CN111832148A

CN111832148A - 波形间隙填充

Info

Publication number: CN111832148A
Application number: CN201910979647.6A
Authority: CN
Inventors: A·J·海森
Original assignee: Computational Systems Inc
Current assignee: Computational Systems Inc
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2020-10-27
Also published as: US11287310B2; DE102019127276A1; US20200340853A1

Abstract

本文提供一种用于填充振动数据集中的由缺失振动数据形成的间隙的方法。选定间隙的第一侧上的参考波形以及间隙的相对第二侧上的相邻波形。确定间隙是否在振动数据的一部分中。其中，当间隙存在于其频率基本呈线性变化的振动数据的一部分中时，将解析方法应用于该参考波形和该相邻波形中的至少一个以逼近在间隙中缺失的振动数据；当间隙存在于其频率基本呈指数变化的振动数据的一部分中时，将数值方法应用于该参考波形和该相邻波形中的至少一个以逼近在间隙中缺失的振动数据；当间隙存在于其频率基本呈稳定状态的振动数据的一部分中时，复制该参考波形和该相邻波形中的至少一个以逼近在间隙中缺失的振动数据。将逼近的振动数据呈现给用户。

Description

波形间隙填充

技术领域

本发明涉及数据分析领域。更具体地，本发明涉及创建估计波形，其用于填充振动数据集中的由缺失数据形成的间隙。

背景技术

在例如涡轮机等旋转机器上收集的机器振动信息，对于监控机器的健康状况是非常有用的。例如，许多机器问题可以通过分析振动信息来诊断。该信息通常表示为正弦波形，其频率和振幅随着机器的旋转速度的增加而增加。

因为这类机器通常以相对高的速度旋转，所以必须收集大量数据以充分表示机器的振动特性并捕获用于诊断出机器的任何问题所需的信息。由于数据量很大，因此数据的传输和存储均存在问题。之所以会产生传输问题是因为需要带宽来传输大量的数据，而之所以会产生存储问题则是因为需要存储空间容量来存储大量的数据。

为了减少这些问题，一些振动仪器仅传递振动数据的子集。这可以以各种不同方式中的一种或多种来实现，例如，对一部分数据不进行感测或者不传输被感测的数据的一部分。这往往能够降低对带宽和存储的要求。

然而，当对数据进行分析或以其他方式审查时，看到在数据中这样的间隙会令人感到困惑。

因此，需要一种用于至少部分地减少诸如上述问题的系统。

发明内容

本文提供一种用于填充振动数据集中的由缺失振动数据形成的间隙的方法，来满足上述和其他需求。选定间隙的第一侧上的至少一个参考波形，并选定间隙的相对第二侧上的至少一个相邻波形。确定间隙是否在振动数据的一部分中，其中的振动数据的频率状态为增加、降低和稳定之一。在间隙存在于频率基本呈线性变化的振动数据的一部分中的情况下，将解析方法应用于该至少一个参考波形和该至少一个相邻波形中的至少一个以逼近在间隙中缺失的振动数据。在间隙存在于频率基本呈指数变化的振动数据的一部分中的情况下，将数值方法应用于该至少一个参考波形和该至少一个相邻波形中的至少一个以逼近在间隙中缺失的振动数据。在间隙存在于频率基本呈稳定状态的振动数据的一部分中的情况下，复制该至少一个参考波形和该至少一个相邻波形中的至少一个以逼近在间隙中缺失的振动数据。将逼近的振动数据呈现给用户。

在根据本发明该方面的一些实施例中，在间隙存在于振动数据的频率实质上正在变化的振动数据的一部分中的情况下，该至少一个参考波形具有比该至少一个相邻波形慢的频率。在一些实施例中，呈现逼近的振动数据的步骤包括：在间隙填充后向用户显示该振动数据集的曲线图。

在一些实施例中，振动数据集从旋转机器感测得到。在一些实施例中，振动数据集从涡轮机感测得到。在一些实施例中，随着涡轮机的旋转速度增加至运行速度，振动数据的频率基本呈线性变化。在一些实施例中，随着涡轮机的旋转速度从运行速度开始降低，振动数据的频率基本呈指数变化。在一些实施例中，当涡轮机以运行速度运行时，振动数据的频率基本呈稳定状态。

在一些实施例中，使用数值方法或解析方法逼近数据的步骤包括以下步骤：逼近间隙中的缺失振动数据的频率变化率，逼近间隙中的缺失振动数据的转速信号位置，逼近间隙中的缺失振动数据的振幅变化率，并逼近间隙中的缺失振动数据的相位变化率。接着，在转速信号位置之间用理想波形填充间隙，并且使用逼近的频率、振幅和相位变化率来调整理想波形。

附图说明

当结合附图并参考详细描述来考虑时，本发明的其他优点是显而易见的，其中的附图未按比例绘制以便更清楚地示出细节，相同的附图标记在若干视图中表示相同的要素，并且其中：

图1是旋转机器的转速与时间的关系图，示出了机器开启时速度呈线性增加的第一部分、机器运行期间速度呈稳定状态的第二部分、以及机器关闭时速度呈指数衰减的第三部分；

图2是根据本发明的实施例的用于估计缺失波形的整体方法的流程图；

图3是根据本发明的实施例的用于估计波形的装置的功能框图；

图4是根据本发明的实施例的用于估计缺失波形的基本方法的图形表示；

图5是根据本发明的实施例的用于估计速度呈线性增加的波形的详细方法的第一部分的流程图；

图6是根据本发明的实施例的用于估计速度呈线性增加的波形的详细方法的第二部分的流程图；

图7是根据本发明的实施例的用于估计速度呈线性增加的波形的详细方法的第三部分的流程图；

图8是根据本发明的实施例的用于估计速度呈线性增加的波形的详细方法的第四部分的流程图；

图9是根据本发明的实施例的用于估计速度呈线性增加的波形的详细方法的第五部分的流程图；

图10A是根据本发明的实施例的用于估计速度呈线性增加的波形的详细方法的第六部分的流程图；

图10B是根据本发明的实施例的用于估计速度呈线性增加的波形的详细方法的第七部分的流程图；

图11是根据本发明的实施例的用于估计速度呈指数衰减的波形的详细方法的第一部分的流程图；

图12是根据本发明的实施例的用于估计速度呈指数衰减的波形的详细方法的第二部分的流程图；

图13是根据本发明的实施例的用于估计速度呈指数衰减的波形的详细方法的第三部分的流程图；

图14是根据本发明的实施例的用于估计速度呈指数衰减的波形的详细方法的第四部分的流程图；

图15是根据本发明的实施例的用于估计速度呈指数衰减的波形的详细方法的第五部分的流程图；

图16A是根据本发明的实施例的用于估计速度呈指数衰减的波形的详细方法的第六部分的流程图；

图16B是根据本发明的实施例的用于估计速度呈指数衰减的波形的详细方法的第七部分的流程图；

图17A描绘了根据本发明的实施例的参考波形、间隙和相邻波形的第一表示；

图17B描绘了根据本发明的实施例的参考波形、间隙和相邻波形的第二表示。

具体实施方式

参照图1，描绘了旋转机器的转速与时间的表示图100，以波形102表示。如图，示出了机器开启时存在速度呈线性增加的第一部分104、机器运行期间存在速度呈稳定状态的第二部分106、以及机器关闭时存在速度呈指数衰减的第三部分108。

尽管未在图上示出，但是这三个部分104、106和108的相对时间长度可能并不是所描绘的那样。例如，在部分104所示，机器可能花费数小时将速度提升到其运行速度，然后如在部分106所示，它可能保持该运行速度数周或数月。最后，如部分108所示，机器一旦关闭仅花费数分钟或数小时便停止旋转。

如图17所示，所提供的波形数据中具有间隙1702，以便减少传输、存储以及与产生的数据量相关的其他问题。代替记录、传输和存储这些间隙1702的实际振动数据，本发明的一些实施例用波形102数据的估计来填充任何这样的间隙1702。这些估计通过对待填充的间隙1702的任一侧上提供的波形102数据进行分析来产生。

在曲线图100的第二部分106中，在间隙1702中重建波形102是相对简单的过程。因为机器在稳定状态下运行，所以部分106中的每个波形102看起来基本上与部分106中的任何其他波形102相似，因此，第二部分106中的波形间隙1702可以用波形102填充，其中该波形102与在间隙1702之前或之后的那些波形102相同，或者是这样的波形102的简单的线性插值。

应当理解，在这样的间隙1702期间任何可能发生的异常事件均不能被重建，而不管它是否可能已经发生在部分104、106或108，因为这样的数据可能不存在于发生异常的间隙1702的之前或之后的波形102数据中。因此，根据本实施例产生的波形102倾向于不被用于研究任何这样的波形。相反，它们倾向于提供在某些情况下可能有用的数据的连续表示。

然而，因为在那些部分104和108中的转速会发生变化，所以，用于填充第一部分104和第三部分108中的间隙1702的波形102的估计并不像用于填充第二部分106中的间隙1702的波形102的估计那样简单。

虽然看起来可以在前后的波形102之间进行简单插值以产生用于第一部分104(表示速度呈线性增加)中的间隙1702的波形102，但是这种方法是不合适的，因为速度不会在连续旋转之间仅以逐步的方式增加。相反，速度会在给定旋转期间连续增加，因此在给定旋转期间产生的波形102在其整个周期内会有所变化。

对于在第三部分108期间产生的波形102，因为机器的速度基本上呈指数地而非线性地减小，所以该问题进一步复杂化。

因此，在下面描述的实施例中，对在第一部分104的间隙1702中缺失波形102的估计描述了二次方程式解析解决方案，并且对在第三部分108中的间隙1702缺失波形102的估计描述了迭代数值解决方案。

在各种示例中，线性的第一部分104的解析解决方案和指数的第三部分108的数值解决方案，均使用了如图2所示的基本方法200。可以看出，具有间隙1702的波形102数据被输入到如方框202中给出的计算装置(如图3所示)。如方框204中给出的，识别数据中的间隙1702，并且如方框206中给出的，选择间隙1702的任一侧上的两个波形1704和1706用于进一步处理。

接着，如流程图200的方框208中给出的，确定两个选定的波形属于图100的哪个部分-如第一部分104、第二部分106或第三部分108。

在一些实施例中，如图17所示，在间隙1702旁边的具有较慢转速的波形102被指定为参考波形1704，而邻近间隙1702的具有较高转速的波形102被指定为相邻波形1706。如图17A所示，在第一部分104中，参考波形1704是时间上在间隙1702之前的波形102，而相邻波形1706是时间上在间隙1702之后的波形102。如图17B所示，在第三部分108中，参考波形1704是时间上在间隙1702之后的波形102，而相邻波形1706是时间上在间隙1702之前的波形102。

这样做的原因是使得具有较慢转速的波形102在每单位时间存在更多的数据点，从而通过进行如上所述的指定，可以提高在此描述的计算的准确性。然而，在其他实施例中，除了转速之外的一些其他方法也被用于确定哪个波形102被指定为参考波形1704和相邻波形1706。

应当理解，波形1704和1706以及间隙1702并不意味着暗示任何类型的精确相对时间标度。通常，参考波形1704的周期T_r比相邻波形1706的周期T_w更长。具有T_g持续时间的间隙1702可能具有一个或多个待估计的缺失波形102。

如果参考波形1704和相邻波形1706均来自第二部分106，则该方法转至方框210，在其中执行复制或简单线性内插以生成缺失波形102并填充间隙1702。如果参考1704和相邻1706波形均来自第一部分104，则该方法转至方框212，在其中执行解析二次方程式估计法以生成缺失波形102并填充间隙1702。最后，如果参考波形1704和相邻波形1706均来自第三部分108，则该方法转至方框214，在其中执行迭代数值估计法以生成缺失波形102并填充间隙1702。

解析解决方案212和迭代数值解决方案214的各个步骤的目标通常是相同的，因此在图2中使用了共用的命名加以描述。然而，在解析解决方案212中执行这些步骤的方式不同于在迭代数值解决方案214中的执行方式，如下文将更详细描述的。因此，对于方法212和214而言，在每个步骤中使用的参考数字是相同的，但其中用标记“a”标记分析解决方案212的步骤、标记“b”标记数值解决方案214的步骤来对彼此加以区分。

解析解决方案212和迭代数值解决方案214的一般步骤如下。如方框216中给出的，估计间隙1702中的缺失波形102的频率和速度变化率；如方框218中给出的，调整间隙1702中的速度变化率；如方框220中给出的，产生转速计脉冲(tachometer pulse)并将其放置在间隙1702中的适当位置；如方框222中给出的，估计振幅变化率；如方框224中给出的，估计相位的变化率；如方框226中给出的，对间隙1702填充已经对旋转速度、振幅和相位变化进行调整的估计波形102。

再次注意，即使这些步骤在解析解决方案212和迭代数值解决方案214中具有相似的命名，但它们是以不同的方式执行，如下面更详细描述的。

参照图3，描绘了用于将波形102填充到间隙1702中的仪器300。在一个实施例中，仪器300是通过输入/输出310接收波形102数据的计算机，或者如本文所述。在其他实施例中，仪器300直接从传感器308接收所有波形102数据。在一些实施例中，如本文所述的方法的步骤以计算机语言体现在非暂时性存储介质314中，该计算机语言可由图3的仪器300读取，并且使仪器300能够如本文所描述的那样填充间隙1702。在一些实施例中，仪器300包括例如可能包含基本操作指令的只读存储器304，以及随机存取存储器306，其例如用于保存在本文所述的各种计算中使用的数据或用于各种计算的数据。用户界面312，用于操作员与仪器300通信。

因此，本发明的各种实施例改进了所示装置300的基本操作。例如，如果I/O 310的带宽和介质314的存储容量可以处理由传感器308产生的极大量的数据，那么可能不需要仅传输和存储波形数据的一部分，因此在波形102数据中也可能没有需要填充的间隙1702。

概念概述

方法212和214中的前三个步骤216-220的目标均是将估计的转速计信号脉冲放置在间隙1702内，如图17所示，其中的参考波形1704的两个连续转速脉冲(tach pulse)t₁和t₂在它们之间定义了数据自其中收集的机器的一次旋转。如果已经为间隙1702保留了原始数据信号中的转速脉冲，则不需要估计转速脉冲时间位置。例如，转速脉冲数据可以被保留，因为它是整个数据流的相对较小的部分，所以将它保留在数据流中并不会显著增加负担。然而，如果转速信号定时数据尚未保留在数据流中，则如本文所述地对它进行估计。当旋转速度分别如部分104和108那样线性地或指数地变化时，转速脉冲之间的时间以转速脉冲到转速脉冲变化。

一旦将转速脉冲放置在间隙1702中，便计算振幅变化率和相位变化率，然后在间隙1702中产生估计波形102。图4示意性地描绘了用于估计波形的基本方法。

参考区1704内的波形404由两个连续的转速信号(tach signal)t₁ 424和t₂ 426限定。波形404包括为机器的一圈旋转收集的数据。应当理解，波形404的形状是代表性的，而在实际使用中可能具有不同且更复杂的形状。

部分1702便是待填充的间隙1702。它由在间隙1702之前的参考波形区1704的末端处的转速信号t₂ 426和在相邻波形1706的开始处的估计的(或实际的)转速信号428来定义。

纯正弦波412放置在部分1704和1702内。正弦波412在部分1704和1702中给出的是相同的振幅，但是在每个部分1704和1702中的频率则是不同的。在部分1704中，正弦波412的频率被设置为精确匹配两个转速信号t₁ 424和t₂ 426之间的一圈旋转。在部分1702中，正弦波412的频率被设置为精确匹配两个转速信号426和428之间的一圈旋转。

图4描绘了取自图1中的图100的第一部分104的示例，因此速度呈线性增加。因此，与转速信号424和426相比，转速信号t₁ 424和t₂ 426更接近彼此，因此部分1702中的正弦波412的频率高于部分1704中的正弦波412的频率。

应当理解，如果图4描绘了取自图1中的图100的第三部分108的示例，那么速度将呈指数地减小，并且与转速信号424和426相比，转速信号t₁ 424和t₂ 426更远离彼此。

此时，我们有两个部分1704和1702，每个部分填充有正弦波412的部分，其中部分1704中的正弦波412的频率不同于部分1702中的正弦波412的频率。

在部分1702中的时间414处识别位置。在一些实施例中，时间414表示在间隙1702的待填充的每个波形408部分(在连续的转速信号之间)中使用的预定数量的时间划分中的第一个。在这样的实施例中，无论两个连续转速信号之间的持续时间有多短，给定数量的时间划分将用于间隙1702中的每个波形408。在其他实施例中，时间414表示特定时间长度。在该实施例中，使用较少的时间数据点估计间隙1702中的较短波形(转速信号之间的较小距离)。在其他实施例中，使用这两个实施例的组合或一些其他方法来确定时间414。

在时间414处确定正弦波412的振幅416。该振幅被映射到与部分1704内的正弦波412相交的相应时间位置418。然后，在该时间位置418确定实际波形404的振幅420。最后，振幅420被映射到位置422，该位置422具有来自部分1704的实际波形的振幅420，但处于部分1702中的时间414的位置。通过针对期望数量的时间位置414中的每一个重复该四步过程，得以在间隙1702内构造出完整的估计波形408。使用该相同的过程，在间隙1702内的连续转速信号之间构造附加波形408，直至间隙1702被完全填充。

如图2的步骤222中给出的，这些波形408被用于校正振幅。当机器改变旋转速度时，振动波形102的振幅通常以类似的方式改变。因此，本发明的一些实施例设想，如果旋转速度的变化是线性的(如曲线图100的部分104所示)，则波形振幅的变化也是线性的，但其变化率与转速变化率不同。类似地，如果旋转速度的变化是指数的(如曲线图100的部分108中所示)，则假设波形振幅的变化是呈指数的。

另外，随着机器的旋转速度改变，与第一顺序转速相关联的相位从一个波形102变为下一个波形。因此，针对该相位变化调整填充间隙1702的波形102。根据在其中识别出间隙1702的部分104或108，假设相位变化率为线性或指数。

对于速度呈线性变化的情况(如图1的部分104所示)，可以使用解析方法完成本节中一般描述的步骤，而对于速度呈指数变化的情况(如图1的部分108所示)，可以使用数值方法执行本节中一般描述的步骤。

线性部分的解析解决方案

A.线性频率和速度

根据图5所示的方法216a，首先，根据参考区1704中的最后两个波形周期计算转动速度的线性变化率。接着，根据图6所示的方法218a，调整该线性变化率以确保间隙1702末端的转速计脉冲与相邻区1706中的第一转速计脉冲匹配。

如图17所示，该计算基于在参考区1704中的最后三个转速脉冲的时间t₀、t₁和t₂。对于“最后”，应理解为最接近于间隙1702的三个转速脉冲。因此，如图5的方框504中给出的，识别这三个转速脉冲，并且如方框506中给出的，导出它们存在的时间。此处的时间是相对的，其中距离间隙1702最远的转速脉冲的时间被指定为t₀＝0，而其他两个转速脉冲的时间往正向增加的方向顺序地指定为t₁和t₂。

旋转速度或频率的线性增加使用以下等式，其中振幅(y)由下式得出：

y＝sin[(mt+w)t]＝sin(mt²+wt)

其中

m是转动速度的线性变化率，

w是第一顺序转动频率，和

t是时间。

对于图4中的正弦波形412的每个完整周期，或换言之，其中

mt₁ ²+wt₁＝2π和

mt₂ ²+wt₂＝4π，

振幅为0，从上面用等式表示为：

sin(mt²+wt)＝0

求解这两个方程，得出：

w＝2π(1–2t₁ ²/t₂ ²)/t₁(1–t₁/t₂)，和

m＝(4π-wt₂)/t₂ ²。

如图5的方框508给出的，上面的两个等式用于计算频率和线性的速度变化率。

以这种方式初始计算得出的变化率m与间隙1702的相对侧上的相邻区1706中的波形的变化率m不同，因此需要根据如图6所示的方法218a进行调整。该过程是迭代地调整转动速度的变化率(m)直到间隙1702中的最终转速计脉冲与相邻区1706中的波形的第一转速计脉冲(在此为t_w)匹配。

因此，根据转速计脉冲宽度t_w和t_r的比较结果，按需来增大或减小初始估计的起始转速变化率m，其中t_r是参考区中最接近间隙1702的两个转速脉冲之间的转速脉冲宽度。然后用转速计脉冲填充间隙1702，其中将间隙1702内的最终脉冲Δt与t_w进行比较。迭代地重复该过程直到它们匹配。

使用下式来表示转速的线性变化：

y＝sin{(mt+w)t}＝sin(mt²+wt)

间隙1702中的脉冲时间由下式给出：

sin(mt²+wt)＝0，当

mt²+wt＝2π_i,

其中(i)是第i个转速计脉冲。

求解这个二次方程，给出：

t_i＝{-w+√(w²+8πm_i)}/2m。

参照图6，方法218a开始于方框604，其中确定和设置将在方法218a中使用的变量。例如，确定间隙1702的时间宽度t_g，以及相邻区1706中的第一转速脉冲的时间宽度t_w和参考区1704中的最后转速脉冲的时间宽度t_r。选择增量Δm的值，通过该增量Δm将迭代地调节速度m，以使间隙1702中的转速脉冲与相邻区1706中的转速脉冲对齐。变量Δt初始化为t_r的值。

如方框606给出的，分别将参考区1704中最接近间隙1702的两个转速脉冲之间的时间宽度t_r与相邻区1706中最接近间隙1702的两个转速脉冲之间的时间宽度t_w进行比较，以查看哪个更大。如果t_r小于t_w，则转至如图6所示的方法218a右侧的方框616中继续进行。如果t_r大于t_w，则转至如图6所示的方法218a左侧的方框608中继续进行。

在方框608和616中，将t_w与Δt进行比较。在方框608中，如果Δt不大于t_w，则方法218a以先前确定的新速度m退出。类似地，在方框616中，如果Δt大于或等于t_w，则方法218a以先前确定的新速度m退出。然而，如果在任一情况下对608或616的测验的答案为否，则该方法分别落入方框612或620，在其中，变量被初始化用于循环，在该循环中m被调整直至满足本文所述的标准。在方框612中，m太小，因此m向上调整Δm的值。在方框620中，m太大，因此m向下调整Δm的值。

然后，如方框614中给出的，针对间隙时间t_g测验时间t。如果测验失败，则如方框622所示并如上所述计算新t。再次针对间隙时间t_g测验新t，并且当新t最终在方框614中满足该条件时，方法218a返回至方框608和616，其中继续迭代直到找到速度m，其允许转速信号对齐。

B.线性转速脉冲

一旦调整了转动速度的变化率m，下一步就是在间隙1702中产生转速计脉冲。该步骤使得间隙1702能被代表波形412填充。

使用上面所示的转速线性变化的等式，每个转速计脉冲的时间t_i由下式给出：

mt_i ²+wt_i＝2π_i

为求解t_i的这个二次方程，给出：

t_i＝{-w+√(w²+8πm_i)}/(2×m)

这被描绘为图7中的方法220a。如方框702所示，初始转速计脉冲计数器i被设置为0。如上所示以及方框704给出的，导出间隙1702t的时间宽度，并且如上所示以及方框706给出的，还计算出转速计脉冲时间t_i。如方框708中给出的，将t_i的值与t进行比较。如果t_i小于t，则还存在另一个转速脉冲，因此转速脉冲数i如方框710中给出的那样递增，并且返回到方框706以计算下一个转速脉冲时间t_i。然而，如果t_i不小于t，则已经创建了所有转速脉冲，接着该方法转至方框712，并且所产生的转速脉冲的总数是i的当前值。

C.线性振幅

图8中描绘的方法222a示出了计算波形振幅的线性变化率的过程。振幅(y)的线性变化由下式给出：

y＝(1+at)×sin{(mt+w)t}

其中a是波形振幅的线性变化率，t是以秒为单位的时间。

在图8中，如方框802所示，计算出参考波形1704的最后一个周期的RMS振幅值(A_r)。如方框804所示，还计算出相邻波形1706的第一周期的RMS值(A_n)。如方框806所示，通过乘以√2将RMS振幅值的差值转换为峰值。如方框808所示，计算波形振幅(a)的线性变化率使用以下公式：

a＝(A_n–A_r)*√2/T_g

其中T_g是波形之间的时间，换句话说，是间隙1702时间。

D.线性相位

相位的线性变化Δφ由下式给出：

y＝sin{(mt+w)t+Δφt}

其中Δφ是波形相位的线性变化率，t是以秒为单位的时间。图9示出了完成此计算的方法224a。如方框902中给出的，使用单频离散傅立叶变换(SFDFT)计算出参考波形1704的最后一个周期的相位φ_r的变化。如上所述，波形样本取自参考波形1704中的最后两个转速计脉冲之间。

然后使用下式估计相位变化率：

Δφ_r＝φ_r/t_r

如方框904所示，其中t_r是两个转速计脉冲之间的时间。如方框906所示，使用SFDFT计算相邻波形1706的第一周期的相位φ_w的变化。如前所述，波形样本取自相邻波形1706中的前两个转速计脉冲之间。然后如框908所示，使用下式估计相位变化率：

Δφ_w＝φ_w/t_w

其中t_w是两个转速计脉冲之间的时间。然后如方框910所示，使用下式计算间隙1702中的波形的平均相位变化率：

Δφ_g＝(Δφ_r+Δφ_w)/2.

E.在间隙中创建线性波形

基本概念是将参考波形1704的最后一个转速计周期压缩到间隙1702波形中的转速计周期中，如图10A和图10B的方法226a和226c中给出的，其中t_ref表示参考波形1704中的时间间隔，t_gap表示波形间隙1702中的时间间隔。

然后如图4所示以及如图10A给出的方法226a，对间隙1702中的波形进行插值。

然后针对如流程图222a和224a中给出的振幅和相位的变化调整波的振幅。重复该过程直到填满整个间隙1702。

如图10A和图10B所示，分别参考方法226a和226b更详细地描述了该过程。首先，开始于方框1002，初始化过程变量，其中的初始转速计脉冲计数器被设置为0，然后如方框1004所示，增量值Δt被设置为一些较小的数(例如由采样间隔除以1,000得到)。如方框1006所示，参考波形1704的频率w_r和线性频率变化率m最先用于计算。最后，如方框1008所示，将t_ref和t_gap的值初始化为0。

接着，该方法通过图10B所示的方法226c进入循环，其中，如方框1022给出的，计算间隙频率；如方框1024给出的，计算间隙振幅；以及如方框1026给出的，计算参考振幅。如果参考区1704的振幅小于在方框1028中确定的间隙1702的振幅，则如方框1030所示，将计算中使用的参考时间递增，并且如方框1026所示，重新计算参考振幅。如果参考振幅不小于间隙振幅，则如方框1032所示，找到参考振幅和时间，并且如方框1034所示，通过内插在t_ref处找到y_ref。如方框1036所示，将间隙1702振幅设置为y_ref的值，并且如方框1038所示，针对增长调整间隙1702振幅。最后，如方框1040中给出的，将间隙1702振幅设置为y_ref，并且该方法回退到如图10A所示的方法226a。

在返回到方法226a之后，如方框1012中给出的，t_gap以采样时间递增，并且如方框1014中给出的，确定当前重建的波形的周期是否完整。如果电流波形的周期不完整，则该方法返回到方法226c。如果波形周期已经完成(一个完整周期)，则该方法转至方框1016，其中i的值递增到间隙1702波形中的下一个转速脉冲，以通过返回到方框1008在其中产生另一个波形周期。然而，如方框1018所测验的，如果最后一个波形是要放入间隙1702的最终波形，那么波形重建过程结束，如方框1020所示。

在一些实施例中，间隙1702之间的旋转速度的变化不应大于约十倍，因为在一些实施例中变化较大的旋转速度会导致波形循环样本的数量减少到使得波形中的详细变化丢失。

在一些实施例中，假设间隙1702的任一侧上的两个波形循环之间的旋转速度的变化是线性的。这通常不是问题，因为通常间隙1702上的旋转速度的变化涉及大量的波形循环。

指数部分的数值解决方案

A.指数频率和速度

在这种情况下的过程类似于线性情况，然而，与线性情况具有解析解以找到转动速度的频率和变化率不同，指数变化的转动速度情况需要数值迭代过程来找到频率和转速的变化，如图11的方法216b所示。

如前所述，从参考区1704获取最后三个转速脉冲，如方框1104所示。然而，在这种情况下，在一些实施例中，参考区1704是在间隙1702之后的第一波形区，因为旋转机器正在减速，所以它包含具有比间隙1702之前的区1706更低的转动速度的波形。

如方框1106所示，从识别的转速脉冲导出转速脉冲时间，并且如方框1108所示，基于线性变化率计算初始频率。但是，如前所述，频率在本节中并不是线性变化，因此该计算频率仅是以下计算的起点。如方框1110所示，选择用于调整该初始频率的小增量值，并且开始方框1112和1114的迭代过程。

频率的初始估计使用先前定义的线性方程式：

w＝2π(1–2t₁ ²/t₂ ²)/t₁(1–t₁/t₂)

随着频率的指数增加，振幅(y)由下式给出：

y＝sin(wte^mt)

sin(wte^mt)＝0当

wte^mt＝2π，4π等

对等式两边取自然对数，给出：

ln(wt₁)+mt₁＝ln(2π)和

ln(wt₂)+mt₂＝ln(4π)

求解这两个方程，给出：

ln(wt₂)–t₂/t₁ ln(wt₁)＝ln(4π)–t₂/t₁ ln(2π)，和

m＝{ln(2π)–ln(wt₁)}/t₁

对于w的等式没有解析解。相反，必须通过数值迭代方法导出w，该方法从使用上述线性方程设置的初始值缓慢增加w，直到方程满足如图11的流程图216b的方框1112所示条件。如果不满足，则如方框1114中给出的，使用在方框1110中设置的增量来调整计算的频率。一旦导出w，则如方框1116中给出的，计算旋转速度m的指数变化。

如前所述，变化率m可能与间隙1702之间的相邻波形1706的变化率不同，因此可能需要如图12的流程图218b所示进行调整。该过程是迭代地调节转动速度的变化率(m)，直到间隙1702中的最终转速计脉冲宽度与相邻波形1706的第一脉冲宽度(t_w)匹配。起始转速m如图11所示进行估计，并如图12所示根据相对转速计脉冲宽度t_w和t_r来决定加快或减慢。然后用转速计脉冲填充间隙1702，并将间隙1702中的最终脉冲宽度Δt与t_w进行比较。迭代地重复该过程直到它们匹配。

使用下式来表示转速的线性变化：

y＝sin(wt^emt)

间隙1702中的脉冲时间由下式给出：

sin(wt^emt)＝0当

wt^emt＝2πi

其中(i)是第i个转速计脉冲。

通过缓慢增加t直到满足以下条件，迭代地求解出该等式：

wt^emt>＝2πi

如图12所示，方法218b开始于方框1204，其中确定和设置了将在方法218b中使用的变量。例如，确定间隙1702的时间宽度t_g，以及相邻区1706中的第一转速脉冲的时间宽度t_w和参考区1704中的最后转速脉冲t_r的时间宽度。选择增量Δm的值，通过该增量Δm将迭代地调整速度m，以使间隙1702中的转速脉冲与相邻区1706中的转速脉冲对齐。变量Δt初始化为t_r的值。

如方框1206给出的，分别将参考区1704中最接近间隙1702的两个转速脉冲之间的时间宽度t_r与相邻区1706中最接近间隙1702的两个转速脉冲之间的时间宽度t_w进行比较，以查看哪个更大。如果t_r小于t_w，则转至如图12所示的方法218b右侧的方框1216中继续进行。如果t_r大于t_w，则转至如图12所示的方法218b左侧的方框1208中继续进行。

在方框1208和1216中，将t_w与Δt进行比较。在方框1208中，如果Δt不大于t_w，则方法218b以先前确定的新速度m退出。类似地，在方框1216中，如果Δt大于或等于t_w，则方法218b以先前确定的新速度m退出。然而，如果在任一情况下对1208或1216的测验的答案为否，则该方法分别落入方框1212或1220，在其中，变量被初始化用于循环，在该循环中m被调整直至满足本文所述的标准。在方框1212中，m太小，因此m向上调整Δm的值。在方框1220中，m太大，因此m向下调整Δm的值。

然后，如方框1214中给出的，针对间隙时间t_g测验时间t。如果测验失败，则如方框1222所示并如上所述计算新t。如果t的值不满足次要标准，在一些实施例中它不会在第一次通过，接着如方框1224中给出的，调整t，并且再次测试方框1222的标准。当t最终满足方框1222的标准时，则如方框1226中给出的，设置变量的值，并且再次针对间隙时间t_g测验新t。当新t最终满足方框1214中的条件时，方法218b返回到方框1208和1216，其中迭代继续，直到找到允许转速信号对齐的速度m。

B.指数转速脉冲

一旦调整了转动速度的变化率m，下一步就是在波形间隙1702中产生转速计脉冲。使用上面所示的转速指数变化的等式，其中每个转速计脉冲的时间t_i由下式给出：

wt_i ^emti＝2πi

对于t_i的该等式没有解析解。在这种情况下，通过数值迭代方法导出t_i，该方法从较小的初始值缓慢增加t_i，直到满足等式，如图13的流程图220b所示。

这被描绘为图13中的方法220b。如方框1302所示，初始转速计脉冲计数器i被设置为0。如方框1304及以上所述，导出参考区1704的第一转速脉冲的时间t，并且如方框1306所示，基于采样间隔设置增量时间。然后如方框1310所示，将时间t增加Δt直到满足方框1308中指定的条件，然后将转速计脉冲时间T_i设置为t。如在方框1312中给出的，将T_i的值与t进行比较。如果T_i小于t，则还存在另一个转速脉冲，因此转速脉冲数i增加，如方框1314所示，并且该过程返回到方框1308以计算下一个转速脉冲时间T_i。然而，如果T_i不小于t，则已经创建了所有转速脉冲，接着该方法转至方框13162，并且所产生的转速脉冲的总数是i的当前值。

C.指数振幅

在这种情况下，振幅(y)的指数增加由下式给出：

y＝e^at×sin(wte^mt)

其中

a是波形振幅的指数变化率，和

t是以秒为单位的时间。

这示出在图14的流程图222b中。在方框1402中，计算参考波形1704的最后一个周期的均方根(RMS)值(Ar)。然后如方框1404所示，计算相邻波形1706的第一周期的RMS值(An)。如方框1406所示，通过乘以√2将RMS值转换为峰值。最后，如方框1408所示，通过使用以下公式计算波形振幅(a)的线性变化率：

a＝(ln(An*√2)–ln(Ar*√2)/T_g

其中T_g是波形之间的时间(即波形间隙时间)。

D.指数相位

相位的线性变化Δφ由下式给出：

y＝sin(wte^mt+e^Δφt),

其中

Δφ是波形相位的线性变化率，和

t是以秒为单位的时间。

现在参考图15所示的方法224b，如方框1502中给出的，第一步是使用单频离散傅立叶变换(SFDFT)计算出参考区1704中最接近间隙1702的波形周期的相位φ_r的变化。这些波形样本取自参考区波形中的最后两个转速计脉冲之间。然后如方框1504所示，使用下式估计相位变化率：

Δφ_r＝φ_r/t_r

其中t_r是两个转速计脉冲之间的时间。

如方框1506所示，下一步是使用SFDFT计算相邻波形1706的第一周期的相位φ_w的变化。波形样本取自相邻波形1706中最接近间隙1702的两个转速计脉冲之间。然后如方框1508所示，使用下式估计相位变化率：

Δφ_w＝φ_w/t_w

其中t_w是两个转速计脉冲之间的时间。

对于相位的指数变化，然后如方框1510所示，使用下式计算间隙1702中的波形的平均相位变化率：

Δφ_g＝(Δφ_r+Δφ_w)/2

如方框1512所示，设置较小的增量相位调整δφ。根据数值方法，这是在后续步骤中迭代调整相位的量。然后，如方框1514所示，在t_g和t_w处计算相位Φ_g，从中计算ΔΦ。然后，如方框1516所示，对φ_w测验ΔΦ。如果ΔΦ不等于φ_w，则Δφ_g由δφ调整，如方框1518所示，并且迭代返回到方框1514。然而，如果ΔΦ确实等于φ_w，如方框1520所示，则将Δφ_g的当前值作为间隙1702的指数相位变化率。

E.在间隙中创建指数波形

基本概念是将参考波形1704的最近转速计周期压缩到间隙1702波形中的转速计周期中，如图16A和图16B的方法226b和226d中给出的，其中t_ref表示参考波形1704中的时间间隔，t_gap表示波形间隙1702中的时间间隔。

然后如图4所示以及如图16A给出的方法226b，对间隙1702中的波形进行插值。

然后针对如流程图222b和224b中给出的振幅和相位的变化调整波的振幅。重复该过程直到填满整个间隙1702。

如图16A和图16B所示，分别参考方法226b和226d更详细地描述了该过程。首先，开始于方框1602，初始化过程变量，其中的初始转速计脉冲计数器被设置为0，然后如方框1604所示，增量值Δt被设置为一些较小的数(例如由采样间隔除以1,000得到)。如方框1606所示，参考波形1704的频率w_r和线性频率变化率m最先用于计算。最后，如方框1608所示，将t_ref和t_gap的值初始化为0。

接着，该方法通过图16B所示的方法226d进入循环，其中，如方框1622给出的，计算间隙频率；如方框1624给出的，计算间隙振幅；以及如方框1626给出的，计算参考振幅。如果参考区1704的振幅小于在方框1628中确定的间隙1702的振幅，则如方框1630所示，将计算中使用的参考时间递增，并且如方框1626所示，重新计算参考振幅。如果参考振幅不小于间隙振幅，则如方框1632所示，找到参考振幅和时间，并且如方框1634所示，通过内插在t_ref处找到y_ref。如方框1636所示，将间隙1702振幅设置为y_ref的值，并且如方框1638所示，针对增长调整间隙1702振幅。最后，如方框1640中给出的，将间隙1702振幅设置为y_ref，并且该方法返回到如图16A所示的方法226b。

在返回到方法226b之后，如方框1612中给出的，t_gap以采样时间递增，并且如方框1614中给出的，确定当前重建的波形的周期是否完整。如果电流波形的周期不完整，则该方法返回到方法226d。如果波形周期已经完成(一个完整周期)，则该方法转至方框1616，其中i的值递增到间隙1702波形中的下一个转速脉冲，以通过返回到方框1608在其中产生另一个波形周期。然而，如方框1618所测验的，如果最后一个波形是要放入间隙1702的最终波形，那么波形重建过程结束，如方框1620所示。

在一些实施例中，假设间隙1702的任一侧上的两个波形循环之间的旋转速度的变化被假定为指数的。这通常不是问题，因为通常间隙1702上的旋转速度的变化涉及大量的波形循环。

本文已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的实施例的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于上述教导，明显的修改或变型是可能的。本文选取和描述的实施例是为了提供对本发明原理及其实际应用的说明，从而使得本领域普通技术人员能够在各种实施例中利用本发明，并且对于特定用途的各种修改是可预期的。当公平、合法和公正地对授权的宽度进行解释时，所有这些修改和变型均落在由所附权利要求确定的本发明的范围内。

Claims

1.一种用于填充振动数据集中的由缺失振动数据形成的间隙的方法，所述方法包括以下步骤

选定间隙的第一侧上的至少一个参考波形以及间隙的相对第二侧上的至少一个相邻波形；

确定间隙是否在振动数据的一部分中，其中振动数据的频率状态为加快、减慢和稳定之一；

其中，当间隙存在于其频率基本呈线性变化的振动数据的一部分中时，将解析方法应用于所述至少一个参考波形和所述至少一个相邻波形中的至少一个以逼近在间隙中缺失的振动数据；

其中，当间隙存在于其频率基本呈指数变化的振动数据的一部分中时，将数值方法应用于所述至少一个参考波形和所述至少一个相邻波形中的至少一个以逼近在间隙中缺失的振动数据；

其中，当间隙存在于其频率基本呈稳定状态的振动数据的一部分中时，复制所述至少一个参考波形和所述至少一个相邻波形中的至少一个以逼近在间隙中缺失的振动数据；

将逼近的振动数据呈现给用户。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述间隙位于振动数据的频率实质上正在变化的振动数据的一部分中的情况下，所述至少一个参考波形具有比所述至少一个相邻波形慢的频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述振动数据集从旋转机器感测得到。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述振动数据集从涡轮机感测得到。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，随着涡轮机的旋转速度增加至运行速度，振动数据的频率基本呈线性变化。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，随着涡轮机的旋转速度自运行速度开始减小，振动数据的频率基本呈指数变化。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，当涡轮机以运行速度运行时，振动数据的频率基本呈稳定状态。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，呈现逼近的振动数据的步骤还包括：在间隙填充后向用户显示所述振动数据集的曲线图。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，使用数值方法或解析方法来逼近数据的步骤还包括：

逼近间隙中的缺失振动数据的频率变化率，

逼近间隙中的缺失振动数据的转速信号位置，

逼近间隙中的缺失振动数据的振幅变化率，

逼近间隙中的缺失振动数据的相位变化率，

在转速信号位置之间用理想波形填充间隙，以及

使用逼近的频率、振幅和相位变化率来调整理想波形。

10.一种用于填充振动数据集中的由缺失振动数据形成的间隙的方法，所述方法包括以下步骤

其中，当间隙存在于其频率基本呈指数变化的振动数据的一部分中时，将数值方法应用于所述至少一个参考波形和所述至少一个相邻波形中的至少一个以逼近在间隙中缺失的振动数据，

其中，当间隙存在于其频率基本呈稳定状态的振动数据的一部分中时，复制所述至少一个参考波形和所述至少一个相邻波形中的至少一个以逼近在间隙中缺失的振动数据，

其中使用数值方法或解析方法逼近数据的步骤还包括，

逼近间隙中的缺失振动数据的频率变化率，

逼近间隙中的缺失振动数据的转速信号位置，

逼近间隙中的缺失振动数据的振幅变化率，

逼近间隙中的缺失振动数据的相位变化率，以及

在转速信号位置之间用理想波形填充间隙，以及

使用逼近的频率、振幅和相位变化率来调整理想波形，以及

将逼近的振动数据呈现给用户。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，当间隙存在于振动数据的频率实质上正在变化的振动数据的一部分中的情况下，所述至少一个参考波形具有比所述至少一个相邻波形慢的频率。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述振动数据集从旋转机器感测得到。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述振动数据集从涡轮机感测得到。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，随着涡轮机的旋转速度增加至运行速度，振动数据的频率基本呈线性变化。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，随着涡轮机的旋转速度自运行速度开始减小，振动数据的频率基本呈指数变化。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，当涡轮机以运行速度运行时，振动数据的频率基本呈稳定状态。

17.根据权利要求10所述的方法，其中，呈现逼近的振动数据的步骤还包括：在间隙填充后向用户显示所述振动数据集的曲线图。