用于确定涡轮分子泵的状态信息的方法和涡轮分子泵的制作方法

专利名称：用于确定涡轮分子泵的状态信息的方法和涡轮分子泵的制作方法
用于确定涡轮分子泵的状态信息的方法和涡轮分子泵
本发明涉及用于确定涡轮分子泵的状态信息的方法和涡轮分子泵。
用于生成高真空的涡轮分子泵设置有通常以球或者滑动轴承的方式 支撑的快速旋转泵轴。由于作用在轴承上和涡轮分子泵的其它机械部件上 的高机械应力，所以可能因为机械应力而偶然发生涡轮分子泵的突然故障
(fallout)。有时会自发地和不可预测地发生涡轮分子泵的故障。由于高 技术要求，所以这样的涡轮分子泵的操作寿命可能在宽范围内变化；因此， 即使提供有规则的服务间隔，也只能困难地避免涡轮分子泵的故障，或者 将不得不按极短的时间间隔来执行服务工作。例如在清洁室中^Mt的涡轮 分子泵的故障将经常需要中断生产。另外，轴承方面的损坏可能常常导致 轴的阻塞。由于大的质量惯性，所以这会造成涡轮分子泵的局部破坏。
为了避免涡轮分子泵的完全故障，要求按短暂的有规则间隔来执行分 析。已知借助于移动分析设备通过检查涡轮分子泵来进行这种分析。所述 分析设备包括振动检测器以及估计装置。振动检测器将会连接到涡轮分子 泵。检测到的振动频镨将会通过估计装置例如展示在图表中。基于频语， 专家可以了解(特别是轴承的)机械部件是否已经发生损坏，从而预计泵 是否会在短时间内故障。进行这种检测是可能的，因为在其中例如轴承已 经遭受大量磨损的涡轮分子泵被破坏的情况下，不仅单独的谱线会以迥然 不同的方式凸显出来，而且振动值的增加将会在频镨的宽频带之上变得明 显。因此，检查涡轮分子泵要求专业人员在现场对泵执行复杂的测量。为 了避免完全故障的风险，不得不按短暂的有规则间隔来执行这个过程。尽 管有这样的检查服务，仍然会不时地发生涡轮分子泵的全面故障，这招致 了大量的随之而来的损坏的风险。
本发明的目的是防止发生涡轮分子泵的全面故障，特别是减少用于检 查的人员费用。
上述目的分别通过如权利要求1所述的方法和如权利要求13所述的 涡轮分子泵来实现。
根据本发明，将会确定涡轮分子泵的状态信息。通过这样的确定过程， 例如可以在及早的时间点检测出泵是否受损。由此，可以及早地检测出可
4能的泵的将来故障，从而允许釆W目应的对策。根据本发明的方法，借助
于连接到涡轮分子泵的振动检测器，至少在一个频率处检测振动JL^状况 (vibration development),优选地，在该过程中，振动检测器持续地连接 到涡轮分子泵；这里，优选地提供与涡轮分子泵的要 视的部件(特别 是轴承)的;W^连接。振动检测器检测到的至少一个所述振动U状况被 发送到估计单元，该估计单元优选地也是固定的，并且直接连接到涡轮分 子泵。优选地，估计单元集成到涡轮分子泵中，例如布置在涡轮分子泵的 现有控制单元中。估计单元包括优选为频率可变滤波器的滤波器。该滤波 器被设置到某一频率，或者向它施加某一频率。由此，可以检测相应的振 动幅度。通过设置不同频率来进行滤波器的频率改变。在估计单元中，将 至少一个确定的振动幅度与一个或者多个限制值相比较。例如，这些限制 值可以是基于部件未受损的泵的标准振动U状况而已被检测的值。优选 地，已经根据经验检测限制值，或者限制值基于凭经验检测的值，并且限 制值已存储在估计单元的存储元件中。 一旦限制值被超过，估计单元就发 出报警信号。如果需要，则只有在限制值已M过数次或者已M过预定 的较长一段时间之后才输出报警信号。
根据本发明方法的特别优选的变体，在该方法中使用的滤波器是频率 可变的滤波器。进而更优选地，这种滤波器被设置为集成频率滤波器电路。 这样的集成频率滤波器电路是便宜的部件。作为频率可变滤波器，优选地 利用所谓的"开关电容器滤波器"，所述开关电容器滤波器以高度集成半导 体电路(IC电路)的形式作为大规模生产的产品而可得到，并且在相关 技术文献中有描述，例如在"Halbleiter-Schaltungstechnik; U. Tietze， Ch. Schenk"中有描述。在开关电容器滤波器(SC滤波器)中，利用了有源 滤波器的原理一一设计有运算放大器和RC电路(电阻器和电容器)作为 积分电路一一其中不是通过RAC而是通过C/(CsAfs)来限定频率决定性滤 波器的时间常数"T"。
特别有利的是，可以通过常用的微控制器电路以筒单、精确和可变的 方式生成Cs的电容器开关频率fs。另外在集成半导体电路中，可以用很 有利的方式生成电容。才艮据上述原理，在确定T时将不包括绝对值而将 仅包括比值，这对于集成电路的实现而言很便利。
几个制造商提供了可用的开关电容器滤波器IC，例如
MAXIM 7>司MAX74卯
适合于高通、低通、带通和陷波滤波频率范围为1Hz至40kHz 以及
Linear Technology公司LTC1059 适合于高通、低通、带通和陷波滤波器 频率范围为0.1Hz至40kHz
通过级联多个SC滤波器电路，如果需要则可以在另外的方面影响滤 波器性质，例如用于获得更陡峭的侧边(flank)或者增加的阻尼。
特别优选地，除了集成频率滤波器电5Ml外，还使用涡轮分子泵的已 有微处理器。在每个涡轮分子泵中，确实已经存在用于驱动控制和监视的 微处理器。现有微处理器的计算能力被接近满容量地使用。本发明对集成 频率滤波器电路的运用具有减少对用于执行分析的涡轮分子泵内部微处 理器施加的负担的效果，其中该分析优选为FFT分析。
即使振动发展状况的完整拾取可能花费从几分钟至高达几小时的范 围的相对长的时间，但这并不会在执行本发明方法时造成缺点，因为涡轮 分子泵通常在更长的时间段之上特别是经年累月地不间断操作，所以几天 的时段对于及早检测可能的故障而言将4X够的。
在如通常使用于涡轮分子泵中的典型微处理器中，这里描述的离散频 率分析方法将需要约1%的资源并且实质上不需要实时能力。这具有下述 优点就振动拾取器(pick-up)而言，可以为了高优先级的任务以任何 希望的方式中断微处理器而不对测量造成明显影响。
结合涡轮分子泵中已经存在的微处理器使用集成频率滤波器电路来 执行的本发明方法具有下U本优点通过结合^更宜的集成频率滤波器电 路来利用微处理器的仍然可用的剩余容量，仅以很小的附加成本和以很紧 凑的构造尺寸使在线故障预测成为可能。
可以不仅根据未受损的泵的标准振动发展状况而且单独针对每个泵 或者至少每个泵类型，在制造时或者在初始^Mt之时，直接确定一个或者 多个限制值。
特别优选地，在多个频率处执行对振动幅度的测量。优选地借助于被 施加不同频率的滤波器来实现这一点。优选地，将随后对振动幅度进行组 合，优选为进行彼此相加。优选地通过相加而获得的合计值然后将会优选 地与限制值直接做比较。优选地按预定时间间隔在预定频率处确定振动幅度。在这才科故时，在 每个检查过程中分别针对相同频率确定振动幅度，由此允许分别比较振动 幅度和从振动幅度检测到的总体值。因此可以检测各个幅度的幅度变化或 者合计值的变化。然后，代替绝对值或者除了绝对值之外，也可以考虑时 间变化作为限制值。这使得可以例如还在预定限制值尚未M过但是检测 到各个幅度或合计值的快速增加时生成报警信号。
通过将多个幅度值相加，安全地排除了如下情形可能意外地或者由 于异常的条件变化而发生的可能的值的孤立增加可能触发报警信号。在单 独部件的故障之前，由于大量单独信号值将例如由于轴承的扩大容差而增 加，所以未受损的泵的多个振动幅度的合成/求和值与受损的泵的值之差 将很大。多个幅度值的相加将高度可靠地保证只有需要服务才可以真正地 发出报警信号。另外，可以保证及早检测到限制值M过，因此留有充足 时间用于进行服务或者如果需要则用于更换泵。
根据本发明，振动拾取器和估计单元持久地连接到涡轮分子泵，所以 要,iLj^视的所有涡轮分子泵都设置有相应的振动拾取器和估计单元。因此 可以持续地或者至少按短暂的间隔来执行对幅度的确定。之所以无需服务 人员是因为可以自动地执行该过程。优选地通过向服务设施进行远程数据 发送来实现报警信号的输出。
优选地，通过使用安装在涡轮分子泵中的处理器来执行本发明方法。 这之所以可能是因为执行该方法无需大量计算处理。由于用于执行本发明 方法的费用小，所以必要的计算可以由现有微控制器附带接管。因此，可 以用简单和便宜的方式在现有涡轮分子泵中实施本发明方法。也不要求快 速处理监视数据，因为无需直接>^应。这一点的原因在于，在本发明方法 中，在及早的时间点检测到可能的将来故障，由此避免了对即时反应的需 要。在本发明方法中，所需计算性能以及所需存储容量比在用于监视的已 知FFT方法中显著更少。
根据本发明而优选使用的分析原理并不涉及对FFT (快速傅立叶变 换)分析的使用，而是涉及确定针对每个测量频率范围的幅度，亦即，要 被分析的每个频率要被单独地(离員)确定。相应的数据检测确实需要 长时间，但是这正如上文说明的那样在实现本发明时没有造成缺点。在 FFT中，在时域中检测要被检查的信号，并且如按照FFT规定的那样将 该信号转换成频镨。在相应的计算能力的情况下，可以^艮快地处理这个过 程，然而这一点在这里并非是必不可少的。因此，根据本发明，涡轮分子泵可以受到在线监视。这具有的优点在 于消除了对专业人员^暂的间隔来执行有规则的分析处理的需要。因此 显著减少了对执行分析工作的人力需求。代替地，本发明的在线监视使得 可以一旦从监视单元接收到报警信号，专业人员就可以对泵进行维护工 作。这种工作可能涉及更换单独的泵部件以及单独的轴承。取决于给出的 情况，甚至可以更换完整的涡轮分子泵，从而如果需要则可以修理受损的 涡轮分子泵。由于在线监视，所以避免了骤然的意外全面故障，因为在全 面故障之前将会已经发生限制值被超过。例如， 一旦轴承已经受损，在单
独频率处的幅度就将改变；因此，振动幅度将在轴承遭受故障之前经历变 化。因此，将留有充足时间用于进行维护工作，例如更换轴承。
正如可能出现的情况那样，可能有必要关断涡轮分子泵。取决于各自 的应用，例如在生产期间的紧急情况下，可能需要这才WL另外，取决于 可能更高的第二限制值，可能需要关断。在超过第二限制值的情况下，会 担心涡轮分子泵将很快故障而无法适时地执行需要的更换。在这样的情况 下，如果需要则可以自动地执行关断。以这种方式避免了出现完全故障以 及由它造成的随之而来的损坏。
优选地，在临界频率范围内测量多个频率。可以对应于各个泵根据经 验检测临界频率范围。特别地，临界频率范围将在旋转频率的0,3倍至50 倍的范围内，特别地在旋转频率的8倍至16倍的范围内。通过将测量限 制到临界频率范围，可以保证与比较值更可靠地比较，并且因此保证更可 靠地生成^L警信号。例如，在与服务无关的其它范围内可能发生的增加的 频i^i将被排除不予考虑。
优选地，为了输出报警信号，另外还考虑更多涡轮分子泵参数和/或 环境条件。例如可以对操作温度、对操作时段、对起动循环、待命循环和 负载循环的次数以及对负载M给予考虑。特别地，可以取决于涡轮分子 泵参数和/或环境条件来执行对限制值的调整。因此，本发明提供了执行 持续调整限制值的可能性，该调整优选地借助于估计单元和存储在估计单 元中的相应软件来自动执行。
优选地，除了向监视单元发送报警信号之外，还按有规则的时间间隔 向服务设施发送控制信号。也优选地通过远程数据传输来执行控制信号的 发送；因此也在线发送控制信号。因此，监视单元可以检查估计单元是否 在可靠地工作。可以立即检测到估计单元的故障。特别地，可以通过控制 信号来发送通过合成获得的值。由此，监视单元可以检查发送的值是否合乎情理。通常，合计值由于磨损而应当倾向于随时间而增加。借助于相应 的算法，监视单元可以检查发送的值的似真性。也可以在估计单元中立即 进行这样的似真性检查。
本发明还涉及涡轮分子泵，该涡轮分子泵根据本发明被修改以适合于 执行上述方法。所述涡轮分子泵包括壳体之内的泵装置，其具有快速旋转
轴和相应的轴承。振动拾取器;W^连接到要^:视的涡轮分子泵的部件， 特别地连接到单独的轴承。振动拾取器当然也可以机械连接到要 视的 多个部件。根据本发明，振动拾取器形成涡轮分子泵的一部分，并且特别 地布置在涡轮分子泵的壳体之内。这具有的优点在于提供与^U^视部件的 良好M连接。将振动拾取器集成到涡轮分子泵中还允许对振动的持续或 者至少频繁地拾取。可用作振动拾取器的有加速度拾取器、压电爆震传感 器、身体/空气声音麦克风、距离传感器等。
另外，本发明的涡轮分子泵设置有电连接到振动拾取器的估计单元。 优选地，所述估计单元集成到涡轮分子泵的现有控制单元中。估计单元优 选地使用控制单元的现有部件如微处理器和/或存储器。
优选地，估计单元包皿施加频率的滤波器。以这种方式，如上文结
地，通过向滤波器施加不同频率而使滤波器可变。
根据本发明，估计单元连接到用于输出报警信号的输出装置。当限制 值被超过时将会生成报警信号；通过将振动拾取器输出的信号与优选地存 储在估计单元中的比较值相比较来获得所述限制值。优选地，输出装置被 设计为接口，用于优选地通过数据传输向监视单元发送报警信号。
根据本发明，通过将振动拾取器集成到涡轮分子泵中，以及通过将估 计单元直接连接到涡轮分子泵而特别地集成到现有控制单元中，使得可以 通过对振动频谱的检测和对振动频镨的相应估计而对涡轮分子泵执行持 续或者至少频繁的维护。因此，为了监视涡轮分子泵，不需要将外部监视 单元连接到涡轮分子泵和让专家执行监视。代替地，可以以十分简单的方 式进行在线监视处理。由此避免了出现完全故障以及随之而来的损坏。
估计单元优选地包括微处理器和/或存储元件。优选地，利用涡轮分 子泵的控制单元中现有的部件。这允许成本显著减少。
根据本发明涡轮分子泵的特别优选的实施例，以集成频率滤波器电路 的形式提供滤波器，该集成频率滤波器电路优选地以上文结合方法描述的方式来配置。如上文结合方法所描述的那样，优选地，将使用涡轮分子泵 中已经包括的用于驱动控制和监视的微处理器。
此外，为了确定另外的涡轮分子泵参数和/或为了确定环境条件，可 以4€供确定装置。借助于优选地形成估计单元的 一部分的所述确定装置， 可以在输出报警信号时分别考虑涡轮分子泵参数和环境条件。特别地，可 以通过集成到估计单元中的限制值调整装置来执行限制值的调整。
下面参照附图来更具体地说明本发明的优选实施例。
在附图中示出了如下各图
图l是用于实现本发明的各个部件的示意图2是通过振动拾取器检测到的轴承未受损的泵的振动频镨的基本 图；以及
图3是通过振动拾取器检测到的轴承受损的泵的振动频镨的基本图。
在各个部件的示意图(

图1)中示出了振动拾取器10，该振动拾取器 10 ^连接到涡轮分子泵的要 视的部件，特别是连接到轴承。振动 拾取器操作用以拾^L械振动并且将它们转换成电信号。所述电信号M 送到估计单元12。在所示实施例中，估计单元12包括用来增加电压幅度 的放大器14。放大器14连接到优选为集成频率滤波器电路的频率滤波器 16。借助于频率滤波器16，电振动信号的各个引起关注的幅度将被滤出。 优选地，通过向频率滤波器16施加不同频率而使它可变。借助于布置在 频率滤波器16后面的信号整流器18，滤过的振动信号将被转换成直流电 压信号。在连接到信号整流器18的模拟/数字转换器20中，所述直流电 压信号将被转换成数字值。这个数字值然后将由微处理器22处理。优选 地，所述微处理器22是已经存在于涡轮分子泵中的用于执行主^^壬务如 驱动控制和监视的微处理器。
另外，存储器24连接到微处理器22。比较值存储在所述存储器24 中，以便振动拾取器10检测到的并且如上所述已被处理的当前振动幅度 可以与比较值做比较。如果微处理器22执行的比较证明了限制值M过， 则报警信号将被输出到输出装置26。所述输出装置26经由远程数据传输 系统28连接到监视单元30。所述监视单元30优选为服务提供商如服务 中心，因此无需布置在>^司的驻地内。
另外，微处理器22可以连接到用于确定涡轮分子泵的更多参数和/ 或用于确定环境条件的未图示的确定装置。可以分别在检测报警信号时和在确定限制值时考虑相应的参数。
为了设置频率滤波器16的滤波器频率特性，微处理器22将向数字值 频率转换器32发送数值。基于所述数值，数字值频率转换器32将检测用 于^L置滤波器16的滤波器特性的等效频率。因此，滤波器特性可以才艮据 要求表单来调整。
已以预定频率测量的各个振动幅度优选地由微处理器22相加。通过 这种相加处理而获得的合计值然后将与一个或者多个限制值做比较。然 后，例如当第一限制值被超过时，将生成信号，该信号将启动对涡轮分子 泵执行的服务或者维护处理。 一旦例如更高的第二限制值被超过，将优选 地自动地关断涡轮分子泵。
出于示意性的目的，图2示出了振动频镨的示图。这个频谱是正确工 作的涡轮分子泵的振动频谱，其中没有轴承受损并且也没有其它机樹目关 部件受损。
与此形成对照，图3示出了轴承受损的涡轮分子泵的振动频谱。从这 个附图中，清楚明显的是各个振动的幅度增加。以例如50Hz的频率间隔 在例如8000Hz至20000Hz的范围内，通过本发明的对各个振动幅度进行 相加，可以通过与限制值做比较来容易地检测出给定的涡轮分子泵具有受 损的轴承。
为了进一步改进该方法，可以假定不考虑在例如0.1m^的限制值以
下的幅度。这#^的结果是不考虑在轴承和类似部件未受损的涡轮分子泵 中也会发生的振动。
ii
权利要求
1.一种用于确定涡轮分子泵的状态信息的方法，其中-通过连接到所述涡轮分子泵的振动拾取器(10)来检测振动发展状况；-将所述振动发展状况发送到估计单元(12)；-所述估计单元(12)具有布置在其中的优选为频率滤波器电路的滤波器(16)，所述滤波器(16)被设置到用于检测相应振动幅度的频率；-在所述估计单元(12)中，借助于所述涡轮分子泵的微处理器(22)，将当前振动幅度与至少一个限制值进行比较；以及-当超过所述限制值时，将信号发送到监视装置(30)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，通过设置不同频率，所述滤 波器(16)是频率可变的。
3. 根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，经由数据传输 系统(28)来发送当超过所述限制值时发送的所述信号。
4. 根据权利要求l至3中任何一项所述的方法，其中，在多个频率 处测量所述振动幅度，并且将测量的所述振动幅度组合成合计值。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，通过将各个测量的所述振动 幅度相加来确定所述合计值。
6. 根据权利要求4或者5所述的方法，其中，测量临界频率范围内 的多个频率，所述临界频率范围优选地在所述涡轮分子泵的旋转频率的 0.3倍至50倍的范围内。
7. 根据权利要求1至6中任何一项所述的方法，其中，还在考虑涡 轮分子泵参数和/或环境条件的情况下，执行所述报警信号的输出。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，在确定所述限制值时考虑所 述涡轮分子泵参数和/或所述环境条件。
9. 根据权利要求7或者8所述的方法，其中，通过重新计算所述限 制值，优选地自动重新计算所述限制值，所述限制值的确定是可变的。
10. 根据权利要求1至9中任何一项所述的方法，其中，按有规则的 间隔向所述监视装置(30)发送控制信号。
11. 根据权利要求1至10中任何一项所述的方法，其中，当超过第一限制值时生成报警信号。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，当超过第二限制值时，关 断优选地自动关断所述涡轮分子泵。
13. —种用于执行根据权利要求1至12中任何一项所述的方法的涡 轮分子泵，包括泵装置，其布置在壳体中；振动拾取器(IO),其^连接到要 视的所述涡轮分子泵的部件；估计单元(12),其电连接到所述振动拾取器(10),用于根据比较值 来估计接收到的振动信号，所述评估单元(12)包括优选为频率滤波器电 路的滤波器(16);以及输出装置，其连接到所述估计单元(12)，用于在超过限制值时输出 信号。
14. 根据权利要求13所述的涡轮分子泵，其特征在于，所述估计单 元(12)包括用于信号处理的微处理器(22)，所述微处理器优选为所述 涡轮分子泵的微处理器(22 )。
15. 根据权利要求13或者14所述的涡轮分子泵，其特征在于，通过 设置频率使所述滤波器(16)适合于检测相应的振动幅度，并且优选地通 过将所述滤波器(16)设置到不同频率使所述滤波器(16)频率可变。
16. 根据权利要求13至15中任何一项所述的涡轮分子泵，其特征在 于，所述估计单元(12)操作用以针对至少一个频率#测振动幅度。
17. 根据权利要求13至16中任何一项所述的涡轮分子泵，其特征在 于，所述估计单元(12)包括用于存储比较值的存储元件(24)。
18. 根据权利要求13至17中任何一项所述的涡轮分子泵，其特征在 于确定装置，用于确定涡轮分子泵^和/或环境条件。
19. 根据权利要求18所述的涡轮分子泵，其特征在于，所述估计单 元(12)包括限制值调整装置，用于根据检测到的所述涡轮分子泵^t 和/或检测到的所述环境M来调整所述限制值。
20. 根据权利要求13至19中任何一项所述的涡轮分子泵，其特征在 于，所述估计单元(12 )经由远程数据传输系统(28 )连接到监视装置(30 )。
全文摘要
在一种用于确定涡轮分子泵的状态信息的方法中和在一种涡轮分子泵中，利用连接到涡轮分子泵的振动传感器(10)来确定振动曲线。确定的振动曲线被传送到估计装置(12)，其中振动幅度由估计装置(12)中的滤波器(16)进行检测，然后与比较值进行比较。如果阈值被超过，则通过远程数据传送装置(28)将报警信号传送到监视系统(30)。该方法允许在线监视涡轮分子泵。
文档编号G01M99/00GK101495760SQ200780028225
公开日2009年7月29日 申请日期2007年6月22日 优先权日2006年7月26日
发明者克里斯蒂安·哈里希, 托马斯·戈策, 赖纳·赫尔策 申请人:厄利孔莱博尔德真空技术有限责任公司