CN103487134A - 坎贝尔图显示装置及其实施方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于产生坎贝尔图显示装置(132)的方法和系统，坎贝尔图显示装置用于示出移动装置(例如旋转机械)的振动特性。对照装置的旋转速度，记录表示振动幅度和频率的数据。该数据用于产生表示装置的正向和/或逆向振动频率的波形。波形转而用于产生频谱线包络线(134)以提供指示在特定旋转速度下装置的振动幅度的增进的二维图像。频谱线包络线(134)可以为空心，填充有一个或多个颜色、或者其他图示特征以向包络线赋予密实度，以增强可视性。

Description

坎贝尔图显示装置及其实施方法和系统
技术领域
本发明一般地涉及仪器显示装置，并且更具体地涉及用于测试、监视和制造装备中的显示装置。
背景技术
坎贝尔图用于图示在旋转机械(例如涡轮机)启动或关闭期间获得的一组频谱。坎贝尔图可以图示试验测量的振动响应频谱，其随着正测试的装置的轴旋转速度而变化。
已知坎贝尔图以不同的格式呈现信息。某些已知的图采用颜色编码的高密度频谱数据。其他的图采用圆圈来表示频谱幅度。另外其他的图还仅沿着阶次斜线(order line diagonal)绘制频率。还有其他的图采用倾斜线，这些倾斜线的长度表示频谱幅度。这些方法中每一者代表企图以紧凑形式表示复杂数据，这经常需要在视觉效果水平或诉求与实质内容之间进行权衡。
但是，已知的坎贝尔图经常遇到数据密度问题，这是由于坎贝尔图的创作者试图在图中表示太多的数据。此外，已知的坎贝尔图经常采用导致图在视觉上过分渲染并且难以理解的图示技术和传统方法。
期望提供使得旋转机械的振动频谱能够以视觉干净并仍然充满内容的方式被示出的坎贝尔图显示系统和方法。
发明内容
在一方面，提供一种用于以坎贝尔图形式指示移动装置的特性的方法。该方法包括利用控制装置来测量并记录在多个旋转速度中的每一者下与装置的振动的幅度和频率相对应的波形数据。该方法还包括处理振动的幅度和频率的波形数据，以产生至少一个频谱线，频谱线表示与装置的预定旋转速度相对应的装置振动的测量和记录的幅度和频率。该方法还包括根据至少一个频谱线产生频谱线包络线。该方法还包括将频谱线包络线绘制成表示所述移动装置的旋转振动特性的坎贝尔图。该方法还包括填充频谱线包络线以产生视觉上实心的二维图像，该二维图像代表在装置的预定旋转速度下涵盖一定范围振动频率的装置的振动幅度。
进一步地，根据所述频谱线产生频谱线包络线的步骤包括：关于零幅度线镜像所述至少一个频谱线。
进一步地，将波形包络线绘制成表示所述装置的旋转振动特性的坎贝尔图的步骤包括：定位所述频谱线包络线，以使得所述零幅度线在与感兴趣的所述预定旋转速度相对应的位置处垂直于所述坎贝尔图的RPM轴延伸。
进一步地，所述方法还包括如下步骤：产生结合有填充的频谱线包络线的所述坎贝尔图的图像；和在显示装置上显示所述坎贝尔图的图像。
进一步地，所述方法还包括如下步骤：过滤数据以去除与预定标准相对应的数据点。
进一步地，过滤数据以去除与预定标准相对应的数据点的步骤包括下列至少一项：去除在预定采样间隔测量和记录的数据点；和去除在预定旋转速度间隔测量和记录的数据点。
进一步地，所述方法还包括如下步骤：显示多个填充的波形包络线，所述多个填充的波形包络线表示与多个感兴趣的旋转速度相对应的多个数据组。
进一步地，所述方法还包括如下步骤：水平标度每个频谱线。
进一步地，填充所述频谱线包络线以产生代表在所述装置的所述预定旋转速度下涵盖一定范围振动频率的所述装置的振动幅度的视觉上实心的二维图像的步骤包括下列各项中的一者：利用单一连续颜色填充所述频谱线包络线；根据所描绘的振动幅度的大小，利用平滑过渡颜色填充所述频谱线包络线。
进一步地，所述至少一个频谱线包括正向频率频谱线和逆向频率频谱线；并且根据所述至少一个频谱线产生频谱线包络线的步骤包括在零幅度线的相反侧上绘制正向频谱线和逆向频谱线。
在另一方面，提供一种用于以坎贝尔图形式显示移动装置的特性的系统。该系统包括控制装置，该控制装置构造成测量并记录在多个旋转速度中的每一者下与装置的振动的幅度和频率相对应的波形数据。该控制装置还构造成处理幅度和振动波形数据，以产生至少一个频谱线，频谱线表示与装置的预定旋转速度相对应的装置振动的测量和记录的幅度和频率。该控制装置还构造成根据至少一个频谱线产生频谱线包络线。该控制装置还构造成将频谱线包络线绘制成表示装置的旋转振动特性的坎贝尔图。该控制装置还构造成填充频谱线包络线以产生视觉上实心的二维图像，该二维图像代表在装置的预定旋转速度下涵盖一定范围振动频率的装置的振动幅度。该系统还包括构造成显示坎贝尔图的图像的显示装置。
进一步地，所述控制装置构造成关于零幅度线镜像所述至少一个频谱线。
进一步地，所述控制装置构造成定位所述频谱线包络线，以使得所述零幅度线在与感兴趣的所述预定旋转速度相对应的位置处垂直于所述坎贝尔图的RPM轴延伸。
进一步地，所述控制装置构造成过滤数据以去除与预定标准相对应的数据点。
进一步地，所述控制装置构造成执行如下步骤的至少一个：去除在预定采样间隔测量和记录的数据点；和去除在预定旋转速度间隔测量和记录的数据点。
进一步地，所述显示装置构造成显示多个填充的波形包络线，所述多个填充的波形包络线表示与多个感兴趣的旋转速度相对应的多个数据组。
进一步地，所述控制装置构造成水平标度每个频谱线。
进一步地，所述控制系统构造成执行如下步骤中的至少一个：利用单一连续颜色填充所述频谱线包络线；根据所描绘的振动幅度的大小，利用平滑过渡颜色填充所述频谱线包络线。
进一步地，所述至少一个频谱线包括正向频率频谱线和逆向频率频谱线；所述控制装置构造成从至少一个频谱线生成频谱线包络线，且该生成步骤包括在零幅度线的相反侧上绘制正向频谱线和逆向频谱线。
附图说明
图1是结合有坎贝尔图显示装置的示例性实施例的示例性测量系统的示意图。
图2是结合有级联图的常规显示装置的示图。
图3是常规坎贝尔图显示装置的示图。
图4是示例性坎贝尔图显示装置的示图。
图5A至图5C共同形成示出用于产生示例性坎贝尔图显示装置的示例性方法的流程图。
图6是示例性半频谱和全频谱的坎贝尔图频谱包络线图的并排示图。
图7示出用于全频谱的频谱包络线的示例性坎贝尔图显示装置。
图8是用于标度示例性坎贝尔图显示装置的可替换示例性过程的部分流程图。
具体实施方式
尽管本发明的各种实施例的具体特征在某些附图中示出而未在其他附图示出，这只是为了简便。根据本发明的原理，附图的任意特征可以与任意其他附图的任意特征相结合被引用和/或要求权利。
图1是示例性测量系统100的示意图，测量系统100可以呈现出显示装置130，显示装置130可以呈现出本发明的坎贝尔图的示例性实施例。坎贝尔图可以设置成显示系统的一部分，显示系统转而可以结合于整个设备控制系统中，其中“设备控制系统”应当理解为不仅包括实际调节装置或机械的操作的系统，还包括诸如监视或测量系统(例如图1中所示的测量系统100)的系统。例如，测量系统100可以包括一个或多个传感器102，传感器102连接到受测试的装置101(例如旋转机械的轴或安装结构)，传感器102类似地连接到支撑和提供显示装置130的显示系统104。显示系统104可以包括一个或多个处理器106，处理器106构造成接收由(多个)传感器102提供的(多个)原始信号103。在示例性实施例中，控制面板108使得用户能够选择性地构造显示在例如图4中所示的显示装置130(或本文中示出和/或描述的任意其他显示装置)上的坎贝尔图图像132，并且选择(多个)处理器106由从(多个)传感器102传送的(多个)原始信号103得到的数值。显示系统104例如可以是适当编程的台式或膝上型计算机，其中台式或膝上型计算机的内部处理器用作(多个)处理器106，台式或膝上型计算机的键盘用作控制面板108，台式或膝上型计算机的屏幕将显现为显示装置130。
如本文所使用的，术语“处理器”不限于只是在本领域中称作计算机的集成电路，而是广泛地指微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路，这些术语在本文中可交换地使用。在本文描述的实施例中，存储器可以非限制性地包括计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))、和计算机可读非易失性介质(例如闪速存储器)。可替换地，还可以使用软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字通用光盘(DVD)。此外，在本文描述的实施例中，附加输入通道可以非限制性地为与操作员接口关联的计算机外围设备(例如鼠标和键盘)。可替换地，还可以使用的其他计算机外围设备可以包括(举例而言而不限于)扫描仪。此外，在示例性实施例中，附加输出通道可以非限制性地包括操作员接口监视器。
图2和图3分别示出结合有常规级联图(cascade plot)112和常规坎贝尔图122的常规显示装置110、120。
级联图112(有时也称作“瀑布”图、频谱图或累积频谱衰变图)是三维绘图的二维表现，用于示出二维信息如何随着时间或某些其他变量改变。在旋转机械的环境中，在图2中，大致水平的线114表示振动的幅度(“峰值”的高度)，其根据受测试的旋转装置的RPM(每分钟转数)对在指示的旋转速度下的振动频率而绘制。斜线116是“阶次”线，这些阶次线表示作为受测量的旋转速度的倍数的激励频率。线114绘制成指示振动频率和幅度，作为连接到受测试的旋转装置的测量传感器(未示出)的直接结果。阶次线116是叠加在线114上的计算线。
为获得显示装置120的坎贝尔图122(图3中所示)，级联图112被旋转九十度(90°)并翻转，以使得旋转速度(RPM)变成x轴，而振动频率(通常以赫兹(Hz)来计量)变成y轴。线124继续表示在指定旋转速度下的振动幅度，阶次线126类似地继续表示作为受测量的旋转速度的倍数的激励频率。同样地，线124表示由直接测量结果绘制的振动频率和幅度，而线126是计算的并叠加在绘图上。模态自然频率线128附加地叠加在显示装置120上，表示会产生谐振(放大的振动)的频率。尤其是，线128一般地沿着线124和126的交叉点。
图4是示出坎贝尔图132的示例性坎贝尔图显示装置130的示图。阶次线136和模态自然频率线138被感测和/或计算，并以与图3的坎贝尔图122的相应线126和128相同的方式进行绘制。振动频率/幅度频谱线对134被绘制成关于特定RPM值成镜像对称的填充包络线，在该特定RPM值处测量频率和幅度，因此提供对感兴趣的振动幅度的增强观察和鉴别。
图5A至图5C共同形成示出用于感测系统100的装置101中的振动的方法200的流程图。一个或多个用户将传感器102(例如振动感测电压换能器)添加到装置101并且在其他方面进行用于系统100的所有必要连接。方法200开始于涵盖一定范围的操作速度收集202测试数据，该数据包括表示来自换能器的(多个)时变动态电压信号或波形的一组或多组数据点。对传感器数据的采样可以随着增大/减小旋转速度而逐步地进行(例如以10rpm间隔或某些其他间隔)。作为可选方面，系统100可以适当地构造(编程)成以预定间隔(例如每第2个样本、每第3个样本、每第10个样品等)和/或预定rpm间隔弃用采样的数据。在记录传感器数据之后，系统100判定204是否已经选择数据弃用。如果已经选择数据弃用，则系统100根据预定的上述一个或多个标准弃用206数据。
在已经根据预定标准弃用206数据之后，或者如果没有选择数据弃用，则系统100然后判定208是否应用窗口函数。“窗口函数”指的是用于例如通过使一连串数据的端点扁平化到零、通过对连续多串数据进行插值以确保该多串数据的端点顺利融合等处理波形的标准化常规方法。这些数据处理技术对于本领域技术人员来说是众所周知的。如果如此构造系统100，则系统100将窗口函数应用210到每个收集的波形。一旦以这种方式处理之后，或者如果系统100构造成不应用窗口函数，则系统100对每个波形执行212快速傅里叶变换操作(“FFT”)，这进行操作来计算信号中的频率成分(frequency content)。系统100然后判定214用户已经选择产生的处理频谱线的什么形式的标度(对数或线性)。如果用户选择对数标度216，则系统100在进行进一步处理之前将频谱线转变成对数标度。在标度之后，或者如果没有选择标度，则系统100判定218连续波形数据样本之间的最小速度(RPM)差，判定220在全频谱范围内的最大频谱幅度(maxamp)；并计算222标度因子(scale factor)以使得频谱线可以被适当地显示在显示装置130上。标度因子被计算为等于最大全频谱幅度maxamp除以最大rpm标度值rpmamp。可以使用rpmamp的默认值(例如100rpm)，或者maxamp是用户可配置的。当标度时，最大全频谱幅度将覆盖绘图上的rpmamp rpm的水平范围。系统100然后将从收集的波形数据得出的所有频谱线乘以224标度因子(以使得频谱幅度的单位是RPM)，并且构建226频谱线绕其相应零幅度线的镜像副本以产生频谱线对或频谱包络线。
系统100然后绘制228坎贝尔图上的每个频谱线对(参见例如图4中所示的显示装置130上的图132)，其中零幅度线位于与特定波形数据样本相对应的RPM位置以产生频谱线对(或包络线)134；并绘制230频谱线对之间(频谱包络线内部)的实心填充以产生实心轮廓。为本文描述的目的，“实心”表示利用一种或多种颜色、点画、阴影或能够向由镜像频谱线所限界的区域赋予密实度或连续效果的任意其他说明性特征，来填充由线所限定的区域。
如果系统100被构造成这样操作并且用户这样选择，则系统100去除232在波形的幅度小于由用户选择的阈值(例如，0＜阈值＜95)除以(100×标度因子×(在步骤220确定的)最大幅度)情况下的所有频谱数据。这个步骤促进去除背景噪声，并使得产生的频谱线绘图清晰并显得突出。系统100可以构造成向用户提供给波形图的填充部分按照局部幅度进行着色234的选项(例如，采用蓝色来表示最低可见幅度，对于最大幅度改变成红色)。系统100然后236从n等于1到n等于nmax中增加nX阶次线，nmax是可由用户在0和一定最大值(例如20)之间选择的整数，默认值为10，但是可以使用任意期望的默认值。系统100将阶次线绘制成显现在频谱包络线绘图“下方”，并利用适当的标示来标出阶次线。系统100然后238在频谱包络线134上方以(多种)对比色(根据由用户提供的数据)绘制模态自然频率线，并应用适当的识别文本(如需要并可用)。系统100通过在感兴趣的RPM处叠加地绘制240竖直线139(例如，图4中所示的具有对比色(如红色)的线139)，并利用用户选择的感兴趣RPM的数值或者装置101的实际操作速度来标记竖直线139，以完成示例性坎贝尔图132。
已参照装置的振动幅度和频率的半频谱图(也称作常规频谱或单一信号的频谱)描述了示例性坎贝尔图132和相应方法200。在另一示例性实施例中，系统100构造成提供正向振动频率和逆向振动频率两者的频谱，其中正向频率表示与机械转子的旋转方向处于相同角度方向的2维振动，逆向频率表示与机械转子的旋转方向处于相反角度方向的振动。图6是示例性半频谱300和全频谱302的坎贝尔图频谱包络线图的并排示图。在示例性实施例中，系统100构造成利用对比色或者使用其他显示技术来填充全频谱图302的正向和逆向部分，以确保用户有能力分清波形图的正向和逆向部分之间的差别。
图7示出用于全频谱的频谱包络线的示例性坎贝尔图显示装置330。图332包括全频谱的频谱包络线334，以及阶次线336、感兴趣的RPM线339、和正向与逆向模态自然频率线338a和338b，这些线可以用不同颜色、不同线型、或任意其他适合方式示出，以使得用户能够区分这些线。在示例性实施例中，正向线338a绘制在逆向线338b上方。此外，正向和逆向自然频率线338a、338b可以被着色或以其他方式描述成对应于频谱包络线图334的正向和逆向部分的图示模式。
图8是用于标度示例性坎贝尔图显示装置的可替换示例性过程的部分流程图，这是参照图5B所示并描述的过程的扩展。在子方法400中，子方法400适合于示例性坎贝尔图334中的正向和逆向频谱包络线的图示，系统100构造成根据收集的数据来判定402在所有记录的正向振动频谱上的最大振动幅度(maxamp)。如前所述，maxamp是针对特定测试阶段在整个多频谱数据组中记录的最大幅度峰值。系统100然后计算(404)标度因子，标度因子等于RPMamp除以maxamp，其中RPMamp是在1和10,000之间可由用户选择的因子，并且具有默认值例如100。系统100然后406将所有频谱线乘以刚计算的标度因子，并绘制408(用于半频谱图的)镜像频谱线对或者用于全频谱的频谱包络线的非对称图。在示例性实施例中，如果采用默认RPMamp值100，则频谱包络线图的正向频率(右)侧上的最大量值幅度将是该图上的100RPM，所有其他幅度更小。
在示例性系统100中，在完成旋转机械(例如涡轮机)的完整测试运行之后，在该机械的启动或停机期间，将产生坎贝尔图132。在可替换的示例性系统100中，系统100构造成以恒定旋转速度产生单一频谱包络线的实时的坎贝尔图显示装置，该恒定旋转速度是在当时该旋转机械的稳态RPM。
与已知坎贝尔图显示装置相比，上述实施例提供用于更有效地显示坎贝尔图显示装置中增加的信息量的方法和系统。例如，表示半频谱或全频谱的频谱线的填充包络线提供对在遇到过度振动时的旋转速度的改进和更突出的指示，而不必在显示装置中提供具体数值数据。此外，对于全频谱的频谱包络线，正向和逆向频率之间的差别在视觉上被突出并更易于彼此区别。
上文详细描述了坎贝尔图显示装置及其实施方法的示例性实施例。装置、方法和系统不限于本文描述的具体实施例，相反，装置和/或系统的部件和/或方法的步骤可以与本文描述的其他部件和/或步骤独立地并分离地使用。例如，坎贝尔图显示系统还可以与其他测量系统和方法结合使用，并且不限于与本文描述的振动测量系统一起实施。
本书面说明书使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，还使得任意本领域技术人员可实践本发明(包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法)。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等同结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于以坎贝尔图(132)形式指示移动装置的特性的方法(200)，包括如下步骤：
利用控制装置来测量并记录(202)与在多个旋转速度中的每一者下所述移动装置的振动的幅度和频率相对应的波形数据；
处理(208，210，212，214，216，218，220，222，224)幅度和振动波形数据，以产生至少一个频谱线，所述频谱线表示与所述装置的预定旋转速度相对应的装置振动的测量和记录的幅度和频率；
根据所述至少一个频谱线产生(226)频谱线包络线(134)；
将所述频谱线包络线(134)绘制(228)成表示所述装置的旋转振动特性的坎贝尔图(132)；和
填充(230)所述频谱线包络线(134)以产生代表在所述装置的所述预定旋转速度下涵盖一定范围振动频率的所述装置的振动幅度的视觉上实心的二维图像。
2.根据权利要求1所述的用于以坎贝尔图(132)形式指示移动装置的特性的方法(200)，其特征在于，根据所述频谱线产生频谱线包络线(134)的步骤包括：
关于零幅度线镜像(226)所述至少一个频谱线。
3.根据权利要求2所述的用于以坎贝尔图(132)形式指示移动装置的特性的方法(200)，其特征在于，将波形包络线(134)绘制成表示所述装置的旋转振动特性的坎贝尔图(132)的步骤包括：
定位(240)所述频谱线包络线(134)，以使得所述零幅度线在与感兴趣的所述预定旋转速度相对应的位置处垂直于所述坎贝尔图(132)的RPM轴延伸。
4.根据权利要求1所述的用于以坎贝尔图(132)形式指示移动装置的特性的方法(200)，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
产生结合有填充的频谱线包络线的所述坎贝尔图(132)的图像；和
在显示装置上显示所述坎贝尔图(132)的图像。
5.根据权利要求1所述的用于以坎贝尔图(132)形式指示移动装置的特性的方法(200)，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
过滤(204，232)数据以去除与预定标准相对应的数据点。
6.根据权利要求5所述的用于以坎贝尔图(132)形式指示移动装置的特性的方法(200)，其特征在于，过滤(204)数据以去除与预定标准相对应的数据点的步骤包括下列至少一项：
去除在预定采样间隔测量和记录的数据点；和
去除在预定旋转速度间隔测量和记录的数据点。
7.根据权利要求1所述的用于以坎贝尔图(132)形式指示移动装置的特性的方法(200)，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
显示多个填充的波形包络线，所述多个填充的波形包络线表示与多个感兴趣的旋转速度相对应的多个数据组。
8.根据权利要求7所述的用于以坎贝尔图(132)形式指示移动装置的特性的方法(200)，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
水平标度(224)每个频谱线。
9.根据权利要求1所述的用于以坎贝尔图(132)形式指示移动装置的特性的方法(200)，其特征在于，填充(230)所述频谱线包络线(134)以产生代表在所述装置的所述预定旋转速度下涵盖一定范围振动频率的所述装置的振动幅度的视觉上实心的二维图像的步骤包括下列各项中的一者：
利用单一连续颜色填充所述频谱线包络线(134)；
根据所描绘的振动幅度的大小，利用平滑过渡颜色填充(234)所述频谱线包络线(134)。
10.根据权利要求1所述的用于以坎贝尔图(132)形式指示移动装置的特性的方法(200)，其特征在于，所述至少一个频谱线(302)包括正向频率频谱线和逆向频率频谱线；并且
根据所述至少一个频谱线产生频谱线包络线(134)的步骤包括在零幅度线的相反侧上绘制正向频谱线和逆向频谱线。
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