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Übersetzung
der Beschreibung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Messschaltung gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine
solche Schaltung ist aus dem Schweizer Patent Nr. 658 908 bekannt.
Diese Schaltung dient beispielsweise zur Erfassung der Vibrationen einer
drehenden Maschine, wobei es sich um einen Flugzeugmotor oder um
eine beliebige vibrierende Anordnung handeln kann. Sie gestattet
die Beurteilung des Zustands der Schaltung, d.h. die Feststellung
von Fehlern wie Unterbrüchen,
Kurzschlüssen, mangelhafter
Isolation oder intermittierender Verbindung sowohl auf der Ebene
des Sensors als auch auf derjenigen der Übertragung. Ausserdem ist es
ebenfalls möglich, äussere Störeinflüsse durch
elektromagnetische Kopplung, elektrostatische Kopplung oder durch
eine Masseschleife festzustellen. Allgemein kann eine Übertragungsleitung
zwischen dem Wandler und der Messschaltung durch eine oder mehrere Steckverbindungen
bei Durchführungen
durch Wände
und Abtrennungen zwischen dem piezoelektrischen Wandler und der
Vorrichtung zur Messung von Vibrationen oder Drücken unterbrochen sein.
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Trotz
den oben erwähnten
vorteilhaften Möglichkeiten
weist der bekannte Schaltkreis bestimmte Nachteile auf. Die Test- bzw. Fehlersignale
sind abhängig
vom Betrieb der Vorrichtung, beispielsweise des überwachten Motors, durch dessen
Vibration das Test- und Messsignal im Wandler erzeugt wird. Diese Notwendigkeit
ist besonders störend
z.B. bei der Überwachung
eines Flugzeugmotors oder einer grossen Maschine wie einer Gas-
oder Dampfturbine, welche laufen müssen, um ein Testergebnis zu erhalten.
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Die
Veröffentlichung
US-5,070,843 bezieht sich auf einen Vibrationssensor in einem Verbrennungsmotor.
Zur Feststellung eines Defekts des Sensors wird ein Wechselstromgenerator
mit der Signalleitung des Sensors verbunden, wenn der Sensor nicht
im Betrieb ist. Die Frequenz des Generatorsignals wird gleich der
Eigenfrequenz des Sensors gewählt,
die Spannung des Signals gemessen und der Zustand des Sensors von
dessen Amplitude abgeleitet. Da dieses Prüfsignal die gleiche Polarität aufweist
wie das Signal des Sensors und auf der gleichen Leitung wie dieses
Signal liegt, ist das Prüfsignal
nicht vom Sensorsignal unterscheidbar, und der Prüfvorgang
kann nur dann durchgeführt
werden, wenn der Sensor kein Signal oder lediglich ein Signal vernachlässigbarer
Amplitude erzeugt. Ausserdem ist der Generator nur während einer
Prüfphase
mit den Signalleitungen verbunden.
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Gemäss GB-A-2253487,
welche einen Beschleunigungssensor zur Erfassung des Klopfens eines
Motors betrifft, wird die Verbindungsleitung des Sensors auf ähnliche
Weise vorübergehend
mit einer Prüfanordnung
verbunden und gleichzeitig vom Klopferfassungssystem getrennt. Während einer
Prüfung ist
das Klopferfassungssystem natürlich
ausser Betrieb.
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Das
Ziel vorliegender Erfindung ist eine vollständige Überwachung nicht nur während dem
Betrieb, sondern auch im Stillstand des zu messenden und zu prüfenden Gegenstands.
Dieses Ziel wird mit den Massnahmen gemäss Anspruch 1 erreicht. Durch
die Einspeisung eines "künstlichen" Hilfssignals wird
ein bekanntes gleichtaktiges Rauschen simuliert, welches zum Testen
der Messkette dient. Zudem ergeben sich folgende Vorteile:
- – Das
Hilfs-Testsignal ist unabhängig
von der Vibrationsamplitude und -frequenz,
- – Parameter
wie Frequenz oder Amplitude sind vorhersehbar,
- – das
Vorhandensein des Wandlers ist feststellbar.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
beschrieben, worin:
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1 ein
Schema einer Messschaltung mit piezoelektrischem Wandler zeigt,
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2 die
Signale an den Anschlüssen
des Wandlers bzw. an den Eingängen
der Verstärker
S1 und S2 zeigt, und
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3 die
Einzelheiten eines erfindungsgemässen
Wandlers zeigt.
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1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemässe
Messschaltung. Ein piezoelektrischer Wandler T ist symmetrisch an
zwei Leitern a und b einer abgeschirmten symmetrischen Übertragungsleitung
L angeschlossen. Der Wandler T ist in einem abgeschirmten Gehäuse B untergebracht,
das mit der Abschirmung der Übertragungsleitung
bzw. des Kabels L elektrisch verbunden sein kann. Beim Austritt
aus dem Kabel sind die Leiter a und b jeweils mit Ladungsverstärkern A1
und A2 mit je einem Gegenkopplungskondensator Cf verbunden. Die
Ausgänge der
Verstärker
A1 und A2 sind mit einem Mess- oder Summierverstärker S1 verbunden, der eine
Ausgangsspannung Eo liefert. Der Wandler T zur Messung der Vibrationen
eines Motors, beispielsweise eines Flugzeugs oder einer Werkzeugmaschine,
usw. (nicht dargestellt), auf dem er montiert ist, weist eine Empfindlichkeit
auf, welche in pC/g (picocoulomb/g) angegeben wird. Bei einer gegebenen
Beschleunigung g erzeugt er Ladungen Q+ und Q– an den Eingängen der
Ladungsverstärker
A1 und A2, welche an ihren Ausgängen
Spannungen E1 und E2 liefern, die proportional zu den Ladungen sind,
jedoch entgegengesetzte Phasen aufweisen (2). Diese
Spannungen entsprechen den Beziehungen: E1 =
Q+/Cf und E2 = Q–/Cfund
die Ausgangsspannung Eo des Summierers S1 entspricht Eo
= E1 – E2
= 2Q/Cf, wenn E2 = –E1.
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Wenn
beispielsweise eine Empfindlichkeit des Wandlers von 50 pC/g angenommen
wird, eine Spitzenbeschleunigung von 1 g und für Cf ein Wert von 1 nF, so
beträgt
der Spitzenwert der Ladungen Q+ und Q– jeweils 50 pC, und gemäss der oben
angegebenen Beziehung ist Eo = 0,1V Spitzenwert.
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Die
Schaltung gemäss 1 gestattet
also die Messung der Vibrationen der Vorrichtung, auf welcher der
Wandler montiert ist. Zur Feststellung von Qualitätsmängeln des
Wandlers oder der Übertragungsleitung
oder sogar der Messvorrichtung selbst, beispielsweise Unterbrechungen,
Kurzschlüsse,
mangelhafte Isolation, intermittierender Kontakt sowie von aussen
in die Messschaltung induzierte Störsignale, ist es jedoch vorteilhaft
und notwendig, die Signale E1 und E2 nicht nur gegentaktig, sondern auch
gleichtaktig zu verarbeiten. Zu diesem Zweck ist ein Fehlerverstärker A3
vorgesehen, bei welchem es sich ebenfalls um einen Summierer S2
handelt, wie in 1 angegeben.
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Der
Fehlerverstärker
A3 liefert ein Fehlersignal Ed, welches die Summe der an seinem
Eingang anliegenden Signale darstellt.
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In
der Schaltung gemäss 1 wird
die Tatsache berücksichtigt,
dass den Nutzsignalen E1 und E2 Störsignale E1n und E2n überlagert
sein können. Wie 3 zeigt,
erscheinen die den Störsignalen E1n
und E2n entsprechenden Ladungen Q1n und Q2n ebenfalls auf den Leitern
a bzw. b.
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Wie
aus 2 hervorgeht, welche ebenfalls die Signale E1
und E2 zeigt, werden die Störsignale E1n
und E2n gleichphasig auf beide Leiter a und b der Übertragungsleitung
L induziert. Die bei der Darstellung der Signale in 2 verwendeten
Pfeile, beispielsweise zwischen Q+ und E1, bedeuten "bewirkt" oder "führt zu".
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Zur
Durchführung
eines Tests während
dem Betrieb oder im Stillstand der vom Wandler bzw. von der Messschaltung überwachten
Maschine ist ein Hilfsgenerator G vorgesehen, dessen Ausgangssignal
Eg einer geeigneten, von der Messfrequenz abweichenden Frequenz über einen
Leiter D' des Kabels
L dem Wandler T zugeführt
wird, wo das Signal über
Injektionskapazitäten
Ct1 und Ct2 gleichen Werts den Anschlüssen c und d des Wandlers zugeführt wird.
Die Kapazitäten
Ct1 und Ct2 sind vorzugsweise gemäss 3 in den
Sensor T integriert. Der Generator G speist zwei Elektroden g, welche
jeweils zwischen einer äusseren
isolierenden Schicht i und einer Schicht aus einem piezoelektrischen
Material p des Wandlers liegen. Wie 3 zeigt,
liegt somit ein gleichphasiges Wechselstrom-Hilfssignal Qt1, Qt2 an den Anschlüssen c und
d des Wandlers. Das Signal Eg1 am Ausgang des Ladungsverstärkers A1
entspricht dem Signal Qt1. Das Signal Eg2 am Ausgang des Ladungsverstärkers A2
entspricht dem Signal Qt2.
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Im
allgemeinen Fall sind die Ausgangssignale Eo und Ed durch die folgenden
Beziehungen gegeben: Eo
= |E1| + |E2| + ΔEn
+ ΔEg =
2Q/Cf + ΔEn
+ ΔEg 1) Ed = ΔE + |E1n| + |E2n| + |Eg1| +
|Eg2| oder 2) Ed = |E1n| + |E2n| + |Eg1|
+ |Eg2| 2')wobei ΔEn
= |E1n| – |E2n| ΔE
= |E1| – |E2| ΔEg
= |Eg1| – |Eg2| Qt1 = Eg × Ct1 Qt2 = Eg × Ct2 Ct1 ≅ Ct2
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Die
Gleichung 2) gilt während
dem Betrieb der überwachten
Maschine, während
die Gleichung 2')
im Stillstand der überwachten
Maschine gilt.
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Mit
den oben stehenden Beziehungen 1), 2) und 2') kann die Qualität der Messschaltung beurteilt werden.
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Im
Normalfall, d.h. wenn alle Teile der Schaltung richtig funktionieren,
sind die Ausgangssignale Eo und Ed durch die Beziehungen 1) bzw.
2), 2') gegeben,
und das Signal Eo ist proportional zur Intensität der Vibrationen des Motors.
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Im
Fall eines Kurzschlusses, entweder im Wandler oder entlang der Übertragungsleitung,
sind die Signale Eo und Ed gleich null. Wenn der Kurzschluss zwischen
einem der Anschlüsse
c oder d und dem Gehäuse
B oder zwischen einem Punkt der Leitung a oder der Leitung b und
der Abschirmung C' des
Kabels liegt, ist eines der Eingangssignale der Auswertungsvorrichtung
gleich null, während
das Messsignal Eo und das Fehlersignal den gleichen Wert haben und
im Prinzip der Hälfte
des Werts des Signals Eo im Normalfall entsprechen.
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Im
Fall eines Unterbruchs im Wandler oder in der Leitung in der Nähe des Wandlers
hängt die
Amplitude der Signale Eo und Ed von der Stelle ab, an der sich der
Unterbrechung befindet, und zwar auf Grund der Tatsache, dass sich
der Stromkreis über die
Koppelkapazität
zwischen der Abschirmung (Gehäuse)
des Wandlers und der Abschirmung des Kabels L schliesst. Daraus
folgt, dass die Kenntnis der Signale Eo und Ed zumindest theoretisch
Informationen über
den Ort der Unterbrechung zwischen dem Wandler und der Erfassungsvorrichtung
liefern kann.
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Im
Fall einer mangelhaften Isolation des Wandlers oder der Leitung
liegt die Amplitude des Signals Eo zwischen 0 und 2Q/Cf. Im Fall
einer intermittierenden Verbindung sind die Amplituden der Signale
Eo und Ed abhängig
von der Dauer der Verbindungsunterbrechung und von deren Häufigkeit.
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Nun
soll die Erfassung von Störsignalen
(noise) untersucht werden, welche von aussen in die Messschaltung
induziert werden. Der erste dieser Einflüsse entsteht durch eine sogenannte
Masseschleife (ground loop), welche vorliegt, wenn die Masse der
Maschine mit der Masse der Elektronik verbunden ist. Ein in dieser
Schleife fliessender Strom verursacht in den Leitern der Übertragungsleitung
auf Grund der Störkapazitäten Cp,
welche unterschiedlich sein können,
jeweils ein Störsignal.
Diese Signale sind gleichphasig, und deren Summe erscheint am Ausgang
Ed, während
deren Differenz den Ausgang Eo beeinflusst. Damit ist dieser Störeffekt
feststellbar.
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Eine
weitere Einwirkung entsteht durch elektromagnetische Kopplung (electromagnetic
noise). Dies ist der Fall, wenn in einem Leiter neben der Übertragungsleitung
und parallel zu dieser ein starker Wechselstrom fliesst. Trotz der
Abschirmung der Leitung kann dieser Strom in den Leitern derselben jeweils
Störspannungen
E1n und E2n induzieren, welche gleichphasig sind, jedoch unterschiedlich hoch
sein können.
Gemäss
den oben erwähnten
Beziehungen 1) und 2) erscheint die Differenz der Beträge der resultierenden
Einwirkung dieser Spannungen am Ausgang Eo und deren Summe am Ausgang Ed.
Sie sind deshalb in Bezug auf ihre Frequenzen feststellbar.
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Schliesslich
besteht noch eine kapazitive Einwirkung (electrostatic noise), beispielsweise durch
Kapazitäten
zwischen den Kontakten eines Steckverbinders, welche den Leitern
a und b der Übertragungsleitung
entsprechen und benachbarten Kontakten des Steckverbinders bei der
Durchführung durch
eine Trennwand. Über
diese Störkapazitäten können induzierte
Störspannungen
am Eingang der Messvorrichtung anliegen. Wie zuvor sind diese Spannungen
feststellbar, indem die Spannungen Eo und Ed bei der Frequenz der
Störspannungen
gemessen werden.
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Allgemein
gestattet die erfindungsgemässe Messschaltung
durch die Auswertung der Signale Eo und Ed die Erkennung von Fehlern
wie Kurzschlüssen,
Unterbrechungen usw. sowohl im Wandler als auch in der Übertragungsleitung
oder sogar in der Messvorrichtung selbst, sowie die Erkennung von Störeinwirkungen
von aussen.
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Das
Schema der Messvorrichtung mit den Elementen A1, A2, S1 und A3 (S2)
ist besonders einfach. Für
den praktischen Einsatz der Messschaltung können die Mess- und Fehlersignale
Eo und Ed, eventuell nach dem Ausfiltern von unerwünschten Frequenzanteilen
sowie gleichgerichtet und digitalisiert, in einem geeigneten Algorithmus
verwendet werden, der Angaben über
die Qualität
der Messschaltung liefert.
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In
den oben beschriebenen Figuren sind die Ladungsverstärker A1
und A2 als Teil der erfindungsgemässen Messvorrichtung dargestellt.
Dies ist jedoch nicht zwingend, sondern die Verstärker können ohne
weiteres im Abschirmungsgehäuse
B derselben angeordnet sein. In diesem Fall handelt es sich bei
den Eingangssignalen der Messvorrichtung nicht mehr um die Ladungen
Q+ und Q– des
Wandlers, sondern vielmehr um die Spannungen |E1| + |E1n| + |Eg1|
und |E2| + |E2n| + |Eg2|. Desgleichen kann auch der Generator G
in das Gehäuse
B des Wandlers integriert sein.
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An
Stelle der gemäss 3 mit
dem Wandler integrierten Kapazitäten
können
Kondensatoren Ct1, Ct2 vorgesehen sein, wie in 1 angegeben. Die
Lösung
gemäss 3 hat
den Vorteil, dass die Anwesenheit bzw. Abwesenheit des Wandlers T durch
die Anwesenheit bzw. Abwesenheit des Hilfssignals auf den Leitungen
a und b angezeigt wird. Dieses Signal könnte auch durch elektromechanische Erregung
des mit dem Ausgangssignal Eg des Hilfsgenerators G gespeisten Wandlers
erzeugt werden. In diesem Fall sind die Hilfssignale auf den Leitern
a und b gegenphasig, was für
bestimmte Zustände
zu entgegengesetzten Informationen Ed führt, insbesondere für den Normalzustand
der Schaltung.
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An
Stelle des piezoelektrischen Wandlers kann ein beliebiger anderer
Wandler, beispielsweise ein induktiver, kapazitiver, resistiver
oder elektrooptischer Wandler mit der oben beschriebenen elektronischen
Schaltung oder mit einer entsprechenden, an die besondere Charakteristik
des Wandlers angepassten Schaltung verwendet werden.
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Für bestimmte
Anwendungen kann es sich beim Hilfssignal um ein Gleichstromsignal
(DC) handeln.