Überwachung eines Bauteils Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Bauteils, bei dem ein mittels einer Sendereinheit ausgesendetes Prüfsignal von dem Bauteil reflek- tiert wird und das reflektierte Prüfsignal mittels einer Empfängereinheit empfangen wird.

Stand der Technik Die frühzeitige Feststellung von Schäden an Bauteilen spielt eine wichtige Rolle hinsichtlich Betriebssicherheit von technischen Anlagen, in denen diese Bauteile eingesetzt werden. Werden Schäden an solchen Bauteilen zu spät oder nur unzuverlässig festgestellt, so kann dies katastrophale Folgen für die gesamte Anlage bedeuten. Bei Versagen dieser Bauteile können Teile der Anlage oder die gesamte Anlage zerstört werden, was mit einem enormen wirtschaftlichen Schaden verbunden ist. Im schlimmsten Fall kann es zu Personenschäden kommen. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren bekannt, die zur Feststellung von Schäden an Bauteilen geeignet sind. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Feststellung von Schäden an schlecht zugänglichen, nicht zugänglichen oder nicht einsichtigen Bereichen der Bauteile dar. Die Feststellung solcher Schäden erfolgt oftmals mittels optischer oder akustischer Verfahren.

Ein bekanntes akustisches Verfahren ist die Ultraschall- Zeitbereichsreflektometrie . Mit diesem Verfahren können bei- spielsweise Schäden an Antriebswellen, die sonst nur sehr schwer feststellbar sind, festgestellt werden. Solche Schäden können Mikrorisse sein. Auch Schäden, welche durch eine fehlerhafte Lagerung der Antriebswelle verursacht werden, wie beispielsweise eine Unwucht der Antriebswelle, können mit diesem Verfahren festgestellt werden.

Bei der Ultraschall-Zeitbereichsreflektometrie breiten sich Ultraschallwellen als Materialschwingungen aus, im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen, die sich auch im freien Raum ausbreiten. Dabei wird das zu untersuchende Bauteil mit einem Ultraschallimpuls beschallt. Dieser Impuls wird an Unebenheiten, beispielsweise an Rissen, welche auf dem Bauteil vorhan- den sind, reflektiert und anschließend von einem Ultraschall- Sensor detektiert und ausgewertet. Die örtliche Auflösung ist von der Höhe der Ultraschallfrequenz abhängig. Mit der Ul- straschall-Zeitbereichsreflektometrie kann auch eine Entfernungsmessung durchgeführt werden. Beispielsweise kann damit festgestellt werden, ob eine Antriebswelle unwuchtig gelagert ist .

Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sind einerseits der hohe Kostenaufwand bei der Imple- mentierung in Neuanlagen und andererseits die schwierige und mechanisch aufwendige Nachrüstung bei bestehenden Anlagen, in denen bisher noch kein derartiges Verfahren zum Einsatz gekommen ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Technische Aufgabe

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein im Vergleich zum Stand der Technik verbessertes und kostengüns- tigeres Verfahren sowie eine verbesserte und kostengünstigere Vorrichtung zur Feststellung von Schäden an Bauteilen bereitzustellen . Technische Lösung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem als Prüfsignal ein elekt- romagnetisches Wellensignal vorgesehen ist, und bei dem das reflektierte Prüfsignal mit dem ausgesendeten Prüfsignal zu einem Mischsignal gemischt wird, welches zur Feststellung eines Schadens des Bauteiles herangezogen wird. Erfindungsgemäß erfolgt die Feststellung eines Schadens durch Auswertung des Mischsignals, welches durch Mischung des ausgesendeten Prüfsignals mit dem vom Bauteil reflektierten Prüfsignal entsteht. Sowohl beim ausgesendeten PrüfSignal als auch beim reflektierten Prüfsignal handelt es sich um ein elektromagnetisches Prüfsignal.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine im Vergleich zum Stand der Technik einfache und wenig aufwendige Möglichkeit der Nachrüstung bei bestehenden Anlagen mit auf Schäden zu überprüfenden Bauteilen aus. Auch bei Neuanlagen kann stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache und zuverlässige Möglichkeit der Überwachung von Bauteilen bereit .

Die Sendereinheit und die Empfängereinheit können auch in ei- ner einzigen Sender-Empfänger-Einheit implementiert sein.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das ausgesendete Prüfsignal permanent ausgesendet, wobei eine Veränderung der Phase des Mischsignals als Hinweis auf einen Schaden des Bauteiles herangezogen wird.

Weist das Bauteil an einer bestimmten Stelle einen Schaden auf, beispielsweise einen Riss, so verändert sich an dieser Stelle der Abstand des Bauteils zur Sendereinheit beziehungs- weise zur Empfängereinheit. Damit verändert sich auch die Phase des Mischsignals. Diese Veränderung der Phase wird als Hinweis auf einen Schaden des Bauteils herangezogen.

Weicht das Bauteil als gesamtes von seiner vorgesehenen Position, beispielsweise bei Unwucht, ab, so verändert sich der Abstand des Bauteils zur Sendereinheit beziehungsweise zur Empfängereinheit ebenfalls, was mit einer Veränderung der Phase des Mischsignals einhergeht. Diese Veränderung der Phase wird als Hinweis auf einen Schaden des Bauteils herangezogen. Unter Unwucht sind unerwünschte Auslenkungen des Bauteils aus seiner vorgesehenen Position zu verstehen.

Dadurch können sowohl das Vorhandensein von Schäden am Bauteil selbst als auch das Abweichen des Bauteils von seiner vorgesehenen Position zuverlässig festgestellt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das ausgesendete Prüfsignal ein Dauerstrichradarsignal im ISM Frequenzband zwischen 24 GHz und 24,25 GHz und/oder zwischen 61 GHz und 61,5 GHz.

Das Dauerstrichradarsignal wird auch als continuous-wave- signal bezeichnet. Als ISM Frequenzbänder (ISM = industrial, scientific and medical band) werden Frequenzbereiche bezeichnet, die durch Hochfrequenz-Geräte in Industrie, Wissenschaft, Medizin, in häuslichen und ähnlichen Bereichen genutzt werden können.

Das ausgesendete Prüfsignal kann auch ein Dauerstrichradarsignal im ISM Frequenzband zwischen 2,4 GHz und 2,5 GHz und/oder zwischen 5,725 GHz und 5,875 GHz sein.

Auch die Untergrenzen von 2,4 GHz, 5,725 GHz, 24 GHz und 61 GHz und die Obergrenzen von 2,5 GHz, 5,875 GHz, 24,25 GHz und 61,5 GHz der genannten Frequenzbänder sind im Rahmen dieser Erfindung als mögliche Frequenzen des Dauerstrichradarsignals zu betrachten . Vorzugsweise erfolgt die Feststellung des Schadens des Bauteiles mittels einer Fast Fourier Transformation des Mischsignals .

Dazu wird das Mischsignal über einen längeren Zeitraum hinweg analysiert, und einer Fast Fourier Transformation unterzogen. Das transformierte Mischsignal wird anschließend analysiert.

Damit können auch sehr kleine Schäden, beispielsweise kleine Risse am Bauteil, festgestellt werden.

Die Auflösung des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt von der Frequenz des ausgesendeten PrüfSignals ab. Die Frequenz des ausgesendeten Prüfsignals wird daher entsprechend der Oberflächenrauheit des Bauteils gewählt. Dadurch wird eine Maximalempfindlichkeit des Verfahrens eingestellt und Unebenheiten der Oberfläche, deren Ursache in der Oberflächenrauheit des Bauteils begründet ist, werden nicht als Hinweis auf einen Schaden gedeutet.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Bauteil als rotationssymmetrisches rotierendes Element ausgeführt .

Soll der Schaden des rotierenden Elements mittels einer Fast Fourier Transformation des Mischsignals festgestellt werden, so wird das Mischsignal über mehrere Umläufe des rotierenden Elements beobachtet und einer Fast Fourier Transformation unterzogen. Das transformierte Mischsignal wird analysiert.

Vorzugsweise wird das ausgesendete Prüfsignal mit einem peri- odischen Modulationssignal, dessen Periodendauer der Umdre- hungszeit des rotierenden Elements entspricht, frequenzmodu- liert .

Damit können spezielle Eigenschaften des Schadens festgestellt werden. Handelt es sich beispielsweise um ein rotationssymmetrisches rotierendes Element und besteht ein Schaden in Form einer Unwucht mit einer damit verbundenen Auslenkung, so kann mittels des frequenzmodulierten ausgesendeten elektromagnetischen Prüfsignals die Geschwindigkeit der Auslenkung gemessen werden, da mittels des frequenzmodulierten ausgesen- deten elektromagnetischen Prüfsignals eine absolute Abstandsmessung möglich ist. Ein Ansteigen der Geschwindigkeit der Auslenkung gibt einen Hinweis darauf, dass die Unwucht ansteigt beziehungsweise dass die Dämpfung der Unwucht schwächer wird.

Zusätzlich kann damit auch festgestellt werden, ob sich ein bereits vorhandener Schaden in Form eines Risses im Lauf der Zeit vergrößert. Vorzugsweise ist das rotierende Element eine Antriebswelle eines Windkraftwerks. Die Antriebswelle, an der ein Rotor angebracht ist, ist in einem Lager gelagert, wobei das ausgesendete Prüfsignal von einem zwischen dem Rotor und dem Lager liegenden Teil der Antriebswelle reflektiert wird.

Das ausgesendete Prüfsignal wird von der Sendereinheit auf einen Teil der Antriebswelle ausgesendet, der zwischen dem Rotor und dem Lager liegt. Damit können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Schäden an diesem Teil der Antriebswelle festgestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Überwachung von Antriebswellen in unterschiedlichen Maschinen und Anlagen verwendet werden. Beispielsweise kann es sich bei der Antriebs- welle um eine Antriebswelle einer Turbine oder eines Motors handeln. Es kann auch dazu verwendet werden, um Schäden oder die Abnützung von Rädern bei Schienenfahrzeugen festzustellen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht in der Messung des Abstandes zwischen einem Fahrzeug-Unterboden und dem Untergrund, damit kann ein Reifenunterdruck oder auch ein schadhafter Stoßdämpfer des Fahrzeugs festgestellt werden. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst ein Bauteil, eine Sendereinheit zum Aussenden eines elektromagnetischen Prüfsignals, welches von dem Bauteil reflektiert wird, eine Empfängereinheit zum Empfangen des reflektierten Prüfsignals, einen Mischer zum Mischen des ausgesendeten elektromagnetischen Prüfsignals mit dem reflektierten Prüfsignal zu einem Mischsignal und eine Einrichtung zur Analyse des Mischsignals.

Die Vorrichtung kann auch mehrere Mischer umfassen, um auch komplexe Phasen des Mischsignals bestimmen zu können.

Vorzugsweise ist die Sendereinheit als Radarsender zum Aussenden eines Dauerstrichradarsignals im ISM Frequenzband zwischen 24 GHz und 24,25 GHz und/oder zwischen 61 GHz und 61,5 GHz ausgeführt.

Mit der Einrichtung zur Analyse des Mischsignals ist eine Fast Fourier Transformation des Mischsignals durchführbar.

Handelt es sich bei dem Bauteil um eine Antriebswelle eines Windkraftwerks, so ist an der Antriebswelle ein Rotor angebracht. Die Antriebswelle ist in einem Lager gelagert, wobei die Sendereinheit derart angeordnet ist, dass das ausgesendete Prüfsignal von einem zwischen dem Rotor und dem Lager liegenden Teil der Antriebswelle reflektiert wird.

Damit wird eine im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstigere und verbesserte Vorrichtung zur Feststellung von Schäden an Bauteilen, insbesondere an der Antriebswelle eines Windkraftwerks, bereitgestellt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Überwachung von Antriebswellen in unterschiedlichen Maschinen und Anlagen verwendet werden. Beispielsweise kann es sich bei der Antriebswelle um eine Antriebswelle einer Turbine oder eines Motors handeln. Die Vorrichtung kann auch dazu verwendet werden, um Schäden oder die Abnützung von Rädern bei Schienenfahrzeugen festzustellen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht in der Messung des Abstandes zwischen einem Fahrzeug-Unterboden und dem Untergrund, damit kann ein Reifenunterdruck oder auch ein schadhafter Stoßdämpfer des Fahrzeugs festgestellt werden .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG 1 zeigt beispielhaft und schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

FIG 2 zeigt die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststellung einer Unwucht einer rotierenden Antriebswelle.

FIG 3 zeigt die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststellung eines Risses einer rotierenden Antriebswelle.

FIG 4 zeigt die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Windkraftwerk .

Beschreibung der Ausführungsformen

In FIG 1 ist beispielhaft und schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines Bauteils 1 dargestellt. Ein mittels einer Sendereinheit 2 ausgesendetes elektromagnetisches Prüfsignal 3, wobei als Prüfsignal 3,4 ein elektromagnetisches Wellensignal vorgesehen ist, wird von dem Bauteil 1 reflektiert und das reflektierte Prüfsignal 4 wird mittels einer Empfängereinheit 5 empfangen. Das ausgesendete elektromagnetische Prüfsignal 3 wird mit dem empfangenen Prüfsignal 4 in einem Mischer 7 zu einem Mischsignal 6 gemischt. Das Mischsignal 6 wird mittels eines Mischers 7 erzeugt. Das ausgesendete elektromagnetische Prüfsignal 3 wird also nicht nur zum Bauteil 1 ausgesendet, sondern auch dem Mischer 7 zugeführt. Zusätzlich wird dem Mischer 7 auch das reflektierte Prüfsignal 4 zugeführt. Das ausgesendete elektromagnetische Prüfsignal 3 ist beim Ausführungsbeispiel ein Dauerstrichradarsignal im ISM Frequenzband zwischen 24 GHz und 24,25 GHz oder zwischen 61 GHz und 61,5 GHz, welches permanent ausgesendet wird. Das Mischsignal 6 wird in einer Einrichtung 8 zur Analyse des Mischsignals 6 analysiert. Insbesondere wird die Phase des Mischsignals 6 analysiert. Eine Veränderung der Phase des Mischsignals 6 wird als Hinweis auf einen Schaden des Bauteils 1 herangezogen.

FIG 2 zeigt die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststellung einer Unwucht einer rotierenden Antriebswelle 9. Der mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Kreis zeigt eine Ansicht der rotierenden Antriebswelle 9 im Seitenriß ohne Unwucht. Im Seitenriss ändert sich die Ansicht mit fortschreitender Rotation der Antriebswelle 9 nicht und das von der Sendereinheit 2 ausgesendete elektromagnetische Prüfsignal 3 trifft an der ersten Position 15 auf der Oberfläche der Antriebswelle 9 auf. Das an der ersten Position 15 reflektierte Prüfsignal 4 wird von der Empfängereinheit 5 empfangen. Der gestrichelt dargestellte Teil eines Kreises zeigt eine Ansicht der rotierenden Antriebswelle 9 im Seitenriss zu einem Zeitpunkt, in dem die rotierende Antriebswelle 9 durch eine Unwucht in eine Richtung 14 ausgelenkt wird. Die rotierende Antriebswelle 9 weicht durch die Unwucht von ihrer vorgesehenen Position - als Kreis mit durchgezogener Linie dargestellt - ab, womit sich auch der Abstand zwischen Antriebswelle 9 und Sendereinheit 2 beziehungsweise Empfängereinheit 5 ändert. Das von der Sendereinheit 2 ausgesendete elektromagnetische Prüfsignal 2 trifft in dieser Situation an der zweiten Position 16 auf die Oberfläche der rotierenden Antriebswelle 9 auf. Das an der zweiten Position 16 reflektierte Prüfsignal 4 wird von der Empfängereinheit 5 empfangen. Durch Auswertung der Verände- rung der Phase des Mischsignals 7 kann die Veränderung des Abstandes und somit eine Unwucht festgestellt werden.

FIG 3 zeigt die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststellung eines Risses 10 einer rotierenden Antriebswelle 9. Die Änderung des Abstandes zwischen der rotierenden Antriebswelle 9 und der Sendereinheit 2 beziehungsweise der Empfängereinheit 5 wird dadurch hervorgerufen, dass das ausgesendete elektromagnetische Prüfsignal 3 zu einem Zeitpunkt an der dritten Position 17 im Riss 10 reflektiert wird und zu einem anderen Zeitpunkt - bei fortschreitender Rotation der Antriebswelle 9 - an der vierten Position 18 der Oberfläche der rotierenden Antriebsachse 9 reflektiert wird. Das reflektierte Prüfsignal 4 wird, wie bereits in den FIG 1 und FIG 2 dargestellt, weiterverarbeitet beziehungsweise mit dem ausgesendeten elektromagnetischen Prüfsignal 3 gemischt und analysiert. Dabei wird das Mischsignal 6, um auch kleine Risse feststellen zu können 6, einer Fast Fourier Transformation unterzogen. Zusätzlich wird das ausgesendete elektromagnetische Prüfsignal 3 mit einem periodischen Modulationssignal, dessen Periodendauer der Umdrehungszeit der rotierenden Antriebsachse 9 entspricht, frequenzmoduliert .

FIG 4 zeigt die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Windkraftwerk. Von einer Sender-Empfänger-Einheit 13 wird ein elektromagnetisches Prüfsignal 3 ausgesendet und an der Oberfläche der Antriebswelle 9 reflektiert. Das reflektierte Prüfsignal 4 wird von derselben Sender-Empfänger-Einheit 13 empfangen. Die Antriebswelle 9 befindet sich in einem Windkraftwerk, wobei an der Antriebswelle 9 ein Rotor 11 angebracht ist. Die Antriebswelle 9 ist in einem Lager 12 gelagert. Die Sender- Empfänger-Einheit 13 ist derart angeordnet, dass das ausgesendete elektromagnetische Prüfsignal 3 von einem zwischen dem Rotor 11 und dem Lager 12 liegenden Teil der Antriebswelle 9 reflektiert wird. Das reflektierte Prüfsignal 4 wird, wie bereits in den FIG 1 und FIG 2 dargestellt, weiterverar- beitet und zur Feststellung eines Schadens oder einer Unwucht der Antriebswelle 9 herangezogen.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Schäden an Bauteilen, wie beispielsweise Risse oder Unwucht an Antriebswellen, kostengünstig auch an schwer zugänglichen Stellen festgestellt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt, es sind auch andere Ausführungen denkbar .

Liste der Bezugszeichen

1 Bauteil

2 Sendereinheit

3 ausgesendetes Prüfsignal

4 reflektiertes Prüfsignal

5 Empfängereinheit

6 Mischsignal

7 Mischer

8 Einrichtung zur Analyse des

9 Antriebswelle

10 Riss

11 Rotor

12 Lager

13 Sender-Empfänger-Einheit

14 Richtung

15 erste Position

16 zweite Position

17 dritte Position

18 vierte Position