CH685070A5

CH685070A5 - Schwingungsüberwachung im Frequenzbereich mittels eines kapazitiven Beschleunigungsmessers.

Info

Publication number: CH685070A5
Application number: CH2497/91A
Authority: CH
Inventors: Gregory J Mcbrien; Anthony N Martin; Douglas P Modeen
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1991-08-26
Publication date: 1995-03-15
Also published as: US5069071A

Description

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Beschreibung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung des Frequenzspektrums einer schwingenden Masse und zur Bestimmung der Energiemenge bei einer Frequenz in diesem Frequenzspektrum.

Stand der Technik

Schwingungsüberwachungssysteme werden in vielen industriellen, kommerziellen und militärischen Einrichungen benutzt. Ihre Anwendung schliesst beispielsweise die diagnostische Bewertung mechanischer Systeme bei der Produktentwicklung und FehlerüberwachungA/erhaltensanalyse rotierender Turbomaschinen in militärischen und kommerziellen Gasturbinentriebwerken ein. Bei Flugzeug-Gasturbinentriebwerken wird mit gesteigerter Planung von Wartungstätigkeiten auf Grundlage von rechnergestützter Verhaltensanalyse jedes einzelnen Triebwerks die automatisierte Schwingungsüberwachung im Flug wünschenswerter, um die Wartungsprotokollführung zu erleichtern. Mit dem Schwingungsüberwa-chungssystem werden genügend Daten aufgezeichnet, um als Schwingung auftretende Triebwerkab-normalitäten zu erfassen und diagnostizieren, womit die Anzahl ungeplanter Triebwerkstillegungen reduziert wird.

Der am weitesten verbreitete Beschleunigungsmesser ist der piezoelektrische Beschleunigungsmesser, der ein kristallförmiges Material umfasst, das bei Anlegen einer Kraft eine Ladung q erzeugt. Wenn eine Masse unter Beschleunigung in direkten Kontakt mit dem kristallförmigen Material gebracht wird, dann ist die Ladung q ein Mass der Beschleunigung, die die Masse erfährt. Wenn die Masse schwingt, wird an das kristallförmige Material eine veränderliche Kraft angelegt, wodurch eine die Schwingung anzeigende, veränderliche Ladung q erzeugt wird. An einem Ladungsverstärker im Beschleunigungsmesser wird dann ein zu der von der Wirkung der piezoelektrischen Kraft erzeugten Ladung proportionales elektrisches Signal erzeugt. Dieses elektrische Signal ist ein Mass der Schwingung.

Das elektrische Signal wird zur Bestimmung der sich an verschiedenen Stellen des Schwingungsfrequenzspektrums befindlichen Energie verarbeitet. Dies lässt sich durch Abtasten des elektrischen Signals nach den Nyquist-Kriterien zum Vermeiden von Frequenzfaltungsproblemen («Aliasing») und nachfolgender Ausführung einer schnellen Fouriertransformation (FFT) zur Bestimmung der im Schwingungsspektrum vorhandenen dominanten Frequenzen zusammen mit der mit den dominanten Frequenzen verbundenen Energie durchführen.

Die Bestimmung der an verschiedenen Stellen im Schwingungsfrequenzspektrum befindlichen Energie lässt sich auch durch Benutzung einer Mehrzahl von Filtern mit unterschiedlichen Durchlassbereichen durchführen, so dass jedes Filter ein Signal bereitstellt, dessen Energie die Frequenzkomponente innerhalb seines Durchlassbereichs anzeigt. Dies lässt sich auch durch Benutzung eines einzigen abstimmbaren Filters durchführen, dessen Durchlassbereich innerhalb eines gewissen Frequenzbereichs verlagert werden kann, womit dieses eine abstimmbare Filter die mit einer Mehrzahl von Frequenzkomponenten verbundene Energie messen kann.

Bei diesen Lösungswegen gibt es mehrere Probleme. Der piezoelektrische Beschleunigungsmesser besitzt einen hochohmigen Ausgang, der mit vielen, den Konstrukteuren wohlbekannten Problemen verbunden ist, wenn der Beschleunigungsmesser in einer rauhen Umgebung, zum Beispiel einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk, arbeiten muss. Ein weiteres Problem sind die zur Durchführung der Signalverarbeitung des elektrischen Ausgangssignals des Beschleunigungsmessers benötigten hardware-in-tensiven Erfordernissen. Besonders auffallend ist dabei die zur Durchführung der FFT benötigte Hardware; z.B. ein Mikroprozessor wie der 80186 von Intel oder ein Digitalsignalverarbeitungsbaustein (DPS) wie TMS32020 von Texas Instruments. Zusätzlich zu den Hardwarekosten dieser Teile muss für ihre ordnungsgemässe Funktion Software geschrieben werden. Ein offensichtliches Problem bei der Mehrzahl von Bandpassfiltern ist der zusätzliche Hardwareaufwand und seine Auswirkungen auf die Systemverlässlichkeit.

Darstellung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven Beschleunigungsmesser bereitzustellen, der bei Anregung mit einem Wechselstrom-Erregungssignal veränderlicher Frequenz als Mischer arbeitet und zusammen mit seiner zugehörigen Signalformungs- und -Verarbeitungsschaltung ein Signal erzeugt, das Schwingung anzeigt und das zur Bestimmung der Höhe der Energie bei einer gewissen Frequenz innerhalb des Frequenzspektrums des Signals weiterverarbeitet wird.

Nach der vorliegenden Erfindung arbeitet ein einen an einer Masse befestigten oder starr damit verkoppelten kapazitiven Beschleunigungsmesser umfassendes Schwingungsüberwachungssystem sowohl als Aufnehmer sowie auch als Mischer, der Beschleunigungsmesser verändert seine Kapazität als Funktion der Schwingung und erzeugt ein diese anzeigendes zeitveränderliches Kapazitätssignal, das zeitveränderliche Kapazitätssignal wird mit einem Wechselstrom-Erregungssignal veränderlicher Fre2

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quenz vermischt, wodurch die Energie innerhalb des Schwingungssignalspektums anzeigende Überlagerungsfrequenzen erzeugt werden, die zur Bestimmung der Höhe der Energie bei einer aus einem interessierenden Schwingungsfrequenzbereich ausgewählten und mit einer Überlagerungsfrequenz verbundenen Frequenzkomponente weiterverarbeitet werden.

Durch Einsetzen eines kapazitiven Beschleunigungsmessers als Aufnehmer sowie auch als Mischer wird der zur Durchführung von Schwingungsüberwachung in einem Echtzeitsystem erforderliche Schaltungsaufwand reduziert. Eine solche Verringerung der Schaltung ist besonders vorteilhaft in gewichts-und grössenkritischen Anwendungen wie z.B. bei an Gasturbinentriebwerken befestigten Schwingungs-überwachungssystemen für kommerzielle und militärische Flugzeuge. Darüber hinaus wird durch den Gegenstand dieser Erfindung eine abgesetzte Elektronik ermöglicht, wodurch der Aufnehmer in Umgebungen hoher Temperatur benutzt werden kann, während die niedrige Impedanz des Aufnehmers Immunität gegen elektromagnetische Beeinflussung (EMB) bietet.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann dadurch, dass das Wechselstrom-Erregungssignal veränderlicher Frequenz auf eine Basisfrequenz (z.B. die Turbinentriebwerkdrehzahl) bezogen ist, die Schwingungsinformation gegenüber der Basisfrequenz «verfolgt» werden.

Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der besten Betriebsart derselben anhand der beiliegenden Zeichnung im einzelnen verdeutlicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Übersichtsblockschaltbild eines Schwingungsüberwachungssystems nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen in dem Schwingungsüberwachungssystem der Fig. 1 eingesetzten Schwingungsaufnehmer;

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für den Schwingungsaufnehmer der Fig. 2;

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer in dem Schwingungsüberwachungssystem der Fig. 1 enthaltenen Signalprozessor-Schaltungsanordnung;

Fig. 5 zeigt das Frequenzspektrum der schwingenden Masse und einen als interessierender Frequenzbereich ausgewählten Teil des Spektrums;

Fig. 6A, 6B, 6C zeigen das Wechselstrom-Erregungssignal mit veränderlicher Frequenz und das aufgenommene Schwingungssignal in Zeitbereichsdarstellung zusammen mit der Frequenzbereichsdarstellung des resultierenden Mischprodukts aus diesen beiden Signalen;

Fig. 7 zeigt im Frequenzbereich das Verhältnis eines interessierenden Schwingungsfrequenzbereichs, einer ersten Frequenzkomponente, deren Energie bestimmt wird, zusammen mit dem Wechselstrom-Er-regungssignal veränderlicher Frequenz und dem Durchlassbereich des Bandpassfilters; und

Fig. 8 zeigt im Frequenzbereich das Verhältnis des interessierenden Schwingungsfrequenzbereichs, einer zweiten Frequenzkomponente, deren Energie bestimmt wird, zusammen mit dem Wechselstrom-Erregungssignal veränderlicher Frequenz und dem Durchlassbereich des Bandpassfilters.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein Schwingungsüberwachungssystem 20 für die Erfassung der Frequenz und Grösse einer Schwingung 22 an einer Masse 24, beispielsweise einem Turbofan-Gehäuse eines Flugzeug-Gasturbinentriebwerks ausgelegt. Das Schwingungsüberwachungssystem 20 umfasst zwei Hauptbestandteile: einen Schwingungsaufnehmer 26 und einen Signalprozessor (SP) 28. Mit dem Schwingungsaufnehmer 26 wird die Schwingung erfasst und ein dieses anzeigende Signal Vo auf einer Leitung 29 dem Signalprozessor 28 bereitgestellt.

Der Schwingungsaufnehmer 26 umfasst einen kapazitiven Beschleunigungsmesser 30 und einen kapazitiven Beschleunigungsmesser-Signalformer (CASC) 32. Die Schwingung 22 beeinflusst den und wird von dem Beschleunigungsmesser 30 erfasst, der als Aufnehmer sowie auch als Mischer funktioniert, indem er ein aufgenommenes Schwingungssignal, das eine zeitlich veränderliche, die Schwingung anzeigende Veränderung der Kapazität darstellt, mit einem aus Leitungen 34, 36 vom Signalformer 32 bereitgestellten Wechselstrom-Erregungssignal vermischt (d.h. multipliziert). Aus dem Mischen ergibt sich ein Mischsignal auf einer Leitung 38. Die Zweckmässigkeit des Mischens wird hiernach im einzelnen besprochen.

Fig. 2 zeigt eine detailliertere Darstellung des Schwingungsaufnehmers 26. Der Beschleunigungsmesser 30 umfasst drei leitfähige Platten, mit denen die Schwingung erfasst wird und das aufgenommene Schwingungssignal als Kapazitätsänderung erzeugt wird. In den, dem Patenthalter der vorliegenden Erfindung zuerteilten US-Patentschriften 4 928 203, 4 930 042 und 4 930 043 wird ein solcher kapazitiver Beschleunigungsmesser dargestellt und sie werden hiermit durch die Bezugnahme einverleibt. Eine Oberplatte 42 und eine Unterplatte 44 befinden sich in festen Positionen, während sich eine, auch als Probemasse bezeichnete Mittelplatte 46 in Abhängigkeit von der Schwingung 22 auf und ab bewegt. Sowie sich die Mittelplatte 46 nach oben bewegt, erhöht sich die Kapazität zwischen derselben und der Oberplatte 42, während sich die Kapazität zwischen ihr und der Unterplatte 44 verringert. Umgekehrt

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erhöht sich die Kapazität zwischen ihr und der Unterplatte mit der Abwärtsbewegung der Mittelplatte, während sich die Kapazität zwischen ihr und der Oberplatte verringert.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird an den Signalformer 32 vom SP 28 auf Leitungen 52, 54 ein Wechselstrom-Erregungssignal Vexc mit veränderlicher Frequenz angelegt. Innerhalb des Signalformers nach der Darstellung in Fig. 2 wird Vexc über Leitungen 52, 54 an eine Primärwicklung 48 eines Transformators 50 angelegt. Damit wird ein Strom durch die Primärwicklung 48 bewirkt, wodurch in einer Sekundärwicklung 56 des Transformators 50 ein Strom und eine Spannung induziert werden.

Das Windungsverhältnis des Transformators beträgt z.B. eins zu eins (d.h. die Anzahl von Wicklungswindungen in der Primärwicklung ist der Anzahl in der Sekundärwicklung gleich) und ein Widerstand Ri 58 ist gleich einem Widerstand R2 60. Auch soll ein Kondensator Ci 62 die Kapazität zwischen den oberen und mittleren Platten 42, 46 darstellen und ein Kondensator C2 64 die Kapazität zwischen der mittleren und unteren Platte 46, 44 darstellen, h stellt den Strom in der Leitung 34 dar und I2 stellt den Strom in der Leitung 36 dar. Wenn sich die Mittelplatte 46 nach oben bewegt, erhöht sich die Kapazität von Ci und damit erhöht sich h. Dadurch verringert sich auch die Kapazität von C2 und damit verringert sich die Grösse von I2. h und I2 werden zusammengefasst, um das Mischsignal It auf der Leitung 38 zu erzeugen und die Spannung V0 am Ausgang eines Operationsverstärkers 68 (z.B. National Semiconductor-Typ LM147) auf der Leitung 29 herzustellen, wobei Vo = FÌ3*It und It der einen Widerstand R3 72 durchlaufende Strom ist.

Die Funktion des Schwingungsaufnehmers 26 lässt sich besser durch die Darstellung seines Ersatzschaltbildes in Fig. 3 verstehen. Der Transformator 50 ist durch zwei Spannungsquellen 70, 71 ersetzt worden und der kapazitive Beschleunigungsmesser ist durch zwei veränderliche Kondensatoren 62, 64 ersetzt worden. Der Strom in der Leitung 38 wird durch Summieren des Stromes in der Leitung 34 und der Leitung 36 erzeugt. Der Strom in der Leitung 34 lässt sich schreiben als:

11 = d/dt(1/2Vexc*Ci) (Gl. 1)

Der Strom in der Leitung 36 lässt sich schreiben als

12 = d/dt(-1/2Vexc*C2) (Gl. 2)

Aus der Summierung dieser Ströme ergibt sich das Mischsignal It als:

lT = Ii + I2 (Gl. 3)

Einsetzen der Gl. 1 und 2 in die Gl. 3 ergibt:

It = d/dt(1/2Vexc*Ci) + d/dt(-1/2Vexc*C2) (Gl. 4)

wobei die Kondensatoren Ci 62 und C2 64, die das aufgenommene Schwingungssignal erzeugen und die Kapazität in Abhängigkeit von der Schwingung ändern, so definiert werden können:

Ci = (Cnom + c) (Gl. 5)

C2 = (Cnom — c) (Gl. 6)

wobei Cnom die Nennkapazität von Ci und C2 ist, wenn keine Schwingung auf die Mittelplatte 46 des kapazitiven Beschleunigungsmessers 30 einwirkt, und c das aufgenommene Schwingungssignal ist, das eine sich zeitlich verändernde Kapazitätänderung auf Grund der auf die Mittelplatte einwirkenden Schwingung darstellt.

Einsetzen der Gl. 5 und Gl. 6 in die Gl. 4 und Kürzen von Gliedern ergibt:

It = d/dt(Vexc*c) (Gl. 7)

wobei Vexc als:

Vexc = A*cos(wc*t) (Gl. 8)

ausgedrückt werden kann und das aufgenommene Schwingungssignal c als:

c = Cmax*cos(Ws*t) (Gl. 9)

ausgedrückt werden kann. Die Frequenzglieder Wc und Ws stellen die Frequenz von Vexc bzw. eine im aufgenommenen Schwingungssignal vorhandene Frequenzkomponente dar. A ist die Spitzen-Spannungshöhe für Vexc und Cmax ist die maximale, für den kapazitiven Beschleunigungsmesser 30 zulässige Kapazitätsveränderung.

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Einsetzen der Gl. 8 und Gl. 9 in die Gl. 7 ergibt:

It= d/dt(A*cos(wc*t)*Cmax*cos(ws*t)) (Gl. 10)

Durch Benutzung einer trigonometrischen Identität lässt sich der Ausdruck umschreiben als: It = A*Cmax*d/dt(1/2*cos(wc - ws)*t + 1/2*cos(wc + ws)*t) (Gl. 11)

Filterung des Signals, so dass das Hochfrequenzglied cos(wc + ws)*t entfällt, und nachfolgende Differenzierung ergibt einen Ausdruck für das Mischsignal:

IT = A*Cmax*1/2*(- sin(wc - Ws)t) (Gl. 12)

Mit der Gleichung 12 wird die Fähigkeit des Beschleunigungsmessers als Mischer ausgewiesen, und dass das Mischen Uberlagerungsfrequenzen im Mischsignal ergibt. Die Ausgangsspannung auf der Leitung 29 lässt sich ausdrücken als:

Vo = R3*l (Gl. 13)

Einsetzen der Gl. 12 in die Gl. 13 ergibt den Endausdruck für das Ausgangssignal des Schwingungsaufnehmers 26 auf der Leitung 29:

Vo = - R3*A*Cmax*1/2*(sin(wc - ws)t) (Gl. 14)

Die nächste Funktion des Schwingungsüberwachungssystems 20 besteht aus der Bestimmung der mit einer oder mehreren der Frequenzkomponenten im Schwingungssignal 22 verbundenen Energie durch Verarbeitung von Vo.

Fig. 4 zeigt den Signalprozessor 28. Auf einer Leitung 82 zu einem Multiplexer (mux) 84 wird ein Triebwerksdrehzahlsignal, z.B. NG, eingegeben. Unter Steuerung einer Ansteuerleitung 85 von einem Mikroprozessor 86 gibt der mux 84 auf einer Leitung 88 ein Signal an einen Frequenz-zu-Digital-(F/D-) Wandler 89 ab. Mit dem F/D 89 wird das Signal auf der Leitung 88 in ein die Triebwerksdrehzahl darstellendes digitales Drehzahlsignal umgewandelt und das Signal zu einem Bus 90 ausgegeben. Dieses digitale Drehzahlsignal wird vom Mikroprozessor 86 zur Auswahl eines interessierenden Schwingungsfrequenzbereichs aus einem Schwingungsfrequenzspektrum 91 benutzt, das in der Fig. 5 als der von einer unteren Frequenzgrenze 92 und einer oberen Frequenzgrenze 93 begrenzte Bereich dargestellt wird.

Wie zuvor durch die Gleichung 14 dargestellt, verändert sich mit Veränderung der Frequenz wc von Vexc auch die Frequenz des Ausgangssignals Vo. Dieses Verhalten lässt sich zur Bestimmung der mit einer Frequenzkomponente innerhalb des interessierenden Schwingungsfrequenzbereichs verbundenen Energiemenge benutzen.

Zur Bestimmung der mit der Frequenzkomponente verbundenen Energie wird vom Mikroprozessor über den Bus 90 ein die Frequenzkomponente anzeigendes Digitalwort zu einem Digital-zu-Analog-(D/ A-)Wandler 94 ausgegeben. Es wird dann auf einer Leitung 96 ein analoges Gleichspannungssignal zu einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 98 ausgegeben. Mit dem VCO wird die Frequenz wc des auf den Leitungen 52, 54 ausgegebenen Vexc als Funktion des analogen Gleichspannungssignals eingestellt.

Um sicherzustellen, dass Vexc vom VCO mit der korrekten Frequenz bereitgestellt wird, wird das Signal auf der Leitung 52 in den mux 84 zur Auswahl für den F/D 89 eingegeben. Der Mikroprozessor kann dann überprüfen, um sicherzustellen, dass das Signal zum Schwingungsaufnehmer 26 vom VCO innerhalb der gewünschten Toleranz bereitgestellt wird.

Nach dem Mischen wird das Schwingungsaufnehmer-Ausgangssignal Vo auf der Leitung 29 in ein in der Fig. 4 dargestelltes Bandpassfilter (BPF) 100 eingegeben. Bandpassfilter sind wohlbekannt und ihr Durchlassbereich lässt sich durch eine Mittenfrequenz Wbpt und ein die Breite des Durchlassbereichs beidseitig der Mittenfrequenz definierendes Glied kennzeichnen. Das BPF-Ausgangssignal auf einer Leitung 102 wird dann in einen asynchronen Demodulator 104 eingegeben.

Zur Demodulierung wird vom Mikroprozessor 86 ein periodisches Rechtecksignal auf einer Leitung 106 zu einem Überlagerungsoszillator-Generator 108 bereitgestellt. Dieses Signal hat eine Frequenz gleich Wbpf. Mit dem Überlagerungsoszillator-Generator wird dann das periodische Rechtecksignal gefiltert und umgeformt, um für den Demodulator zwei mit Wbpf laufende sinusförmige Bezugssignale bereitzustellen. Ein erstes sinusförmiges Signal auf einer Leitung 110 wird um 0° vom Signal auf der Leitung 106 in der Phase versetzt. Ein zweites sinusförmiges Signal auf einer Leitung 112 wird um 90° von dem Signal auf der Leitung 106 in der Phase versetzt. Damit kann das bandpassgefilterte Signal auf der Leitung 102 wechselweise mit dem Signal auf der Leitung 110 und dem Signal auf der Leitung 112 als Bezugssignal demoduliert werden. Das resultierende Demodulator-Ausgangssignal von den jeweiligen Demodulationen wird auf den Leitungen 114, 116 bereitgestellt.

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Das Signal auf der Leitung 114 entspricht der mit dem um 0° versetzten Bezugssignal durchgeführten Démodulation und das Signal auf der Leitung 116 entspricht der Démodulation mit dem um 90° phasenversetzten Bezugssignal. Die Signale auf der Leitung 114, 116 werden dann in einen Hüllkur-ven-Detektor/Mittelwertbildungsschaltung 117 eingegeben, mit der die Hüllkurve des jeweiligen Signals wiedergewonnen, der quadratische Mittelwert der beiden Signale gewonnen und das sich ergebende Ausgangssignal auf einer Leitung 118 bereitgestellt wird. Das Signal auf der Leitung 118 stellt die bei der Frequenzkomponente innerhalb des interessierenden Schwingungsfrequenzbereichs vorhandene Energie dar. Danach wird das Signal auf der Leitung 118 mit einem Analog-zu-Digital-Wandler (A/D) 119 abgetastet, der für den Mikroprozessor 86 auf dem Bus 90 ein die Energie der Frequenzkomponente anzeigendes Digitalsignal bereitstellt. Vom Mikroprozessor wird das die Energie der Frequenzkomponente anzeigende Digitalsignal zur Bestimmung des Vorhandenseins eines eine übermässige Schwingung ergebenden kritischen Ausfalls benutzt. Bei Bestehen eines solchen Ausfalls wird vom Mikroprozessor ein Signal auf einer Leitung 120 ausgegeben, um eine Lampe 121 für Fehlermeldung im Flugzeugcockpit zu erleuchten. Informationen vom Schwingungsüberwachungssystem können auch über eine Datenverbindung (z.B. ARINC 429, MIL-STD-1553 oder RS-422) entlang einer Leitung 122 dem zentralen Flugzeugwartungsrechner und Flugkontrollsystem oder dergleichen Avionik zugeführt werden.

In den Fig. 6A und 6B wird das Wechselstrom-Erregungssignal mit veränderlicher Frequenz Vexc auf den Leitungen 52, 54 und das aufgenommene Schwingungssignal im Zeitbereich dargestellt. Die Wellenform 124 (Fig. 6A) stellt das Wechselstrom-Erregungssignal mit veränderlicher Frequenz dar. Die Wellenform 126 (Fig. 6B) stellt das aufgenommene Schwingungssignal dar. Das Zusammenmischen der Wellenformen 124 und 126 ergibt ein Signal, dessen Frequenzspektrum im Frequenzbereich dargestellt die Wellenform 128 (Fig. 6C) ist.

Die Wellenform 124 umfasst eine einzige, der Frequenz WC des Wechselstrom-Erregungssignals mit veränderlicher Frequenz Vexc entsprechende Frequenzkomponente, während die Wellenform 126 eine Mehrzahl von Komponenten enthält, die die vielen Schwingungsfrequenzkomponenten innerhalb des aufgenommenen Schwingungssignals anzeigen. Diese Komponenten entsprechen typisch der Turbofandrehzahl (N1), der Gaserzeugerdrehzahl (NG) und drehbaren Triebwerkteilen und am Triebwerk befestigten Zubehörteilen, z.B. Getriebedrehzahl und Treibstoffpumpendrehzahl.

Auf Grund der Vermischung der Wellenformen 124 und 126 enthält das Frequenzspektrum der Wellenform 128 Überlagerungsfrequenzen, die sich an den Differenz- und Summenfrequenzkomponenten des Wechselstrom-Erregungssignals mit veränderlicher Frequenz und des aufgenommenen Schwingungssignals befinden. Wenn das Frequenzspektrum des durch die Wellenform 126 dargestellten aufgenommenen Schwingungssignals vier Haupt-Frequenzkomponente enthält, dann enthält die Wellenform 128 vier Haupt-Differenzfrequenzglieder 129 und vier Haupt-Summenfrequenzglieder 130, die den vier Haupt-Frequenzgliedern in der Wellenform 126 entsprechen. Wie oben beschrieben können die Hochfrequenz-Summenglieder entfallen, da sie die gleiche Information wie die unteren Frequenzdifferenzglieder enthalten und die verbleibende Verarbeitung kann daher mit den vier Differenzgliedern durchgeführt werden. Es ist dabei zu verstehen, dass die Wellenform 128 eine allumfassende Darstellung des Mischsignals auf der Leitung 29 darstellen soll. Im Interesse der Deutlichkeit stellt sie nur mehrere durch das Mischen erzeugte Summen- und Differenz-Überlagerungsfrequenzen dar.

Die Fig. 7 zeigt das Verhältnis im Frequenzbereich zwischen dem Wechselstrom-Erregungssignal mit veränderlicher Frequenz mit einer einzigen Frequenzkomponente bei wc 132 und dem interessierenden Schwingungsfrequenzbereich zwischen den Grenzen 92, 93. Wie oben beschrieben wird der interessierende Schwingungsfrequenzbereich auf Grundlage der aktuellen Triebwerksdrehzahl ausgewählt. Es ist darauf hinzuweisen, dass der in Fig. 7 dargestellte interessierende Schwingungsfrequenzbereich derselbe Bereich wie der in Fig. 5 dargestellte ist. Der Mikroprozessor 86 durchläuft den interessierenden Schwingungsfrequenzbereich schrittweise, indem er unterschiedliche Frequenzkomponenten zur Auswertung auswählt. Nach Fig. 5 ist der als der Bereich zwischen den Grenzen 92, 93 definierte interessierende Frequenzbereich in eine Mehrzahl von N Komponenten zerlegt, beispielsweise kann der Mikroprozessor zum Durchlaufen des interessierenden Schwingungsfrequenzbereichs 100 Schritte benötigen. Es wird eine erste Komponente 136, eine zweite Komponente 138 und eine N'te Komponente 140 der Mehrzahl von Frequenzkomponenten innerhalb des interessierenden Schwingungsfrequenzbereichs dargestellt.

Angenommen, eine durch einen schattierten Bereich in Fig. 7 dargestellte Frequenzkomponente wi 142 ist der n'te von N Schritten im gesamten interessierenden Schwingungsfrequenzbereich. Zum Messen des der Frequenzkomponente wi entsprechenden Schwingungspegels mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung muss die VeXc-Frequenz wc 132 vom Mikroprozessor so ausgewählt werden, dass eine durch das Mischen erzeugte interessierende Differenz-Uberlagerungsfrequenzkomponente wc - wi in einen Durchlassbereich 144 des BPF fällt.

Das BPF 100 hat eine Mittenfrequenz 146 bei Wbpf. Die VeXc-Frequenz wc wird daher vom Mikroprozessor so eingestellt, dass wc - wi = Wbpf. Damit wird sichergestellt, dass die der Frequenzkomponente wi 142 entsprechende Differenz-Überlagerungsfrequenzkomponente in den Durchlassbereich 144 des BPF Band versetzt wird, womit eine bandversetzte Frequenzkomponente 148 erzeugt wird. Im Vergleich mit den Komponenten im Durchlassbereich werden alle Frequenzkomponenten ausserhalb des Durchlassbereichs des BPF wesentlich abgeschwächt. Der Deutlichkeit halber wird der Durchlassbereich 144

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des BPF breiter dargestellt, als der typischen Auslegung entspricht. Je schmaler der Durchlassbereich, je besser die Messungsauflösung der mit einer bestimmten Frequenzkomponente verbundenen Energie.

In der Fig. 8 wird die Funktion des Schwingungsüberwachungssystem für denselben interessierenden Schwingungsfrequenzbereich wie in Fig. 7, aber während eines späteren Schrittes innerhalb des Bereichs dargestellt. Eine zweite Frequenzkomponente W2 im Bereich wird als schattierter Bereich 150 dargestellt. Zum Messen der mit der zweiten Frequenzkomponente W2 verbundenen Energie wird vom Mikroprozessor 86 auf dem Bus 90 ein Digitalwort zum D/A 94 ausgegeben. Dieses Digitalwort wird so gewählt, dass das Signal vom VCO 98 auf Leitung 52, 54 auf einer Frequenz wc = Wbpf + vjz liegt. Infolgedessen bewirkt das Vermischen des Wechselstrom-Erregungssignals mit veränderlicher Frequenz auf einer Frequenz wc = Wbpf + W2 151 mit dem aufgenommenen Schwingungssignal, dass eine mit der zweiten Frequenzkomponente W2 150 verbundene Überlagerungsfrequenz 152 in den Durchlassbereich 144 des BPF fällt. Mit Ausnahme der Komponente, die W2 150 entspricht, werden die durch das Vermischen erzeugten Überlagerungsfrequenzkomponenten durch das BPF abgeschwächt. Das Frequenzspektrum des BPF-Ausgabesignals ist daher auf die Komponenten um wbpf begrenzt, worin eine bandversetzte Frequenzkomponente enthalten ist, deren Energie die mit der zweiten Frequenzkomponente W2 verbundene Energie andeutet.

Danach wird das vom BPF gefilterte Signal auf der Leitung 102 mit dem auf der Frequenz Wbpf laufenden Bezugssignal demoduliert. Die demodulierten Signale auf den Leitungen 114, 116 werden vom Hüllkurvendetektor verarbeitet und mit dem A/D abgetastet. Das vom A/D erzeugte Digitalsignal zeigt den bei der Frequenzkomponente, z.B. wi oder W2, auftretenden Schwingungspegel an.

Nachdem der Mikroprozessor 86 den die der Frequenzkomponente entsprechende Energie anzeigenden Abtastwert vom A/D 119 empfangen hat, führt er im interessierenden Frequenzbereich eine neue Frequenzkomponente für die Auswertung aus. Es wird dann ein neuer Digitalwert zum D/A 94 ausgegeben, um die Frequenz wc des Wechselstrom-Erregungssignals mit veränderlicher Frequenz Vexc zu ändern.

Im allgemeinen wird vom Mikroprozessor der interessierende Schwingungsfrequenzbereich auf Grundlage der Betriebsdrehzahl des Triebwerks ausgewählt und dieser Frequenzbereich schrittweise durch Verändern der Frequenz des Wechselstrom-Erregungssignals veränderlicher Frequenz auf der Leitung 52, 54 durchfahren. Beispielsweise kann der Mikroprozessor N Frequenzkomponenten aus dem interessierenden Schwingungsfrequenzbereich auswählen. Durch Vermischen des Wechselstrom-Erregungssignals veränderlicher Frequenz mit dem erfassten Schwingungssignal werden Überlagerungsfrequenzen erzeugt, die dann günstig weiterverarbeitet werden können, ohne dass der Mikroprozessor zur Bestimmung der Energiemenge bei unterschiedlichen Frequenzkomponenten des Schwingungssignals eine FFT durchführen muss.

Aufgrund der zur Unterstützung dieses Schwingungsüberwachungssystems notwendigen niedrigen Prozessornutzung können CASC 32, VCO 98, BPF 100, Demodulatorschaltung 104, Überlagerungsoszillator-Generator 108 und Hüllkurvendetektor 117 zu einem bereits an modernen Flugzeug-Gasturbinentriebwerken vorhandenen mikroprozessorgestützten System, zum Beispiel der elektronischen Treibstoffsteuerung, hinzugefügt werden. Damit kann die Schwingungsüberwachungsfunktion mit relativ niedrigen Kosten ausgeführt werden, da Mikroprozessor 86, A/D 119, D/A 94, F/D 89 und Mux 84 bereits in der elektronischen Treibstoffsteuerung enthalten sind.

Es versteht sich von selbst, dass der Umfang dieser Erfindung nicht auf die bestimmte, für den CASC 32 und den SP 28 dargestellte Schaltung begrenzt ist. Die Schaltung könnte vielmehr auf eine von mehreren unterschiedlichen Arten ausgeführt werden, die für eine Beschreibung zu zahlreich sind, von denen jedoch jede das Vermischen des erfassten Schwingungssignals und des Wechselstrom-Erre-gungssignals veränderlicher Frequenz und die Signal-Weiterverarbeitung zur Bestimmung der mit der Frequenzkomponente verbundenen Energie erleichtert. Beispielsweise könnte anstelle des asynchronen Demodulators ein synchroner Demodulator Verwendung finden. Das Bandpassfilter könnte durch zwei getrennte Filter wie ein Hochpass und ein Tiefpass ersetzt werden. Weiterhin kann das Wechselstrom-Erregungssignal veränderlicher Frequenz so ausgewählt werden, dass die mit der Frequenzkomponente verbundene und durch die Vermischung erzeugte Überlagerungsfrequenz direkt in den Gleichstrombereich bandversetzt wird. Damit kann anstelle eines Bandpassfilters ein Tiefpassfilter benutzt werden. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht allein auf die Schwingungsüberwachung von Flugzeug-Gasturbinentriebwerken begrenzt.

Alle vorhergehenden Änderungen und Variationen sind ohne wesentliche Bedeutung für die Erfindung, für die es ausreicht, dass die Schwingung von einem kapazitiven Beschleunigungsmesser über eine zeitveränderliche Änderung von Kapazität gemessen wird und wenn die leitfähigen Platten, zwischen denen die Kapazität gemessen wird, durch das Wechselstrom-Erregungssignal veränderlicher Frequenz erregt werden, werden Überlagerungsfrequenzen mit einer Energie erzeugt, die die mit verschiedenen Frequenzkomponenten im Schwingungssignalspektrum verbundene Energie anzeigen.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand einer Ausführungsform der besten Betriebsart derselben dargestellt und beschrieben worden ist, ist von dem Fachmann in diesem Gebiet zu verstehen, dass daran verschiedene andere Veränderungen, Weglassungen und Hinzufügungen zu deren Form und Einzelausführung durchgeführt werden können, ohne von dem Konzept und Rahmen der Erfindung abzuweichen.

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Überwachung des Frequenzspektrums einer schwingenden Masse und Bestimmung der Energiemenge bei einer Frequenz in diesem Frequenzspektrum, gekennzeichnet durch: einen kapazitiven, an der Masse (24) zu befestigenden, bzw. starr mit ihr zu verbinden Beschleunigungsmesser (30), dem ein Signal veränderlicher Frequenz (Vexc) zugeführt wird und der als Reaktion auf die Schwingung der Masse (24) eine zeitliche Änderung seiner Kapazität erfährt und ein diese zeitliche Kapazitätsänderung anzeigendes Messsignal bereitstellt, dieses Messsignal mit dem Signal (Vexc) veränderlicher Frequenz vermischt, um ein die Schwingung der Masse anzeigendes Mischsignal (V0) zu erzeugen, wobei das Mischsignal (V0) eine oder mehrere Überlagerungsfrequenzen enthält, die Frequenzkomponenten innerhalb des Frequenzspektrums der schwingenden Masse (24) darstellen; ein Bandpassfilter (100) mit einem, um eine gewisse Mittenfrequenz (Wbpf) zentrierten Durchlassbereich, dem das Mischsignal (V0) zum Filtern und Bereitstellen eines dieses anzeigenden gefilterten Signals (102) zugeführt wird; und Frequenzsteuermittel (98, 89, 86, 94) zum Bereitstellen des Signals (Vexc) veränderlicher Fequenz, zum Einstellen der Frequenz (Wc) des Signals (Vexc) veränderlicher Frequenz, so dass durch Mischen des Signals (Vexc) veränderlicher Frequenz mit einer ausgewählten Frequenzkomponente (Wi) des Frequenzspektums der schwingenden Masse (24) eine innerhalb des Durchlassbereichs des Bandpassfilters (100) liegende Überlagerungsfrequenz entsteht, wobei die Frequenzsteuermittel (98, 89, 86, 94) auf das gefilterte Mischsignal (V0) reagieren, um durch Verändern der Frequenz (Wc) jeweils ein Energiesignal (118) bereitzustellen, dessen Energie ein Mass der mit der durch die Änderung der Frequenz (Wc) ausgewählten Frequenzkomponente (Wi) verbundenen Schwingungsenergie darstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Beschleunigungsmesser (30) drei leitfähige Platten (42, 44, 46) umfasst, wobei eine erste (46) der Platten so angeordnet ist, dass sie sich als Funktion der Schwingung der Masse (24) bewegt, eine zweite (42) der Platten in einer festen Lage an einer Seite und parallel zu der ersten Platte (46) angeordnet ist, und eine dritte (44) der Platten in einer festen Lage an einer Seite und parallel zur ersten Platte (46) gegenüber der zweiten Platte (42) angeordnet ist, wobei ein erster Strom (h) die erste Platte (46) und zweite Platte (42) durchmesst, ein zweiter Strom (I2) die dritte Platte (44) und die erste Platte (46) durchfliesst, und der erste (Ii) und der zweite Strom (I2) an der ersten Platte (46) aufsummiert werden, um daraus das Mischsignal (V0) zu gewinnen, und wobei eine durch eine Schwingung der Masse verursachte Bewegung der ersten Platte (46) die Kapazität zwischen der ersten (46) und zweiten (42) Platte, bzw. zwischen der ersten (46) und der dritten (44) Platte verändert, diese Kapazitätsänderung eine Änderung des Wertes der ersten und zweiten Ströme (Ii, I2) verursacht.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalformungsmittel (32) einen Transformator (50) mit einer durch das Signal (Vexc) veränderlicher Frequenz erregten Primärwicklung (48) und mit einer Sekundärwicklung (56) zur Bereitstellung der ersten und zweiten Ströme (h, I2) umfasst.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzsteuermittel (98, 89, 86, 94) Mittel zum Einstellen der Frequenz (Wc) des Signals (Vexc) veränderlicher Frequenz auf Gleichheit mit der Summe der gewissen Mittenfrequenz (Wbpf) und der Frequenz (Wi) der ausgewählten Frequen-komponente umfasst.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die schwingende Masse (24) eine, einen Betriebszustand aufweisende Vorrichtung oder ein Teil einer solchen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Frequenzsteuermittel (98, 89, 86, 94) Mittel (86) zur Bestimmung der Frequenz (Wc) des besagten Signals (Vexc) veränderlicher Frequenz auf der Grundlage des Betriebszustandes der Vorrichtung und von apriori-Kenntnissen der Schwingungseigenschaften dieser Vorrichtung oder des genannten Teils derselben umfasst.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die schwingende Masse (24) eine, einen Betriebszustand aufweisende Vorrichtung oder ein Teil einer solchen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Frequenzsteuermittel (98, 89, 86, 94) Mittel (86) zur Bestimmung eines interessierenden Schwingungsfrequenzbereichs (92, 93) der schwingenden Masse und des augenblicklichen Betriebszustandes der Vorrichtung umfasst, wobei die Frequenzkomponente (Wj) innerhalb des besagten interessierenden Schwingungsfrequenzbereichs liegt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung der Einrichtung in Verbindung mit einem Triebwerk als Vorrichtung als augenblicklicher schwingender Betriebszustand der Vorrichtung die Triebwerksdrehzahl (NG) gilt.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter (100) alle Frequenzkomponenten des Frequenzspektrums ausser die mit der ausgewählten Frequenzkompente (Wi) verbundene Differenz-Überlagerungsfrequenz abschwächt, wobei das Mischsignal (V0) die Differenz-Überlagerungsfrequenz umfasst.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die schwingende Masse (24) eine, einen Betriebszustand aufweisende Vorrichtung oder ein Teil einer solchen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzsteuermittel (98, 89, 86, 94) weiterhin folgendes umfasst: einen F/D-Wandler (98) zur Digitalisierung eines den augenblicklichen Betriebszustand der Vorrichtung anzeigenden Frequenzsignals und zur Erzeu-

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gung eines diesen Betriebszustand anzeigenden digitalisierten Frequenzsignals; Signalverarbeitungsmittel (86) zur Bestimmung eines interessierenden Schwingungsfrequenzbereichs (92, 93) als Reaktion auf das digitalisierte Frequenzsignal, zur Auswahl der ausgewählten Frequenzkomponente (Wi) aus dem interessierenden Schwingungsfrequenzbereich (92, 93) der Vorrichtung und zur Bereitstellung eines die ausgewählte Frequenzkomponente (Wi) anzeigenden digitalen Befehlssignals; einen D/A-Wandler (94) zur Umwandlung des digitalen Befehlssignals in ein analoges Befehlssignal, und einen auf das analoge Befehlssignal reagierenden, spannungsgesteuerten Oszillator (98) zur Bereitstellung des Signals (Vexc) veränderlicher Frequenz mit einer das analoge Befehlssignal anzeigenden Frequenz (Wc).

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzsteuermittel (98, 86, 104, 107) weiterhin folgendes umfasst; einen Demodulator (104) zum Demodulieren des gefilterten Mischsignals (V0) mit einem Bezugssignal von der gewissen Mittenfrequenz und zum Bereitstellen eines das gefilterte Mischsignal anzeigenden demodulierten Signals, und Abtastmittel (117, 119) zum Abtasten des demodulierten Signals und zum Umwandeln des demodulierten Signals in ein digitales demoduliertes Signal, wobei die Signalverarbeitungsmittel (86) Mittel zur Bestimmung der Frequenz (Wc) des Signals (Vexc) veränderlicher Frequenz, zur Bereitstellung eines diese Frequenz anzeigenden digitalen Befehlssignals, und zum Ablesen und Speichern des besagten digitalen demodulierten Signals umfasst.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzsteuermittel (98, 89, 86, 94) Mittel zum schrittweisen Durchfahren des Frequenzspektrums der schwingenden Masse (24) durch Verändern der Frequenz (Wc) des Signals (Vexc) veränderlicher Frequenz zur Auswahl eines neuen Frequenzwertes für die ausgewählte Frequenzkomponente (Wi) im Frequenzspektrum der schwingenden Masse (24) umfasst.

13. Einrichtung nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet, durch Bezugsquellenmittel (108) zur Erzeugung eines sinusförmigen Referenzsignals mit einer der gewissen Mittenfrequenz (Wbpf) entsprechenden Frequenz; und einem Demodulator (64) zum Demodulieren des gefilterten Mischsignals (V0) mit dem Bezugssignal und Bereitstellen eines das gefilterte Mischsignal anzeigenden demodulierten Signals.

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