JP2000505196A - リサンプリングおよび機械信号処理のための動的な非定形クロック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 機械（２００）からの準周期的信号を処理して改良された診断結果を提供する方法および装置（１００）。速度クロック（３６）と呼ばれる動的な非均一の信号によって信号の処理を制御する。この処理によって、信号成分をマスクして現行技術の診断値を制限することがあるリーク、人工的加工及び低い周波数分解能が防止される。エンコーダ信号によって直接制御される現行のサンプリング方法によって破壊される貴重な位相情報も、保持される。また、本発明では、信号を変えることなく、大きいマスキング信号成分を除去することができる。人工的加工を防止し、位相情報を保持し、かつ望ましくない信号成分を除去することによって、本発明は、稼働中の機械の健康状態や性能を決定する現行の信号処理技術に対して劇的な改良をもたらす。

Description

【発明の詳細な説明】 リサンプリングおよび機械信号処理のための動的な非定形クロック 発明の背景 １．発明の技術分野 本発明は、機械の作動状態および性能を監視するためのデジタル信号処理手段 および装置に関する。 ２．関連技術 振動監視は、機械の作動状態を決定するために広く活用され、保守計画の決定 のための情報を提供する。１９６０年代に、定期的に信号処理するための高速フ ーリエ変換（ＦＦＴ）の出現以来、機械振動は、分光解析への依存が増大してき ている。例えば、ヘリコプター駆動系のような、多くの複雑なシステムは、高エ ネルギー振動信号を複合的に発生する。このような例では、フーリエに基づく解 析は、複数のセンサーが重要な監視部分の近くに近接して置かれるときでさえ、 限られた成功だけが得られるにすぎない。振動解析の複雑さおよび複雑な機械に センサーを置くことの難しさが本発明を導くに至った。 本発明の譲受人に譲渡された米国特許４，９３１，９４９号は、測定回転ギア を監視するための振動信号の処理する時間領域を教えている。特に、加速度計の 信号のサンプリング値をコントロールする高解像度（分解能）クロックは、セン サーを通過する回転ギアの複数の歯の回数（時間）間の間隔を直線的に補間する ように形成されている。本発明は、この方法の改良であるが、というのは、解析 に偽の高周波信号成分が表れることなく、信号の価値ある変調を保存することに なるからである。 米国特許４，４８８，２４０号は、米国特許４，９３１，９４９号の 方法と同様のタコメータの信号の直線的な補間を教えている。この方法は、航空 機のエンジンからの信号の加速度計によるサンプリング値を制御し、エンジンの 回転周波数にアンバランスあることを検出するためにある速度範囲を越える振動 の同期平均値の算出を可能にしている。この方法は、信号のＦＭ側波帯内の解析 的な価値ある位相情報を除去したり、その好適な実施の形態に人工的な偽信号を 許容するという望ましくない効果を有する。 本発明は、「速度クロック」として知られている動的で非定形な信号を活用す ることによって、上記の欠点を解消する。この速度クロックは、重要な周波数で 偽信号問題を防止する一方、信号の望ましいＦＭ変調を保存する。 前記サッチ（Ｓｕｃｃｉ）の参考例は、ヘリコプターのギアボックスの振動を 解析するための周波数領域技術を教えている。サッチ（Ｓｕｃｃｉ）、ジョージ Ｐ．は、機械失敗防止技術協会（振動学会（１９９５））の第４９回会合の議事 録において、補間フィルタを使用する多数のギアシャフトの同期平均算出をおこ なった。この方法は、ＦＭ変調を破壊したり、さらにエンコーダ信号のサンプル をとるために高価で専門的な高速度ハードウェアによらざるをえないという欠点 を有している。シャフトに付けられたエンコーダは、１回転当たり１回検出され る単一のエレメントを有している。サンプリングレートには関係ないが、前記方 法は、シャフトの回転率の半分より大きい回転速度変調に伴なう人工的な偽信号 の傾向がある。本発明は、人工的な偽信号を避け、ＦＭ変調を保存する優れた解 決を明らかに提供する一方、一般的で、安価なサンプリング用ハードウェアを使 用している。 本発明（料金納付済み）と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願番号０８／０ ４５６０４号は、転動体ベアリング内の欠陥を診断するための 干渉性振動スペクトルを作り出す周波数領域方法を教えている。この方法は、加 速度計信号の最初のサンプリングをコントロールするために、複数の未処理のエ ンコーダ信号を使用するが、１つの前記エンコーダ信号は、処理されていない。 干渉性振動スペクトルでは、このスペクトル領域内でさらに処理することによっ てベアリングの複数の要素間が確立される。本発明は、技術的に処理された時間 領域が強化されたエンコーダ信号をつくる点で異なっている。この強化信号は、 処理結果の加工を防ぐ方法としてあらゆる機械信号のリサンプリングにも使用さ れる。 本発明（料金納付済み）と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願番号０８／２ ９０３７５号は、タービンロータでのねじれ共振を検出するためのタコメータ信 号を処理する速度クロックを使用することを教えている。このねじれの共振によ り周波数が変化することは、シャフト、ディスクおよびブレードを堅く合体した ロータからなるものの機械的な変化を検出するため使用される。この方法は、エ ンコーダ信号のみでなく、振動あるいは他の信号も処理するが、例えば、ギアや ベアリングのような非ロータ部分の変化は、検出しない。複雑なギヤボックス内 のように、種々の速度で回転している部分に対して誤った自由な処理を可能にす ることもない。本発明は、他のセンサー信号を処理する従来の作動とは明らかに 異なり、非回転の構成部分において複雑な機械で種々の速度で回転している非ロ ータ部分の変化を検出する。 発明の概要 概説すれば、本発明は、機械の作動状態および性能の監視を改良した機械信号 を処理する方法および装置から成る。本発明は、支配的なマスキング信号成分を 除去したり、解析に重要な信号成分と間違えられたあるいはマスキングすること ができる人工的加工を防ぐ。人工的加工は、 信号を得るかまたは処理する際に擬似信号成分を照会する。重大な位相情報を保 持するときの人工的加工を防ぐことにより、本発明は、発明者にとって公知の他 の技術で、動的な範囲でかつ得難い周波数分解能を有する結果を提供する。 リークとしては、スペクトルのエネルギが実際の信号に表れていない周波数で 見られるところでのＦＦＴ処理の数学的加工である。リークは、スペクトル内の ピークから離れたスカート状に傾斜した部分に現れ、今までは、解析に重要な位 相情報あるいはＦＭ信号成分を保持する全ての処理技術に動的な範囲を制限して いた。ＲＰＭスメア（ｓｍｅａｒ）は、全ての動作機械で経験される不安定な回 転速度の補正を失敗した処理に生じる周波数ピークの拡張である。 本発明は、好適な実施の形態では、タコメータまたはエンコーダからの準周期 的な繰り返し信号を処理する。この処理は、種々の機械信号の処理をコントロー ルするための「速度クロック」と呼ばれ、動的な非定形信号をもたらす。準周期 的繰り返しは、ここでは、１つの信号が１つ又はそれ以上の周波数成分を有して いることを照会しており、前記周波数成分は、１つのサイクルから次のサイクル まで意味を持って変化するものではないが、より長時間周期を越えると意味を持 つようになる。 速度クロックを形成する際に、本発明は、エンコーダ信号が、速度クロックか らなるリサンプリング時間と呼ばれている新しい連続した時間を作り出すゼロ振 幅（ゼロ交差時間）を有するときに、時間を処理する。ゼロ交差時間は、整数指 数位置（例えば１、２、３）で起こるという規約によって考慮される。しかし、 速度クロックは、ある信号成分の人工的自由な処理に基づくように、非整数指数 位置（例えば指数７分の２、指数３分の４）で、典型的なリサンプリング時間を 含むことになる。 速度クロック制御の下での処理は、信号を他に変えなくても解析に重 要性を持たない、例えば、シャフト回転率の高調波のような、支配的な信号成分 を選択的に除去する。速度クロックは、除去される支配的な信号成分に基づいて 形成される。速度クロックにより信号を処理することは、リークや、成分及びそ の高調波のＲＰＭスメア（ｓｍｅａｒ）を防ぐ。リークやスメア（ｓｍｅａｒ） が自由になることは、その時、前記成分は、予め覆い隠された解析に重要な意義 を持つ信号成分を表すために除去され得る。選択的信号成分を処理したり及び除 去する速度クロックは、複数成分の除去を多数回繰り返したり、固定的あるいは 可変の速度機械に対しても実行され得る。 本発明の信号処理の改良は、準周期的な機械信号の処理にスペクトル感度およ び分解能を劇的に増やし、例えば、分解、チッピング、点食、剥離、擦り、食み 出し、及び監視の区域を越え違っている複合的動作機械のギアおよびベアリング の唸りという非常に多種多様な問題の検出を順番に有意義に改善する。 上記の装置および方法は、以下図を参照してより明確に理解される。 図面の簡単な説明 図１は好適な実施の形態による回転機械からの信号を得て解析する本発明を示 している。 図２はエンコーダ信号とそのゼロ交差（ＺＣ）時間値を示している。 図３は本質的に一定の速度機械のためのエンコーダ信号スペクトル成分を示し ている。 図４は速度クロックを生成する処理ステップを示している。 図５ａは時間領域でのローパスフィルタの係数の相対的振幅を示している。 図５ｂは周波数領域でのローパスフィルタの特性を示している。 図６ａは均一に回転する機械からのエンコーダ信号をローパスフィルタリング することにより生じた修正された時間を示している。 図６ｂは不均一に回転する機械からのエンコーダ信号をローパスフィルタリン グすることにより生じた修正された時間を示している。 図７ａはクロックのステップを増やし、デシメイティングステップで取られた 、速度クロックのリサンプリング時間のセットを示している。 図７ｂは前記増やされた時間のセットの各４つの内の３つを除去し、３つ潰し のデシメイティングステップでリサンプリング時間の、さらに修正した一時的密 度を示している。 図８ａ−図８ｄはクロック増加からなる個々の数学的ステップを示している。 図９は補間によるリサンプリングのステップを示している。 図１０は２つの内部噛み合いするギアの、不規則に動いている歯を処理した結 果を示している。 好適な実施の形態の詳細な説明 この説明の過程中、類似番号が、本発明を示す各図における類似の要素に使用 されている。 本発明は、望ましくない信号成分を人工的加工したり、他のものに変えること なく除去することを防止する機械２００から準周期的信号を処理する方法および 装置１００である。リサンプリングする時間を有する速度クロックは、補間によ って信号のリサンプリングをコントロールするために使用され生成される。リサ ンプリングすることは、音響学、遠距離通信および関連した分野のような秩序あ る分野から巨大な周期的配列技術で次に処理する信号を劇的に改善する。次に処 理する信号の準備において、本発明は、最終的な解析結果に影響する感度および 分解能を 劇的に高めている。本発明は、時間従属関数として物理的な信号に通常加えられ るデジタル信号処理技術を活用して、いくらかのステップ内で従属変数として時 間を取り扱っている。 図１は、ギヤボックス２１０の入力シャフト２０８を駆動するモータ２０６に 供給する電源２０４を備えた回転機械２００を監視する本発明１００を示し、こ の回転機械２００は、入力ギア２１２および出力ギア２１４として知られている 少なくとも２つの噛合っているギアと、負荷２１８を駆動する出力軸２１６とを 有している。 信号は、例えば、ホール効果または他の電気センサー２２、シャフトエンコー ダセンサー２４、振動センサー２６および温度センサ２８のような適当な手段を 使用している機械２００から得られる。エンコーダセンサー２４は、回転に対し 複数のサイクルまたはパルス有する信号を提供する回転歯車２１４上のギア歯の 磁気を検出するもの又は他のセンサーであってもよい。振動センサー２６は、圧 力を加える普通のタイプのものあるいは適当なバンド幅および感度の音響センサ を含む。温度センサ２８は、非接触の検知の光学の手段もを含む。 図１に、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４として示されているセンサー信号は、耐偽信 号フィルタリングを受けて増幅され、そして、例えば、市販の信号調整ＰＣボー ドのようなアナログ信号調整手段３０で増幅される。条件つきの信号は、その時 市販の適当なアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ３２へ移される。Ａ／ Ｄコンバータ３２は、コンピュータクロック３４によって決定されたサンプリン グレートで条件つきの信号をサンプルリングする。 Ａ／Ｄコンバータ３２によるサンプリングは、各センサー信号を表しているデ ジタル信号を生成する。デジタル信号は、市販のデジタル信号処理装置（ＤＳＰ ）３６の基板へ移され、デジタル信号の一部を一時的 に記憶し、後述する速度クロックを発生し、前記一時的に記憶したデジタル信号 をリサンプリングし、このリサンプリングされた信号を処理して解析する。 速度クロックは、センサー信号の重要な、選択された準周期的な周波数成分の まわりに形成される。好適な実施の形態において、この周波数成分は、エンコー ダ信号（「エンコーダキャリヤ」）のキャリヤ周波数である。一度形成された速 度クロックは、機械２００からのデジタル信号の処理及びリサンプリングのコン トロールに使用される。このリサンプリングされたデジタル信号は、速度クロッ クされたデータと呼ばれる。 図２は、帯域通過フィルタリングに続くエンコーダ信号のアナログトレースを 示している。ここで、エンコーダ信号は、サイクル当たり２つのゼロ振幅を有し ている。ゼロ交差時間（ＺＣ）と呼ばれるこれらの時間は、エンコーダキャリヤ 周波数によって主に決定される。この結果、エンコーダ信号は、単純な正弦波と なって肉眼に現れる。しかし、その分光組成は、典型的にはむしろ複合的である 。 図３は、それぞれが５と７の歯を備えた人力ギア２１２と出力ギア２１４を有 する機械のエンコーダ信号のスペクトル（「エンコーダスペクトル」）を示して いる。かみ合っているギアは、入力シャフト２０８と出力軸２１６の回転を伝達 する。かみ合っているギアの歯比率は、入力シャフト２０８と出力軸２１６の相 対的回転比率を決定する。もし入力シャフト２０８の回転率が１０Ｈｚであれば 、出力軸２１６の回転率は５０／７Ｈｚである。エンコーダ信号のキャリヤー周 波数（「エンコーダキャリヤ」）は、５０Ｈｚであり、出力ギア２１４の歯にお ける比率がエンコーダセンサー２４を通過する。エンコーダキャリヤは、エンコ ーダキャリヤ周波数に関するカットオフ周波数ｆｃおよび−ｆｃでディジタル的 にフィルタリングされる。 図示のエンコーダスペクトル内の他の成分は、入力シャフト２０８と出力軸２ １６の回転速度の高調波でのＦＭおよびＡＭ効果である。これらの成分は、検出 された出力ギア２１４での欠陥、あるいは入力シャフト２０８と出力シャフト２ １６の回転当たり１度の効果によって主に生成される。６０Ｈｚでのスペクトル 成分は、電気ノイズと、入力シャフト２０８の１０Ｈｚ回転率の最初の高調波の 両者から成る。この場合の速度クロックは、５０Ｈｚ（「クロック周波数」）で エンコーダキャリヤのまわりに形成される。 図４は、速度クロックを形成するステップを概説している。ステップ１におい て、デジタルエンコーダ信号は、クロック周波数の周りに集中した通過帯域につ いてフィルタリングされた通過帯域である。典型的な通過帯域の幅は、クロック 周波数の大きさより小さい。標準的なデジタルフィルタリング方法によって達成 されるこのステップは、エンコーダキャリヤの１つの高調波と他の信号成分から の側波帯を孤立させる。 ステップ２において、帯域通過フィルタリング信号は、ゼロ交差時間を決定す るように補間される。サイクル周波数当たり２つのゼロ交差時間は、エンコーダ キャリヤ周波数に等しいナイキスト周波数を確立するが、これは、ゼロ交差時間 がサイクル当たり２つのサンプルを表すからである。この結果、ゼロ交差時間だ けを処理することによって形成される速度クロックは、より密集してサンプリン グされた信号のものと周波数成分において等しい。ゼロ交差時間だけを重点的に 処理することは、計算の需用率を減らす。 ステップ３において、ゼロ交差時間は、フィルタリンクされたゼロ交差時間の 間隔を決定する保持周波数成分を有している０．１と１０Ｈｚとの間の典型的な カットオフ周波数でローパスフィルタリングされる。フィルタリングされたゼロ 交差時間に基づいて時間でデジタル信号をリ サンプリングすることは、フィルタリングされたゼロ交差時間からより高い周波 数を排除して保持されるリサンプリングされた信号を生成する。したがって、こ のようなリサンプリングされた信号のスペクトルは、低周波成分のマスキング効 果なしに特徴的な信号成分および位相情報を保持する。 図５は、ゼロ交差時間をローパスフィルタリングするための有限インパルス応 答フィルタを示し、その時間領域を（５ａ）に、形成する周波数領域を（５ｂ） に示す。フィルタは、低波紋通過帯域、急勾配のロールオフ及び典型的な１００ ｄｂ以下のストップバンドを有する。このゼロ交差時間をローパスフィルタリン グする結果は修正された時間と呼ばれる。 図６ａ−図６ｂは、均一な（周期的な）回転（図６ａ）のための修正された時 間と、機械２００のゆっくりと変化する（準周期的な）回転（図６ｂ）のための 間隔を示している。均一な回転状態のエンコーダキャリヤは、周期的であり、修 正された時間は、ゼロ交差時間と同じで、均一な間隔となる。非均一な回転に対 し修正された時間は、不均一な間隔となる。 ステップ４で、修正された時間の密度が、リサンプリング時間からなる速度ク ロックを生むための「クロック増加とデシメイティング（１０分の１を取ること ）」と称されるプロセスによって調節されるが、このリサンプリング時間は、重 要な周波数のためのナイキスト判定法を満たし、かつ重要な周期当たり整数のリ サンプリング時間を提供し、最も一般的なエンコーダ回転周期である。このよう な速度クロックのコントロール下でのリサンプリングは、他の重大な側波帯情報 を破壊することなく、回転速度の高調波のまわりのリークを防ぐ。結果は、劇的 に増加する精度、感度および全ての次の解析ステップでの分解能を有する解析的 に重要な周波数成分の保持となる。 リサンプリングすることは、ステップ４でのクロック増加とデシメイティング の適当な大きさによってエンコーダの回転周期に固定的関係を有する、いかなる 機械周期にも同期され得る。エンコーダと等速の４分の３で回転している二次機 械成分に関する信号を処理することは、速度クロックが、エンコーダに基づく速 度クロックと同程度の間隔の４分の３のリサンプリング時間を作るように調整さ れる。結果は、二次成分の各回転のための整数のリサンプリング時間となり、リ ークや、回転速度の高調波のまわりのスメア（ｓｍｅａｒｉｎｇ）を防止する。 図７ａ−７ｂは、非定形な回転機械のための速度クロックをつくるクロック増 加とデシメイティングのステップを示している。図７ａでは、４つのファクタに よるクロック増加が、エンコーダ回転につき多くのリサンプリング時間として４ つの時間を生成している。図７ｂでは、リサンプリング時間の一時的密度が、前 記増加された時間のセットの各４つの内の３つを除去している、３つ潰しのデシ メイティングによってさらに修正されている。本例のクロック増加とデシメイテ ィングは、エンコーダ回転につき、もう３分の１のリサンプリング時間を有する 速度クロックを生成するように構成されている。この間隔を有する速度クロック を活用することによって、リサンプリングは、エンコーダ回転率を３／４時間で 、回転している機械成分の速度高調波を回転速度の周りに、人工的にリークする ことなく速度計時されたデータを生じる。異なる速度に速度クロックを調整する ことは、エンコーダ信号がより低速の回転成分として存在しないときでも、この ような信号を可能にする。この種の速度クロックは、例えば、ヘリコプタギアボ ックス内での深い位置の減速装置と関連するリークを除去するために使用される 得る。 図８ａ−８ｄは、累積するエラーを防いで速度クロックの精度を改善 するクロック増加のマルチステップ手段を示している。いかなるクロックも一定 の精度を有することができる一方、その系統的誤差は時間を通じて累積する。例 えば、８６，４００分の１遅いクロックは、一日当たり１秒、１年で６分以上遅 れる。図８ａから８ｄのステップは、速度クロックにおけるこのような累積的エ ラーを除去するように構成されている。動作は、横軸（Ｘにより示された軸）に 沿う指数若しくは位置と、縦軸（Ｙにより示された軸）に沿う修正された時間の 大きさで、グラフィカルな時間の関数を含む操作により数学的ステップで表され ている。 修正された時間関数は、まず、連続する値の間の時間で増加する直線的成分を 除去するように横軸（図８ａ）に回転され、その値の適切な部分だけを保持する 。次に、整数の等間隔に位置された新しいゼロ時間が、回転され修正された時間 （図８ｂ）の各対の間の指標位置に置かれる。回転され修正された時間と配置さ れた新しいゼロ時間のセットは、それから、各々の適切に変化した成分を作りか つフィルタリングされた時間のセット（図８ｃ）をつくることにより新しいゼロ 時間を調節するためにローパスフィルタリングされる。フィルタリングされた時 間のセットは、時間で直線的増加の適当な大きさを各値を加えることにより修正 された時間（図８ｄ）の最初のオリエンテーションのために反転される。これら の操作の結果、標準的技術によって導かれる累積的エラーのないより高い密度の 、本来の修正された時間と同じ周波数成分を有するフィルタリングされた時間の セットとなる。次に適切な程度のデシメイティングは、フィルタリングされたセ ットのエレメントを選択的に除去し、そのリサンプリング時間の望ましい間隔の 速度クロックを生成する。 修正された時間とフィルタリングされた時間のセットは、ローパスフィルタで 全ての周波数に対しナイキスト判定法を満足する。この結果、連続的数学的関数 が、あらゆる実用的な指標位置で本当の値をもつエン コーダ信号Ｓ２に対して存在することになる。したがって、速度計時されたデー タからなるリサンプリング時間は、全ての事例において定義される。 図９は、最初のデジタル信号の一時的に格納された値を補間することによって リサンプリングする、次のステップを示している。リサンプリングされた値は、 速度クロックからなるリサンプリング時間の各々で補間される。多項式または他 の形状のフィルタが選択的に使用されるが、例えば、先端を切ったシャノンフィ ルタのような、典型的な直線フィルタが使用される。フィルター係数は、デジタ ル信号をフィルタリングするときのエラーを最小にするように、好ましくは最小 二乗法による量推定技術によって決定される。典型的には、補間回路が各リサン プリング時間の前後の原デジタル信号から固定された数のサンプルに適用される 。 多くの手段によって達成されるリークフリーの同期信号成分を除去することが 、しばしば望まれている。１つの方法は、位相を遅らせた減算であるが、ここで は、データ記録は、それ自体が有する、同期した周期と等しい位相遅れから減じ られる。典型的に信号から大きい成分を除去することは、スペクトル感度の劇的 な増加をもたらし、重大な特徴的な値の他の検知されない成分を抽出する。 同期された成分を除去した後、速度計時されたデータは、適切に造られた速度 クロックを用いて、同期して付加信号成分を除去することによって、効果的に更 に処理され得る。例えば、ギアボックスからの振動データを処理するため速度ク ロックは、旋回速度および電力周波数信号成分のまわりに形成することができ、 デジタル振動信号にシーケンシャル的に適用され得る。処理している速度クロッ クのこれらのステップは、まず旋回速度高調波のマスク効果を除去し、そしてそ れから、線周波数成分のマスク効果を除去する。最終結果は、劇的に拡張された 抽出、感 度および重要な検出信号成分のための分解能を有するスペクトルである。 リークをマスキングしたり位相情報を破壊したりすることに苦しむないし損害 を受けるいずれの方法と比べても、速度クロック制御の下でのリサンプリングは 、重大な位相情報を破壊することなく、旋回速度高調波まわりのリークを防いで いる。リークを除去することと位相情報を保持することとが結合された効果は、 たとえばヘリコプター・ギアボックスなどからの複合振動を解析する点で優れて いる本発明を作り出す。 可変速度で操作されるように設計された装置への応用においては、エンコーダ ・キャリヤー周波数は、非常に変化することができ、重要な意義を持つアーティ ファクトないし人工的加工をつくることができる。この結果、可変速度のアプリ ケーションないし応用のための速度クロックすなわち「可変速度クロック」をつ くりだすために用いられる帯域フィルタが用いられる。可変速度クロックは、エ ンコーダ・キャリヤー周波数の変化の大きさを限定するよりもむしろ、トラック ないし追跡し、そして、選択的に減衰する。ここにおいて、トラッキング帯域フ ィルタは、追跡されているエンコーダ・キャリヤの比較的低周波数変調だけを含 むという点で、静止フィルタに似ている。このように、それは敏速な過渡現象を 受けつけないが、周波数内の任意に大きい範囲の上でエンコーダ・キャリヤを追 跡する。 可変速度クロックの下での処理は、複数のステップを処理している他の速度ク ロックとともに実践ないし実行することができる。例えば、電気線周波数に基づ くクロックは、リークのマスク効果を除去しシャフト旋回速度の高調波を不鮮明 にするため、可変速度クロックの制御下でのリサンプリングの前か後のいずれに おいても、可変速度モーターの電気効果によるスペクトル成分を除去することに 使用され得る。 振動の共振のようなスペクトルのピークの偽の広がりであるスメアー リング（ｓｍｅａｒｉｎｇ）ないし不鮮明にすることは、可変速度クロックのサ ンプリングレートを変えることに起因するものである。不鮮明になることは、エ ンコーダ・キャリヤー周波数の変化のための周波数補正に起因する重要な信号成 分内の明らかな周波数変動に反映する。リサンプリング周波数の変化に比例して 、不鮮明になることは、可変速度アプリケーションで最も顕著で、象徴的にその 除去を必要とする。 不鮮明になっている人工的加工の防止は、「盤クロック（ｗａｌｌｃｌｏｃｋ ）」と呼ばれる一定のクロックの制御の下で、付加したリサンプリングによって 達成される。盤クロックは、速度クロックに表現ないし具体化されるエンコーダ 回転率における変動から独立している。この結果、その制御下のリサンプリング は、速度クロックによって導かれる不鮮明になっている人工的加工（ｓｍｅａｒ ｉｎｇ ａｒｔｉｆａｃｔｓ）を除去することとなる。不鮮明になっている人工 的加工がいったん除去されると、定期的な信号のために開発された広範囲にわた る技術を用いて、更なる処理が可能となる。盤クロック・リサンプリングは、ま た同様に、一定の速度装置でも高解像度も備えるために用いられ得る。 複数の連結される回転体を有する複数の機械構成部分は、速度クロック処理を 取り入れているハンチングないし不規則に動いている歯の技術によって、有益に 解析されることができる。ハンチング歯処理は、連結された複数の構成部分が複 数の回転周期を有しているという事実に依存しており、それら複数の回転周期は それらの大きさがすべて異なる場合でさえもそれらの間で固定された関係を有し ている。不規則に動いている歯の周期すなわちハンチング歯周期は、連結された 複数の構成部分のためのアンサンブル周期である。この周期は、連結された全て の構成部分を少なくとも一回転させて初期の角度位置まで戻すのに要する時間で ある。ハンチング歯周期当りのリサンプリング時間の整数を有する速度 クロックの制御下でのリサンプリングは、連結された全ての構成部分の回転速度 の高調波のまわりの不鮮明やリークを防止する。さらに、ハンチング歯周期の整 数マルチプルである複数のデータレコードは、ハンチング歯周期に関して周期的 ないし定期的な信号成分を増大ないし改良する一方、周期的でない信号成分をキ ャンセルするために平均され得る。 図１０は、３９枚の歯を備えた入力ギア２１２および９枚の歯を備えた出力ギ ア２１４を有するギアボックス２１０の不規則に動いている歯周期当りの再取込 みの整数を有する複数のデータレコードのための平均されたスペクトルである。 不規則に動いている歯周期は、１１７枚の歯が噛み合う事象に要する時間である 。もし出力ギア２１４の回転周期が１秒である場合には、入力ギア２１２の回転 周期は３９／９秒であり、不規則に動いている歯周期は１３秒である。図は、各 ギアに関連する成分を明らかに示している。 不規則に動いている歯レコードを適切に再分割することによって形成される準 ないしサブレコードを平均算出することは、３９枚歯ギアまたは９枚歯ギアと関 連がある信号成分を孤立させないし分離する。不規則に動いている歯レコード長 の３９／１１７倍のサブレコードを平均算出することは、９枚歯ギアと関連があ る信号成分を孤立させないし分離する。９枚歯ギアのうちの８つ目の歯に関連が ある信号成分は、その歯について考えられる欠陥を示唆する異常パターンを有し ている。 速度クロック処理の種々のステップが完了すると、速度計時されたデータは、 いろいろな時間領域および周波数領域の方法で処理される。平均算出する場合に おいて、複数のデータレコードは、定数つまり再取込みの整数で形成される。処 理が高速フーリエ変換を含む場合には、データ・レコード長は、２Ｐ再取込みに さらに制約ないし制限される。ここで、ｐはまた整数である。 周波数領域変換に続いて、速度計時されたデータは、振幅変調（ＡＭ）ノイズ を含む望まれていない信号成分を除去するため、側波帯代数を受けることができ る。このため、デジタル信号は、キャリヤおよび関連した側波帯の２つの高調波 上を延伸しているバンド幅を有するバンドパス信号を形成するためにフィルター をかけられた帯域通過ないしバンドパスである。バンド通過された信号は、２つ のデジタル副信号を形成するために用いられ、それぞれの副信号は、１つのキャ リヤ高調波およびその側波帯から成っている。一方の副信号についての下側波帯 と上側波帯の複素共役とは、結合された下側波帯を形成するために加えられる。 そのプロセスは、結合された上側波帯を形成するために、他方の副信号について の上側波帯と下側波帯の複素共役とについて繰り返される。それから、結合され た上下の側波帯は、他に信号を改変することなく、振幅変調自由な信号を生じる ために増やされる。 サンプリング、リサンプリングまたは信号処理の速度クロック制御は、発明の 装置１００おいて実施されることができ、速度クロック信号の出力のあとに続く 外部装置５０において実施されることができ、あるいは外部装置５０から入力さ れた速度クロックを内部的に使用して実施されることができる。速度クロックの 外部アプリケーションは、ジェネレータの欠点を診断すること、可変速度モータ ーを制御すること、および、多重の駆動車軸を備える車両におけるギアボックス のような複合した連結装置からの振動を処理することを含むかもしれない。 概説すれば、本発明は数多くの効果を提供している。第１に、例えばシャフト 回転速度の高調波のような、重要な信号成分のまわりのスペクトルのリークを防 いでいる。異なる速度で回転する他の構成要素の高調波や他の信号にもまた適用 される。例えば、振動信号内の電気効果を除去することに適用される。第２に、 ＲＰＭ（回転数／分）が不鮮明にな ることを防止し、ミリメートル波分解能を提供する。第３に、速度を可変の機械 および一定速度の機械においてこれらの目標を達成する。第４に、信号における 診断上重要な位相情報を保持する一方、他の解析人工的加工を導入することなく 、その目標を達成する。 発明は好適な実施形態に関して記載されているが、この説明は限定することを 意図したものではない。全体として本発明の精神と範囲から逸脱することなく、 本発明の構造および要素になされ得る変更は、一般的な当業者によって認識され るであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも一つの準周期的な信号成分を持つ機械信号を捕らえて解析する 方法であって、 ａ）機械に少なくとも１つのセンサ−２２，２４，２６，２８を配置するステ ップと、 ｂ）前記少なくとも一つのセンサー２２，２４，２６，２８から最初の機械信 号データを得るステップと、 ｃ）前記最初の機械信号データを調整３０して、偽信号成分を除去し、調整さ れた信号データを生成するステップと、 ｄ）前記調整された信号データをデジタル化３２して、均一な標本データを生 成するステップと、 ｅ）前記均一なサンプリンクしたデータを処理３６して、周波数が前記準周期 的な信号成分と比例する非均一なサンプリングレートを持ち、該サンプリングレ ートの変化率がカットオフ値未満である修正された機械信号データを生成するス テップと、 ｆ）前記修正された機械信号データを解析して、前記機械の稼働状態および性 能を決定するステップと、 からなる方法。 ２． 前記処理３６するステップは、さらに、 ｇ）前記デジタル化された信号データから、時間と共に変化する準周期的な周 波数成分を持つ第２の信号を得るステップと、 ｈ）前記第２の信号から、周波数変動が前記カットオフ値未満である離散的な 時間点の配列を抽出するステップと、 ｉ）前記離散的な時間点の配列から、ナイキストサンプリング必要条 件を満たす速度クロック配列を発生するステップと、 ｊ）前記速度クロック配列により前記デジタル化された信号データをリサンプ リングして、前記修正された機械信号データを生成するステップと、 を有する請求の範囲１に記載の方法。 ３． 前記少なくとも１つのセンサー２２，２４，２６，２８は、少なくとも１ つのシャフトエンコーダ２４を含む請求の範囲２に記載の方法。 ４． 前記第２の信号は、１回転につき複数のパルスを生成する前記少なくとも １つのシャフトエンコーダ２４から得られる請求の範囲３に記載の方法。 ５． 前記抽出するステップは、さらに、 ｋ）前記第２の信号の振幅がゼロとなるときのゼロ交差点を決定するステップ と、 ｌ）前記ゼロ交差点をローパスフィルタリングして前記修正された離散的な時 間点を生成するステップと、 を有する請求の範囲４に記載の方法。 ６． 前記発生するステップは、さらに、 ｍ）複数のフィルタリングされた時間点を前記修正された離散的な時間点の中 に挿入して、フィルタリングされた時間点のセットを生成するステップと、 ｎ）前記フィルタリングされた時間点のセットのサブセットを選択的に除去し て、前記速度クロック配列を生成するステップと、 を有する請求の範囲５に記載の方法。 ７． 前記リサンプリングするステップは、さらに、 ｏ）前記デジタル化された信号データを補間して、前記速度クロック配列に対 応するリサンプリングデータを生成するステップ、 を有する請求の範囲６に記載の方法。 ８． 前記補間するステップは、有限シャノン補間器を利用する請求の範囲７に 記載の方法。 ９． 前記挿入ステップは、さらに、 ｐ）数学的な回転操作を行って、前記修正された離散的な時間点の平均値がゼ ロになるように前記修正された離散的な時間点から線形的な増加分を除去するス テップと、 ｑ）前記修正された離散的な時間点の各対の間の非整数指標位置に時間のゼロ 値を整数個入れて、ゼロ交差点の第２の集合と前記修正された離散的な時間点と を生成するステップと、 ｒ）前記ゼロ交差点の第２のセットをローパスフィルター処理して、前記フィ ルター処理された時間点のセットを生成するステップと、 ｓ）前記線形的な増加分に対応する時間の大きさを、前記フィルター処理され た時間点のセットの各要素に加えるステップと、 を有する請求の範囲８に記載の方法。 １０． 前記リサンプリングデータは、特定の周波数に対応する固定長のデータ レコードに形成される請求の範囲９に記載の方法。 １１． 前記特定の周波数を前記リサンプリングデータから除去して、修正され たリサンプリングデータを生成する請求の範囲１０に記載の方法。 １２． さらに、 ｔ）前記解析するステップの前に、さらに修正された機械信号データを生成す るための繰返しステップ（ｇ），（ｈ），（ｈ），（ｉ），（ｊ）、 を有する請求の範囲１１に記載の方法。 １３． 前記特定の周波数は、前記機械の特定のシャフトの回転周波数 の整数倍である請求の範囲１２に記載の方法。 １４． 前記リサンプリングデータは、特定の周期に対応する固定長のデータレ コードに形成される請求の範囲１３に記載の方法。 １５． 前記特定の周期は、前記機械のハンチング歯周期に対応する請求の範囲 １４に記載の方法。 １６． さらに、 ｕ）タービン羽根の遠心硬化などの周波数効果を補償するために非均一に間隔 があけられた時間間隔のクロック配列を用いて前記リサンプリングデータをリサ ンプリングするステップ、 を有する請求の範囲１５に記載の方法。 １７． さらに、 ｖ）連続するデータレコードを平均化して、同時的に平均化された結果を生成 するステップと、 ｗ）前記データレコードに対しフーリエ変換を行って、周波数領域結果を得る ステップと、 を有する請求の範囲１６に記載の方法。 １８． 前記抽出ステップは、さらに、 ｘ）位相固定ループが前記カットオフ周波数を持つローパスフィルターとして 機能し前記位相固定ループの前記ゼロ交差点が前記修正された離散的な時間点を 規定する位相固定ループ処理によって前記離散的な時間点の配列を得るステップ 、 を有する請求の範囲５に記載の方法。 １９． 前記速度クロック配列は、重要な機械構成部分の各回転に対応する整数 個の要素を持つ請求の範囲６に記載の方法。 ２０． 前記整数個は、２の整数乗に等しい請求の範囲１９に記載の方法。 ２１． 前記除去ステップは、さらに、 ｙ）前記特定の周期の整数倍に対応する前記修正されたリサンプリングデータ の時間遅延セットを生成するステップと、 ｚ）前記遅延された修正リサンプリングデータから前記修正されたリサンプリ ングデータを引くステップと、 を有する請求の範囲１４に記載の方法。 ２２． さらに、前記結果をオペレータに伝えるステップを有する請求の範囲２ １に記載の方法。 ２３． 機械２００からの信号を捕らえて解析する装置１００であって、機械２ ００に配置され、機械信号データを検出するセンサー２２，２４，２６，２８と 、 前記機械信号データ内の偽信号成分をフィルターで除去する調整手段３０と、 前記調整された信号データをデジタル化された信号データに変換するアナログ ／デジタル変換手段３２と、 前記デジタル化された信号データを処理して、周波数サンプリングレートが前 記最初の機械信号データの周波数に比例するとともに前記サンプリングレートの 変動がカットオフ周波数未満にとどまる修正された機械信号データを生成する処 理手段３６と、 前記修正された機械信号データを解析して、前記機械の稼働状態を決定する解 析手段３６と、 を有する前記装置。 ２４． さらに、 前記デジタル化された信号データから、時間と共に変化する準周期的な周波数 成分を持つ第２の信号を得る獲得手段と、 前記第２の信号から、周波数変動が前記カットオフ周波数未満である 離散的な時間点の配列を抽出する抽出手段と、 前記離散的な時間点の配列から、ナイキストサンプリング必要条件を満たす修 正された離散的な時間点からなる速度クロック配列を発生する発生手段と、 前記速度クロック配列を用いて前記デジタル化された信号データをリサンプリ ングして、前記修正された機械信号データを生成するリサンプリング手段と、 を有する請求の範囲２３に記載の装置。