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DE102024100687A1 - Method for determining a speed - Google Patents

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DE102024100687A1
DE102024100687A1 DE102024100687.0A DE102024100687A DE102024100687A1 DE 102024100687 A1 DE102024100687 A1 DE 102024100687A1 DE 102024100687 A DE102024100687 A DE 102024100687A DE 102024100687 A1 DE102024100687 A1 DE 102024100687A1
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DE
Germany
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frequency
phase
computing unit
values
determined
Prior art date
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Pending
Application number
DE102024100687.0A
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German (de)
Inventor
René Bilsing
Moritz Veith
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IFM Electronic GmbH
Original Assignee
IFM Electronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Vorgeschlagen wird ein präzises Verfahren zur Bestimmung einer (konstanten) Drehzahl (n), welches mit geringen Vorinformationen auskommt und das sich durch die Bestimmung des Phasenspektrums (PS) eines Schwingungszeitsignals (TWF) anhand der Fourier-Transformation (FFT) auszeichnet, unter:
- Berechnung von wenigstens drei zeitlich aufeinanderfolgenden Fourier-Transformationen (FFT1, FFT2, FFT3, FFT4) und
- Bestimmung der Schwankung und/oder Differenz der Phasenwerte (DPS),
- Bestimmung des oder der Frequenzwerte, bei dem oder bei denen die Schwankung und/oder Differenz der Phasenwerte über die Zeit hinweg einen vorgegebenen Schwellwert nicht übersteigt und/oder konstant ist.

Figure DE102024100687A1_0000
A precise method for determining a (constant) speed (n) is proposed, which requires little prior information and is characterized by the determination of the phase spectrum (PS) of an oscillation time signal (TWF) using the Fourier transform (FFT), under:
- Calculation of at least three temporally consecutive Fourier transforms (FFT1, FFT2, FFT3, FFT4) and
- Determination of the fluctuation and/or difference of the phase values (DPS),
- Determination of the frequency value(s) at which the fluctuation and/or difference of the phase values over time does not exceed a predetermined threshold and/or is constant.
Figure DE102024100687A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl, vorzugsweise einer konstant bleibenden oder zumindest sich nicht hochdynamisch ändernden Drehzahl.The invention relates to a method for determining a rotational speed, preferably a rotational speed that remains constant or at least does not change highly dynamically.

Aus der EP 3 581 328 B1 ist im Stand der Technik zum Beispiel ein Verfahren bekannt, bei dem mit Hilfe einer Maßverkörperung ein Schwingungszeitsignal einer Rotoreinheit einer Werkzeugmaschine aufgenommen wird. Aus dem somit über eine Fourier-Transformation gewonnenen Amplitudenspektrum können Informationen über die Drehzahl bis hin zu Erkenntnissen über etwaige Planlauffehler erlangt werden.From the EP 3 581 328 B1 For example, a method is known in the prior art in which a vibration time signal from a rotor unit of a machine tool is recorded using a measuring scale. The amplitude spectrum thus obtained via a Fourier transformation can provide information about the rotational speed and even insights into possible axial runout errors.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl bereitzustellen, welches eine besonders präzise Messung erlaubt und dabei insbesondere mit möglichst wenigen Vorinformationen oder Annahmen über den zu vermessenden Prozess bzw. die zu vermessende Maschine auskommt.The object of the invention is to provide a method for determining the rotational speed which allows a particularly precise measurement and, in particular, requires as little prior information or assumptions as possible about the process or machine to be measured.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einem Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl der eingangs genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by the features of claim 1, starting from a method for determining a rotational speed of the type mentioned at the outset.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.Advantageous embodiments and developments of the invention are possible by the measures mentioned in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird also zur Bestimmung einer Drehzahl, und zwar vorzugsweise einer konstant bleibenden Drehzahl eingesetzt. Die Drehzahl muss nicht notwendigerweise exakt konstant bleiben; vielmehr genügt in der Regel, dass es sich nicht um eine sich hochdynamisch ändernde Drehzahl handelt, d.h. die Drehzahl für einen niedrigen einstelligen Sekundenbereich (für wenige, z.B. 4 Sekunden) als konstant bleibend erkannt werden kann, also z.B. in diesem Zeitintervall nicht mehr als 10% Schwankung aufweist. Die vorliegende Beschreibung bezieht sich zunächst auf die Erfassung einer in diesem Rahmen annähernd konstanten Drehzahl, Es ist auch grundsätzlich möglich, das Verfahren anzuwenden, wenn die Drehzahl nicht konstant bleibt, sondern sich zeitlich ändert.The method according to the invention is therefore used to determine a rotational speed, preferably a rotational speed that remains constant. The rotational speed does not necessarily have to remain exactly constant; rather, it is generally sufficient that the rotational speed is not subject to highly dynamic changes, i.e., the rotational speed can be recognized as remaining constant for a low single-digit second range (for a few seconds, e.g., 4 seconds), i.e., it does not exhibit a fluctuation of more than 10% within this time interval. The present description initially relates to the detection of a rotational speed that is approximately constant within this framework. It is also fundamentally possible to apply the method if the rotational speed does not remain constant but changes over time.

Bei rotierenden Bauteilen, etwa der Rotoreinheit einer elektrischen Maschine, eines Antriebs oder dergleichen werden Drehzahlen bestimmt und gegebenenfalls auch Informationen über die Unwucht erhalten, indem eine Referenz, eine sog. Maßverkörperung am Rotor detektiert wird, sobald diese den Sensor immer wiederkehrend passiert. Zur Erhöhung der Genauigkeit und insbesondere zur Bestimmung einer Unwucht werden vorteilhafterweise die Sensoren mit einem Phasenversatz von 90° angeordnet.For rotating components, such as the rotor unit of an electrical machine, a drive, or the like, speeds are determined and, if necessary, information about imbalance is obtained by detecting a reference, a so-called dimensional standard, on the rotor as it repeatedly passes the sensor. To increase accuracy, and especially to determine imbalance, the sensors are advantageously arranged with a phase offset of 90°.

Besonders bevorzugt ist der Einsatz dreiachsiger Sensoren. Eine axiale Detektion kann bei großen Unwuchten zu einem merklichen Signal führen, sodass mit dem Verfahren die Unwucht auch verbessert erfasst werden kann.The use of three-axis sensors is particularly preferred. Axial detection can produce a noticeable signal in the case of large imbalances, allowing the method to more effectively detect the imbalance.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dementsprechend ein Schwingungszeitsignal einer Achse, vorzugsweise in senkrechter Ausrichtung bzw. radial zur Rotationsachse, aufgenommen. Die Sample-Rate des verwendeten Schwingungssensors ist in der Regel bekannt und wird typischerweise vom Schwingungssensor bereitgestellt. Die Sample-Rate muss aber nicht zwingend vom Schwingungssensor direkt übermittelt werden. Eine Recheneinheit wie die Datenerfassungseinheit kann ebenfalls die Sample-Rate bereitstellen. Die Sample-Rate kann als Parameter dort zur Verfügung stehen. Ferner ist eine Parametrierung durch einen Benutzer möglich.In the method according to the invention, a vibration time signal of an axis is recorded, preferably in a perpendicular orientation or radially to the rotation axis. The sample rate of the vibration sensor used is generally known and is typically provided by the vibration sensor. However, the sample rate does not necessarily have to be transmitted directly by the vibration sensor. A computing unit such as the data acquisition unit can also provide the sample rate. The sample rate can be available there as a parameter. Furthermore, parameterization by a user is possible.

Mit Hilfe einer Fourier-Transformation wird aus dem Schwingungszeitsignal unter Verwendung der Sample-Rate ein Phasenspektrum generiert. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Bestimmung der Drehzahl nur die Phaseninformation benötigt wird, Das Amplitudenspektrum, welches bislang bei herkömmlichen Verfahren aus dem Stand der Technik fast ausschließlich die Grundlage für die Drehzahlbestimmung bildete, wird hierzu grundsätzlich nicht benötigt. Dennoch kann mit Hilfe eines Amplitudenspektrums die Genauigkeit erhöht werden. Das Amplitudenspektrum kann auch für die Bestimmung der korrekten Frequenz benötigt werden. Bei der Analyse bildet das Phasenspektrum zunächst eine Basis, um die Frequenzen, die als Drehzahl in Frage kommen, auszuwählen, während unter Berücksichtigung des Amplitudenspektrums eine detailliertere Auswertung umsetzbar ist, weil daraus weitere Informationen gewonnen werden können, mit denen z.B. bestimmte Frequenzwerte ausgeschlossen werden können. Beispielsweise kann überprüft werden, ob bei einem bestimmten Frequenzwert die Amplituden konstant bleiben. Ist dies nicht der Fall, liegt möglicherweise ein durch Rauschen bestimmtes Artefakt vor. D.h. diese Frequenzwerte können unbeachtet bleiben, während bei konstanter Amplitude der Frequenzwert mit einer tatsächlichen Drehzahl korrelieren kann.Using a Fourier transformation, a phase spectrum is generated from the oscillation time signal using the sample rate. The invention is characterized by the fact that only the phase information is required to determine the rotational speed. The amplitude spectrum, which has so far formed the almost exclusive basis for determining the rotational speed in conventional prior art methods, is fundamentally not required for this purpose. Nevertheless, accuracy can be increased with the help of an amplitude spectrum. The amplitude spectrum can also be used to determine the correct frequency. During the analysis, the phase spectrum initially forms a basis for selecting the frequencies that are possible rotational speeds, while taking the amplitude spectrum into account allows for a more detailed evaluation because it can provide further information that can be used, for example, to exclude certain frequency values. For example, it can be checked whether the amplitudes remain constant at a certain frequency value. If this is not the case, there may be an artifact caused by noise. This means that these frequency values can be ignored, while with a constant amplitude the frequency value can correlate with an actual speed.

Bei der Drehzahlbestimmung über eine Fourier-Transformation sind im Spektrum neben der Drehzahl bei einer bestimmten Frequenz immer auch Vielfache der Drehzahl als Spektrallinien sichtbar. Dabei tritt jedoch die eigentliche Drehzahlfrequenz nicht immer als prominenteste Linie hervor, was die Bestimmung der Drehzahl erschwert, weil mehrere Linien zu sehen sind und eine Auswahl der Frequenz stattfinden muss, welche die eigentliche Drehung beschreibt. Im Amplitudenspektrum kann sogar die Linie bei der eigentlichen Drehzahl verschwindend gering sichtbar sein, sodass aus den Vielfachen der Drehzahl auf die eigentliche Frequenz rückgeschlossen werden muss. Bei der Verwendung eines Amplitudenspektrums sind also spezielle Kenntnisse über die zu vermessende Rotation und eine gute Auflösung notwendig, zum Beispiel ein Drehzahlbereich, in dem sich die Frequenz erwartungsgemäß befinden muss. Ist eine automatisierte Auswahl potentieller Drehzahlen nicht möglich, wird zuweilen dem Benutzer eine Auswahl an infrage kommenden Drehzahlen vorgeschlagen, wobei der Benutzer durch seine Kenntnisse selbst auszählen muss, welche der Frequenzen die korrekte ist.When determining the speed using a Fourier transformation, in addition to the speed at a specific frequency, multiples of the speed are always visible as spectral lines in the spectrum. However, the actual speed frequency is not always the most prominent line, which makes determining the speed difficult because several lines are visible and a selection of the frequency that describes the actual rotation. In the amplitude spectrum, even the line at the actual speed can be vanishingly small, meaning that the actual frequency must be inferred from multiples of the speed. When using an amplitude spectrum, special knowledge of the rotation to be measured and good resolution are necessary, for example, a speed range within which the frequency must be expected. If an automated selection of potential speeds is not possible, the user is sometimes presented with a selection of possible speeds, whereby the user must use their own knowledge to determine which of the frequencies is the correct one.

Je länger das aufgenommene Schwingungszeitsignal ist bzw. je mehr Schwingungszeitsignale aufgenommen werden können, desto genauer kann die Bestimmung erfolgen. Je mehr Fourier-Transformationen jeweils über eine bestimmte Zeitspanne verwendet werden, desto genauer erfolgt die Bestimmung. Gemäß der Erfindung werden in der Regel mindestens drei Fourier-Transformationen mit gleichen Einstellungen und gleichem Zeitversatz benötigt. Die Sample-Rate, welche zur Auswertung benötigt wird, steht als Information eines gemessenen Zeitsignals im Grunde stets bei bekanntem Beschleunigungssensor zur Verfügung, sodass die Notwendigkeit, diese Information zu besitzen, keinen Nachteil und vor allem keinen zusätzlichen Aufwand mit sich bringt. Zur Gewichtung der Zeitsignalwerte kann eine Fensterfunktion, insbesondere ein Hanning-Fenster verwendet werden. Sonstige Fensterfunktionen können grundsätzlich auch angewandt werden. Mit wachsender Breite der Fensterfunktion können die Nebenmaxima unterdrückt und die Dynamik verbessert werden.The longer the recorded oscillation time signal is or the more oscillation time signals that can be recorded, the more accurate the determination can be. The more Fourier transforms are used over a certain period of time, the more accurate the determination can be. According to the invention, at least three Fourier transforms with the same settings and the same time offset are generally required. The sample rate required for evaluation is basically always available as information from a measured time signal if the acceleration sensor is known, so the need to have this information does not entail any disadvantage and, above all, does not entail any additional effort. A window function, in particular a Hanning window, can be used to weight the time signal values. Other window functions can also be applied in principle. With an increasing width of the window function, the secondary maxima can be suppressed and the dynamics improved.

Aus den Phasenspektren werden die Schwankungen bzw. Differenzen der Phasen berechnet. Bei den Frequenzwerten, bei denen die Drehzahl, ein Vielfaches der Drehzahl oder gegebenenfalls sonstige Schwingungen zu finden sind, ist eine im Wesentlichen konstante Phase zu erwarten, wobei „im Wesentlichen“ bedeutet, dass die Phasen aufgrund statistischer oder systematischer Fehler beim Messen zumindest annähernd konstant, also z.B. bis auf weniger als 20° Unterschied als konstant angenommen werden können. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass kein Referenzwert zur absoluten Bestimmung der Phase notwendig ist, weil allein die Konstanz der Phasenbeziehungen in die Auswertung einfließt. Auch ein Keyphasor zur exakten Drehzahlbestimmung ist vorteilhafterweise nicht notwendig. Es kann also vorteilhafterweise darauf verzichtet werden, eine Maßverkörperung bzw. einen Keyphasor am Rotor anzubringen. Die Konstanz der Phase ergibt sich bei konstanter Drehzahl z.B. daraus, dass man in jedem Zeitintervall, über welches eine Fourier-Transformation gebildet wird, bis zu einer bestimmten Stelle (z.B. ein Schwingungsmaximum) die jeweilige Phase misst und die Differenz bei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen bestimmt, was ohne Maßverkörperung / Keyphasor möglich ist. Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine parameterfreie Drehzahlbestimmung.The fluctuations or differences in the phases are calculated from the phase spectra. For the frequency values at which the speed, a multiple of the speed, or possibly other oscillations are found, an essentially constant phase is to be expected, where "essentially" means that the phases are at least approximately constant due to statistical or systematic errors in the measurement, i.e., they can be assumed to be constant to within a difference of less than 20°. A further advantage of the method according to the invention is that no reference value is necessary for the absolute determination of the phase, because only the constancy of the phase relationships is taken into account in the evaluation. A key phasor for the exact determination of the speed is also advantageously not required. This advantageously eliminates the need to attach a measuring scale or key phasor to the rotor. The constancy of the phase at a constant speed is achieved, for example, by measuring the respective phase up to a specific point (e.g., an oscillation maximum) in each time interval over which a Fourier transformation is performed and determining the difference at successive time intervals. This is possible without a measuring scale/key phasor. Overall, the invention enables parameter-free speed determination.

Zur Bestimmung der Konstanz der Phase kann auch die zweimalige Differenzbildung bzw. Ableitung bestimmt werden, die dann im Idealfall Null ergeben sollte, wenn tatsächlich eine zeitliche Konstanz auftritt.To determine the constancy of the phase, the two-fold difference or derivative can also be determined, which should ideally result in zero if temporal constancy actually occurs.

Bei Auftreten einer annähernd konstanten Phase in einem bestimmten Spektrallinienbereich wird eine konstante bzw. synchrone Frequenz assoziiert.When an approximately constant phase occurs in a certain spectral line range, a constant or synchronous frequency is associated.

Gemäß der Erfindung können also vorteilhafterweise auch geringe Unwuchten detektiert werden, solang die Amplitude nur signifikant genug ist und zu einer stabilen Phase führt, also ein konstant bleibender Phasenwert im zeitlichen Verlauf bei der entsprechenden Frequenz zu erwarten ist. Wird das Ergebnis des Phasenspektrums zusätzlich mit Informationen aus dem Amplitudenspektrum kombiniert, kann die Güte signifikant erhöht werden. Das Amplitudenspektrum ergibt sich ohnehin aus der Fourier-Transformation, ist also bereits vorhanden. Ein besonderer Vorteil, der sich aus der Erfindung ergibt, besteht darin, das ausgewertete Phasen- und Amplitudenspektrum in Kombination miteinander zu verwenden, wodurch die Güte deutlich erhöht werden kann.According to the invention, even small imbalances can advantageously be detected, as long as the amplitude is significant enough and leads to a stable phase, i.e., a constant phase value can be expected over time at the corresponding frequency. If the result of the phase spectrum is additionally combined with information from the amplitude spectrum, the quality factor can be significantly increased. The amplitude spectrum results from the Fourier transformation anyway, so it is already present. A particular advantage resulting from the invention is the use of the evaluated phase and amplitude spectrum in combination with one another, which can significantly increase the quality factor.

So kann z.B. das Verhältnis von aufeinanderfolgenden oder aller Spektren gebildet werden, um zu prüfen, ob sich die Amplituden verändern. Im Falle von Rauschen sind die Sprünge in der Höhe der Amplituden erwartungsgemäß höher. Bei annähernd konstanter Amplitude, die zu einer stabilen Phase führt, handelt es sich aller Voraussicht nach um einen relevanten Frequenzwert, der z.B. mit einer Drehzahl korreliert ist.For example, the ratio of consecutive or all spectra can be calculated to check whether the amplitudes are changing. In the case of noise, the jumps in amplitude are expected to be larger. A nearly constant amplitude, which leads to a stable phase, is most likely a relevant frequency value, which is correlated, for example, with a rotational speed.

Insbesondere wenn das Verhältnis von aufeinanderfolgende Amplitudenspektren ausgewertet wird, können Drehzahlen detektiert werden, welche im Rauschen verschwinden, aber signifikant genug sind, um eine stabile Phase zu führen.In particular, when the ratio of consecutive amplitude spectra is evaluated, speeds can be detected which disappear in the noise but are significant enough to lead to a stable phase.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Auswertung gem. dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl permanent während des Betriebs, je nach verwendeter Recheneinheit in Echtzeit, oder auch nachgelagert erfolgen kann. Bei nachgelagerter Auswertung werden die Messdaten z.B. in einem Speicher hinterlegt und ausgewertet.A further advantage is that this evaluation according to the method according to the invention can be carried out either permanently during operation, in real time depending on the processing unit used, or even downstream. For evaluation, the measurement data is stored in a memory and evaluated.

Dennoch werden bei einer Auswertung gemäß der Erfindung, ähnlich wie bei Verfahren, die ausschließlich ein Amplitudenspektrum verwenden, Frequenzen und deren Vielfache gefunden. Allerdings wird gemäß der Erfindung in der Regel im Phasenspektrum auch die niedrigste Frequenz und nicht nur eines ihrer Vielfachen erkannt. Es können aber auch Frequenzen erkannt werden, welche sich hinsichtlich der Amplitude kaum vom Rauschen unterscheiden. Im Allgemeinen kann daher die niedrigste Frequenz von ihren Harmonischen separiert und als zu bestimmender Frequenzwert angenommen werden. Bei der Verwendung eines Phasenspektrums kann es daher schon genügen, eine Gruppe von Frequenzen (Grundfrequenz und ihre Harmonischen) auszumachen und niedrigste dieser Frequenzen als Grundfrequenz zu identifizieren.Nevertheless, in an evaluation according to the invention, frequencies and their multiples are found, similar to methods that exclusively use an amplitude spectrum. However, according to the invention, the lowest frequency and not just one of its multiples is generally detected in the phase spectrum. However, frequencies can also be detected that hardly differ from noise in terms of amplitude. In general, the lowest frequency can therefore be separated from its harmonics and assumed to be the frequency value to be determined. When using a phase spectrum, it may therefore be sufficient to identify a group of frequencies (fundamental frequency and its harmonics) and to identify the lowest of these frequencies as the fundamental frequency.

Zusammenhängende Spektrallinienbereiche können demzufolge gruppiert werden, und mit Hilfe von weiterführenden Algorithmen (z.B. Spline-Interpolation) wird die exakte Frequenz bestimmt. Das Amplitudenspektrum kann somit also zusätzlich benötigt werden. Da in der Regel auch die Harmonischen gefunden werden können, kann sodann die Identifikation der Drehzahl über weiterführende Logiken erfolgen. Im einfachsten Fall genügt es, im Rahmen dieser Logik die niedrigste Frequenz zu identifizieren, was mit einem Phasenspektrum gegenüber einem Amplitudenspektrum erleichtert wird.Connected spectral line ranges can thus be grouped, and the exact frequency is determined using advanced algorithms (e.g., spline interpolation). The amplitude spectrum may therefore also be required. Since the harmonics can usually also be found, the speed can then be identified using advanced logic. In the simplest case, it is sufficient to identify the lowest frequency within this logic, which is made easier with a phase spectrum rather than an amplitude spectrum.

Ausführungsformen der Erfindung lassen sich zunächst besonders zielführend bei der Bestimmung konstanter Drehzahlen bzw. bei konstanten Bedingungen einsetzen, um eine konstante Phaseninformation zu erhalten. Denkbar ist es aber auch, eine Drehzahlvariabilität zu implementieren, wobei dann unmittelbar die konstante Phaseninformation fehlt. Schwierig zu verarbeiten kann auch der Fall sein, wenn Frequenzen nahe beieinanderliegen, sofern diese signifikant zum gleichen Spektralbereich beitragen, etwa bei Vorliegen einer Schwebung. Bei einer Schwebung kann eine höhere Auflösung der Fourier-Transformation verwendet werden. Aus diesem Grund können bei Ausführungsformern der Erfindung weiterführende Logiken in der zur Auswertung verwendeten Recheneinheit eingesetzt werden. Generell bestimmen bei der Fourier-Analyse die höchste sichtbare Frequenz und die Anzahl der gefundenen Linien die Frequenzauflösung und somit die Genauigkeit.

  • - Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann überprüft werden, ob das quadratische Mittel bzw. der Effektivwert im Zeitbereich der spektralen Berechnung innerhalb einer bestimmten Schwankungsbreite liegt, damit annähernd konstante Bedingungen angenommen werden können. Ein entsprechender Filter kann bei der Prüfung der Messwerte implementiert werden.
  • - Bei einer weiteren Ausführungsform können auch die erhaltenen Spektrallinien danach gefiltert werden, ob sie nah genug an einen quadratische Mittelwert bzw. Effektivwert herankommen.
  • - Grundsätzlich ist zu unterscheiden, ob eine Spektrallinie bei niedrigster Frequenz, welche die eigentliche Schwingung widerspiegelt oder eine ihrer Harmonischen vorliegt. Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann dies durch eine weiterführende Logik separiert werden, indem bestimmt wird, ob es sich um die niedrigste Frequenz in der Gruppe handelt. Ist bekannt, in welchem Bereich die Frequenz zu erwarten ist, kann diese Information bei einer Ausführungsvariante auch zusätzlich verwendet werden.
  • - Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Recheneinheit auch dazu ausgebildet sein, die dritte Ableitung zu bilden, die Aufschluss über die Differenzfrequenz bei nah beieinanderliegenden Frequenzen geben kann.
  • - Weiterbildungen der Erfindung können Recheneinheiten aufweisen, die zum Auffinden der Harmonischen verschiedene Algorithmen nutzen. Statt eines Frequenzspektrums kann auch ein Cepstrum zur Erkennung periodisch auftretender Strukturen im Frequenzspektrum berechnet werden.
  • - Eine Recheneinheit kann auch Autokorrelationen verwenden, um die Linien bzw. die Frequenzen zu identifizieren.
  • - In der Akustik wird zur Bestimmung der Grundfrequenz mitunter ein YIN-Algorithmus verwendet, was auch auf die vorliegenden Spektren angewandt werden kann. Dieser Algorithmus lässt sich in der Regel einfach in eine Recheneinheit implementieren.
  • - Ähnlich kann auch ein 2-way-mismatch-Algorithmus von Maher und Beauchamp zur Bestimmung der Grundfrequenz mit Hilfe der Recheneinheit implementiert werden.
  • - Zudem sind weitere Analysen möglich, bei denen die am stärksten hervortretenden Linien aus dem Spektrum herausgefiltert werden. Eine weitere in die Recheneinheit implementierbare Variante nach Salamon und Gomez wird beschrieben in: www.coursera.org/lecture/audio-signalprocessing/f0-detection-tx630 .
Embodiments of the invention can initially be used particularly effectively in the determination of constant speeds or under constant conditions in order to obtain constant phase information. However, it is also conceivable to implement speed variability, in which case the constant phase information is immediately missing. Processing can also be difficult when frequencies are close to one another, provided they contribute significantly to the same spectral range, for example in the case of beats. In the case of beats, a higher resolution of the Fourier transform can be used. For this reason, in embodiments of the invention, more advanced logic can be used in the computing unit used for evaluation. In general, in Fourier analysis, the highest visible frequency and the number of lines found determine the frequency resolution and thus the accuracy.
  • - In one embodiment of the invention, it is possible to check whether the root mean square or the effective value in the time domain of the spectral calculation lies within a certain fluctuation range, so that approximately constant conditions can be assumed. A corresponding filter can be implemented when checking the measured values.
  • - In a further embodiment, the spectral lines obtained can also be filtered according to whether they come close enough to a root mean square or effective value.
  • - Fundamentally, a distinction must be made between a spectral line at the lowest frequency, which reflects the actual oscillation, or one of its harmonics. In a further development of the invention, this can be separated using advanced logic by determining whether it is the lowest frequency in the group. If the frequency range is known, this information can also be used additionally in a variant.
  • - In one embodiment of the invention, the computing unit can also be designed to form the third derivative, which can provide information about the difference frequency at frequencies that are close to one another.
  • - Further developments of the invention can include computing units that use different algorithms to locate the harmonics. Instead of a frequency spectrum, a cepstrum can also be calculated to detect periodically occurring structures in the frequency spectrum.
  • - A computing unit can also use autocorrelations to identify the lines or frequencies.
  • - In acoustics, a YIN algorithm is sometimes used to determine the fundamental frequency, which can also be applied to the spectra at hand. This algorithm can usually be easily implemented in a computer.
  • - Similarly, a 2-way mismatch algorithm by Maher and Beauchamp can be implemented to determine the fundamental frequency using the arithmetic unit.
  • - In addition, further analyses are possible in which the most prominent lines are filtered out of the spectrum. Another variant, according to Salamon and Gomez, that can be implemented in the processing unit is described in: www.coursera.org/lecture/audio-signalprocessing/f0-detection-tx630 .

Grundsätzlich ist der Zeitraum der Messaufnahme des Schwingungszeitsignals endlich bzw. begrenzt. Bei einer Fourier-Analyse sind daher im Unterschied zu einem theoretisch unendlich lange aufgenommenen Signal zusätzlich Linien bei höheren Frequenzen sichtbar. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Recheneinheit daher ausgebildet, diesen Leck-Effekt herauszurechnen, indem Bewertungskriterien für Fensterfunktionen eingeführt werden. Je breiter das gewählte Fenster ist, desto stärker fallen die Nebenmaxima ab. Die Dynamik, welche ein Maß für das Verhältnis des größten Peaks zu den Nebenmaxima darstellt, kann somit verbessert werden, d.h. die Nebenmaxima werden abgeschwächt.In principle, the measurement period of the oscillation time signal is finite or limited. In a Fourier analysis, therefore, in contrast to a theoretically infinitely long recorded signal, additional lines are visible at high lower frequencies. In an advantageous embodiment of the invention, the computing unit is therefore designed to calculate out this leakage effect by introducing evaluation criteria for window functions. The wider the selected window, the more the secondary maxima decrease. The dynamic range, which represents a measure of the ratio of the largest peak to the secondary maxima, can thus be improved, i.e., the secondary maxima are attenuated.

Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist die Recheneinheit dazu ausgebildet, die Harmonischen zu ermitteln. Hierzu kann ein entsprechender Algorithmus implementiert werden, der z.B. feststellt, ob im Rahmen einer gewissen Unsicherheit die Linien existieren, deren Frequenzen sich als ein Vielfaches einer Grundfrequenz darstellen lassen.In a further embodiment of the invention, the computing unit is configured to determine the harmonics. For this purpose, a corresponding algorithm can be implemented, which, for example, determines whether, within a certain uncertainty, lines exist whose frequencies can be represented as multiples of a fundamental frequency.

Beispielsweise werden die Differenzen aller Frequenzen bestimmt und solche herausgefiltert, die einen gewissen Schwellwert überschreiten. Gezählt werden diejenigen Quotienten aus den Frequenzen und den gebildeten Differenzen, die nur um einen vorgegebenen Prozentsatz voneinander abweichen. Schließlich wird die Frequenz mit der höchsten Übereinstimmung gesucht. Dieser Grundalgorithmus kann, insbesondere dann, wenn keine Frequenz gefunden wird, wiederholt werden, indem berechnet wird, ob die Differenzen der Frequenzen ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz sind.For example, the differences between all frequencies are determined, and those that exceed a certain threshold are filtered out. The quotients of the frequencies and the resulting differences that differ only by a specified percentage are counted. Finally, the frequency with the highest match is searched for. This basic algorithm can be repeated, especially if no frequency is found, by calculating whether the differences between the frequencies are integer multiples of a fundamental frequency.

Ferner kann die Recheneinheit, vor allem dann, wenn die oben genannten Algorithmen zu keinem Ergebnis beim Auffinden von Harmonischen führen, dazu ausgebildet sein, zu überprüfen, ob andere Hinweise auf Harmonische vorliegen, woraus sich ein alternativ dazu anzuwendender Algorithmus finden lässt. In Regel ist zu erwarten, dass diese Linien eine hohe Amplitude aufweisen. Ferner kann geprüft werden, welches die kleinste Frequenz ist, bei der eine konstante Phase gefunden werden kann. Während es sich herausgestellt hat, dass im experimentell ermittelten Amplitudenspektrum die Linie mit der kleinsten Frequenz nicht unbedingt auch die Grundfrequenz darstellt, sondern vielleicht auch eine höhere Harmonische ist, kann im Phasenspektrum die Linie mit der kleinsten Frequenz durchaus regelmäßig mit der Grundfrequenz identifiziert werden. Werden viele Linien mit derselben konstanten Phase gefunden, deutet dies darauf hin, dass diese Schwingung einen deutlichen Effekt bei dem beobachteten physikalischen Vorgang ausmacht. Bei der Überwachung einer Rotation ist davon auszugehen, dass die eigentliche Drehung deutlich im Spektrum zu erkennen ist. Daher ist bei der Vorauswahl der Linien deren Breite durchaus relevant und liefert einen Hinweis, dass es sich nicht um ein Artefakt aus dem allgemeinen Rauschen handelt.Furthermore, especially if the algorithms mentioned above do not lead to any results in finding harmonics, the processing unit can be configured to check for other indications of harmonics, from which an alternative algorithm can be found. These lines are generally expected to have a high amplitude. Furthermore, it can be checked which is the lowest frequency at which a constant phase can be found. While it has been found that in the experimentally determined amplitude spectrum, the line with the lowest frequency does not necessarily represent the fundamental frequency, but may also be a higher harmonic, in the phase spectrum the line with the lowest frequency can regularly be identified with the fundamental frequency. If many lines with the same constant phase are found, this indicates that this oscillation has a significant effect on the observed physical process. When monitoring a rotation, it can be assumed that the actual rotation is clearly visible in the spectrum. Therefore, when preselecting the lines, their width is quite relevant and provides an indication that it is not an artifact from the general noise.

Das Verfahren gem. der Erfindung lässt sich als computerimplementiertes Verfahren realisieren. Die Recheneinheit kann also zumindest einen Prozessor aufweisen.The method according to the invention can be implemented as a computer-implemented method. The computing unit can therefore comprise at least one processor.

Die Recheneinheit kann bei einem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet sein, Bereiche mit bestimmten Frequenzwerten zu gruppieren. Somit kann z.B. eine Vorauswahl getroffen werden, welche Frequenzen als Grundfrequenz und Harmonische zusammengehören. Zum Auffinden von Harmonischen kann z.B. das Cepstrum verwendet werden, welches eine Zeit-Größe anstelle einer Frequenz verwendet.In one embodiment, the computing unit can be configured to group ranges with specific frequency values. This allows, for example, a pre-selection of frequencies that belong together as fundamental frequencies and harmonics. To locate harmonics, the cepstrum, for example, can be used, which uses a time variable instead of a frequency.

Ob zum Auffinden der Grundfrequenz der Drehung oder zur Plausibilitätsprüfung können bei einer Ausführungsform folgende Kriterien herangezogen werden:

  • - Auftretende Harmonische liegen bei Vielfachen der Grundfrequenz. Daher ist, gerade im Phasenspektrum, der niedrigste gefundene Frequenzwert ein Indiz, dass es ich um die Grundfrequenz der Drehung handeln könnte.
  • - Ferner ist aber auch umgekehrt zu erwarten, dass zu der Grundfrequenz der Drehung auch weitere Harmonische zu finden sind, d.h. es kann zusätzlich nach dem niedrigsten Frequenzwert gesucht werden, für den weitere Harmonische auftreten.
  • - Oftmals ist bekannt, in welchem Frequenzbereich die Drehfrequenz einer Maschine zu erwarten ist, d.h. es kann überprüft werden, ob der Frequenzwert tatsächlich unterhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz liegt.
  • - Die zu untersuchende Rotation liefert in der Regel einen Frequenzwert, welcher der breitesten Gruppe angehört und welcher deutlich hervortritt.
Whether to find the fundamental frequency of the rotation or to check plausibility, the following criteria can be used in an embodiment:
  • - Harmonics that occur are at multiples of the fundamental frequency. Therefore, especially in the phase spectrum, the lowest frequency value found is an indication that it could be the fundamental frequency of the rotation.
  • - Furthermore, it is also to be expected that, in addition to the fundamental frequency of the rotation, further harmonics can be found, ie one can also search for the lowest frequency value for which further harmonics occur.
  • - It is often known in which frequency range the rotational frequency of a machine is to be expected, ie it can be checked whether the frequency value is actually below a specified limit frequency.
  • - The rotation to be examined usually provides a frequency value which belongs to the broadest group and which stands out clearly.

Bei Antrieben, angefangen von Fahrzeugantrieben bis hin zu Motorspindelantrieben in Werkzeugmaschinen, aber auch bei sonstigen Drehzahlbestimmungen, gehen die Anforderungen an die Messungen über das eigentliche Erfassen der Drehzahl hinaus. Oftmals ist die Grundrotationsbewegung von Unwuchten überlagert. In einem gewissen Rahmen können Unwuchten kaum vermieden werden. Sie können aber auch durch Fehler, wie z.B. Lagerschäden auftreten. Bei Werkzeugmaschinen werden die Werkzeuge (z.B. Fräser, Bohrer, aber auch Werkstücke, etwa bei einer Drehbank) eingespannt und gegebenenfalls ausgewechselt. Gerade beim manuellen Wechseln können Fehler entstehen, z.B., wenn das Werkzeug mit Positionierungsfehlern in der Werkzeugaufnahme eingespannt ist. Ein solcher Fehler, der eine Unwucht bei der Rotation erzeugt, kann z.B. auftreten, wenn in die Werkzeugaufnahme, in das Futter Späne gelangen, die beim Bearbeitungsprozess entstehen. Die eigentliche Rotation ist dann von einer oder mehreren Schwingungen überlagert. Dadurch werden nicht nur Antriebe bzw. die Antriebsmotoren und die Lagerungen belastet, sondern die Qualität der Drehbewegung wird auch beeinträchtigt. Gerade bei Werkzeugmaschinen, deren Produktionsergebnis sehr stark vom Planlauf der Maschine abhängt, sind Artefakte unerwünscht.For drives, from vehicle drives to motor spindle drives in machine tools, but also for other speed measurements, the requirements for the measurements go beyond the actual recording of the speed. The basic rotational movement is often superimposed by unbalance. To a certain extent, unbalance can hardly be avoided. However, they can also occur due to errors, such as bearing damage. In machine tools, the tools (e.g. milling cutters, drills, but also workpieces, such as on a lathe) are clamped and replaced if necessary. Errors can arise, especially during manual changing, e.g. if the tool is clamped in the tool holder with positioning errors. Such an error, which creates an unbalance during rotation, can occur, for example, if the tool The chuck is then subjected to one or more vibrations. This not only places stress on the drives, the drive motors, and the bearings, but also impairs the quality of the rotary motion. Artifacts are particularly undesirable on machine tools, whose production results depend heavily on the axial runout of the machine.

Bei derartigen Anwendungen kann es von Vorteil sein, ein Realtime-Monitoring (eine Echt-Zeit-Überwachung) zur Verfügung zu stellen, damit Abweichungen während des Bearbeitungsprozesses gleich erkannt werden können. Gegebenenfalls kann dann auch unmittelbar reagiert und nachjustiert werden. Gravierende Abweichungen bzw. die Feststellung größerer Unwuchten kann ein unmittelbares Handeln erfordern: Bei Lagerschäden muss der Bearbeitungsvorgang unter Umständen unterbrochen werden, damit eine Reparatur erfolgen kann. Entsteht der Rotation des Werkzeugs oder des Werkstücks eine größere Unwucht, kann es notwendig sein, dieses neu einzuspannen oder das Spannfutter zu reinigen, weil durch Späne oder dergleichen das Werkzeug bzw. Werkstück schräg oder mit Versatz gelagert wird. Bei geringeren Abweichungen ist möglichweise nur eine Positionskorrektur durch die Maschinensteuerung bzw. -regelung vorzunehmen.In applications like this, it can be advantageous to have real-time monitoring available so that deviations can be detected immediately during the machining process. If necessary, immediate action can then be taken and readjusted. Serious deviations or the detection of major imbalances can require immediate action: If bearing damage occurs, the machining process may have to be interrupted so that repairs can be carried out. If the rotation of the tool or workpiece becomes majorly unbalanced, it may be necessary to re-clamp it or clean the chuck because chips or similar items are causing the tool or workpiece to be mounted at an angle or with an offset. For smaller deviations, it may only be necessary to make a position correction via the machine control system.

Oftmals treten derartige Abweichungen aber auch schleichend auf und verstärken sich immer mehr. Es ist daher möglich, anhand der Daten ein wiederholtes Auftreten zu erkennen, das abweichende Verhalten zu extrapolieren und ab einem gewissen, vorher festgelegten Grenzwert eine Wartung und Instandsetzung anzuberaumen, damit es nicht zu Schäden kommt.However, such deviations often occur gradually and become increasingly more pronounced. It is therefore possible to use the data to detect a recurring occurrence, extrapolate the abnormal behavior, and schedule maintenance and repairs once a certain, predefined threshold is reached to prevent damage.

Aus diesem Grunde kann es auch vorteilhaft sein, einen Speicher vorzusehen, in dem die Daten abgelegt werden können. Eine Auswertung kann bei diesem Ausführungsbeispiel dann auch zu späterem Zeitpunkt erfolgen.For this reason, it may also be advantageous to provide a memory in which the data can be stored. In this embodiment, evaluation can then also be performed at a later time.

In vorteilhafter Weise kann bei einer Weiterbildung der Erfindung eine DFT (diskrete Fourier-Transformation) angewandt werden, mit der ein zeitdiskretes Schwingungszeitsignal transformiert werden kann. Diese kann effizient bei einem Ausführungsbeispiel über eine FFT (Fast Fourier Transformation) berechnet werden.In a further development of the invention, a DFT (Discrete Fourier Transformation) can advantageously be used to transform a time-discrete oscillation time signal. In one embodiment, this can be efficiently calculated using an FFT (Fast Fourier Transformation).

Um die Auswertung schneller und effizienter gestalten zu können, kann vorab berücksichtigt werden, dass ein gewisser Rauschpegel vorliegt. Solche Frequenzwerte, die innerhalb dieses vorgegebenen Rauschpegels liegen, können damit von vorneherein zur Bestimmung der Drehzahl unberücksichtigt bleiben und herausgefiltert werden.To make the evaluation faster and more efficient, a certain noise level can be considered in advance. Frequency values that lie within this specified noise level can thus be ignored and filtered out from the outset when determining the speed.

Wie bereits angedeutet, hängt die Auflösung der DFT von der Länge des Aufnahmezeitfensters ab. Um die Auflösung wiederum zu erhöhen, kann die Recheneinheit weitere Werte mit dem Betrag Null ergänzen, um die Anzahl der Werte zu erhöhen, also eine Zero-Padding-Methode anwenden.As already mentioned, the resolution of the DFT depends on the length of the acquisition time window. To further increase the resolution, the computation unit can add additional values with a magnitude of zero to increase the number of values, i.e., apply a zero-padding method.

Außerdem können mit einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung die genannten Vorteile erzielt werden.Furthermore, the above-mentioned advantages can be achieved with a measuring device according to the invention.

Je nach Ausführungsbeispiel kann der Schwingungssensor als zwei- oder dreiachsiger Sensor ausgebildet sein. In der Regel wird der Schwingungsanteil senkrecht bzw. radial zur Rotationsachse vermessen. Bei großen Unwuchten jedoch können auch Schwingungsanteile entlang der eigentlichen Drehachse auftreten. Zur Verbesserung der Detektion kann somit ein dreiachsiger Sensor verwendet werden.Depending on the design, the vibration sensor can be designed as a two- or three-axis sensor. Typically, the vibration component is measured perpendicular or radial to the rotation axis. However, with large imbalances, vibration components can also occur along the actual rotation axis. A three-axis sensor can therefore be used to improve detection.

Insgesamt besteht ein besonders großer Vorteil der Erfindung darin, dass als Messvorrichtung ein Sensor mit integrierter Recheneinheit, also z.B. in einem gemeinsamen Gehäuse, bereitgestellt werden kann. Aufgrund der Auswertung des Phasenspektrums, ggf. unter Berücksichtigung des Amplitudenspektrums ist grundsätzlich keine Parametrisierung des Sensors notwendig. Der Sensor kann als kompaktes Bauteil auch an das Gehäuse einer im Grunde beliebigen, zu untersuchenden Maschine montiert werden und liefert dennoch Messungen über entstehende Unwuchten. Dies ermöglicht einen deutlichen Zeit- und Kostenvorteil beim Einsatz.Overall, a particularly significant advantage of the invention is that a sensor with an integrated computing unit can be provided as the measuring device, e.g., in a common housing. Due to the evaluation of the phase spectrum, possibly taking the amplitude spectrum into account, no parameterization of the sensor is required. The sensor can be mounted as a compact component on the housing of essentially any machine to be tested and still provide measurements of any resulting imbalances. This enables significant time and cost savings during use.

AusführungsbeispieleExamples of implementation

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung eines Motors mit einer Messvorrichtung gem. der Erfindung,
  • 2: eine beispielhafte Darstellung von Amplitudenspektrum, Phasenspektrum und Differenzphasenspektrum,
  • 3: eine Darstellung der Konstanz der Phasenunterschiede im Schwingungszeitsignal,
  • 4: eine beispielhafte Darstellung der drei Spektren aus 2, bei denen durch Filterung die Linien herausgestellt wurden,
  • 5: eine schematische Darstellung des Einflusses der Fensterfunktion auf die Phase, sowie
  • 6: eine schematische Ablaufdarstellung des Verfahrens gem. der Erfindung.
Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail below, including further details and advantages. In detail:
  • 1 : a schematic representation of an engine with a measuring device according to the invention,
  • 2 : an exemplary representation of amplitude spectrum, phase spectrum and difference phase spectrum,
  • 3 : a representation of the constancy of the phase differences in the oscillation time signal,
  • 4 : an exemplary representation of the three spectra from 2 , where the lines were highlighted by filtering,
  • 5 : a schematic representation of the influence of the window function on the phase, as well as
  • 6 : a schematic flow diagram of the method according to the invention.

1 zeigt einen typischen Messaufbau mit einem Motor M, dessen Rotor R eine Unwucht IB aufweist. Es existieren verschiedene Möglichkeiten der Drehzahlmessung. Z.B. kann der Rotor R eine Maßverkörperung in Form eine Keyphasor K aufweisen. Bei der Rotation misst ein Drehgeber RPT z.B. induktiv oder kapazitiv die Drehzahl n, weil immer dann, wenn die Maßverkörperung / der Keyphasor K die Stelle passiert, an welcher sich der Drehgeber-Sensor RPT befindet, dieser ein Signal erhält und somit die Rotationszahl mitzählen kann. Zudem ist über einen Montageadapter A ein weiterer Sensor S zur Aufnahme eines Schwingungszeitsignals vor, der als dreiachsiger Beschleunigungssensor S ausgebildet ist. Der Drehgeber RPT kann als Referenz zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors S verwendet werden. Die Schwingungszeitsignale TWF werden von einer Recheneinheit C ausgewertet, die mit der Motorsteuerung MC in Verbindung steht. Die Recheneinheit C verwendet dazu auch die Sample-Rate SR, die für den entsprechenden Beschleunigungssensor S bekannt ist. Aus diesen diskreten Messwerten berechnet die Recheneinheit C die schnelle Fourier-Transformation FFT. 1 shows a typical measurement setup with a motor M whose rotor R has an unbalance IB. There are various ways of measuring the speed. For example, the rotor R can have a measuring embodiment in the form of a key phasor K. During rotation, a rotary encoder RPT measures the speed n, for example inductively or capacitively, because whenever the measuring embodiment / key phasor K passes the point at which the rotary encoder sensor RPT is located, the latter receives a signal and can therefore count the number of rotations. In addition, a further sensor S for recording an oscillation time signal, which is designed as a three-axis acceleration sensor S, is provided via a mounting adapter A. The rotary encoder RPT can be used as a reference for calibrating the acceleration sensor S. The oscillation time signals TWF are evaluated by a computing unit C, which is connected to the motor controller MC. For this purpose, the computing unit C also uses the sample rate SR, which is known for the corresponding acceleration sensor S. From these discrete measured values, the computing unit C calculates the fast Fourier transform FFT.

Aus der Fourier-Transformation FFT erhält man ein Amplitudenspektrum AS und ein Phasenspektrum PS (vgl. 2, linke Abbildung und mittige Abbildung). Aus dem Phasenspektrum PS kann durch Differenzbildung der Phasen bzw. zeitliche Ableitung ein Differenzphasenspektrum DPS (rechte Abbildung in 2) gewonnen werden. In allen drei Spektrendarstellungen AS, PS, DPS ist bei einer Frequenz im Bereich von 100 Hz eine Linie im zeitlichen Verlauf zu erkennen. Vor allem im Amplitudenspektrum AS, aber auch im Phasen- und Differenzphasenspektrum PS, DPS erkennt man jeweils auch zusätzliche Linien bei 300 Hz, 400 Hz und 500 Hz. Außerdem wird im Differenzphasenspektrum auch bei 50 Hz eine Linie sichtbar, sodass diese sich ebenso zur Bestimmung der Grundfrequenz eignet, auch wenn sie nur sehr schwach ist. Die niedrigste Frequenz einer Gruppe Auch im Phasenspektrum PS ist bei 50 Hz im zeitlichen Verlauf eine Linie annähernd konstanter Phase (innerhalb eines gewissen Toleranzbereichs) zu erkennen. Besonders deutlich erscheint diese Linie im Differenzphasenspektrum DPS, weil durch die Differenzbildung bzw. Ableitung die Linien deutlicher zu erkennen sind, vor allem wenn zudem die Sichtbarkeit der Linien dadurch verstärkt wird, dass das Differenzspektrum z.B. noch einmal gefiltert wird und alle Phasendifferenzen bis zu einem gewissen Betrag auf Null gesetzt werden. Insgesamt ist die Linie bei 100 Hz aber deutlich breiter als die übrigen Linien, sodass zumindest erkennbar ist, dass diese Linie mit der Hauptrotation zusammenhängt. Nach dem Differenzphasenspektrum scheint aber die Grundfrequenz bei 50 Hz zu liegen.From the Fourier transformation FFT one obtains an amplitude spectrum AS and a phase spectrum PS (cf. 2 , left figure and middle figure). From the phase spectrum PS, a difference phase spectrum DPS can be calculated by subtracting the phases or by time derivative (right figure in 2 ) can be obtained. In all three spectra displays AS, PS, DPS a line can be seen in the time course at a frequency in the range of 100 Hz. Above all in the amplitude spectrum AS, but also in the phase and difference phase spectrum PS, DPS additional lines can be seen at 300 Hz, 400 Hz and 500 Hz. In addition a line is also visible in the difference phase spectrum at 50 Hz, so that this is also suitable for determining the fundamental frequency, even if it is only very weak. The lowest frequency in a group In the phase spectrum PS a line of almost constant phase (within a certain tolerance range) can be seen in the time course at 50 Hz. This line is particularly clear in the difference phase spectrum DPS because the lines are more clearly visible due to the difference formation or derivative, especially if the visibility of the lines is increased by, for example, filtering the difference spectrum again and setting all phase differences up to a certain amount to zero. Overall, however, the line at 100 Hz is significantly broader than the other lines, so it is at least evident that this line is related to the main rotation. However, according to the differential phase spectrum, the fundamental frequency appears to be 50 Hz.

Allein die Breite der Linie bei 100 Hz liefert bereits einen Hinweis, dass ein Zusammenhang mit der Hauptrotation besteht; es kann aber auch ein Hinweis sein, dass es sich sogar um die eigentliche Grundfrequenz handelt. Zudem liegen die höherfrequenten Linien, die als rechnerisches Artefakt schmaler bzw. schwächer ausgebildet sind, bei Vielfachen der Grundfrequenz. Oft ist auch ein Frequenzbereich bekannt, in dem die Drehzahl zu finden sein sollte. Zusammenhängende Spektrallinienbereiche können von der Recheneinheit gruppiert werden; mit Hilfe von weiterführenden Algorithmen (z.B. Spline-Interpolation) kann die exakte Frequenz herausgefunden werden.The width of the line at 100 Hz alone provides an indication that there is a connection with the main rotation; however, it can also be an indication that this is the actual fundamental frequency. Furthermore, the higher-frequency lines, which are narrower or weaker as a computational artifact, are located at multiples of the fundamental frequency. Often, a frequency range is also known in which the rotational speed should be found. Connected spectral line ranges can be grouped by the processing unit; with the help of advanced algorithms (e.g., spline interpolation), the exact frequency can be determined.

In 3 wiederum ist veranschaulicht, dass die Phasendifferenzen konstant bleiben. Hier werden in zeitlicher Abfolge mehrere Fourier-Transformationen (schnelle Fourier-Transformationen) FFT1 - FFT4 des Schwingungszeitsignals TWF über die gleichen Zeitspannen T ausgeführt. Die berechneten absoluten Funktionswerte des Phasenspektrums hängen, wie aus 3 deutlich wird, auch davon ab, wie die Signalabschnitte der FFT1-FFT4 zueinander phasenversetzt sind. Die Phasendifferenzen sind jedoch konstant, bzw. die zweite Ableitung ergibt idealerweise Null. Voraussetzung ist jedoch, dass die zu untersuchende Maschine bei konstanter Drehzahl läuft und die Zeitspanne T konstant bleibt. Es sollten mindestens drei FFT's durchgeführt werden, um mindestens zwei Differenzwerte erhalten zu können. Bei der zweiten Ableitung ist insbesondere der 360°-Phasensprung zu beachten.In 3 Again, it is illustrated that the phase differences remain constant. Here, several Fourier transformations (fast Fourier transformations) FFT1 - FFT4 of the oscillation time signal TWF are carried out in temporal sequence over the same time periods T. The calculated absolute function values of the phase spectrum depend, as can be seen from 3 As is clear, this also depends on how phase-shifted the signal sections of FFT1-FFT4 are. However, the phase differences are constant, or the second derivative ideally results in zero. However, this requires that the machine under investigation runs at a constant speed and the time period T remains constant. At least three FFTs should be performed to obtain at least two difference values. With the second derivative, particular attention must be paid to the 360° phase jump.

Wenn die Phase für den Spektrallinienbereich konstant ist, dann kann dies mit einer konstanten bzw. synchronen Frequenz assoziiert werden.If the phase is constant for the spectral line range, then this can be associated with a constant or synchronous frequency.

Die Drehzahl kann im Allgemeinen auch mit geringer Unwucht IB detektiert werden, solange die Amplitude signifikant genug ist und zu einer annähernd stabilen Phase führt.
4 zeigt eine Spektrendarstellung, bei der die Linien durch Filterung deutlicher sichtbar sind, indem bis zu einem gewissen Schwellwert die Differenzen gleichgesetzt werden. Hier zeigen sich auch die Vorteile des Phasenspektrums PS, weil gerade die Linien, hier die Harmonischen bei 300 Hz und 400 Hz deutlicher hervortreten als im Amplitudenspektrum AS.
The speed can generally be detected even with low unbalance IB, as long as the amplitude is significant enough and leads to an approximately stable phase.
4 shows a spectrum representation in which the lines are more clearly visible due to filtering, by equating the differences up to a certain threshold. This also demonstrates the advantages of the phase spectrum PS, because the lines, in this case the harmonics at 300 Hz and 400 Hz, are more prominent than in the amplitude spectrum AS.

Mathematisch entstehend die Harmonischen durch Anwendung der FFT auf ein zeitlich begrenzt abgetastetes Schwingungszeitsignal TWF. Bei einem theoretisch unendlich lang andauernden Signal würden dies Nebenmaxima entfallen, während durch die zeitliche Begrenzung Vielfache der Grundfrequenz hinzu. Um diese Nebenmaxima gegenüber dem Hauptmaximum HMax abzuschwächen, kann eine Fensterfunktion W (linke Abbildung in 5) angewandt werden. Das Hauptmaximum HMax kann dadurch spektral verbreitert werden, was zu einem rascheren Abfall der Nebenmaxima NMax führt. Das Verhältnis der Amplitude des Hauptmaximums HMax zu den Nebenmaxima NMax wird somit erhöht, d.h. die Dynamik wird erhöht und der Leck-Effekt abgeschwächt. Gleichzeitig verringert sich dadurch grundsätzlich auch die Frequenzselektivität. Fensterfunktionen mit breitem Hauptmaximum HMax werden daher als nichtselektive, dynamische Fenster, solche mit schmalem Hauptmaximum HMax als selektive, nichtdynamische Fenster bezeichnet. Die Breite des Hauptmaximums HMax wird üblicherweise als 3-dB-Grenzfrequenz angegeben, d.h. bei dieser Frequenz fällt die Amplitude des Hauptmaximums HMax um 3 dB ab.Mathematically, the harmonics arise by applying the FFT to a temporally limited sampled oscillation time signal TWF. For a theoretically infinitely long signal nal, these secondary maxima would be eliminated, while the time limitation would add multiples of the fundamental frequency. To attenuate these secondary maxima compared to the main maximum HMax, a window function W (left figure in 5 ) can be applied. The main maximum HMax can thus be spectrally broadened, which leads to a more rapid decay of the secondary maxima NMax. The ratio of the amplitude of the main maximum HMax to the secondary maxima NMax is thus increased, i.e. the dynamic range is increased and the leakage effect is weakened. At the same time, the frequency selectivity is also reduced. Window functions with a wide main maximum HMax are therefore referred to as non-selective, dynamic windows, and those with a narrow main maximum HMax are referred to as selective, non-dynamic windows. The width of the main maximum HMax is usually specified as the 3 dB cut-off frequency, i.e. at this frequency the amplitude of the main maximum HMax drops by 3 dB.

Ein Gesamtüberblick ist in 6 dargestellt:

  • - Sensorisch wird zunächst ein Schwingungszeitsignal TWF detektiert.
  • - Dieses Signal TWF kann zunächst einer Plausibilitätsprüfung (sanity check) unterzogen werden, d.h. es wird geprüft, ob es sich um ein hinreichend stabiles Signal handelt und die Drehzahl als annähernd konstant angesehen werden kann.
  • - Die Fourier-Transformation FFT, die auf das Schwingungszeitsignal angewandt wird, liefert ein Phasenspektrum (FFT Phase) und ein Amplitudenspektrum (FFT Amplitude).
  • - Das Amplitudenspektrum AS muss nicht direkt ausgewertet werden, kann aber zu einer weiteren Plausibilitätsprüfung herangezogen werden, z.B. Stabilitätsprüfung, aber auch, ob/welche Linien im Amplitudenspektrum vorhanden sind. Ist eine Linie sichtbar, die der Grundfrequenz entsprechend könnte?
  • - Das Phasenspektrum (PS) kann, wenn es sich z.B. um einen mehrachsigen Sensor handelt, uniaxial oder unter Berücksichtigung einer Cross-Phasen-Beziehung, untersucht werden. Z.B. kann eine Unwucht eine Rotation in Richtung einer der senkrechten Achsen, die senkrecht zur eigentlichen Drehachse verlaufen, bewirken. Weitere Parameter sind die Auswahl des Frequenzbereichs, die Anzahl der FFT (mind. 3), die Frequenzauflösung und Überlappungen im Zeitbereich.
  • - Im nächsten Hauptschritt wird geprüft, ob annähernd konstante Phasenbeziehungen bei bestimmten Frequenzen vorliegen. Die Phasendifferenzen müssen oder können aus experimentellen Gründen nicht unbedingt exakt null ergeben, aber kleiner als ein bestimmter Schwellwert sein. Zur besseren Erkennung von Linien das Spektrum entsprechend gefiltert werden, also allen Werten unter einem gewissen Schwellwert wird der gleiche Wert (Null) zugeordnet.
  • - Je nach Ergebnis, welche Linien gefunden werden, können einzelne Bereiche gruppiert werden, wobei die Anzahl an Linien in einer Gruppe darauf schließen lässt, ob sich daraus eine wichtige Frequenz, etwa die gesuchte Drehfrequenz gegebenenfalls herausfinden lässt.
  • - In der Regel sind dann weitere Logikschritte notwendig, um die eigentliche Frequenz (z.B. die Drehzahl) herauszufinden. Zwei grundsätzliche Ansätze sind:
    • o Das Cepstrum, mit dem periodische Strukturen im Frequenzspektrum analysiert werden können. Die Drehzahl sollte im Allgemeinen als prominente Linie erscheinen, zu der weitere Harmonische sichtbar sind.
    • o und/oder: eine Drehzahl-Selektor-Logik, die mit Indizien arbeitet, welches die gesuchte Frequenz sein könnte, etwa:
      • ▪ die kleinste Frequenz, bei der es sich somit wahrscheinlich nicht um eine Harmonische handelt,
      • ▪ die Auswahl einer Frequenz aus der breitesten Gruppe
      • ▪ die Vorauswahl einer Frequenz mit maximaler Amplitude
An overall overview is in 6 shown:
  • - First, a vibration time signal TWF is detected by the sensor.
  • - This signal TWF can first be subjected to a plausibility check (sanity check), ie it is checked whether it is a sufficiently stable signal and whether the speed can be regarded as approximately constant.
  • - The Fourier transform FFT, which is applied to the oscillation time signal, provides a phase spectrum (FFT Phase) and an amplitude spectrum (FFT Amplitude).
  • - The amplitude spectrum AS does not need to be evaluated directly, but can be used for further plausibility checks, e.g., stability checks, but also to determine whether/which lines are present in the amplitude spectrum. Is a line visible that could correspond to the fundamental frequency?
  • - The phase spectrum (PS) can be analyzed uniaxially or considering a cross-phase relationship, for example, if the sensor is multi-axis. For example, an imbalance can cause rotation in the direction of one of the vertical axes that run perpendicular to the actual axis of rotation. Other parameters include the selection of the frequency range, the number of FFTs (at least 3), the frequency resolution, and overlaps in the time domain.
  • - The next main step is to check whether approximately constant phase relationships exist at certain frequencies. For experimental reasons, the phase differences may or may not necessarily be exactly zero, but they can be smaller than a certain threshold. To better detect lines, the spectrum is filtered accordingly, so all values below a certain threshold are assigned the same value (zero).
  • - Depending on the result of which lines are found, individual areas can be grouped, whereby the number of lines in a group can be used to determine whether an important frequency, such as the rotational frequency being sought, can be found out.
  • - Typically, further logic steps are then necessary to determine the actual frequency (e.g., the rotational speed). Two basic approaches are:
    • o The cepstrum, which can be used to analyze periodic structures in the frequency spectrum. The rotational speed should generally appear as a prominent line, with additional harmonics visible.
    • o and/or: a speed selector logic that works with clues as to what the desired frequency could be, for example:
      • ▪ the smallest frequency, which is therefore probably not a harmonic,
      • ▪ selecting a frequency from the widest group
      • ▪ the preselection of a frequency with maximum amplitude

Cepstrum und Drehzahl-Selektor-Logik können alternativ zueinander aber auch nebeneinander verwendet und später über Datenfusion zusammengebracht werden. Über einen Stabilitätsalgorithmus erhält man ein zuverlässiges Ergebnis für die gesuchte Drehzahl.Cepstrum and speed selector logic can be used alternatively or side by side and later combined via data fusion. A stability algorithm provides a reliable result for the desired speed.

Allen Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ist gemeinsam, dass durch die Verwendung des Phasenspektrums eine parameterfreie Drehzahlbestimmung ermöglicht wird.What all embodiments and developments of the invention have in common is that the use of the phase spectrum enables parameter-free speed determination.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

AA
MontageadapterMounting adapter
ASAS
AmplitudenspektrumAmplitude spectrum
CC
RecheneinheitComputing unit
DPSDPS
DifferenzphasenspektrumDifference phase spectrum
FFTFFT
Fast Fourier transformFast Fourier transform
HMaxHMax
HauptmaximaMain maxima
NMaxNMax
NebenmaximaSecondary maxima
IBIB
UnwuchtImbalance
KK
Keyphasor / MaßverkörperungKeyphasor / Measuring scale
MM
MotorMotor
MCMC
MaschinensteuerungMachine control
NN
Drehzahlspeed
PSPS
PhasenspektrumPhase spectrum
RR
Rotorrotor
RPTRPT
Drehgeberrotary encoder
SS
3-achsiger Beschleunigungssensor3-axis acceleration sensor
SRSR
Sample-RateSample rate
TT
ZeitspanneTime span
WW
Fensterfunktion (window)Window function (window)
φ1, ..., φ4φ1, ..., φ4
PhasenPhases

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 3 581 328 B1 [0002]EP 3 581 328 B1 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • www.coursera.org/lecture/audio-signalprocessing/f0-detection-tx630 [0022]www.coursera.org/lecture/audio-signalprocessing/f0-detection-tx630 [0022]

Claims (16)

Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl (n), vorzugsweise einer konstantbleibenden oder nicht hochdynamisch sich ändernden Drehzahl, umfassend: a. Aufnahme eines Schwingungszeitsignals (TWF) durch einen Schwingungssensor (S), insbesondere für in Bezug auf die Rotationsachse radiale Schwingungen, b. Bereitstellung der Sample-Rate (SR) bei der Aufnahme, c. Berechnung einer Fourier-Transformation (FFT) des Schwingungszeitsignals (S) unter Verwendung der Sample-Rate (SR) durch eine Recheneinheit (C), d. Bestimmung des Phasenspektrums (PS) anhand der Fourier-Transformation (FFT), e. Berechnung von wenigstens drei zeitlich aufeinanderfolgenden Fourier-Transformationen (FFT1, FFT2, FFT3, FFT4) und f. Bestimmung der Differenz der Phasenwerte (DPS) als Phasendifferenzwerte Δφi+1,i (vk) =φi+1 (vk) -φi (vk) g. Bestimmung der Änderungen der Phasendifferenzwerte Δφi+1,i für einzelne Frequenzwerte vk h. Bestimmung des oder der Frequenzwerte vk, bei dem oder bei denen die Schwankung der Phasendifferenzwerte Δφi+1,i über die Zeit hinweg einen vorgegebenen Schwellwert nicht übersteigt und/oder konstant ist, und i. Ausgabe eines Werts für die zu bestimmende Drehzahl (n), wobei insbesondere die Drehzahl (n) ein Frequenzwert aus der Menge der bestimmten Frequenzwerte ist.Method for determining a rotational speed (n), preferably a rotational speed that remains constant or does not change highly dynamically, comprising: a. recording an oscillation time signal (TWF) by a oscillation sensor (S), in particular for radial oscillations with respect to the axis of rotation, b. providing the sample rate (SR) during the recording, c. calculating a Fourier transform (FFT) of the oscillation time signal (S) using the sample rate (SR) by a computing unit (C), d. determining the phase spectrum (PS) using the Fourier transform (FFT), e. calculating at least three chronologically successive Fourier transforms (FFT1, FFT2, FFT3, FFT4) and f. determining the difference between the phase values (DPS) as phase difference values Δφ i+1,i (v k ) =φ i+1 (v k ) -φ i (v k ) g. Determination of the changes in the phase difference values Δφ i+1,i for individual frequency values v k h. Determination of the frequency value(s) v k for which the fluctuation of the phase difference values Δφ i+1,i over time does not exceed a predetermined threshold value and/or is constant, and i. Output of a value for the speed (n) to be determined, wherein in particular the speed (n) is a frequency value from the set of determined frequency values. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Recheneinheit (C) Bereiche mit bestimmten Frequenzwerten gruppiert werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the computing unit (C) groups areas with certain frequency values. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Recheneinheit (C) wenigstens eine Harmonische zu den bestimmten Frequenzwerten bestimmt wird, wobei insbesondere das Cepstrum zur Bestimmung der Harmonischen bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one harmonic to the determined frequency values is determined by the computing unit (C), wherein in particular the cepstrum is determined for determining the harmonic. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Recheneinheit (C) die Drehzahl (n) nach wenigstens einem der folgenden Kriterien aus der Menge der bestimmten Frequenzwerte bestimmt wird: a. niedrigster Frequenzwert und/oder b. niedrigster Frequenzwert, für den noch wenigstens ein weiterer Frequenzwert bestimmt wurde, welcher ein Vielfaches dieses Frequenzwertes ist, um die Harmonischen herauszufiltern, und/oder c. Frequenzwert liegt unterhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz und/oder d. Frequenzwert ist einer maximalen Amplitude zuordenbar und/oder e. der Frequenzwert gehört der breitesten Gruppe an.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the speed (n) is determined by the computing unit (C) according to at least one of the following criteria from the set of determined frequency values: a. lowest frequency value and/or b. lowest frequency value for which at least one further frequency value was determined which is a multiple of this frequency value in order to filter out the harmonics, and/or c. frequency value lies below a predetermined cut-off frequency and/or d. frequency value can be assigned to a maximum amplitude and/or e. the frequency value belongs to the broadest group. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung durch die Recheneinheit (C) : a. während der Aufnahme durch den Schwingungssensor (S) durchgeführt und/oder b. anhand von in einem Speicher gespeicherten Daten durchgeführt wird, wobei der Speicher zur Aufzeichnung des vom Schwingungssensor aufgenommenen Schwingungszeitsignals (TWF) und insbesondere der Sample-Rate (SR) vorgesehen ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calculation by the computing unit (C): a. is carried out during the recording by the vibration sensor (S) and/or b. is carried out on the basis of data stored in a memory, wherein the memory is provided for recording the vibration time signal (TWF) recorded by the vibration sensor and in particular the sample rate (SR). Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fourier-Transformation von der Recheneinheit (C) eine FFT und/oder eine DFT berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an FFT and/or a DFT is calculated as the Fourier transformation by the computing unit (C). Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung des Amplitudenspektrums anhand der Fourier-Transformation (FFT) erfolgt und geprüft wird, ob die Amplituden aus dem Amplitudenspektrum bei den bestimmten Frequenzwerten innerhalb eines Konfidenzintervalls konstant sind, wobei die zugehörigen Frequenzwerte nur dann berücksichtigt werden, wenn deren Amplituden innerhalb des Konfidenzintervalls konstant sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the amplitude spectrum is determined using the Fourier transformation (FFT) and it is checked whether the amplitudes from the amplitude spectrum are constant at the determined frequency values within a confidence interval, the associated frequency values only being taken into account if their amplitudes are constant within the confidence interval. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Recheneinheit die Frequenzauflösung durch eine Zero-Padding-Methode erhöht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the frequency resolution is increased by the computing unit using a zero-padding method. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Recheneinheit (C) eine Fensterfunkton (W) auf das Schwingungszeitsignal (TWF) zur Vermeidung von Leck-Effekten angewandt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the computing unit (C) applies a window function (W) to the oscillation time signal (TWF) to avoid leakage effects. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Recheneinheit (C) aus dem Phasenspektrum (PS) die dritte Ableitung gebildet wird, um die Differenzfrequenz bei nah beieinander liegenden Drehzahlen (n) zu bestimmen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the third derivative is formed from the phase spectrum (PS) by the computing unit (C) in order to determine the difference frequency at rotational speeds (n) which are close to one another. Messvorrichtung zur Bestimmung einer Drehzahl (n), umfassend einen Schwingungssensor (S) zur Aufnahme eines Schwingungszeitsignals (TWF) und zur Bereitstellung der Sample-Rate (SR) bei der Aufnahme und eine Recheneinheit (C) zur Berechnung einer Fourier-Transformation (FFT) des Schwingungszeitsignals (TWF) unter Verwendung der Sample-Rate (SR) und Ausgabe des Phasenspektrums (PS), wobei die Recheneinheit (C) dazu ausgebildet ist: a. wenigstens drei zeitlich aufeinanderfolgende Fourier-Transformationen (FFT1, FFT2, FFT3, FFT4) zu berechnen und b. die Schwankung und/oder Differenz (DPS) der Phasenwerte zu bestimmen, c. den oder die Frequenzwerte zu bestimmen, bei dem oder bei denen die Schwankung und/oder Differenz der Phasenwerte aus den Phasenspektren über die Zeit hinweg einen vorgegebenen Schwellwert nicht übersteigt oder konstant ist, und d. einen Wert für die zu bestimmende Drehzahl (n) auszugeben, wobei insbesondere die Drehzahl (n) ein Frequenzwert aus der Menge der bestimmten Frequenzwerte ist.A measuring device for determining a rotational speed (n), comprising a vibration sensor (S) for recording a vibration time signal (TWF) and for providing the sample rate (SR) during recording, and a computing unit (C) for calculating a Fourier transformation (FFT) of the vibration time signal (TWF) using the sample rate (SR) and outputting the phase spectrum (PS), wherein the computing unit (C) is designed to: a. to calculate at least three temporally successive Fourier transforms (FFT1, FFT2, FFT3, FFT4) and b. to determine the fluctuation and/or difference (DPS) of the phase values, c. to determine the frequency value(s) at which the fluctuation and/or difference of the phase values from the phase spectra does not exceed a predetermined threshold value or is constant over time, and d. to output a value for the rotational speed (n) to be determined, wherein in particular the rotational speed (n) is a frequency value from the set of determined frequency values. Messvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung und/oder die Recheneinheit (C) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-10 ausgebildet ist.Measuring device according to Claim 11 , characterized in that the measuring device and/or the computing unit (C) for carrying out the method according to one of the Claims 1 - 10 is trained. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungssensor zur Ausnahme des Schwingungszeitsignals in wenigstens zwei, insbesondere drei Richtungen ausgebildet ist, wobei besonders bevorzugt die Richtungen senkrecht zueinander stehen, wobei insbesondere eine der Richtungen parallel zur Drehachse liegt, wobei vorzugsweise der Schwingungssensor (S) so angeordnet ist, dass er in Bezug auf die Rotationsache wenigstens radiale Schwingungen messen kann.Measuring device according to one of the Claims 11 or 12 , characterized in that the vibration sensor is designed to record the vibration time signal in at least two, in particular three directions, wherein particularly preferably the directions are perpendicular to one another, wherein in particular one of the directions is parallel to the axis of rotation, wherein preferably the vibration sensor (S) is arranged such that it can measure at least radial vibrations with respect to the axis of rotation. Messvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass statt der Auswertung der gebildeten uniaxialen Fourier-Transformation (FFT) das Cross-(Phase)-Spektrum ausgewertet wird.Measuring device according to Claim 13 , characterized in that instead of evaluating the formed uniaxial Fourier transform (FFT), the cross (phase) spectrum is evaluated. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Phasenspektrum (PS) bestimmte Drehzahlen (n) zusätzlich mit Informationen und Verhältnissen aus dem Amplitudenspektrum selektiert werdenMeasuring device according to one of the Claims 11 until 14 , characterized in that from the phase spectrum (PS) certain speeds (n) are additionally selected with information and ratios from the amplitude spectrum Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung als Sensor (S) mit integrierter Recheneinheit (C) ausgebildet ist, wobei insbesondere Sensor (S) und Recheneinheit (C) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.Measuring device according to one of the Claims 11 until 15 , characterized in that the measuring device is designed as a sensor (S) with an integrated computing unit (C), wherein in particular the sensor (S) and computing unit (C) are arranged in a common housing.
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