CN107894960B - 机器振动数据的采集后同步 - Google Patents

Abstract

一种机器数据采集系统，其使用转速计定时信息来执行由多个传感器异步采集的测量数据的采集后同步。在机器预测分析系统中，通常使用从转速计信号导出的定时信息来进行每次旋转的测量计算。由事件触发的数字输入检测到的转速计键信号也可用于后同步测量数据。尽管单独使用时间戳完成采集后的同步不够精确，但是转速计键信号和时间戳的结合可以足够准确地进行采集后的同步。

Description

机器振动数据的采集后同步

技术领域

本发明涉及机器数据采集领域。更具体地说，本发明涉及一种用于在采集数据之后对来自多个数据采集传感器的数据进行时间同步的系统。

背景技术

对于在机器监控系统中采集的数据进行有意义的分析，从多个传感器采集的数据应尽可能同步。在一些特殊的机器性能预测系统中，数据在采集时是同步的。在异步采集数据的其他系统中，数据必须在采集和存储数据后进行同步。虽然时间戳可以在一定程度上用于采集后同步，但是时间戳的准确性通常不足以用于某些分析应用程序所需的精确同步。

因此，需要一种用于在分析之前对来自多个传感器的机器数据进行精确的采集后同步的系统。

发明内容

通过使用转速计定时信息对由多个传感器异步采集的测量数据进行采集后同步的系统来满足上述和其它需求。在机器预测分析系统中，通常使用从转速计信号(本文中也称为“键信号”)导出的定时信息来进行每次旋转的测量计算。根据本发明的实施例，由事件触发的数字输入检测到的键信号也可用于后期同步测量数据。虽然单独的时间戳不足以用于采集后同步，但是使用本文描述的系统，键信号和时间戳的组合可以足够准确地用于采集后同步。

该系统的优选实施例实现了一种用于在采集数据之后对来自多个机器数据采集传感器的数据进行时间同步的方法。该方法包括：

(a)使用附接到机器或设置在机器附近的第一传感器采集指示机器性能的第一组数据；

(b)使用附接到机器或设置在机器附近的第二传感器采集指示机器性能的第二组数据；

(c)使用附接到机器或设置在机器附近的第三传感器检测机器旋转以产生依赖于机器部件转速的第一组定时脉冲，所述第一组定时脉冲在时间上以第一时间间隔隔开；

(d)基于所述第一组定时脉冲产生第二组定时脉冲，其中所述第二组定时脉冲包括在时间上以第二时间间隔隔开的定时脉冲；

(e)产生包括第一组数据和第二组定时脉冲的第三组数据；

(f)产生包括第二组数据和第二组定时脉冲的第四组数据；

(g)确定第三组数据中的定时脉冲与第四组数据中相应的定时脉冲之间的偏移量；和

(h)基于偏移量移位第三组数据中的所有数据样本，以使第三组数据与第四组数据进行时间对准，

-或者-

基于偏移量在时间上移位第四组数据中的所有数据样本，以使第四组数据与第三组数据进行时间对准。

在一些实施例中，步骤(d)包括产生第二组定时脉冲以包含第一组定时脉冲中的至少一部分，其中第二组定时脉冲与第一组定时脉冲交织(interspersed)。

在一些实施例中，步骤(d)包括产生具有不同于第一组定时脉冲的脉冲特性的第二组定时脉冲。

在一些实施例中，步骤(d)包括产生比第一组定时脉冲宽的第二组定时脉冲。

在一些实施例中，第二时间间隔大于第一时间间隔。

在一些实施例中，步骤(d)包括生成第二组定时脉冲，以包含对应第一和第二组数据中的每个测量间隔的第二组定时脉冲中的一个。

在一些实施方案中，步骤(g)包括：

-在所述第三组数据内识别出对应所述第二组定时脉冲中一定时脉冲的前沿或后沿的数据样本；

-在所述第四组数据内识别出对应所述第二组定时脉冲中一定时脉冲的前沿或后沿的数据样本；和

-基于所述第三组数据中的所识别的数据样本与所述第四组数据中的所识别的数据样本之间的时间间隔或样本差来确定所述偏移值。

在一些实施例中，第一和第二传感器是振动传感器.

该方法的一些实施例包括：

(i)使用附接到机器或设置在机器附近的附加传感器采集指示机器性能的附加数据组；

(j)对于每一组附加数据，生成包括附加数据组和第二组定时脉冲的一组数据；

(k)对于每一组附加数据，确定在第三组数据中的定时脉冲和附加数据组中的相应定时脉冲之间的偏移量；和

(l)在每一组附加数据中，基于偏移量移位所有数据样本，以使附加数据组与第三组数据进行时间对准。

在另一方面，本发明的实施例提供一种用于在采集数据之后对来自多个机器数据采集传感器的数据进行时间同步的装置。该装置包括附接到机器或设置在机器附近的分别用于采集指示机器性能的第一和第二组数据的第一和第二传感器。附接到机器附近或设置在机器附近的第三传感器产生取决于机器部件的转速的第一组定时脉冲。第一组定时脉冲在时间上以第一时间间隔隔开。该装置包括第一信号处理电路，其基于第一组定时脉冲产生第二组定时脉冲。第二组定时脉冲包括在时间上以第二时间间隔隔开的定时脉冲。第二信号处理电路产生包括第一组数据和第二组定时脉冲的第三组数据。第二信号处理电路还产生包括第二组数据和第二组定时脉冲的第四组数据。该装置包括数据分析计算机，其接收第三组数据和第四组数据，并执行确定第三组数据中的定时脉冲与第四组数据中的对应定时脉冲之间的偏移值的软件指令。数据分析计算机还执行基于偏移量移位第三组数据中的所有数据样本以使第三组数据与第四组数据进行时间对准的软件指令。或者，数据分析计算机执行基于偏移量移位第四组数据中的所有数据样本以使第四组数据与第三组数据进行时间对准的软件指令。

在该装置的一些实施例中，第一信号处理电路产生第二组定时脉冲以至少包含第一组定时脉冲中的一部分，并且包含与第一组定时脉冲交织的第二组定时脉冲。

在该装置的一些实施例中，第一信号处理电路产生具有与第一组定时脉冲不同的脉冲特性的第二组定时脉冲。

在该装置的一些实施例中，第一信号处理电路产生比第一组定时脉冲更宽的第二组定时脉冲。

在该装置的一些实施例中，第二时间间隔大于第一时间间隔。

在该装置的一些实施例中，第一信号处理电路产生第二组定时脉冲，以包含对应第一和第二组数据中的每个测量间隔的第二组定时脉冲中的一个脉冲。

在装置的一些实施例中，数据分析计算机执行软件指令，软件指令通过以下方式确定第三组数据中的定时脉冲与第四组数据中的相应定时脉冲之间的偏移量：

-在所述第三组数据内识别出对应所述第二组定时脉冲中一定时脉冲的前沿或后沿的数据样本；

-在所述第四组数据内识别出对应所述第二组定时脉冲中一定时脉冲的前沿或后沿的数据样本；和

-基于所述第三组数据中的所识别的数据样本与所述第四组数据中的所识别的数据样本之间的时间间隔或样本差来确定所述偏移量。

在该装置的一些实施例中，第一和第二传感器包括振动传感器。

该装置的一些实施例包括附接到机器或设置在机器附近的多个附加传感器，用于采集指示机器性能的附加数据组。对于每一组附加数据，多个附加信号处理电路各自生成包括附加数据组和第二组定时脉冲的一组数据。对于每个附加的数据组，数据分析计算机执行确定第三组数据中的定时脉冲与附加数据组中的相应定时脉冲之间的偏移量的软件指令。数据分析计算机还执行基于偏移量移位附加数据组中的所有数据样本以使附加数据组与第三组数据进行时间对准的软件指令。

在该装置的一些实施例中，第一和第二信号处理电路包括单个信号处理电路。

在该装置的一些实施例中，第一和第二信号处理电路中的一个或两者都包括数据采集卡。

附图说明

通过参考附图的详细描述，本发明的其它实施例将变得显而易见，其中元件不是按比例的，以便更清楚地显示细节，其中相同的附图标记在多个视图中表示相同的元件，并且其中：

图1示出了根据本发明的实施例的机器数据采集和分析系统；

图2示出了具有传感器信号，键信号和时间戳的示例性机器数据波形；

图3示出了根据本发明的实施例的具有传感器信号和宽、窄键信号的示例性机器数据波形；

图4示出了具有两个异步传感器信号的示例性机器数据波形，其中根据本发明的实施例，传感器信号中的一个被移位以使信号同步；

图5示出了根据本发明的实施例用于机器测量数据采集后的同步方法中的步骤；和

图6示出了两个异步传感器信号的时钟脉冲，其中根据本发明的替代实施例将一个传感器信号移位，以使信号同步。

具体实施方式

如图1所示，机器数据采集和分析系统10包括用于感测与机器12操作有关的信息的多个传感器14a-14c，例如振动和转速。图5示出了使用系统10同步采集的数据的示例性过程100中的步骤。传感器14a可以是转速计，其基于机器12旋转轴上的键22的检测而产生模拟转速计信号。模拟转速计信号由数据采集卡16a进行调节和采样并基于模拟转速计信号产生数字转速表数据(图5中的步骤106)。例如，数据采集卡16a可以是作为CSI 6500ATG机械保护系统的组件的CSI A6500-UM通用测量卡。传感器14b和14c可以是振动传感器，如压电传感器，其产生指示机器12上不同位置处振动级别的模拟振动信号。应当理解，传感器14b和14c可以包括其他类型的传感器，例如作为温度传感器，压力传感器，电压传感器，涡流传感器或超声波传感器。因此，本发明的实施例不限于振动传感器。

由数据采集卡16b及16c调节和采样来自传感器14b和14c的模拟振动信号，生成基于模拟振动信号的数字振动数据(步骤102和104)。基于从传感器14B和14C测量所产生的数字振动数据组是第一组数据和第二组数据的例子，这也是本文所指的机器数据。数据采集卡16a-16c是信号处理电路的示例，这也是本文所指的用于调节信号和采样数据的电路。虽然图1中所示的简化示例包括单个转速计信号信道且只有两个振动信号通道，但是该系统的各种实施例可以包括多个转速表通道和两个以上的振动通道。

图2示出了诸如由传感器14b或14c中的任一个产生的振动信号24的时间波形，和诸如由转速计14a产生键信号脉冲26的示例。键信号脉冲26是第一组定时脉冲的示例，该短语在本文中也指定时信号。在该示例中，机器12以3000转/分钟运行，以20毫秒间隔产生的键信号脉冲26。分离键信号脉冲26的时间间隔是第一固定时间间隔的示例，在本文也指定时脉冲之间的时间间隔。

在优选实施例中，每个数据采集卡16a-16c产生嵌入在传感器数据的每个数据块中的时间戳。例如，时间戳数据可以以100毫秒的间隔嵌入传感器数据中。每个时间戳表示由系统生成的日期和时间，也是该时间戳被嵌入的日期和时间。时间戳在数据中的放置可能精确至±10毫秒。因此，当比较来自两个传感器通道的数据时，在两个通道中的两个时间戳之间可能存在高达40毫秒(±20)的实际时间差，则表示是由完全相同的系统生成的时间。图2中时间戳28宽的部分表示±20毫秒的不确定范围。这表明为什么单独使用时间戳来对齐来自多个通道的数据是不够准确的。

根据图3所示的优选实施例，以预定间隔(即，一秒间隔)，转速计数据采集卡16a合成比其他键脉冲26更宽的键脉冲30(图5中的步骤108)。分离宽键脉冲30的时间间隔是第二固定时间间隔的示例，在本文中也指定时脉冲之间的时间间隔。宽键脉冲30的速率的产生取决于机器12的测量时间间隔和最大速度。在每个测量间隔(数据块)内应该有一个宽键脉冲30用于正确的数据对准。宽键脉冲30是第二组定时脉冲的示例，在这里也指定时脉冲之间的时间间隔。宽键脉冲30由数据采集卡16a检测，宽键脉冲30或与宽键脉冲30的上升沿或下降沿对齐的振动数据样本32与每个测量的振动数据一起存储通道(步骤110和112)。由两个测量通道的振动数据与定时脉冲的组合产生的数据组是第三和第四组数据的示例，在本文中也称为数据组。

在采集后(post-collection)的过程中，异步采集的两个或多个信道的数据可以使用宽键脉冲30进行同步，或者使用与宽脉冲30的上升或下降边缘相对应的数据样本。例如，如图4所示，在同步过程之前，由于一个数据采样周期的时间差，信号A数据和信号B数据不对齐。确定振动数据样本32a和振动数据采集32b之间的时间差(步骤114)，并根据这个时间差，信号B在时间上移位与信号A对齐(步骤116)。或者，信号A在时间上移位以与信号B对准。在优选的实施例中，移位过程由在数据分析计算机20上执行的软件实现。

在同步过程的优选实施例中，测量信道中的一个被用作主信道，并且对所有参考主信道的其它测量信道在时间上与主信道对准。因此，如果选择通道A作为主通道，则将与通道B中的宽键脉冲相对应的数据样本的时间设置为与通道A中的相应数据样本的时间相匹配。因此，在通道B中所有测量点的数据样本根据通道A和通道B之间的时间差在时域中移位。为使该同步过程有效，所有测量通道的采样频率应相同。

在一些实施例中，通过在时域中缩放转速计信号来消除时钟变化。如果转速计信号包括每个数据块的两个宽键脉冲，则在时间上有两个参考点来完成这种缩放。例如，如图6所示，在信号A的数据块中有两个参考点Sync-A0和Sync-A1，在信号B的数据块中有两个参考点Sync-B0和Sync-B1。由于测量通道之间的时钟变化，参考点Sync-A1和Sync-B1不对齐。通过对信号A的时间标度进行重新缩放(压缩)或对信号B进行重新缩放(扩展)时间标度，可以使参考点Sync-A1和Sync-B1对齐。

出于说明和描述的目的，提出了上述关于本发明优选实施例的描述。它们不打算详细描述或将本发明限定为所公开的精确形式，明显的修改或变化是可以的。实施例的选择和描述是为了提供本发明的原理及其实际应用的最佳图示，并且由此使得本领域普通技术人员能够在多个为适合特定用途设想的实施例和改进中使用本发明。根据其公平、合法和平等的权利进行解释，所有这些修改和变化都在所附权利要求确定的发明范围内中。

Claims (12)

1.一种用于在采集数据之后对来自多个机器数据采集传感器的数据进行时间同步的方法，该方法包括：

(a)使用附接到机器或设置在机器附近的第一传感器采集指示机器性能的第一组数据，所述第一组数据包括第一数据样本；

(b)使用附接到机器或设置在机器附近的第二传感器采集指示机器性能的第二组数据，所述第二组数据包括第二数据样本；

(c)使用附接到机器或设置在机器附近的第三传感器检测机器旋转以产生依赖于机器部件转速的第一组定时脉冲，所述第一组定时脉冲包括在时间上以第一时间间隔隔开并具有第一脉冲宽度的第一定时脉冲；

(d)基于所述第一组定时脉冲产生第二组定时脉冲，所述第二组定时脉冲在时间上与选定的第一定时脉冲重叠，所述第二组定时脉冲以大于所述第一时间间隔的第二时间间隔彼此隔开，第二定时脉冲具有大于所述第一脉冲宽度的第二脉冲宽度；

(e)产生包括第一组数据和第二组定时脉冲的第三组数据；

(f)产生包括第二组数据和第二组定时脉冲的第四组数据；

(g)确定第三组数据中的第二定时脉冲与第四组数据中相应的第二定时脉冲之间的时间差，包括：

在所述第三组数据内识别出对应所述第二组定时脉冲中的第二定时脉冲的前沿或后沿的第一数据样本；

在所述第四组数据内识别出对应所述第二组定时脉冲中的第二定时脉冲的前沿或后沿的第二数据样本；和

基于所述第三组数据中的所识别的第一数据样本与所述第四组数据中的所识别的第二数据样本之间的时间间隔或样本差来确定所述时间差；和

(h)基于所述时间差移位第三组数据中的第一数据样本，以使第三组数据与第四组数据进行时间对准，

或者，

基于所述时间差在时间上移位第四组数据中的第二数据样本，以使第四组数据与第三组数据进行时间对准。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组数据和第二组数据被分组为数据块，以及所述步骤(d)包括产生所述第二组定时脉冲，以包含对应所述第一组数据和第二组数据中每个数据块的一个第二定时脉冲。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二传感器是振动传感器。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

(i)使用附接到机器或设置在机器附近的附加传感器采集指示机器性能的附加数据组；

(j)对于每一个附加数据组，包括附加数据组和第二组定时脉冲的一数据组；

(k)对于每一个附加数据组，所述第三组数据中的第二定时脉冲与所述附加数据组中的相应第二定时脉冲之间的时间差；和

(l)在每个附加数据组中，通过根据时间差移位数据样本以使附加数据组与第三组数据组进行时间对准。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(h)中移位第一数据样本或第二数据样本包括：

对第三或第四组数据中的所有第一或第二数据样本采用恒定的时间偏移，或

通过压缩或扩展将第三或第四组数据中的第一或第二数据样本之间的时间间隔重新缩放。

6.一种用于在采集数据之后对来自多个机器数据采集传感器的数据进行时间同步的装置，所述装置包括：

附接到机器或设置在机器附近的第一传感器，用于采集指示机器性能的第一组数据，所述第一组数据包括第一数据样本；

附接到机器或设置在机器附近的第二传感器，用于采集指示机器性能的第二组数据，所述第二组数据包括第二数据样本；

附接到机器或设置在机器附近的第三传感器，用于产生取决于机器部件转速的第一组定时脉冲，第一组定时脉冲包括在时间上以第一时间间隔隔开并具有第一脉冲宽度的第一定时脉冲；

第一信号处理电路，用于基于所述第一组定时脉冲产生第二组定时脉冲，所述第二组定时脉冲在时间上与选定的第一定时脉冲重叠，所述第二组定时脉冲以大于所述第一时间间隔的第二时间间隔彼此隔开，第二定时脉冲具有大于所述第一脉冲宽度的第二脉冲宽度；

第二信号处理电路，用于产生包括第一组数据和第二组定时脉冲的第三组数据，并用于产生包括第二组数据和第二组定时脉冲的第四组数据；

用于接收第三和第四组数据的数据分析计算机，其用于执行软件指令：

确定第三组数据中的第二定时脉冲与第四组数据中的相应第二定时脉冲之间的时间差：

在所述第三组数据内识别出对应所述第二组定时脉冲中的第二定时脉冲的前沿或后沿的第一数据样本；

在所述第四组数据内识别出对应所述第二组定时脉冲中的第二定时脉冲的前沿或后沿的第二数据样本；和

基于所述第三组数据中的所识别的第一数据样本与所述第四组数据中的所识别的第二数据样本之间的时间间隔或样本差来确定所述时间差；和

基于所述时间差在第三组数据中移位第一数据样本以使第三组数据与第四组数据进行时间对准，

或

基于所述时间差在第四组数据中移位第二数据样本以使第四组数据与第三组数据进行时间对准。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一组数据和第二组数据被分组为数据块，以及所述第一信号处理电路产生所述第二组定时脉冲，以包含对应所述第一和第二组数据中的每个数据块的一个第二定时脉冲。

8.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一和第二传感器包括振动传感器。

9.根据权利要求6所述的装置，还包括：

附接到机器或设置在机器附近的用于采集指示机器性能的附加数据组的多个附加传感器；

多个附加信号处理电路，对于每个附加数据组，生成包括附加数据组和第二组定时脉冲的一组数据；

对于每个附加的数据组，所述数据分析计算机用于执行确定第三组数据中的第二定时脉冲与附加数据组中的相应第二定时脉冲之间的时间差的软件指令；和

在每个附加的数据组中，所述数据分析计算机用于执行基于所述时间差移位数据样本的软件指令，以使附加数据集合与第三组数据成时间对准。

10.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一信号处理电路和所述第二信号处理电路包括单个信号处理电路。

11.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一信号处理电路和所述第二信号处理电路中的一个或两者都包括数据采集卡。

12.根据权利要求6所述的装置，其中所述数据分析计算机通过以下来执行将数据样本移位的软件指令：

对第三或第四组数据中的所有第一或第二数据样本采用恒定时间偏移，或

通过压缩或扩展将第三或第四组数据中的第一或第二数据样本之间的时间间隔重新缩放。

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