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Die Erfindung betrifft ein Diagnosesystem sowie ein Diagnoseverfahren für Ventile einer Ventilgruppe, insbesondere Rückschlagventile einer Verdrängerpumpe, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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In vielen Bereichen der Technik hängt der störungsfreie Betrieb eines Geräts oder einer Anlage von der einwandfreien Funktion eingesetzter Ventile ab. Zur Vermeidung kostenintensiver, irregulärer Betriebsunterbrechungen sollten Ventilschäden möglichst bereits im Anfangsstadium erkannt werden, das heißt bevor ein Ausfall eines Ventils einen Stillstand des Geräts oder der Anlage verursachen kann. Beispielsweise führen defekte Ventilsitze zu Leckströmungen, die eine breitbandige Schallemission erzeugen. Eine Aufnahme und Auswertung der Schallemission eines Ventils kann somit zur Früherkennung von Ventilschäden dienen. Da Ventilfehler zu Schäden und teuren Folgekosten führen können, ist eine Diagnose evtl. mit automatischer Erfassung und programmierbarer Bewertung der Fehler vom großen Nutzen. Statistische Auswertungen der Diagnosedaten können sowohl zur Optimierung der Wartungsprozesse für einen rechtzeitigen Ersatz eines schadhaften Ventils, als auch zur qualitativen Beurteilung und Klassifizierung der Ventilhersteller oder zur Beurteilung der Eignung bestimmter Ventile für verschiedene Prozessarten dienen.
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Aus der
DE 199 24 377 B4 ist ein Diagnosesystem für ein von einem Stellungsregler über einen Antrieb betätigbares Ventil bekannt, das eine Einrichtung zur Erfassung, Speicherung und Auswertung von an dem Ventil gemessenen Körperschallspektren aufweist. Um eine besonders zuverlässige Ventildiagnose zu ermöglichen, ist in der Einrichtung zur Erfassung, Speicherung und Auswertung ein bei geringfügig geöffnetem, intaktem Ventil erfasstes Körperschallspektrum abspeicherbar. Zur Diagnose wird ein bei geschlossenem Ventil erfasstes Körperschallspektrum mit dem abgespeicherten verglichen und die Ähnlichkeit als ein Kriterium für die Undichtigkeit des Ventils herangezogen. Das bekannte Diagnoseverfahren hat den Nachteil, dass es eine exakte Positionierbarkeit des Schließkörpers erfordert, damit ein Vergleichsspektrum bei geringfügig geöffnetem, intaktem Ventil zur Simulation einer Ventilleckage aufgenommen werden kann. Es ist daher bei einer Vielzahl von Ventilarten, beispielsweise bei Rückschlagventilen für Verdrängerpumpen, nicht anwendbar.
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Aus der
EP 0 637 713 A1 ist ein weiteres Diagnosesystem für Regel- und Absperrventile bekannt. Mit einem Körperschallaufnehmer wird der Schallpegel während des Ventilbetriebs gemessen. Dieser wird mit dem für den Gutzustand zuvor bei einem neuwertigen Ventil aufgenommenen und als Referenzwert abgespeicherten Schallpegel verglichen. Übersteigt die Abweichung zwischen aktuellem Zustand und Gutzustand einen vorgegebenen Grenzwert, so wird ein Alarm ausgelöst. Das bekannte Verfahren ist mit den folgenden Nachteilen verbunden: Der im Gutzustand gemessene Schallpegel wird überwiegend durch Anlagengeräusche verursacht, die beispielsweise über Rohrverbindungen eingekoppelt werden. Diese können sich nach der Kalibrierung verändern. Werden sie größer, so wird möglicherweise ein Fehlalarm ausgelöst. Werden die Anlagengeräusche im Laufe der Betriebsdauer kleiner, führt dies zu einer Verringerung der Messempfindlichkeit, da der Schwellwert zu hoch vorgegeben wurde. Zudem bedeutet die Messung des Schallpegels im Gutzustand einen zusätzlichen Aufwand bei der Inbetriebnahme. Bei stark schwankenden Betriebsbedingungen des untersuchten Ventils kann das Diagnoseverfahren nicht eingesetzt werden, weil die Anlagengeräusche stark von den Betriebsbedingungen abhängen. Insbesondere bei Rückschlagventilen von Verdrängerpumpen ist das Verfahren unter diesen Umständen nicht anwendbar, da Messungen ergeben haben, dass das Anlagengeräusch vom Arbeitsdruck abhängt und bei einer Veränderung von 5 auf 50 bar um 20 dB steigt. Aus der
WO 2004/102052 A1 ist bekannt, zur Verbesserung der Unempfindlichkeit gegenüber Veränderungen des Anlagengeräuschs im Wesentlichen zeitgleich einen ersten Wert einer Kenngröße eines im geschlossenen Zustand des Ventils aufgenommenen Schallsignals und einen zweiten Wert einer Kenngröße eines im geöffneten Zustand eines Ventils aufgenommenen Schallsignals zu ermitteln. Ein Signal zur Anzeige einer Störung wird ausgegeben, wenn die Abweichung des ersten Werts vom zweiten Wert einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Das bekannte Diagnoseverfahren setzt jedoch voraus, dass die Ventile der Pumpe akustisch weitgehend voneinander entkoppelt sind, zum Beispiel durch Flachdichtungen, die stark schalldämpfend wirken. Bei kleinen Pumpen und Pumpen, bei denen die Ventile nicht mit Flachdichtungen gegenüber dem Pumpenkopf abgedichtet sind, ist diese Voraussetzung jedoch meist nicht erfüllt. Wenn ein Ventil einer Ventilgruppe defekt ist, werden bei starker akustischer Kopplung weitere Aufnehmer für Körperschall starke Körperschallsignale detektieren, so dass fälschlicherweise auch für die weiteren Ventile ein Fehlersignal erzeugt wird. Das bekannte Diagnoseverfahren führt daher bei starker akustischer Kopplung zwischen den Ventilen zu einer ungenauen Diagnoseaussage.
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Aus der
US 5,650,943 A ist ein Verfahren zur Feststellung einer Ventilleckage bekannt, bei welchem drei Körperschallmessungen durchgeführt werden. Eine Messung erfolgt am Ventil und zwei Messungen erfolgen an der Leitung vor und nach dem Ventil zur Ermittlung der Anlagengeräusche. Aus diesen Messungen werden ein aktuelles Messsignal und ein Referenzsignal bestimmt. Nachteilig dabei ist, dass drei Aufnehmer für Körperschall benötigt werden.
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Aus der
DE 103 22 220 B3 ist ein weiteres Verfahren zur Überwachung und zur automatischen Störungsfrüherkennung von Ventilen einer oszillierenden Verdrängerpumpe bekannt. Dabei wird ein Vergleich eines Körperschallmesssignals mit einem vorher in einem Kalibrierschritt aufgenommenen Referenzsignal vorgenommen. Die Zuordnung des Schallsignals zu einem bestimmten Ventil erfolgt mit einem Triggersensor, der an einem Getriebe der Pumpe installiert ist. Dieser Sensor liefert die Information, welches der Ventile gerade geöffnet bzw. geschlossen ist. Nachteilig dabei ist, dass vor der Diagnose eine Kalibrierung durchgeführt werden muss und dass ein zusätzlicher Triggersensor am Getriebe erforderlich ist.
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Aus der
DE 199 47 129 A1 sind ein Diagnosesystem und -verfahren, insbesondere für ein von einem Stellungsregler über einen Antrieb betätigbares Ventil, bekannt, bei welchen zur Fehlererkennung ein Spektralbereich eines Körperschallsignals oberhalb von 50 kHz ausgewertet wird.
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Aus der
EP 1 184 570 A2 ist ein Diagnosesystem für den Verschleißzustand der Ventile eines Kolbenverdichters bekannt.
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Die
US 3,783,680 A beschreibt ein Überwachungssystem für rotierende Maschinen mit mehreren Körperschallaufnehmern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Diagnosesystem und ein Diagnoseverfahren zu schaffen, die es ermöglichen, verschiedene Ventile einer Ventilgruppe separat zu überwachen, ohne vor der Diagnose eine Kalibrierung vornehmen zu müssen und ohne einen Triggersensor zur Bestimmung, ob das Ventil im geöffneten oder geschlossenen Zustand ist, zu benötigen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Diagnosesystem der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. das neue Diagnoseverfahren die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben.
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Gemäß der Erfindung werden an jedem zu diagnostizierenden Ventil der Ventilgruppe Aufnehmer für Körperschall installiert und Körperschallmessungen werden zeitgleich vorgenommen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei guter akustischer Kopplung zwischen den Ventilen mehrere Aufnehmer ein erhöhtes Körperschallsignal detektieren, wenn an einem der Ventile ein Leckagegeräusch entsteht. Dabei wird der an dem defekten Ventil installierte Aufnehmer das größte Körperschallsignal erfassen, da das Signal auf dem Weg von der Schallquelle zu den anderen, weiter entfernten Aufnehmern eine leichte Abschwächung erfährt. Da auf die Durchführung einer Kalibrierung verzichtet wird, ist die Höhe der Abschwächung unbekannt. Sie hängt von der jeweiligen Konstruktion der Ventilgruppe ab. Bei dem Diagnoseverfahren ist in vorteilhafter Weise eine Vorabkenntnis der Abschwächung nicht erforderlich. Im Sonderfall einer Anwendung des Diagnosesystems bei Rückschlagventilen in oszillierenden Verdrängerpumpen werden die Ventile periodisch geöffnet und geschlossen. Da die beiden Rückschlagventile zu bestimmten Zeiten genau gegensätzliche Zustände annehmen, kann bei nur einem defekten Ventil zu einem Zeitpunkt das Leckagegeräusch aufgenommen werden und zu einem anderen Zeitpunkt das Anlagengeräusch. Die Zuordnung der Geräusche zum jeweiligen Ventilzustand kann in einfacher Weise durch eine geeignete Signalverarbeitung erfolgen. Damit ist es möglich, das Verfahren in vorteilhafter Weise gegenüber schleichenden Veränderungen der Betriebsbedingungen weitgehend unempfindlich auszugestalten.
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In entsprechender Weise können das neue Diagnosesystem und das neue Diagnoseverfahren bei Ventilen in Kolbenverdichtern oder in Verbrennungsmotoren mit Ventilsteuerung angewendet werden.
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Besonders vorteilhaft sind das neue Diagnosesystem und das neue Diagnoseverfahren bei Ventilgruppen anwendbar, bei welchen die Aufnehmer für Körperschall jeweils nahe am zu überwachenden Ventil installiert sind, an intakten Ventilen aufgenommene Körperschallsignale unterhalb der Empfindlichkeit des Messsystems liegen, bei einer Leckage aufgenommene Körperschallsignale des Aufnehmers an dem defekten Ventil die Empfindlichkeit des Messsystems deutlich übersteigen und/oder ein Übersprechen durch akustische Kopplung zwischen den Ventilen dazu führt, dass, wenn ein benachbartes Ventil defekt ist, auch ein an einem intakten Ventil aufgenommenes Schallsignal die Empfindlichkeit des Messsystems übersteigt. Insbesondere bei der letztgenannten Gegebenheit können in vorteilhafter Weise Fehldiagnosen mit dem neuen Diagnosesystem und dem neuen Diagnoseverfahren verhindert werden.
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Dadurch, dass an jedem zu diagnostizierenden Ventil ein Aufnehmer für Körperschall installiert wird, kann ein Triggersensor zur Feststellung, ob ein Ventil gerade geschlossen oder geöffnet ist, entfallen. In vorteilhafter Weise können bereits gute Diagnoseergebnisse erzielt werden, wenn als Kenngröße ein gleitender Mittelwert aus Spitzenwerten des Körperschallsignals ermittelt wird, zu dessen Berechnung keine komplexen Rechenschritte erforderlich sind.
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Wenn zur Bestimmung eines Anlagengeräuschs die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Wert ermittelt und der kleinere der beiden Werte als Kenngröße des Anlagengeräuschs abgespeichert wird, sobald die Differenz einen zweiten vorbestimmten Referenzwert übersteigt, kann in vorteilhafter Weise das Anlagengeräusch ermittelt werden, ohne dass zuvor ein Kalibrierschritt durchgeführt werden muss. Solange die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Wert der Kenngröße gering ist, empfangen nämlich beide Aufnehmer ausschließlich das Anlagengeräusch, da dieses von überall her zu den Aufnehmern gelangt und nicht lediglich entlang einer bestimmten Strecke, beispielsweise entlang der akustischen Kopplung zwischen den beiden Aufnehmern.
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Um die Unempfindlichkeit des neuen Diagnosesystems und des neuen Diagnoseverfahrens gegenüber veränderlichen Anlagengeräuschen weiter zu erhöhen, kann der abgespeicherte Wert des Anlagengeräuschs als Offset zur Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten verwendet werden. Dies kann beispielsweise durch Reduktion des aufgenommenen Schallsignals vor dem Referenzwertvergleich oder durch entsprechendes Erhöhen des ersten vorbestimmten Referenzwerts erfolgen. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Diagnosesystems an veränderliche Anlagengeräusche angepasst.
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Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Verdrängerpumpe mit einem Diagnosesystem und
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2 einen beispielhaften Verlauf aufgenommener Körperschallsignale.
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In 1 ist eine Verdrängerpumpe mit ihrem prinzipiellen Aufbau dargestellt. Das Funktionsprinzip der Verdrängerpumpe wird zunächst erläutert. Ein Kolben 1 wird durch eine Kurbelwelle 2 mit einem Pleuel 3 in einem Zylinder 4 abwechselnd nach links und rechts bewegt. Dadurch entsteht ein variables Volumen 5 im Zylinder 4. In einem Einlass 6 und in einem Auslass 7 zu diesem Volumen 5 sind jeweils Rückschlagventile 8 bzw. 9 angeordnet. Diese Rückschlagventile werden häufig auch als Einlass- bzw. Auslassventile bezeichnet. Verkleinert sich das Volumen 5 wie in der in 1 dargestellten Phase, so öffnet das Rückschlagventil 9 und ein zu förderndes Medium strömt zum Auslass 7 hinaus. Gleichzeitig ist das Ventil 8 geschlossen. Bei einer Vergrößerung des Volumens 5 öffnet dagegen das Ventil 8, so dass das Medium in den Innenraum des Zylinders 4 einströmen kann. Das Ventil 9 verschließt den Auslass 7 und verhindert damit einen Rückfluss des bereits geförderten Mediums. In beiden Förderphasen ist somit ein Ventil geschlossen und das jeweils andere Ventil geöffnet. Der Wechsel zwischen diesen Zuständen erfolgt zyklisch mit weitgehend konstanter Periodendauer.
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Weiterhin zeigt 1 ein Diagnosesystem mit zwei Aufnehmern 20 und 21 für Körperschall, die am Ventil 8 bzw. 9 angeordnet sind. In einer Auswerteeinrichtung 22 werden die mit den Aufnehmern 20 und 21 erfassten Körperschallsignale zunächst einer Bandpassfilterung mit einem Filter 23 bzw. 24 unterzogen. Dadurch werden insbesondere die Schlaggeräusche eliminiert, die beim Aufprall der Schließkörper auf den Dichtungssitz entstehen. In dieser Filterung können zusätzlich ausgeprägte Resonanzfrequenzen der Anlage, in welcher sich die Ventile befinden, ausgeblendet werden. In nachgeschalteten Einrichtungen 25 bzw. 26 zur Pegelermittlung wird aus den gefilterten Körperschallsignalen jeweils ein gleitender Mittelwert aus Spitzenwerten der Körperschallsignale berechnet. Die so berechneten Pegel der mit den beiden Körperschallaufnehmern 20 und 21 aufgenommenen Signale werden einer Auswahleinheit 27 zugeführt, in welcher bestimmt wird, welcher der beiden Pegel der größere ist. Dieser wird um ein Anlagengeräusch, falls vorhanden, korrigiert und in einem nachgeschalteten Komparator 29 mit einem vorgebbaren Schwellwert 30 verglichen. Übersteigt der größere der beiden Pegelwerte den vorgebbaren Schwellwert 30, so erzeugt der Komparator 29 ein Alarmsignal 31, das an eine in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellte Leitstation weitergereicht wird, so dass geeignete Maßnahmen zur Behebung der Störung eingeleitet werden können.
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Die anhand 1 mit Funktionsblöcken dargestellte Auswerteeinrichtung 22 wird in der Praxis durch eine Mikroprozessorschaltung mit einem geeigneten Auswerteprogramm realisiert. Selbstverständlich ist auch eine Realisierung mit analogen Bausteinen prinzipiell möglich.
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2 zeigt einen Pegelverlauf 40 eines mit dem Körperschallaufnehmer 20 (1) aufgenommenen Körperschallsignals sowie einen Pegelverlauf 41 eines mit dem Körperschallaufnehmer 21 (1) erhaltenen Signals. Auf der Abszisse ist die Zeit in s (Sekunden), auf der Ordinate der Pegel in dB (Dezibel) aufgetragen. In den Zeiten, in welchen der Pegel auf 0 dB abfällt, befinden sich die Körperschallsignale unterhalb der Empfindlichkeit des Messsystems. Dabei herrscht praktisch keine Leckageströmung und beide Signalverläufe entsprechen dem Anlagengeräusch, das die Empfindlichkeit nicht übersteigt. Diese Zeiträume entsprechen der Förderphase, in welcher das Ventil 8 geöffnet und das Ventil 9 (1) geschlossen ist. Zu den anderen Zeiten wird, wie in 2 dargestellt, sowohl mit dem Aufnehmer 20 als auch mit dem Aufnehmer 21 ein starkes Schallsignal detektiert, wobei der Pegel beider Signale entsprechend den Verläufen 40 und 41 einen ersten vorbestimmten Referenzwert 42, der bei 20 dB liegt, übersteigt. Ursache dafür ist ein Leckagegeräusch, das in der Förderphase bei geschlossenem Ventil 8 und geöffnetem Ventil 9 auftritt, da das Ventil 8 einen Defekt aufweist. Da zwischen den beiden Ventilen 8 und 9 eine starke akustische Kopplung herrscht, wird das Leckagegeräusch durch beide Körperschallaufnehmern 20 und 21 aufgenommen. Der am defekten Ventil 8 installierte Aufnehmer 20 detektiert dabei entsprechend dem Verlauf 40 ein Signal mit einem größeren Pegel, da das Leckagegeräusch auf dem Weg von der Entstehungsursache beim Ventil 8 zu dem anderen, weiter entfernten Aufnehmer 21 aufgrund der akustischen Dämpfung auf dem Übertragungsweg abgeschwächt wird. Da die Auswahleinheit 27 feststellt, dass die Pegelwerte des Verlaufs 40 größer sind als die Pegelwerte des Verlaufs 41, werden die größeren Pegelwerte des Verlaufs 40 mit einem vorbestimmten Referenzwert 42 verglichen und es wird, da sie darüber liegen, ein Signal zur Anzeige einer Störung des Ventils 8 erzeugt. Für das Ventil 9 wird dagegen keine Störung angezeigt, obwohl der zugehörige Verlauf 41 des am Ventil 9 aufgenommenen Körperschallsignals ebenfalls den Referenzwert 42 übersteigt. Daran wird deutlich, dass die Auswerteeinrichtung 22 eine zuverlässige Diagnoseaussage ermöglicht.
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Die einzelnen Schritte der Signalverarbeitung können damit folgendermaßen formuliert werden:
- 1) Berechnen von Pegeln L1 und L2 der mit den Aufnehmern 20 bzw. 21 aufgenommenen Körperschallsignale sowie der Differenz LD = L1 – L2. LD entspricht im Wesentlichen der Schalldämpfung entlang der Strecke zwischen den beiden Aufnehmern 20 und 21.
- 2) Identifizieren des Übersprechens von einem auf den anderen Kanal anhand der Differenz LD. Ist LD positiv, findet ein Übersprechen vom Aufnehmer 20 auf den Aufnehmer 21 statt, bei negativer Differenz LD ein Übersprechen von Aufnehmer 21 auf Aufnehmer 20.
- 3) Wenn die Differenz LD positiv ist, bleibt der Pegel L2 unberücksichtigt. Wenn dagegen LD negativ ist, wird für den Pegel L1 kein Vergleich mit dem vorbestimmten Referenzwert durchgeführt.
- 4) Vergleich von L1 oder L2 je nach Ergebnis des dritten Schrittes mit dem vorbestimmten Referenzwert und Erzeugen eines Signals zur Anzeige einer Störung des jeweils zugehörigen Ventils bei dessen Überschreiten.
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Herrscht an den Ventilen ein Anlagengeräusch, das bereits die Empfindlichkeit des Messsystems übersteigt, kann dies ebenfalls bei der Signalverarbeitung berücksichtigt werden. Das Maß für die Leckage ist dann nicht die absolute Höhe der Pegelverläufe, sondern die Differenz der Pegelverläufe zum Anlagengeräusch. Das Anlagengeräusch kann in einfacher Weise bei intakten Ventilen der Ventilgruppe ermittelt und abgespeichert werden. Solange die Differenz zwischen den an verschiedenen Ventilen aufgenommenen Pegelverläufen einen zweiten vorbestimmten Referenzwert nicht übersteigt, ist davon auszugehen, dass alle Ventile der Ventilgruppe intakt sind. Der zweite Referenzwert wird vorzugsweise kleiner als der erste Referenzwert, im beschriebenen Beispiel auf 10 dB gesetzt. Wird durch die Differenz zwischen den Pegelverläufen dieser Wert überschritten, so wird der jeweils kleinere Wert als Kenngröße des Anlagengeräuschs abgespeichert. Damit liegt eine Kenngröße des Anlagengeräuschs vor und es kann eine Anpassung des Diagnoseverfahrens an die jeweiligen Gegebenheiten vorgenommen werden.