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Dokumentenidentifikation DE102005042085A1 15.03.2007
Titel Vibrationsmesssystem
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Makuth, Jens, 90537 Feucht, DE;
Scheibner, Dirk, Dr., 09126 Chemnitz, DE
DE-Anmeldedatum 05.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005042085
Offenlegungstag 15.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.03.2007
IPC-Hauptklasse G01H 11/00(2006.01)A, F, I, 20050905, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Vibrationsmesssystem zur frequenzselektiven Schwingungsmessung insbesondere niedriger Frequenzen wie sie im Bereich der Automatisierungs- und Antriebstechnik relevant sind. Es wird vorgeschlagen, eine breitbandige Senderstruktur, die direkt von dem zu bestimmenden Anregungssignal angeregt wird, über eine elektrostatische oder induktive Kraft mit einer Empfängerstruktur zu koppeln. Durch diese Kraftkopplung kommt es zu einer Amplitudenmodulation eines die Empfängerstruktur anregenden Trägersignals. Aus dem Spektrum des amplitudenmodulierten Trägersignals lässt sich das eingentliche Anregungssignal z. B. durch eine geeignete Wahl der Frequenz des Trägersignals extrahieren. Um eine möglichst störungsunanfällige Schwingungsanalyse zu ermöglichen, wird zuvor aus dem amplitudenmodulierten Trägersignal ein beispielsweise durch Stutzenanregungen bewirktes Störsignal weitgehend eliminiert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Vibrationsmesssystem zur frequenzselektiven Schwingungsmessung.

Ein derartiges System kommt zum Beispiel in der Automatisierungs- und Antriebstechnik zum Einsatz und kann dort insbesondere zur Zustandsüberwachung verschleißbehafteter Komponenten eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Erfindung zur Überwachung von Fertigungsprozessen eingesetzt werden, die durch eine schwingende Umgebung gestört werden können. Ferner kann die Erfindung zur Charakterisierung schwingender Systeme und Komponenten eingesetzt werden.

Produktionsausfälle durch unerwartete Maschinendefekte können je nach Branche und Art des Prozesses direkte Schäden und Folgeschäden in erheblicher Höhe verursachen. Um die Zuverlässigkeit von Produktions- und Werkzeugmaschinen, verfahrenstechnischer Anlagen, Transportsystemen u. ä. zu erhöhen und somit Ausfallzeiten dieser Produktionsmittel zu reduzieren wird daher einer frühzeitigen Verschleiß- und Defekterkennung immer mehr Bedeutung beigemessen.

Beispielsweise bei elektrischen Maschinen kündigt sich ein Ausfall des Produktionsmittels oder einer seiner Komponenten (z. B. der Lager) häufig durch eine Veränderung des Schwingungsverhaltens an. Durch eine Vibrationsanalyse können diese Veränderungen detektiert werden. Auf diese Weise können betroffene Komponenten vorzeitig ausgetauscht werden, bevor es zum Ausfall des Gesamtsystems und somit zu einem längeren Produktionsstillstand kommt.

Je nach Frequenzbereich der relevanten Schwingungen können die Frequenzen selektiv gemessen werden oder breitbandig mit einer nachgeschalteten Fourieranalyse ermittelt werden. Mit frequenzselektiven Sensoren lassen sich aus technischen Gründen eher höherfrequente Schwingungen (> 1 kHz) analysieren. Niederfrequente Schwingungen (< 1kHz) werden heute in der Regel mit einem breitbandigen piezokeramischen Sensor erfasst. Die einzelnen Frequenzanteile werden anschließend mittels einer in Software oder Hardware ausgeführten Fast Fourier Transformation (FFT) aus dem Messsignal ermittelt.

Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2005 028 214.8 ist ein Vibrationsmesssystem bekannt zur frequenzselektiven Schwingungsmessung insbesondere niedriger Frequenzen wie sie im Bereich der Automatisierungs- und Antriebstechnik relevant sind. Um eine kostengünstige Schwingungsanalyse von Frequenzen im Bereich von 0 bis 1 kHz realisieren zu können, wird eine breitbandige Senderstruktur, die direkt von dem zu bestimmenden Anregungssignal angeregt wird, über eine elektrostatische oder induktive Kraft mit einer Empfängerstruktur gekoppelt. Durch diese Kraftkopplung kommt es zu einer Amplitudenmodulation eines die Empfängerstruktur anregenden Trägersignals. Aus dem Spektrum des amplitudenmodulierten Trägersignals lässt sich das eigentliche Anregungssignal z.B. durch eine geeignete Wahl der Frequenz des Trägersignals extrahieren.

Insbesondere in der Automatisierungs- und Antriebstechnik entstehen durch kurze Stöße Körperschallsignale mit einem breitbandigen, bis zu mehreren 100 kHz reichenden Spektrum. Diese auch direkt auf die Empfängerstruktur der gekoppelten Schwingerstruktur wirkenden Stützenanregungen führen zu einer Verfälschung des eigentlichen Messsignals.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine möglichst störunanfällige Schwingungsanalyse zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Vibrationsmesssystem gelöst mit einer schwingfähigen Senderstruktur, die von einem Anregungssignal zu einer mechanischen Schwingung einer Anregungsfrequenz anregbar ist und derartig in Bezug auf eine von einem Trägersignal mit einer Trägerfrequenz anregbaren schwingfähigen Empfängerstruktur angeordnet ist, dass die Senderstruktur in einem angeregten Zustand eine das Trägersignal amplitudenmodulierende, von der Auslenkung der Senderstruktur abhängige Kraft auf die Empfängerstruktur ausübt, wobei das Vibrationsmesssystem Mittel zur Generierung eines Ausgangssignals aus dem amplitudenmodulierten Trägersignal aufweist, in dem ein die Empfängerstruktur anregendes Störsignal unterdrückt ist.

Das erfindungsgemäße Vibrationsmesssystem nutzt zwei schwingfähige Strukturen. Die schwingfähige Senderstruktur wird direkt von dem Anregungssignal angeregt, dessen Amplitude durch das System bestimmt werden soll. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass das zu bestimmende Anregungssignal durch eine geeignete Kopplung der Sender- und Empfängerstruktur in einen höheren Frequenzbereich transferiert werden kann. In dem höheren Frequenzbereich kann eine frequenzselektive Messung der Amplitude des Anregungssignals mit einfachen Mitteln kostengünstig realisiert werden. Durch diese Art der Kopplung kann z. B. eine Senderstruktur mit einer im Verhältnis zur Empfängerstruktur relativ geringen Resonanzfrequenz verwendet werden, die als breitbandiger Beschleunigungssensor arbeit.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Vibrationssystems lässt sich wie folgt erläutern. Die Empfängerstruktur wird mit einem in der Regel hochfrequenten Trägersignal angeregt. Durch die Kopplung der Senderstruktur mit der Empfängerstruktur wird das Trägersignal mit dem Anregungssignal amplitudenmoduliert. Dies geschieht dadurch, dass die Senderstruktur auf die Empfängerstruktur eine Kraft ausübt, die abhängig von der Auslenkung der Senderstruktur in Relation zu ihrem Ruhezustand ist. Hinsichtlich der Frequenzen ergibt sich durch eine derartige Anordnung eine multiplikative Kopplung zwischen diesen beiden Strukturen.

Durch die Modulation des Trägersignals mit dem Anregungssignal ist das Anregungssignal im Frequenzspektrum des Empfängers als linkes und rechtes Seitenband des Trägersignals wieder zu finden. Eine spektrale Auswertung ist daher durch Filterung oder Demodulation möglich. Auf eine sehr rechenaufwendige Fouriertransformation des Zeitsignals zur spektralen Auswertung kann daher verzichtet werden.

Der Erfindung liegt die weitere Erkenntnis zu Grunde, dass durch eine Unterdrückung der Störsignale im amplitudenmodulierten Trägersignal eine erhebliche Reduktion der Störempfindlichkeit des Vibrationsmesssystems erzielt werden kann. Typische Störsignale insbesondere im industriellen Umfeld wie der Automatisierungs- und Antriebstechnik werden durch breitbandige Stutzenanregungen hervorgerufen mit einem Frequenzspektrum von mehreren 100 kHz. Derartige Stutzenanregungen regen die Empfängerstruktur häufig direkt an und führen so zu einer Verfälschung des eigentlichen Messsignals. Durch die Unterdrückung eines die Empfängerstruktur insbesondere direkt anregenden Störsignals wird das Ausgangssignal in einer Form bereitgestellt, die eine sehr gute und nahezu unverfälschte Ermittlung des Anregungssignals aus dem Ausgangssignal erlaubt.

Ein möglichst unverfälschtes Ausgangssignal kann insbesondere dann bereitgestellt werden, wenn etwaige auf die Empfängerstruktur wirkende Störgrößen bekannt sind. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zur Generierung des Ausgangssignals Erfassungsmittel zur Erfassung des Störsignals aufweisen.

Das Störsignal kann auf verschiedene Weise erfasst werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Störsignal an der Empfängerstruktur insbesondere bei fehlender Anregung durch das Trägersignal erfassbar ist. Hierbei werden beispielsweise zwei aufeinander folgende Messungen durchgeführt. Zunächst wird eine Messung ohne anliegendes Trägersignal durchgeführt. Dadurch entfällt die Kraftkopplung zwischen Sender- und Empfängerstruktur. Die Empfängerstruktur wird somit nur durch das Störsignal angeregt. Das Störsignal wird an der Empfängerstruktur erfasst und das Ergebnis gepuffert. Somit steht das Ergebnis bei einer nachfolgenden zweiten Messung mit anliegendem Trägersignal und somit mit vorhandener Kraftkopplung zwischen Sender- und Empfängerstruktur für eine Bereinigung des amplitudenmodulierten, durch das Störsignal verfälschten Trägersignals zur Verfügung.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung des Vibrationsmesssystems kennzeichnet sich dadurch, dass die Mittel zur Generierung des Ausgangssignals eine weitere schwingfähige Struktur umfassen, die durch das Störsignal anregbar ist, wobei das Störsignal an der weiteren Struktur erfassbar ist. Hierdurch wird eine höhere Dynamik in der Messung erreicht, da eine permanente parallele Erfassung des reinen Störsignals und des durch das Störsignal verfälschten amplitudenmodulierten Trägersignals erzielt wird. Mit der weiteren schwingfähigen Struktur wird das reine Störsignal erfasst, da die weitere schwingfähige Struktur nicht mit der Senderstruktur gekoppelt ist.

Eine besonders einfache Unterdrückung des Störsignals ist möglich, wenn die weitere schwingfähige Struktur im Wesentlichen baugleich mit der Empfängerstruktur ist. In diesem Fall kann angenommen werden, dass Empfängerstruktur und weitere schwingfähige Struktur eine weitgehende gleiche Schwingungscharakteristik aufweisen.

Eine einfache Unterdrückung des Störsignals kann dadurch erzielt werden, dass bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Mittel zur Generierung des Ausgangssignals Subtraktionsmittel zur Subtraktion des Störsignals vom amplitudenmodulierten Trägersignal aufweisen. Von dem amplitudenmodulierten Trägersignal, welches zunächst noch durch die Anregung des Störsignals verfälscht ist, wird das Störsignal subtrahiert, so dass ein vom Störsignal bereinigtes Ausgangssignal zur Verfügung steht. Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, bei der das Störsignal an der Empfängerstruktur insbesondere bei fehlender Anregung durch das Trägersignal erfassbar ist, wird das bestimmte und gepufferte Störsignal in der nachfolgenden Messung, bei der das Trägersignal anliegt, abgezogen. Umfassen die Mittel zur Generierung des Ausgangssignals eine weitere schwingfähige Struktur, die durch das Störsignal anregbar ist, wobei das Störsignal an der weiteren Struktur erfassbar ist, wird das an der weiteren schwingfähigen Struktur erfasste Störsignal permanent von dem gestörten, amplitudenmodulierten Trägersignal subtrahiert.

Insbesondere zur Zustandsüberwachung im Bereich der Automatisierungs- und Antriebstechnik liegen die relevanten Frequenzen im Bereich von wenigen Hertz bis hin zu 1 kHz. Daher ist es vorteilhaft, das Vibrationsmesssystem zur frequenzselektiven Bestimmung mechanischer Schwingungen vorzusehen, deren Frequenzen insbesondere kleiner als 1 kHz sind. Derartige Frequenzen sind mit herkömmlichen frequenzselektiven Messsystemen nicht bzw. nur mit sehr großem Aufwand erfassbar.

Durch eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Vibrationsmesssystems, bei der die Trägerfrequenz größer als die Anregungsfrequenz ist, kann das eigentlich zu bestimmende Anregungssignal in einen höheren Frequenzbereich transferiert werden, in dem eine frequenzselektive Erfassung mit geringem Aufwand möglich ist.

Vorteilhafterweise weist das Vibrationsmesssystem eine Vorrichtung zur Einstellung der Trägerfrequenz auf. Hierdurch kann der Spektralbereich, der zur Auswertung zur Verfügung steht, frei gewählt werden. Die Frequenz des Trägers wird vorteilhafterweise so gewählt, dass das linke oder rechte Seitenband auf einer Resonanzstelle des Empfängers liegt.

Durch die Amplitudenmodulation steht das auszuwertende Anregungssignal im Frequenzspektrum als linkes und rechtes Seitenband des amplitudenmodulierten Trägersignals zur Verfügung. Eine einfache Auswertung dieses Frequenzspektrums bzw. eine kostengünstige Extraktion des Anregungssignals kann dadurch realisiert werden, dass die Empfängerstruktur eine Resonanzfrequenz aufweist, die im Wesentlichen einem Seitenband des amplitudenmodulierten Trägersignals entspricht. Durch eine derartige Wahl der Resonanzfrequenz werden das entsprechende Seitenband und damit das transferierte Anregungssignal frequenzselektiv gefiltert. Die Frequenz des Trägers wird zweckmäßiger Weise hierbei so gewählt, dass das linke oder rechte Seitenband auf der Resonanzstelle des Empfängers liegt.

Um verschiedene Anregungsfrequenzen mit dem Vibrationssystem bestimmen zu können, ist es vorteilhaft, dass die Resonanzfrequenz der Empfängerstruktur und/oder des zweiten schwingfähigen Systems einstellbar ist. Die Überlappung eines Seitenbandes des Trägersignals kann also alternativ durch ein Einstellen der Resonanzfrequenz des Empfängers oder durch ein Einstellen der Trägerfrequenz bewirkt werden. Damit gleiche Schwingungscharakteristika von Empfängerstruktur und weiterer schwingfähiger Struktur erreicht werden können, ist vorteilhafterweise hierbei auch die Resonanzfrequenz der weiteren schwingfähigen Struktur einstellbar.

Die Kopplung zwischen Empfängerstruktur und Senderstruktur kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Eine Ausführungsform ist derart gestaltet, dass die Empfängerstruktur eine kapazitive Kopplung zur Senderstruktur aufweist und eine Wechselspannung mit der Trägerfrequenz zwischen der Empfängerstruktur und der Senderstruktur anlegbar ist. Hierbei wird die für die Amplitudenmodulation benötigte Kraftkopplung auf elektrostatischem Wege erreicht.

Besonders wünschenswert ist hierbei eine Elektrodenanordnung, bei der die Kopplung der schwingfähigen Strukturen eine linear veränderliche Kraft erzeugt; d.h., dass die Kraft, die die Senderstruktur auf die Empfängerstruktur ausübt, linear von der Auslenkung der Senderstruktur abhängen soll. Um dies zu realisieren, sind die Empfänger- und Senderstruktur derartig auszuführen, dass sie zusammen eine Kapazität erzeugen, die eine quadratische Abhängigkeit von der der Auslenkung der Senderstruktur aufweist. Eine solche Kapazitätsauslenkungscharakteristik lässt sich beispielsweise dadurch erzeugen, dass Empfänger- und Senderstruktur jeweils eine kammartige Struktur aufweisen, wobei die kammartigen Strukturen zumindest teilweise ineinander greifend angeordnet sind. Bei einer derartigen Ausführung ist es ferner zweckmäßig, eine Auswertekamm vorzusehen, der zumindest teilweise in die kammartige Struktur der Empfängerstruktur greifend angeordnet ist. Mit Hilfe des Auswertekanals kann das Messsignal bzw. das transferierte Anregungssignal der Empfängerstruktur einfach entnommen werden. Vorteilhafterweise ist auch die weitere Struktur kammartig ausgeführt und ein weitere Auswertekamm vorgesehen, der zumindest teilweise in die kammartige Struktur der weiteren Struktur eingreift.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vibrationsmesssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerstruktur eine induktive Kopplung zur Senderstruktur aufweist und ein Wechselstrom mit der Trägerfrequenz in die Empfängerstruktur und/oder die Senderstruktur einprägbar ist. Darüber hinaus kann die Senderstruktur auch einen Permanentmagneten umfassen, der eine Kraftwirkung auf die stromdurchflossene Empfängerstruktur ausübt. Ebenso ist es möglich, dass die Empfängerstruktur einen Permanentmagneten aufweist, der eine Kraftwirkung auf die stromdurchflossene Senderstruktur aufweist.

Unabhängig von der Art der Kraftkopplung zwischen Senderstruktur und Empfängerstruktur ist es zur Verbesserung des Signalrauschabstandes vorteilhaft, wenn das Vibrationsmesssystem einen Verstärker zur Verstärkung eines Anteils im Spektrum des Ausgangssignals aufweist, wobei der Anteil im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz der Empfängerstruktur schwingt.

Zu Auswertungszwecken ist es vorteilhaft, wenn das Vibrationsmesssystem eine Auswerteeinrichtung zur Filterung und/oder Demodulation des amplitudenmodulierten Trägersignals aufweist.

Auf Grund der kostengünstigen Realisierbarkeit des Vibrationsmesssystems im Vergleich zu heutigen Vibrationsmesssystemen kann das Vibrationsmesssystem zur insbesondere permanenten Zustandsüberwachung von Produktionsmitteln vorgesehen werden. Da das Vibrationsmesssystem frequenzselektiv arbeitet, kann auf den erheblichen Hardware- bzw. Softwareaufwand zur Realisierung einer FFT, die bei breitbandigen Sensoren benötigt wird, verzichtet werden.

Eine alternative Anwendung des Vibrationsmesssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Vibrationsmesssystem zur Überwachung eines vibrationsempfindlichen Produktionsprozesses vorgesehen ist. Auch hier kann eine permanente Überwachung von Schwingungen mit Hilfe des Systems durchgeführt werden, die den korrekten Ablauf des Prozesses gefährden könnten.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 ein Vibrationsmesssystem mit kapazitiver Kopplung und paralleler Differenzbildung zur Unterdrückung eines Störsignals

2 ein Vibrationsmesssystem mit kapazitiver Kopplung und serieller Differenzbildung zur Unterdrückung eines Störsignals

3 ein Frequenzspektrum des Vibrationsmesssystem mit kapazitiver Kopplung

4 ein Vibrationsmesssystem mit induktiver Kopplung und paralleler Differenzbildung zur Unterdrückung eines Störsignals.

1 zeigt ein Vibrationsmesssystem mit kapazitiver Kopplung und paralleler Differenzbildung zur Unterdrückung eines Störsignals. Das Vibrationsmesssystem besteht aus fünf kammartigen Strukturen S, E1, A1, E2, A2 die teilweise miteinander über elektrostatische Kräfte gekoppelt sind. Es sei angenommen, dass das dargestellte System zur Bestimmung von Vibrationen an elektrischen Antrieben vorgesehen ist, wobei sich die relevanten Schwingungen im Bereich von wenigen Hertz bis zu 1 kHz befinden.

Das Vibrationsmesssystem umfasst eine breitbandige Senderstruktur S mit einer Resonanzfrequenz fRS von ca. 3 kHz. Der lineare Messbereich der Senderstruktur S reicht damit bis etwa 1 kHz. Diese Senderstruktur S wird direkt von einem mechanischen Anregungssignal, welches von dem elektrischen Antrieb ausgeht und mit der Frequenz fA schwingt, angeregt. Die kammartige Struktur der Senderstruktur S greift teilweise in eine ebenfalls kammartig ausgeführte Empfängerstruktur E1, deren Resonanzfrequenz beispielsweise eine Dekade höher als die Anregungsfrequenz fA, also bei 10 kHz, liegt.

Zwischen Empfängerstruktur E1 und Senderstruktur S ist eine Wechselspannung mit der Amplitude UT und der Frequenz fT angelegt. Diese Wechselspannung stellt das Trägersignal zur Verfügung, dass durch das Anregungssignal mit der Anregungsfrequenz fA moduliert wird.

Senderstruktur S und Empfängerstruktur E1 bilden also zusammen einen Kondensator an den die Spannung UT angelegt ist. Durch die dargestellte kammartige Ausführung dieser beiden Strukturen wird erreicht, dass die Kapazität C dieses Kondensators quadratisch von der Auslenkung x der Senderstruktur S abhängt. Es gilt also: C(x) ~ x2

Eine Ableitung dieser Beziehung ergibt:

Die Änderung der im Kondensator gespeicherten Energie W in Abhängigkeit der Auslenkung lässt sich mittels einer Energiebilanz ermitteln:

Schließlich ergibt sich ein Zusammenhang zwischen der elektrostatischen Kraft F und der Auslenkung x gemäß:

Die quadratische Abhängigkeit des Kapazitätsverlaufs bewirkt also, dass eine multiplikative Kopplung zwischen dem Trägersignal und der Auslenkung x der Senderstruktur auftritt.

Das amplitudenmodulierte Trägersignal S1 wird mit Hilfe eines Auswertekamms A1 ausgelesen und kann dort z. B. zur Verbesserung des Signal-Rausch Abstandes elektronisch verstärkt werden.

Die Empfängerstruktur E1 wird nicht nur durch das Trägersignal sondern auch durch Stützenanregungen, die beispielsweise Lagerschäden am elektrischen Antrieb, Kavitations- und Leckageeffekte oder elektrische Entladungen verursacht werden, direkt angeregt. Diese Stützenerregungen führen zu einer Verfälschung des amplitudenmodulierten Trägersignals S1, so dass eine korrekte Ermittlung des Anregungssignals direkt aus dem amplitudenmodulierten Trägersignal S1 nicht möglich ist.

Um ein Ausgangssignal AS zu erzeugen, in dem ein durch die direkte Stützenanregung der Empfängerstruktur E1 hervorgerufenes Störsignal S2 unterdrückt ist, weist das Vibrationsmesssystem eine weitere schwingfähige Struktur E2 auf, die im Gegensatz zur Empfängerstruktur E1 nicht mit der Senderstruktur S gekoppelt ist und an die kein Trägersignal angelegt ist. Die weitere Struktur E2 ist derartig angeordnet, dass sie in gleicher Weise wie die Empfängerstruktur E1 durch das Störsignal S2 angeregt wird. Da das Störsignal S2 die einzige Anregung der weiteren Struktur E2 darstellt, ist dieses mit einem weiteren Auswertekamm A2 sehr leicht zu erfassen. Die Erfassung des Störsignals S2 geschieht zeitlich parallel zu der Erfassung des amplitudenmodulierten und mit dem Störsignal behafteten Trägersignals S1.

Um das Ausgangssignal AS zu erzeugen, in dem das Störsignal unterdrückt ist, wird online das Störsignal S2 von dem amplitudenmodulierten Trägersignal S1 subtrahiert. Hierzu umfasst das Vibrationsmesssystem entsprechende Subtraktionsmittel SM. Eine solche parallele Erfassung und Subtraktion des Störsignals S2 zeichnet sich durch ein sehr gutes dynamisches Verhalten aus.

2 zeigt ein Vibrationsmesssystem mit kapazitiver Kopplung und serieller Differenzbildung zur Unterdrückung eines Störsignals S2. Bei der hier dargestellten Ausführungsform wird keine weitere Struktur verwendet, an der das Störsignal erfasst wird. Anstelle dessen wird eine zweistufige Messung durchgeführt.

In einem ersten Schritt wird eine Vibrationsmessung ohne anliegendes Trägersignal durchgeführt; d. h. UT = 0. Aufgrund des fehlenden Trägersignals entfällt auch die kapazitive Kopplung zwischen der Senderstruktur S und der Empfängerstruktur E1. In diesem Fall wird folglich die Empfängerstruktur E1 ausschließlich durch das Störsignal S2 angeregt, so dass dieses an der Empfängerstruktur E1 mittels eines Auslesekamms A1 erfasst werden kann.

Im Anschluss wird in einem zweiten Schritt das Trägersignal an die Empfängerstruktur E1 angelegt, so dass zwischen Senderstruktur S und Empfängerstruktur E1 wieder eine kapazitive Kopplung und somit die zur Amplitudenmodulation benötigte Kraftkopplung einsetzt. Mit Hilfe des Auslesekamms A1 wird ein amplitudenmoduliertes Trägersignal S1 erfasst, dessen Spektrum sowohl von dem zu bestimmenden Anregungssignal als auch von dem Störsignal S2 beeinflusst wird. Um nun das eigentliche Anregungssignal bestimmen zu können, wird mit Subtraktionsmitteln SM die Differenz zwischen dem amplitudenmodulierten Trägersignal S1 und dem Störsignal S2 gebildet, so dass man ein Ausgangssignal AS erhält, in dem das Störsignal S2 im Wesentlichen eliminiert ist.

3 zeigt ein Frequenzspektrum des Vibrationsmesssystems mit kapazitiver Kopplung. Dargestellt sind Schwingungsamplituden des vom Störsignal bereinigten Ausgangssignals AS über den entsprechenden Frequenzanteilen f. Durch die in 1 und 2 dargestellten Kammstrukturen kommt es zunächst zu einer Verdopplung der Trägerfrequenz fT. Wird beispielsweise eine Spannung mit der Trägerfrequenz fT an die Empfängerstruktur E1 angelegt, so wird dieses Signal durch die Quadrierung der Spannung bei elektrostatischer Kraftwirkung auf eine Frequenz 2 fT transferiert. Die Anregungsfrequenz fA des eigentlich relevanten Anregungssignals wird im Amplitudenspektrum auf das linke und rechte Seitenband des um die doppelte Trägerfrequenz fT ausgeprägten Spektrums abgebildet. Wurde beispielsweise eine Spannung mit der Trägerfrequenz fT von 5,1 kHz an die Empfängerstruktur E angelegt, und beträgt die Frequenz fA des Anregungssignals 200 Hz, so bildet sich ein Frequenzspektrum des Empfängers um 10,2 kHz aus mit einem linken Seitenband bei 10 kHz und einem rechten Seitenband bei 10,4 kHz. Um die Amplitude des mit 200 Hz schwingenden Anregungssignals zu bestimmen, wird nun die Resonanzfrequenz fRE der Empfängerstruktur E1 auf 10 kHz gelegt. Somit entspricht die Resonanzfrequenz fRE der Empfängerstruktur E1 dem linken Seitenband des dargestellten Frequenzspektrums. Hierdurch kommt es zu einer Resonanzerhöhung, wodurch das linke Seitenband verstärkt zur Auswertung zur Verfügung steht. Die eigentliche Auswertung des Ausgangssignals AS erfolgt anschließend durch Filterung oder Demodulation dieses Seitenbandes.

4 zeigt ein Vibrationsmesssystem mit induktiver Kopplung. In dem dargestellten Fall ist eine Senderstruktur S, die direkt von dem Anregungssignal mit einer Frequenz fA angeregt wird, mit einem Dauermagneten M ausgeführt. Die Senderstruktur S fungiert wiederum als breitbandiger Beschleunigungssensor und besitzt eine relativ niedrige Resonanzfrequenz fRS. Eine Empfängerstruktur E1 des Vibrationsmesssystems mit einer um mindestens eine Dekade höher liegenden Resonanzfrequenz fRE ist als elektrischer Leiter der Länge L ausgeführt. In diesem elektrischen Leiter der Empfängerstruktur E1 wird ein Wechselstrom IT mit einer Trägerfrequenz fT eingeprägt. Durch das magnetische Feld des Dauermagneten M und das magnetische Feld, das der Trägerstrom IT innerhalb der Empfängerstruktur E1 erzeugt, wird eine elektromagnetische Koppelkraft der Größe F = I·L·B zwischen Senderstruktur S und Empfängerstruktur E erzeugt. Hierbei bezeichnet B die magnetische Feldstärke.

Das dargestellte Vibrationsmesssystem umfasst darüber hinaus eine weitere schwingfähige Struktur E2. Die weitere Struktur ist mit der Senderstruktur S nicht magnetisch gekoppelt, so dass sie keine Anregung durch das eigentliche Anregungssignal erfährt. Die weitere Struktur E2 kann jedoch durch ein Störsignal S2, welches zum Beispiel durch eine Stutzenanregung erzeugt wird, angeregt werden. Dieses Störsignal S2 regt auch die Empfängerstruktur E1 an, so dass das amplitudenmodulierte Trägersignal S1 hierdurch zunächst verfälscht wird.

Das Vibrationsmesssystem weist Subtraktionsmittel SM auf, mit denen das an der weiteren Struktur E2 parallel erfasste Störsignal S2 von dem amplitudenmodulierten Trägersignal S1 subtrahiert wird. Es resultiert ein Ausgangssignal AS, welches nahezu komplett von Störeinflüssen bereinigt ist, so dass eine korrekte Ermittlung des Anregungssignals aus dem Frequenzspektrum des Ausgangssignals AS möglich ist.

Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform ist es natürlich auch denkbar und von der Erfindung umfasst, die Empfängerstruktur mit dem Permanentmagneten M auszuführen und den Trägerstrom IT in die Senderstruktur einzuprägen.

Die Wirkungsweise des dargestellten Vibrationsmesssystems mit induktiver Kopplung ist ähnlich zu den in 1 und 2 dargestellten Strukturen mit kapazitiver Kopplung. Es tritt jedoch im Vergleich zu der elektrostatischen Kopplung keine Frequenzverdopplung des Trägers auf, da bei der Kraftkopplung keine Quadrierung der Trägerfrequenz, sondern eine einfache Multiplikation vorliegt.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Vibrationsmesssystem zur frequenzselektiven Schwingungsmessung insbesondere niedriger Frequenzen wie sie im Bereich der Automatisierungs- und Antriebstechnik relevant sind. Die Erfindung ermöglicht eine Kopplung einer breitbandigen Senderstruktur, die direkt von dem zu bestimmenden Anregungssignal angeregt wird, mit einer Empfängerstruktur über eine elektrostatische oder induktive Kraft. Durch diese Kraftkopplung kommt es zu einer Amplitudenmodulation eines die Empfängerstruktur anregenden Trägersignals. Aus dem Spektrum des amplitudenmodulierten Trägersignals lässt sich das eigentliche Anregungssignal z.B. durch eine geeignete Wahl der Frequenz des Trägersignals extrahieren. Um eine möglichst störunanfällige Schwingungsanalyse zu ermöglichen, wird zuvor aus dem amplitudenmodulierten Trägersignal ein beispielsweise durch direkt auf die Empfängerstruktur wirkende Stützenanregungen erzeugtes Störsignal weitgehend eliminiert.


Anspruch[de]
Vibrationsmesssystem mit einer schwingfähigen Senderstruktur (S), die von einem Anregungssignal zu einer mechanischen Schwingung einer Anregungsfrequenz (fA) anregbar ist und derartig in Bezug auf eine von einem Trägersignal mit einer Trägerfrequenz (fT) anregbaren schwingfähigen Empfängerstruktur (E1) angeordnet ist, dass die Senderstruktur (S) in einem angeregten Zustand eine das Trägersignal amplitudenmodulierende, von der Auslenkung der Senderstruktur (S) abhängige Kraft auf die Empfängerstruktur (E1) ausübt, wobei das Vibrationsmesssystem Mittel zur Generierung eines Ausgangssignals (AS) aus dem amplitudenmodulierten Trägersignal (S1) aufweist, in dem ein die Empfängerstruktur (E1) anregendes Störsignal (S2) unterdrückt ist. Vibrationsmesssystem nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Generierung des Ausgangssignals (AS) Erfassungsmittel zur Erfassung des Störsignals (S2) aufweisen. Vibrationsmesssystem nach Anspruch 2, wobei das Störsignal (S2) an der Empfängerstruktur (E1) insbesondere bei fehlender Anregung durch das Trägersignal erfassbar ist. Vibrationsmesssystem nach Anspruch 2, wobei die Mittel zur Generierung des Ausgangssignals eine weitere schwingfähige Struktur (E2) umfassen, die durch das Störsignal anregbar ist, wobei das Störsignal (S2) an der weiteren Struktur (E2) erfassbar ist. Vibrationsmesssystem nach Anspruch 4, wobei die weitere schwingfähige Struktur (E2) im Wesentlichen baugleich mit der Empfängerstruktur (E1) ist. Vibrationsmesssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Mittel zur Generierung des Ausgangssignals Subtraktionsmittel (SM) zur Subtraktion des Störsignals (S2) vom amplitudenmodulierten Trägersignal (S1) aufweisen. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vibrationsmesssystem zur frequenzselektiven Bestimmung mechanischer Schwingungen vorgesehen ist, deren Frequenzen insbesondere kleiner als 1 Kilohertz sind. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerfrequenz (fT) größer als die Anregungsfrequenz (fA) ist. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vibrationsmesssystem eine Vorrichtung zur Einstellung der Trägerfrequenz (fT) aufweist. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfängerstruktur eine Resonanzfrequenz (fRE) aufweist, die im Wesentlichen einem Seitenband des amplitudenmodulierten Trägersignals (S1) entspricht. Vibrationsmesssystem nach Anspruch 10, wobei die Resonanzfrequenz (fRE) der Empfängerstruktur (E1) und/oder der weiteren schwingfähigen Struktur (E2) einstellbar ist. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfängerstruktur (E1) eine kapazitive Kopplung zur Senderstruktur (S) aufweist und eine Wechselspannung (UT) mit der Trägerfrequenz (fT) zwischen der Empfängerstruktur (E1) und der Senderstruktur (S) anlegbar ist. Vibrationsmesssystem nach Anspruch 12, wobei Empfänger- und Senderstruktur (E, S) derartig ausgeführt sind, dass sie zusammen eine Kapazität erzeugen, die eine quadratische Abhängigkeit von der Auslenkung der Senderstruktur (S) aufweist. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Empfänger- und Senderstruktur (E1, S) jeweils eine kammartige Struktur aufweisen, wobei die kammartigen Strukturen zumindest teilweise ineinander greifend angeordnet sind. Vibrationsmesssystem nach Anspruch 14, wobei ein Auswertekamm (A1) vorgesehen ist, der zumindest teilweise in die kammartige Struktur der Empfängerstruktur (E1) greifend angeordnet ist. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere Struktur (E2) kammartig ausgeführt ist und ein weiterer Auswertekamm (A2) vorgesehen ist, der zumindest teilweise in die kammartige Struktur der weiteren Struktur (E2) eingreift. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfängerstruktur (E1) eine induktive Kopplung zur Senderstruktur (S) aufweist und ein Wechselstrom mit der Träqgerfrequenz (fT) in die Empfängerstruktur (E1) und/oder die Senderstruktur (S) einprägbar ist. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vibrationsmesssystem einen Verstärker zur Verstärkung eines Anteils im Spektrum des Ausgangssignals (AS) aufweist, wobei der Anteil im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz (fRE) der Empfängerstruktur (E1) schwingt. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vibrationsmesssystem eine Auswerteeinrichtung zur Filterung und/oder Demodulation des Ausgangssignals (AS) aufweist. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vibrationsmesssystem zur insbesondere permanenten Zustandsüberwachung von Produktionsmitteln vorgesehen ist. Vibrationsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vibrationsmesssystem zur Überwachung eines vibrationsempfindlichen Produktionsprozesses vorgesehen ist.






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