Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren
der Fehlfunktion eines Beschleunigungsmessers in Form eines
piezoelektrischen Geräts, wobei ein elektrisches Prüfsignal,
vorzugsweise in Form eines Rechteckimpulses, von einem
Prüfsignalgenerator zum piezoelektrischen Gerät in einem
Prüfzustand übertragen werden kann, in den das Gerät durch einen
Umschalter geschaltet wird, der eine Umschaltung so
durchführen kann, daß das Antwortsignal vom piezoelektrischen Gerät
zu einer Analysenschaltung, vorzugsweise einer
Frequenzanalysenschaltung, übertragen werden kann, um einer
Fehlfunktionsdetektion unterzogen zu werden.
Hintergrund der Technik
-
Um ausreichende Meßgenauigkeit einer Schwingungsmessung
mit einem Beschleunigungsmesser zu erhalten, müssen zwei
Forderungen erfüllt sein: der Beschleunigungsmesser muß auf
einer ebenen Oberfläche befestigt und das Moment oder die Kraft
der Befestigung muß geeignet sein. Bei Verringerung des
Moments oder der Kraft der Befestigung sinkt die
Resonanzfrequenz, bis überhaupt keine Verbindung zwischen
Beschleunigungsmesser und Befestigungsoberfläche vorhanden ist. Damit
wird die freie Resonanzfrequenz des Beschleunigungsmessers
gemessen. Die optimale Resonanzfrequenz führt zur maximalen
Amplitude. Eine Messung der Resonanzfrequenz des
Beschleunigungsmessers und der zugehörigen Amplitude ergibt eine
Anzeige des Befestigungszustands des Beschleunigungsmessers. Wird
die Resonanzfrequenz des Beschleunigungsmessers nach
Befestigung gemessen und die Resonanzfrequenz mit dem
Resonanzfrequenzwert in der Kalibriertabelle des Beschleunigungsmessers
verglichen, gelten die folgenden Faktoren:
-
Eine geringere Resonanzfrequenz als der Wert in der
Kalibriertabelle verweist darauf, daß der Beschleunigungsmesser
nicht richtig befestigt wurde. Ist z. B. die gemessene
Resonanzfrequenz 1,5 mal so hoch wie die Angabe der
Kalibriertabelle, bedeutet dies, daß der Beschleunigungsmesser inkorrekt
befestigt wurde. Liegt die gemessene Resonanzfrequenz der
Angabe der Kalibriertabelle sehr nahe, heißt das, daß der
Beschleunigungsmesser ausreichend gut befestigt wurde.
-
Sind Befestigung und Oberfläche korrekt, werden die
Frequenz und Amplitude der Messung gespeichert. Eine Änderung
der Frequenz im Verlauf späterer Messungen zeigt an, daß die
Befestigung beeinflußt wurde. Eine Änderung der Amplitude
ohne gleichzeitige Änderung der Resonanzfrequenz verweist
darauf, daß sich die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers
geändert hat.
-
Aus der EP-A-534366 ist die Durchführung einer
kontinuierlichen Beobachtung des Befestigungszustands eines
Beschleunigungsmessers bekannt. Ein Prüfsignal wird zum
Beschleunigungsmesser über einen Kondensator geführt. Natürlich
sollte ein solcher Kondensator vermieden werden. Außerdem ist
eine ziemlich komplizierte Analysenschaltung erforderlich,
die zwischen angelegten und tatsächlichen Schwingungssignalen
unterscheiden können muß. Die Zufuhr von Prüfsignalen und die
Analyse werden gleichzeitig durchgeführt.
-
Außerdem offenbart die US-A-4418567 eine
Sensorausrüstung zum Detektieren von Motorklopfen in einem
Kraftfahrzeugmotor. Diese Ausrüstung weist eine Steuerschaltung auf,
die Torsteuersignale zum Aufteilen in eine Meß- und Prüfphase
erzeugt. Die Prüfphase weist eine Detektion einer möglichen
Fehlfunktion des Sensors auf. Das Aufteilen in eine Meß- und
Prüfphase erfolgt synchron zur Drehung des Motors.
Tatsächlich wird das Prüfsignal gleichzeitig mit dem Meßverfahren
zugeführt. Die Prüfung erfolgt lediglich in einer Zeit, in
der bekannt ist, daß kein Meßsignal vorliegt. Folglich ist
die Ausrüstung auf eine spezielle Anwendung begrenzt.
-
In der GB-A-2253487 ist ein ähnliches Gerät offenbart.
-
Ferner offenbart die DE-A-35 42 397 ein Gerät zum Prüfen
eines Beschleunigungsmessers in Form einer piezoelektrischen
Einheit. Diese piezoelektrische Einheit wird geprüft, indem
sie durch eine zusätzliche piezoelektrische Einheit
mechanisch beeinflußt wird. Allerdings sollte diese zusätzliche
piezoelektrische Einheit vermieden werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine
Vorrichtung zum Detektieren der Fehlfunktion eines
Beschleunigungsmessers in Form eines piezoelektrischen Geräts
bereitzustellen, das wesentliche einfacher und im Gebrauch universeller
als bisher bekannt ist.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch eine weitere
Schalteinrichtung gekennzeichnet, die im Prüfzustand arbeitet
und geeignet ist, das piezoelektrische Gerät entweder mit dem
Prüfsignalgenerator oder der Frequenzanalysenschaltung zu
verbinden und das Antwortsignal bei Beendigung der
Übertragung des Prüfsignals zu detektieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im folgenden wird die Erfindung näher anhand der
beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
Fig. 1 die Resonanzfrequenz als Funktion des
Befestigungsdrehmoments eines Beschleunigungsmessers auf einer
ebenen Oberfläche,
-
Fig. 2 eine Schaltung zum Detektieren der Fehlfunktion
eines Beschleunigungsmessers,
-
Fig. 3 ein Zustandsdiagramm von elektrischen Signalen in
der Schaltung von Fig. 2,
-
Fig. 4 eine vereinfachte Ausführungsform der
Detektorschaltung,
-
Fig. 5 das Signal über dem Beschleunigungsmesser,
-
Fig. 6 eine bevorzugte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Detektorschaltung, und
-
Fig. 7 Zustandsdiagramme von elektrischen Signalen in
der Schaltung von Fig. 6.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
-
Um die höchstmögliche Meßgenauigkeit einer
Schwingungsmessung mittels eines Beschleunigungsmessers zu erhalten, ist
es wichtig, daß der Beschleunigungsmesser auf einer ebenen
und sauberen Oberfläche befestigt und daß das Festspannen,
d. h. das Befestigungsdrehmoment, geeignet ist. In Verbindung
mit einer vorbestimmten Befestigungsoberfläche ist die
Resonanzfrequenz vom Moment oder von der Kraft der Befestigung
abhängig. Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die Beziehung
zwischen Moment oder Kraft der Befestigung und Resonanzfrequenz
auf einer ebenen Oberfläche. Bei Verringerung des Moments
oder der Kraft der Befestigung sinkt die Resonanzfrequenz,
bis die Verbindung zwischen Beschleunigungsmesser und
Befestigungsstruktur weggefallen ist. Folglich wird die freie
Resonanzfrequenz des Beschleunigungsmessers gemessen. Die
maximale Resonanzamplitude wird bei der optimalen
Resonanzfrequenz gemessen. Eine Messung der Resonanzfrequenz des
Beschleunigungsmessers und der entsprechenden Amplitude führt
zu einer Anzeige des Befestigungszustands des
Beschleunigungsmessers. Wird die Resonanzfrequenz des
Beschleunigungsmessers nach Befestigung gemessen und die Resonanzfrequenz
anschließend mit einer Resonanzfrequenz einer
Kalibriertabelle verglichen, gelten die folgenden Tatsachen: Ist die
gemessene Frequenz geringer als die Angabe der Kalibriertabelle,
bedeutet dies, daß der Beschleunigungsmesser nicht richtig
befestigt wurde. Ist die gemessene Resonanzfrequenz je nach
Art des Beschleunigungsmessers etwa 1,5 mal so hoch wie die
Angabe der Kalibriertabelle, heißt das, daß der
Beschleunigungsmesser überhaupt nicht befestigt wurde. Liegt die
gemessene Resonanzfrequenz nahe dem in der Kalibriertabelle
angegebenen Wert, heißt das, daß der Beschleunigungsmesser
richtig befestigt wurde.
-
Ist das Moment oder die Kraft der Befestigung an der
Oberfläche korrekt, werden die Frequenz und Amplitude in
einem Speicher gespeichert. Eine Änderung der Frequenz während
einer späteren Messung zeigt an, daß sich die Befestigung
geändert hat. Eine Änderung der Amplitude ohne entsprechende
Änderung der Resonanzfrequenz verweist darauf, daß sich die
Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers geändert hat.
Bei Anlegen eines niederohmigen Rechteckimpulses mit
einer Grundfrequenz, die im wesentlichen der Resonanzfrequenz
des Beschleunigungsmessers entspricht, antwortet der
Be
schleunigungsmesser durch Nachschwingen mit der (den)
Resonanzfrequenz(en), was Fig. 3 zeigt. Normalerweise kann dieses
Nachschwingen etwa 1 us nach Impulsbeendigung gemessen
werden. Ist ein Beschleunigungsmesser so befestigt, daß er nur
an wenigen Punkten mit der Oberfläche in Berührung steht,
kann das Antwortsignal einige enge Resonanzen aufweisen. Im
Moment des Antwortsignalempfangs kann der
Beschleunigungsmesser 4 ferner eine niedrige Gleichspannung aufweisen, die
ausgefiltert werden muß. Das Antwortsignal kann beispielsweise
durch einen Analysator analysiert werden, z. B. einen
Frequenzanalysator 8. Dadurch kann bestimmt werden, ob mehrere
Resonanzfrequenzen auftreten. Das Vorliegen mehrerer
Resonanzfrequenzen verweist darauf, daß der Beschleunigungsmesser
4 an mehreren Stellen mit der betreffenden Oberfläche in
Berührung stehen kann (schlechte Berührung). Eine Messung des
Antwortsignals bei richtiger Befestigung auf einer guten
Oberfläche führt zu einer Anzeige der Empfindlichkeit des
Beschleunigungsmessers 4. Ein Umschalter 1, 2 schaltet zwischen
einem normalen Meßzustand und einem Prüfzustand um, indem der
Beschleunigungsmesser 4 entweder mit einem
Prüfsignalgenerator 3 oder direkt mit der Analysenschaltung 8 oder einem
damit parallel gekoppelten Zähler verbunden wird.
-
Das Antwortsignal wird einer Filterung durch ein
Bandpaßfilter 6 unterzogen, um unerwünschte Gleichspannungs- und
Innenresonanzen mit hohen Frequenzen zu beseitigen. Zum
Beispiel kann das Bandpaßfilter den Bereich von 10 kHz bis
30 kHz abdecken.
-
Fig. 4 veranschaulicht eine vereinfachte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung. Diese
Ausführungsform weist einen Beschleunigungsmesser 4 in Form eines
piezoelektrischen Geräts, einen Umschalter 1, 2 und einen
durch eine Steuerschaltung gesteuerten Prüfsignalgenerator 3
auf. Der Umschalter 1, 2 weist zwei Kontaktarme auf, die
zwischen einem Meß- und einem Prüfzustand in der obersten bzw.
untersten Position der Kontaktarme umschalten können. Ein
Prüfverfahren des Prüfsignalgenerators 3 entspricht dem
Durchlaufen von fünf Positionen eines
Kontaktarms, wobei das Verfahren an der untersten Position beendet
wird, wenn der Beschleunigungsmesser mit einem Verstärker 5
verbunden ist. Die Zeitaufzeichnung des Signals über dem
Beschleunigungsmesser 4 ist in Fig. 5 zusammen mit den
Kontaktarmpositionen veranschaulicht. Der Kontaktarm kann durch eine
logische Schaltung gesteuert sein.
-
Der Verstärker 5 kann ein Spannungsverstärker oder ein
Ladungsverstärker sein. Ein Hochpaßfilter 6' dient zum
Ausfiltern niederfrequenter Komponenten, bevor das Signal zu
einem Zähler 7 übertragen wird, der die Anzahl von
Nulldurchgängen zählt. Alternativ oder gleichzeitig kann das Signal zu
einer Meßausrüstung 18 übertragen werden, die mit der
Verbindung zwischen Verstärker 5 und Filter 6' verbunden ist.
-
Das Prüfsignal beginnt bei Null oder einem dem
Gleichspannungseingangspegel des Verstärkers 5 entsprechenden Pegel
und endet auf dem gleichen Pegel, nachdem es eine gleiche
Anzahl positiver und negativer Impulse durchlaufen hat. Bei
getrenntem Prüfsignalgenerator 3 ist der Signalpegel so, daß
das Nachschwingsignal gegenüber Null symmetrisch ist. Dadurch
kann die Signalanalyse unmittelbar beginnen. Das
veranschaulichte Beispiel weist nur einen positiven und einen negativen
Impuls auf, obgleich das Prinzip nicht auf diese Anzahl
begrenzt ist. Zum Beispiel kann eine weitere logische Steuerung
geeignet sein, positive und negative Impulse zu erzeugen.
-
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Detektionsvorrichtung. Der Verstärker 5 ist ein
Ladungsverstärker, der eine Zeitkonstante T&sub1; = R&sub2; · C in der
Meßposition für die Umschalter 1, 2, 2 und eine Zeitkonstante T&sub2; =
(R1 R2) · C in der Prüfposition liefert. T&sub2; ist kleiner als
T&sub1;, da die Meßposition nur ein Messen bei relativ hohen
Frequenzen beinhaltet. Zudem weist der durch einen Umschalter 3
gebildete Prüfsignalgenerator nur vier Positionen auf. Ein
damit verbundener Mikroprozessor 12 steuert das Umschalten
zwischen dem Meßzustand und Prüfzustand, das
Impulsgeneratorsignal von 3 sowie die Signalverarbeitung in der
Meßausrüstung 18 und die Zählung im Zähler 7, wobei der
Mikroprozessor 12 mit einem Decodierer für die Umschalter 1, 2, ,
ei
nem Decodierer für den Umschalter 3, der Meßausrüstung 18
bzw. dem Zähler 7 über einen oder mehrere Busse kommuniziert.
-
Fig. 7 zeigt ein Zustandsdiagramm der Schaltung in Fig.
6 für:
-
das Signal über dem Beschleunigungsmesser, wobei
, , , die Steuersignale zu den vier analogen Toren
sind, wobei ein Hochpegel anzeigt, daß das betreffende Tor
geschlossen ist, während ein Tiefpegel anzeigt, daß das
betreffende Tor offen ist,
ein Tiefpegel von bei Hochpegeln von , oder
darauf verweist, daß der Verstärker getrennt ist. Bei Verbindung
des Verstärkers nach Aktivierung des Beschleunigungsmessers
über , , werden die oben in Fig. 7 gezeigten
Signalschwingungen verstärkt, bevor sie zum Zähler 7 übertragen
werden. Der Zähler 7 wird erst nach Ablauf einer Periode
geöffnet, vorzugsweise dem 5- bis 10fachen von T&sub2;, was Folge
der Tatsache ist, daß die Schwingungen zu Beginn der Zählung
ein durch eine Strichlinie in Fig. 7 dargestelltes Maximum
mit dem Ergebnis haben können, daß eine vorbestimmte
Schwingungsperiode erforderlich ist, um eine zuverlässige Zählung
zu erhalten,
-
T&sub2; 10 bis 20 us sein kann, und
-
das Signal zum Öffnen des Zählers 7 ist.