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Hintergrund

FFT des Motorstroms: was das Spektrum über einen Plattenspieler sagt

Ein Motor, der mit einer perfekten Sinusspannung gespeist wird, sollte einen sinusförmigen Strom gleicher Frequenz aufnehmen. Ganz gelingt ihm das nie. Der Strom behält eine Spur von dem, was im Motor und in der angetriebenen Mechanik geschieht, und die FFT ist das Werkzeug, mit dem man sie lesen kann. Isostase nutzt sie unter einer Einschränkung: Am Plattenspieler sitzt kein Beschleunigungssensor. Alles, was Isostase weiß, stammt aus dem Strom.

Was der Strom verrät

Die Spannung für die Motoren ist eine rechnerisch erzeugte Sinuskurve mit Quarzreferenz: 50 Hz bei 33 U/min. Wäre der Motor perfekt, wäre auch sein Strom ein Sinus mit 50 Hz. In der Praxis kommen zwei Arten von Abweichungen hinzu.

Die ersten sind Oberwellen: Anteile bei 100 Hz und 150 Hz, Vielfachen von 50. Sie zeigen eine verformte Sinuskurve an, etwa durch magnetische Sättigung des Eisens oder eine Unsymmetrie zwischen den Wicklungen. Die zweiten sind Seitenbänder: kleine Linien beiderseits der 50 Hz. Eine mechanische Störung, die sich bei jeder Umdrehung des Läufers wiederholt, etwa Spiel in einem Lager oder eine Unwucht, moduliert den Strom und lässt diese Linien einige Hertz neben der Grundwelle erscheinen. In der Industrie nennt man das Motorstrom-Signaturanalyse.

Eine FFT, konkret

Eine FFT (schnelle Fourier-Transformation) nimmt ein zeitlich veränderliches Signal und zerlegt es in Frequenzen: wie viel bei 50 Hz, wie viel bei 100 Hz, wie viel anderswo. Isostase zeichnet 4096 Abtastwerte des Stroms mit 1000 pro Sekunde auf, also etwas mehr als vier Sekunden Signal. Das ergibt eine Auflösung von etwa 0,24 Hz: Zwei Linien im Abstand eines halben Hertz bleiben unterscheidbar. Die höchste lesbare Frequenz liegt bei 500 Hz, der halben Abtastrate, was reichlich Spielraum für die Grundwelle und ihre ersten Oberwellen lässt.

Das Signal wird zuerst mit einem Hann-Fenster gewichtet. Ohne dieses würde sich der 50-Hz-Peak auf die Nachbarn verteilen und genau den Bereich überdecken, in dem man die Seitenbänder sucht.

Was man daraus gewinnt

Drei Dinge.

• Die Grundwelle. Der Peak wird in der Nähe der tatsächlich befohlenen Frequenz gesucht, nicht der nominalen: Eine Tonhöhenverstellung durch den Benutzer verschiebt sie um einige Hertz.
• Der THD. Die Energie der 2. und 3. Oberwelle im Vergleich zur Grundwelle, in Prozent. Der Anfangsschwellwert liegt bei 12 % für 33 U/min. Er wurde a priori gewählt: Da die Platine noch nicht bestückt ist, floss keine echte Messung in seine Festlegung ein.
• Die Seitenbänder. Die Energie aller Linien zwischen 1 und 30 Hz beiderseits der Grundwelle, bezogen auf diese. Eine genaue Fehlerfrequenz wird nicht gesucht: Die Geometrie des Motorlagers ist intern und damit unbekannt, die theoretischen Fehlerfrequenzen lassen sich also nicht berechnen. Stattdessen misst man die allgemeine Energieverteilung, die ein verschleißendes Lager verursacht, unabhängig von seiner genauen Frequenz. Für diese Größe gibt es keinen absoluten Schwellwert.

Der Test läuft an jeder Wicklung jedes Motors, nacheinander. Gewertet wird das ungünstigere der beiden Ergebnisse: Ein Fehler, der nur an einer Wicklung auftritt, soll trotzdem gemeldet werden.

Immer bei 33 U/min, immer mit voller Amplitude

Ein FFT-Test ist nur im Vergleich mit den vorherigen etwas wert, also muss er unter denselben Bedingungen laufen. Während des Tests erzwingt Isostase 33 U/min, unabhängig von der vom Benutzer gewählten Drehzahl, die danach wieder eingestellt wird. Außerdem erzwingt es die maximale Amplitude, unabhängig von der Einstellung für leises Hören, und wartet nach dem Hochlauf fünf Sekunden eingeschwungenen Betrieb ab, bevor es aufzeichnet.

Vom Test zum Trend

Ein einzelnes Ergebnis sagt wenig. Entscheidend ist seine Entwicklung. Isostase behält die letzten 16 Tests jedes Motors, mit den Betriebsstunden des Motors statt dem Datum als Achse, und berechnet eine Steigung in THD-Punkten pro 100 Stunden. Eine Steigung erhält erst dann einen Status, wenn 100 Betriebsstunden abgedeckt sind: Drei dicht beieinander liegende Tests würden mit zwei Zehntelpunkten Messrauschen eine riesige Steigung und ein falsches »kritisch« ergeben.

Beim Lager ist die Logik relativ. Nach drei gültigen Tests legt Isostase eine für diesen Plattenspieler eigene Referenz fest, verfolgt dann einen geglätteten Mittelwert der Seitenbänder und meldet, wenn er das Doppelte der Referenz erreicht. Der Schwellwert hängt also nicht von einem absoluten Wert ab, den man noch nicht kalibrieren kann, sondern davon, wie sich dieser Motor am Anfang verhalten hat.

Was sie nicht sagt

Es ist ein Indikator für eine Veränderung, keine Diagnose. Eine wandernde Signatur kann vom Motorlager kommen, vom Riemen oder von etwas anderem: Sie sagt, dass sich etwas verändert hat, nicht, was die Ursache war. Analysiert wird zudem der Strom des Motors, nicht die Schwingung des Plattentellers. Schließlich sind die Startwerte vernünftig, aber nicht an echter Hardware kalibriert, und nichts davon garantiert, was das Ohr hören wird.

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