DE102005020900B3 - Verfahren und System zur Diagnose von mechanischen, elektromechanischen oder fluidischen Komponenten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren und -system mit einem Aufnehmer (1) für Körperschall, der ein Messsignal (3) aufgrund seiner mechanischen Resonanzfrequenz, seiner Kapazität (C0) und einer Induktivität (L1) bandpassgefiltert ausgibt, mit einer Auswerteeinrichtung (4), in der eine Unterabtastung des Messsignals (3) vorgenommen wird und ein Fehlermeldesignal (9) erzeugt wird, wenn die Intensität des unterabgetasteten Messsignals einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Da zur Durchführung der Diagnose nur eine geringe Anzahl elektronischer Bauelemente und nur eine geringe Energieversorgungsleistung erforderlich ist, kann die Diagnose ohne Weiteres in vorhandene Geräte, insbesondere in Feldgeräte der Prozessinstrumentierung, für die nur eine beschränkte Menge an Betriebsenergie zur Verfügung steht, integriert werden. Sie ist besonders vorteilhaft zur Erkennung einer Ventilleckage mit einem elektropneumatischen Stellungsregler einsetzbar.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose von mechanischen, elektromechanischen oder fluidischen Komponenten, das von einem Stellungsregler über einem Antrieb betätigbar ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein System zur Diagnose derartiger Komponenten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
• Durch die Analyse von Körperschall können Merkmale gewonnen werden, die zur Erkennung von Störungen oder Fehlern in mechanischen, elektromechanischen oder fluidischen Komponenten beitragen. Beispielsweise ist aus der EP 1 216 375 B1 ein Diagnosesystem für ein von einem Stellungsregler über einen Antrieb betätigbares Ventil bekannt, in welchem die Intensität des Körperschallsignals in einem Spektralbereich oberhalb von 50 kHz zur Erkennung einer Leckage im Ventil herangezogen wird. Das bekannte Diagnosesystem erfordert jedoch eine Spektralanalyse des Messsignals und somit einen erheblichen Aufwand an Elektronik und Rechenleistung. Damit verbunden ist eine erhöhte elektrische Leistungsaufnahme der Auswerteeinrichtung. Eine Integration des Diagnoseverfahrens als zusätzliche Funktion in vorhandene Geräte ist deshalb nur selten möglich, da die zusätzliche Leistung häufig nicht zur Verfügung steht. Dies ist insbesondere bei Feldgeräten der Automatisierungstechnik, beispielsweise Messumformern oder Stellgliedern, der Fall. Diese müssen häufig den Anforderungen des Explosionsschutzes genügen oder werden über eine 4 bis 20 mA-Schnittstelle oder eine PROFIBUS-Anschaltung mit der erforderlichen Hilfsenergie versorgt. Das Diagnosesystem muss dann aufwendig in einem zusätzlichen Gerät untergebracht werden.
• Aus der US 5 477 729 A ist ein Aufnehmer für Körperschall bekannt, der zur Messung hochfrequenter akustischer Signale bis zu etwa 2 MHz geeignet ist.
• Aus der WO 02/12843 A2 ist ein pieozoelektrischer Sensor für Bewegung oder Vibration bekannt, dessen Ausgangssignal durch eine Umformerschaltung in seine niederfrequenten und hochfrequenten Anteile zerlegt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Diagnose von mechanischen, elektromechanischen oder fluidischen Komponenten zu schaffen, die sich durch einen geringen Aufwand auszeichnen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In Anspruch 4 ist ein System zur Durchführung des Verfahrens, in den abhängigen Ansprüchen sind Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
• Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein wesentlich geringerer Schaltungs- und Energieaufwand zur Durchführung des Verfahrens erforderlich ist, als dies bisher war. Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, dass die zu realisierenden Funktionen zusammengefasst und stark vereinfacht werden, indem beispielsweise ein Bauelement gleichzeitig mehrere Funktionen erfüllt. So hat ein Aufnehmer für Körperschall neben der eigentlichen Wandlung des Schallsignals in ein elektrisches Signal auch gleichzeitig die Funktion einer Bandpassfilterung. Dies wird in einfacher Weise dadurch erreicht, dass die mechanische Resonanzfrequenz und die Kapazität des Aufnehmers sowie eine Induktivität in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt werden. Durch den Aufnehmer für Körperschall wird somit bereits ein Messsignal erzeugt, das überwiegend Signalanteile in dem für die jeweilige Anwendung relevanten Frequenzbereich aufweist. Weitere Filterelemente sind daher nicht zwingend erforderlich. Zur weiteren Verarbeitung wird eine Unterabtastung des Messsignals vorgenommen. Dadurch erfolgt im Bereich der Analyse zur Merkmalsgewinnung eine Minimierung der erforderlichen Rechenleistung. Ebenso bewirkt die Unterabtastung eine Reduktion der an die Analog-Digital-Umsetzung gestellten Geschwindigkeitsanforderungen. Eine Unterabtastung bedeutet, dass das Messsignal mit einer geringeren Abtastrate zur digitalen Weiterarbeitung erfasst wird, als dies gemäß dem bekannten Nyquist-Shannon-Abtasttheorem zur Analyse der interessierenden Frequenzanteile des Messsignals erforderlich wäre. Zur Minimierung der Rechenleistung wird vorzugsweise eine Unterabtastung mit einer Abtastrate vorgenommen, die um Größenordnungen darunter liegt. Diese Maßnahme beruht auf der Erkenntnis, dass die Schallintensität im interessierenden Frequenzbereich wegen der Bandpassfilterung ebenso bei einer starken Unterabtastung ermittelt werden kann und dass somit auf eine aufwendige Fast-Fourier-Transformation zur Analyse und Betrachtung des interessierenden Frequenzbereichs verzichtet werden kann. Da in dem bandpassgefilterten Messsignal nur noch Signalanteile im interessierenden Frequenzbereich vorhanden sind, entspricht die mit einer Unterabtastung ermittelte Intensität derjenigen des Messsignals im interessierenden Frequenzbereich.
• Die Intensität des unterabgetasteten Messsignals wird nun in einfacher Weise mit einem Schwellwert verglichen, um eine Aussage zu erhalten, ob ein Fehlerzustand der mechanischen, elektromechanischen oder fluidischen Komponente vorliegt oder nicht. Dieser Schwellwert kann beispielsweise durch manuelle Eingabe oder durch eine vorherige Messung und Analyse in einem Gutzustand vorbestimmt werden.
• Aufgrund der wenigen benötigten elektronischen Bauelemente, der geringen erforderlichen Rechenleistung und elektrischen Leistung ist nun eine Integration der Diagnose mit Körperschallmessung und Signalanalyse in vorhandene Geräte, wie zum Beispiel Sensoren oder Aktuatoren der Prozessinstrumentierung, insbesondere eine Integration in ein Regelventil, das mit einem Stellungsregler über einen Antrieb betätigbar ist, möglich. Diese Integration ist besonders einfach, wenn bereits ein Mikrocontroller in dem Gerät vorhanden ist, der ohne Weiteres die zur Auswertung des Messsignals notwendigen Berechnungen zusätzlich neben seinen bisherigen Aufgaben übernehmen kann. Das neue Diagnoseverfahren und -system zeichnet sich somit durch einen besonders geringen Aufwand aus, der zur Durchführung der Diagnose aufgebracht werden muss.
• Ein besonders geringer Rechenaufwand und damit verknüpft ein besonders geringer Energiebedarf des die Berechnungen ausführenden Mikrocontrollers wird erreicht, wenn als Kenngröße für die Intensität des unterabgetasteten Messsignals der gleitende Mittelwert aus den Beträgen der einzelnen Abtastwerte bestimmt und mit dem vorbestimmten Schwellwert verglichen wird.
• Vor der Unterabtastung kann eine Signalverstärkung des durch den Aufnehmer für Körperschall erzeugten Signals mit einer zusätzlichen Bandpassfilterung in einer elektronischen Schaltung vorgenommen werden, die nur einen Operationsverstärker aufweist. Dies hat den Vorteil, dass eine bessere Selektion der Signalanteile im interessierenden Frequenzbereich ermöglicht wird, ohne dazu den Energiebedarf für die Diagnose wesentlich erhöhen zu müssen. Der optionale Operationsverstärker wird einerseits zur Signalverstärkung und andererseits durch seine Beschaltung zur Bandpassfilterung verwendet. Somit ist die Anzahl zusätzlicher elektronischer Bauelemente auf ein Minimum reduziert. In verbesserter Weise lässt die Bandpassfilterung nur die Signalanteile übrig, die im Zusammenhang mit dem zu detektierenden Phänomen stehen.
• In besonders vorteilhafter Weise ist das neue Diagnoseverfahren und -system zur Leckageerkennung in Regelventilen anwendbar, da hierzu ein Frequenzbereich des Messsignals von Interesse ist, der oberhalb 50 kHz liegt und die Stärke des Kavitationsrauschens wiedergibt. Bezüglich einer näheren Erläuterung einer Anordnung zur Ventildiagnose mittels Körperschallanalyse sowie der damit verbundenen Vorteile wird auf die bereits eingangs erwähnte EP 1 216 375 B1 verwiesen.
• Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein Blockschaltbild eines Diagnosesystems,
• 2 ein Diagnosesystem mit optionalem aktivem Bandpassfilter und
• 3 ein Zeitdiagramm eines bandpassgefilterten Messsignals.
• Ein Aufnehmer 1 für Körperschall weist gemäß 1 eine Piezokeramik 2 auf, die mit Elektroden versehen ist. Im elektrischen Ersatzschaltbild hat die Piezokeramik 2 eine Kapazität C0, die, falls erforderlich, durch zusätzliche Kondensatoren verändert werden kann. Zur Piezokeramik 2 ist eine Induktivität L1 parallel geschaltet, die, wie in 1 mit durchbrochenen Linien angedeutet, in den Aufnehmer 1 integriert ist. Alternativ dazu kann die Induktivität als getrenntes Bauelement realisiert sein. Damit der Aufnehmer 1 ein Messsignal 3 abgibt, das im Wesentlichen nur Signalanteile in einem interessierenden Frequenzbereich enthält, sind die mechanische Resonanzfrequenz der Piezokeramik 2, die Kapazität C0 und die Induktivität L1 in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt. Das Messsignal 3 ist auf einen Analogeingang ADC IN eines Mikrocontrollers 4 geführt. Der Mikrocontroller 4 bildet eine Auswerteeinrichtung, in welcher eine Unterabtastung des Messsignals 3 vorgenommen und ein Fehlermeldesignal 9 erzeugt wird, wenn die Intensität des unterabgetasteten Messsignals 3 einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Die Intensität wird durch Berechnen eines einfachen Kennwertes K bestimmt, der dem Mittelwert aus den Beträgen der einzelnen Abtastwerte entspricht. Die Formel dazu lautet:

  

  mit

N

– Anzahl der aufsummierten Abtastwerte

i

= 1 ... N – Laufindex der Summierung und

x_i

– i-ter-Abtastwert, wobei i = 1 dem letzten Abtastwert, i = 2 dem vorletzten Abtastwert usw. entspricht.

• Das Diagnosesystem gemäß 1 ist in einen elektropneumatischen Stellungsregler für ein Ventil, das über einen pneumatischen Antrieb betätigbar ist, integriert. Bei dem Mikrocontroller 4 handelt es sich um den ohnehin im Stellungsregler vorhandenen Mikrocontroller. Dabei wird besonders deutlich, dass das neue Diagnosesystem mit sehr geringem Aufwand in einen vorhandenen Stellungsregler ergänzt werden kann. Prinzipiell ist lediglich der Aufnehmer 1 für Körperschall und ein Analogeingang des Mikrocontrollers 4 erforderlich. Die an dem Programm des Mikrocontrollers 4 zur Durchführung des Diagnoseverfahrens erforderlichen Änderungen sind aufgrund der einfachen Berechnungen von vergleichsweise geringem Umfang. Die Berechnungen beanspruchen nur einen geringen Teil der vorhandenen Rechenleistung des Mikrocontrollers 4.
• Die Verstärkung des Messsignals 3 erfolgt durch Ausnutzung der Resonanzüberhöhung des Schwingkreises, der durch die Kapazität C0 der Piezokeramik und die Induktivität L1 gebildet wird.
• 2 zeigt ein Diagnosesystem, das um eine optionale Verstärkerschaltung 5 erweitert ist. Die bereits anhand 1 erläuterten Schaltungsteile sind in 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die zusätzliche Verstärkerschaltung 5 besteht in ihrem Kern aus einem Operationsverstärker 6, dessen Versorgungsanschlüsse an eine positive Versorgungsspannung VCC bzw. an Masse angeschlossen sind. Auf den Referenzeingang des Operationsverstärkers 6 ist die halbe Versorgungsspannung VCC/2 geführt. Im Eingangspfad des Operations verstärkers 6 ist eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1 angeordnet. Im Rückkopplungszweig befindet sich eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R2 und einem Kondensator C2. Bei korrekter Abstimmung wird mit dieser Schaltung des Operationsverstärkers 6 in einfacher Weise eine Bandpasswirkung erreicht, die gerade die Signalanteile im interessierenden Frequenzbereich verstärkt. Der optionale Operationsverstärker 6 wird somit einerseits zur Verstärkung des Messsignals 3 und andererseits durch seine Beschaltung zur Bandpassfilterung verwendet. Somit ist die Anzahl der elektronischen Bauelemente auf ein Minimum reduziert.
• Bei dem beschriebenen Einsatz des Diagnosesystems zur Erkennung einer Ventilleckage sind der Aufnehmer 1 für Körperschall und die elektronische Schaltung 5 speziell auf eine große Empfindlichkeit für strömungsbedingte Geräusche bei gleichzeitiger Unempfindlichkeit für die Arbeitsgeräusche von Pumpen oder ähnlichen benachbarten Komponenten optimiert. Die Montage des Aufnehmers 1 erfolgt permanent an einer vorbereiteten glatten Fläche außen am Ventilgehäuse mit einer Schraube. Für eine zuverlässige akustische Kopplung sorgt ein temperaturbeständiges Koppelfett zwischen Ventilgehäuse und Sensor. Alternativ kann die Befestigung bei guter akustischer Kopplung am Gehäuse des Stellungsreglers erfolgen. Neben dem Aufnehmer 1 für Körperschall ist keine zusätzliche Sensorik notwendig. Eine Anpassung der Auswertung an wechselnde Lastbedingungen wie Druck und Hubzahl kann automatisch erfolgen, ohne dass irgendwelche Parameter eingestellt werden müssen oder dass eine Kalibrierung auf einen Gutzustand notwendig wäre. Die Alarmschwellen können auch manuell durch einen Anwender festgelegt werden.
• 3 dient zur Verdeutlichung des Prinzips der Unterabtastung, das zu einer erheblichen Verringerung des mit der Auswertung verbundenen Strombedarfs führt. Dargestellt ist ein Verlauf 7 des bandpassgefilterten Messsignals mit 100 Ab tastwerten, die mit einer Abtastrate gewonnen wurden, die in üblicher Weise an den interessierenden Frequenzbereich angepasst ist. Auf der Abszisse ist die Nummer des Abtastwerts, der so genannte Sample, auf der Ordinate seine Amplitude aufgetragen. In einer Unterabtastung mit einer Abtastrate, die um eine Größenordnung niedriger ist, wird jeder zehnte Abtastwert in die weitere Verarbeitung einbezogen. Die dabei berücksichtigten Abtastwerte der Unterabtastung sind im Verlauf 7 des Messsignals durch Punkte markiert, wie zum Beispiel der Abtastwert 8. Der berechnete Mittelwert, der mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen wird, ist in 3 als horizontale Linie 10 dargestellt. Es wird deutlich, dass bei einer gleitenden Mittelwertbildung der Beträge der Abtastwerte unabhängig davon, ob eine Unterabtastung vorgenommen wird oder nicht, ein ähnlicher Kennwert als Mittelwert berechnet wird. Eine wesentliche Voraussetzung dieses Effektes ist, dass die Signalanteile des Messsignals durch eine Bandpassfilterung auf dem interessierenden Frequenzbereich begrenzt sind. Es kann somit auf eine aufwendige Fast-Fourier-Analyse zur Betrachtung des interessierenden Frequenzbereichs verzichtet werden. Dies führt zu einer wesentlichen Verringerung des zur Durchführung des Diagnoseverfahrens erforderlichen Rechenaufwands und somit des Strombedarfs, so dass das neue Diagnoseverfahren auch bei Feldgeräten eingesetzt werden kann, bei denen zum Betrieb nur eine begrenzte Menge an Hilfsenergie zur Verfügung steht.

Claims (4)

1. Verfahren zur Diagnose von mechanischen, elektromechanischen oder fluidischen Komponenten mit einem Aufnehmer (1) für Körperschall, der im Bereich niederfrequenter Arbeitsgeräusche vergleichsweise unempfindlich, im höherfrequenten Bereich der Fehlergeräusche aber empfindlich ist, und mit einer Einrichtung (4) zur Auswertung des aufgenommenen Messsignals (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer für Körperschall das Messsignal (3) aufgrund seiner mechanischen Resonanzfrequenz, seiner Kapazität (C0) und einer Induktivität (L1) bandpassgefiltert ausgibt, dass in der Auswerteeinrichtung (4) eine Unterabtastung des Messsignals (3) vorgenommen wird und dass ein Fehlermeldesignal (9) erzeugt wird, wenn die Intensität des unterabgetasteten Messsignals einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße für die Intensität des Messsignals (3) der gleitende Mittelwert aus den Beträgen der einzelnen Abtastwerte bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Unterabtastung eine Signalverstärkung mit zusätzlicher Bandpassfilterung in einer elektronischen Schaltung mit nur einem Operationsverstärker (6) vorgenommen wird.
4. System zur Diagnose von mechanischen, elektromechanischen oder fluidischen Komponenten mit einem Aufnehmer (1) für Körperschall, der im Bereich niederfrequenter Arbeitsgeräusche vergleichsweise unempfindlich, im höherfrequenten Bereich der Fehlergeräusche aber empfindlich ist, und mit einer Einrichtung (4) zur Auswertung des aufgenommenen Messsignals (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer (1) für Körperschall derart ausgebildet ist, dass er das Messsignal (3) aufgrund seiner mechanischen Resonanzfrequenz, seiner Kapazität (C0) und einer Induktivität (L1) bandpassgefiltert ausgibt, dass die Auswerteeinrichtung zur Vornahme einer Unterabtastung des Messsignals und zur Erzeugung eines Fehlermeldesignals (9) vorgesehen ist, wenn die Intensität des unterabgetasteten Messsignals einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.