands can be transmitted to the device according to the invention by the receiver. These commands can trigger a transfer of the signal from memory, a test of the device, or other actions.
  • the device advantageously has a unit for extracting energy from the stray electromagnetic field that surrounds the component.
  • This unit represents a reliable Power supply of the device according to the invention over long periods of time without maintenance.
  • the invention also includes an arrangement of such a device for measuring vibrations of a live component and a receiving unit, which is particularly suitable for use in a method described above.
  • the receiving unit is advantageously galvanically separated from the live component.
  • the use of a receiver unit with resistance to high voltage is not necessary in this case.
  • the receiving unit is advantageously arranged outside a housing of the electrical machine.
  • the receiving unit is then freely accessible from the outside.
  • the receiving unit is suitable for receiving the signals from a plurality of devices. As a result, the investment costs can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of the device according to the invention
  • Figure 3 shows a third embodiment of the invention
  • Figure 4 shows an arrangement in which a receiving unit is assigned to several devices according to the invention
  • Figure 5 is a schematic sectional view of an electrical machine
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a discontinuous interrogation of signals
  • FIG. 7 shows an enlarged illustration of a device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a live component 10 to which a device 26 according to the invention is attached.
  • the voltage is shown schematically by the lightning symbol.
  • the device 26 according to the invention comprises a carrier plate 11 on which a sensor module 12, a converter module 13, an energy module 14 and a transmitter module 15 are arranged. Vibrations of the component 10 in one or more spatial directions X, Y, Z are detected via the sensor module 12.
  • the signals generated by the sensor module 12 are either processed in the converter module 13 and then forwarded to the transmitter module 15 or fed to the transmitter module 15 immediately without processing.
  • the transmitter module 15 transmits the schematically illustrated signals 18 to a transceiver unit 16, which is connected to a device 17 for data processing.
  • the transceiver unit 16 and the device 17 are electrically isolated from the component 10, as indicated by the line 19 with the ground symbol.
  • the signals 18 are transmitted wirelessly from the transmitter module 15 to the transceiver unit 16.
  • a signal 18 in digital form is used which is transmitted optically or acoustically, for example an infrared or ultrasound signal.
  • a direct line of sight between the transmitter module 15 and the transceiver unit 16 is provided for error-free transmission of the signal 18.
  • FIGS. 2 and 3 show two further embodiments of the device 26 according to the invention.
  • the converter module 13, the energy module 14 and the transmitter module 15 are arranged on a first carrier plate 11, which is fastened to the component 10.
  • the sensor module 12 is fastened to the component 10 at a distance from the carrier plate 11 with its own carrier plate 11a.
  • Such an embodiment is chosen if the size of the carrier plate 11 is not sufficient for attaching all of the modules 12, 13, 14, 15 or if the latter only transmits the acceleration to be measured to the sensor module 12 in a vaporized manner.
  • the device 26 has a coil 20, a voltage regulator 21, an overvoltage protection 41 and an energy store 22.
  • the coil 20 is located in an electromagnetic stray field 23 which surrounds the live component 10.
  • voltage is induced in coil 20, which is supplied to energy store 22 via voltage regulator 21.
  • Inadmissibly high voltage peaks are smoothed or cut off by the voltage regulator 21 and the overvoltage protection 41, so that overloading of the energy store 22 is prevented.
  • the energy required for operation is thereby obtained from the stray field 23, so that long maintenance-free operation of the device 26 is ensured.
  • FIG. 4 shows an arrangement with a transceiver unit 16, to which four devices 26 for vibration measurement are assigned. Each of the devices 26 transmits the associated signal 18 wirelessly to the transceiver 16. To identify the signals 18, identifiers 38 are transmitted. The transceiver unit 16 can also query the required signals from the devices 26. This is shown schematically by the arrow pointing to the devices 26 in the signals 18.
  • FIG. 5 shows a schematic half section through the lower half of a generator 24 with a center line 25
  • Generator 24 is under voltage, as shown by the lightning symbol.
  • the generator 24 has a housing which is shown schematically in the form of the piercing point line 19 with the grounding symbol.
  • the transmission of an optical or acoustic signal 18 is shown in the left half of FIG.
  • the transceiver unit 16 is arranged here within the housing and connected to the device 17 for data processing via a measuring lead-through plate 27.
  • the transmission of an electromagnetic signal 28 is shown on the right-hand side.
  • An antenna 29 is provided for receiving the signal 28 and is arranged within the housing. The antenna 29 can be connected directly to the device 17. If the generator 24 is closed, for example for cooling with hydrogen, a coaxial measurement leadthrough 30 is used.
  • an antenna 29a mounted outside the housing can also be used.
  • the antenna 29a is connected directly to the device 17.
  • the use of digital signals 18, 28 ensures reliable signal transmission.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a discontinuous interrogation of signals 18.
  • the components 10 are accommodated in associated housings 39 with disks 40.
  • the disks 40 are accommodated in associated housings 39 with disks 40.
  • Disks 40 are transparent to optical signals 18 and are advantageously made of glass.
  • the transceiver unit 16 is brought into position to call up signals 18. After the signal transmission is complete, the transmit / receive unit 18 is removed again and the process is repeated for the other components 10 and housings 39. With this procedure, the measured vibrations are stored in the devices 26 until they are queried. The query can be carried out at regular intervals or depending on the operating conditions. Any number of machines 24 and components 10 can be monitored with a single transceiver unit 16.
  • FIG. 7 shows an enlarged representation of a device 26 according to the invention.
  • the sensor module 12 has three sensors 32 which are used to measure vibrations in the three spatial directions X, Y, Z.
  • the converter module 13 is provided with a computing unit 33 for converting and processing the signals generated by the sensors 32 and a memory 34 for storing these signals.
  • the energy module 14 has a number of energy stores, for example accumulators, which are not shown in more detail. It is provided with a line 37 for connection to the coil 20, the voltage regulator 21 and the energy store 22.
  • a transmitter 35 and a receiver 36 are arranged in the transmitter module 15.
  • the individual modules 12, 13, 14, 15 are hard-wired to one another via schematically illustrated lines.
  • sensors from the motor vehicle sector can be used as sensors 32, which serve to trigger airbags.
  • sensors 32 are small, light, inexpensive, resistant to voltage and electromagnetic fields and can be adapted in terms of measuring sensitivity, measuring direction and the maximum measuring ranges for amplitude and frequency.
  • the computing unit 33 triggers a transmission of the signals 18, 28 at certain time intervals and / or when a specific predefinable limit value is exceeded.
  • a transmission can be triggered by a corresponding command of the transceiver unit 16 which is transmitted to the receiver 36 of the transmitter module 15.
  • the device according to the invention can also be used for only short-term measurements.
  • the Carrier plate 11 attached to a component 10 the measurement is carried out and then the carrier plate is dismantled again.
  • a complex installation of lines is not necessary because of the wireless transmission and storage of the signals 18, 2. in the device 26.
  • the invention enables a substantial cost reduction compared to the known fiber-optic vibration measurement systems. Both the acquisition and installation costs are significantly lower. Calibration after installation is no longer necessary.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (26) zur Messung von Schwingungen eines spannungsführenden Bauteils (10) mit einem Sensor (12) zum Erfassen einer Schwingung, der an dem Bauteil (10) befestigbar ist. Zur Erhöhung der Flexibilität und zur Verringerung der Kosten werden erfindungsgemäss die von der Schwingung erzeugten Signale (18) drahtlos an eine räumlich getrennte Empfangseinheit (16) übertragen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Schwingungen eines spannungsführenden Bauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Schwingungen eines spannungsführenden Bauteils, insbesondere in einer elektrischen Maschine, wobei eine Schwingung über mindestens einen Sensor erfaßt und ein der Schwingung entsprechendes Signal erzeugt wird.
Für derartige Messungen in und an elektrischen Maschinen werden Sensoren und Meßsysteme verwendet, die eine Reihe von Anforderungen erfüllen müssen. Insbesondere dürfen die Sensoren und Meßsysteme nicht durch elektrische und magnetische Felder gestört werden sowie weitgehend temperaturunabhangig sein. Sie dürfen nur eine geringe Masse und ein kleines Bauvolumen aufweisen und müssen gegen hohe Spannung resistent sein. Weiter müssen die Sensoren und Meßsysteme selbstverständlich den zu erwartenden Bereich der Schwingungen hinsichtlich Beschleunigung und Frequenz abdecken können. Die Messungen sollen πchtungsabhangig und phasengerecht erfolgen. Nach der Installation soll möglichst kein Kalibrieren mehr vorgenommen werden müssen. Bisher werden beispielsweise faseroptische Schwingungsmeßsysteme eingesetzt, die die oben genannten Bedingungen nur teilweise erfüllen. Die bekannten Systeme sind mit hohen Investitionskosten und hohen Installationskosten behaftet. Weiter handelt es sich um ein leitungsgebundenes System, bei dem die gesamte Meßkette kalibriert werden muß. Die bekannten Systeme sind zudem für eine standige Messung und Überwachung im Kraftwerksbetrieb nur bedingt geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Messen von Schwingungen eines spannungsführenden Bauteils, msbeson- dere in einer elektrischen Maschine, mit geringeren Kosten und höherer Flexibilität zu erreichen. Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelost, daß das Signal drahtlos an eine Empfangseinheit übertragen wird.
Die drahtlose Übertragung des Signals erlaubt den vollständigen Verzicht auf Leitungen zwischen dem Sensor und einer Aus- werteeinheit . Die Sensoren können rasch und einfach an dem spannungsführenden Bauteil angebracht werden. Das Verlegen von Leitungen sowie das Kalibrieren dieser Leitungen ist nicht mehr erforderlich. Auf Grund der drahtlosen Signaluber- tragung kann der Sensor nunmehr auch an bisher unzugänglichen Stellen des spannungsführenden Bauteils befestigt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- düng gehen aus den abhangigen Ansprüchen hervor.
Vorteilhaft wird das Signal in digitaler Form übertragen. Hierdurch wird die Storungsempfindlichkeit der Übertragung verbessert .
In vorteilhafter Ausgestaltung wird ein optisches, akustisches oder elektromagnetisches Signal übertragen. Bei Verwendung eines optischen Signals muß eine direkte Sichtverbindung zwischen der Empfangseinheit und einem an dem Bauteil befe- stigten Transmittermodul bestehen. Die Übertragung ist zuverlässig und wird in keiner Weise durch das Streufeld des spannungsführenden Bauteils oder der Maschine beeinflußt. Ein a- kustisches oder elektromagnetisches Signal erfordert keine direkte Sichtverbindung, kann aber durch das Bauteil oder die elektrische Maschine verzerrt werden. In Abhängigkeit von den jeweils vorliegenden Randbedingungen wird ein geeignetes Signal ausgewählt.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Signal in vorgegebenen Zeitabstanden übertragen oder abgerufen. Durch die Übertragung in vorgegebenen Zeitabstanden wird der Energieverbrauch verringert. Gleichzeitig kann durch eine Uberwa- chung des Zeitabstands zwischen zwei Übertragungen eine Funk- tionsprύfung des Sensors oder des Transmittermoduls vorgenommen werden. Das Signal kann auch von der Empfangseinheit abgerufen werden. In diesem Fall weist das an dem Bauteil befe- stigte Transmittermodul nicht nur einen Sender, sondern auch einen Empfanger auf. Selbstverständlich ist auch eine kontinuierliche Übertragung des Signals möglich.
Alternativ oder zusatzlich wird das Signal bei überschreiten eines bestimmten Grenzwerts übertragen. Solange die Schwingungen des spannungsführenden Bauteils unkritisch sind, wird keine Übertragung vorgenommen. In vorgegebenen Zeitabstanden kann ein Prüfsignal übertragen werden, um die Funktionsfahig- keit des Sensors und des Transmittermoduls sicherzustellen. Erst bei überschreiten eines bestimmten vorgebbaren Grenzwerts wird ein Signal übertragen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die von mehreren Bauteilen gesendeten Signale an eine gemeinsame Empfangs- einheit übertragen. Hierdurch werden die Investitionskosten weiter verringert.
In vorteilhafter Weiterbildung wird zusammen mit den Signalen eine Kennung für das jeweilige Bauteil oder den jeweiligen Sensor übertragen. Die Kennung ermöglicht eine eindeutige Zuordnung des empfangenen Signals zu dem jeweiligen Bauteil o- der Sensor. Alternativ oder zusatzlich kann eine zeitlich gestaffelte Übertragung vorgenommen werden.
Vorteilhaft wird die zur Versorgung des Sensors und zum übertragen des Signals erforderliche Energie aus dem elektromagnetischen Streufeld gewonnen, das das Bauteil umgibt. Der Sensor, das Transmittermodul und gegebenenfalls weitere an dem spannungsführenden Bauteil angebrachte Module können dann über betrachtliche Zeiträume ohne Austausch von Energiespeichern wie Batterien wartungsfrei verwendet werden. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Messung von Schwingungen eines spannungsführenden Bauteils, insbesondere zur Verwendung in einem oben beschriebenen Verfahren, mit mindestens einem an dem Bauteil befestigbaren Sensor zur Erzeugung eines der Schwingung entsprechenden Signals. Erfm- dungsgemaß weist diese Vorrichtung ein an dem Bauteil befestigbares Transmittermodul zur drahtlosen Übertragung des Signals an eine zu dem Bauteil beabstandete Empfangseinheit auf. Hierdurch laßt sich eine Verringerung der Installations- kosten bei gleichzeitiger Erhöhung der Flexibilität erreichen.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfaßt die Vorrichtung außer dem Transmittermodul ein Sensormodul mit dem mindestens einen Sensor, ein Konvertermodul zum Umwandlen und Verarbeiten der von dem Sensor erzeugten Signale sowie ein Energiemodul zur Energieversorgung. In Abhängigkeit von den zu messenden Schwingungen werden einer oder mehrere Sensoren angebracht. Sollen Schwingungen in zwei Raumrichtungen erfaßt werden, wird ein Baustein, in den zwei Sensoren integriert sind, vorgesehen. Für eine Messung in der dritten Raumrichtung wird ein dritter Sensor vorgesehen. Falls auch Drehschwingungen erfaßt werden sollen, werden weitere, entsprechend ausgelegte Sensoren vorgesehen. Das Konvertermodul ermöglicht ein ümwan- dein sowie ein Verarbeiten der von dem Sensor erzeugten Signale. Die Energieversorgung wird durch das Energiemodul sichergestellt.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind das Transmitter- modul, das Konvertermodul und das Energiemodul auf einer gemeinsamen Tragerplatte angeordnet, die an dem Bauteil befestigbar ist. Die Verbindungen zwischen den einzelnen Modulen können unabhängig von dem spannungsführenden Bauteil hergestellt werden. Zur Messung wird lediglich die Tragerplatte an dem Bauteil befestigt. In Abhängigkeit von den Umständen ist das Sensormodul auf der Tragerplatte oder beabstandet zu dieser angeordnet. Das Sensormodul kann auf der Tragerplatte befestigt werden, wenn diese groß genug ausgelegt werden kann und die zu messende Beschleunigung ungedämpft auf den Sensor übertragt. Wenn dies nicht der Fall ist oder die Masse der Tragerplatte mit den zugehörigen Modulen das Schwingungsverhalten verändert, wird das Sensormodul beabstandet zur Tragerplatte angeordnet. Der Abstand zwischen dem Sensormodul und der Trägerplatte wird vorteilhaft kleiner als 150 mm gewählt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Konvertermodul eine Recheneinheit zum Bearbeiten der von dem Sensor abgegebenen Signale und einen Speicher auf. Werden mehrere Sensoren verwendet, können die unterschiedlichen Signale in dem Konvertermodul miteinander kombiniert werden. Weiter kann eine Prufsumme gebildet werden, die zusammen mit dem Signal übertragen wird und das Erkennen einer fehlerhaften Übertragung sicherstellt. Selbstverständlich können auch geeignete Signalubertragungsverfahren verwendet werden, die bei einer fehlerhaften Übertragung eine Berechnung des von dem Transmittermodul abgeschickten Signals ermöglichen. Falls keine kontinuierliche Übertragung des Signals vorgesehen ist, werden die Signale in dem Speicher abgelegt.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Transmittermodul einen Sender und einen Empfanger auf. Der Sender ist für das übertragen des Signals erforderlich. Durch den Empfanger können Befehle an die erfindungsgemaße Vorrichtung u- bertragen werden. Diese Befehle können eine Übertragung des Signals aus dem Speicher, eine Prüfung der Vorrichtung oder andere Aktionen auslosen.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung eine Einheit zum Gewinnen von Energie aus dem elektromagnetischen Streufeld auf, das das Bauteil umgibt. Diese Einheit stellt eine zuverlässige Energieversorgung der erfindungsgemäßen Vorrichtung über lange Zeiträume ohne Wartung sicher.
Die Erfindung umfaßt ebenfalls eine Anordnung einer derarti- gen Vorrichtung zur Messung von Schwingungen eines spannungsführenden Bauteils und einer Empfangseinheit, die insbesondere zur Verwendung in einem oben beschriebenen Verfahren geeignet ist.
Vorteilhaft ist die Empfangseinheit galvanisch von dem spannungsführenden Bauteil getrennt. Die Verwendung einer Empfangseinheit mit Resistenz gegen hohe Spannung ist in diesem Fall nicht erforderlich.
Vorteilhaft ist die Empfangseinheit außerhalb eines Gehäuses der elektrischen Maschine angeordnet. Die Empfangseinheit ist dann frei von außen zugänglich.
In vorteilhafter Weiterbildung ist die Empfangseinheit geeig- net die Signale mehrerer Vorrichtungen zu empfangen. Hierdurch könnend die Investitionskosten gesenkt werden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in erster Ausgestaltung; Figur 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung; Figur 4 eine Anordnung, bei der eine Empfangseinheit mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen zugeordnet ist; Figur 5 eine schematische Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine; Figur 6 eine schematische Darstellung einer diskontinuierlichen Abfrage von Signalen; und Figur 7 eine vergrößerte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines spannungsführenden Bauteils 10, an dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung 26 befestigt ist. Die Spannung wird schematisch durch das Blitzsymbol dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 26 umfaßt eine Trägerplatte 11, auf der ein Sensormodul 12, ein Konvertermodul 13, ein Energiemodul 14 und ein Transmittermodul 15 angeordnet sind. Über das Sensormodul 12 werden Schwingungen des Bauteils 10 in eine oder mehrere Raumrichtungen X, Y, Z erfaßt. Die von dem Sensormodul 12 erzeugten Signale werden entweder in dem Konvertermodul 13 bearbeitet und dann an das Transmittermodul 15 weitergeleitet oder sofort ohne Bearbeitung dem Transmittermodul 15 zugeführt. Das Transmittermodul 15 überträgt die schematisch dargestellten Signale 18 an eine Sende-Empfangs-Einheit 16, die mit einer Einrichtung 17 zur Datenverarbeitung verbunden ist. Die Sende-Empfangs-Einheit 16 sowie die Einrichtung 17 sind galvanisch von dem Bauteil 10 getrennt, wie durch die Linie 19 mit dem Erdungssymbol angegeben.
Die Signale 18 werden drahtlos von dem Transmittermodul 15 zur Sende-Empfangs-Einheit 16 übertragen. Es wird ein Signal 18 in digitaler Form verwendet, das optisch oder akustisch übertragen wird, beispielsweise ein Infrarot- oder Ultraschall-Signal. Zum fehlerfreien Übertragen des Signals 18 ist eine direkte Sichtverbindung zwischen dem Transmittermodul 15 und der Sende-Empfangs-Einheit 16 vorgesehen.
Die Figuren 2 und 3 zeigen zwei weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 26. Gleiche oder funktionsiden- tische Bauteile wie in Figur 1 werden mit denselben Bezugszeichen versehen. Bei der Ausfuhrung gemäß Figur 2 sind das Konvertermodul 13, das Energiemodul 14 und das Transmittermodul 15 auf einer ersten Tragerplatte 11 angeordnet, die an dem Bauteil 10 befestigt ist. Das Sensormodul 12 ist beabstandet zu der Trager- platte 11 mit einer eigenen Tragerplatte 11a an dem Bauteil 10 befestigt. Eine derartige Ausfuhrung wird gewählt, wenn die Große der Tragerplatte 11 nicht für das Anbringen samtlicher Module 12, 13, 14, 15 ausreicht oder diese die zu messende Beschleunigung nur gedampft auf das Sensormodul 12 u- bertragt.
Bei der Ausfuhrung gemäß Figur 3 weist die Vorrichtung 26 eine Spule 20, einen Spannungsregler 21, einen Uberspannungs- schutz 41 sowie einen Energiespeicher 22 auf. Die Spule 20 befindet sich in einem elektromagnetischen Streufeld 23, das das spannungsführende Bauteil 10 umgibt. Bei Schwingungen des Bauteils 10 wird Spannung in der Spule 20 induziert, die über den Spannungsregler 21 dem Energiespeicher 22 zugeführt wird. Unzulässig hohe Spannungsspitzen werden durch den Spannungs- regier 21 und den Uberspannungsschutz 41 geglättet oder abgeschnitten, so daß eine Überlastung des Energiespeichers 22 verhindert wird. Die zum Betrieb erforderliche Energie wird hierdurch aus dem Streufeld 23 gewonnen, so daß ein langer wartungsfreier Betrieb der Vorrichtung 26 gewährleistet ist.
Figur 4 zeigt eine Anordnung mit einer Sende-Empfangs-Einheit 16, der vier Vorrichtungen 26 zur Schwingungsmessung zugeordnet sind. Jede der Vorrichtungen 26 übertragt das zugehörige Signal 18 drahtlos an die Sende-Empfangs-Emheit 16. Zur I- dentifizierung der Signale 18 werden Kennungen 38 übertragen. Die Sende-Empfangs-Einheit 16 kann die erforderlichen Signale auch von den Vorrichtungen 26 abfragen. Dies wird schematisch durch den zu den Vorrichtungen 26 weisenden Pfeil bei den Signalen 18 dargestellt.
Figur 5 zeigt einen schematischen Halbschnitt durch die untere Hälfte eines Generators 24 mit einer Mittellinie 25. Der Generator 24 steht unter Spannung, wie durch das Blitzsymbol dargestellt ist. Der Generator 24 weist ein Gehäuse auf, das schematisch in Form der Stπch-Punkt-Lmie 19 mit dem Erdungssymbol dargestellt ist. In der linken Hälfte von Figur 5 ist die Übertragung eines optischen oder akustischen Signals 18 dargestellt. Die Sende-Empfangs-Einheit 16 st hier innerhalb des Gehäuses angeordnet und über eine Meßdurchfuhrungs- platte 27 mit der Einrichtung 17 zur Datenverarbeitung verbunden. An der rechten Seite ist die Übertragung eines elek- tromagnetischen Signals 28 dargestellt. Zum Empfangen des Signals 28 ist eine Antenne 29 vorgesehen, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die Antenne 29 kann direkt mit der Einrichtung 17 verbunden werden. Falls der Generator 24 geschlossen ist, beispielsweise zur Kühlung mit Wasserstoff, wird eine Koaxial-Meßdurchfuhrung 30 verwendet.
Alternativ kann auch eine außerhalb des Gehäuses angebrachte Antenne 29a verwendet werden. Die Antenne 29a ist direkt mit der Einrichtung 17 verbunden. Durch die Verwendung digitaler Signale 18, 28 ist in jedem Fall eine zuverlässige Si- gnalubertragung gewährleistet.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer diskontinuierlichen Abfrage von Signalen 18. Die Bauteile 10 sind in zugeordneten Gehäusen 39 mit Scheiben 40 aufgenommen. Die
Scheiben 40 sind für optische Signale 18 durchlassig und bestehen vorteilhaft aus Glas. Zum Abrufen von Signalen 18 wird die Sende-Empfangs-Einheit 16 in Position gebracht. Nach Abschluß der Signalubertragung werden die Sende-Empfangs-Em- heit 18 wieder entfernt und der Vorgang bei den weiteren Bauteilen 10 und Gehäusen 39 wiederholt. Die gemessenen Schwingungen werden bei diesem Vorgehen in den Vorrichtungen 26 bis zur Abfrage gespeichert. Die Abfrage kann m regelmäßigen Zeitabstanden oder in Abhängigkeit von den Betπebsbedmgun- gen vorgenommen werden. Mit einer einzigen Sende-Empfangs- Einheit 16 kann eine beliebig große Anzahl von Maschinen 24 und Bauteilen 10 überwacht werden. Figur 7 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer erfindungs- gemaßen Vorrichtung 26. Das Sensormodul 12 weist drei Sensoren 32 auf, die zur Messung von Schwingungen in den drei Raumrichtungen X, Y, Z dienen. Das Konvertermodul 13 ist mit einer Recheneinheit 33 zum Umwandeln und Verarbeiten der von den Sensoren 32 erzeugten Signale und einem Speicher 34 zum Speichern dieser Signale versehen. Das Energiemodul 14 weist eine Reihe von nicht naher dargestellten Energiespeichern, beispielsweise Akkumulatoren, auf. Es ist mit einer Leitung 37 zum Anschluß an die Spule 20, den Spannungsregler 21 und den Energiespeicher 22 versehen. Im Transmittermodul 15 sind ein Sender 35 sowie ein Empfanger 36 angeordnet. Die einzelnen Module 12, 13, 14, 15 sind über schematische dargestellte Leitungen miteinander fest verdrahtet.
Als Sensoren 32 können insbesondere Sensoren aus dem Kraft- fahrzeugbereich verwendet werden, die zum Auslosen von Air- bags dienen. Diese Sensoren 32 sind klein, leicht, kostengun- stig, resistent gegen Spannung und elektromagnetische Felder und können hinsichtlich Meßempfmdlichkeit , Meßrichtung und der maximalen Meßbereiche für Amplitude und Frequenz angepaßt werden.
Für eine kontinuierliche Übertragung der Signale 18, 28 werden diese standig von dem Sender 35 des Transmittermoduls 15 an die Sende-Empfangs-Einheit 16 oder eine geeignete Antenne 29 übertragen. Bei einer diskontinuierlichen Übertragung wird von der Recheneinheit 33 in bestimmten Zeitabstanden und/oder bei Überschreiten eines bestimmten vorgebbaren Grenzwerts eine Übertragung der Signale 18, 28 ausgelost. Alternativ oder zusätzlich kann eine Übertragung durch einen entsprechenden Befehl der Sende-Empfangs-Einheit 16 ausgelost werden, der zum Empfanger 36 des Transmittermoduls 15 übertragen wird.
Die erfmdungsgemaße Vorrichtung kann auch für nur kurzzeitige Messungen verwendet werden. Zu diesem Zweck wird die Tragerplatte 11 an einem Bauteil 10 befestigt, die Messung vorgenommen und anschließend die Tragerplatte wieder demontiert. Eine aufwendige Installation von Leitungen ist wegen der drahtlosen Übertragung und Speicherung der Signale 18, 2. in der Vorrichtung 26 nicht erforderlich.
Die Erfindung ermöglicht eine wesentliche Kostensenkung gegenüber den bekannten faseroptischen Schwingungsmeßsystemen. Sowohl die Anschaffungs- als die Installationskosten sind deutlich geringer. Ein Kalibrieren nach der Installation ist nicht mehr erforderlich. Die drahtlose Übertragung der Signale 18, 28, vorzugsweise in digitaler Form, fuhrt zu einer sehr geringen Storempfmdlichkeit . Weiter ist erstmals eine Messung an schwer zugänglichen Meßorten möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung von Schwingungen eines spannungsführenden Bauteils (10) , insbesondere in einer elektrischen Maschine (24), wobei eine Schwingung über mindestens einen Sensor (32) erfaßt und ein der Schwingung entsprechendes Signal (18; 28) erzeugt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß das Signal (18; 28) drahtlos an eine Empfangseinheit (16; 29) übertragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Signal (18; 28) in digitaler Form übertragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein optisches, akustisches oder elektromagnetisches Signal (18; 28) übertragen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Signal (18;
28) in vorgegebenen Zeitabstanden übertragen oder abgerufen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Signal (18;
28) bei überschreiten eines bestimmten Grenzwerts übertragen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die von mehreren Bauteilen (10) gesendeten Signale (18; 28) an eine gemeinsame Empfangseinheit (16; 29) übertragen werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zusammen mit den
Signalen (18; 28) eine Kennung (38) für das jeweilige Bauteil (10) oder den jeweiligen Sensor (32) übertragen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zur Versorgung des Sensors (32) und zum Übertragen des Signals (18; 28) erforderliche Energie aus dem elektromagnetischen Streufeld (23) gewonnen wird, das das Bauteil (10) umgibt.
9. Vorrichtung zur Messung von Schwingungen eines spannungsführenden Bauteils (10) , insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem an dem Bauteil (10) befestigbaren Sensor (32) zur Erzeugung eines der Schwingung entsprechenden Signals (18; 28), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorrichtung (26) ein an dem Bauteil (10) befestigbares Trans- mittermodul (15) zur drahtlosen Übertragung des Signals (18; 28) an eine zu dem Bauteil (10) beabstandete Empfangseinheit (16; 29) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n- z e i c h n e t , daß die Vorrichtung (26) außer dem Transmittermodul (15) ein Sensormodul (12) mit dem mindestens einen Sensor (32), ein Konvertermodul (13) zum Umwandlen und Verarbeiten der von dem Sensor (32) erzeugten Signale sowie ein Energiemodul (14) zur Energieversorgung umfaßt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Transmittermodul (15), das Konvertermodul (13) und das Energiemodul (14) auf einer gemeinsamen Tragerplatte (11) angeordnet sind, die an dem Bau- teil (10) befestigbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Sensormodul (12) auf der Tragerplatte (11) oder beabstandet zu dieser angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Konverter- modul (13) eine Recheneinheit (33) zum Bearbeiten der von dem Sensor (32) abgegebenen Signale und einen Speicher (34) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Transmittermodul (15) einen Sender (35) und einen Empfanger (36) aufweist .
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorrichtung (36) eine Einheit (20, 21) zum Gewinnen von Energie aus dem elektromagnetischen Streufeld (23) aufweist, das das Bauteil (10) umgibt.
16. Anordnung einer Vorrichtung (26) zur Messung von Schwingungen eines spannungsführenden Bauteils (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 15 und einer Empfangseinheit (16; 29) , insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der An- Spruche 1 bis 8.
17. Anordnung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Empfangseinheit (16; 29) galvanisch von dem spannungsführenden Bauteil (10) getrennt ist.
18. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Empfangseinheit (16; 29) außerhalb eines Gehäuses der elektrischen Maschine (24) angeordnet ist.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Empfangseinheit (16; 29) geeignet ist, die Signale (18; 28) mehrerer Vorrichtungen (26) zu empfangen.
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