DE10135674A1

DE10135674A1 - Method and appliance for evaluating measurement signals with which digitalized signals are filtered in several low pass filters in order to reduce their scanning frequency

Info

Publication number: DE10135674A1
Application number: DE2001135674
Authority: DE
Inventors: Ulrich Kohl
Original assignee: Bruel and Kjaer Vibro GmbH
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-07-21
Filing date: 2001-07-21
Publication date: 2003-02-06

Abstract

With the method signals from vibration sensors are first converted into digital signals. They are then filtered in several low pass filters in order to decimate their scanning frequency by a decimation factor (R). Before and after each reduction stage is provided a finite impulse response filter (FIR) with an analytical impulse word for band pass filtering of a CPB spectrum (Constant Spectrum Bandwidth spectrum). The filters determine, at least in the higher frequency range, the output values with only a reduced number of input values. The low pass filters in the reduction stages are anti-alias low pass filters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Meßsignalen, insbesondere Schwingungsmeßsignalen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5. The invention relates to a method for evaluating Measurement signals, especially vibration measurement signals, according to the Preamble of claim 1 and a device according to the Preamble of claim 5.

Bei der Maschinendiagnose wird häufig die Schwingungsmessung bzw. Körperschallmessung ausgenutzt, um eine Aussage über den Maschinenzustand oder dessen Veränderungen zu treffen. Dazu wird mit Hilfe von Schwingungsaufnehmern das Schwingverhalten der Maschine oder das der zu untersuchenden Bauteile erfaßt und mittels elektronischer Rechenschaltungen ausgewertet. So werden beispielsweise Schäden an Wälzlagern dadurch erkannt, daß man deren Lagerschwingungen erfaßt und aus diesen Schwingungssignalen mit Hilfe elektronischer Rechenschaltungen deren Frequenzen und Amplitudenverteilung ermittelt. Aus den bekannten Lagerdaten sowie der Wellendrehzahl lassen sich dann mit Hilfe von bewerteten Frequenzspektren die Schadensfrequenzen und dessen Schädigungsgrad feststellen. Dazu sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Auswertung der Schwingungssignale bekannt, mit denen ein aussagefähiges Frequenzspektrum ermittelbar ist. Vibration measurement is often used in machine diagnostics or structure-borne noise measurement used to make a statement about the Machine condition or its changes. To is the vibration behavior with the help of vibration sensors the machine or that of the components to be examined and evaluated by means of electronic computing circuits. So For example, damage to rolling bearings is recognized that one detects their bearing vibrations and from these Vibration signals with the help of electronic computing circuits Frequencies and amplitude distribution determined. From the Known bearing data and the shaft speed can then be used With the help of evaluated frequency spectra the damage frequencies and determine its degree of damage. There are various Methods and devices for evaluating the Vibration signals known with which a meaningful frequency spectrum can be determined.

Aus dem Fachaufsatz von Scheithe, Schwingungsmessung zur Früherkennung von Wälzlagerschäden, in VFI, Der Versuchs- und Forschungsingenieur, Heft 2, 1990, Seite 60 bis 64 ist eine Schwingungsanalyse zur Erkennung von Wälzlagerschäden bekannt, die mit Hilfe einer Schwingungsmessung das bewertete Frequenzspektrum der Lagerschwingung ermittelt. Dazu wird die Lagerschwingung durch einen Schwingungsaufnehmer erfaßt und in einem Meßgerät durch elektronische Rechenschaltungen ausgewertet. Dabei wird das analoge Schwingungssignal durch eine Hüllkurvenbildung analysiert und mittels einer Fourier- Transformation als Frequenzspektrum dargestellt, aus dem die Änderung der Spektrallinien und deren Intensität erkennbar ist. Aufgrund der Änderung kann nun festgestellt werden, wie der Lagerzustand ist und ob schon gewisse Grenzwerte überschritten sind. Weiterhin kann mit Hilfe dieses Frequenzspektrums auch auf die Art des Lagerschadens geschlossen werden. Diese Auswertung der Schwingungssignale mittels Hüllkurvenanalyse ist aber speziell auf die Lagerschadenserkennung ausgerichtet und ermittelt deshalb das Frequenzspektrum in einem linearen Abstand. Da bei der Maschinendiagnose nicht nur Lagerschäden ermittelt werden sollen, ist diese Hüllkurvenanalyse mit anschließender Fourier-Transformation nicht allgemein anwendbar. From the specialist paper by Scheithe, vibration measurement for Early detection of bearing damage, in VFI, The experimental and Research engineer, Issue 2, 1990, pages 60 to 64 is one Known vibration analysis for the detection of bearing damage, who assessed this with the help of a vibration measurement Frequency spectrum of the bearing vibration determined. For this, the Bearing vibration detected by a vibration sensor and in a measuring device by electronic computing circuits evaluated. The analog vibration signal is replaced by a Envelope formation analyzed and using a Fourier Transformation represented as a frequency spectrum from which the Changes in the spectral lines and their intensity can be seen is. Due to the change it can now be determined how the storage condition is and whether certain limit values are exceeded. Furthermore, with the help of this Frequency spectrum can also be concluded on the type of bearing damage. This evaluation of the vibration signals by means of Envelope curve analysis, however, is specific to bearing damage detection aligned and therefore determines the frequency spectrum in one linear distance. Because not only in machine diagnostics Bearing damage to be determined is this Envelope analysis with subsequent Fourier transformation is not general applicable.

Deshalb sind heute zur allgemeinen Auswertung von analogen Schwingungssignalen auch andere digitale Schwingungsanalyseverfahren bekannt, mit denen nicht nur Lagerschäden, sondern beispielsweise auch Wellenausrichtfehler, Unwuchten und Getriebeschäden ermittelt werden können. Dabei werden die analogen Schwingungssignale nach dem Aufnehmer mit Hilfe digitaler Rechenschaltungen digitalisiert, gespeichert und dann als Spektrum mit konstanter absoluter Bandbreite (CAB) dargestellt. Das CAB-Spektrum stellt dabei die Verteilung der Energie eines Schwingungssignals auf einzelne Frequenzkomponenten dar, die konstante absolute Frequenzbandbreiten besitzen. Derartige Frequenzspektren lassen sich mit digitalen Rechenschaltungen in Echtzeit berechnen und zur Maschinendiagnose weiter auswerten. Damit können dann in kurzen Zeitabständen neue Spektren berechnet werden, die die Veränderung des Eingangssignals wiedergeben. Dieses Verfahren hat insbesondere bei der Maschinendiagnose den Nachteil, daß bei Drehzahlschwankungen Oberwellen der Maschinenschwingungen auftreten, bei denen die Schwankungen größer als die absoluten Bandbreiten sind, was insbesondere bei den höheren Frequenzen zu einem schwankenden Frequenzspektrum führt, das keine Veränderung des Maschinenzustandes als Ursache hat. Bei einer Erhöhung der Bandbreiten der Frequenzkomponenten würde eine hinreichende Auflösung bei niederen Frequenzen allerdings verloren gehen. Therefore today are used for general evaluation of analog Vibration signals also other digital Vibration analysis methods known, with which not only bearing damage, but for example, shaft alignment errors, unbalance and Gear damage can be determined. The analog vibration signals after the transducer using digital Arithmetic circuits digitized, stored and then as Spectrum with constant absolute bandwidth (CAB) shown. The CAB spectrum represents the distribution of the Energy of an oscillation signal on individual frequency components that have constant absolute frequency bandwidths. Such frequency spectra can be with digital Calculate arithmetic circuits in real time and continue for machine diagnosis evaluate. This means that new ones can be created at short intervals Spectra are calculated that show the change in Play input signal. This procedure has particularly with the Machine diagnosis has the disadvantage that in the event of speed fluctuations Harmonics of machine vibrations occur at which the Fluctuations greater than the absolute ranges are what especially at the higher frequencies to a fluctuating Frequency spectrum that does not change the Machine condition as the cause. When the bandwidths increase of the frequency components would provide sufficient resolution low frequencies are lost.

Aus einer Firmendruckschrift der Firma Bruel & Kjaer, Newletter "PROFILE", Ausgabe Dezember 1995, Seiten 4, 5, 10 und 11 ist ein Verfahren zur Bildung eines CPB-Spektrums (Constant Percentage Bandwidth Spektrum) bekannt, bei dem die einzelnen Frequenzkomponenten relative Bandbreiten von beispielsweise 6%, 23% oder 70% besitzen. Dabei werden zur Bildung der einzelnen Frequenzbänder digitale IIR-Filter (Infinite Impulse Response-Filter) als Bandpässe zur Bildung der einzelnen Linien eines Frequenzspektrums eingesetzt. Da es sich bei den IIR- Filtern um rekursive Filter handelt, muß die Filtereingangsrate gleich der Filterausgangsrate entsprechen. Bei der Maschinendiagnose ist es aber häufig erforderlich, die Frequenzspektren möglichst in Echtzeit zu berechnen, so daß dafür erhebliche Rechenleistung zur Verfügung gestellt werden muß. Allerdings soll ein derartiges Frequenzspektrum aber auch häufig mittels mobiler Meßgeräte mit begrenzter Rechenleistung oder für eine Vielzahl von Meßstellen ermittelt werden, so daß dies mit vorgegebenen Rechenschaltungen häufig nicht möglich ist, so daß die Ausgabe des Frequenzspektrums nur sehr langsam erfolgt, mit dem die raschen Veränderungen des Maschinenzustandes oft nicht erfaßbar sind. From a company brochure by Bruel & Kjaer, Newletter "PROFILE", December 1995 edition, pages 4, 5, 10 and 11 is a process for the formation of a CPB spectrum (Constant Percentage Bandwidth Spectrum) at which the individual Frequency components relative bandwidths, for example 6%, 23% or 70%. Thereby the formation of individual frequency bands digital IIR filters (Infinite Impulse Response filters) as bandpasses to form the individual Lines of a frequency spectrum used. Since the IIR Filters are recursive filters, the Filter input rate equal to the filter output rate. In the Machine diagnostics, however, are often required to To calculate frequency spectra in real time if possible, so that considerable computing power must be made available. However, such a frequency spectrum is also said to be frequent by means of mobile measuring devices with limited computing power or can be determined for a large number of measuring points, so that this is often not possible with predetermined arithmetic circuits, so the output of the frequency spectrum is very slow with which the rapid changes of the Machine status are often not detectable.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Auswertung von Meßsignalen insbesondere von Schwingungsmeßsignalen, möglichst unter Echtzeitbedingungen vornehmen zu können und dies mit möglichst geringer Rechenleistung. The invention is therefore based on the object Evaluation of measurement signals, in particular of vibration measurement signals, to be able to carry out under real-time conditions if possible and this with the lowest possible computing power.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 und 5 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by the in claims 1 and 5 specified invention solved. Further training and advantageous Embodiments of the invention are in the subclaims specified.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß wegen der fehlenden Rückkopplung in den FIR-Filtern die Ausgangsabtastrate nochmals kleiner als die Eingangsabtastrate gewählt werden kann, obwohl alle Eingangsabtastwerte in die Verarbeitung eingehen, so daß eine Auswertung mit hoher Meßgenauigkeit und kleiner Rechenzeit möglich ist. Vorteilhafterweise ist es weiterhin möglich, die Integrationsstufe in die Rechenschaltung des FIR-Filters zu integrieren, so daß hierfür keine zusätzliche Rechenzeit und keine zusätzliche Rechenleistung erforderlich ist. The invention has the advantage that because of the missing Feedback in the FIR filters the output sampling rate again can be chosen smaller than the input sampling rate, though all input samples go into processing so that an evaluation with high measurement accuracy and smaller Computing time is possible. Advantageously, it is also possible the integration level in the computing circuit of the FIR filter to integrate, so that no additional computing time and no additional computing power is required.

Bei einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist vorteilhafterweise nach der Dezimation der Meßsignale eine Kompensation der Resonanzüberhöhungen bei elektrodynamischen Schwingungsaufnehmern möglich, ohne daß hierfür zusätzliche Rechenzeit und Rechenleistung nötig wäre. In a special embodiment of the invention a compensation after the decimation of the measurement signals the resonance peaks in electrodynamic Vibration sensors possible without additional computing time and computing power would be necessary.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen: The invention is based on an embodiment that in the drawing is shown, explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer digitalen elektronischen Schaltung; Fig. 1 is a block diagram of a digital electronic circuit;

Fig. 2 schematische Darstellung einer dezimierten Filterung, und Fig. 2 shows a schematic representation of a decimated filtering, and

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer überlappenden Filterung. Fig. 3 is a schematic representation of an overlapping filtering.

Die Zeichnung in Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer digitalen elektronischen Schaltung, mit der aus einem Zeitsignal ein Frequenzspektrum gebildet wird. The drawing in FIG. 1 shows a block diagram of a digital electronic circuit with which a frequency spectrum is formed from a time signal.

Eine derartige elektronische Schaltung ist Bestandteil eines Meß- und Auswerteverfahrens mit dessen Hilfe beispielsweise Lagerschäden, Fehlausrichtungen an rotierenden Wellen oder Unwuchten an Motoren, Getrieben und Generatoren ermittelt werden, bei denen hohe Intensitäten bei bestimmten Frequenzen auf den Zustand der Prüfobjekte schließen lassen. Zur Auswertung muß dabei ein Zeitsignal in seine Frequenzbestandteile und deren Intensität möglichst zeitnah zerlegt werden. Such an electronic circuit is part of a Measuring and evaluation method with its help, for example Bearing damage, misalignment on rotating shafts or Imbalances on motors, gearboxes and generators determined at which high intensities occur at certain frequencies close the state of the test objects. To the results must have a time signal in its frequency components and the intensity of which is broken down as soon as possible.

Das Zeitsignal kann dabei eine periodische Schwingung eines Schwingungsaufnehmers darstellen, der die Schwingung an rotierenden Maschinen, Lagern oder Schallquellen erfaßt. Der Aufnehmer erzeugt ein analoges elektrisches Schwingungssignal von beispielsweise unter 1 Hz bis ca. 20 KHz, das ausgewertet werden soll. In diesem Frequenzbereich treten vorzugsweise die Schadensfrequenzen an rotierenden Maschinen auf, die mit 50 Hz Wechselstrom angetrieben werden oder mit 50 Hz Wechselstrom synchron umlaufen. The time signal can be a periodic oscillation of a Vibration transducer represent the vibration rotating machines, bearings or sound sources. The Transducer generates an analog electrical vibration signal from for example below 1 Hz to approx. 20 KHz, which is evaluated shall be. In this frequency range, preferably Damage frequencies on rotating machines with 50 Hz AC powered or with 50 Hz AC circulate synchronously.

Die Zeitsignale werden beispielsweise von einem nicht dargestellten Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitsaufnehmer erzeugt, dann verstärkt und einem Analog/Digital-Wandler (ADC) zugeführt. Zur weiteren Verarbeitung werden die nun vorliegenden digitalen Schwingungssignale in einem Speicher 1 zwischengespeichert und zur Auswertung zunächst in einer digitalen Bandpaßschaltung gefiltert. Dabei sind zur Filterung des oberen Frequenzbandes von 10 KHz bis 20 KHz beispielsweise drei nichtrekursive Filter BP1, BP2, BP3 als sogenannte FIR-Filter (Finite Impulse Response-Filter) vorgesehen. Jedes der Filter BP1, BP2, BP3 filtert aus dem oberen Frequenzband von 10 KHz bis 20 KHz eine Frequenzkomponente mit gleichbleibender relativer Bandbreite von beispielsweise 23% der Frequenzanteile heraus. The time signals are generated, for example, by an acceleration or speed sensor (not shown), then amplified and fed to an analog / digital converter (ADC). For further processing, the digital vibration signals that are now present are temporarily stored in a memory 1 and are first filtered in a digital bandpass circuit for evaluation. In this case, for example, three non-recursive filters BP1, BP2, BP3 are provided as so-called FIR filters (finite impulse response filters) for filtering the upper frequency band from 10 kHz to 20 kHz. Each of the filters BP1, BP2, BP3 filters out a frequency component with a constant relative bandwidth of, for example, 23% of the frequency components from the upper frequency band from 10 KHz to 20 KHz.

Es ist insbesondere bei der Maschinendiagnose im oberen Frequenzband eine geringere Auflösung erforderlich, da die Mehrzahl der relevanten Schadensfrequenzen im Bereich um 50 Hz liegt. Um auch die relativ hohen Frequenzanteile von 10 KHz bis 20 KHz möglichst in Echtzeit berechnen zu können, sind die FIR-Filter so ausgebildet, daß deren Filterausgangsrate kleiner als die Filtereingangsrate ist. Eine derartige dezimierte Filterausgangsrate ist in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt. So werden bei den Filtern BP1, BP2, BP3 für die oberen Frequenzbereiche von 10 KHz bis 20 KHz beim Abtastvorgang n beispielsweise nur für jeweils hundert neu abgetastete Eingangswerte 4 ein gemeinsamer Ausgangswert errechnet, wodurch erhebliche Rechenzeit eingespart wird. In Fig. 2 sind aus Übersichtsgründen statt der hundert Eingangswerte 4 nur neun dargestellt. Dabei werden bei den nächstfolgenden Abtastvorgängen n + 1 und n + 2 immer die hundert folgenden Abtastwerte erfaßt, so daß zwischen den Hunderter-Gruppen keine Abtastwerte ungenutzt bleiben. Diese Unterabtastung des Filterausgangssignals zeigt sich im Frequenzbereich durch eine Überlagerung von sich periodisch wiederholenden Übertragungsfunktionen des Filters. Fehler durch Spiegelung der Durchlaßkurve des Bandpasses bei negativen Frequenzen in den positiven Frequenzbereich werden vermieden, indem Bandpässe BP1, BP2, BP3, mit analytischer Impulsantwort vorgesehen sind. Ein analytisches Signal ist komplex mit der Hilbert-Transformierten des Realteils als Imaginärteil. Ein solches Signal hat ein einseitiges Spektrum und es verschwindet bei negativen Frequenzen. Der Betrag des Signals entspricht deshalb seiner Hüllkurve, was eine Auswertung mit Unterabtastung erlaubt, da die nachfolgende Kennwertbildung (RMS-Wert) auf den Betrag beschränkt ist. A lower resolution is required, particularly for machine diagnostics in the upper frequency band, since the majority of the relevant damage frequencies are in the range around 50 Hz. In order to be able to calculate the relatively high frequency components from 10 KHz to 20 KHz in real time if possible, the FIR filters are designed so that their filter output rate is lower than the filter input rate. Such a decimated filter output rate is shown in Fig. 2 of the drawing. For example, filters BP1, BP2, BP3 for the upper frequency ranges from 10 KHz to 20 KHz during the scanning process n only calculate a common output value for every hundred newly sampled input values 4 , thereby saving considerable computing time. For reasons of clarity, only nine are shown in FIG. 2 instead of the hundred input values 4 . In the next following scanning processes n + 1 and n + 2, the hundred following scanning values are always acquired, so that no scanning values remain unused between the hundreds of groups. This subsampling of the filter output signal is shown in the frequency domain by a superposition of periodically repeating transfer functions of the filter. Errors by mirroring the pass curve of the bandpass at negative frequencies in the positive frequency range are avoided by providing bandpasses BP1, BP2, BP3 with an analytical impulse response. An analytical signal is complex with the Hilbert transform of the real part as an imaginary part. Such a signal has a one-sided spectrum and it disappears at negative frequencies. The magnitude of the signal therefore corresponds to its envelope curve, which permits evaluation with undersampling, since the subsequent characteristic value formation (RMS value) is limited to the magnitude.

Am Ausgang jeder Filterschaltung BP1, BP2, BP3 liegt ein gefiltertes Signal an, das einer Kennwertrechenschaltung RMS zugeführt wird. Diese errechnet aus den gefilterten Signalen den Effektivwert (RMS-Wert), der der Energie des Schwingungssignals der jeweiligen Frequenzkomponente entspricht. Dieser Effektivwert ist als Spektrallinie n bzw. n-1 und n-2 darstellbar. Diese drei berechneten Spektrallinien im oberen Frequenzbereich von 10 KHz bis 20 KHz sind bei vorgegebener Rechenleistung für die Bandpaß- und Kennwertschaltungen relativ frühzeitig ermittelbar, da die Abtastrate für die verhältnismäßig hohen Frequenzen um beispielsweise den Faktor 100 reduziert ist. Da die Filterung der Linien n, n-1 und n-2 mit hohen Mittenfrequenzen durch Bildung einer niedrigen Ausgangsabtastrate dort beginnt, wo die Filterung der vorhergehenden endet, gehen noch alle Eingangsabtastwerte 4 in die vollständige Echtzeitverarbeitung ein. A filtered signal is present at the output of each filter circuit BP1, BP2, BP3 and is fed to a characteristic value calculation circuit RMS. From the filtered signals, this calculates the effective value (RMS value), which corresponds to the energy of the vibration signal of the respective frequency component. This effective value can be represented as spectral line n or n-1 and n-2. These three calculated spectral lines in the upper frequency range from 10 KHz to 20 KHz can be determined relatively early for a given computing power for the bandpass and characteristic value circuits, since the sampling rate for the relatively high frequencies is reduced by a factor of 100, for example. Since the filtering of lines n, n-1 and n-2 with high center frequencies begins by forming a low output sampling rate where the filtering of the previous ends, all input samples 4 are still involved in the complete real-time processing.

Zur Verarbeitung der Frequenzanteile unterhalb von 10 KHz werden die digitalisierten Schwingungssignale aus dem Speicher gleichzeitig einem Tiefpaß TP1 zugeführt, der als Anti-Alias- Tiefpaß ausgebildet ist und das obere Halbband ab 10 KHz unterdrückt. Das durchgelassene Frequenzband bis 10 KHz wird in einer nachfolgenden Dezimationsschaltung 2 in seiner Abtastrate um einen Faktor R, der den Wert 2 besitzt, reduziert, indem nur jeder zweite vorhergehende Abtastwert den Bandpässen BP1', BP2', BP3' zugeführt wird. Diese Bandpässe BPl', BP2', BP3' sind ebenfalls als FIR-Filter und identisch wie die Bandpässe BP1, BP2 und BP3 ausgebildet und auf drei abgestufte relative Frequenzkomponenten zwischen 5 KHz bis 10 KHz abgestimmt. Dadurch ergibt sich bei diesen drei Frequenzkomponenten eine wesentliche Erhöhung der Auflösung unter gleichzeitiger Verringerung der Rechenleistung, ohne daß dadurch die Rechenzeit ansteigt. Diese drei FIR-Filter BP1', BP2', BP3' arbeiten ebenfalls mit einer um den Faktor 100 verringerten Ausgangsrate und sind mit analytischer Impulsantwort ausgestattet, so daß die Unterabtastung nicht zu einer Frequenzspiegelung führt und in einer sehr kurzen Rechenzeit die drei gefilterten Signale zur Bildung des RMS-Wertes zur Verfügung stehen. Dies sind die drei Spektrallinien n-3, n-4 und n-5. To process the frequency components below 10 kHz, the digitized vibration signals from the memory are simultaneously fed to a low-pass filter TP1, which is designed as an anti-alias low-pass filter and suppresses the upper half band from 10 kHz. The transmitted frequency band up to 10 kHz is reduced in a subsequent decimation circuit 2 in its sampling rate by a factor R, which has the value 2, in that only every second preceding sample value is supplied to the bandpass filters BP1 ', BP2', BP3 '. These bandpasses BP1 ', BP2', BP3 'are also FIR filters and are identical to the bandpasses BP1, BP2 and BP3 and are tuned to three graded relative frequency components between 5 KHz to 10 KHz. This results in a substantial increase in resolution with a simultaneous reduction in computing power for these three frequency components, without the computing time thereby increasing. These three FIR filters BP1 ', BP2', BP3 'also work with an output rate reduced by a factor of 100 and are equipped with an analytical impulse response, so that the undersampling does not lead to frequency mirroring and the three filtered signals in a very short computing time Formation of the RMS value are available. These are the three spectral lines n-3, n-4 and n-5.

Nach dieser ersten Tiefpaßfilterstufe folgen noch sechs weitere nicht dargestellte Tiefpaßfilterstufen TP2 bis TP7, die gleichartig ausgebildet sind und einen Frequenzbereich bis 156 Hz auswerten. Dabei wird in jeder Tiefpaßstufe TP2 bis TP7 die Auswertung der Abtastfrequenz durch Dezimationsschaltungen 2 bis 7 halbiert und ein FIR-Filter BP1', BP2', BP3' mit analytischer Impulsantwort verwendet, um bei vorgegebener Rechenleistung Rechenzeit einzusparen und die Auflösung durch Verringerung der Frequenzbänder zu erhöhen. This first low-pass filter stage is followed by six further low-pass filter stages TP2 to TP7, not shown, which are of identical design and evaluate a frequency range up to 156 Hz. In each low-pass stage TP2 to TP7, the evaluation of the sampling frequency is halved by decimation circuits 2 to 7 and an FIR filter BP1 ', BP2', BP3 'with analytical impulse response is used to save computing time for a given computing power and to reduce the resolution by reducing the frequency bands increase.

Bei den Tiefpaßstufen TP8 bis TP14 wird zwar auch noch die Auswertung der Abtastfrequenzen durch Dezimationsschaltungen 8 bis 14 halbiert, aber die Ausgangsabtastrate der Bandpaßfilter BP1", BP2", BP3" in den Stufen 8 bis 14 nicht mehr um den Faktor 100 reduziert. Bei diesen tieferen Frequenzbändern von 0,6 Hz bis 156 Hz entspricht die Filtereingangsabtastrate gleich der Filterausgangsabtastrate, so daß sich die Eingangs- und Ausgangswerte wie nach Fig. 3 schematisch dargestellt überlappen, indem der Ausgangswert bei jedem nächstfolgenden Abtastvorgang n + 1 bzw. n + 2 lediglich mit einem neuen Eingangswert 5, 6 berechnet wird. Die vergleichsweise hohe Rechenzeit relativiert sich aber dadurch, daß die Eingangsfrequenz von 312 Hz durch die Dezimationsschaltung in der Stufe 8 verhältnismäßig niedrig ist und damit noch eine Echtzeitberechnung erfolgt. Durch eine derartige Dezimation wird gerade im rotationsfrequenten Bereich eine sehr hohe Auflösung erreicht, die mit einer vorgegebenen Rechenleistung auch in verhältnismäßig kurzer Rechenzeit zur Ermittlung des Frequenzspektrums führt. In the low-pass stages TP8 to TP14, the evaluation of the sampling frequencies is also halved by decimation circuits 8 to 14 , but the output sampling rate of the bandpass filters BP1 ", BP2", BP3 "in stages 8 to 14 is no longer reduced by a factor of 100. With these Lower frequency bands from 0.6 Hz to 156 Hz correspond to the filter input sampling rate equal to the filter output sampling rate, so that the input and output values as shown schematically in FIG. 3 overlap by the output value with each subsequent sampling operation n + 1 or n + 2 only is calculated with a new input value 5 , 6. However, the comparatively high computing time is put into perspective by the fact that the input frequency of 312 Hz is relatively low due to the decimation circuit in stage 8 and thus real-time calculation takes place Range reached a very high resolution with a front given computing power leads to the determination of the frequency spectrum even in a relatively short computing time.

Mit einer derartigen Auswerteschaltung sind in kurzer Zeit vielfältige Diagnoseaufgaben an Maschinen oder deren Bestandteilen durchführbar, wobei sich Änderungen am Maschinenzustand sehr rasch anzeigen lassen und auch mit sehr kompakten Handmeßgeräten mit geringen Rechenleistungen gearbeitet werden kann. Dabei ist mit einer anzeigbaren Spektrallinienanzahl n von beispielsweise 45 eine übersichtliche Auswertung möglich, die insbesondere in den relevanten Frequenzbereichen eine hohe Auflösung über den gesamten Bereich und eine schnelle Ermittlung des Frequenzspektrums gewährleistet. With such an evaluation circuit are in a short time diverse diagnostic tasks on machines or their Components feasible, with changes to the machine condition display very quickly and also with very compact Hand-held measuring devices can be operated with low computing power can. With a displayable number of spectral lines n of 45, for example, a clear evaluation is possible, which is particularly high in the relevant frequency ranges Resolution across the entire area and fast Guaranteed determination of the frequency spectrum.

Bei einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, das Schwingungssignal eines Beschleunigungsaufnehmers, der als Piezo-Aufnehmer ausgebildet ist, in eine Geschwindigkeit umzusetzen. Deshalb ist eine Integration notwendig. Der Frequenzgang dieses Integrators unterscheidet sich in einer Dezimationsstufe zur nächstfolgenden nur durch einen konstanten Faktor R = 2, so daß diese Integration durch entsprechende Wahl der Filterkoeffizienten gleichzeitig in den FIR-Filtern BP1, BP2, BP3 bis BP1", BP2", BP3'' vorgenommen wird. Für eine derartige Integration wird keine separate Rechenschaltung benötigt und auch keine zusätzliche Rechenzeit beansprucht, so daß die Ausgabe des Frequenzspektrums auch bei vorgegebener Rechenleistung nicht verzögert wird. In a special embodiment of the invention, the vibration signal of an accelerometer, which as Piezo pickup is formed at one speed implement. Therefore integration is necessary. The Frequency response of this integrator differs in one Decimation level to the next one only by a constant factor R = 2, so that this integration by appropriate choice of Filter coefficients simultaneously in the FIR filters BP1, BP2, BP3 to BP1 ", BP2", BP3 '' is made. For one such integration does not require a separate arithmetic circuit and also no additional computing time, so that the Output of the frequency spectrum even with a given one Computing power is not delayed.

Bei der Verwendung von elektrodynamischen Schwingungsaufnehmern zur Spektralanalyse handelt es sich um Geschwindigkeitskaufnehmer, deren Resonanzfrequenzen häufig im auszuwertenden Frequenzbereich unter 20 Hz liegt. Damit diese Resonanzüberhöhung nicht zu einem Meßfehler führt, ist es wünschenswert, diese zu kompensieren. Deshalb enthält die Auswerteschaltung für derartige Aufnehmer im Bereich der Dezimationsstufe, dessen Frequenzbereich etwas oberhalb des Resonanzbereichs fällt, ein Entzerrungsfilter 3, durch das die Resonanzüberhöhung durch eine spezielle Dämpfungscharakteristik kompensiert wird. Da dieses Entzerrungsfilter 3 in einer unteren Dezimationsstufe vorgesehen ist, wird hierfür bei der verhältnismäßig tiefen Frequenz auch nur eine geringe Rechenleistung benötigt. The use of electrodynamic vibration sensors for spectral analysis involves speed sensors whose resonance frequencies are frequently below 20 Hz in the frequency range to be evaluated. So that this resonance increase does not lead to a measurement error, it is desirable to compensate for this. For this reason, the evaluation circuit for such transducers in the area of the decimation stage, whose frequency range falls somewhat above the resonance range, contains an equalization filter 3 , by means of which the excessive resonance is compensated for by a special damping characteristic. Since this equalization filter 3 is provided in a lower decimation stage, only a small amount of computing power is required for this at the relatively low frequency.

Claims

1. Method for evaluating analog measurement signals, in particular vibration measurement signals, which are converted into digital measurement values by means of an analog / digital converter and filtered in several low-pass stages and reduced in their sampling frequency by predetermined decimation factors R, characterized in that before and after each decimation stage for frequency analysis, at least one non-recursive filter (FIR filter) with an analytical impulse response for bandpass filtering of a CPB spectrum is provided, which determines the output values at least in the higher evaluable frequency ranges with only a decimated number of input values ( 4 ).

2. A method for evaluating analog measurement signals according to claim 1, characterized in that after the A / D conversion for intermediate storage of the digital measured values, memory elements ( 1 ) are provided for intermediate storage.

3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized characterized in that after the A / D conversion at least one non-recursive bandpass filter (BP1, BP2, BP3) for Filtering the highest evaluable relatively largest Frequency range is provided and that in at least one subsequent low-pass filtered decimation stage (TP1) at least one other non-recursive bandpass filter (BP1 ', BP2', BP3 ') to filter a smaller one subsequent frequency range is provided.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least as many Decimation levels are provided that are relevant evaluable frequency range a relatively high Resolution is achieved.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for low-pass filtering the Decimation levels anti-alias low-pass filter (TP1, TP14) be used.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for the evaluation of Vibration measured values the output values of the bandpass filters (BP1, BP2, BP3; BP1 ', BP2', BP3 '; BP1 ", BP2", BP3 ") one Effective value calculation (AMS value).

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in each decimation stage ( 2 , 14 ) the sampling frequency is decimated by the factor R = 2.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the vibration signals with With the help of appropriate selection of the filter coefficients of the non-recursive bandpass filters (BP1, BP2, BP3; BP1 ', BP2 ', BP3'; BP1 ", BP2", BP3 ") for conversion into a intended physical output variable integrated become.

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one equalization filter ( 3 ) is provided for damping excessive resonance of the transducer signals in at least one corresponding decimation stage ( 14 ) for damping.

10. Device for evaluating analog measurement signals, for carrying out the method according to one of claims 1 to 9, characterized in that for the evaluation program-controlled digital arithmetic circuits (ADC, 1 ) are provided which convert the analog measurement signals into digital measurement values, these by means of digital Split low-pass (TP1, TP14) and decimation computing circuits ( 2 , 14 ) into several decimated relative frequency ranges and before and after each decimation stage ( 2 , 14 ) by means of digital computing circuits (BP1, BP2, BP3; BPl ', BP2', BP3 '; BP1 ", BP2", BP3 ", RMS) undergo at least one non-recursive filtering and subsequent effective value calculation, the bandpass calculation circuits (BP1, BP2, BP3; BP1 ', BP2', BP3 ') being designed such that at least the upper frequency ranges, only a group-wise number of input values ( 4 ) is used.