Überprüfung einer Schaltung: Prototyp DataLogger

Guten Morgen zusammen,

zurzeit bin ich an meiner Thesis dran zum Thema "Condition Monitoring von Wälzlagern" (vereinfacht). Dies erfolgt durch das Messen der wälzlagerinduzierten Anregungen des Lagers mittels eines Beschleunigungsaufnehmers. Daraus können Rückschlüsse auf das Schadensbild getroffen werden.
Um sich kostenintensive piezoelektr. Aufnehmer zu sparen, habe ich ein Prototypen entworfen, der mittels Low-Cost-Sensorik das gewünschte Frequenzspektrum untersuchen kann.

Der Prototyp soll folgendes realisieren:

  • Messen und Speichern der Werte in microSD-Karte
  • Messzyklus beträgt ca. 1x pro Tag
  • Messzeit beträgt in etwa 60 Sek
  • Reduktion der Stromaufnahme durch Sleep-Modus zwischen zwei Messintervallen

Das Sketch hierzu habe ich mit einem Arduino UNO mit RTC+SD-Shield sowie einem ADXL 335 realisieren können. Das hat soweit geklappt und liefert die gewünschten Resultate.

Als Weiteren Schritt habe ich die Stückliste des Prototypen erarbeitet und will die kommende Woche die Bauteile bestellen.
Nun ist es so, dass ich bei der Ausarbeitung keine Feedback-Instanz habe. Demnach arbeite ich "ins Blaue" hinein, wobei Grundkenntnisse der Elektrotechnik vorhanden sind :confused:.

Daher meine "trivialen" Fragen:

  • Ist die Schaltung, wie im Bild zu sehen, realisierbar?
  • Ist die Verbindung der einzelnen Bauteile in sich richtig?
  • Habe ich bei der Spannungsversorgung (vor allem beim Spannungswandler) etwas übersehen/missverstanden?

Es wäre mir eine große Hilfe auf die Expertise andere Nutzer zuzugreifen und ein Feedback zu bekommen. Damit kann ich im Weiteren die hier vermittelten Anregungen noch vor Bestellung der Komponenten überarbeiten und in die Entwicklung einbringen.
Sollten weitere Informationen fehlen, reiche ich diese zeitnah ein.

Schöne Grüße aus den Alpen,
Samir

Alle Signalverbindungen in der gleichen Farbe erhöht die Übersichtlichkeit so stark, dass ich mir das nicht antun werde.

Gruß Tommy

Hallo und willkommen im Forum!

Um welche Größe von Lager geht es denn bzw. in welchen Anlagen sind sie verbaut?

Das Sketch hierzu habe ich mit einem Arduino UNO mit RTC+SD-Shield sowie einem ADXL 335 realisieren können. Das hat soweit geklappt und liefert die gewünschten Resultate.

Heißt deine Schaltung funktioniert an sich oder schon defekte Lager detektiert? Ich hab da irgendwie Zweifel....

Gruß

In welchem Frequenzband läuft die Frequenzanalyse? (soweit ich das weiss war das irgendwo bei 40kHz, oder?!)
Mit welcher Abtastfrequenz misst du?
Gibt es dabei Aliasing Effekte?

Lieben Gruß,
Chris

Wo hast du denn die antiken Teile her? Besorg' dir lieber einen (auch schon abgesagten) MPU6050 statt dem Schrott.
Aus dem Datenblatt des ADXL335:

The user selects the bandwidth of the accelerometer using the CX, CY, and CZ capacitors at the XOUT, YOUT, and ZOUT pins. Bandwidths can be selected to suit the application, with a range of 0.5 Hz to 1600 Hz for the X and Y axes, and a range of 0.5 Hz to 550 Hz for the Z axis.

Aus dem Datenblatt des ADS1115:

ProgrammableDataRate: 8 SPSto 860 SPS

Mit anderen Worten: Nach Nynquist hast du maximal 430Hz. Im echten Leben sind's 43 Hz. Was auch immer du mit dem System Mist, es ist sicher Mist. Sorry.

Hallo,
ohne das ich mir Deine Schaltung im einzelnen angesehen habe, die wichtigsten Komponenten für einen Datalogger hat Du ja verbaut. Du solltest auf jeden Fall noch mal eine Messung des Ruhestroms Deiner gesamten Schaltung machen, um damit einen Rückschluss auf die Laufzeit der Akuss machen zu können. Wichtig bei der Rechnung ist das Du wegen der unterschiedlichen Spannungen über die Leistung bzw. Arbeit rechnest. Wozu der 4pol Kippschalter ?
Ob das Messverfahren das kann ich nicht sagen. Auf jeden Fall solltest Du eine positiv /negativ Vergleichsmessung mit einem üblichen Messverfahren machen.

Du schreibst Du hast Deine Schaltung schon getestet , so what, dann läuft sie doch, oder war das nur ein Vortest mit A/D Wandler RTC & Uno ?

Den Aufbau mit dem Steckbrett kannst Du letztlich nur als Versuchsaufbau nehmen, wenn Du dann richtig messen willst solltst Du Lötverbindungen verwenden.

Nur zu meinem Verständniss der Beschleunigugssensor soll was machen ? wo soll der hin, an´s, in´s Lager ?

Heinz

Tommy56:
Alle Signalverbindungen in der gleichen Farbe erhöht die Übersichtlichkeit so stark, dass ich mir das nicht antun werde.

Gruß Tommy

Habe ich unmittelbar geändert. Sorry.. Man steckt so tief drin, da wird man schnell "Betriebsblind".

Scherheinz:
Hallo und willkommen im Forum!

Um welche Größe von Lager geht es denn bzw. in welchen Anlagen sind sie verbaut?

Heißt deine Schaltung funktioniert an sich oder schon defekte Lager detektiert? Ich hab da irgendwie Zweifel....

Gruß

Hallo und vielen dank :slight_smile:
Beim Lager handelt es sich um ein Axial-Pendelrollenlager mit einem Außendurchmesser von 100mm und einem Innendurchmesser von 90mm. Die Drehzahlen liegen im Bereich von 120 [U/min] und 240 [U/min].
Ich habe noch keine Prüfung der Funktionalität des Sensors durchgeführt. Gemessen wurde bisher nur mit einem industriellen Aufnehmer und einem Messverstärker der Firma "HBM". Die Test folgen im neuen Jahr.

themanfrommoon:
In welchem Frequenzband läuft die Frequenzanalyse? (soweit ich das weiss war das irgendwo bei 40kHz, oder?!)
Mit welcher Abtastfrequenz misst du?
Gibt es dabei Aliasing Effekte?

Lieben Gruß,
Chris

Das Frequenzband liegt zwischen 20 und 50 Hz. Das hängt zum einen von der Drehzahl ab sowie von den geometrischen Eigenschaften des Lagers. So kommt man auf eine Überrollfrequenz Innenring (max. höchste Schadensfrequenz) bei ca. 50 Hz. Wenn nun weitere harmonische Anteile betrachtet werden, kann das Frequenzspektrum auch über 100 Hz gehen. So ergeben sich min. Abtastfrequenzen von 1000Hz, was der Arduino schafft. Das hängt aber auch vom entsprechenden ADC ab. Der ADS1015 kann bis 3000Hz gehen, der ADS1115 bis 800Hz. Hier muss ich eben probieren, was funktioniert und was nicht.
Gruß

Gemessen wurde bisher nur mit einem industriellen Aufnehmer und einem Messverstärker der Firma “HBM”.

Zufällig ein QuantumX mx840 für mehrere tausend Euro? (so einen haben wir bei uns in der Firma).
Und den willst du jetzt durch einen ~50€ Messaufbau mit einem Arduino ersetzen?

Das Frequenzband liegt zwischen 20 und 50 Hz. Das hängt zum einen von der Drehzahl ab sowie von den geometrischen Eigenschaften des Lagers. So kommt man auf eine Überrollfrequenz Innenring (max. höchste Schadensfrequenz) bei ca. 50 Hz. Wenn nun weitere harmonische Anteile betrachtet werden, kann das Frequenzspektrum auch über 100 Hz gehen.

In dem Frequenzbereich misst du die Drehzahl, Unwucht und Ausrichtungsfehler, aber überhaupt nichts, was für Conditition Monitoring interessant ist, es sei denn du sagt, dass wenn du keine Drehzahl mehr misst muss etwas kaputt sein. Beim Condition Monitoring schaut man sich Frequenzspektren an, die sich ändern, wenn es zu Schäden an den Laufbahnen der Lagern kommt. Das können Eindrückungen sein, wenn ein Lager statisch überbeansprucht wurde, oder Pittingverschleiß wenn die Oberfläche verschleißt. Das kann man sich hier ganz schön anschauen: https://www.schaeffler.de/remotemedien/media/_shared_media/08_media_library/01_publications/schaeffler_2/publication/downloads_18/wl_82102_2_de_de.pdf (…hmm, da steht auf Seite 6 tatsächlich was von so einem niedrigen Frequenzband von unter 200 Hz. Vor Jahren hab ich mir damit mal kurz beschäftigt, und da war von 20-40kHz Frequenzband die Rede…merkwürdig.

Hier mal die ersten paar Suchergebnisse von google zum Thema Condition Monitoring:

[https://www.ndt.net/article/dgzfp-ae-2013/papers/vortrag%2016.pdf](https://www.ndt.net/article/dgzfp-ae-2013/papers/vortrag 16.pdf)
https://maschinendiagnose.de/mosaic/_M_userfiles/PDF/Downloads_DE/Fachbeitraege/Condition_Monitoring_im_Kontext_von_Industrie_4.0.pdf

Lieben Gruß,
Chris

Mit welcher Frequenz willst Du den Beschleunigungssensor abtasten? Vieleicht ist ein Modell mit integrierten AD/ Wandler auch benutzbar.

Der UNO bzw NANO ist die falsche Wahl wenn Du im Sleepmodul Strom sparen willst. Du schaltest durch den Sleepmodus nur den Hauptcontroller ab. Den USB-Adapter-Controller und die restliche Elektronik verbrauchen munter weiter.

Du bekommst den Sromverbrauch nur durch eine bessere Wahl der Teile runter:
Arduino MINI, Besseren DC/DC Wandler ( der TSR hat einen Verbrauch von 1mA bei 0 Ausgangsstrom) Den DS3231 mußt Du ausschalten (Versorgungsspannung abklemmen) damit er in Sparmodus geht und mit der internen Batterie läuft. Gleiches gilt für den Beschleunigungssensor und den AD-Wandler auch wenn diese unter 1mA verbrauchen.

Grüße Uwe

themanfrommoon:
Zufällig ein QuantumX mx840 für mehrere tausend Euro? (so einen haben wir bei uns in der Firma).
Und den willst du jetzt durch einen ~50€ Messaufbau mit einem Arduino ersetzen?
In dem Frequenzbereich misst du die Drehzahl, Unwucht und Ausrichtungsfehler, aber überhaupt nichts, was für Conditition Monitoring interessant ist, es sei denn du sagt, dass wenn du keine Drehzahl mehr misst muss etwas kaputt sein. Beim Condition Monitoring schaut man sich Frequenzspektren an, die sich ändern, wenn es zu Schäden an den Laufbahnen der Lagern kommt. Das können Eindrückungen sein, wenn ein Lager statisch überbeansprucht wurde, oder Pittingverschleiß wenn die Oberfläche verschleißt. Das kann man sich hier ganz schön anschauen: https://www.schaeffler.de/remotemedien/media/_shared_media/08_media_library/01_publications/schaeffler_2/publication/downloads_18/wl_82102_2_de_de.pdf (....hmm, da steht auf Seite 6 tatsächlich was von so einem niedrigen Frequenzband von unter 200 Hz. Vor Jahren hab ich mir damit mal kurz beschäftigt, und da war von 20-40kHz Frequenzband die Rede...merkwürdig.

Hier mal die ersten paar Suchergebnisse von google zum Thema Condition Monitoring:
https://www.dgzfp.de/portals/schallemission2015/BB/kp3.pdf
[https://www.ndt.net/article/dgzfp-ae-2013/papers/vortrag%2016.pdf](http://"https://www.ndt.net/article/dgzfp-ae-2013/papers/vortrag 16.pdf")
https://maschinendiagnose.de/mosaic/_M_userfiles/PDF/Downloads_DE/Fachbeitraege/Condition_Monitoring_im_Kontext_von_Industrie_4.0.pdf

Lieben Gruß,
Chris

Ein mx440, habe ich aus der Uni entliehen :wink:
Es stellt sich immer die Frage, was will man Messen? Der Untersuchungsspektrum liegt zwischen 1 und 100 Hz. Dort wird man auch charakteristische Überrollfrequenzen des genannten Lagers finden. Es geht! Außerdem existieren diverse Methoden zur Beurteilung des Rohsignals des Aufnehmers (s. VDI 3832, VDI 3839, falls Interesse bestehen). Man kann im lin. Frequenzbereich untersuchen oder im Resonanzbereich.
Jedoch möchte ich wieder auf die eigentlichen Fragen zurückkommen. Auch wenn das Thema sehr interessant ist :smiley:

uwefed:
Mit welcher Frequenz willst Du den Beschleunigungssensor abtasten? Vieleicht ist ein Modell mit integrierten AD/ Wandler auch benutzbar.

Der UNO bzw NANO ist die falsche Wahl wenn Du im Sleepmodul Strom sparen willst. Du schaltest durch den Sleepmodus nur den Hauptcontroller ab. Den USB-Adapter-Controller und die restliche Elektronik verbrauchen munter weiter.

Du bekommst den Sromverbrauch nur durch eine bessere Wahl der Teile runter:
Arduino MINI, Besseren DC/DC Wandler ( der TSR hat einen Verbrauch von 1mA bei 0 Ausgangsstrom) Den DS3231 mußt Du ausschalten (Versorgungsspannung abklemmen) damit er in Sparmodus geht und mit der internen Batterie läuft. Gleiches gilt für den Beschleunigungssensor und den AD-Wandler auch wenn diese unter 1mA verbrauchen.

Grüße Uwe

Hallo Uwe,
bevor ich auf die Anregungen eingehe, möchte ich mich kurz bei dir bedanken. Habe in dem Dezember so viele gute Einträge von dir gelesen (und teils umgesetzt), dass ich mir viele Kopfschmerzen und Zeit ersparen konnte. Danke dafür!
Zu den Anregungen:

  • Arduino Mini: Finde grad nur den Pro mini. Wäre es besser dann eine externen USB-Hub anzuschließen, um die Sketches hochzuladen? Wobei, dass werde ich mir noch selber beantworten.
  • DC/DC: Hast du sporadisch einen Anbieter auf Lager? Den TSR habe ich (glaub ich jedenfalls) von dir abgeschaut. War aber kein Stromsparprojekt

Die Abtastfrequenz liegt bei min. 800 besser 1000 Hz

Wie sieht es mit der Verwendung von 18650 Batterien aus? Nicht das mir da was anbrennt :smiley:

Gruß

Rentner:
Hallo,
ohne das ich mir Deine Schaltung im einzelnen angesehen habe, die wichtigsten Komponenten für einen Datalogger hat Du ja verbaut. Du solltest auf jeden Fall noch mal eine Messung des Ruhestroms Deiner gesamten Schaltung machen, um damit einen Rückschluss auf die Laufzeit der Akuss machen zu können. Wichtig bei der Rechnung ist das Du wegen der unterschiedlichen Spannungen über die Leistung bzw. Arbeit rechnest. Wozu der 4pol Kippschalter ?
Ob das Messverfahren das kann ich nicht sagen. Auf jeden Fall solltest Du eine positiv /negativ Vergleichsmessung mit einem üblichen Messverfahren machen.

Du schreibst Du hast Deine Schaltung schon getestet , so what, dann läuft sie doch, oder war das nur ein Vortest mit A/D Wandler RTC & Uno ?

Den Aufbau mit dem Steckbrett kannst Du letztlich nur als Versuchsaufbau nehmen, wenn Du dann richtig messen willst solltst Du Lötverbindungen verwenden.

Nur zu meinem Verständniss der Beschleunigugssensor soll was machen ? wo soll der hin, an´s, in´s Lager ?

Heinz

Hallo Heinz,

der Sensor wird durch eine separate Box (getrennt von der weiteren Elektronik) an das Lagergehäuse montiert. Die Ankopplungsart ist noch nicht genau deklariert.