VERFAHREN ZUR ERMITTLUNG EINER AUSSAGE ÜBER EINEN ZUSTAND EINER TURBOMOLEKULARPUMPE SOWIE EINE TURBOMOLEKULARPUMPE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Aussage über einen Zustand einer Turbomolekularpumpe sowie eine Turbomolekularpumpe.

[0002] Turbomolekularpumpen zur Erzeugung von Hochvakuum weisen schnell drehende Pumpenwellen auf, die üblicherweise in Kugel- oder Gleitlagern gelagert sind. Auf Grund der hohen mechanischen Belastung der Lager sowie anderer mechanischer Bauteile von Turbomolekularpumpen kann ein plötzlicher Ausfall der Turbomolekularpumpe auf Grund mechanischer Beschädigungen auftreten. Der Ausfall von Turbomolekularpumpen tritt bisweilen spontan und unvorhersehbar auf. Auf Grund der hohen Anforderungen ist die Betriebsdauer derartiger Turbomolekularpumpen sehr unterschiedlich, so dass ein Ausfallen der Turbomolekularpumpe durch regelmäßige Serviceintervalle nur schwer vermieden werden kann, bzw. die Serviceintervalle in äußerst kurzen Zeitabständen durchgeführt werden müssen. Der Ausfall einer Turbomolekularpumpe, die beispielsweise in einem Reinraum betrieben wird, hat häufig eine Produktionsunterbrechung zur Folge. Ferner führt ein Lagerschaden häufig zum Blockieren der Welle. Auf Grund der großen Massenträgheit wird die Turbomolekularpumpe hierbei teilweise vollständig zerstört.

[0003] Um einen Totalausfall der Turbomolekularpumpe zu vermeiden, ist es erforderlich in kurzen, regelmäßigen Abständen eine Analyse durchzuführen. Zur Analyse ist es bekannt, mit Hilfe eines mobilen Analysegerätes die Turbomolekularpumpe zu überprüfen. Das Analysegerät weist einen Vibrationsaufnehmer, sowie eine Auswerteeinrichtung auf. Der Vibrationsaufnehmer wird mit der Turbomolekularpumpe verbunden. Das aufgenommene Vibrationsspektrum wird mittels der Auswerteeinrichtung, beispielsweise in einem Diagramm, dargestellt. Anhand der Frequenzspektrums erkennt der Fachmann, ob eine Beschädigung mechanischer Bauteile, insbesondere der Lager, vorliegt und somit in Kürze mit einem Ausfall der Pumpe zu rechnen ist. Dies liegt darin begründet, dass bei einer beschädigten Turbomolekularpumpe, bei der beispielsweise ein Lager einen starken Verschleiß aufweist, nicht nur einzelne Spektrallinien ausgeprägt sind, sondern eine breitbandige Erhöhung der Schwingungswerte zu erkennen ist. Die Überprüfung von Turbomolekularpumpen erfordert somit eine aufwändige Messung an der Pumpe vor Ort von einem Spezialisten. Um einen Totalausfall zu vermeiden muss dies in kurzen, regelmäßigen Abständen erfolgen. Trotz eines derartigen Prüfservices treten hin und wieder Totalausfälle von Turbomolekularpumpen auf, die zur erheblichen Folgeschäden führen können.

[0004] EP 0851127, die alle Merkmale des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 10 offenbart, A2 beschreibt ein Diagnostizierverfahren zur Detektion der Abnutzung rotierender Komponenten in Vakuumpumpen. Ein Warnsignal wird bei Erreichen eines vorgegebenen Abnutzungsgrads ausgegeben, wobei ein Messsignal eines Vibrationssensors an der Vakuumpumpe in das Fourier-Spektrum übertragen wird.

[0005] EP 1396649 A2 beschreibt eine Magnetlagervorrichtung an einer Vakuumpumpe, mit der Möglichkeit, Vibrationen zu ermitteln.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Auftreten von Totalausfällen einer Turbomolekularpumpe zu vermeiden und insbesondere den Personalaufwand zur Überprüfung zu verringern. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. eine Turbomolekularpumpe gemäß Anspruch 10.

[0007] Gemäß der Erfindung erfolgt eine Ermittlung einer Aussage über einen Zustand einer Turbomolekularpumpe. Beispielsweise kann durch eine derartige Ermittlung zu einem frühen Zeitpunkt festgestellt werden, ob die Pumpe beschädigt ist. Hierdurch kann ein zukünftiges Ausfallen der Pumpe frühzeitig erkannt und somit entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels eines Vibrationsaufnehmers, der mit der Turbomolekularpumpe verbunden ist, mindestens bei einer Frequenz ein Schwingungsverlauf ermittelt. Hierbei ist der Vibrationsaufnehmer insbesondere ständig mit der Turbomolekularpumpe verbunden, wobei hierbei insbesondere eine mechanische

[0008] Verbindung zu den zu überwachenden Turbomolekularpumpen-Komponenten, insbesondere den Lagern, erfolgt. Der von dem Vibrationsaufnehmer ermittelte mindestens eine Schwingungsverlauf wird an eine Auswerteeinrichtung, die vorzugsweise ebenfalls stationär ist und unmittelbar mit der Turbomolekularpumpe verbunden ist, übermittelt. Insbesondere ist die Auswerteeinrichtung in die Turbomolekularpumpe integriert, beispielsweise in der vorhandenen Steuerung der Turbomolekularpumpe angeordnet. Die Auswerteeinrichtung weist ein Filter, bei dem es sich um ein durchstimmbares Filter handelt, auf. An dem Filter ist eine Frequenz eingestellt, bzw. liegt eine Frequenz an. Hierdurch kann eine zugehörige Schwingungsamplitude ermittelt werden. Das Durchstimmen des Filters erfolgt durch Einstellen unterschiedlicher Frequenzen. Die mindestens eine bestimmte Schwingungsamplitude wird in der Auswerteeinrichtung mit einem oder mehreren Grenzwerten verglichen. Bei den Grenzwerten handelt es sich beispielsweise um mittels eines Standard-Schwingungsverlaufs einer Pumpe mit unbeschädigten Komponenten ermittelte Werte. Insbesondere sind die Grenzwerte empirisch ermittelt bzw. basieren auf empirisch ermittelten Werten und sind in einem Speicherelement der Auswerteeinrichtung hinterlegt. Sobald ein Grenzwert überschritten wird, wird von der Auswerteeinrichtung ein Warnsignal ausgegeben. Ggf. erfolgt die Ausgabe eines Warnsignals erst nach mehrfacher Überschreitung des Grenzwertes, bzw. nach Überschreitung des Grenzwertes für einen vorgegebenen längeren Zeitraum.

[0009] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Filter ein veränderbares Frequenz-Filter verwendet, bei dem es sich um einen integrierten Frequenz-Filter-Schaltkreis handelt. Bei einem derartig integrierten Frequenz-Filter-Schaltkreis handelt es sich um ein kostengünstiges Bauteil. Als durchstimmbare Filter werden vorzugsweise sogenannte "Switched Capacitor Filter" eingesetzt, die als hochintegrierte Halbleiter-Schaltkreise (Integrated Circuit) industriell hergestellt zur Verfügung stehen und in der Fachliteratur z.B. "Halbleiter-Schaltungstechnik; U. Tietze, Ch. Schenk" beschrieben sind. Beim Switched Capacitor Filter (SC-Filter) wird das Prinzip des aktiven Filters - aufgebaut mit Operationsverstärkern und R-C-Beschaltungen (Widerstand und Kondensator) als Integratorschaltung - angewendet, wobei die frequenzbestimmende Filterzeitkonstante "T" nicht durch R * C definiert ist, sondern durch C/(Cs*fs).

[0010] Besonders vorteilhaft ist, dass die Kondensator-Umschaltfrequenz fs an Cs einfach, präzise und veränderbar durch übliche Micro-Controller-Schaltungen zu erzeugen ist. Des weiteren sind in integrierten Halbleiterschaltkreisen Kapazitäten sehr gut herzustellen. Bei dem beschriebenen Prinzip geht die absolute Größe des Kondensators nicht in die Bestimmung von T ein, sondern nur das Verhältnis, was der Realisation als integrierte Schaltung sehr entgegen kommt.

[0011] Geeignete Switched Capacitor Filter - ICs werden von mehreren Herstellern angeboten, wie beispielsweise:

Fa. MAXIM: MAX 7490
Geeignet für Hochpass-, Tiefpass-, Bandpass- und Kerb-Filter Im Frequenzbereich 1 Hz bis zu 40 kHz
und

Fa. Linear Technology: LTC1059
Geeignet für Hochpass, Tiefpass-, Bandpass- und Kerb-Filter Im Frequenzbereich 0,1 Hz bis zu 40 kHz

[0012] Durch Kaskadierung mehrerer SC-Filter-Schaltkreise lassen sich ggf. die Filtereigenschaften zusätzlich beeinflussen, um z.B. steilere Flanken bzw. höhere Dämpfungen zu erzielen.

[0013] Besonders vorteilhaft ist erfindungsgemäß zusätzlich zu der Verwendung des integrierten Frequenz-Filter-Schaltkreises die Nutzung des bereits vorhandenen Mikroprozessors der Turbomolekularpumpe. In jeder Turbomolekularpumpe ist insbesondere zur Antriebsteuerung und Überwachung ein Mikroprozessor vorhanden. Die Rechenkapazität des vorhandenen Mikroprozessors ist nahezu ausgelastet. Aufgrund des erfindungsgemäßen Einsatzes des integrierten Frequenz-Filter-Schaltkreises verringert sich die Belastung des internen Mikroprozessors der Turbomolekularpumpe für die Durchführung der Analyse, bei der es sich insbesondere um eine FFT-Analyse handelt. Wenngleich die vollständige Aufnahme eines Schwingungsverlaufs relativ lange Zeit von mehreren Minuten oder gar Stunden in Anspruch nehmen kann, ist dies für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nachteilig, da Turbomolekularpumpen üblicherweise über längere Zeiträume, insbesondere Monate oder Jahre ohne Unterbrechung betrieben werden und daher für eine Frühausfallerkennung eine Zeitspanne von einigen Tagen ausreichend ist.

[0014] Die hier beschriebene Methode der diskreten Frequenz-Analyse belastet einen typischen Mikroprozessor, wie er für Turbomolekularpumpen typischerweise zum Einsatz gelangt, mit etwa 1 % der Ressourcen und erfordert fast keine Echtzeitfähigkeit. Dies hat den Vorteil, dass der Mikroprozessor bzgl. die Schwingungs-Erfassung beliebig zugunsten hochpriorer Aufgaben unterbrochen werden kann, ohne die Messung nennenswert zu beeinflussen.

[0015] Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines integrierten Frequenz-Filter-Schaltkreises in Verbindung mit dem in der Turbomolekularpumpe bereits vorhandenen Mikroprozessor besteht darin, dass durch die Ausnutzung der noch vorhandenen Rest-Leistungsfähigkeit des Mikroprozessors, in Verbindung mit dem preisgünstigen integrierten Frequenz-Filter-Schaltkreis mit geringen Zusatzkosten und bei sehr kompakter Bauform eine Online-Ausfallvorhersage möglich ist.

[0016] Der bzw. die Grenzwerte können nicht nur anhand eines Standard-Schwingungsverlaufs einer unbeschädigten Pumpe, sondern auch individuell für jede Pumpe oder zumindest jeden Pumpentyp unmittelbar nach der Fertigung oder bei Inbetriebnahme ermittelt werden.

[0017] Besonders bevorzugt ist es bei mehreren Frequenzen die Schwingungsamplituden zu messen. Dies erfolgt vorzugsweise mittels des Filters, an das unterschiedliche Frequenzen angelegt werden. Die Schwingungsamplituden werden sodann vorzugsweise anschließend zusammengefasst, insbesondere addiert. Der insbesondere durch Addition ermittelte Gesamtwert wird sodann vorzugsweise unmittelbar mit dem Grenzwert verglichen.

[0018] Insbesondere erfolgt in vorgegebenen zeitlichen Abständen eine Bestimmung der Schwingungsamplituden bei vorgegebenen Frequenzen. Hierbei werden die Schwingungsamplituden bei jedem Prüfvorgang jeweils zu den selben Frequenzen ermittelt, so dass ein Vergleich der Schwingungsamplituden bzw. des aus den Schwingungsamplituden ermittelten Gesamtwertes erfolgen kann. Es ist somit möglich, eine Amplitudenänderung einzelner Amplituden oder eine Änderung des Gesamtwertes festzustellen. Es kann sodann als Grenzwert anstatt oder zusätzlich zu einem Absolutwert auch die zeitliche Änderung berücksichtigt werden. So ist es beispielsweise möglich, ein Warnsignal auch dann zu erzeugen, wenn der vorgegebene Grenzwert zwar noch nicht überschritten ist, jedoch ein schneller Anstieg einzelner Amplituden oder des Gesamtwertes detektiert wird.

[0019] Durch die Addition mehrerer Amplitudenwerte ist sichergestellt, dass nicht eine einzelne ggf. zufällig oder auf Grund singulärer Bedingungsänderungen auftretende Erhöhung eines Wertes zum Auslösen eines Warnsignals führt. Da sich vor dem Ausfall eines mechanischen Bauteils, beispielsweise durch die Vergrößerung des Lagerspiels, eine Vielzahl einzelner Signalwerte vergrößern, ist der Unterschied des integrierten/aufsummierten Wertes mehrerer Schwingungsamplituden einer unbeschädigten Pumpe, verglichen mit dem Wert einer beschädigten Pumpe groß. Durch das Addieren der Schwingungsamplituden kann mit hoher Wahrscheinlichkeit sichergestellt werden, dass ein Warnsignal tatsächlich nur dann ausgegeben wird, wenn ein Service erforderlich ist. Ebenso kann sichergestellt werden, dass ein Überschreiten eines Grenzwertes frühzeitig ermittelt wird, so dass ausreichend Zeit zur Durchführung des Services oder ggf. zum Austausch der Pumpe verbleibt.

[0020] Erfindungsgemäß sind der Vibrationsaufnehmer und die Auswerteeinrichtung mit der Turbomolekularpumpe ständig verbunden, so dass sämtliche Turbomolekularpumpen, die überwacht werden sollen, einen entsprechenden Vibrationsaufnehmer und eine Auswerteeinrichtung aufweisen. Die Bestimmung der Amplituden kann somit kontinuierlich oder zumindest in geringen zeitlichen Abständen erfolgen. Hierzu ist kein Servicepersonal erforderlich, da dies automatisch erfolgen kann. Vorzugsweise erfolgt die Ausgabe des Warnsignals über Datenfernübertragung an eine Serviceeinrichtung.

[0021] Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Benutzung des in der Turbomolekularpumpe vorhandenen Prozessors. Dies ist möglich, da für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine großen Rechenleistungen erforderlich sind. Da der Aufwand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gering ist, können die erforderlichen Berechnungen durch den vorhandenen Mikrokontroller mitübernommen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit auf einfache Weise in bestehende Turbomolekularpumpen kostengünstig implementierbar. Auch ist eine schnelle Verarbeitung der Überwachungsdaten nicht erforderlich, da ein unmittelbares Reagieren nicht notwendig ist. Dies liegt darin begründet, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein in der Zukunft auftretender Ausfall frühzeitig erkannt wird und insofern ein sofortiges Reagieren nicht erforderlich ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die erforderliche Rechenleistung sowie die erforderliche Speicherkapazität erheblich geringer als bei bekannten zur Überprüfung verwendeten FFT-Verfahren.

[0022] Das erfindungsgemäß eingesetzte Analyse-Prinzip wendet keine FFT-Analyse (Fast Fourier Transformation) an, sondern bestimmt die Amplitude zu jedem gemessenen Frequenzbereich, also jede zu analysierende Frequenz einzeln (diskret). Die entsprechende Datenerfassung benötigt zwar viel Zeit, wobei dies, wie vorstehend dargelegt, zur Durchführung der Erfindung nicht nachteilig ist. Bei der FFT wird das zu untersuchende Signal im Zeitbereich erfasst und durch die Vorschrift der FFT in ein Frequenzspektrum umgerechnet. Mit entsprechender Rechenleistung geht das sehr schnell, ist aber hier nicht gefragt.

[0023] Die Turbomolekularpumpe ist somit erfindungsgemäß online überwachbar. Dies hat den Vorteil, dass regelmäßige, in kurzen Zeitabständen erfolgende Analysearbeiten durch einen Spezialisten nicht erfolgen müssen. Der Personalbedarf zur Durchführung der Analysearbeiten ist somit erheblich verringert. Vielmehr ist es auf Grund der erfindungsgemäßen Onlineüberwachung möglich, dass sobald ein Warnsignal von der Überwachungseinrichtung empfangen wird, ein Spezialist die Wartung der Pumpe vornimmt. Hierbei kann ein Austausch einzelner Pumpenbauteile, sowie einzelner Lager erfolgen. Ggf. kann auch ein Austausch der gesamten Turbomolekularpumpe erfolgen, so dass die beschädigte Turbomolekularpumpe ggf. anschließend repariert werden kann. Auf Grund der Onlineüberwachung der Turbomolekularpumpe ist ein plötzlicher, unerwarteter Totalausfall vermieden, da die Überschreitung der Grenzwerte bereits vor dem Totalausfall erfolgt. Die Amplitude bei einzelnen Frequenzen ändert sich beispielsweise sobald eine Beschädigung eines Lagers auftritt, wobei die Änderungen der Schwingungsamplituden erfolgt bevor das Lager ausfällt. Es verbleibt somit ausreichend Zeit eine Wartung, wie beispielsweise das Auswechseln des Lagers vorzunehmen.

[0024] Ggf. kann ein Ausschalten der Turbomolekularpumpe erforderlich sein. Dies kann in Abhängigkeit des Anwendungsfalls, beispielsweise bei kritischen Produktionssituationen erforderlich sein. Auch kann in Abhängigkeit eines zweiten, ggf. höheren Grenzwertes ein Abschalten erforderlich sein. Beim Überschreiten eines zweiten Grenzwertes ist zu befürchten, dass die Turbomolekularpumpe in Kürze ausfällt und der erforderliche Austausch nicht rechtzeitig durchgeführt werden kann. Hierbei kann das Ausschalten ggf. automatisch erfolgen. Hierdurch ist das Auftreten eines Totalausfalls, ebenso wie die hierdurch auftretenden Folgeschäden, vermieden.

[0025] Vorzugsweise werden mehrere Frequenzen in einem kritischen Frequenzbereich gemessen. Der kritische Frequenzbereich kann je nach Pumpe empirisch ermittelt werden. Insbesondere liegt der kritische Frequenzbereich im Bereich der 0,3 bis 50-fachen Drehfrequenz, insbesondere 8 bis 16-fach. Durch Beschränken der Messungen auf einen kritischen Frequenzbereich kann ein zuverlässigerer Vergleich mit den Vergleichswerten und damit ein zuverlässigeres Erzeugen des Warnsignals gewährleistet werden. Beispielsweise bleiben auftretende erhöhte Spektralwerte in anderen Bereichen, die bezüglich eines Services nicht relevant sind, unberücksichtigt.

[0026] Vorzugsweise erfolgt bei der Ausgabe eines Warnsignals zusätzlich die Berücksichtigung weiterer Turbomolekularpumpen-Parameter und/oder eine Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen. Beispielsweise können die Betriebstemperatur, die Betriebsdauer, die Anzahl der Startzyklen, der Stand-By-Zyklen und der Belastungszyklen, sowie auch der Belastungszustand berücksichtigt werden. Insbesondere ist es möglich in Abhängigkeit von Turbomolekularpumpen -Parametern und/oder Umgebungsbedingungen eine Anpassung des Grenzwertes vorzunehmen. Es ist somit erfindungsgemäß möglich, den Grenzwert kontinuierlich anzupassen, wobei die Anpassung vorzugsweise automatisch, mit Hilfe der Auswerteeinrichtung und einer entsprechenden in der Auswerteeinrichtung gespeicherten Software erfolgt. Vorzugsweise erfolgt neben der Übermittlung eines Warnsignals an die Überwachungseinrichtung in regelmäßigen zeitlichen Abständen die Übermittlung eines Kontrollsignals an die Serviceeinrichtung. Die Übermittlung des Kotrollsignals erfolgt ebenfalls vorzugsweise über Datenfernübertragungen, so dass auch die Kontrollsignale online übertragen werden. Hierdurch kann von der Überwachungseinrichtung überprüft werden, ob die Auswerteeinrichtung zuverlässig arbeitet. Ein Ausfallen der Auswerteeinrichtung könnte unmittelbar festgestellt werden. Insbesondere kann durch das Kontrollsignal der durch Integration ermittelte Wert übermittelt werden. Hierdurch kann die Überwachungseinrichtung prüfen, ob der übermittelte Wert plausibel ist. Üblicherweise müsste der Gesamtwert im Laufe der Zeit auf Grund von Abnutzungen steigen. Über einen entsprechenden Algorithmus kann die Überwachungseinrichtung die Plausibilität der übermittelten Werte überprüfen. Eine derartige Plausibilitätsüberprüfung kann auch unmittelbar in der Auswerteeinrichtung erfolgen.

[0027] Ferner betrifft die Erfindung eine Turbomolekularpumpe, die erfindungsgemäß derart modifiziert ist, dass sie zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Die Turbomolekularpumpe weist in einem Gehäuse eine Pumpeinrichtung auf, die insbesondere schnell drehende Wellen und entsprechende Lager aufweist. Mit den zu überwachenden Turbomolekularpumpen-Komponenten, insbesondere den einzelnen Lagern, ist ein Vibrationsaufnehmer mechanisch verbunden. Selbstverständlich kann der Vibrationsaufnehmer mechanisch auch mit mehreren zu überwachenden Komponenten verbunden sein. Erfindungsgemäß ist der Vibrationsaufnehmer ein Teil der Turbomolekularpumpe und insbesondere innerhalb des Gehäuses der Turbomolekularpumpe angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass eine gute mechanische Verbindung mit den zu überwachenden Komponenten möglich ist. Ferner ist durch die Integration des Vibrationsaufnehmers in die Turbomolekularpumpe ein kontinuierliches oder zumindest häufiges Aufnehmen der Vibrationen möglich. Als Vibrationsaufnehmer können Beschleunigungsaufnehmer, Piezzo-Klopf-Sensoren, Körper-/Luftschall-Mikrophone, Abstandssensoren etc. eingesetzt werden.

[0028] Ferner weist die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe eine Auswerteeinrichtung auf, die elektrisch mit dem Vibrationsaufnehmer verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise in eine vorhandene Steuereinrichtung der Turbomolekularpumpe integriert. Insbesondere nutzt die Auswerteeinrichtung vorhandene Bauteile der Steuerung, wie den Mikroprozessor und vorzugsweise auch den Speicher.

[0029] Die Auswerteeinrichtung weist ein Filter auf, an dem eine Frequenz anliegt. Hierdurch ist es möglich eine zugehörige Schwingungsamplitude auszufiltern, um diese wie vorstehend anhand des Verfahrens beschrieben, mit einem Grenzwert zu vergleichen. Insbesondere ist das Filter durch Anliegen unterschiedlicher Frequenzen durchstimmbar.

[0030] Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinrichtung mit einer Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe eines Warnsignals verbunden. Ein Warnsignal wird beim Überschreiten eines Grenzwertes erzeugt, wobei ein Vergleich der vom Vibrationsaufnehmer abgegebenen Signale mit insbesondere in der Auswerteeinrichtung gespeicherten Vergleichswerten erfolgt. Bei der Ausgabeeinrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Schnittstelle, um das Warnsignal insbesondere mittels Datenübertragung an eine Überwachungseinrichtung zu übertragen.

[0031] Durch die erfindungsgemäße Integration des Vibrationsaufnehmers in die Turbomolekularpumpe sowie die unmittelbare Verbindung der Auswerteeinrichtung mit der Turbomolekularpumpe insbesondere durch Integration in die vorhandene Steuereinrichtung ist ein kontinuierliches oder zumindest häufiges Warten der Turbomolekularpumpe durch Aufnahme eines Schwingungsspektrums und eine entsprechende Auswertung des Schwingungsspektrums möglich. Zur Überwachung der Turbomolekularpumpe ist es somit nicht erforderlich, dass ein externes Überwachungsgerät mit der Turbomolekularpumpe verbunden wird und ein Fachmann eine Überwachung durchführen muss. Vielmehr kann eine Onlineüberwachung auf einfache Weise durchgeführt werden. Hierdurch ist das Auftreten von Totalausfällen, sowie der hierdurch hervorgerufenen Folgeschäden, vermieden.

[0032] Die Auswerteinrichtung weist einen Mikroprozessor und vorzugsweise ein Speicherelement auf. Vorzugsweise werden die in der Steuerung der Turbomolekularpumpe vorhandenen Komponenten genutzt. Hierdurch können die Kosten erheblich reduziert werden.

[0033] Bei der erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe wird als Filter ein integrierter Frequenz-Filter-Schaltkreis verwendet, der, wie vorstehend anhand des Verfahrens beschrieben, ausgestaltet ist. Zudem erfolgt ferner ein Nutzen des in der Turbomolekularpumpe insbesondere zur Antriebssteuerung und Überwachung bereits vorhandenen Mikroprozessors, wie vorstehend anhand des Verfahrens beschrieben.

[0034] Zur Bestimmung zusätzlicher Turbomolekularpumpen-Parameter und/oder zur Bestimmung von Umgebungsbedingungen kann zusätzlich eine Bestimmungseinrichtung vorgesehen sein. Mit Hilfe der Bestimmungseinrichtung, die insbesondere Bestandteil der Auswerteeinrichtung ist, können die Turbomolekularpumpen-Parameter bzw. die Umgebungsbedingungen bei der Ausgabe des Warnsignals berücksichtigt werden. Insbesondere kann eine Anpassung der Grenzwerte durch eine in die Auswerteeinrichtung integrierte Grenzwertanpassungseinrichtung erfolgen.

[0035] Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

[0036] Es zeigen:

Fig. 1:

eine schematische Darstellung der einzelnen Komponenten zur Realisierung der Erfindung,

Fig. 2

eine prinzipielle Darstellung eines von einem Vibrationsaufnehmer aufgenommenen Schwingungsspektrums einer Pumpe mit einem unbeschädigten Lager und

Fig. 3

eine prinzipielle Darstellung eines von einem Vibrationsaufnehmer aufgenommenen Schwingungsspektrums einer Pumpe mit einem beschädigtem Lager.

[0037] Die schematische Darstellung der einzelnen Bauteile (Fig. 1) zeigt einen Vibrationsaufnehmer 10, der mechanisch mit den zu überwachenden Turbomolekularpumpen-Komponenten, insbesondere den Lagern verbunden ist. Der Vibrationsaufnehmer nimmt mechanische Schwingungen auf und wandelt diese in ein elektrisches Signal um. Das elektrische Signal wird der Auswerteeinrichtung 12 zugeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Auswerteeinrichtung 12 einen Verstärker 14 auf, durch den ein Anheben der Spannungs-Amplitude erfolgt. Ein Verstärker 14 ist an ein Frequenzfilter 16, bei dem es sich insbesondere um einen integrierten Frequenz-Filter-Schaltkreis handelt, angeschlossen. Durch das Frequenzfilter 16 werden die einzelnen interessierenden Amplituden der elektrischen Vibrations-signale ausgefiltert. Vorzugsweise ist das Frequenzfilter 16 durch Anlegen unterschiedlicher Frequenzen durchstimmbar. Mit Hilfe eines sich an das Frequenzfilter 16 anschließenden Signalgleichrichters 18 wird das gefilterte Vibrationssignal in ein Gleichspannungssignal umgewandelt. Das Gleichspannungssignal wird von dem mit dem Signalgleichrichter 18 verbundenen Analog-Digital-Wandler 20 in einen digitalen Wert umgewandelt. Dieser digitale Wert wird von dem Mikroprozessor 22 sodann verarbeitet. Bei dem Mikroprozessor 22 handelt es sich um den bereits für die Hauptaufgaben, wie Antriebsteuerung und Überwachung in der Turbomolekularpumpe vorhandenen Mikroprozessor.

[0038] Ferner ist mit dem Mikroprozessor 22 ein Speicher 24 verbunden. In dem Speicher 24 sind die Vergleichswerte gespeichert, um die aktuelle von dem Vibrationsaufnehmer 10 erfasste und wie vorstehend beschrieben bearbeitete Schwingungsamplitude mit Vergleichswerten zu vergleichen. Wird bei dem durch den Mikroprozessor 22 durchgeführten Vergleich festgestellt, dass ein Grenzwert überschritten ist, erfolgt die Ausgabe eines Warnsignals an eine Ausgabeeinrichtung 26. Die Ausgabeeinrichtung 26 ist über eine Datenfernübertragung 28 mit einer Überwachungseinrichtung 30 verbunden. Die Überwachungseinrichtung 30 ist hierbei vorzugsweise ein Dienstleistungsanbieter, wie ein Servicezentrum, und muss insofern nicht innerhalb der Firma angeordnet sein.

[0039] Ferner kann der Mikroprozessor 22 mit einer nicht dargestellten Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung von weiteren Turbomolekularpumpen-Parametern und/oder zur Bestimmung von Umgebungsbedingungen verbunden sein. Die entsprechenden Parameter können bei der Ermittlung des Warnsignals bzw. bei der Bestimmung des Grenzwertes berücksichtigt werden.

[0040] Zur Einstellung der Filter-Frequenz-Charakteristik des Frequenzfilters 16 wird von dem Mikroprozessor 22 ein Zahlenwert an den Digitalwert-Frequenz-Wandler 32 übermittelt. Der Digitalwert-Frequenz-Wandler 32 ermittelt hieraus eine äquivalente Frequenz durch die die Filter-Charakteristik des Filters 16 eingestellt wird. Es ist somit eine Anpassung der Filter-Charakteristik je nach Anforderungsprofil möglich.

[0041] Die einzelnen zu vorgegebenen Frequenzen gemessenen Schwingungsamplituden werden vorzugsweise durch den Mikroprozessor 22 aufsummiert. Der durch die Aufsummierung erhaltene Gesamtwert wird sodann mit einem oder mehreren Grenzwerten verglichen. Sodann wird beispielsweise beim Überschreiten eines ersten Grenzwertes ein Signal erzeugt, auf Grund dessen sodann ein Service bzw. eine Wartung der Turbomolekularpumpe durchgeführt wird. Beispielsweise beim Überschreiten eines zweiten, höheren Grenzwertes erfolgt vorzugsweise automatisch ein Abschalten der Turbomolekularpumpe.

[0042] Zur Veranschaulichung ist in Fig. 2 ein Diagramm eines Schwingungsspektrums dargestellt. Es handelt sich hierbei um ein Schwingungsspektrum einer zufriedenstellend arbeitenden Turbomolekularpumpe, bei der keine Lager beschädigt sind und auch keine anderen mechanisch relevanten Bauteile Beschädigungen aufweisen.

[0043] Im Vergleich hierzu ist aus Fig. 3 ein Schwingungsspektrum einer Turbomolekularpumpe mit beschädigtem Lager ersichtlich. Hieraus ist eindeutig zu entnehmen, dass die Amplitude einzelner Schwingungen erhöht ist. Durch das erfindungsgemäße Addieren einzelner Schwingungsamplituden beispielsweise im Bereich von 8.000 bis 20.000 Hz, in einem Frequenzabstand von beispielsweise 50 Hz, kann im Vergleich zu einem Grenzwert auf einfache Weise festgestellt werden, dass es sich hierbei um eine Turbomolekularpumpe mit beschädigtem Lager handelt.

[0044] Zur weiteren Verfeinerung des Verfahrens ist es möglich, Amplituden, die unterhalb eines Grenzwertes von beispielsweise 0,1 m/s² liegen, nicht zu berücksichtigen. Dies hat zur Folge, dass Schwingungen, die auch bei Turbomolekularpumpen mit unbeschädigtem Lager und dergleichen, auftreten, bei der Bestimmung des Warnsignals nicht berücksichtigt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Ermittlung einer Aussage über einen Zustand einer Turbomolekularpumpe, bei welchem

- mittels eines mit der Turbomolekularpumpe verbundenen Vibrationssaufnehmers (10) ein Schwingungsverlauf ermittelt wird,

- der Schwingungsverlauf an eine Auswerteeinrichtung (12) übermittelt wird,

- in der Auswerteeinrichtung (12) ein Filter (16) in Form eines Frequenz-Filter-Schaltkreises angeordnet ist, an dem eine Frequenz zur Ermittlung einer zugehörigen Schwingungsamplitude einstellbar ist,

- das Filter (16) durch Einstellen unterschiedlicher Frequenzen nacheinander derart durchgestimmt wird, dass zu jedem gemessenen Frequenzbereich die Schwingungsamplitude diskret ermittelt wird.

- die aktuelle Schwingungsamplitude in der Auswerteeinrichtung (12) unter Nutzung eines Mikroprozessors (22) zur Antriebssteuerung und Überwachung der Turbomolekularpumpe mit mindestens einem Grenzwert verglichen wird, und

- bei Überschreiten des Grenzwertes ein Signal an eine Überwachungseinrichtung (30) übermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bei Überschreiten des Grenzwertes übermittelte Signal über eine Datenübertragungseinrichtung (28) übermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Schwingungsamplituden bei mehreren Frequenzen gemessen werden und die gemessenen Schwingungsamplituden zu einem Gesamtwert zusammengefasst werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Gesamtwert durch Aufsummieren der einzelnen gemessenen Schwingungsamplituden bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem mehrere Frequenzen in einem kritischen Frequenzbereich gemessen werden, der insbesondere im Bereich der 0,3 bis 50-fachen Drehfrequenz der Turbomolekularpumpe liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem bei der Warnsignalausgabe zusätzlich Turbomolekularpumpen-Parameter und/oder die Umgebungsbedingungen insbesondere bei der Grenzwertbestimmung berücksichtigt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem die Bestimmung des Grenzwertes variabel ist, insbesondere automatisch neu berechnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem in regelmäßigen zeitlichen Abständen ein Kontrollsignal an die Überwachungseinrichtung (30) übermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem bei Überschreiten eines ersten Grenzwertes ein Warnsignal erzeugt wird und bei welchem vorzugsweise bei Überschreiten eines zweiten Grenzwertes ein insbesondere automatisches Abschalten der Turbomolekularpumpe erfolgt.

10. Turbomolekularpumpe zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit
einer in einem Gehäuse angeordneten Pumpeinrichtung,
einem mechanisch mit der zur überwachenden Turbomolekularpumpen-Komponente verbundenen Vibrationsaufnehmer (10),
einer elektrisch mit dem Vibrationsaufnehmer (10) verbundenen Auswerteeinrichtung (12) zur Auswertung des empfangenen Vibrationssignals in Abhängigkeit von Vergleichswerten,
einer mit der Auswerteeinrichtung (12) verbundenen Ausgabeeinrichtung (26) zur Ausgabe eines Signals bei Überschreiten eines Grenzwerts,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auswerteeinrichtung (12) einen Mikroprozessor (22) zur Signalverarbeitung aufweist, bei dem es sich um den Mikroprozessor (22) zur Antriebssteuerung und Überwachung der Turbomolekularpumpe handelt, wobei die Auswerteeinrichtung (12) vorzugsweise über eine Datenfernübertragungseinrichtung (28) mit einer Überwachungseinrichtung (30) verbunden ist, und dass
die Auswerteinrichtung (12) ein Filter (16) aufweist, bei dem es sich um einen Frequenz-Filter-Schaltkreis handelt, der durch Einstellen einer Frequenz zur Ermittlung einer zugehörigen Schwingungsamplitude geeignet ist und durch Einstellen unterschiedlicher Frequenzen durchstimmbar ist.

11. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (12) zu mindestens einer Frequenz eine Schwingungsamplitude ermittelt und/oder ein Speicherelement (24) zum Speichern von Vergleichswerten aufweist.

12. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung von Turbomolekularpumpen-Parametern und/oder Umgebungsbedingungen und dass die Auswerteeinrichtung (12) vorzugsweise eine Grenzwertanpassungseinrichtung zur Anpassung des Grenzwertes in Abhängigkeit der ermittelten Turbomolekularpumpen-Parameter und/oder der ermittelten Umgebungsbedingungen aufweist.

Claims

1. A method for determining a statement of a state of a turbomolecular pump, wherein

- a vibration development is detected by a vibration pick-up (10) connected to the turbomolecular pump,

- said vibration development is communicated to an evaluation unit (12),

- the evaluation unit (12) has arranged therein a filter (16) in the form of a frequency-filter circuit, which may be set to a frequency for detecting a corresponding vibration amplitude,

- said filter (16) being tuned such by sequentially setting different frequencies that the vibration amplitude is discretely determined for each frequency range measured,

- for the drive control and monitoring of the turbomolecular pump, a microprocessor (22) is used in the evaluation unit (12) to compare the current vibration amplitude to at least one limiting value, and

- a signal is transmitted to a monitoring device (30) when said limiting value is exceeded.

2. The method according to claim 1, characterized in that the signal transmitted when the limiting value is exceeded, is transmitted via a data transmission means (28).

3. The method according to claim 1 or 2, wherein the vibration amplitudes are measured at a plurality of frequencies and the measured vibration amplitudes are combined to a total value.

4. The method according to claim 3, wherein said total value is determined by adding up the individual measured vibration amplitudes.

5. The method according to claim 3 or 4, wherein a plurality of frequencies in a critical frequency range are measured, said critical frequency range being preferably in the range of 0.3 to 50 times the rotational frequency of the turbomolecular pump.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the outputting of the warning signal is performed also under consideration of turbomolecular pump parameters and/or the ambient conditions, in particular in the determination of the limiting value.

7. The method according to claim 5 or 6, wherein the determination of the limiting value is variable, with the limiting value being newly computed, preferably automatically.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein a control signal is transmitted to the monitoring device (30) at regular intervals.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein a warning signal is generated when a first limiting value is exceeded, and wherein, when a second limiting value is exceeded, the turbomolecular pump is switched off, preferably automatically.

10. A turbomolecular pump for performing the method according to any one of claims 1 to 9, comprising
a pumping device arranged in a housing,
a vibration pick-up (10) mechanically connected to the turbomolecular pump component which is to be monitored,
an evaluation unit (12) electrically connected to the vibration pick-up (10), for evaluating the received vibration signal in dependence on comparison values,
an output device (26) connected to the evaluation unit (12), for outputting a signal when a limiting value is exceeded,
characterized in that
the evaluation unit (12) comprises a microprocessor (22) for signal processing, said microprocessor preferably being the microprocessor (22) for the drive control and the monitoring of the turbomolecular pump, said evaluation unit (12) being connected to a monitoring device (30) preferably via a remote data transmission system (28) and that
said evaluation unit (12) comprises a filter (16), said filter being a frequency-filter circuit suited, by setting a frequency, for detection of a corresponding vibration amplitude and which, preferably, is tunable by being set to different frequencies.

11. The turbomolecular pump according to claim 10, characterized in that the evaluation unit (12) is operative to detect a vibration amplitude for at least one frequency and/or comprises a storage element (24) for storing comparative values.

12. The turbomolecular pump according to claim 10 or 11, characterized by a determining device for determining turbomolecular pump parameters and/or ambient conditions and by the evaluation unit (12) preferably comprising a limiting-value adapting device for adapting the limiting value in dependence on the detected turbomolecular pump parameters and/or the detected ambient conditions.

Revendications

1. Procédé permettant de déterminer une indication de l'état d'une pompe turbomoléculaire, dans lequel

- un profile de vibration est déterminé à l'aide d'un capteur de vibrations (10) connecté à ladite pompe turbomoléculaire,

- le profil de vibration est fourni à un moyen d'évaluation (12),

- dans ledit moyen d'évaluation (12), un filtre (16) sous forme d'un circuit filtre de fréquence est prévu, auquel filtre une fréquence peut être réglée pour déterminer une amplitude de vibration associée,

- le filtre (16) est syntonisé séquentiellement par réglage de différentes fréquences, de sorte que l'amplitude de vibration est discrètement déterminée pour chaque gamme de fréquence mesurée,

- l'amplitude actuelle est comparée avec au moins une valeur limite, la comparaison étant faite dans ledit moyen d'évaluation (12) à l'aide d'un microprocesseur (22) pour la commande de l'entrainement et la contrôle de la pompe turbomoléculaire, et

- lorsque ladite valeur limite est surpassée, un signal est fourni à un moyen de contrôle (30).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal fourni lorsque ladite valeur limite est surpassée est fourni à travers un moyen de transmission de données (28).

3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, dans lequel lesdites amplitudes de vibration sont mesurées à plusieurs fréquences et les amplitudes de vibration mesurées sont rassemblées en une valeur totale.

4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la valeur totale est déterminée par l'addition des amplitudes de vibration mesurées individuelles.

5. Procédé selon les revendications 3 ou 4, dans lequel plusieurs fréquences dans une gamme de fréquences critique sont mesurées, ladite gamme se situant en particulier dans la plage de 0,3 à 50 fois la fréquence de rotation de la pompe turbomoléculaire.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel lors de l'émission du signal d'alarme, des paramètres de la pompe turbomoléculaire et/ou les conditions ambiantes sont considérés additionnellement, en particulier en déterminant la valeur limite.

7. Procédé selon les revendications 5 ou 6, dans lequel la détermination de la valeur limite est variable, étant en particulier recalculée automatiquement.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel, dans des intervalles réguliers, un signal de contrôle est fourni audit moyen de contrôle (30).

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel, lorsqu'une première valeur limite est surpassée, un signal d'alarme est généré, et dans lequel, lorsqu'une deuxième valeur limite est surpassée, la pompe turbomoléculaire est désactivée, en particulier automatiquement.

10. Pompe turbomoléculaire pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant
un moyen de pompage disposé dans un boitier,
un capteur de vibrations (10) lié mécaniquement à l'élément de la pompe turbomoléculaire à contrôler,
un moyen d'évaluation (12) lié électriquement audit capteur de vibrations (10) pour évaluer, en fonction de valeurs de référence, le signal de vibration reçu,
un moyen de sortie (26) lié au moyen d'évaluation (12) pour faire sortir un signal lorsqu'une valeur limite est surpassée,
caractérisée en ce que
ledit moyen d'évaluation (12) comprend un microprocesseur (22) servant à traiter les signaux, ledit microprocesseur étant le microprocesseur (22) servant à commander l'entrainement et à contrôler ladite pompe turbomoléculaire, ledit moyen d'évaluation (12) étant connecté à un moyen de contrôle (30), de préférence à travers un moyen d'échange de données informatisées (28), et que
ledit moyen d'évaluation (12) comprend un filtre (16) qui est un circuit filtre de fréquence, qui est apte à la détermination, par réglage d'une fréquence, d'une amplitude de vibration associée et qui peut être syntonisé par réglage de différentes fréquences.

11. Pompe turbomoléculaire selon la revendication 10, caractérisée en ce que le moyen d'évaluation (12) détermine une amplitude de vibration d'au moins une fréquence et/ou comprend un élément de stockage (24) pour stocker des valeurs de référence.

12. Pompe turbomoléculaire selon les revendications 10 ou 11, caractérisée par un moyen de détermination pour déterminer des paramètres de la pompe turbomoléculaire et/ou des conditions ambiantes, et par le fait que le moyen d'évaluation (12) comprend de préférence un moyen d'adaptation de valeur limite pour adapter la valeur limite en fonction des paramètres de la pompe turbomoléculaire déterminés et/ou des conditions ambiantes déterminées.

Zeichnung