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Patent Searching and Data


Title:
MONITORING DEVICE FOR ROTOR UNIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/071079
Kind Code:
A3
Abstract:
In a method for monitoring a rotor unit, the acquired data are converted, directly after acquisition and in the area of their location of acquisition, to a load profile or a load change profile and stored. In a device (8) for monitoring a rotor unit, a speed sensor (10) is coupled to a preferably programmable microcontroller (14) and at the same time to a voltage conditioning unit (16) via a signal processing unit (12). The speed sensor (10) and the voltage conditioning unit (16) together produce a voltage supply (18) integrated into the device (8), the device (8) being permanently operated therewith without an external voltage source. The integrated voltage supply (18) is linked to a voltage control (20) that ensures that the minimum possible operating voltage is invariably applied to the microcontroller (14) and to a non-volatile memory (22) linked to the microcontroller (14).

Inventors:
ZUMBRUNN JONAS (CH)
SCHNEIDER CHRISTOF (DE)
Application Number:
PCT/CH2002/000110
Publication Date:
January 17, 2008
Filing Date:
February 25, 2002
Export Citation:
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Assignee:
ABB TURBO SYSTEMS AG (CH)
ZUMBRUNN JONAS (CH)
SCHNEIDER CHRISTOF (DE)
International Classes:
G01P3/44; G01P3/46; G06F1/32; G07C3/00
Foreign References:
US5714882A1998-02-03
EP0594550A11994-04-27
US5412308A1995-05-02
US6163254A2000-12-19
US5086501A1992-02-04
US5781784A1998-07-14
US5818206A1998-10-06
FR2646021A11990-10-19
Attorney, Agent or Firm:
ABB SCHWEIZ AG (Brown Boveri Strasse 6, Baden, CH)
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Claims:

PATENTANSPRUECHE 1. Verfahren zur überwachung des Betriebes einer Rotoreinheit, insbesondere der Ro- toreinheit einer Strömungsmaschine, bei dem die Drehzahlwerte der Rotoreinheit zeitabhängig erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitabhängigen Dreh- zahlwerte des Rotors im Bereich ihres Erfassungsortes und unmittelbar nach ihrer Er- fassung in ein Lastprofil oder Lastwechselprofil umgerechnet und statt der Drehzahl- werte pro Zeiteinheit die Daten des daraus berechneten Profils abgespeichert werden, wobei die zu speichernde Datenmenge erheblich reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrechnung der Drehzahlwerte in ein Lastprofil oder Lastwechselprofil in einer Signalverarbeitungsein- richtung erfolgt, und die Daten im Bereich des Erfassungsortes in einem nichtflüchtigen Speicher (22) abgespeichert werden, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung und der nichtflüchtige Speicher (22) jeweils mit der geringst möglichen Spannung versorgt wer- den.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrechnung der Drehzahlwerte in der Signalverarbeitungseinrichtung mit Hilfe einer Signalaufbereitung (12) und einem Mikrocontroller (14) erfolgt, wobei elektrische Energie zur Versorgung des Mikrocontroller (14) und des nichtflüchtigen Speichers (22) vorzugsweise durch den die Drehzahlwerte erfassenden Drehzahlsensor erfolgt und die Versorgung mit der je- weils geringst möglichen Spannung insbesondere mit Hilfe eines Spannungsreglers (20) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Betriebsdaten, wie Temperatur und/oder Massenstrom und/oder Vibratio- nen und/oder Lagerspaltbreite und/oder Lagertemperatur erfasst, im Bereich ihrer Er- fassung in eigene Belastungsprofile umgerechnet und/oder in das Lastpro- fil/Lastwechselprofil eingerechnet und abgespeichert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Betriebsda- ten mittels Sensoren erfasst werden, welche jeweils, vorzugsweise mit Hilfe eines ge-

meinsamen Spannungsreglers (20), mit der jeweils geringst möglichen Betriebsspan- nung versorgt werden und die elektrische Energie zum Betrieb dieser Sensoren insbe- sondere von einem Drehzahlsensor geliefert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastprofil bzw. die Belastungsprofile aus dem nichtflüchtigen Speicher (22) oder direkt aus der Verarbeitungseinheit ausgelesen wird bzw. werden.
7. Verfahren zur überwachung eines Turboladers (38), bei welchem die Rotoreinheit (40) des Turboladers (38) gemäss einem der Ansprüchen 1 bis 6 überwacht wird.
8. Vorrichtung zur überwachung einer mindestens eine Welle umfassende Rotoreinheit, insbesondere der Rotoreinheit eines Turboladers, mit einem Drehzahlsensor, einer inte- grierten Spannungsversorgung, einer Signalverarbeitungseinrichtung und einem nicht- flüchtigen Speicher dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Spannungsversor- gung (18) mit einem Spannungsregler (20) verbunden ist, der den nichtflüchtigen Spei- cher (22) und/oder die Signalverarbeitungseinrichtung mit der jeweils minimal möglichen Betriebsspannung versorgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlsensor (10) zusammen mit einer Spannungsaufbereitung (16), mit der er gekoppelt ist, Teil der inte- grierten Spannungsversorgung (18) ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Spannungsversorgung (18) ein Peltier-Element (28) und/oder Rüttelgenerator und/oder eine Solarzelle umfasst.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtflüchtige Speicher (22) mit einer geringen Leistung, vorzugsweise in einem Span- nungsbereich zwischen 0.5V und 5V, betreibbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung eine Signalaufbereitung (12) und einen, vorzugsweise programmierbaren, Mikrocontroller (14) umfasst, wobei der Mikrocontroller (14) mit einer

geringen Leistung und, vorzugsweise variabel, in einem Spannungsbereich zwischen 0.5V und 5V betreibbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle (36) zum Auslesen der Daten vorgesehen ist, die insbesondere in einem Maschinengehäuse angeordnet ist und die vorzugsweise die einzige Verbindung aus dem Maschinengehäuse heraus ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Sensoren, ins- besondere Temperatursensoren (32) und/oder Drucksensoren (34) und/oder Ab- standssensoren und/oder Massenstromsensoren und/oder Vibrationssensoren, vorge- sehen sind, die mit geringer Leistung, vorzugsweise in einem Spannungsbereich zwi- schen 0.5V und 5V, betreibbar sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (20) die weiteren Sensoren jeweils der minimal möglichen Betriebsspannung versorgt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Backup-Energiespeicher (30) vorgesehen ist, und zwar vorzugsweise in Form eines von der integrierten Spannungsversorgung (18) aufladbaren Kondensators und/oder einer von der integrierten Spannungsversorgung (18) aufladbaren Batterie.
17. Turbolader mit einer schnelllaufenden Rotoreinheit, dadurch gekennzeichnet, dass er eine überwachungsvorrichtung (8, 24) gemäss einem der Ansprüche 8 bis 16 aufweist.
Description:

überwachungsvorrichtung für Rotoreinheit BESCHREIBUNG Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur überwachung des Betriebes einer Ro- toreinheit gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und auf eine Vorrichtung zu diesem Zweck gemäss Oberbegriff des Anspruches 8 sowie einen Turbolader mit einer sol- chen überwachungsvorrichtung.

Stand der Technik Brennkraftmaschinen, vor allem Dieselmotoren, sind zur Leistungssteigerung häufig mit Turboladern versehen. Ermüdung bei niedriger Lastspielzahl (LCF), sowie Lagerverschleiss und Schaufeldefekte, können zum Ausfall und im schlimmsten Fall zur Havarie des Turbo- laders führen, was die Leistung der Brennkraftmaschine beeinträchtigt und in den meisten Fällen nicht nur Zerstörungen am Turbolader sondern auch Defekte an der Brennkraftma- schine verursacht.

Um vor dem möglichen Ausfall des Turboladers diesen abschalten und defekte Teile aus- wechseln zu können, sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden den Turbolader zu testen und Aussagen über die verbleibende Lebensdauer eines Turboladers zu machen.

In der US-4,334,427 wird eine Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine mit einem Turbolader verbundene Brennkraftmaschine erst beschleunigt und dann abgebremst wird. Um dies kontrolliert tun zu können, wird die Geschwindigkeit der Brennkraftmaschine gemessen und an einen Computer weitergeleitet über den auch die Steuerung möglich ist. Während des Bremsens wird auch die Geschwindigkeit des Turboladers gemessen. Auch diese Signale werden an den Computer weitergeleitet, der sie verarbeitet und sie mit gespeicherten, Ge- schwindigkeitswerten eines idealen Turboladers vergleicht. Das Verfahren macht sich die Tatsache zu Nutze, dass beim Abstellen der Brennkraftmaschine die Geschwindigkeit des

Turboladers mit zunehmenden Verschleisserscheinungen langsamer abklingt. Aus dem Vergleich der gemessenen Geschwindigkeitsdaten mit den idealen Vergleichsdaten lassen sich daher Aussagen über den Betriebszustand des Turboladers gewinnen. Das Messsy- stem für dieses Testverfahren umfasst einen Drehzahlsensor zur Messung der Geschwin- digkeit des Turboladers und einen Sensor für die Treibstoffzufuhr zur Messung und Steue- rung der Geschwindigkeit der Brennkraftmaschine. Die Sensoren befinden sich innerhalb der jeweiligen Maschinengehäuse und sind via Leitungen mit einem ausserhalb der Maschi- nengehäuse angeordneten, mit einem Display versehenen Computer verbunden, der einen nichtflüchtigen Speicher und eine Signalverarbeitungseinrichtung umfasst.

Andere Verfahren zur Beurteilung des Turboladers stützen sich in erster Linie auf die Daten der Brennkraftmaschine. Ein Beispiel dafür ist in US-4,277,830 beschrieben. Während einer abrupten Beschleunigung von einer geringen Geschwindigkeit, bei der Motor und Turbola- der sich in einem stabilen Zustand befinden, bis zum Erreichen einer hohen Geschwindig- keit, bei der sich der Motor in einem stabilen Zustand befindet aber noch vor Einstellung ei- nes stabilen Zustandes des Turboladers, wird der Aufladedruck in der Zuführleitung zu den Zylindern gemessen. Aus der Druckdifferenz von Startdruck zu Enddruck bzw. aus der Druckveränderung während des Beschleunigungsprozesses, lassen sich Aussagen über den Betriebszustand des Turboladers gewinnen. Das Messsystem weist im Maschinenge- häuse Drucksensoren zur Messung des Aufladedruckes und Geschwindigkeitssensoren zur Messung der Motorendrehzahl sowie verschiedene andere Sensoren auf. Mittels Leitungen werden die Signale der Sensoren via ausserhalb des Gehäuses angeordneten Hochlauf- zeitzähler oder A/D-Wandler in einen Prozessor geleitet. Zur Verarbeitung der Signale sind eine Prozesseinheit und eine Speichereinheit im. Prozessor integriert. Eine Bedienungsein- heit und eine Ausgabeeinheit, die mit dem Prozessor verbunden sind, ermöglichen die Be- dienung des Messsystems für periodische Testmessungen.

Ebenso abgestützt auf die Daten der Brennkraftmaschine läuft auch das US-6, 163,254 vor- geschlagene Verfahren ab. Es werden die Geschwindigkeit, das Drehmoment und der Treibstoffverbrauch der Brennkraftmaschine erfasst und in einem elektronischen Kontroll- modul mit gespeicherten Daten verglichen. Die gespeicherten Daten definieren einen Ge- schwindigkeitszyklus der ohne Gefahr eine vorgegebene Anzahl Widerholungen durchlau-

fen werden kann. Die erfassten Daten werden ebenfalls in solche Geschwindigkeitszyklen umgerechnet und der Prozentsatz der verbleiben4den, noch gefahrlos möglichen Wieder- holungen des Geschwindigkeitszyklus angegeben. Nähert sich die Anzahl der tatsächlich durchlaufenen Geschwindigkeitszyklen der vorgegebenen Höchstzahl an Geschwindigkeits- zyklen so gibt das Kontrollmodul ein Warnsignal aus. Dieses Monitoringsystem erlaubt eine Online-überwachung des Turboladers, so dass jederzeit, ohne separate Testmessung eine Aussage über den Betriebszustand des Turboladers möglich ist. Die überwachungsvor- richtung umfasst dabei Sensoren zur Geschwindigkeits-und Drehmomentmessung des Motors, Sensoren zur Treibstoffverbrauchsmessung und Sensoren zur Messung des Atmo- sphärendruckes, die innerhalb des Maschinengehäuses an ihren spezifischen Messorten angeordnet sind. Mittels Leitungen sind die Sensoren mit einem ausserhalb des Maschinen- gehäuses angeordneten Computer verbunden, der die Signale verarbeitet und die aus den Signalen ermittelten Istwerte mit den Sollwerten vergleicht. Für die Ausgabe des Warnsi- gnals sind an den Computer Lampen für visuelle Signale und/oder Lautsprecher für akusti- sche Signale angeschlossen.

All diese Messsysteme und Monitoringeinrichtungen ermitteln entweder indirekt, z. B. über den Treibstoffverbrauch, oder aber direkt über eine Drehzahlerfassung die Geschwindigkeit der Brennkraftmaschine und/oder des Turboladers. Diese Sensoren und weitere Sensoren, z. B. zur Messung von Ansaugdruck oder Schmieröldruck, sind dabei jeweils innerhalb des Gehäuses der jeweiligen Maschine angeordnet, während die Signalverarbeitung und die Speicherung der Daten relativ weit entfernt von den Sensoren ausserhalb der Maschinen- gehäuse erfolgen.

In den letzten Jahren ist es im Bereich der Motorenüberwachung gelungen die Erfassung der zu erhebenden Daten von externen Spannungsquellen zu befreien, indem Generatoren auf den Rotoreinheiten angeordnet wurden, weiche zum einen zur Energieerzeugung zum anderen zur Drehzahlmessung eingesetzt wurden, wie dies beispielsweise in EP-A1-0 594 550 und WO 00/17997 beschrieben ist. Auch eigentliche Drehzahlsensoren sind zur Ener- gieerzeugung herangezogen worden, wie dies in DE-C-44 07 474 und US-5,714,882 be- schrieben ist. Um auch Fehler bei der Erfassung und Auswertung der erfassten Messdaten zu verringern, weisen die in diesen Dokumenten beschriebenen Motorüberwachungssyste-

me nichtflüchtige Speicher auf, in welche die erfassten Daten abgespeichert werden, ehe sie via Datenschnittstelle und Kabel oder via Transmitter und Antenne in eine Recheneinheit ausgelesen und dort ausgewertet werden.

Durch den Einsatz dieser integrierten Spannungsquellen sind zwar die bisher nötigen Kabel zur Energieversorgung überflüssig gemacht worden. Die Spannung, die mittels eines klei- nen Generators bzw. mittels eines Drehzahisensors erzeugt wird, genügt aber nicht, um die für die immensen Datenmengen benötigen, nichtflüchtigen Speicher entsprechender Grösse zu betreiben. Nichtflüchtige Speicher, die mit geringen Spannungen betrieben werden kön- nen, weisen nur eine sehr begrenzte Speicherkapazität von einigen wenigen 100 Bytes auf.

Das bedeutet, dass die erfassten Daten erst in diesen nichtflüchtigen Speicher abgelegt, dann aber sofort für die weitere Verarbeitung ausgelesen werden, und anschliessend wieder gelöscht werden, damit wieder neue Daten in den nichtflüchtigen Speichern abgelegt wer- den können. Die nichtflüchtigen Speicher dienen in diesen Systemen nur zur Datensiche- rung, für den Fall eines Maschinendefektes, der bei integrierter Spannungsquelle ja auch einen Stromausfall bedeutet. Das Auslesen der Daten während des Betriebes ist aber, so- wohl bei übertragung der Daten mittels Antenne als auch mittels Kabel sehr störanfällig. Die übermittlung mittels Antenne kann allein schon aufgrund der durch die Rotoreinheit er- zeugten elektromagnetischen Felder gestört werden, die übermittlung mittels Kabel auf- grund der hohen Temperaturen und Schwingungen, denen Kabel und Steckverbindungen im Bereich von Motoren und Turboladern ausgesetzt sind, vgl. hierzu auch"Manual of ABB Turbocharger TPL..-A/TPL..-B ; Monitoring im Betrieb". Neben den Fehlern in den auszu- wertenden Messdaten wirkt sich das Problem der Datenübertragung auch auf den Einsatz der überwachungssysteme aus. Viele der dauerhaft eingebauten Monitoringeinrichtungen zeigen aufgrund der Schwierigkeiten mit Antennen bzw. Kabeln nur eine begrenzte Lebens- dauer. Andere Messsysteme sind von vornherein nur für einen kurzfristigen Einsatz, z. B. für periodische Testmessungen vorgesehen, wobei deren Installation dann oft relativ aufwendig und zeitintensiv ist.

Darstellung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur überwachen ei- ner Rotoreinheit zur Verfügung zu stellen, deren Störanfälligkeit gering ist und die eine hohe Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und eine Vorrich- tung mit den Merkmalen des Anspruches 8.

Dadurch, dass beim erfindungsgemässen Verfahren die zeitabhängigen Drehzahlwerte des Rotors unmittelbar nach ihrer Erfassung, im Bereich ihres Erfassungsortes in ein Lastprofil oder Lastwechselprofil umgerechnet und das daraus berechnete Lastprofil anstelle der Drehzahlwerte pro Zeiteinheit abgespeichert wird, wird die zu speichernde Datenmenge er- heblich reduziert. Das bedeutet aber, dass die Daten in umgerechneter Form im Bereich ihrer Erfassung gespeichert werden können und nicht mehr online ausgelesen werden müs- sen. Ohne die permanente Beanspruchung einer entsprechenden Schnittstelle und übertra- gungseinheiten erhöht sich aber die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der überwa- chungsvorrichtung. Durch die Auswertung der erfassten Daten unmittelbar nach der Erfas- sung im Bereich des Erfassungsortes reduziert sich die Anzahl Fehler in den verarbeiteten Daten, die ansonsten aufgrund von übertragungsproblemen leicht entstehen. Die Störanfäl- ligkeit eines solchen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung ist daher geringer.

Bei der Berechnung des Lastprofils wird der zeitliche Anteil eines bestimmten Wertes einer Messgrösse in einem betrachteten Zeitraum berechnet. Dabei können Messgrösse und Zeit absolut oder relativ, d. h. in % des Maximalwertes, berechnet werden. Die Berechnung des Lastwechselprofils kann beispielsweise nach der sogenannten"Rainflow"-Methode erfolgen.

Dabei wird die Veränderungen einer Messgrösse erfasst und der Messbereich in diskrete Klassen eingeteilt. Die Gesamtzahl der Veränderungen kann dann, eingeteilt in die jeweili- gen Klassen, absolut oder relativ angegeben werden, wobei sowohl die Messgrössenklas- sen als auch die Zeit absolut oder relativ, d. h. in % des Maximalwertes angegeben werden können.

Die Umrechnung der Drehzahlwerte in ein Lastprofil oder Lastwechselprofil erfolgt vorteilhaft in einer Signalverarbeitungseinrichtung, die im Bereich des Erfassungsortes angeordnet ist.

Abgespeichert werden die umgerechneten Daten in einem nichtflüchtigen Speicher, der ebenfalls vorzugsweise im Bereich des Erfassungsortes angeordnet ist. Sowohl die Signal- verarbeitungseinrichtung als auch der nichtflüchtige Speicher werden mit der jeweils ge- ringst möglichen Spannung betrieben. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch für die überwachung sehr gering gehalten werden.

Sehr vorteilhaft lässt sich dies realisieren, wenn die Drehzahlwerte in der Signalverarbei- tungseinrichtung mit Hilfe einer Signalaufbereitung und einem Mikrocontroller umgerechnet werden und die Versorgung des Mikrocontrollers und des nichtflüchtigen Speichers mit der jeweils geringst möglichen Spannung z. B. mit Hilfe eines Spannungsreglers erfolgt. Bei dem dann resultierenden, geringen Energieverbrauch kann die Energieversorgung der überwa- chungsvorrichtung problemlos mittels des die Drehzahlwerte erfassenden Drehzahlsensors erfolgen, so dass keine externe Energiequelle benötigt wird.

Auf die beschriebene Weise können natürlich auch weitere Betriebsdaten, wie Temperatur, Massenstrom, Vibrationen, Lagerspaltbreite, Lagertemperatur und ähnliches erfasst werden.

Je nach bedarf werden die so erfassten Betriebsdaten in eigene Belastungsprofile umge- rechnet und/oder in das Lastprofil aus den Drehzahlwerten eingerechnet, was dann eine Art Gesamtlastprofil ergibt. Die Umrechnung erfolgt vorteilhaft mittels der gleichen Signalverar- beitungseinrichtung insbesondere mit dem gleichen Mikrocontroller, da dies am wenigsten Energie verbraucht. Besonders Vorteilhaft bei der Erfassung vieler verschiedener Betriebs- daten ist die Berechnung eines Gesamtlastprofils, da das Abspeichern des Gesamtlastpro- fils die Speicherkapazität am wenigsten beansprucht.

Besonders Vorteilhaft ist es, die weiteren Betriebsdaten mittels Sensoren zu erfassen, die jeweils mit der geringst möglichen Betriebsspannung betrieben werden. Dies ist am einfach- sten über einen gemeinsamen Spannungsregler möglich. Die elektrische Energie zum Be- trieb der Sensoren kann in einem solchen Fall ebenfalls vom Drehzahlsensor geliefert wer- den, was die bereits genannten Vorteile bringt. freilich könnten weitere interne Spannungs- quellen, wie Rüttelgeneratoren, Photozellen, oder Peltier-Elemente eingesetzt werden, kann

dies aber vermieden werden durch sparsame Verbraucher, so hält dies Anzahl der Bauele- mente gering, was die Störanfälligkeit wiederum positiv beeinflusst.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur überwachung einer Rotoreinheit umfasst einen Drehzahlsensor, eine Signalverarbeitungseinrichtung, einen nichtflüchtigen Speicher sowie eine integrierte Spannungsversorgung. Die integrierte Spannungsversorgung ist mit einem Spannungsregler verbunden, der den nichtflüchtigen Speicher und/oder die Signalverarbei- tungseinrichtung mit der jeweils geringst möglichen Spannung versorgt. Dadurch wird der Energieverbrauch der Vorrichtung sehr gering gehalten.

Die integrierte Spannungsversorgung umfasst den Drehzahlsensor und eine mit diesem verbundene Spannungsaufbereitung, auf diese Weise kann der Drehzahlsensor nicht nur zur Signalerfassung sondern zugleich als Energiequelle genutzt werden. Auch ein Peltier- Element und/oder ein Rüttelgenerator und/oder eine Solarzelle können von der integrierte Spannungsversorgung umfasst sein, je nach Einsatzbedingung und Möglichkeiten. Auf- grund dieser internen Spannungsversorgung kann die Vorrichtung unabhängig von einer äusseren Spannungsquelle betrieben werden und es gibt keine Ausfallzeiten für ein Austau- schen oder Wiederaufladen des Energiespeichers. Probleme mit Netzschwankungen und mit Steckverbindungen können so ebenfalls nicht auftreten. Auch muss von aussen kein Stromkabel an die Vorrichtung herabgeführt werden, was bei Maschinen mit hohen Betrieb- stemperaturen problematisch und teuer sein kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Drehzahlerfassung ist zusätzlich zur integrierten Spannungsversorgung ein Backup-Energiespeicher, z. B. in Form eines Kondensators oder in Form einer Batterie, vorgesehen. Im Falle eines Maschinenstopps und dem damit verbundenen Abfall bzw. Ausfall der Spannungsversorgung erlaubt der Backup-Energiespeicher die Sicherung von in der Signalverarbeitungseinrichtung befindli- chen Daten im nichtflüchtigen Speicher. Der Backup-Energiespeicher ist vorteilhaft so in den Schaltkreis integriert, dass er durch die integrierte Spannungsversorgung aufladbar ist.

Der nichtflüchtige Speicher ist mit einer sehr geringen Leistung, vorzugsweise in einem Spannungsbereich von 0.5V bis 5V betreibbar, so dass die durch die integrierte Span- nungsversorgung zur Verfügung gestellte Energie genügt, den Speicher zu betreiben.

Die Signalverarbeitungseinrichtung umfasst eine Signalaufbereitung und einen Mikrocon- troller. Der Mikrocontroller ist vorzugsweise programmierbar, so dass er vielfältig einsetzbar ist. Für unterschiedliche Anforderung ist es möglich entsprechend passende Mikrocontroller einzusetzen, die für die gewünschte Programmierung optimiert sind. Auch der Mikrocon- troller ist mit einer geringen Leistung, vorzugsweise variabel und in einem Spannungsbe- reich von 0.5V bis 5V betreibbar, so dass die durch die integrierte Spannungsversorgung zur Verfügung gestellte Energie genügt den Mikrocontroller zu betreiben.

Ein Spannungsregler in der Vorrichtung stellt für den nichtflüchtigen Speicher und, wenn nötig, für den Mikrocontroller den Betrieb mit der jeweils minimal möglichen Spannung si- cher, um den Leistungsverbrauch der Vorrichtung zu minimieren.

über eine Schnittstelle zum Auslesen der Daten können die Daten bei Bedarf mit Hilfe eines PC ausgelesen werden.

Die gesamte Vorrichtung ist so kompakt, dass sie problemlos innerhalb des Maschinenge- häuses anordenbar ist. Auf diese Weise treten keine Probleme mit Steckverbindungen und der Verlegung von Leitungen auf. Ist die Schnittstelle zum Datenauslesen die einzige Ver- bindung aus dem Maschinengehäuse heraus, so ist die Vorrichtung noch weniger anfällig auf Störungen.

Umfasst die integrierte Spannungsversorgung mehrere unterschiedliche Elemente wie den Drehzahlsensor mit dem Spannungsaufbereitung und/oder ein Peltier-Element 28 und/oder eine Solarzelle und/oder einen Rüttelgenerator, so ist sichergestellt, dass die verfügbare Energie jederzeit für die überwachung und auch das Laden des Backup-Energiespeichers ausreicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der Vorrichtung neben dem Drehzahlsensor weitere Sensoren, wie z. B. Temperatursensoren und Drucksensoren vorgesehen. Auch

Massenstromsensoren zur Messung der Strömung des Arbeitsmediums, Abstandssensoren beispielsweise zur Bestimmung des Spiels zwischen rotierenden und stehenden Teilen oder Vibrationssensoren können vorgesehen sein. Mit diesen zusätzlichen Sensoren in der Vor- richtung ist es möglich ein umfassenderes Bild der mittels Messdaten zu analysierenden Maschine zu erhalten. Auch diese Sensoren sind vorteilhaft mit einer sehr geringen Leistung und einer Spannung im Bereich zwischen 0.5V und 5V betreibbar. Mit Hilfe des gemeinsa- men Spannungsreglers, oder falls erforderlich mit Hilfe mehrerer Spannungsregler, werden die Sensoren jeweils mit der minimal möglichen Spannung betrieben.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur überwachung des Betriebes der Rotoreinheit ist unabhängig von einer äusseren Stromzufuhr und sehr wartungsarm, da keine Leitungen und Steckverbindungen zur Spannungsversorgung und Signalübertragung nötig sind. Sie ist daher langlebig und sehr zuverlässig.

Ein Turbolader der mit einer erfindungsgemässen überwachungsvorrichtung ausgestattet ist und mit dem erfindungsgemässen Verfahren überwacht wird, kann ohne grossen War- tungsaufwand über seine gesamte Lebensdauer hinweg überwacht werden. Die in Lastpro- file umgerechneten Daten werden von Zeit zu Zeit ausgelesen und geben dennoch einen detaillierten überblick über alle Geschehnisse in der Vergangenheit des Turboladers.

Damit ist jederzeit eine Beurteilung der über die Lebensdauer kumulierten Belastung mög- lich, welche Vorhersagen über die Restlebenszeit der betroffenen Turboladerkomponenten zulässt.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer abhängigen Patentan- sprüche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbei- spielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen rein schematisch :

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur überwachung des Betriebes einer Rotoreinheit ; Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ; und Fig. 3 im Schnitt entlang seiner Längsachse einen Turbolader mit einer erfindungs- gemässen überwachungsvorrichtung.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Be- zugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebene Ausführungsform steht bei- spielhaft für den Erfindungsgegenstand und hat keine beschränkende Wirkung.

Wege zur Ausführung der Erfindung Im Blockschaltbild der Fig. 1 ist schematisch die Schaltung einer erfindungsgemässen Vor- richtung 8 zur Drehzahlerfassung dargestellt. Ein Drehzahlsensor 10, beispielsweise ein Drehzahlgeber der Firma JAQUET, ist via eine Signalaufbereitung 12, beispielsweise ein Schmitt-Trigger (oder ein beliebiger, anderer Pulsformer), mit einem programmierbaren Mi- krocontroller 14 (beispielsweise von der Firma Intel oder ATMEL) zur Verarbeitung der auf- bereiteten Signale verbunden. Zugleich ist der Drehzahlsensor 10 mit einer Spannungsauf- bereitung 16, hier in Form eines high speed Brückengleichrichters, gekoppelt. An den Dreh- zahisensor 10 mit der Spannungsaufbereitung 16 ist ein Backup-Energiespeicher 30 ange- schlossen, der hier in Form eines Kondensators. ausgestaltet ist und durch den Drehzahl- sensor 10 mit der Spannungsaufbereitung 16 gespeist wird. Der Drehzahlsensor 10 bildet zusammen mit der Spannungsaufbereitung 16 und dem Backup-Energiespeicher 30 eine in die Vorrichtung 8 integrierte Spannungsversorgung 18. Die integrierte Spannungsversor- gung 18 ist mit einem Spannungsregler 20 verbunden. Der Spannungsregler 20 versorgt den Mikrocontroller 14 sowie einen mit dem Mikrocontroller 14 verbundenen, nichtflüchtigen Speicher 22 (z. B. EEPROM oder Flash-Memory) mit der jeweils minimal möglichen Be- triebspannung gemäss der dual power"-Strategie. Der Backup-Energiespeicher 30 ermög-

licht bei Maschinenstillstand und daraus resultierendem Spannungsabfall bzw. gänzlichem Spannungsausfall das Abspeichern von im Mikrocontroller 14 befindlichen Daten in den nichtflüchtigen Speicher 22, so dass diese Daten nicht verloren gehen können. Eine Schnittstelle 36, die ebenfalls über den Mikrocontroller 14 angesteuert ist, ermöglicht das Auslesen von Daten beispielsweise mit Hilfe eines Computers 26. Diese Daten können di- rekt aus dem Mikrocontroller 14 oder auch mit Hilfe des Mikrocontrollers 14 aus dem nicht- flüchtigen Speicher 22 ausgelesen werden. Die Schnittstelle kann entweder von der inte- grierten Spannungsversorgung oder mittels einer externen Spannungsquelle betrieben wer- den, wobei die Spannungsversorgung vorteilhaft auf die Zeiten des Datenauslesens be- schränkt ist.

Je nach Art des Mikrocontrollers 14 ist es nötig, den nichtflüchtigen Speicher 22 und den Mikrocontroller 14 mittels des Spannungsreglers 20 mit der minimal möglichen Spannung auf einem geringen Leistungsverbrauch zu halten, oder aber nur den nichtflüchtigen Spei- cher 22. Letzteres genügt dann, wenn ein Mikrocontroller 14 in der Vorrichtung 8 eingesetzt ist, der von sich aus immer mit der minimal möglichen Betriebsspannung arbeitet.

Das Blockschaltbild aus Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen überwachungsvorrichtung 24. Sie entspricht im Wesentlichen der durch das Blockschaltbild aus Fig. 1 bekannten Vorrichtung 8. In der überwachungsvorrichtung 24 ist zusätzlich zu dem mit der Spannungsaufbereitung 16 gekoppelten Drehzahlsensor 10 ein Peltier-Element 28 als Spannungserzeuger in der integrierten Spannungsversorgung 18 vorgesehen. Statt des Peltier-Elements 28 oder zusätzlich zu diesem könnten auch ein Rüttelgenerator und/oder bei ausreichenden Lichtverhältnissen eine Solarzelle als Energiequelle in der inte- grierten Spannungsversorgung 18 vorgesehen sein. Das Peltier-Element 28 und der mit der Spannungsaufbereitung 16 gekoppelte Drehzahlsensor 10 beliefern mittels des Spannungs- reglers 20, wie dies bereits aus Fig. 1 bekannt ist, den nichtflüchtigen Speicher 22 und den Mikrocontroller 14 mit Energie. Ausserdem versorgen sie den Backup-Energiespeicher 30, der vorzugsweise als Kondensator ausgestaltet ist aber auch in Form einer Batterie vorge- sehen sein kann. Der Backup-Energiespeicher 30 ermöglicht bei Maschinenstillstand und daraus resultierendem Spannungsabfall bzw. gänzlichem Spannungsausfall das Abspei- chern von im Mikrocontroller 14 befindlichen Daten in den nichtflüchtigen Speicher 22, so

dass keine Daten verloren gehen. In dem hier gezeigten Beispiel weist die überwachungs- vorrichtung 24 zusätzlich zu dem Drehzahlsensor 10 einen Temperatursensor 32 und ein Drucksensor 34 auf, die mit dem Mikrocontroller 14 verbunden sind und ihre Signale zur Verarbeitung an diesen weiterleiten. Die Sensoren 32,34 können vorteilhaft ebenfalls mit geringer Leistung und Spannungen im Bereich zwischen 0.5V und 5V betrieben werden.

Der Spannungsregler 20 stellt auch bei den Sensoren 32,34 den Betreib mit minimalem Leistungsverbrauch, d. h. mit der jeweils minimal möglichen Betriebsspannung sicher.

Auch für die überwachungsvorrichtung 24 gilt, dass je nach Art des Mikrocontrollers 14 entweder nur der Mikrocontroller 14 oder aber der Mikrocontroller 14 und der nichtflüchtige Speicher 22 und allfällige weitere Sensoren 32,34 mit Hilfe des Spannungsreglers 20 mit der minimal möglichen Betriebsspannung zu versorgen sind, um den Leistungsverbrauch zu minimieren. In der überwachungsvorrichtung 24 können weitere Sensoren, wie beispiels- weise Massenstromsensoren zur Messung der Strömung des Arbeitsmediums z. B. der Ab- gasturbine eines Turboladers oder auch im Bereich des Verdichters vorgesehen sein. Oder Abstandssensoren zur Messung des Abstandes zwischen rotierenden und stehenden Teilen z. B. zur überwachung des Spiels im Spalt zwischen Rotor und Gehäuse oder der Grösse des Schmierölspaltes in einem Lager. Als weiterer Sensor ist auch ein Vibrationssensor denkbar. All diese Sensoren sind so ausgestaltet, dass sie mit geringem Leistungsver- brauch, vorzugsweise in einem Spannungsbereich von 0.5V bis 5V, betrieben werden kön- nen. Der Spannungsregler 22 in der überwachungsvorrichtung 24 ermöglicht auch hier wie- der, dass während des Betriebes die minimal mögliche Spannung an diesen weiteren Sen- soren anliegt.

Dem gleichen Prinzip entsprechend ist auch eine Vorrichtung denkbar, deren interne Span- nungsversorgung 18 nur über Solarzellen und/oder Peltier-Elemente und/oder Rüttelgene- ratoren sichergestellt wird. Eine solche überwachungsvorrichtung könnte sich dann auf die Erfassung und Verarbeitung von beispielsweise Temperatur-und Druckdaten beschränken.

Es kann auch hier ein Drehzahisensor 10 vorgesehen sein, aber da die Energieversorgung anders bewerkstelligt wird, muss kein Drehzahlsensor 10 mit angekoppelter Spannungsauf- bereitung 16 vorgesehen sein.

Figur 3 zeigt eine erfindungsgemässen Vorrichtung 8 in einem Turbolader 38. Der Turbola- der 38 weist eine schnelldrehende Rotoreinheit 40 auf und ist im Schnitt entlang seiner Längsachse 42 dargestellt. Die schnelldrehende Rotoreinheit 40 umfasst ein Turbinenrad 40/44 und ein Verdichterrad 46, die über eine gemeinsame Turboladerwelle 48 miteinander verbunden sind. Das Turbinenrad 44 ist von einem Turbinengehäuse 50 und das Verdichter- rad 46 ist von einem Verdichtergehäuse 52 umgeben. Die gemeinsame Turboladerwelle 48 ist zwischen dem Verdichterrad 46 und dem Turbinenrad 44 in zwei Lagern 55,55', die sich in einem Lagergehäuse 54 befinden, gelagert. Turbinengehäuse 50, Verdichtergehäuse 52 und Lagergehäuse 54 bilden zusammen das Turboladergehäuse 56.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung 8 zur überwachung der Rotoreinheit 40, die gemäss dem Blockschaltbild aus Fig. 1 aufgebaut ist, ist im Lagergehäuse 54 angeordnet. Der Drehzahlsensor 10, mit einer in gestrichelten Linien gezeichneten Ellipse angedeutet, ist im Axiallager 55'angeordnet und erfasst die Drehzahlwerte der Turboladerwelle 48. Die Ener- gieversorgung der Vorrichtung 8 erfolgt ebenfalls mit Hilfe des Drehzahlsensors 10. In ei- nem Gehäuse 60 der Vorrichtung 8, sind die Signalaufbereitung 12, der Mikrocontroller 14, die Spannungsaufbereitung 16, der Backup-Energiespeicher 30, sowie der Spannungsreg- ler 20 und der nichtflüchtige Speicher 22 untergebracht. (Aus Platzgründen sind diese nicht im Detail dargestellt.) Das Gehäuse 60 der Vorrichtung 8 ist in einer dafür vorgesehenen Vertiefung des Lagergehäuses 54 angeordnet und weist zugleich die Schnittstelle 36 zum auslesen der Daten auf. Die Verbindung zum Drehzahlsensor 10 ist mittels eines Kabels 58 gewährleistet. Es ist aber auch möglich, dass das Gehäuse 60 der Vorrichtung 8 noch nä- her am Drehzahlsensor 1 im Lagergehäuse 54 anzuordnen, wie diese beispielhaft mittels der mit gestrichelten Linien gezeigten Variante dargestellt ist. Die Verbindung zwischen dem Mikrocontroller 14 bzw. dem nichtflüchtigen Speicher 22 im Gehäuse 60 der Vorrichtung 8 und der Schnittstelle 36 der Vorrichtung 8 aussen am Lagergehäuse 54 ist wiederum mittels eines fest im Lagergehäuse verlegten Kabels gewährleistet. Welche Variante zum Einsatz kommt hängt von den individuellen Gegebenheiten wie z. B. Platzangebot und Temperatur ab. Das Gehäuse 60 nimmt in diesem Beispiel also alle Elemente der Vorrichtung 8 mit Ausnahme des Drehzahlsensors 10 und eventuell der Schnittstelle auf. Durch die Anord- nung des Gehäuses 60 mit der Signalaufbereitung 12, dem Mikrocontroller 14 und dem

nichtflüchtigen Speicher 22 im oder am Lagergehäuse 54 ist es möglich die erfassten Dreh- zahlwerte unmittelbar nach ihrer Erfassung und im Bereich ihres Erfassungsortes in ein Lastprofil oder ein Lastwechselprofil umzurechnen und die umgerechneten Daten abzuspei- chern. Mittels der Schnittstelle 36 können die Daten dann zu beliebigen Zeiten ausgelesen werden.

Im Folgenden wird das erfindungsgemässen Verfahren anhand der in Fig : 1 gezeigten er- findungsgemässen Vorrichtung 8 erläutert : Mittels des Drehzahlsensors 10 werden die zeitabhängigen Drehzahlwerte des Rotors er- fasst und unmittelbar nach ihrer Erfassung, in der Signalverarbeitungseinrichtung, die in diesem Beispiel in Form eines programmierbaren Mikrocontrollers 14 im Bereich des Erfas- sungsortes angeordnet ist, in ein Lastprofil oder Lastwechselprofil umgerechnet. Bei der Be- rechnung des Lastprofils wird der zeitliche Anteil eines bestimmten Drehzahlwertes in einem betrachteten Zeitraum berechnet. Dabei können der Drehzahlwert und die Zeit absolut oder relativ, d. h. in % des Maximalwertes, berechnet werden. Die Drehzahlwerte können dann beispielsweise nach ihrer Grösse sortiert angegeben werden, wie in dem Folgenden Bei- spiel : Die erfasste Messgrösse ist die Drehzahl ; der betrachtete Zeitraum, wird gleich 100% ge- setzt.

Drehzahl Wert 1 während 10% des betrachteten Zeitraumes Drehzahl Wert 2 während 30% des betrachteten Zeitraumes Drehzahl Wert 3 während 30% des betrachteten Zeitraumes Drehzahl Wert 4 während 25% des betrachteten Zeitraumes Drehzahl Wert 5 während 5% des betrachteten Zeitraumes Die Berechnung des Lastwechselprofils kann z. B. nach der"Rainflow"-Methode erfolgen, wobei die Veränderungen des Drehzahlwertes erfasst und die Veränderungen in diskrete Klassen eingeteilt werden. Die Gesamtzahl der Veränderungen kann dann, eingeteilt in die jeweiligen Klassen, absolut oder relativ angegeben werden, wobei sowohl die Klassen als auch die Zeit absolut oder relativ, d. h. in % des Maximalwertes, angegeben werden können.

Das aus den Drehzahlwerten berechnete Lastprofil wird anstelle der sonst üblichen Daten- paare, Drehzahlwert Zeitpunkt, abgespeichert, was die zu speichernde Datenmenge erheb-

lich reduziert. Abgespeichert werden die umgerechneten Daten in einem nichtflüchtigen Speicher 22, der ebenfalls im Bereich des Erfassungsortes angeordnet ist. Sowohl der Mi- krocontroller 14 als auch der nichtflüchtige Speicher 22 werden mit Hilfe des Spannungs- reglers 20 mit der jeweils geringst möglichen Spannung betrieben. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch für die überwachung sehr gering gehalten werden. Die Energiever- sorgung erfolgt mittels des die Drehzahlwerte erfassenden Drehzahlsensors 10, so dass keine externe Energiequelle benötigt wird.

Auf die beschriebene Weise können natürlich auch weitere Betriebsdaten, wie Temperatur, Massenstrom, Vibrationen, Lagerspaltbreite, Lagertemperatur und ähnliches erfasst werden (vgl. hierzu auch Fig. 3). Je nach Bedarf werden die so erfassten Betriebsdaten in eigene Belastungsprofile umgerechnet und/oder in das Lastprofil aus den Drehzahlwerten einge- rechnet, was dann eine Art Gesamtlastprofil ergibt. Die Belastungsprofile können analog zu den Lastprofilen oder Lastwechselprofil der Drehzahlwerte berechnet werden. Die Umrech- nung erfolgt mit Hilfe des gleichen Mikrocontrollers 14, der auch die Drehzahlwerte umrech- net. Dies verbraucht am wenigsten Energie. Besonders Vorteilhaft bei der Erfassung vieler verschiedener Betriebsdaten ist die Berechnung eines Gesamtlastprofils, da das Abspei- chern des Gesamtlastprofils die Speicherkapazität des nichtflüchtigen Speichers 22 am we- nigsten beansprucht. Die Sensoren 32,34 zur Erfassung, der verschiedenen Betriebsdaten werden mittels des gemeinsamen Spannungsreglers 20 wiederum mit der jeweils geringst möglichen Betriebsspannung betrieben. Die elektrische Energie zum Betrieb der Sensoren wird vom Drehzahlsensor 10 und ein Peltier-Element 28 geliefert. Elektrische Energie kann aber auch, abhängig von der zu überwachenden Anlage, von Rüttelgeneratoren oder Pho- tozellen geliefert werden.

Bezugszeichenliste 8 Vorrichtung zur überwachung einer Rotoreinheit 10 Drehzahisensor 12 Signalaufbereitung 14 Mikrocontroller 16 Spannungsaufbereitung 18 Spannungsversorgung 20 Spannungsregler 22 nichtflüchtiger Speicher 24 überwachungsvorrichtung 26 Computer 28 Peltier-Element 30 Backup-Energiespeicher 32 Temperatursensor 34 Drucksensor 36 Schnittstelle 38 Turbolader 40 Rotoreinheit 42 Längsachse 44 Turbinenrad 46 Verdichterrad 48 Turboladerwelle 50 Turbinengehäuse 52 Verdichtergehäuse 54 Lagergehäuse 55 Lager 56 Turboladergehäuse 58 Kabel 60 Gehäuse




 
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