JPS6044843A - 不釣合状態を測定する装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、振動監視システムに関し、特に回転機械にお
ける不釣合状態の測定およびこの不釣合状態を実質的に
排除する補償質量の大きさおよび設置の決定を行なうシ
ステムに関する。

近年において、大型の回転系内の振動を監視してこれを
分析するシステムが作られてきた。このような／ステム
は、初期の故障が予測できかつおそらくは阻止すること
ができるため、このようなシステムが望ましい。このこ
とは、もし回転系が故障の結果が重大となシ得る航空機
用機関である場合に特に重要となる。

振動の大きな原因は、回転バランスが失われることであ
る。この状態は、そのいずれも質量の欠落もしくは質量
の分布の変化を生じるおそれがある粒子その他の偶発的
原因による回転成分の小さな破損によって生じ得る。タ
ーボ・ファンを備えた航空機用のジェット機関は、例え
ば、仮に重大な破損の原因とならなくとも回転するファ
ンのブレードの破損を招いて質量の不釣合い状態を生じ
るおそれがある小さな石、砂利、氷または飛来する物体
と遭遇し得る。

質量の分布における変化は、監視が可能な回転数におけ
る変化をもたらす。多くのシステムにおいて、振動は加
速度計によって検出される。このような加速度計の信号
は速度の読取りを行なうため積分することができ、速度
信号はこれもｉだ変位信号を得るため積分することがで
きる。このようなシステムの場合には、回転の釣合い状
態を回復するため回転成分に対して付加されなければな
らない質量の計算を行なうことができる。しかし、この
ようなシステムは、質量を付加すべき場所に関する情報
を提供するものではない。

航空機用ターボ・ファン・ジェット機関の場合には、質
量を付加しなければならない場所が正確に知ることがで
きるならば、ターボ−ファンにおける釣合いの回復は比
較的簡単な作業であり得る。

回転成分における一義的な照合即ち指標位置を識別する
信号を生成するシステムがある。１つのブレードさしか
関連しない磁気要素、基準パルス・ゼネレータ、またけ
「短い」かあるいは「欠落」する歯車の歯を含む少なく
とも３つのこのようなシステムが今日公知である。

不釣合の要因を選択しかつこれを提供することができる
適当なフィルタ回路が考案されてきた。

必要とされるものは、ある不釣合状態が存在する場合に
、指標パルスに応答して適当な釣合い用質量の付加のだ
めの位置決め信号を生成することができる回路である。

このようなシステムは、回転サイクルにおいて最大値が
生じた時点を決定するだめ適当なカウンタをターゲット
することができる。従って、釣合いを回復するため必要
な質量の大きさおよびこの質量が設置されるべき場所を
決定することが可能となる。

本発明によれば、本願の譲受人に譲渡された係属中の１
９８２年２月１日出願のＫａｐａｄｉα　等の米国特許
出願第０６／８４４，５６１号において開示された如き
現存する振動監視システムを、航空機用ジェット機関の
釣合い回復のため必要な情報を提供するように適合させ
ることが可能である。

このシステムは非回帰型ディジタル・フィルタおよび適
当なサンプリング回路を含むものであった。

読みは速度に即して行なわれるものであった。ビかし、
同システムにおいては、ディジタル・フィルタからディ
ジタル速度信号が得られ、この信号は必要に応じて積分
されて変位量の信号を生じることができるものであった
。

本発明によれば、回転機械からの一義的な割出しパルス
を検出するため別の回路が設けられるが、回転機械はこ
のような信号を生じるように修正されなければならない
。他の回路が各サイクルにおける最大変位量を決定する
。以降のサイクルにおいては、回路は予め定めた最大値
の比率よりも大きな変位量を識別することができる。

これらの識別された変位量は、指標パルスによシ始動さ
れる高速のカウンタを停止することができる。従って、
カウンタは回転サイクルの一部を表わす。ちる期間にわ
たってとられる予め定めた数のサンプルは、最大変位量
の位置を許容公差内で識別する読みを得るためある期間
にわたって平均化される。これは、釣合いを得るため質
量が付加されねばならない地点から１８０′離れている
。

使用される電気回路、機械的減衰およびフィルタ手法の
故に、最大値の発生がその真の位置からの「移相のずれ
Ｊを含むおそれが、あル、適当な位相の補償を考慮しな
ければならない。同様に、ある変位量から適当な釣合い
用錘乞計算することが可能でおる。

本発明のシステムを用いれば、飛行中に機関の釣合いを
回復するため必要な質量を決定することが可能である。

もしターボ・ファンのみが釣合い状態にあるならば、シ
ステムは質量をどのグレードに対して組込むかを判定す
る。質量の組込み、従って釣合いは短いサービス停止中
に機関を分解することなく地上で行なうことができる。

このような周期的な釣合い調整は、小さな不釣合状態が
振動に寄与する大きな要因となること、および回転する
要素２よびベアリングおよび支持部に対するこれに伴な
う破損を防止しようとする傾向を有する。

本発明のシステムは、３つのモード即ち運転相を有する
。即ち、第１は機関の速度の決定、第２−は加速度計の
データのサンプリングおよび処理、第３は不釣合の場所
の決定である。第２および第３の位相の一部として、デ
ータが未だ有効であるかを確認するため各測定後に機関
の速度の検査が行なわれる。もし機関の回転数が測定中
変化した々らば、この過程は反復されねばならない。

Ｐａｐαｄｉａ等の振動監視システムが使用できない別
の実施態様においては、釣合い運転に特定化される比較
的簡単なシステムが考えられるが、このシステムはにα
ｐαｄｉａ等の特許に開示された多くの概念および構成
要素を使用するものである。このようなシステムにおい
ては、速度信号を得るため積分される適当に条件付けら
れた加速度計の信号を選択する適当なサンプリング回路
が考えられる。

速度信号は比較的高い速度でディジタル・フォーマット
に変換される。

同転速度は、サイクルの間隔が予め定めた数のサンプル
に再分割することができる１つのサイク唯 ルの持続期間を調時することにより監視される。

適当な時点でサンプリング・パルスを生成するようにプ
ログラムされたカウンタは、非回帰型ディジタル・フィ
ルタを制御する。このディジタル・フィルタの出力は速
度値として使用でき、あるいは変位量を表わすだめ積分
することができる。

構造および運転方法の双方に関する本発明の特徴と考え
られる斬新な特徴は、その他の目的および利点と共に、
本発明の望ましい実施態様が例示として示される図面に
関して以下の記述を考察すれば更によく理解されよう。

しかし、図面は図示および記述の目的のためであって、
本発明を限定する意図と見做されるものではないこ七を
明らかに理解すべきである。

最初に第１図においては、本発明による理想化された振
動分析システム１ｏがブロック図において示されている
。本システム１ｏは、回転計信号処理回路１２、マイク
ロプロセッサおよびその関連するオイレーティング・シ
ステム１４ヲ含ｔｒ。

別個の加速度計信号の処理システム１６がマイクロプロ
セッサ１４により制御され、狭い帯域のディジタル・フ
ィルタ１８に対してデータ信号を提供する。

第１図の構成要素は、更に詳細に第２図および第３図に
おいて示される。最初に第２図においては、各機関に取
付けられた既設の装置から複数の回転計信号を得ること
ができるものとする。図示の如く、各々が回転計の整形
回路２２に対して加えられる４っ１での回転計信号が使
用できる。複数の回転計信号が得られるものとすれば、
マルチプレクサ２４が回転計信号を受取るため接続され
、マイクロプロセッサ１４の制御下で回転計信号を振幅
弁別器２６に対して選択的に与える。この振幅弁別器２
６は、制御論理回路２８と組合せて、加えられる回転計
信号を処理する。基準位置の識別のため機関により用い
られるシステムに従って、振幅弁別器２６はファンの回
転毎に１回指標パルスを生じる。

もし別個の基準即ち指標信号ゼネレータが提供されるな
らば、この信号は指標信号として制御論理回路２８に対
して直接与えることができる。他のタイプの基準信号ゼ
ネレータの内、ある１つは回転毎に１つの強化信号を生
じ、・また他のものは回転毎に実質的に減衰した信号を
与える。振幅において他の類似の信号よシも実質的に大
きな信号の発生を信号するために、ピーク検出器および
コンパレータを使用することができる。その時の信号を
比較する簡単な論理回路は、さもな、ければ矩形状の信
号列内において「脱落した」パルスを識別することがで
きる。

あるいはまた、ロータの速度の「知識」を有するマイク
ロプロセッサ１４は、２つの隣接するブレード間の時間
的間隔を判定する。マイクロプロセッサ１４は、実時間
において連続的に論理変換を探索する。このマイクロプ
ロセッサが［失われだ」論理変換を検出する時、これは
基準ブレード位置を信号する。

３つの調時回路８０．３２．３４が設けられ、≠１タイ
マー３０、≠２タイマー３２が回転計の回転数を決定し
、かつ基準ブレードに対する不釣合位置を決定する二重
機能を有する。この回転計の回転数は、その線形モード
ではなくクリッピング要素として回転計整形回路を用い
てピーク検出器をバイパスすることによシ決定される。

制御論理装置２８は、入力回路がブレード毎に指標パル
スと一致し得ない１つのパルスを提供する時ファン・ロ
ータ上のブレード数によシ回転討入カパルスを除す予備
計数カウンタを含む。この予備計数装置の出力は、≠１
タイマー３０のゲートに対してタイミング信号を回転毎
に１つずつ与える。≠１タイマー３０のゲートは、この
タイマーが回路される限り与えられた高速クロック・パ
ルスを「カウント・ダウン」することを可能にする。１
回転の期間が、この時適当なサンプリング間隔を得るだ
め除すことができる数として得られ≠２タイマー３２は
、ロータのタイプに従ってプログラム可能なりロックの
予定数を決定する。

このプログラム可能なりロックは、４Ｐ１タイマー３０
により減算されるカウント数が加速度計信号がサンプル
されて処理すべき速度を表わすように選択される。

例゛えば、もしロータ速度が１００Ｈｚ即ち１０ミリ秒
／回転であれば、加速度計のサンプル間の時間は１０．
１０ミリ秒を１８サンプル／サイクルで除したもの、即
ち５５５．５μ秒となる。従って、もし２　ＭＨｚのク
ロックを使用すれば、カウンタに対するクロック・パル
スの持続期間はクロック・パルス１つ当り０．５μ秒と
なり、タイマーにおいて適正なサンプル期間を規定する
ため信号を生成するに要する最初のカウントは１，１１
１即ちその相当２進値と等しい。

もしファン・ブレード数に対応する６０のカウントが予
備計数装置にセットされると、丁度１回転毎に即ち１０
，０００μ秒毎に調時回路３０のゲート乞開路するため
に出力信号が回転毎に生じる。

もし調時回路３０に９μ秒の速度です２タイマー３２か
らのクロック信号が与えられるならば、１１１１パルス
がカウントされて所要の初期カウントを検出することに
なる。これを行なうためには、マイクロプロセッサが最
初にある定数、本例においては１８をタイマー３２に対
してロードする。入力の２　Ｍｌｌｚクロックは、この
時す２タイマー３２において１８によシ除されて９μ秒
の速度でパルスを生じる。

≠３タイマー３４は、ディジタル・フィルタ回路に対す
るサンプル速度を決定するだめ用いられる。調時回路３
４は調時回路３０から得た１、１１１のカウントがロー
ドされ、１００Ｈｚのロータ速度に対する適正なサンプ
リング速度を得る。タイマー３におけるロータ速度を決
定した後、≠３タイマー３４は適当な定数（１００Ｈ２
に対して１．１１１　）でロードされる。測定されたロ
ータ速度に対するサンプリング速度を得る。一旦定数が
実験的に決定されると、次の作動位相において、≠１タ
イマー３０とす２タイマー３２は次に基準ブレードに対
する不釣合の位置を決定するため用いられる。

上記の実施例は始動位相にある典型的な装置における作
動過程について説明するものであるが、特定の予め定め
た数が調時回路３０に置かれ、９μ秒クロック（２ＭＨ
ｚクロックの速度の／８である）は予め定めた数を減算
する。１回転の終シにおいてす１タイマーに残る数がマ
イクロプロセッサ１４に加えられ、このマイクロプロセ
ッサが適当な定数がサンプリング間隔の生成のためのも
のでなければならない。上記の１００　Ｈｚ　のモータ
速度の場合には、この定数は１１１１となる。もし≠３
タイマーがこの時基本的な２１Ｍｚクロックによシ駆動
されるならば、サンプリング出力が１００Ｈｚ　のロー
タ速度における回転運動毎に１８回与えられることにな
る。

位置決め位相においては、調時回路３０は完全サイクル
即ち３６０°を表わす数で予めロードされる。次に、マ
イクロプロセッサ１４における索引テーブルから＋２タ
イマー３２に１つの定数が置かれ、これが１°の解像力
に対する１回転当り３６０カウント、即ち２°の回転に
対する回転毎に１８０カウントを生じることになる。１
秒即ち１．２５ＭＨｚのクロックは、≠２タイマー３２
を駆動するためこの位相において使用される。

１００Ｈｚにおける２°毎に、経過時間は２゜毎に５５
．５５μ秒でなければならない。≠２タイマーからの前
記速度におけるパルスを生成するため、１つの定数がマ
イクロプロセッサ１４によりこのタイマーにおよばなけ
ればならない。索引テーブルは定数として６９．４４な
る数を提供し、これはもし１．２５　ＭＨｚのクロック
からのクロック・パルスによシ減算されるならば、２°
毎に１回出力パルスを生じることになる。この出力パル
スは、パルス毎に２°ずつ≠１タイマーの減算を行なう
。

予め定めた値のデータ信号が生じると、以下に説明する
ように、≠１タイマーにおけるカウントが停止し、相対
的な位置を表わす記憶された数がマイクロプロセッサに
置かれる。

あるいはまた、≠１タイマー３０は、以降の回転運動の
間に生じる最大値が累計、平均されて場所の平均値を得
るようにプログラムすることもできる。

ロータ速度は、不釣合の位置を判定するため必要な期間
中一定の状態を維持するものとしよう。

もしロータ速度が変化するならば、この情報は棄却され
、データ収集過程が反復される。望ましい実施態様にお
けるディジタル・フィルタ１４がロータの回転数を追跡
するために不釣合の場合が識別できる前で、新たなサン
プリング速度の決定以後の新たなサンプリング速度が得
られる。

第３図に示される如く、加速度計の信号処理回路１６の
提案された実施態様は、実時間の情報は通常要求されな
いため、４つまでの機関即ち回転機械の多重化を行々う
ことになる。もし連続的な場合には、「実時間」が要求
され、システムは２つの回転機械即ち機関に対して専用
化することができる。

ジェット機関の場合には、本システムは各機関における
ファン加速度計を用いて多重化される。

釣合いのだめ機関のベアリング部分に対す゛る接近は容
易でないため、ベアリング加速度計は通常は釣合いのた
め使用されないが、ファンの不釣合いカヘアリングに影
響を及ぼしベアリングの「ノイズ」がファンに影響を及
ぼすため、この情報は必要である。タービンの加速度計
は監視されないが、これはもし高い振動レベルを検出す
るならば通常大がかりな分解を必要とするためである。

本システムは、ファンの構成要素に対しては、不釣合状
態の振幅および不釣合状態の場所の判定を行なう。マル
チプレクサ４ｏにはいくつかの入力の内２つを選択的に
多重化することになり、これは各機関に対するチャネル
Ａ（即ち、ファンの加速度計）およびチャネルＢ（即ち
、ベアリング即ち第２のファン加速度計）の情報と考え
られる。

チャネルＡおよびチャネルＢのデータは、常に同じ機関
から得なければならない。入力は、信号の処理に従って
加速度、または速度、またけ変位量でよい。

２つの選択された入力、即ちチャネルＡおよびチャネル
Ｂを表わすマルチプレクサ４０の出力は適当なゲート回
路を経て、サンプリングによる比較的高い周波数の折返
し効率を避けるだめの２３０Ｈ２（ｓｄｂ点）の低域フ
ィルタでよい２つの減衰（ａｎｔｉａｌｉａｓｉｎｇ）
フィルタ４２．４４に対して送られる３゜ある特定のシ
ステムにおいては、問題となるロータ周波数は２００Ｈ
ｚ即ち１２，０００ＲＰＭ付近が中心となる。本実施例
においては、本システムは２３０Ｈ２即ち１８．８０　
ＯＲＰＭよシも高い周波数における不釣合状態の振幅お
よび場所を判定するため構成されてはいない。

更に高い周波数における不釣合の振幅および場所を決定
するためには、もし２つの機関が同時に監視されるなら
ば、減衰フィルタは４０　’ＯＨｚの高さのロータ周波
数を受入れるように変更することができる。通常ジェッ
ト機に見出される４００Ｈｚの航空機の電源周波数から
の妨害を避けるため、２３０Ｈｚ　、ＣＢ　ｄｂ点）の
４電極の減衰フィルタ４２．４４が本システムにおいて
構成された。

従って、丁度減衰フィルタの使用による如く、どんな電
源周波数のピンクアップも少なくとも２４ｄｂだけ減衰
されることになる。

減衰フィルタ４２．４４の出力は、２５　ＫＨｚの一定
の速度でアナログ／ディジタル・コンバータ４８におい
て高速でアナログからディジタルへ変換するだめ２つの
減衰フィルタ４２．４４の１つの出力を選択する第２の
マルチプレクサ４６に対して送られる。マルチプレクサ
４６の出方は、１つの減衰フィルタ４２からの４０μ抄
出方と他方の減衰フィルタ４４からの４０μ秒の出力の
間で交代する。

アナログ出力は、Ａ／Ｄコンバータ４８によりディジタ
ル形態に変換される。自由振動オンレータ５０からの２
μ秒の持続期間の始動パルスは、マルチプレクサ４６か
らの選択されたチャネルに対するアナログ／ディジタル
変換を開始する。この変換は２５μ秒以内に完了するこ
とができる。

ディジタル出力は、１対の記憶ラッチ５２．５４、また
はディジタル・フィルタ回路１８に対して与えられる。

望ましい実施態様においては、ディジタル・フィルタ回
路１８１′ｉ１対の記憶素子即ちラッチ５２．５４を含
んでいる。「始動Ｊ信号の正の立上シは、それぞれチャ
ネルＡおよびＢに対するラッチ５２．５４における特定
のチャネルのディジタル・データを安定化させるため使
用される。データが前記チャネル間で交番するため、記
憶ラッチ５２．５４が更新状態となる速度は１２．５　
ＫＨｚ即ち８０μ秒毎となる。

シーケンサ５６は、例えば前に述べたＫａｐａｄｉαＲ
ａ’／の特許出願に示されたように、追跡フィルタのサ
ンプリング速度を決定する。非常に低いロータ速度、例
えば２０　Ｈｚ　においては、サンプリング周波数は僅
かに８６０Ｈｚ　となり、これは４００Ｈｚの電力線周
波数に近いことが判る。２２．２Ｈｚのロータ速度にお
いては、４００１１ｚの電力周波数成分は同じ周波数に
おけるロータ信号と丁度同じように見え、識別すること
ができない。

減衰フィルタは、サンプリングの前に少なくとも２４　
ｄｂだけ電力周波数成分を減衰するために使用される。

もしロータの周波数が２５Ｈｚ　より大きくなると、４
００Ｈｚの成分は減衰フィルタにおいて２４　ｄｂだけ
減衰され、合計６０　ｄｂの場合には追跡フィルタにお
いて別に４５　ｄｂだけ減衰されることになる。

シーケンサ５６は、先入れ先出しランダム・アクセス・
メモリー（ＰＩＦｏ　ＲＡＭ）５８に大刀される周波数
を決定する。記憶ラッチ５２．５４が「リフレッシュ状
態」となる速度はロータの周波数に依存するが、シーケ
ンサ５８がＦＩＦＯＲＡＭ、５８におけるデータをリフ
レッシュする速度は直接ロータの周波数に依存する。記
憶ラッテ５２．５４はメモリーに対する全治バッファと
して作動して、シーケンサ５６が大刀チャネルからデー
タを「要求する」時データの変換時間を短縮する。

シーケアす５６がＦＩＦＯＲＡＭ５８を充填する速度は
、１回転当り１８サンプルだけ（望ましい実施態様にお
いて）ロータの回転速度を倍加することによ勺決定され
る。もし回転速度が５０Ｈｚならば、更新速度は９００
Ｈ２となる。同様に、もし回転速度が１００Ｈｚであれ
ば、更新速度は１８００Ｈｚ　となる。

１８サンプル／サイクルのサンプリング速度が、・　１
００　Ｈｚの回転速度において１０Ｈｚの帯域中を得る
ため選択された。サイクル当シのサンプル数を回転周波
数とは独立的に維持することにょシ、帯域中は周波数の
１０％となる。２０Ｈｚの回転速度においては、帯域中
は２Ｈｚとなる。

ＰＩＦＯＲＡＭ５Ｂは２つのブロックに分割される。１
つのブロックはチャネル「Ａ」のデータを追跡し、第２
のブロックはチャネル「勾のデータビ追跡を行なう。本
実施例においては、各ブロックは２５６個の８ピントの
記憶場所を保有する。

第２のマルチプレクサ４６は、Ａ／Ｄコンバータ４８を
介してチャネル「ＡＪまたはチャネル「司のいずれかを
選択し、ＦＩＦＯＲＡＭ５８のチャネル「ＡＪ′！たけ
チャネル「Ｂ」部分に対する前置バンファとして作用す
る記憶ラッチ５２．５４のいずれかにデータを記憶する
。

システムが入力チャネルに対する機関の情報を多重化す
る時、ＦＩＦＯ５８は単に選択された機関のデータのみ
により充填され前の機関の読取シデータから全ての残シ
のデータを排除することが必要である。選択されたフィ
ルタ１８は、フィードバックを行なわない非回帰型ディ
ジタル・フィルタである。全ての中間のデータ点または
ＦＩＦＯメモリー・セルが新しいデータにより「リフレ
ッシュゴされる時、存在するどんな過渡的状態も「消滅
する」。

前の機関のデータの「過渡的」効果を排除するため、「
新たな」機関が選択された直後は機関データは処理され
ない。望ましい実施態様において必要とされる第１の事
は、選択された機関に対してその定格速度においてチャ
ネルＡのデータの２５６個の８ビツト・ワードを収集す
ることである。シーケンサ５６内の２５６カウントのハ
ードウェア・カウンタは、監視されるべき機関の選択の
直後に初期化される。このカウンタは、２５６個のデー
タ・サンプルがＦＩＦＯＲＡＭ５８に記憶されるまでカ
ウントし、この時カウンタはマイクロプロセッサ１４に
対して前の機関の読みからの「過渡的状態」が終ったこ
とを信号する。メモリーをリフレッシュする上記の過程
は、新たな機関の選択後２５６個のメモリーの間隔の遅
れを付加する。生じる遅れは１４．２２サイクルと対応
するが、これがロータの周波数に応じて変更できる時間
的遅延を生じる。４０Ｈ２のロータ周波数においては、
遅れは３５５．５　ミリ秒となるが、６５Ｈ２において
は遅れは２１８．８ミｌＪ秒となる。更に高い機関速度
の場合は、この遅れは比較的短く々る。

ハードウェア・カウンタがＦＩＦＯＲＡＭ５８が「新し
い」機関データしか保有しないことを信号した後、実際
のデータ処理が開始する。２５６個のワード即ちデータ
のバイトに対して個々の繰シ込みアルゴリズムが行なわ
れる。フィルタの望ましい実施態様は、本文において第
４図および第５図に再生された係属中のＫａｐａｄｉα
等の米国特許出願の第５図および第６図に示されている
。

次に第５図においては、典型的な非回帰型ディジタル・
フィルタ７４の構造が簡単な概略形態において示されて
いる。図示の如く、フィルタ７４は複数の遅延素子７６
を含み、この素子の各々は入力信号情報のディジタル形
態で示された１つのサンプルを記憶することができる。

図示の如く、フィルタはＭ個の遅延素子７６を含む（但
し、Ｍは有効なフィルタ作用を生じるに充分な大きさの
数）。各遅延ブロックにおけるサンプルは、乗算素子７
８において異なる加重機能によって乗算される。

ディジタル・フィルタ作用の理論は、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ
−、ｆｌａ　ｌ　ｌ刊、ＲｏＷ、Ｈａｍｍｉｎｇ著の文
献「ディジタ）ｌ／−フィルタＪ　（１９７７年版権）
において示されている。更に、Ｂｅ１ｌ　Ｔｅ１ｅｐｈ
ｏｎｅ　ＬｅｂｏｒａｔｏｒｉｅｓおよびＴｈｅ　Ｌｉ
ｎｃｏｌｎ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ
Ｍａｓａａｃｈｕｓｅｔｔｓ　Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅｏｆ
　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙのＲａｂｉｎｅｒおよびＧｏ、
ｌ　ｄ著の文献「ディジタル信号処理の理論と応用Ｊ　
（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌ１社刊、１９７５版権）か
ら更なる見識を知ることができる。

各乗算素子７８の出力は、加算レジスタ８０において累
計される。各サンプ１ｊング後に出カフ５；得られる。

作用においては、ディジタル・フィルりにおＧ）で２つ
以上の利得を生じる係数が選択される。フ本実施例にお
いては、フィルりは２５６段を含む。

従って、加算レジスタ８０の出力は、２５６個のサンプ
ルが「遅延」素子７６に受取られて記憶され、乗算素子
７８によって処理されるまで抑毒１ｊされる。

一旦遅延回線がロードされると、各々の連続するサンプ
ルは有意義なフィルタ出力を生じることができ、この出
力は更に分析されるためマイクロプロセッサ１６に対し
て与えること力；できる。

本システムにおいて有効な非回帰型ディジタル・フィル
タ７４′は第５図におＧ１て詳細に示されている。ディ
ジタル化されたサンプルはＰＩＦＯＲＡＡ（５Ｂに対し
て加えられ、これに予め定めた数のサンプルが記憶され
る。「ポインタ」８４は、Ｘ−Ｙ乗算累計回路６２に対
して各々の内容を順次与えるため各記憶場所をアクセス
することができるアドレス指定カウンタである。

ポインタ８４は、異なるアドレスにおいて循環する毎に
「静止」して、−各々の新しいデータ・サンプルが異な
る場所に記憶することができるように構成されている。

予め定めた数の「新たな」サンプルがメモリーに与えら
れる時、「前のＪサイクルからの記憶された値は棄却さ
れ、更新用サンプルにより置換される。

第２の定数格納メモリーであるＲＡＭ６０は、ディジタ
ル・フィルタにおける段数に等しい「サイズ」であ勺、
ディジタル・フィルタの達成の際使用される種々の係数
を記憶する。定数ポインタ８６即ちカウンタは、ＲＡＭ
６０の種々のアドレス場所を循環するため使用される。

ＰＩＦＯＲＡＭ５ＢおよびπのＭ２Ｏの各記憶場所がア
ドレス指定される時、その内容は乗算器６２に対して与
えられ、２つの入力の籍が累計される。１つのサイクル
において、ＲＡＭ５Ｂに記憶された６値はＲＤＭ６０に
おける異なる定数によシ乗算されることになる。各定数
がアドレス指定された時１つのサイクルが完了し、積の
和がフィルタ出力記憶ラッチ６４に対して送られ、この
ラッチは更にその結果得た数値をマイクロプロセッサに
対して与える。

ＲＡＭのポインタ８４は、メモリー・アドレスの完全な
サイクルにわたって一定の状態を維持するカウントを含
む。しかし、この固定数はサイクル毎に１つずつ変更さ
れ、このため検出回路からの最も新しい値によシ置換で
きるように「最も古い」値を保持するアドレスを提供す
るという効果を有する。ＲＤＭポインタ８６は単に循環
する。

これは、このサンプルがメモリーに維持する限り、記憶
された各サンプルを異なる係数により乗算する効果を有
する。

特に２つの情報チャネルにより作動するようになった望
ましい実施態様においては、ＲＡＭ５８はサイズが二倍
となって両方のチャネルからのサンプルを収容する。リ
ップル保持素子８８は、ＲＤＭ６０を介する各サイクル
の終了を信号する。

リップル信号はＰＩＦＯＲＡＭのポインタ回路８４のア
ドレス指定部分に対して与えられ、その結果第２の実質
的に重複するメモリーが第２のチャネルからの信号を記
憶する。ポインタ８４内の　・記憶された数は、この時
、第１のチャネルからのサンプルを含む第１のサイクル
と、第２のチャネルからのサンプルを含む第２のサイク
ルの両方が完了した後にのみ変更される。

次のデータ・サンプルがシーケンサ５６から要求された
時、この新しいサンプルが記憶されてＲＡＭ５Ｂにおけ
るサンプルの最も前のものを置換する。アドレス指定回
路が如何なる順序においてもメモリー内を循環できるた
め、新たなサンプルは内容を１つの場所ずつずれたもの
と考えるととができる。例えば、もし最初の記憶された
サンプルがＸ。乃至Ｘ２６．で表わすことができるなら
ば、新たなサンプルはＸ２，７で表わされ、最も前のサ
ンプルＸ。は「破壊され」即ち棄却される。サンプルＸ
２，７もまたサンプルＸＩを置換する。

新たな出力サンプルは、新たな入力データ・ワードがシ
ーケンサ５６によシ要求される時は常に生成される。入
力サンプルと個々の繰シ込みアルゴリズム出力との間の
何等かの「競合」条件を排除するため、乗算累計回路６
２はその時の回転速度における１つのサンプル間隔内で
そのアルゴリズムを２回完了することができなければな
らない。

２００　Ｈ’ｚの非常に速いロータ速度においては、サ
ンプル速度は１８サンプル／サイクルにおいて３６００
Ｈ２となる。

サンプル間の時間は２７８μ秒であシ、その間に合計５
１２ステツプの乗算および累計がチャネルＡおよびＢに
対して完了されなければならない。

従って、１つのデータ・サンプルを乗算して累計するた
め必要な最小速度は、２７８１５１２即ち約５４０ナノ
秒となる。望ましい実施態様においては、システムは２
５０ナノ秒以内に１つのデータ′・サンプルの乗算およ
び累計が可能であシ、これにより妥当な安全マージンを
提供する。

非回帰型フィルタとして個々の繰り込み整数は、一定の
位相の遅れを生じる。実際の位相遅れは、式（ＰＩＦＯ
ＲＡＭサンプル数−１）・牙により計算することができ
る。フィルタには２５６「ワード」のサンプルがあるた
め、全体の遅れは１２７．５サンプルとなる。もし１８
サンプルがサイクル毎に与えられるならば、丁度縁シ込
み整数によシ、７つの完全サイクルと３０’に等しい残
シの１，５サンプルが存在する。この遅れは、１８サン
プル／サイクルが常に望ましい実施態様において用いら
れるため、（回転速度とは独立的に）一定となる。

この一定の位相の遅れの特性は、不釣合状態の位置決め
を行なうために用いられる。不釣合の振幅は、唯１つの
完全サイクル、即ち１８サンプルのみに対する個々の繰
り込みアルゴリズムから出力サンプルＸ　ｉ　Ｙ　ｉの
平均をめることによシ決定される。平均出力は、これま
た基準グレードからの不釣合状態のピークの角度の変位
量を決定する上で役立つ不釣合の振幅を与える。

第３の運転位相における不釣合の位置は、下記の如き少
なくとも３つの潜在的な回転計の内のどれかから１回転
毎に１つの回転計の信号を最初に得ることによシ決定濱
れる。即ち、 磁気「発振装置（ピー”−）Ｊ、またはブレードに対す
る挿入子、「欠落した」または短い波形、あるいはまた
１回転毎に１回生じる独立的な指標信号である。

第３の入力タイプの場合には、基準ブレード位置の決定
のためこれ以上の処理は必要がない。

再び第２図において、回転計の線形信号整形装置２２は
、入力信号を５０％だけ減衰する。これはまた、回転計
マルチプレクサ２４に対するバッファとしても作用する
。マルチプレクサは、１回転毎に１回出力信号を得るた
めに４つの回転計入力の１つ（即ち、機関毎に２つ）を
選択する。振幅弁別器は、ピーク検出器、コンパレータ
およびダイオード波形整形器（図示せず）を含んでいる
。

ピーク検出器は、ピークの振幅の検出を行ない、コンパ
レータに対する限界を設定する前に１０％だけこれを減
衰する。コンパレータは、回転計の入力をコンパレータ
が設定した電圧レベルと比較する。回転計信号の振幅が
コンパレータ設定電圧レベルを超える時、ダイオード波
形整形器の出力は不釣合のピーク振幅位置を計算する際
これを補佐するため基準ブレードを示す指標信号を提供
する。

もし第２のタイプの回転計信号が基準グレードの位置を
示す「欠落したＪまたけ比較的低い振幅のパルスを生じ
るならば、基準ブレードの位置は、ピーク検出器、コン
パレータ、ダイオード波形整形器およびマイクロプロセ
ッサ・インターフェースを含む類似のハードウェア回路
によって決定することができる。マイクロプロセッサの
インターフェースは、この場合、基準グレード位置を論
理的に決定するために必要となる。線形回転計の整形器
、ピーク検出器およびダイオード波形整形器の機能につ
いては上記のものと全く同じである。

一旦データの妥当性が検査されると、マイクロプロセッ
サ１４は電気回路または機械的支持部からの位相の遅れ
または進みを操作する。マイクロプロセッサ１４はロー
タ速度に応じて位相に対する補正要因を決定するため「
索引」テーブルを照合することができる。

典型的な位相補正テーブルは、４０および６５．３Ｈｚ
間のロータ速度について下記の表１の通り設定されてい
る。即ち、 表　１ 位　相　周波数 １７６°　６５．８Ｈｚ １７８’　６４．８７ １７８’　６４．２＃ １８０°　６ａ、６　〃 １８２°　６８．１／／ １８２°　６Ｂ、６゜ １８４°　６２　１ １８６°　６１．５　〃 １８６’　６１　＃ １８８°　６０．５　〃 １９０°　６０Ｈｚ １９０６　５９．５＃ １９４°　５９　／１ １９６°　５８．５１　〃 １９８”　５８　． １９８°　５７．５４　〃 ２００’　５７．０７゜ ２０２’　５５．５　、。

２０４°　５６．１５ ２０４°　５５，７＃ ２０６°　５５．２５　〃 ２０８°　５４．８　＃ ２１０’　５３．９６Ｎ ２１２°　５８．５４　。

２１２°　５８．１５＃ ２１４６　５２．７８／ ２１６°　５２．３〃 ２１８６　５１．９４ｙ ２２０°　５１．５６　〃 ２２０’　５１．１８７ ２２２’　５０．８　〃 ２２４’　５０．４４〃 ２２４’、　５０．０７＃ ２２６″　４９．７１〃 ２２８°　４９．８６　。

２２８°　４９．０１　＃ ２８０”　４８．６７＃ ２３２°　４８．８８　〃 ２３２°　４７．９９　＃ ２３４°　４７．６７　＃ ２３４°　４７．８４７ ２３６°　４７．０２　〃 ２　ａ　８″４６．７　。

２３８°　４６．４７ ２４０°　４６．１７ ２４２°　４５．８　〃 ２４４°　４５．４８　＃ ２４４°　４５．．２　、。

２４６°　４４．８９　。

２４６°　４．１１６　＃ ２４８″　４Ｌ８２〃 ２５０°　４４．０４　〃 ２５０’　４８．７６〃 ２５２’　４８．５　〃 ２５４°　４８．２１７ ２５４°　４２．９５− ２５６°　４２．６９　〃 ２５８°　４２．４２１ ２５８°　４２．１７　〃 ２６０’　４１．９１〃 ２６２°　４１．６６　〃 ２６２°　４１．４　〃 ２６４°　４１．２　〃 ２６４°　４０．９　〃 ２６６’　４０．７　〃 ２６６°　４０．４５　〃 ２６８°　４０．２１１ ２７０’　４０．００〃 一旦率正なデータが上記の操作の全てから得られると、
データは２０’以内に最大および最小値が確実に反復さ
れるように前の読みと比較される。

もし新たな補正されたデータが２０°以内にないことが
見出されると、全ての前の読みが廃棄され、システムは
全ての測定を反復することになる。

不釣合の位置を決定するだめには、＋１タイマー３０は
３６０°を表わす数即ち１回転がロードされる。＋２タ
イマー３２の出力はす１タイマー３０を減算するクロッ
ク・パルスを生成する。＋１タイマー３０に対するクロ
ックは、ロータ速度に依存する。＋１タイマー３０のク
ロック速度は、１回転がす１タイマー３０において３６
０″をカウントするように生成されるべきである。もし
前の実施例においてロータ速度が５０Ｈｚであるならば
、１回の回転の期間が２０ミリ秒即ち２０，０００μ秒
となる。＋１タイマー３０９クロツクは、１゜の間隔に
対する２０，０００／３６０または２°の間隔に対する
２０，０００／２８０でなければならない。クロックの
持続期間は、１°当Ｊ５５．５μ秒即ち２″　の間隔に
対して１１１．１μ秒となる。

この運転モードにおいては、＋、２タイマー３２のクロ
ックは各パルス毎に１．２５　ＭＨｚ即ち０．８μ秒の
周波数で作動する。

５０Ｈｚの回転速度においては１３８８．９のカウント
が２０°当り１つのサンプルである適正なサンプリング
周波数を生じるため、同じ数が＋２タイマー３２におい
て使用されて最大または最小が検出される角度を決定す
ることができる。

マイクロプロセッサ１４は、指標パルスが生成されると
直ちに予め定めた設定値に不釣合の振幅サンプルを比較
して、基準ブレードが丁度検出されたことを表示する。

不釣合の平均値は、サンプルの比較のため予め定めた設
定値を決定するだめ使用される。これは下記の如く決定
される。即ち、平均値＝Ｘ 予め定めた設定値−１，５７Ｘ、Ｙの９０％但し、１．
５７は、平均値からピーク値を決定するため使用される
定数である。

一旦与えられた入力サンプルが予め定めた設定値よシも
大きいことをマイクロプロセッサ１４が判定すると、こ
のマイクロプロセッサは角度ノ位置を記憶する＋２タイ
マー３２から位置の読みを得る。理論的には、＋２タイ
マー３２によシ達成し得る最適の解像力はサイクル当＃
）１８のサンプリング速度で２０°であることが判る。

しかし、もし平均値が８つ以上の読みに対する位置の判
定のため上記の手順を用いて得られるならば、良好な精
度を得ることができる。これは、基準ブレードの位置に
関するデータ・サンプル即ち指標信号の非同期の性格に
′よるものである。実際には、４°より優れた精度が６
０ブレードのロードのロータにおいて達成し得るが、こ
れはブレード６°で分割されるためであり、１つ以上の
ブレードに対して行なわれるべき釣合いの調整のために
は４°で充分である。

システム全体の精度に影響を及ぼすおそれがあるここで
考えるべき１つの要因、即ちロータ速度がある。上記の
論議全体において、計算の期間中はロータ速度が変化し
ないものとした。マイクロプロセッサ１４は、ロータ速
度を測定することにより、例えば不釣合の情報の取得の
前後における回転期間を記憶することによって、誤シの
あるデータを生じないようにシステムを保護する。ある
いはまた、ロータ速度は、共に不釣合の計算の前後にお
いて測定される予め定めた間隔に対する回転計出力の一
関数として得ることもできる。もしロータ速度・が受入
れられる公差限度内にはないことが判った場合には、全
てのデータは棄却され測定過程が反復される。

このように、回転機械における不釣合の定量分析を行な
い、かつ不釣合条件を軽減する補償質量の大きさおよび
設定位置の判定を行なうだめの方法および装置について
本文に開示した。加速度計は回転機械の振動を信号し、
回転計と関連して加速度計の信号が処理され、サンプル
され、回転周波数において生じるこれら振動を隔離する
非回帰型のディジタル追跡フィルタに送られる。

不釣合から生じる振動の大きさは確認されて記憶される
。以降の操作において、最大の振動の位置は１つの指標
点に関してめられる。回転角度で表わされる位置は記録
することができる。デイジタル・フィルタおよび電子信
号収集回路網によって必要とされる位相の補正値は、位
置の読みを修正し、その結果最大の不釣合い点の大きさ
および位置”を判定することができる。従って、適正な
位置に組付けられる時不釣合の条件を補正する適正な大
きさの釣合い質量の大きさおよび位置に対する決定は比
較的簡単なことである。

運転中、回転機械の回転周波数は厳密に監視される。も
しこの周波数が測定の最中に変化するならば、その結果
は無効とされて測定サイクルが反復される。本システム
は、加速度データによシ使用されるか、あるいは加速度
計の信号の適当な修正の後に速度または変位量を表わす
信号によシ使用することができる。更に、もし１つ以上
の加速度計が振動の分析のため使用できるならば、各セ
ンサによシ決定されるように不釣合の大きさおよび位置
決めを確認して格納することができる。

１つの回転サイクルの整数である正確にサンプリング間
隔を提供するように、一連のカウンタな予め定めた定数
によシ予め設定することができる。

カウンタにおける他の予め設定された定数により、機関
の実際の回転周波数に対するある予め定めた関係を有す
る他の信号の生成が可能となる。

当業者には、他の修正および変更例が着想されよう。従
って、本発明の範囲は、頭書の特許請求の範囲によって
のみ限定されるべきものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による振動分析システムを示すブロック
図、第２図は第１図のシステムに用いられる回転計の信
号処理回路を示すブロック図、第３図は第１図のシステ
ムと組合せて使用するのに適する加速度計信号処理回路
を示すブロック図、第４図は従来技術の非回帰型ディジ
タル・フィルタを示す簡単なブロック図、および第５図
は第４図のフィルタを示す更に詳細なブロック図である
。 １０・・・振動分析システム、１２・・・回転計信号処
理回路、１４・・・マイクロプロセッサ、１６・・・加
速度計信号の処理システム、１８・・・ディジタル・フ
ィルタ、２２・・・整形回路、２４・・・マルチプレク
サ、２６・・・振幅弁別器、２８・・・制御論理回路、
３ｏ１８２．８４・・・タイマー、４０１４６・・・マ
ルチプレクサ、４２１．４４・・・減衰フィルタ、４８
・・・アナログ／ディジタル・コンバータ、５０・・・
自由振動オシレータ、５２．５４・・・記憶ラッチ、５
６・・・シーケンサ、５８・・・先入れ先出しランダム
・アクセス・メモリー（ＦＩＦＯＲＭＡ）、６０・・・
ＲＡＭ。 ６２・・・乗算累計回路、７４・・・非回帰型ディジタ
ル・フィルタ、７６・・・遅延素子、７８・・・乗算素
子、８０・・・加算レジスタ、８４・・・ポインタ、８
６・・・定数ポインタ、８８・・・リンプル保持素子。 特許出願人　ベクトン・デイッキンンン・アンド・カン
フ１°ニー （外５名）

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）　複雑な構造の機械装置の回転部材の釣合をとる
   ことを可能にする装置において、 （α）回転部材における不釣合状態を検出して信号を生
   じるトランスジューサ装置と、 （ｂ）前記回路部材に接続されて回転数を信号する信号
   装置と、 （ｃ）　該信号装置に接続されて回転機械の回転毎に予
   め定めた数のサンプリング・パルスを生成スるサンプリ
   ング装置と、 （山前記トランスジューサ装置および前記サンプリング
   装置に接続されて、前記サンプリング・パルスに応答し
   て回転毎のデータ・サンプルを提供するデータ収集装置
   とを設け、該装置はトランスジューサ信号をディジタル
   形態に変換する装置と、前記回転部材の不釣合のプラメ
   ータの大きさを表わす信号を生成するディジタル・フィ
   ルタ装置とを含み、以て不釣合状態の回転部材を回転運
   動の間監視して不釣合の大きさを決定することができる
   ことを特徴とする装置。
2. （２）前記データ収集装置に接続されて前記回転部材の
   釣合をとるため好適な質量の大きさを信号する大きさ決
   定装置を更に設けることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の装置。
3. （３）前記信号装置が、前記回転部材における指標位置
   を信号する装置を含み、 （ｇ）　前記データ収集装置、前記サンプリング装置お
   よび前記信号装置に対して接続されて、前記回転部材に
   おけるおる位置に最大不釣合量を表わす信号を対応させ
   る位置決め装置を更に設けることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の装置。
4. （４）前記大きさ決定装置は、前記回転部材の釣合をと
   るのに好適な質量の大きさと、釣合状態を得るため前記
   指標位置に関連する如き質量の設定の両方を信号するこ
   とを特徴とする特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
   装置。
5. （５）複雑な構造の機械の回転部材の振動を検出して信
   号する装置と、前記回転部材の回転数を信号する回転計
   装置とに組合される回転機械における不釣合状態の原因
   となる振動の大きさおよび位置を測定する装置において
   、 （α）回転計装置に接続されて前記回転部材の回転毎の
   予め定めた数のサンプリング・パルスを生成するサンプ
   リング装置と、 （ｂ）　前記サンプリング装置およびトランスジューサ
   装置に接続され、不釣合状態から生じる振動の大きさを
   表わす信号を生じるディジタル化およびディジタル・フ
   ィルタ装置を含むデータ収集装置と、 （ｃ）　該データ収集装置に接続されて指標位置に関す
   る最大不釣合量地点の位置を信号する回転機械と関連す
   る指標装置を含む位置決め装置とを設け、以て不釣合状
   態を訂正するための補償質量の大きさおよび位置Ｚ決定
   することができることを特徴とする装置。
6. （６）前記データ収集装置に接続されて不釣合量の最大
   値を記憶する記憶兼比較装置を更に設け、該装置は記憶
   された値の予め定めた部分をその時サンプルされた値と
   比較して前記の記憶された値よシも大きなその時サンプ
   ルされた値と関連する位置の情報を記録するデータ処理
   装置を含み、以て後、続のサイクルにおいて平均的位置
   を得ることができることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項記載の装置。
7. （７）指標位置を信号する装置を含む回転機械における
   不釣合状態を測定してその位置決めを行なう方法におい
   て、 （α）振動パラメータを測定し、 （ｂ）　測定された振動パラメータ馨フィルタし、（Ｃ
   ）　フィルタされた前記パラメータの最大値を決定し、 （カ　上記測定を反復して前に測定した最大値のちる予
   め定めた比率よシも大きな値を信号し、（ｅ）　前記の
   比較的大きな信号された値の瞬間における指標地点から
   の角度の変化量を測定し、ω　信号された比較的大きな
   値を累計して平均値を計算し、 （ｇ）　測定された角度の変化量を累計して平均値を計
   算し、 （７ｔ）　前記指標マークからの前記の累計された平均
   角度変化量により決定されるある選択された場所におい
   て機械に対して取付けられる釣合用質量の対応する大き
   さに前記の平均化された比較的大きな値を変換する工程
   からなることを特徴とする方法。
8. （８）前記の振動パラメータが速度に対応し、前記の予
   め定めた比率が９０％であることを特徴とする特許請求
   の範囲第７項記載の方法。
9. （９）ある指標場所を信号する装量を有する回転機械に
   おける不釣合状態を測定してその位置決めを行なう方法
   において、 （α）回転数の測定を行ない、 （ｂ）不釣合状態を関連するパラメータの測定を行ない
   、 ＣＣ）　前記パラメータを非回帰型ディジタル追跡フィ
   ルタによシフィルタし、 （ぬ　作動サイクルの間前記のパラメータの最大値を決
   定してこれを記憶し、 （ｇ）　後続のあるサイクルにおいて、測定された最大
   値の７５係を超えるパラメータ値およびこれに対応する
   指標マークからの角度の変化量を信号し、 （イ）前記の角度変化量を記憶し、 （（７）　予め定めた数のサンプルに対して前記工程（
   ５）および（６）を反復し、 （ｈ）　予め定めた数の連続する測定に対して指標マー
   クからの角度変化値を平均化し、 （ａ　予め定めた数のサンプルに対して連続する信号さ
   れたパラメータの値を平均化し、（ｊ）　釣合う質量の
   大きさに前記の最大平均パラメータ値を対応させ、 Ｃｋ）　前記指標マークからの測定された平均角度変化
   量と対応する場所において前記回転機械に対応する大き
   さの釣合い質量を定置し、以て適正な場所における適正
   な大きさの釣合い質量の使用が不釣合状態を補正するこ
   とを特徴とする方法。 （相）ｍｆ＋ｉＦパうノー４萌；力ｎま布〒太ｈ　富而
   −中Ｊ−す信号を得るため測定された加速度の積分を行
   ない、測定処理、およびデータ収集および処理装置によ
   り生じる位相のずれを補償するため前記場所を補正する
   工程を更に含むことを特徴とする特許請求の範囲第９項
   記載の方法。