BE1028622B1 - Werkwijze voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van een as en meetopstelling daarvoor - Google Patents

Abstract

De uitvinding verschaft een oplossing voor het bepalen van de hoekpositie van een roterende as bij afwezigheid van hardwaremarkeringen op een dergelijke as.

Description

WERKWIJZE VOOR HET BEPALEN VAN EEN SCHATTING VAN DE HOEKPOSITIE VAN EEN AS

EN MEETOPSTELLING DAARVOOR Technisch veld De uitvinding heeft betrekking op het identificeren van de hoekpositie van een as zonder de aanwezigheid van een zogenaamd fasereferentiesignaal, b.v. met behulp van een referentie- inkeping of -markering om de fasehoek of hoekpositie bij trillingsmetingen te bepalen.

Achtergrond van de uitvinding Trillingsbewaking is een belangrijk aspect om rekening mee te houden bij het gebruik van roterende machines. De eerste trillingsmeting die in gedachten komt, is de trillingsamplitude. Dit is inderdaad intuïtief en kan worden gebruikt om alarmniveaus in te stellen om een installatie te beschermen. Desalniettemin is de amplitude slechts de top van de ijsberg en moeten andere aspecten worden bewaakt als je de oorzaak van de trillingen wilt begrijpen. De ashoek, d.w.z. hoekpositie van de roterende as, moet bewaakt worden als men de oorzaak van de trillingen wil begrijpen.

Op grote roterende machines is het gebruikelijk om een inkeping op de as te maken en een sensor te installeren die de doorgang van deze inkeping bij elke rotatie detecteert. Dit wordt gebruikt als referentie om de fasehoek van trillingsmetingen te bepalen en wordt fasereferentiesignaal genoemd (in de stand-van-techniek/literatuur vaak keyphasor genoemd).

Helaas hebben niet alle roterende machines dergelijke instrumenten en is het soms nodig om een tijdelijke fasereferentie te installeren met bijvoorbeeld een reflecterende tape en een optische sensor. Dit vereist niettemin het stoppen van de machine en toegang hebben tot het rotoroppervlak, wat extra kosten met zich meebrengt en problematisch is voor machines die continu moeten draaien of voor kleine apparatuur. Zonder fasemeting worden de diagnostische mogelijkheden van een trillingsanalyse sterk verminderd en zijn sommige bewerkingen zoals balanceren bijna onmogelijk. Ook kunnen sommige trillingsveranderingen voornamelijk in fase optreden en kunnen mechanische problemen lange tijd onopgemerkt blijven voordat verdere schade optreedt, waardoor de trillingsamplitude toeneemt.

Bij het uitvoeren van experimenten op roterende objecten, zoals een roterende as, is het zinvol om verschillende experimenten te kunnen vergelijken doordat ze betrekking hebben op dezelfde uitgangspositie in termen van hoekpositie van dat object of as. Wanneer op dergelijke roterende voorwerpen of assen noodzakelijke hardwaremarkeringen worden aangebracht, kan dit eenvoudig worden bereikt. Zoals gezegd zijn dergelijke hardwaremarkeringen echter niet altijd beschikbaar, zijn ze moeilijk aan te brengen of zijn ze eigenlijk bij voorkeur helemaal niet aanwezig.

Het zou daarom erg handig zijn om de hoekpositie van een as te reconstrueren zonder een fasereferentie te installeren, en dus in afwezigheid van een referentie-inkeping of hardwaremarkeringen op het oppervlak van de draaiende as.

JP 2020 159820 is een voorbeeld uit de stand-van-techniek die hardwaremarkeringen op het oppervlak van de roterende as vereist, in die zin dat afstanden tussen bladen worden gebruikt als vooraf bepaalde referentie en een drempel vereist om het passeren van een blad te detecteren en a priori kennis vereist van het aantal bladen.

US 2020/0328702 verschaft bepalende hoekinformatie, maar vereist de aanwezigheid van een signaal afgeleid van de elektromotorische kracht en gebruikt in wezen de nuldoorgang van dit signaal, maar opnieuw ten opzichte van een vooraf bepaalde referentie.

US98840935 B2 is opnieuw een voorbeeld uit de stand-van-techniek die bladen vereist en is verder gebaseerd op detectie van golfvormafwijkingen.

EP 1405047 A1 heeft alleen betrekking op trillingsanalyse en geeft geen informatie over de hoekpositie, bovendien is er de eis van het genoemde algoritme van het bestaan van een referentiepunt op de as.

Doel van de uitvinding Het doel van de uitvinding is om een oplossing te bieden voor het bepalen van de hoekpositie van een as bij afwezigheid van hardwaremarkeringen op een dergelijke as door alleen de bestaande instrumenten te gebruiken.

Samenvatting van de uitvinding In een eerste aspect van de uitvinding wordt een werkwijze verschaft voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van een as, terwijl deze roteert, ten opzichte van een referentiepositie van de as.

De hoekpositie van de as wordt verder ook wel ashoek genoemd.

Deze bepaling is gebaseerd op het gebruik van metingen die worden verkregen terwijl de as wordt gedraaid.

Volgens een uitvoeringsvorm maken deze gebruikte metingen deel uit van trillingsmetingen.

Bovendien kunnen de metingen worden geleverd door sensoren, bijvoorbeeld contactloze sensoren, en bij voorkeur wervelstroomsensoren.

Volgens een uitvoeringsvorm is de schatting van de ashoek gebaseerd op een algoritme dat signaalverwerkingsbewerkingen uitvoert op het verplaatsingssignaal dat wordt geretourneerd door de wervelstroomsensor.

Een dergelijk verplaatsingssignaal wordt ook wel een zogenaamde runout genoemd, waarbij een dergelijke runout een maat is voor asonregelmatigheden waarbij het effect van de dynamische beweging van de as wordt uitgesloten.

Verder verwijzend naar het eerste aspect kan de uitvinding op verschillende manieren worden gerealiseerd.

Men kan ervoor kiezen om eerst de twee datasets te laden; en daarna de bijbehorende signatuur daarvan bepalen.

Men kan er echter ook voor kiezen om een dataset te laden en eerst de signatuur af te leiden (en bijvoorbeeld de dataset te verwijderen om geheugenruimte te besparen). De meetcampagnes voor het verkrijgen van de dataset worden ook niet noodzakelijkerwijs in de tijd opeenvolgend uitgevoerd, bovendien kan men eerst de dataset laden en/of de dataset met betrekking tot de hoekpositie bepalen, alvorens men de dataset laadt en/of de data gerelateerd aan de referentiepositie bepaalt.

Dit kan bijvoorbeeld nodig zijn wanneer gegevens verloren gaan en/of de referentiepositie moet worden gewijzigd.

De methode bestaat uit drie stappen. In een eerste stap (i) worden tenminste twee meetdatasets geladen, deze meetdatasets zijn bijvoorbeeld temporele datasets. Een eerste meetdataset wordt verkregen door het draaien van genoemde as op genoemde referentiepositie en een tweede meetdataset wordt verkregen door te starten op genoemde hoekpositie, die onbekend is en dus moet worden bepaald. Er worden ten minste twee metingen, d.w.z. twee of meer, gebruikt die niet met elkaar zijn verbonden of elkaar niet overlappen. Om twee metingen te hebben, kan een meting op een bepaald moment worden gestopt en opnieuw worden gestart, d.w.z. een nieuwe meting wordt gestart op een ander moment, bijvoorbeeld op een andere dag. Het is echter niet per se nodig om twee gescheiden of verschillende datasets te hebben. Het ene deel van een dataset zou inderdaad als referentie kunnen worden gebruikt en het andere deel als signaal om deze referentie onder een hoek te positioneren. Meer in het algemeen kunnen de twee datasets verschillend of discontinu worden verworven. Met andere woorden, elke dataset die op een machine wordt verzameld, kan onder een hoek worden gepositioneerd volgens een unieke referentie.

Tijdens een tweede stap (ii) wordt een karakteristieke signaalsignatuur voor elk van de meetdatasets bepaald, d.w.z. voor de eerste en tweede meetdatasets wordt een karakteristieke signaalsignatuur bepaald als functie van de rotatiehoek. Volgens een uitvoeringsvorm wordt de karakteristieke signaalsignatuur veroorzaakt door onregelmatigheden van de as, meer in het bijzonder onregelmatigheden in het oppervlak van de as. Volgens een uitvoeringsvorm strekt de eerste meetdataset gerelateerd aan de referentiepositie of de tweede meetdataset gerelateerd aan de hoekpositie, welke onbekend is, of strekken zowel de eerste als de tweede meetdataset zich uit over meer dan één rotatie van de as. Mogelijk is er een ander aantal rotaties per meetdataset. Tweede stap (ii) kan dan uitmiddeling over de meer dan één rotatie omvatten. Verder wordt uit de metingen de rotatiesnelheid van de as, gerelateerd aan een van de meetdatasets, of in relatie tot beide, bepaald of geschat. De tweede stap (ii) kan dan bestaan uit het re-samplen van de meetdatasets in overeenstemming met overeenkomstige rotatiesnelheid van de as. Volgens een uitvoeringsvorm omvat de werkwijze verder het invoeren van de rotatiesnelheid van de as die wordt gebruikt voor het afstemmen van de bijbehorende meetdataset. De tweede stap (ii) kan dan re-sampling van de meetdatasets omvatten in overeenstemming met overeenkomstige rotatiesnelheid van de as. Voorafgaand aan het uitvoeren van tweede stap (ii) kan een frequentiedomeinfiltering, b.v. bandblok, worden toegepast op de meetdatasets. Deze filtering kan bijvoorbeeld gebaseerd zijn op FFT, of IFFT.

5 In een derde stap (iii) wordt de schatting van de hoekpositie bepaald door het vergelijken van de bepaalde karakteristieke signaalsignaturen van respectievelijke eerste en tweede meetdatasets. Volgens een uitvoeringsvorm is de derde stap (iii) gebaseerd op het maximaliseren van de kruiscorrelatie tussen de bepaalde karakteristieke signaalsignaturen, meer in het bijzonder wordt de schatting geleverd door de hoekverschuiving die nodig is om de maximale kruiscorrelatie te verkrijgen. Voordat de derde stap (iii) wordt uitgevoerd, kan een hoekdomeinfiltering, b.v. gecombineerd bandblok en laagdoorlaat, worden toegepast op de bepaalde karakteristieke signaalsignatuur. Deze filtering vindt bij voorkeur plaats na de frequentiedomeinfiltering zoals hierboven vermeld (uit te voeren voorafgaand aan de tweede stap (ii)). Volgens een uitvoering is een motor met de as verbonden en wordt bij voorkeur informatie over de met de as verbonden motor, zoals bijvoorbeeld de versnellingsbaktandenverhouding, ingevoerd. De hoekdomeinfiltering, in het bijzonder de bandblok-filtering, kan worden afgeleid uit de informatie (over de motor die met de as is verbonden) die wordt ingevoerd. Voorafgaand aan de derde stap (iii) kan elk van de bepaalde karakteristieke signaalsignaturen opnieuw worden geschaald (bij voorkeur genormaliseerd tot 1) om het berekenen van een maat voor de kwaliteit van de schatting van de _ hoekpositie van de as te vergemakkelijken. Volgens een uitvoeringsvorm wordt bij het bepalen van de schatting in wezen alleen gebruik gemaakt van de metingen die worden verkregen terwijl de as wordt geroteerd.

De uitgevonden methode voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van een as ten opzichte van een referentiepositie van die as, kan worden gebruikt in allerlei evaluatiemethoden, waar voorheen een zogenaamd fasereferentiesignaal nodig was, bekend in het veld (als keyphasor) voor het evalueren van de as, of een motor met een versnellingsbak waarvan zo'n as deel uitmaakt. In een tweede aspect van de uitvinding wordt een werkwijze verschaft voor het evalueren van de inschatting van de hoekpositie, d.w.z. de werkwijze verschaft hoe de kwaliteit van de schatting van de hoekpositie geëvalueerd kan worden. Met andere woorden, het kan een indicatie geven van in welk opzicht de schatting van de hoekpositie betrouwbaar is of niet. De werkwijze bestaat uit drie stappen. Een eerste stap (i) betreft het laden van ten minste twee meetdatasets voor evaluatiedoeleinden, waarbij deze meetdatasets bijvoorbeeld temporele datasets zijn. In een tweede stap (ii) wordt voor elk van de meetdatasets een schatting bepaald van de hoekpositie van de as ten opzichte van een referentiepositie van de as tijdens rotatie, waarbij één van die meetdatasets als referentie kan dienen. Een derde stap (iii) betreft, wanneer de performantie van de as wordt berekend, de bepaalde schatting van de hoekpositie wordt benut. Volgens een uitvoeringsvorm wordt een aantal schattingen van de hoekpositie van de as bepaald, en wordt de performantie van de as berekend op basis van één of meer van dit aantal bepaalde schattingen van de hoekpositie. In een derde aspect van de uitvinding wordt een meetopstelling verschaft die kan worden toegepast op een as, terwijl deze roteert, voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van de as ten opzichte van een referentiepositie van de as. Deze bepaling van de schatting is gebaseerd op het gebruik van metingen, die worden verkregen terwijl de as wordt gedraaid. De meetopstelling omvat een sensor die, indien aangebracht in de buurt van de as, metingen kan uitvoeren bij rotatie van de as. De meetopstelling omvat ook een computeromgeving, aangepast voor het uitvoeren van één van de werkwijzen in overeenstemming met het eerste of tweede aspect. De meetopstelling kan een motor omvatten, die tenminste één as omvat, die wordt geroteerd. De meetopstelling kan verder een motor met versnellingsbak omvatten. Overzicht van de tekeningen Figuur 1 (a) illustreert een stroomschema uitvoeringsvorm van de werkwijze voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van een as in overeenstemming met de uitvinding. Figuur 1 (b) illustreert een verder stroomschema uitvoeringsvorm, met iets meer detail, van de werkwijze voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van een as in overeenstemming met de uitvinding.

Figuur 2 (a) en Figuur 2 (b) illustreren beide een verdere versie van de stroomschema uitvoeringvorm van Figuur 1 (b) met betrekking tot de werkwijze voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van een as in overeenstemming met de uitvinding, waarbij de rotatiesnelheid van de as die wordt bepaald of anders wordt ingevoerd, kan worden gebruikt voor het bepalen van de schatting.

Figuur 3 (a) en Figuur 3 (b) illustreren beide een andere verdere versie van de stroomschema uitvoeringsvorm van Figuur 1 (b) met betrekking tot de werkwijze voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van een as in overeenstemming met de uitvinding, waarbij ofwel frequentiedomeinfiltering of anders hoekdomeinfiltering wordt toegepast.

Figuur 4 illustreert een grafische weergave van de meetdatasets waaruit de karakteristieke signaalsignaturen kunnen worden bepaald, voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van een as, in overeenstemming met de uitvinding.

Figuur 5 (a) illustreert nog een andere versie van de stroomschema uitvoeringsvorm van Figuur 1 (b) met betrekking tot de werkwijze voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van een as in overeenstemming met de uitvinding, waarbij zowel frequentiedomeinfiltering als hoekdomeinfiltering zijn toegepast.

Figuur 5 (b) illustreert een verdere versie van de stroomschema uitvoeringsvorm van Figuur 1 (a) met betrekking tot de werkwijze voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van een as in overeenstemming met de uitvinding, waarbij mogelijke aanvullende invoer en uitvoer zijn aangegeven.

Figuur 6 (a) illustreert een uitvoeringsvorm van een meetopstelling, voor het bepalen en gebruiken van de hoekpositie van een as, in overeenstemming met de uitvinding.

Figuur 6 (b) illustreert een uitvoeringsvorm van een asdoorsnede, waarvoor de hoekpositie wordt bepaald, in overeenstemming met de uitvinding.

Figuur 7 illustreert een ander stroomschema uitvoeringsvorm van de werkwijze voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie van een as in overeenstemming met de uitvinding.

Korte beschrijving van de uitvinding Het is een doel van de uitvinding om verschillende experimenten met roterende objecten, zoals roterende assen, te kunnen vergelijken door een schatting te geven van de hoekpositie ten opzichte van een referentie, bij afwezigheid van hardwaremarkeringen die een dergelijke vergelijking in de techniek mogelijk maken, en in het bijzonder door het exploiteren van bv contactloze metingen aan dergelijke roterende assen.

Het is een aspect van de uitvinding om aan te tonen dat de onregelmatigheden van de as, meer in het bijzonder onregelmatigheden in het oppervlak van die as, in dergelijke metingen, hoewel klein, een karakteristiek signaal geven dat redelijkerwijs kan worden gebruikt voor het bepalen van de schatting, of en wanneer passende gegevensverwerking, gebaseerd op de belangrijkste inzichten van de onderliggende processen plaatsvinden tijdens metingen.

In wezen wordt voorzien in de conversie van het tijdsdomein van de aanvankelijk verkregen temporele dataset naar het zogenaamde angulaire domein, door gebruik te maken van snelheidsinformatie, hetzij direct of indirect verkregen.

Het is de moeite waard om te benadrukken dat het bepalen van een karakteristieke signaalsignatuur binnen genoemde metingen als functie van de rotatiehoek, de re-sampling van de (temporele) meetdatasets omvat in overeenstemming met overeenkomstige rotatiesnelheid van de as om de metingen om te zetten met een constante tijdstap (twee metingen zijn altijd met dezelfde tijd uit elkaar) tot een constante hoekstap (twee metingen worden altijd met dezelfde deltahoek uit elkaar geplaatst} door interpolatie uit te voeren om bepaalde gegevens opnieuw te berekenen.

Bovendien is in een voorkeursuitvoeringsvorm filtering voorzien, in het bijzonder gebruik van frequentiedomeinfiltering maar ook hoekdomeinfiltering, waarbij dit laatste gebaseerd is op inzichten over het motor (aangesloten op de as) gedrag, of meer in het algemeen op de apparatuur kinematisch gerelateerd aan de as (bijv. een andere as door de versnellingsbak}, en bij voorkeur worden beide in de juiste volgorde gebruikt.

De uitvinding voorziet verder in een voorkeursuitvoeringsvorm waarbij de (temporele) meetdatasets worden verkregen over meer dan één rotatie van de as (hoewel niet noodzakelijkerwijs volledige rotaties, en mogelijk met een ander aantal rotaties per dataset) wat als bijkomend voordeel heeft dat de ruis wordt verminderd bij het uitmiddelen over het aantal vastgelegde gegevensvensters.

Ten slotte is het vermeldenswaard dat de werkwijze kan worden gebruikt voor het bepalen van meerdere schattingen van de hoekpositie van een as, terwijl deze roteert, ten opzichte van een (tijdens de werkwijze in overeenstemming met het eerste aspect van de uitvinding bepaalde) referentiepositie van die as.

Beschrijving van de uitvinding Rekening houdend met het feit dat er geen inkepingen of hardwaremarkeringen aanwezig zijn op het roterende object of de machine die moet worden bewaakt, is het basisidee dat tot de uitvinding heeft geleid het gebruik van de zogenaamde runout informatie van één van de trillingssignalen om een virtuele fase referentiesignaal te construeren en te gebruiken om de fasehoeken van alle trillingssignalen te berekenen. De runout is de gemeten opening of signaal welke resulteert uit asonregelmatigheden, exclusief effect als gevolg van de dynamische beweging. De oplossing die met de onderhavige uitvinding wordt verschaft, kan de instrumentatiekosten voor trillingsbewaking verlagen en maakt mogelijk de implementatie van een meetcampagne eenvoudiger en goedkoper. Bovendien kan het nieuwe marktmogelijkheden creëren voor installaties waar het tot nu toe niet mogelijk of niet economisch was om een fasereferentie te installeren, b.v, voor grote pompen in de industrie, motoren, ventilatoren. De uitvinding genereert een groot voordeel vanwege de mogelijkheid om een referentiehoek te bouwen, die nodig is voor een soort trillingsbewaking, zonder een fasereferentie te installeren. Daarom maakt de uitvinding het mogelijk om de hoekpositie direct uit het bewaakte signaal te reconstrueren, d.w.z. het extraheren van de zogenaamde runout informatie, die een maat is voor de afwijkingen van het cilindrische oppervlak van de as in vergelijking met een perfect homogeen rond oppervlak, concentrisch met de lagercentra. Dergelijke afwijkingen omvatten onrondheid van het oppervlak, mechanische defecten aan het oppervlak (oppervlakteafwerking of krassen), gebrek aan concentriciteit tussen het oppervlak en de aslagers centra, of materiaalinhomogeniteit.

De uitvinding maakt dus gebruik van het onderliggende aspect dat de as niet perfect is, noch vanuit mechanisch oogpunt, dat wil zeggen dat de as niet perfect afgerond is, noch vanuit elektrisch oogpunt, doordat kleine plaatselijke verschillen in magnetische eigenschappen kunnen optreden binnen het asmateriaal.

Al deze onvolkomenheden leiden tot een periodiek signaal van een volledige omwenteling van de as.

Na het ophalen van deze periodieke signatuur van b.v. gangbare trillingsmetingen, kan men de ashoek afleiden.

De moeilijkheid is echter dat de onvolkomenheden erg klein kunnen zijn met betrekking tot het signaal dat het gevolg is van de trillingen van de as.

Bovendien kan de runout worden beïnvloed door de bedrijfstoestand (of operationele omstandigheden). Zo kan een temperatuurstijging van de as (veroorzaakt tijdens werking) leiden totdilatatie van de as.

Volgens een uitvoeringsvorm kan de ashoek worden afgeleid op basis van een algoritme dat signaalverwerkingsbewerkingen uitvoert op het verplaatsingssignaal dat wordt geretourneerd door de trillingsmetingsensor, b.v. wervelstroomsensor.

De input en output van het algoritme kunnen als volgt worden gedefinieerd.

Terwijl de input wordt bepaald als de output van de wervelstroomsensor, waarbij meestal alleen de opening tussen de as en de wervelstroomsensor wordt gemeten, d.w.z. een verplaatsing/spanning in functie van de tijd, kan de output worden gedefinieerd als de absolute rotatiehoek van de as in functie van de tijd.

Met absoluut wordt bedoeld, met betrekking tot een goed gedefinieerde hoek doch onbekende (maar tijdens de werkwijze volgens het eerste aspect van de uitvinding bepaalde) referentiepositie op de as.

Deze ashoek wordt altijd berekend ten opzichte van een constante positie op de as.

Met andere woorden, het zal niet veranderen nadat de machine een andere dag opnieuw is opgestart of als het algoritme wordt gestopt, onderbroken of opnieuw wordt gestart.

Het signaalverwerkingsalgoritme zelf is een combinatie van meerdere filters en bewerkingen zoals b.v. laagdoorlaat, kamfilter, cyclisch gemiddelde.

Volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding is het signaalverwerkingsalgoritme conceptueel gebaseerd op de volgende overwegingen: e Er bestaat een runout signatuur S die een periode van één omwenteling (271: = 360°) heeft, uitgedrukt in het hoekdomein

S(a)=S(a+k2n) VkEN waarbij a de rotatiehoek van de as is.

e De runout signatuur is onafhankelijk van de werkingsomstandigheden. Daarom is dezelfde signatuur te vinden op b.v. verschillende snelheden, of verschillende dagen. Opgemerkt wordt dat dit verband houdt met deze specifieke uitvoeringsvorm voor het algoritme. Bij uitbreiding naar toepassingen met grotere eenheden die thermische uitzetting of axiale beweging vertegenwoordigen, zal dit moeten worden aangepast.

e De runout signatuur (in het hoekdomein) kan worden berekend uit het originele signaal (in het tijdsdomein).

e Fouten bij het schatten van deze signatuur zijn voldoende beperkt om een schatting van de ashoek mogelijk te maken.

e In de praktijk zal de runout signatuur S alleen worden geschat. Aannemende dat op twee verschillende tijdsperioden twee runout signaturen S ’en S” worden geschat. De relatie tussen die twee runout signaturen kan worden bepaald als Sa) = S'"(a + da) afhankelijk van de hoekverschuiving da tussen de respectieve rotatiehoeken. De belangrijkste stappen van het overeenkomstig ontwikkelde algoritme worden hieronder weergegeven. In overeenstemming met een uitvoeringsvorm worden, uitgaande van een gegeven temporeel signaal, de volgende vijf stappen uitgevoerd.

1. Tijdfiltering Het signaal wordt gefilterd door een bandblokfilter of een kamfilter rond 50 Hz en zijn veelvouden of harmonischen. De reden achter deze filtering is dat het lijkt alsof er een (ruis) signaal was op die 50 Hz frequentie, Het kan worden waargenomen door naar het spectrogram te kijken gedurende een periode waarin de eenheid een variabele snelheid had. De oorsprong van dit onderdeel is niet duidelijk, maar kan te wijten zijn aan elektromagnetische interferentie met het bewakingssysteem. Onder verwijzing naar deze specifieke uitvoering, wordt opgemerkt dat de 50 Hz filtering die wordt toegepast om een zeer specifieke reden, mogelijk niet nodig is volgens een andere uitvoering, of misschien is een ander soort tijdfiltering vereist volgens een andere uitvoering. In het algemeen (volgens de algehele uitvoering) wordt het signaal gefilterd door een meervoudig bandblokfilter en/of kamfilters. Het doel van deze filters is om ruis te verwijderen die verband houden met hoekonafhankelijke bronnen. Deze frequenties kunnen worden geïdentificeerd door naar het spectrogram te kijken gedurende een periode waarin de eenheid een variabele snelheid had. Een algemene term om in dit verband naar te verwijzen zou signal whitening van tijdsafhankelijke verschijnselen kunnen zijn. Tijdafhankelijke verschijnselen zijn cyclo-stationaire verschijnselen waarbij de cycluslengtes stabiel zijn, d.w.z. niet afhankelijk zijn van de snelheid van de machine.

2. Hoekige re-sampling Het signaal wordt geconverteerd van tijdconstante interval naar hoekconstante interval. Dit re- samplen vereist een schatting van de momentane snelheid van de as, waarbij deze schatting gebaseerd is op het volgen van de momentane frequentie van het signaal. Om de re-sampling uit te voeren, wordt de hoekintervalgrootte voldoende klein gekozen om alle informatie te behouden, d.w.z. met inachtneming van het Shannon-criterium.

3. Het signaal wordt gefilterd in het hoekdomein Het toepassen van een bandblok in de volgorde die overeenkomt met de volgorde van de snelle as (bijvoorbeeld in de volgorde van de versnellingsbaktandenverhouding) en al zijn veelvouden of harmonischen. Door een laagdoorlaatfilter toe te passen, worden alle orders verwijderd die lager zijn dan een bepaalde waarde,

4. Rotatie domein uitmiddeling Een cyclisch gemiddelde wordt op het signaal berekend om de ruis te verminderen. S(a) = 5, s(a + 2k) VaE[0, Zr]

Wanneer dit algoritme wordt toegepast op twee signalen beginnend op twee verschillende tijdstippen t1, t2 kan men twee runout signatuurschattingen S’ en S” verkrijgen. Als het echte verschil tussen hoekposities op t1 en t2 da is, wordt verwacht dat S'{a) = S"({a + da) mod 2 7).

De laatste stap voor het valideren van de haalbaarheid van de aanpak is daarom het automatisch identificeren van da’ van S’ en S” waardoor de twee signaturen opnieuw kunnen worden gesynchroniseerd. In het bijzonder moet de hoekverschuiving da’ dicht bij da liggen (bekend door gebruik van bijvoorbeeld de fasereferentie-informatie).

5. De identificatie van da’ van S'en S” Dit kan worden gedaan door te zoeken naar de waarde die de kruiscorrelatie tussen de twee signalen maximaliseert. Beschrijving van de tekeningen Figuur 1 (a) toont een stroomschema van een werkwijze voor het bepalen van een schatting 30 van de hoekpositie van een as, terwijl deze roteert, ten opzichte van een referentiepositie (te bepalen tijdens de werkwijze op basis van initiële meting) van de as, door gebruik te maken van metingen verkregen tijdens het roteren van de as. De werkwijze omvat het laden van tenminste twee meetdatasets 10, 20, waarbij deze meetdatasets bijvoorbeeld temporele datasets zijn. De ene meetdataset 10 wordt verkregen door de rotatie van de as op een eerste positie te starten, welke hierbij de referentiepositie wordt en een andere meetdataset 20 wordt verkregen door te starten op een tweede positie, welke hierbij de hoekpositie wordt, die onbekend is en nog moet worden bepaald. De werkwijze omvat verder het bepalen van de schatting 30 van de hoekpositie ten opzichte van de referentiepositie.

Figuur 1 (b) toont een verder stroomschema van de werkwijze voor het bepalen van een schatting 30 van de hoekpositie van een roterende as ten opzichte van een referentiepositie van de as, door gebruik te maken van metingen die zijn verkregen tijdens het roteren van de as. Hier omvat de werkwijze wederom het laden van ten minste twee meetdatasets 10, 20, waarbij deze meetdatasets bijvoorbeeld temporele datasets zijn, en waarbij één meetdataset 10 wordt verkregen door de rotatie op de referentiepositie te starten terwijl een andere meetdataset 20 is verkregen door te beginnen bij de hoekpositie, die onbekend is en nog moet worden bepaald. De werkwijze omvat nu ook het bepalen van 110, 120 een karakteristieke signaalsignatuur 40, 50 voor elk van de meetdatasets, en dit binnen de metingen als functie van de rotatiehoek. De werkwijze omvat verder het bepalen van de schatting 30 van de hoekpositie door het vergelijken van de bepaalde karakteristieke signaalsignaturen 40, 50. Opgemerkt wordt dat de signatuur 40 van de referentiepositie zal worden opgeslagen, zodra deze is bepaald. Daarom, volgens een uitvoeringsvorm (niet getoond), gerelateerd aan de praktijk tijdens "normale" operaties, wat een soort geïnitialiseerde toestand betekent waarin de referentiesignatuur reeds bepaald is, hoeven beide ten minste twee meetdatasets 10, 20 niet langer het uitgangspunt te zijn, maar volstaat het om signaalsignatuur 40 en datameting 20 als input te gebruiken. Daarom zal de operationele versie van de tool, in overeenstemming met een uitvoeringsvorm van de uitvinding, als input signaalsignatuur 40 en datameting 20 hebben.

Figuur 2 (a) laat zien dat uit één van de meetdatasets 10 ook de rotatiesnelheid 60 wordt bepaald in stap 300. Hier wordt dit geïllustreerd op de referentieset (REF) maar dit kan ook gebruikt worden op de andere set of op beide. Figuur 2 (b} illustreert een alternatieve uitvoeringsvorm waarbij de rotatiesnelheid 70 net is ingevoerd. De uitvoeringsvormen van deze figuren kunnen worden gecombineerd. Figuur 3 (a) toont een voorkeursuitvoeringsvorm waarin frequentiedomeinfiltering 400 wordt toegepast, terwijl Figuur 3 (b) een voorkeursuitvoeringsvorm toont waarin hoekdomeinfiltering 500 wordt toegepast,

Figuur 4 toont een uitvoeringsvorm met de onderliggende principes van de uitvinding, in dat de meting (onverwacht) een karakteristiek signaal laat zien (hier geïdealiseerd), goed genoeg om de schattingen te bepalen, in het bijzonder dat de gezochte rotatiehoek betrekking heeft op een tijdverschuiving van deze signatuur, die, wanneer correct vertaald in hoekcoördinaten, zich vertaalt in een hoekpositie.

Het is de bijdrage van de uitvinding om aan te tonen dat ook op realistische signalen met ruis nog steeds relevante schattingen kunnen worden bepaald.

Figuur 5 (a) toont een meer geprefereerde uitvoeringsvorm waarin zowel frequentiedomeinfiltering 400 als hoekdomeinfiltering 500 worden toegepast.

Figuur 5 (b) is gebaseerd op Figuur 1 (a) en laat verder zien dat aanvullende input, zoals informatie 80 over de motor (of apparatuur die kinematisch gerelateerd is aan de as), kan worden aangeleverd.

Verdere aanvullende output 90 met betrekking tot de kwaliteit van de schattingen wordt ook getoond.

De uitvoeringsvorm van Figuur 6 (a) toont de opstelling van een motor 620, een as 610 en een versnellingsbak 640, die allemaal samen een motor 600 definiëren, en de bijbehorende sensor 630, wiens signalen worden gebruikt door computersystemen 650, 660. A eerste computersysteem 650 wordt gebruikt om de hoekpositieschatting 30 van de as 610 te bepalen.

Een tweede computersysteem 660 wordt gebruikt om de motorperformantie 710 te bepalen met behulp van de hoekpositieschattingen 30 in een dergelijke performantieberekening, bijv. in het bijzonder gerelateerd aan trillingsgedrag.

Figuur 6 (b) toont een vooraanzicht van een dwarsdoorsnede 800 van de as 610 en hoe de schatting van de hoekpositie zal worden bepaald met betrekking tot de referentie (REF), zoals aangegeven door de pijl.

Met Figuur 7 wordt een andere stroomschema uitvoeringsvorm geïllustreerd van de werkwijze 700 voor het bepalen van een schatting van de hoekpositie 707 van een as in overeenstemming met de uitvinding.

Terwijl het ingangssignaal 701 als uitgangspunt wordt gebruikt, wordt de bepaling gekenmerkt door de processen van re-sampling 703, rotatiedomeinuitmiddeling 705 en kruiscorrelatie 706. Optioneel kunnen tijdens deze bepaling tijdfiltering 702 en cyclische filtering 704 ook geschikt zijn om te worden toegepast zoals aangegeven in de gestippelde vakken, Op basis van het ingangssignaal 701 kan de momentane frequentie 708 worden bepaald, waaruit op zijn beurt de signaalsnelheid 709 kan worden afgeleid.

De signaalsnelheid 709 hoeft niet noodzakelijk van het ingangssignaal 701 te komen, maar kan ook van elders bekend of ingevoerd 711 zijn, hier aangegeven door een extern signaal 710.

Claims (14)

Conclusies

1. Een werkwijze (700) voor het bepalen van een schatting (30, 707) van de hoekpositie van een as (610) ten opzichte van een referentiepositie van de as, door middel van metingen, waarbij de werkwijze de stappen omvat van: (i) het laden van ten minste twee meetdatasets, een eerste meetdataset (10) verkregen door het draaien van genoemde as op een eerste positie, waarbij deze de referentiepositie wordt en een tweede meetdataset (20) verkregen door te starten op een tweede positie, waarbij deze de genoemde hoekpositie wordt; (ii) voor elk van de meetdatasets, het omzetten van de eerste en tweede meetdatasets (10, 20) in een karakteristieke signaalsignatuur (40, 50) als functie van de rotatiehoek; en (iii) het bepalen (200) van genoemde schatting (30, 707) van genoemde hoekpositie door genoemde bepaalde karakteristieke signaalsignaturen (40, 50) te vergelijken.

2. De werkwijze (700) volgens conclusie 1, waarbij de metingen deel uitmaken van trillingsmetingen en bij voorkeur wordt de schatting gebruikt om de fasehoeken van één of meer van de trillingssignalen binnen die trillingsmetingen te berekenen.

3, De werkwijze (700) volgens conclusie 1 of 2, waarbij genoemde karakteristieke signaalsignatuur (40, 50) wordt veroorzaakt door onregelmatigheden van genoemde as, meer in het bijzonder onregelmatigheden in of aan het oppervlak van genoemde as.

4, De werkwijze (700) volgens conclusie 1 tot 3, waarbij genoemde metingen worden geleverd door sensoren (630), bij voorkeur wervelstroomsensoren.

5. De werkwijze (700) volgens conclusie 1 tot 4, waarbij genoemde stap (iii) gebaseerd is op het maximaliseren van een kruiscorrelatie tussen genoemde bepaalde karakteristieke signaalsignaturen (40, 50), meer in het bijzonder wordt genoemde schatting (30, 707) geleverd door de hoekverschuiving vereist om de maximale kruiscorrelatie te verkrijgen (706).

6. De werkwijze (700) volgens conclusie 1 tot 5, waarbij genoemde eerste meetdataset gerelateerd aan genoemde referentiepositie of genoemde tweede meetdataset gerelateerd aan genoemde hoekpositie of zowel genoemde eerste als tweede meetdatasets zich uitstrekken over meer dan één rotatie van genoemde as; en waarbij genoemde stap (ii) uitmiddeling (705) omvat over genoemde meer dan één rotatie.

7. De werkwijze (700) volgens conclusie 1 tot 6, waarbij uit genoemde metingen ook de asrotatiesnelheid (60, 709) gerelateerd aan één van genoemde meetdatasets (10, 20) of voor beide wordt bepaald of geschat (300) en waarbij genoemde stap (ii) re-sampling (703) van genoemde meetdatasets omvat in overeenstemming met overeenkomstige asrotatiesnelheid.

8. De werkwijze (700) volgens conclusie 1 tot 6, verder omvattende de stap van het invoeren (711) van de asrotatiesnelheid (70, 709) die wordt gebruikt voor het afstemmen van de overeenkomstige meetdataset en waarbij de genoemde stap (ii) re-sampling (703) van genoemde meetdatasets omvat in overeenstemming met overeenkomstige asrotatiesnelheid.

9. De werkwijze (700) volgens conclusie 1 tot 8, waarbij voorafgaand aan het uitvoeren van stap (ii) een frequentiedomeinfiltering (400) wordt toegepast op genoemde meetdatasets.

10. De werkwijze (700) volgens conclusie 1 tot 9, waarbij voorafgaand aan het uitvoeren van stap (iii) een hoekdomeinfiltering (500) wordt toegepast op genoemde bepaalde karakteristieke signaalsignatuur (40, 50), bij voorkeur wordt informatie (80) ingevoerd over een motor die is aangesloten op genoemde as en wordt genoemde hoekdomeinfiltering (500) afgeleid uit genoemde informatie (80).

11. De werkwijze (700) volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij voorafgaand aan het uitvoeren van stap (iii) elk van de bepaalde karakteristieke signaalsignaturen (40, 50) opnieuw geschaald wordt om het berekenen van een maat voor de kwaliteit (90) van de schatting (30, 707) van de hoekpositie van de as te vergemakkelijken.

12. De werkwijze (700) volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij het bepalen van de schatting (30, 707) in wezen alleen de metingen gebruikt.

13. Een meetopstelling toegepast op een as voor het bepalen van een schatting (30, 707) van de hoekpositie van die as ten opzichte van een referentiepositie van die as door middel van metingen, waarbij de meetopstelling omvat: (I) een sensor (630) die in staat is om, indien aangebracht in de buurt van genoemde as, metingen uit te voeren; en (Il) een computeromgeving (650, 660), aangepast voor het uitvoeren van één van de werkwijzen volgens conclusies 1 tot 12.

14. De meetopstelling volgens conclusie 13, verder omvattende een motor (600), omvattende ten minste één as (610), en mogelijk omvat de meetopstelling verder een motor (620) met een versnellingsbak (640).