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Diese
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der drahtlosen Schwingungsanalyse.
Sie bezieht sich insbesondere auf einen Niederleistungs-Schwingungssensor
und einen Drahtlossender.
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Diese
Patentanmeldung beansprucht Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit
der lfd. Nr. 60/827.584, die am 29. September 2006 eingereicht wurde,
mit dem Titel "Vibration
Transmitter Wireless Sensor" und
bezieht sich auf diese. Diese vorläufige US-Patentanmeldung ist
hier durch Literaturhinweis in ihrer Gesamtheit eingefügt.
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Ein
Parameter einer Maschine wie z. B. die Schwingung kann gemessen
und analysiert werden, um den Zustand der Maschine zu überwachen.
Ein Parameter wird dabei verwendet, um eine physikalische Eigenschaft
oder dergleichen zu bezeichnen, die typischerweise gemessen werden
kann wie z. B. Schwingung, Druck, Spannung, Strom, Temperatur und
dergleichen. Instrumente zur Schwingungserfassung wurden verwendet,
um Fehler in den Maschinenfunktionen durch das Detektieren von Anomalitäten von
Schwingungen, die mit unterschiedlichen Typen von Maschinenfehlern
korrelieren, zu bestimmen.
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Schwingungsmessvorrichtungen
erfordern typischerweise bedeutende Leistungsversorgungen, Speicher
und umfangreiche Datenübertragungsmöglichkeiten.
Die Leistungsversorgung wird verwendet, um Schwingungssensoren,
andere Sensoren wie z. B. Temperatur- und Drucksensoren, Leistungsregler, einen
Prozessor, einen Speicher und eine Datenübertragungseinrichtung zu versorgen.
Wenn Schwingungssignalformen, die durch Schwingungssensoren erzeugt
werden, in die Vorrichtungen eingegeben werden, müssen die
Signalformen in einem Speicher gespeichert werden. Derartige umfangreiche Schwingungssignalformen
erfordern typischerweise große
Speicherkapazitäten
zur Speicherung. Außerdem
werden die Signalformen häufig
in ihrer Gesamtheit ohne wesentliche Kompression an ein fremdes System
zur Analyse des Maschinenzustands übertragen. Netzverbindungen
müssen
ebenfalls umfangreiche Datenmengen wie z. B. Schwingungssignalformen
aufnehmen. Derartige Schwingungsüberwachungssysteme
sind für
einen Betrieb in einem Steuerprotokoll-Netz weniger gut geeignet.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Messinstrument
zu schaffen, bei dem die oben beschriebenen Probleme nicht bestehen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Messinstrument nach den Ansprüchen 1 oder 16 bzw. durch ein
Schwingungsmessinstrument nach Anspruch 18. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Gemäß einer
hier offenbarten Ausführungsform
weist ein Messinstrument eine Sensorschaltung auf, um einen Parameter
einer Maschine zu erfassen und anhand des erfassten Parameters ein
dynamisches Signal zu erzeugen. Ein Analog/Digital-Umsetzer ist
angeschlossen, um das dynamische Signal zu empfangen und in ein
digitales Format umzusetzen, wodurch ein digitales Signal erzeugt
wird, dass mehrere Datenpunkte aufweist. Ein Prozessor ist angeschlossen,
um das digitale Signal zu empfangen und ein oder mehrere Kennzeichen
des digitalen Signals zu bestimmen. Der Begriff Kennzeichen wird
hier verwendet, um Werte zu bezeichnen, die Informationen über das
digitale Signal repräsentieren
wie z. B. quadratischer Mittelwert, Spitzenwert, Frequenzwert, Spitzenwert
im Frequenzbereich und dergleichen. Der Prozessor bestimmt außerdem Daten,
die einen oder mehreren Kennzeichen entsprechen wie z. B. ein Pegel,
der dem absoluten Spitzenwert des digitalen Signals über einen
vorgegebenen Bereich von Datenpunkten des digitalen Signals entspricht.
Eine Leistungsversorgung ist angeschlossen, um den Prozessor zu
versorgen, und wird durch den Prozessor gesteuert, um einen effizienten
Leistungsverbrauch zu verwalten. Die Leistungsversorgung kann eine nicht
wiederaufladbare Batterie mit großer Lebensdauer oder eine wiederaufladbare
Batterie mit einer Solarleistungsversorgung zum Laden der Batterie sein.
Die Leistungsversorgung kann alternativ eine Leistungsschaltung
sein, die an eine äußere Leistungsquelle
angeschlossen ist.
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In
einigen Ausführungsformen
erzeugt der Prozessor eine PeakVue-Signalform, wie im
US-Patent Nr. 5.895.857 an Robinson
u. a. (das Patent '857)
erläutert
ist, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist.
Die PeakVue-Signalform
ist aus mehreren Pegeln aufgebaut, die den absoluten Spitzenwerten
von unterschiedlichen sequentiellen Abschnitten des digitalen Signals
entsprechen, wobei ein einzelner absoluter Spitzenwertpegel über ein
Zeitintervall bestimmt wird, das ausreichend ist, um elf oder mehr
Wellenumdrehungen zu enthalten.
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In
anderen Ausführungsformen
bestimmt der Prozessor einen wahren quadratischen Mittelwert, der
den Gesamtschwingungspegel in Einheiten der Geschwindigkeit als
eine Angabe des Zustands der Maschine repräsentiert.
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In
weiteren Ausführungsformen
besitzt das Messinstrument ein Datenübertragungsmodul und ein Datenübertragungsprozessor
steuert das Datenübertragungsmodul.
Eine Datenübertragungs-Leistungsversorgung
ist an den Datenübertragungsprozessor
angeschlossen und versorgt den Datenübertragungsprozessor, und eine
Antenne ist an den Datenübertragungsprozessor
angeschlossen, um den Spitzenwert des Pegels und den quadratischen
Mittelwert des Gesamtpegels drahtlos an ein Steuerprotokoll-Netz
wie z. B. ein HART- oder ein Feldbusprotokollnetz zu übertragen.
Einige Ausführungsformen des
Instruments weisen mehrere Sensoren zum Messen von Schwingungen
oder für
verhältnismäßig stationäre Messungen,
wie etwa Temperatur und Druck, auf.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der
folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnungen
Bezug nimmt; es zeigen:
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1 eine
Darstellung des Niederleistungs-Schwingungsmessungs- und Drahtlossendersystems;
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2 eine
Darstellung des drahtlosen Netzes eines Liniennetzsystems; und
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3A-3C sind
Ablaufpläne
der Schwingungssignalverarbeitung, um eine PeakVue-Signalform zu
bestimmen, die Spitzenwerte und einen wahren quadratischen Mittelwert
angibt.
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Ein
Niederleistungs-Schwingungssensor- und Drahtlossendersystem besitzt
einen oder mehrere Sensoreingänge,
um Zustände
wie z. B. Schwingungen an einem oder mehreren Sensoren zu messen.
Das System kann außerdem
eine oder mehrere Messungen eines stationären Zustands oder Gleichspannungsmessungen
von Zuständen
wie z. B. Temperatur und Druck machen. In einer Ausführungsform ist
das System selbstständig
ohne fest verdrahtete Leistungs- oder Datenübertragungsverbindungen und überträgt Daten über ein
drahtloses, sich selbsttätig
konfigurierendes Liniennetzsystem.
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Das
Signal, das von einem Schwingungssensor wie z. B. eine industrielle
Beschleunigungsmesseinrichtung erzeugt wird, hat im Allgemeinen
einen Dynamikbereich von 100 bis 120 dB bei einer Frequenzbandbreite
von etwa 20 kHz bis etwa 30 kHz. Um ein Signal, das von einer solchen
Beschleunigungsmesseinrichtung erzeugt wird, in ein digitales Signal
umzusetzen, das drahtlos übertragen
werden kann, würde
einen Analog/Digital-Umsetzer erfordern, der etwa 100000 bis 200000
Abtastwerte pro Sekunde erzeugt. Dieses System 10 teilt
das Signal in zwei Teile: ein Niederfrequenzbereich (etwa 1 bis
2 kHz) und einen Hochfrequenzbereich. Der Abschnitt des Hochfrequenzbereichs
wird unter Verwendung einer PeakVue-Technologie, die später beschrieben wird,
komprimiert. Dadurch kann die Auflösung des Signals auf etwa 12
bis 16 Bits verringert werden und die Bandbreite kann auf etwa 1
bis 2 kHz verringert werden. Wie später erläutert wird, werden zwei Schwingungsdatenpunkte,
die Kennzeichen repräsentieren, übertragen
und deswegen sind die Anforderungen in Bezug auf Datenübertragung
und Leistung des Systems 10 im Unterschied zu einem System,
das Datenblöcke überträgt, viel
geringer.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
des Systems 10 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind zwei Schwingungssensoren
mit einem Puffer 16 verbunden. In anderen Ausführungsformen
wird kein Eingangspuffer 16 verwendet. Ein Gleichspannungssensor
wie z. B. ein Temperatursensor ist außerdem mit dem Puffer 16 verbunden.
Die Anzahl von Schwingungssensoren 12 und Gleichspannungssensoren 14 kann
variieren, es können
z. B. drei Schwingungssensoren 12 und zwei Gleichspannungssensoren 14 mit
dem Puffer 16 verbunden sein. Der Puffer 16 ist mit
einem Analog/Digital-Umsetzer-Modul 18 (ADC-Modul) verbunden,
das einen oder mehrere Analog/Digital-Umsetzer enthalten kann. Das ADC-Modul 18 ist
mit einem Prozessor 20 verbunden, der mit einem Datenübertragungsmodul 22 verbunden
ist. Das Datenübertragungsmodul 22 ist
mit einer Antenne für
eine Datenübertragung
in einem Drahtlosnetz verbunden. Das System 10 wird durch eine
Leistungsversorgung 26 versorgt und die Leistung wird durch
Leistungsversorgungsregler 28 geregelt, die mit der Leistungsversorgung 26,
dem Puffer 16, dem ADC-Modul 18, dem Prozessor 20 und
dem Datenübertragungsmodul 22 verbunden
sind.
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Das
ADC-Modul 18 enthält
wenigstens einen Analog/Digital-Umsetzer 17, der analoge
Signale, die durch die Schwingungssensoren 12 erzeugt werden, in
digitale Signale umsetzt. Der Analog/Digital-Umsetzer 17 besitzt
typischerweise einen großen
Amplituden-Dynamikbereich von etwa 98 dB und typischerweise etwa
103 dB. Der Analog/Digital-Umsetzer 17 besitzt außerdem einen
Frequenzbereich von etwa 2 Hz bis etwa 48 kHz. Eine Abtastrate von
etwa 96 Hz wird in der bevorzugten Ausführungsform verwendet. Ein zweiter
Analog/Digital-Umsetzer 19 setzt ebenfalls verschiedene
interne Spannungen wie z. B. einige Leistungsversorgungsspannungen
und Sensorvorbelastungsspannungen für den Zweck der Online-Diagnoseüberwachung
des Systems 10 um. In der bevorzugten Ausführungsform
ist der zweite Analog/Digital-Umsetzer 19 ein 12-Bit-ADC.
Die digitalen Signale, die durch das ADC-Modul 18 erzeugt
werden, werden zum Prozessor 20 gesendet.
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Der
Prozessor 20 ist vorzugsweise ein digitaler Signalprozessor
mit einer Hybrid-Charakteristik. Das
heißt,
der Prozessor 20 der bevorzugten Ausführungsform ist ein digitaler
Signalprozessor, der außerdem
mehrere periphere Eingabe-/Ausgabeanschlüsse aufweist. Der Prozessor 20 verbraucht
außerdem
im eingeschalteten Zustand eine geringe Menge an Leistung und ebenfalls
eine sehr geringe Menge an Leistung, wenn er in einem Bereitschafts- oder
Schlafzustand ist, wie später
erläutert
wird.
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Die
Leistungsversorgung 26 kann eine Batterie sein, die Leistung über mehrere
Jahre liefert, ohne dass sie ersetzt werden muss. Die Niederleistungs-Charakteristiken
des ADC-Moduls 18 und des Prozessors 20 ermöglichen
eine derartig lange Nutzungsperiode einer einzelnen Batterie. Die
Leistungsversorgung 26 kann alternativ eine Solar-Leistungsversorgung
sein. Eine Solar-Leistungsversorgung ist eine Solartafel, die mit
einer Bleisäurebatterie
verbunden ist und einen 24stündigen
Betrieb ermöglicht,
indem die Bleisäurebatterie
während
Tageslichtstunden aufgeladen wird. Die Leistungsversorgung wird
durch den Prozessor 20 gesteuert, um den Leistungsverbrauch
des Systems 10 auf einem minimalen Wert zu halten.
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Der
Prozessor 10 kommuniziert mit dem Datenübertragungsmodul 22,
das in einer Ausführungsform
ein Emerson-Funkmodul ist, das von Dust Networks, Inc. entwickelt
wurde. Das Datenübertragungsmodul 22 besitzt
einen Prozessor mit eigenem Wach- und Schlafzeitplan, der vom Systemprozessor 20 und
dem Rest des Systems 10 unabhängig ist. In einer Ausführungsform
ist das Netz, mit dem das System 10 Daten austauscht, ein
sich selbsttätig
konfigurierendes Funknetz mit einem Bereich von etwa 7,62 m bis
etwa 9,14 m (etwa 250 ft bis etwa 300 ft).
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In 2 ist
ein Netz 30 gezeigt. Ein oder mehrere Systeme 10 sind
in einer Liniennetzkonfiguration verbunden, wodurch die Datenübertragungsmodule 22 aller
Systeme 10 untereinander kommunizieren und selbsttätig ein
Datenübertragungsnetz konfigurieren.
Jedes Datenübertragungsmodul 22 eines
Systems erwacht nach jeweils 1 Sekunde für etwa 30 Millisekunden, um
das Netz zu konfigurieren und Daten längs des Liniennetzes auszutauschen. Die
Daten von jedem System 10 werden von einem Datenübertragungsmodul 22 zum
nächsten
weitergeleitet, bis sie den Haupt-Gateway 32 erreichen. Der
Haupt-Gateway 32 ist mit einem Lokalbereichsnetz 34 wie
z. B. das Ethernet-Computernetz einer Betriebsstätte verbunden. Die Datenübertragungsmodule 22 erwachen
periodisch unabhängig
davon, ob das System 10 neue Daten gesammelt hat, die über das
Netz 30 übertragen
werden müssen.
Das erfolgt in der Weise, dass sich das Datenübertragungsmodul 22 selbsttätig konfigurieren
kann und an dem Liniennetz 30 teilnimmt, um Daten mit dem Haupt-Gateway
und schließlich
mit dem LAN 34 auszutauschen. In einer Ausführungsform
sind die Daten in dem Netz 30 unter Verwendung des HART-Protokolls
formatiert und in einer alternativen Ausführungsform sind die Daten unter
Verwendung des Feldbusprotokolls formatiert.
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Bei
vielen Anwendungen erfolgt eine Schwingungsmessung lediglich einmal
pro Tag oder einmal pro Stunde. Andere Messungen jedoch wie z. B.
Druck und Temperatur können
jede Sekunde oder nach jeweils 10 Sekunden erfolgen. Das Datenübertragungsmodul 22 des
Systems 10 kann eine Vielzahl von Messungstypen versorgen,
da es seinen eigenen Prozessor, der von Systemprozessor 20 getrennt
ist, besitzt. Des Weiteren wird das Datenübertragungsmodul 22 ständig durch
die Leistungsversorgung 26 versorgt. Das heißt, die
Leistung, die zum Datenübertragungsmodul 22 gesendet
wird, wird nicht durch den Systemprozessor 20 gesteuert,
sondern es ist stattdessen ununterbrochen angeschaltet. Unabhängig von
der Häufigkeit,
mit der das System 10 erwacht, um Messungen auszuführen, wird
das Datenübertragungsmodul 22 somit
ständig
versorgt und durch seinen eigenen Prozessor 20 gesteuert, um
am Netz 30 betrieben zu werden.
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Das
Messsystem (Abschnitt des Systems 10, der das Datenübertragungsmodul 22 nicht
enthält)
erwacht periodisch aus dem Ruhe- oder Schlafzustand und führt typischerweise
nach einem im Voraus festgelegten Zeitplan getrennt und verschieden von
dem Schlaf- und Aufwach-Zeitplan des Datenübertragungsmoduls 22 eine
oder mehrere Messungen aus. Derartige Messungen können eine
Messung der Gesamtschwingungsenergie und eine Hochfrequenz-PeakVue-Messung,
die von einer Zeit-Signalform abgeleitet ist, enthalten. Es erfolgen eine
oder mehrere Messungen, der Systemprozessor 20 wartet auf
den Aufwachzyklus des nächsten Datenübertragungsmoduls 22,
der in einer Ausführungsform
nach jeweils einer Sekunde auftritt. Der Systemprozessor 20 sendet
dann die Messdaten zu einem Puffer im Datenübertragungsmodul 22.
Nachdem die Daten in den Puffer des Datenübertragungsmoduls 22 geladen
wurden, führt
der Systemprozessor 20 das Messsystem wieder in einen Schlafzustand
zurück,
bis die nächste
Messung geplant ist. Der Prozessor des Datenübertragungsmoduls 22 steuert
dann die Datenübertragung
der Messdaten über
das Netz 30 und zum Haupt-Gateway 32.
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Wenn
Schwingungsmessungen erfolgen, wird die Schwingung der Gesamtgeschwindigkeit
bei einer Frequenzbandbreite von etwa 2 Hz bis etwa 1 kHz gemessen
und ein quadratischer Mittelwert (RMS) wird in Einheiten Zoll pro
Sekunde berechnet. Außerdem
wird ein Spitzenwert des g-Pegels in Gravitationseinheiten oder
Einheiten von "g" für Frequenzen
größer als
etwa 1 kHz für
eine Beobachtungsperiode von etwa 10 Zyklen oder Umdrehungen. Die Bandbreite
des Spitzenwert des g-Wertes, der aus einer PeakVue-Zeitsignalform
extrahiert wird, wie im '857-Patent
erläutert
wurde, liegt in einem Bereich von etwa 1 kHz bis zum Grenzwert des
verwendeten Schwingungssensors. Der obere Bandbreitengrenzwert eines
Schwingungssensors wie z. B. ein ICP oder ein Dreileitungstyp beträgt typischerweise
etwa 20 kHz.
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In
den 1 und 3A veranschaulicht ein Ablaufplan
eine Schwingungsmessung, die durch eine Ausführungsform des Systems 10 erfolgt
und verarbeitet wird. Zuerst erfolgt eine Messung durch einen Schwingungssensor
wie z. B. eine Beschleunigungsmesseinrichtung. Der Schwingungssensor
erzeugt ein elektrisches Wechselspannungssignal, das der Schwingungsmessung
entspricht, und dieses Signal wird zu einem optionalen Puffer 16 gesendet und
wird durch einen Pfeil 38 dargestellt. Im Schritt 48 wird
das Signal durch ein Hochpassfilter, das in einigen Ausführungsformen
Teil des ADC-Moduls 18 ist, gefiltert. Das Hochpassfilter
filtert und entfernt vorzugsweise Signalkomponenten, die kleiner
als 2 Hz sind. Im Schritt 50 wird das Signal durch einen ADC 17 im
ADC-Modul 18 (1) von einem analogen Signal
in ein digitales Signal umgesetzt. Der Analog/Digital-Umsetzer 17 erzeugt
vorzugsweise Abtastwerte bei einer Auflösung von etwa 100000 s-1. Anschließend wird eine PeakVue-Berechnung
an dem digitalen Signal ausgeführt,
wie in 3B dargestellt ist, und eine
Berechnung des quadratischen Mittelwertes wird an dem digitalen
Signal ausgeführt, wie
in 3C gezeigt ist. Diese Berechnungen werden im Prozessor 20 (1)
ausgeführt.
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In 3B wird
im Schritt 52 das digitalisierte Signal, das durch den
Pfeil 44 dargestellt ist, durch ein digitales Hochpass-
oder Bandpassfilter digital gefiltert. Das Filter kann Teil des
ADC-Moduls 18 oder des Prozessors 20 sein (1).
Anschließend wird
im Schritt 54 ein PeakVue-Datenblock gebildet und im Schritt 56 wird
ein Spitzenwert aus dem PeakVue-Datenblock bestimmt. Mehrere PeakVue-Datenblöcke können gebildet
werden (Schritt 54) und aus jedem können Spitzenwerte bestimmt
werden (Schritt 56), um die Genauigkeit des Spitzenwertes (bzw.
der Spitzenwerte) zu prüfen
oder zu bewerten. Es können
z. B. drei PeakVue-Datenblöcke
gebildet werden (Schritt 54) und die von jedem bestimmten Spitzenwerte
(Schritt 56) werden geprüft, um alle unangebrachten
niedrigen oder hohen Spitzenwerte aus dem Signal zu entfernen. Nachdem
alle unangebrachten niedrigen oder hohen Spitzen aus dem Signal
entfernt wurden, werden die verbleibenden Spitzenwerte gemittelt
oder es kann einer ausgewählt werden,
der die Gruppe repräsentiert.
Nachdem ein Spitzenwert unter Verwendung des oben erläuterten Prozesses,
der durch den Schritt 58 dargestellt ist, bewertet wurde,
wird er zu dem Datenübertragungsmodul 22 gesendet
(1), in dem er im Puffer des Datenübertragungsmoduls 22 gespeichert
wird, bis er über
das Netz 30 übertragen
wird.
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Zusammenfassend
wird eine Zeitsignalform einer Schwingung gemessen und es wird eine
Anzahl von Spitzenwerten der Amplitude bestimmt. Ein Spitzenwert
kann einen Maschinenfehler repräsentieren. In
einer Ausführungsform
werden drei Spitzenwerte der Amplitude bestimmt. Diese Übergangsspitzenwerte
der Signalform repräsentieren
jedoch eine unerwünschte
Charakteristik wie z. B. einen Blitzschlag. Dies kann entscheidend
sein und deswegen werden die Spitzenwerte der Amplitude verglichen
und ein extrem hoher oder extrem niedriger Spitzenwert kann von
der Betrachtung ausgeschlossen werden. Die Spitzenwerte der Amplitude
können
außerdem
gemittelt werden, um die Wirkung von möglicherweise irreführenden
Erscheinungen minimal zu machen. Eine derartige Signalanalyse kann
in der Firmware des Systems 10 konfiguriert werden.
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Die
PeakVue-Zeitsignalform wird z. B. während einer Zeitdauer erfasst,
die ausreichend ist, um mehrere Umdrehungen, z. B. zwölf Umdrehungen
zu erfassen. In anderen Ausführungsformen
wird eine andere Anzahl von Umdrehungen erfasst. Im Allgemeinen
ist der "Spitzenwert
des g-Pegels" das
Kennzeichen, das bei der PeakVue-Zeitsignalform für die Schwingungsanalyse
von Interesse ist. In einigen Ausführungsformen wird jedoch eine
schnelle Fourier-Transformation an der PeakVue-Zeitsignalform gleichzeitig
mit der Berechnung des Spitzenwerts des g-Pegels oder nach dieser ausgeführt. Die
PeakVue-Zeitsignalform bleibt zusätzlich zu der ursprünglichen
Berechnung des Spitzenwertes des g-Pegels oder FFT-Berechnung zur
Verarbeitung verfügbar. Außerdem wird
in einigen Ausführungsformen
weder der Spitzenwert des g-Pegels noch die FFT berechnet, stattdessen
wird ein anderer Algorithmus zur Datenanalyse an der PeakVue-Zeitsignalform
ausgeführt.
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Bei
der Bestimmung des Spitzenwertes des g-Pegels wird das Signal im
Schritt 48 durch ein passives Hochpassfilter gefiltert,
wie oben erläutert
wurde. Anschließend
wird das Signal im Schritt 50 komprimiert oder durch das
ADC-Modul 18 digitalisiert. Bei diesem Beispiel wird das
Signal bei einer hohen Rate von etwa 2,56 Abtastwerten bei 40 kHz
oder etwa 102400 Abtastwerten pro Sekunde abgetastet. Dann wird
das Signal im Schritt 52 durch ein Hochpass- oder Bandpassfilter
digital gefiltert, das in einigen Ausführungsformen Teil des ADC-Moduls 18 und in
anderen Ausführungsformen
Teil des Prozessors 20 ist. An diesem Punkt wird das Signal
auf eine effektiv geringere Bandbreite komprimiert. Die geringere
Bandbreite ist durch das Hochpassfilter, das im Schritt 52 verwendet
wird, begrenzt. Unter der Annahme, dass die geringere Bandbreite
mit 1000 Hz ausgewählt
ist, wird die Datenkompression durch eine Dezimierung ausgeführt, wie
durch den Schritt 56 dargestellt ist. Das heißt, der
erste Datenpunkt in der PeakVue-Zeitsignalform wird als der maximale absolute "g-Pegel"-Wert oder Spitzenwert
der Amplitude in den ersten 40 Datenpunkten in dem Signal mit hoher
Abtastrate ausgewählt.
Die Anzahl von Datenpunkten (in diesem Beispiel 40) wird durch 40000 Hz/1000
Hz bestimmt. Der zweite Datenpunkt in der PeakVue-Zeitsignalform
ist der maximale absolute "g-Pegel" in den nächsten 40
Punkten usw., bis die PeakVue-Zeitsignalform vollständig ist.
Die Anzahl von Datenpunkten in der PeakVue-Zeitsignalform ist im
Allgemeinen der Faktor (2,56) multipliziert mit der vom Benutzer
festgelegten Anzahl von Leitungen, die ausgewählt wird, um eine ausreichende
Anzahl von erfassten Umdrehungen sicherzustellen.
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In
einigen Ausführungsformen
werden mehrere PeakVue-Signalformen, z. B. drei PeakVue-Signalformen
gebildet, wovon jede Charakteristiken des digitalen Signals darstellt.
Die mehreren PeakVue-Signalformen werden dann durch eine Vergleichsschaltung
oder den Prozessor verglichen und ein Fehlerbeseitigungsalgorithmus
wird ausgeführt.
In einer Ausführungsform
werden drei PeakVue-Signalformen gebildet, Spitzenwerte des g-Pegels
werden für jede
der drei PeakVue-Signalformen
bestimmt und der arithmetische Mittelwert der drei Spitzenwerte des
g-Pegels wird bestimmt und anschließend an das Netz 30 als
Nutzdatenwert übertragen.
In anderen Ausführungsformen
werden unterschiedliche Fehlerbeseitigungsalgorithmen einschließlich der
Bestimmung mehrere Spitzenwerte des g-Pegels, der Eliminierung herausragender
Werte, der Berechnung des arithmetischen Mittelwerts der restlichen
Werte und der Übertragung
des resultierenden Datenwerts an das Netz 30 ausgeführt.
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In 3C wird
das digitalisierte Signal, das durch einen Pfeil 46 dargestellt
ist, im Schritt 60 durch ein digitales Tiefpassfilter,
das bei etwa 1 kHz filtert, digital gefiltert. In einigen Ausführungsformen ist
das digitale Tiefpassfilter Teil des Prozessors 20 (1).
Anschließend
wird das Signal im Schritt 62 durch den Prozessor 20 (1)
numerisch integriert, um eine Geschwindigkeits-Signalform zu erhalten. Diese
numerische Integration im Schritt 62 erfordert typischerweise
eine Einschwingzeit, bevor der Geschwindigkeitsdatenblock gebildet
wird. In einigen Ausführungsformen
wird bei der numerischen Integration im Schritt 62 eine Überabtastung
verwendet und diese liefert eine annehmbare Näherung einer kontinuierlichen
Integration, wenn ein Abtastfaktor von wenigstens zehn verwendet
wird. Die Zeitdauer im Geschwindigkeitsdatenblock sollte ausreichend sein,
um zehn oder mehr Umdrehungen der Maschine zu erfassen. Anschließend verwendet
der Prozessor 20 (1) den Geschwindigkeitsdatenblock,
um im Schritt 64 einen gesamten quadratischen Mittelwert
zu berechnen. Nachdem der quadratische Mittelwert berechnet wurde,
wird er an den Puffer des Datenübertragungsmoduls 22 gesendet,
wo er die Übertragung über das
Netz 30 abwartet. Der resultierende quadratische Mittelwert
wird in der Einheit Zoll pro Sekunde über eine Bandbreite von etwa
2 Hz bis etwa 1 kHz berechnet. Außerdem kann in einigen Ausführungsformen
eine schnelle Fourier-Transformation oder eine andere Berechnung
an den Daten am Standort des Systems 10 gleichzeitig mit
der anfänglichen
Berechnung des quadratischen Mittelwerts oder der FFT-Berechnung
oder nach dieser ausgeführt
werden. In einigen Ausführungsformen wird
weder die Berechnung des quadratischen Mittelwerts noch die FFT-Berechnung
ausgeführt,
stattdessen werden andere Algorithmen an der Signalform der Geschwindigkeit
ausgeführt.
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Die
Berechnung des quadratischen Mittelwerts kann "während
der Übertragung" ausgeführt werden.
Das bedeutet, dass die Datensignalform nicht gespeichert werden,
um später
den quadratischen Mittelwert oder in einigen Fällen die schnelle Fourier-Transformation
zu berechnen. Um einen wahren quadratischen Wechselspannungs-Mittelwert
zu berechnen, müssen
Daten gespeichert werden. Das ist der Fall, da der Gleichspannungs-Offset am
Ende der Berechnung bestimmt werden muss, um den wahren quadratischen
Mittelwert zu berechnen. Wenn jedoch Zwischenwerte der Berechnung des
quadratischen Mittelwerts gespeichert und am Ende der Berechnung
verknüpft
werden, wird der Gleichspannungs-Offset aus dem quadratischen Mittelwert
inhärent
entfernt ohne die Notwendigkeit der Bestimmung des Gleichspannungs-Offset
am Ende der Berechnung und einer dementsprechenden Einstellung des
quadratischen Mittelwerts. Deswegen schont die Berechnung des quadratischen
Mittelwerts "während der Übertragung" Ressourcen des Systems 10 wie
z. B. Speicher und Leistung.
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Um
den Leistungsverbrauch im System 10 minimal zu machen,
wird vorzugsweise eine Beschleunigungsmesseinrichtung des Dreidraht-Typs, die
etwa 2,5 mW benötigt,
als Schwingungssensor verwendet, um den Leistungsverbrauch minimal
zu machen. Alternativ benötigt
eine ICP-Beschleunigungsmesseinrichtung etwa 40 bis 48 mW. Außerdem ist
der Haupt-Analog/Digital-Umsetzer des ADC-Moduls 18, der
für die
Schwingungssignale verwendet wird, vorzugsweise ein Niederleistungs-24-Bit-Sigma-Delta-Umsetzer
(etwa 36 mW), der bei etwa 100000 Abtastwerten pro Sekunde abtastet.
Außerdem
ist der Prozessor 20 in einer Ausführungsform ein Analog Devices
BF533, der im aktiven Betriebszustand etwa 2,6 mW verbraucht. Wie oben
erläutert
wurde, besitzen sowohl das ADC-Modul 18 als auch der Prozessor 20 Schlaf-Betriebsarten,
um weiterhin Leistung einzusparen. Die nicht digitalen Komponenten
wie z. B. die Sensoren und die analoge Pufferschaltung besitzen
jedoch typischerweise keine Schlaf-Betriebsarten, wobei die analoge Pufferschaltung
allein für
den Betrieb etwa 2,5 bis 5 mW Leistung benötigt.
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Das
System 10 ist bei den Messungen, die gemacht werden können, und
den Berechnungen, die ausgeführt
werden, infolge des nahezu vollständig digitalen Auf baus sehr
vielseitig. Des Weiteren ermöglicht
ein Betrieb bei einem Zyklus mit niedrigem Tastverhältnis in
Verbindung mit Niederleistungsinstrumenten, dass das System 10 eine
Vorrichtung mit sehr niedrigem Leistungsbedarf ist. Der nahezu vollständig digitale
Aufbau und die Niederleistungs-Charakteristik des Systems 10 führen zu
einem sehr kleinen, aber flexiblen System 10, das in einem
Kasten untergebracht ist.
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Die
vorhergehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen für diese
Erfindung erfolgte für
Zwecke der Erläuterung
und Beschreibung. Es ist nicht vorgesehen, dass sie erschöpfend ist
oder die Erfindung auf die präzise
Form, die offenbart wurde, beschränkt. Im Licht der obigen Erkenntnisse
sind offensichtlich Modifikationen oder Variationen möglich. Die
Ausführungsformen
wurden bei dem Versuch ausgewählt
und beschrieben, die besten Darstellungen der Prinzipien der Erfindung
und ihrer praktischen Anwendung bereitzustellen, um dadurch einen Fachmann
zu befähigen,
die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen
zu verwenden, die für
die vorgesehene spezielle Verwendungsart geeignet sind. Alle derartigen
Modifikationen und Variationen liegen im Umfang der Erfindung, der
durch die beigefügten
Ansprüche
bestimmt ist, wenn diese in Übereinstimmung
mit Breite interpretiert werden, in der sie angemessen, rechtlich
relevant und vernünftig
bezeichnet werden.
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Ein
Niederleistungs-Schwingungssensor- und Drahtlossendersystem besitzt
einen oder mehrere Sensoren, die Parameter einer Maschine einschließlich Schwingungen
erfassen und dynamische Signale erzeugen, die die erfassten Parameter
repräsentieren.
Das System setzt die Signale in ein digitales Format um, filtert
die Signale digital und verarbeitet die Signale. Ein Prozessor bestimmt
mehrere Pegel, die die Kennzeichen des Signals darstellen, wie z.
B. den Spitzenwert einer vorgegebenen Menge von Datenpunkten des
digitalen Signals. Die Pegel bilden gemeinsam eine PeakVue-Signalform.
Der Prozessor bestimmt den Spitzenwert des Pegels für die PeakVue-Signalform.
Außerdem
wird ein wahrer quadratischer Mittelwert berechnet, wenn das Signal am
Prozessor empfangen wird. Der Spitzenpegel und der quadratische
Mittelwert werden drahtlos durch ein Datenübertragungsmodul an ein Steuerprotokollnetz
wie z. B. ein Liniennetz-HART- oder Feldbusprotokollnetz übertragen.
Die Leistungsversorgung des Systems und die Leistungsversorgung des
Datenübertragungsmoduls
sind getrennt und ermöglichen
einen Niederleistungsbetrieb.