用於確定渦輪分子泵的狀態信息的方法和渦輪分子泵的製作方法

2023-10-09 19:11:34 1

專利名稱：用於確定渦輪分子泵的狀態信息的方法和渦輪分子泵的製作方法
用於確定渦輪分子泵的狀態信息的方法和渦輪分子泵
本發明涉及用於確定渦輪分子泵的狀態信息的方法和渦輪分子泵。
用於生成高真空的渦輪分子泵設置有通常以球或者滑動軸承的方式 支撐的快速旋轉泵軸。由於作用在軸承上和渦輪分子泵的其它機械部件上 的高機械應力，所以可能因為機械應力而偶然發生渦輪分子泵的突然故障
(fallout)。有時會自發地和不可預測地發生渦輪分子泵的故障。由於高 技術要求，所以這樣的渦輪分子泵的操作壽命可能在寬範圍內變化；因此， 即使提供有規則的服務間隔，也只能困難地避免渦輪分子泵的故障，或者 將不得不按極短的時間間隔來執行服務工作。例如在清潔室中^Mt的渦輪 分子泵的故障將經常需要中斷生產。另外，軸承方面的損壞可能常常導致 軸的阻塞。由於大的質量慣性，所以這會造成渦輪分子泵的局部破壞。
為了避免渦輪分子泵的完全故障，要求按短暫的有規則間隔來執行分 析。已知藉助於移動分析設備通過檢查渦輪分子泵來進行這種分析。所述 分析設備包括振動檢測器以及估計裝置。振動檢測器將會連接到渦輪分子 泵。檢測到的振動頻鐠將會通過估計裝置例如展示在圖表中。基於頻語， 專家可以了解(特別是軸承的)機械部件是否已經發生損壞，從而預計泵 是否會在短時間內故障。進行這種檢測是可能的，因為在其中例如軸承已 經遭受大量磨損的渦輪分子泵被破壞的情況下，不僅單獨的譜線會以迥然 不同的方式凸顯出來，而且振動值的增加將會在頻鐠的寬頻帶之上變得明 顯。因此，檢查渦輪分子泵要求專業人員在現場對泵執行複雜的測量。為 了避免完全故障的風險，不得不按短暫的有規則間隔來執行這個過程。盡 管有這樣的檢查服務，仍然會不時地發生渦輪分子泵的全面故障，這招致 了大量的隨之而來的損壞的風險。
本發明的目的是防止發生渦輪分子泵的全面故障，特別是減少用於檢 查的人員費用。
上述目的分別通過如權利要求1所述的方法和如權利要求13所述的 渦輪分子泵來實現。
根據本發明，將會確定渦輪分子泵的狀態信息。通過這樣的確定過程， 例如可以在及早的時間點檢測出泵是否受損。由此，可以及早地檢測出可
4能的泵的將來故障，從而允許釆W目應的對策。根據本發明的方法，藉助
於連接到渦輪分子泵的振動檢測器，至少在一個頻率處檢測振動JL^狀況 (vibration development),優選地，在該過程中，振動檢測器持續地連接 到渦輪分子泵；這裡，優選地提供與渦輪分子泵的要 視的部件(特別 是軸承)的;W^連接。振動檢測器檢測到的至少一個所述振動U狀況被 發送到估計單元，該估計單元優選地也是固定的，並且直接連接到渦輪分 子泵。優選地，估計單元集成到渦輪分子泵中，例如布置在渦輪分子泵的 現有控制單元中。估計單元包括優選為頻率可變濾波器的濾波器。該濾波 器被設置到某一頻率，或者向它施加某一頻率。由此，可以檢測相應的振 動幅度。通過設置不同頻率來進行濾波器的頻率改變。在估計單元中，將 至少一個確定的振動幅度與一個或者多個限制值相比較。例如，這些限制 值可以是基於部件未受損的泵的標準振動U狀況而已被檢測的值。優選 地，已經根據經驗檢測限制值，或者限制值基於憑經驗檢測的值，並且限 制值已存儲在估計單元的存儲元件中。 一旦限制值被超過，估計單元就發 出報警信號。如果需要，則只有在限制值已M過數次或者已M過預定 的較長一段時間之後才輸出報警信號。
根據本發明方法的特別優選的變體，在該方法中使用的濾波器是頻率 可變的濾波器。進而更優選地，這種濾波器被設置為集成頻率濾波器電路。 這樣的集成頻率濾波器電路是便宜的部件。作為頻率可變濾波器，優選地 利用所謂的"開關電容器濾波器"，所述開關電容器濾波器以高度集成半導 體電路(IC電路)的形式作為大規模生產的產品而可得到，並且在相關 技術文獻中有描述，例如在"Halbleiter-Schaltungstechnik; U. Tietze， Ch. Schenk"中有描述。在開關電容器濾波器(SC濾波器)中，利用了有源 濾波器的原理一一設計有運算放大器和RC電路(電阻器和電容器)作為 積分電路一一其中不是通過RAC而是通過C/(CsAfs)來限定頻率決定性濾 波器的時間常數"T"。
特別有利的是，可以通過常用的微控制器電路以筒單、精確和可變的 方式生成Cs的電容器開關頻率fs。另外在集成半導體電路中，可以用很 有利的方式生成電容。才艮據上述原理，在確定T時將不包括絕對值而將 僅包括比值，這對於集成電路的實現而言很便利。
幾個製造商提供了可用的開關電容器濾波器IC，例如
MAXIM 7>司MAX74卯
適合於高通、低通、帶通和陷波濾波頻率範圍為1Hz至40kHz 以及
Linear Technology公司LTC1059 適合於高通、低通、帶通和陷波濾波器 頻率範圍為0.1Hz至40kHz
通過級聯多個SC濾波器電路，如果需要則可以在另外的方面影響濾 波器性質，例如用於獲得更陡峭的側邊(flank)或者增加的阻尼。
特別優選地，除了集成頻率濾波器電5Ml外，還使用渦輪分子泵的已 有微處理器。在每個渦輪分子泵中，確實已經存在用於驅動控制和監視的 微處理器。現有微處理器的計算能力被接近滿容量地使用。本發明對集成 頻率濾波器電路的運用具有減少對用於執行分析的渦輪分子泵內部微處 理器施加的負擔的效果，其中該分析優選為FFT分析。
即使振動發展狀況的完整拾取可能花費從幾分鐘至高達幾小時的範 圍的相對長的時間，但這並不會在執行本發明方法時造成缺點，因為渦輪 分子泵通常在更長的時間段之上特別是經年累月地不間斷操作，所以幾天 的時段對於及早檢測可能的故障而言將4X夠的。
在如通常使用於渦輪分子泵中的典型微處理器中，這裡描述的離散頻 率分析方法將需要約1%的資源並且實質上不需要實時能力。這具有下述 優點就振動拾取器(pick-up)而言，可以為了高優先級的任務以任何 希望的方式中斷微處理器而不對測量造成明顯影響。
結合渦輪分子泵中已經存在的微處理器使用集成頻率濾波器電路來 執行的本發明方法具有下U本優點通過結合^更宜的集成頻率濾波器電 路來利用微處理器的仍然可用的剩餘容量，僅以很小的附加成本和以很緊 湊的構造尺寸使在線故障預測成為可能。
可以不僅根據未受損的泵的標準振動發展狀況而且單獨針對每個泵 或者至少每個泵類型，在製造時或者在初始^Mt之時，直接確定一個或者 多個限制值。
特別優選地，在多個頻率處執行對振動幅度的測量。優選地藉助於被 施加不同頻率的濾波器來實現這一點。優選地，將隨後對振動幅度進行組 合，優選為進行彼此相加。優選地通過相加而獲得的合計值然後將會優選 地與限制值直接做比較。優選地按預定時間間隔在預定頻率處確定振動幅度。在這才科故時，在 每個檢查過程中分別針對相同頻率確定振動幅度，由此允許分別比較振動 幅度和從振動幅度檢測到的總體值。因此可以檢測各個幅度的幅度變化或 者合計值的變化。然後，代替絕對值或者除了絕對值之外，也可以考慮時 間變化作為限制值。這使得可以例如還在預定限制值尚未M過但是檢測 到各個幅度或合計值的快速增加時生成報警信號。
通過將多個幅度值相加，安全地排除了如下情形可能意外地或者由 於異常的條件變化而發生的可能的值的孤立增加可能觸發報警信號。在單 獨部件的故障之前，由於大量單獨信號值將例如由於軸承的擴大容差而增 加，所以未受損的泵的多個振動幅度的合成/求和值與受損的泵的值之差 將很大。多個幅度值的相加將高度可靠地保證只有需要服務才可以真正地 發出報警信號。另外，可以保證及早檢測到限制值M過，因此留有充足 時間用於進行服務或者如果需要則用於更換泵。
根據本發明，振動拾取器和估計單元持久地連接到渦輪分子泵，所以 要,iLj^視的所有渦輪分子泵都設置有相應的振動拾取器和估計單元。因此 可以持續地或者至少按短暫的間隔來執行對幅度的確定。之所以無需服務 人員是因為可以自動地執行該過程。優選地通過向服務設施進行遠程數據 發送來實現報警信號的輸出。
優選地，通過使用安裝在渦輪分子泵中的處理器來執行本發明方法。 這之所以可能是因為執行該方法無需大量計算處理。由於用於執行本發明 方法的費用小，所以必要的計算可以由現有微控制器附帶接管。因此，可 以用簡單和便宜的方式在現有渦輪分子泵中實施本發明方法。也不要求快 速處理監視數據，因為無需直接>^應。這一點的原因在於，在本發明方法 中，在及早的時間點檢測到可能的將來故障，由此避免了對即時反應的需 要。在本發明方法中，所需計算性能以及所需存儲容量比在用於監視的已 知FFT方法中顯著更少。
根據本發明而優選使用的分析原理並不涉及對FFT (快速傅立葉變 換)分析的使用，而是涉及確定針對每個測量頻率範圍的幅度，亦即，要 被分析的每個頻率要被單獨地(離員)確定。相應的數據檢測確實需要 長時間，但是這正如上文說明的那樣在實現本發明時沒有造成缺點。在 FFT中，在時域中檢測要被檢查的信號，並且如按照FFT規定的那樣將 該信號轉換成頻鐠。在相應的計算能力的情況下，可以^艮快地處理這個過 程，然而這一點在這裡並非是必不可少的。因此，根據本發明，渦輪分子泵可以受到在線監視。這具有的優點在 於消除了對專業人員^暫的間隔來執行有規則的分析處理的需要。因此 顯著減少了對執行分析工作的人力需求。代替地，本發明的在線監視使得 可以一旦從監視單元接收到報警信號，專業人員就可以對泵進行維護工 作。這種工作可能涉及更換單獨的泵部件以及單獨的軸承。取決於給出的 情況，甚至可以更換完整的渦輪分子泵，從而如果需要則可以修理受損的 渦輪分子泵。由於在線監視，所以避免了驟然的意外全面故障，因為在全 面故障之前將會已經發生限制值被超過。例如， 一旦軸承已經受損，在單
獨頻率處的幅度就將改變；因此，振動幅度將在軸承遭受故障之前經歷變 化。因此，將留有充足時間用於進行維護工作，例如更換軸承。
正如可能出現的情況那樣，可能有必要關斷渦輪分子泵。取決於各自 的應用，例如在生產期間的緊急情況下，可能需要這才WL另外，取決於 可能更高的第二限制值，可能需要關斷。在超過第二限制值的情況下，會 擔心渦輪分子泵將很快故障而無法適時地執行需要的更換。在這樣的情況 下，如果需要則可以自動地執行關斷。以這種方式避免了出現完全故障以 及由它造成的隨之而來的損壞。
優選地，在臨界頻率範圍內測量多個頻率。可以對應於各個泵根據經 驗檢測臨界頻率範圍。特別地，臨界頻率範圍將在旋轉頻率的0,3倍至50 倍的範圍內，特別地在旋轉頻率的8倍至16倍的範圍內。通過將測量限 制到臨界頻率範圍，可以保證與比較值更可靠地比較，並且因此保證更可 靠地生成^L警信號。例如，在與服務無關的其它範圍內可能發生的增加的 頻i^i將被排除不予考慮。
優選地，為了輸出報警信號，另外還考慮更多渦輪分子泵參數和/或 環境條件。例如可以對操作溫度、對操作時段、對起動循環、待命循環和 負載循環的次數以及對負載M給予考慮。特別地，可以取決於渦輪分子 泵參數和/或環境條件來執行對限制值的調整。因此，本發明提供了執行 持續調整限制值的可能性，該調整優選地藉助於估計單元和存儲在估計單 元中的相應軟體來自動執行。
優選地，除了向監視單元發送報警信號之外，還按有規則的時間間隔 向服務設施發送控制信號。也優選地通過遠程數據傳輸來執行控制信號的 發送；因此也在線發送控制信號。因此，監視單元可以檢查估計單元是否 在可靠地工作。可以立即檢測到估計單元的故障。特別地，可以通過控制 信號來發送通過合成獲得的值。由此，監視單元可以檢查發送的值是否合乎情理。通常，合計值由於磨損而應當傾向於隨時間而增加。藉助於相應 的算法，監視單元可以檢查發送的值的似真性。也可以在估計單元中立即 進行這樣的似真性檢查。
本發明還涉及渦輪分子泵，該渦輪分子泵根據本發明被修改以適合於 執行上述方法。所述渦輪分子泵包括殼體之內的泵裝置，其具有快速旋轉
軸和相應的軸承。振動拾取器;W^連接到要^:視的渦輪分子泵的部件， 特別地連接到單獨的軸承。振動拾取器當然也可以機械連接到要 視的 多個部件。根據本發明，振動拾取器形成渦輪分子泵的一部分，並且特別 地布置在渦輪分子泵的殼體之內。這具有的優點在於提供與^U^視部件的 良好M連接。將振動拾取器集成到渦輪分子泵中還允許對振動的持續或 者至少頻繁地拾取。可用作振動拾取器的有加速度拾取器、壓電爆震傳感 器、身體/空氣聲音麥克風、距離傳感器等。
另外，本發明的渦輪分子泵設置有電連接到振動拾取器的估計單元。 優選地，所述估計單元集成到渦輪分子泵的現有控制單元中。估計單元優 選地使用控制單元的現有部件如微處理器和/或存儲器。
優選地，估計單元包皿施加頻率的濾波器。以這種方式，如上文結
地，通過向濾波器施加不同頻率而使濾波器可變。
根據本發明，估計單元連接到用於輸出報警信號的輸出裝置。當限制 值被超過時將會生成報警信號；通過將振動拾取器輸出的信號與優選地存 儲在估計單元中的比較值相比較來獲得所述限制值。優選地，輸出裝置被 設計為接口，用於優選地通過數據傳輸向監視單元發送報警信號。
根據本發明，通過將振動拾取器集成到渦輪分子泵中，以及通過將估 計單元直接連接到渦輪分子泵而特別地集成到現有控制單元中，使得可以 通過對振動頻譜的檢測和對振動頻鐠的相應估計而對渦輪分子泵執行持 續或者至少頻繁的維護。因此，為了監視渦輪分子泵，不需要將外部監視 單元連接到渦輪分子泵和讓專家執行監視。代替地，可以以十分簡單的方 式進行在線監視處理。由此避免了出現完全故障以及隨之而來的損壞。
估計單元優選地包括微處理器和/或存儲元件。優選地，利用渦輪分 子泵的控制單元中現有的部件。這允許成本顯著減少。
根據本發明渦輪分子泵的特別優選的實施例，以集成頻率濾波器電路 的形式提供濾波器，該集成頻率濾波器電路優選地以上文結合方法描述的方式來配置。如上文結合方法所描述的那樣，優選地，將使用渦輪分子泵 中已經包括的用於驅動控制和監視的微處理器。
此外，為了確定另外的渦輪分子泵參數和/或為了確定環境條件，可 以4€供確定裝置。藉助於優選地形成估計單元的 一部分的所述確定裝置， 可以在輸出報警信號時分別考慮渦輪分子泵參數和環境條件。特別地，可 以通過集成到估計單元中的限制值調整裝置來執行限制值的調整。
下面參照附圖來更具體地說明本發明的優選實施例。
在附圖中示出了如下各圖
圖l是用於實現本發明的各個部件的示意圖2是通過振動拾取器檢測到的軸承未受損的泵的振動頻鐠的基本 圖；以及
圖3是通過振動拾取器檢測到的軸承受損的泵的振動頻鐠的基本圖。
在各個部件的示意圖(

圖1)中示出了振動拾取器10，該振動拾取器 10 ^連接到渦輪分子泵的要 視的部件，特別是連接到軸承。振動 拾取器操作用以拾^L械振動並且將它們轉換成電信號。所述電信號M 送到估計單元12。在所示實施例中，估計單元12包括用來增加電壓幅度 的放大器14。放大器14連接到優選為集成頻率濾波器電路的頻率濾波器 16。藉助於頻率濾波器16，電振動信號的各個引起關注的幅度將被濾出。 優選地，通過向頻率濾波器16施加不同頻率而使它可變。藉助於布置在 頻率濾波器16後面的信號整流器18，濾過的振動信號將被轉換成直流電 壓信號。在連接到信號整流器18的模擬/數字轉換器20中，所述直流電 壓信號將被轉換成數字值。這個數字值然後將由微處理器22處理。優選 地，所述微處理器22是已經存在於渦輪分子泵中的用於執行主^^壬務如 驅動控制和監視的微處理器。
另外，存儲器24連接到微處理器22。比較值存儲在所述存儲器24 中，以便振動拾取器10檢測到的並且如上所述已被處理的當前振動幅度 可以與比較值做比較。如果微處理器22執行的比較證明了限制值M過， 則報警信號將被輸出到輸出裝置26。所述輸出裝置26經由遠程數據傳輸 系統28連接到監視單元30。所述監視單元30優選為服務提供商如服務 中心，因此無需布置在>^司的駐地內。
另外，微處理器22可以連接到用於確定渦輪分子泵的更多參數和/ 或用於確定環境條件的未圖示的確定裝置。可以分別在檢測報警信號時和在確定限制值時考慮相應的參數。
為了設置頻率濾波器16的濾波器頻率特性，微處理器22將向數字值 頻率轉換器32發送數值。基於所述數值，數字值頻率轉換器32將檢測用 於^L置濾波器16的濾波器特性的等效頻率。因此，濾波器特性可以才艮據 要求表單來調整。
已以預定頻率測量的各個振動幅度優選地由微處理器22相加。通過 這種相加處理而獲得的合計值然後將與一個或者多個限制值做比較。然 後，例如當第一限制值被超過時，將生成信號，該信號將啟動對渦輪分子 泵執行的服務或者維護處理。 一旦例如更高的第二限制值被超過，將優選 地自動地關斷渦輪分子泵。
出於示意性的目的，圖2示出了振動頻鐠的示圖。這個頻譜是正確工 作的渦輪分子泵的振動頻譜，其中沒有軸承受損並且也沒有其它機樹目關 部件受損。
與此形成對照，圖3示出了軸承受損的渦輪分子泵的振動頻譜。從這 個附圖中，清楚明顯的是各個振動的幅度增加。以例如50Hz的頻率間隔 在例如8000Hz至20000Hz的範圍內，通過本發明的對各個振動幅度進行 相加，可以通過與限制值做比較來容易地檢測出給定的渦輪分子泵具有受 損的軸承。
為了進一步改進該方法，可以假定不考慮在例如0.1m^的限制值以
下的幅度。這#^的結果是不考慮在軸承和類似部件未受損的渦輪分子泵 中也會發生的振動。
ii
權利要求
1.一種用於確定渦輪分子泵的狀態信息的方法，其中-通過連接到所述渦輪分子泵的振動拾取器(10)來檢測振動發展狀況；-將所述振動發展狀況發送到估計單元(12)；-所述估計單元(12)具有布置在其中的優選為頻率濾波器電路的濾波器(16)，所述濾波器(16)被設置到用於檢測相應振動幅度的頻率；-在所述估計單元(12)中，藉助於所述渦輪分子泵的微處理器(22)，將當前振動幅度與至少一個限制值進行比較；以及-當超過所述限制值時，將信號發送到監視裝置(30)。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，通過設置不同頻率，所述濾 波器(16)是頻率可變的。
3. 根據權利要求1或者2所述的方法，其特徵在於，經由數據傳輸 系統(28)來發送當超過所述限制值時發送的所述信號。
4. 根據權利要求l至3中任何一項所述的方法，其中，在多個頻率 處測量所述振動幅度，並且將測量的所述振動幅度組合成合計值。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中，通過將各個測量的所述振動 幅度相加來確定所述合計值。
6. 根據權利要求4或者5所述的方法，其中，測量臨界頻率範圍內 的多個頻率，所述臨界頻率範圍優選地在所述渦輪分子泵的旋轉頻率的 0.3倍至50倍的範圍內。
7. 根據權利要求1至6中任何一項所述的方法，其中，還在考慮渦 輪分子泵參數和/或環境條件的情況下，執行所述報警信號的輸出。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中，在確定所述限制值時考慮所 述渦輪分子泵參數和/或所述環境條件。
9. 根據權利要求7或者8所述的方法，其中，通過重新計算所述限 制值，優選地自動重新計算所述限制值，所述限制值的確定是可變的。
10. 根據權利要求1至9中任何一項所述的方法，其中，按有規則的 間隔向所述監視裝置(30)發送控制信號。
11. 根據權利要求1至10中任何一項所述的方法，其中，當超過第一限制值時生成報警信號。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中，當超過第二限制值時，關 斷優選地自動關斷所述渦輪分子泵。
13. —種用於執行根據權利要求1至12中任何一項所述的方法的渦 輪分子泵，包括泵裝置，其布置在殼體中；振動拾取器(IO),其^連接到要 視的所述渦輪分子泵的部件；估計單元(12),其電連接到所述振動拾取器(10),用於根據比較值 來估計接收到的振動信號，所述評估單元(12)包括優選為頻率濾波器電 路的濾波器(16);以及輸出裝置，其連接到所述估計單元(12)，用於在超過限制值時輸出 信號。
14. 根據權利要求13所述的渦輪分子泵，其特徵在於，所述估計單 元(12)包括用於信號處理的微處理器(22)，所述微處理器優選為所述 渦輪分子泵的微處理器(22 )。
15. 根據權利要求13或者14所述的渦輪分子泵，其特徵在於，通過 設置頻率使所述濾波器(16)適合於檢測相應的振動幅度，並且優選地通 過將所述濾波器(16)設置到不同頻率使所述濾波器(16)頻率可變。
16. 根據權利要求13至15中任何一項所述的渦輪分子泵，其特徵在 於，所述估計單元(12)操作用以針對至少一個頻率#測振動幅度。
17. 根據權利要求13至16中任何一項所述的渦輪分子泵，其特徵在 於，所述估計單元(12)包括用於存儲比較值的存儲元件(24)。
18. 根據權利要求13至17中任何一項所述的渦輪分子泵，其特徵在 於確定裝置，用於確定渦輪分子泵^和/或環境條件。
19. 根據權利要求18所述的渦輪分子泵，其特徵在於，所述估計單 元(12)包括限制值調整裝置，用於根據檢測到的所述渦輪分子泵^t 和/或檢測到的所述環境M來調整所述限制值。
20. 根據權利要求13至19中任何一項所述的渦輪分子泵，其特徵在 於，所述估計單元(12 )經由遠程數據傳輸系統(28 )連接到監視裝置(30 )。
全文摘要
在一種用於確定渦輪分子泵的狀態信息的方法中和在一種渦輪分子泵中，利用連接到渦輪分子泵的振動傳感器(10)來確定振動曲線。確定的振動曲線被傳送到估計裝置(12)，其中振動幅度由估計裝置(12)中的濾波器(16)進行檢測，然後與比較值進行比較。如果閾值被超過，則通過遠程數據傳送裝置(28)將報警信號傳送到監視系統(30)。該方法允許在線監視渦輪分子泵。
文檔編號G01M99/00GK101495760SQ200780028225
公開日2009年7月29日 申請日期2007年6月22日 優先權日2006年7月26日
發明者克裡斯蒂安·哈裡希, 託馬斯·戈策, 賴納·赫爾策 申請人:厄利孔萊博爾德真空技術有限責任公司