DE102013013551A1 - Method for detecting significantly changed signals against a background of dominant disturbances - Google Patents

Method for detecting significantly changed signals against a background of dominant disturbances Download PDF

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René Hofmann
Alexander Klein
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00Testing of machine parts
    • G01M13/04Bearings
    • G01M13/045Acoustic or vibration analysis

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren signifikant veränderten Signale an Vorrichtungen mit sich periodisch widerholenden, gleichförmiger oder gleichmäßig beschleunigten Bewegungen umfasst folgende Schritte:
– Aufnahme der Signale der Vorrichtung mittels eines Sensors
– Ermittlung der Häufigkeiten einzelner Amplituden der Signale
– Berechnung der Wahrscheinlichkeiten einzelner Amplituden
– Berechnung der Entropiewerte insbesondere der Shannon Entropie, der Kolmogorov-Sinai-Entropie und/oder der Renyi-Entropie aus den Wahrscheinlichkeiten
– Vergleich der Entropie der aktuellen Zeiteinheit mit der Entropie von vorhergehenden Zeiteinheiten und/oder mit der Entropie von Referenzdaten
The method according to the invention of significantly changed signals on devices with periodically repeating, uniform or uniformly accelerated movements comprises the following steps:
- Recording the signals of the device by means of a sensor
- Determining the frequencies of individual amplitudes of the signals
- Calculation of the probabilities of individual amplitudes
Calculation of the entropy values, in particular the Shannon entropy, the Kolmogorov-Sinai entropy and / or the Renyi entropy from the probabilities
- Comparison of the entropy of the current time unit with the entropy of previous time units and / or with the entropy of reference data

Figure DE102013013551A1_0001
Figure DE102013013551A1_0001

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren und eine Vorrichtung, die Messgrößen (im Folgenden: „Signale”) laufend erfasst und Änderungen der Signaleigenschaften erkennen, bewerten und signalisieren kann. Das Ziel ist dabei eine Erkennung oder Vorhersage von Güteminderungen, Störungen oder Beschädigungen von Vorrichtungen mit periodisch oder gleichförmig oder gleichmäßig beschleunigt bewegten Teilen.The invention generally relates to a method and a device which continuously records measured variables (hereinafter: "signals") and can recognize, evaluate and signal changes in the signal properties. The aim is to detect or predict degradations, disturbances or damage of devices with periodically or uniformly or even accelerated moving parts.

[Stand der Technik][State of the art]

Es ist eine Vielzahl einzelner Methoden bekannt, die es für spezielle Anwendungen erlauben, aus gemessenen Signalen verschiedenster Art auf Betriebs- und Verschleißzustände beweglicher Teile zurückzuschließen:
Es ist möglich, anhand des akustischen Frequenzspektrums (Körperschalldaten), das an einem Prüfstand von Vorrichtungen mit sich periodisch widerholenden Bewegungen, beispielsweise für Gleitlager, gemessen wurde, zu erkennen, ob sich während der Prüfung ein sogenannter Stick-Slip-Effekt anbahnt, der eine Fehlfunktion des Lagers darstellt. Ein typisches Beispiel für diesen Effekt ist ein quietschendes Türscharnier.
A variety of individual methods are known, which allow for special applications to deduce from measured signals of various kinds on operating and wear conditions of moving parts:
It is possible, on the basis of the acoustic frequency spectrum (structure-borne noise data), which was measured on a test bench of devices with periodically repeating movements, for example, for sliding bearings, to recognize whether a so-called stick-slip effect is taking place during the test, the Represents malfunction of the bearing. A typical example of this effect is a squeaky door hinge.

Es ist bekannt, dass sich die Entwicklung eines solchen Effekts bereits im Vorfeld für die Diagnose von Lagern, Getrieben und anderen Vorrichtungen anhand des Körperschalls detektieren lassen.It is known that the development of such an effect can already be detected in advance for the diagnosis of bearings, gears and other devices by means of structure-borne noise.

In diesem Gebiet gibt es eine Reihe etablierter Methoden. Diese lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen:There are a number of established methods in this area. These can be roughly divided into two categories:

1. Statistische Methoden1. Statistical methods

Es ist allgemein bekannt, dass sich Schäden im Anfangsstadium, beispielsweise bei Wälzlagern dadurch manifestieren, dass sich die Wölbung der Verteilungsdichte der Lagerschwingungen ändert, was über die sogenannte Kurtosis erfasst werden kann. Die Kurtosis ist dabei eine einfache statistische Kennzahl und daher einer Analyse zugänglich.It is generally known that damage in the initial stage, for example in rolling bearings, manifests itself by the fact that the curvature of the distribution density of the bearing vibrations changes, which can be detected by the so-called kurtosis. The kurtosis is a simple statistical index and therefore an analysis accessible.

2. Methoden der Spektralanalyse2. Methods of spectral analysis

Hierbei wird das gemessene Schwingungs- oder Schallsignal zunächst einer sogenannten Fouriertransformation unterworfen, um sein Frequenzspektrum zu bestimmen. Dieses kann dann zum Beispiel mit einem Referenzspektrum verglichen oder auf Veränderungen bei Frequenzen untersucht werden, die sich aufgrund von Lager- oder Zahnradgeometrien im Vorfeld bestimmen lassen.Here, the measured vibration or sound signal is first subjected to a so-called Fourier transform to determine its frequency spectrum. This can then be compared, for example, with a reference spectrum or examined for changes in frequencies that can be determined in advance due to bearing or gear geometry.

Diese Verfahren sind jedoch speziell an ihre Umgebung angepasst und oft weitgehend „blind” für Veränderungen außerhalb der betrachteten Menge von Frequenzen.However, these methods are specially adapted to their environment and often largely "blinded" to changes outside the considered set of frequencies.

3. Zerlegungen in orthogonale und andere Komponenten3. Decompositions into orthogonal and other components

Stehen mehrere parallel aufgenommene Signale in Form von Zeitreihen zur Verfügung, so lassen sich diese durch geeignete Zerlegungen in gleich viele statistisch unabhängige Komponentenzeitreihen zerlegen.If several signals recorded in parallel are available in the form of time series, these can be decomposed by suitable decomposition into the same number of statistically independent component time series.

Durch verschiedene Konzepte statistischer Unabhängigkeit kann man hier eine weitere Unterteilung in Hauptkomponentenverfahren („Principal Component Analysis”), bei denen die Komponenten nur dekorreliert sind, und Verfahren mit höheren Anforderungen an die statistische Unabhängigkeit auf Basis unabhängiger Komponenten („Independent Component Analysis”) vornehmen.Various concepts of statistical independence can be used here for further subdivision into principal component analysis, in which the components are only decorrelated, and methods with higher requirements for independent component analysis ("Independent Component Analysis") ,

Alle diese Verfahren haben in der gegenwärtigen Anwendung spezifische Nachteile:
Die Kurtosis wird zwar bekanntermaßen von Störgeräuschen, durch Schäden beeinflusst, zeigt sich dabei aber wenig robust und ist statistisch schwierig zu bewerten, da ihre Verteilung empfindlich auch auf unspezifische Änderungen reagiert. Die Spektralanalyse macht meist starke Annahmen über die Betriebsumgebung, ist sehr rechenaufwendig und mehr oder weniger blind gegenüber schwachen statistischen Signalen mit instabiler Phasenlage.
All of these methods have specific disadvantages in the current application:
The kurtosis is known to be affected by noise, damage, but it shows little robust and is statistically difficult to evaluate, as their distribution is sensitive to non-specific changes. The spectral analysis usually makes strong assumptions about the operating environment, is very computationally intensive and more or less blind to weak statistical signals with unstable phasing.

Über die statistischen Eigenschaften von Hauptkomponenten gibt es nur wenige asymptotische Ergebnisse, über die hinaus nur wenig bekannt ist, und für stärkere Konzepte statistischer Unabhängigkeit stellen die Verteilungen der Komponenten selbst Variablen dar, die es jeweils in Abhängigkeit von bestimmten Randbedingungen anzupassen gilt, so dass hier kaum noch generelle Aussagen möglich sind.There are few asymptotic results about the statistical properties of principal components, beyond which little is known, and for stronger concepts of statistical independence, the distributions of the components themselves represent variables that must be adapted depending on certain constraints, so here hardly any general statements are possible.

Aus der DE 199 43 689 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und/oder Diagnose sich bewegender Maschinen und/oder Maschinenteile bekannt. Ziel derartiger Mess- und Auswerteverfahren ist es, möglichst frühzeitig einen Schaden an einer Maschine oder einem Maschinenteil wie beispielsweise an einem Wälzlager zu erkennen, um dieses ggf. vor dessen Totalausfall austauschen zu können.From the DE 199 43 689 A1 For example, a method and apparatus for monitoring and / or diagnosing moving machinery and / or machine parts is known. The aim of such measurement and evaluation is to detect as early as possible damage to a machine or a machine part such as a rolling bearing in order to replace this before its total failure if necessary.

[Aufgabe][Task]

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.The object of the present invention is to avoid the disadvantages of the prior art.

Die Erfindung soll möglichst universell einsetzbar sein und darf daher nur wenige Annahmen über die jeweilige Betriebsumgebung machen. Außerdem soll sie auch schwache statistische Signale berücksichtigen und Änderungen eines des Signals auch vor einem Hintergrund dominanter Störungen erkennen können. Dabei sollen sowohl direkte Messsignale aus Maschinen und Anlagen und darin eingesetzter Sensorik als auch durch indirekte, durch Vorverarbeitung in Steuereinheiten entstandene Signale, derartig ausgewertet oder umgewandelt werden, dass besser als bisher eine eindeutige Aussage über das tatsächliche Vorliegen von Schäden oder Störungen möglich ist. The invention should be as universally applicable and therefore may make only a few assumptions about the respective operating environment. In addition, it should also be able to take into account weak statistical signals and detect changes in the signal even against a background of dominant disturbances. In this case, both direct measurement signals from machines and systems and sensors used therein as well as indirect, resulting from preprocessing in control units signals are evaluated or converted so that better than before a clear statement about the actual presence of damage or interference is possible.

Schließlich soll dieses Verfahren so schnell durchführbar sein, dass ohne Zeitverzug plötzlich auftretender Schäden und/oder Störungen erfassbar sind.Finally, this method should be able to be carried out so quickly that suddenly occurring damage and / or malfunctions can be detected without delay.

[Lösung der Aufgabe][Solution of the task]

Die Lösung dieser Aufgaben ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.The solution of these objects results from the features of the main claim, while advantageous embodiments and modifications of the invention are the dependent claims.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den folgenden Eigenschaften gelöst:
Verfahren zur Ermittlung signifikant veränderter Signalen an Vorrichtungen mit sich periodisch wiederholenden, gleichförmigen oder gleichmäßig beschleunigten Bewegungen, folgende Schritte aufweisend:

  • – Aufnahme der Signale (bspw. akustische, elektrisch, optisch) der Vorrichtung mittels eines Sensors, das bedeutet: Aufnahme einer Menge von Signalamplituden
  • – Ermittlung der Häufigkeiten einzelner Amplituden der Signale
  • – Berechnung der Wahrscheinlichkeiten einzelner Amplituden
  • – Berechnung der Entropiewerte, insbesondere der Shannon Entropie, der Kolmogorov-Sinai-Entropie und/oder der Renyi-Entropie aus den Wahrscheinlichkeiten
  • – Vergleich der Entropie der aktuellen Zeiteinheit mit der Entropie von vorhergehenden Zeiteinheiten und/oder mit der Entropie von Referenzdaten
The task is solved by a method with the following properties:
A method of detecting significantly altered signals on devices having periodically repeating, uniform or uniformly accelerated motions, comprising the steps of:
  • - Recording the signals (eg, acoustic, electrical, optical) of the device by means of a sensor, which means: recording a set of signal amplitudes
  • - Determining the frequencies of individual amplitudes of the signals
  • - Calculation of the probabilities of individual amplitudes
  • Calculation of the entropy values, in particular the Shannon entropy, the Kolmogorov-Sinai entropy and / or the Renyi entropy from the probabilities
  • - Comparison of the entropy of the current time unit with the entropy of previous time units and / or with the entropy of reference data

Eine Vorrichtung zur Erkennung signifikant abweichender Signale, die dieses Verfahren einsetzt, verfügt über mindestens einen Signaleingang, der es erlaubt, ein Signal in passiv zu erfassen und einer geeigneten Weiterverarbeitung zuzuführen. Dies geschieht beispielsweise durch die Analog-Digital-Wandlung eines Spannungspegels an einem hochohmigen Eingang sein.A device for detecting significantly different signals, which uses this method, has at least one signal input, which makes it possible to passively detect a signal and to supply it to a suitable further processing. This can be done, for example, by the analog-to-digital conversion of a voltage level at a high-impedance input.

In vorteilhaften Ausführungen der Vorrichtung weist die Vorrichtung auch aktive Elemente auf insbesondere Energieversorgungsmittel um die Energieversorgung der Sensoren über Konstantspannung oder Konstantstrom zu gewährleisten und/oder Empfangsmittel um bereits an anderer Stelle in digitale Form überführte Signale über geeignete Schnittstellen, wie drahtgebundene serielle, parallele oder Netzwerk-Schnittstellen, oder auch drahtlose optische (IrDA) oder funkgestützte Schnittstellen (Bluetooth, Ultrabreitband, WLAN) zu empfangen.In advantageous embodiments of the device, the device also has active elements in particular energy supply means to ensure the power supply of the sensors via constant voltage or constant current and / or receiving means to already elsewhere in digital form converted signals via suitable interfaces, such as wired serial, parallel or network -Interfaces, or even wireless optical (IrDA) or radio-based interfaces (Bluetooth, ultra-broadband, WLAN) to receive.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung ein internes digitales oder analoges Rechenwerk auf, um die empfangenen Signale weiterzuverarbeiten.In a further embodiment, the device has an internal digital or analog calculating unit in order to further process the received signals.

Für die Verarbeitung der Signale weist die Vorrichtung wenigstens einen Betriebszustand auf.For the processing of the signals, the device has at least one operating state.

Im sogenannten Interventionsbetrieb, der den regulären Betriebszustand darstellt, werden die statistischen Eigenschaften der gemessenen Signale mit im Vorfeld festgelegten und/oder im Betrieb der Vorrichtung bestimmten statistischen Eigenschaften (z. B. Varianz, Mittelwert und/oder Entropie) verglichen und mögliche signifikante Abweichungen von diesen bestimmt. Die Ausgabe der Daten der Abweichung nach außen und/oder die Information dass eine Abweichung vorliegt durch ein optisches, akustisches und/oder elektrisches Signal wird im Folgenden als Signalisierung bezeichnet.In the so-called intervention mode, which represents the regular operating state, the statistical properties of the measured signals are compared with predefined and / or determined during operation of the device statistical properties (eg variance, mean and / or entropy) and possible significant deviations from determined this. The output of the data of the deviation to the outside and / or the information that a deviation is present through an optical, acoustic and / or electrical signal is referred to below as signaling.

In vorteilhaften Ausführungen der Vorrichtung gibt es wenigstens einen weiteren optionalen Betriebszustand, den sogenannten Explorationsbetrieb. Hierbei werden üblicherweise keine Signale nach außen gesendet sondern während dieses Betriebszustandes werden zunächst über einen gewissen Zeitraum die statistischen Eigenschaften aller erfassten Signale gemessen bzw. berechnet und intern auf einem internen nichtflüchtigen Speicher protokolliert. Dies dient der Konditionierung der Vorrichtung, da hier Vergleichswerte für den Interventionsbetrieb erzeugt werden. Signalabschnitte mit signifikanten Abweichungen können dabei auch entweder in analoger oder in digitaler Form über eine geeignete Schnittstelle ausgegeben werden.In advantageous embodiments of the device, there is at least one further optional operating state, the so-called exploration operation. In this case, signals are usually not sent to the outside, but during this operating state, the statistical properties of all detected signals are first measured or calculated over a certain period of time and logged internally on an internal non-volatile memory. This serves to condition the device since comparative values for the intervention mode are generated here. Signal sections with significant deviations can also be output either in analog or in digital form via a suitable interface.

In weiteren vorteilhaften Ausführungen weist die Vorrichtung ein optisches und/oder akustisches Signalausgabemittel z. B. einen eigenen Bildschirm auf, um die Abweichungen direkt darstellbar zu machen.In further advantageous embodiments, the device has an optical and / or acoustic signal output means z. B. a separate screen to make the deviations directly representable.

Zur weiteren Signalisierung im Interventionsbetrieb verfügt die Vorrichtung über mindestens einen Signalausgang, um die Information der signifikante Abweichungen eines oder mehrerer Eingangssignale von wenigstens, einer vor der Messung oder im Explorationsbetrieb definierten statistischen Eigenschaft (z. B. Varianz, Mittelwert und/oder Entropie) zu senden.For further signaling in intervention mode, the device has at least one signal output to provide the information of the significant deviations of one or more input signals from at least one, before the measurement or in the exploration mode defined statistical property (eg variance, mean and / or entropy) to send.

In weiteren vorteilhaften Ausführungen der Vorrichtung wird eine differenziertere Signalgebung durch eins der folgenden Merkmale oder eine Kombination der folgenden Merkmale erreicht:
Die Signalisierung sendet die Größe der Überschreitung der Signifikanzschwelle einer statistischen Eigenschaft und nicht nur ihr Überschreiten. Dies geschieht zum Beispiel durch Ausgabe eines geeignet skalierten analogen Spannungswertes.
In further advantageous embodiments of the device, a more differentiated signaling is achieved by one of the following features or a combination of the following features:
The signaling sends the size of the threshold of significance of a statistical property, not just exceeding it. This happens, for example, by outputting a suitably scaled analog voltage value.

Die Signalisierung erfolgt statt in einer direkten Ausgabe von Spannungswerten über andere digitale Schnittstellen, um auch eine Kommunikation über externe Infrastruktur z. B. ein Mobilfunknetz zu gewährleisten.The signaling takes place in a direct output of voltage values via other digital interfaces, in order to communicate via external infrastructure z. B. to ensure a mobile network.

Die Signaldaten werden entweder auf einem internen nichtflüchtigen Speicher festgehalten und/oder in digitaler Form über eine der oben genannten Schnittstellen übermittelt.The signal data is either recorded on an internal non-volatile memory and / or transmitted in digital form via one of the above-mentioned interfaces.

Für die Analyse der Daten kommen dabei in beiden Phasen mathematische Methoden zur Anwendung, die im Folgenden beschrieben werden.To analyze the data, mathematical methods are used in both phases, which are described below.

In jedem Verfahren wird in einem ersten Schritt das Signal der Vorrichtung (bspw. akustische, optisch oder elektrisch) erfasst. Hierzu werden Sensoren beispielsweise Vibrationssensoren, Beschleunigungssensoren, Mikrophone, Photosensoren, Spannungmesser, Strommesser oder andere geeignete Sensoren eingesetzt.In each method, the signal of the device (for example acoustic, optical or electrical) is detected in a first step. For this purpose, sensors such as vibration sensors, acceleration sensors, microphones, photosensors, voltage meters, ammeters or other suitable sensors are used.

Für die Entropieanalyse werden die Daten der Sensoren immer wieder in Blöcken gleicher Größe erfasst und für jeden einzelnen Block ein Entropiemaß bestimmt.For the entropy analysis, the data of the sensors is repeatedly recorded in blocks of the same size and an entropy measure is determined for each individual block.

Der Zeitraum, über den sich die individuellen Blöcke erstrecken, ist dabei immer gleich und allein von der zu überwachenden Vorrichtung abhängig. Er kann sich sowohl im Bereich einiger Hundertstel- oder Zehntelsekunden bewegen, wenn schnell rotierende Teile überwacht werden sollen, für langsam bewegte Teile mit langer Periodendauer könnte sich der Zeitraum jedoch auch über mehrere Sekunden oder noch längere Zeiträume erstrecken. Prinzipiell ist es günstig, pro Block eine Anzahl von 100–1000 Datenpunkten zu erfassen in einer Auflösung, in denen die einzelnen Messwerte nicht nennenswert durch Wandlerrauschen beeinflusst sind, da dieses Rauschen die Entropie künstlich erhöhen und damit eventuell leichte Schadensfälle maskieren könnte.The period over which the individual blocks extend is always the same and depends solely on the device to be monitored. It can move in the range of a few hundredths or tenths of a second when fast rotating parts are to be monitored, but for slow moving parts with a long period, the period could extend over several seconds or even longer periods of time. In principle, it is favorable to detect a number of 100-1000 data points per block in a resolution in which the individual measured values are not significantly influenced by converter noise, since this noise could artificially increase the entropy and thus possibly mask slight damage events.

Aus den erhobenen Messwerten werden danach die empirischen Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten einzelner Messwerte bestimmt und daraus wiederum der Informationsgehalt der Daten. Der Informationsgehalt des Signals bestimmt dabei seine statistische Signifikanz. Hierzu ein Beispiel: Wird immer nur derselbe Wert übertragen und damit seine Auftrittswahrscheinlichkeit gleich 1, so ist der Informationsgehalt des Signals gleich 0 und damit minimal. Tritt dagegen ein Wert nur einmal auf, so trägt er die maximal mögliche Information.The empirical probabilities for the occurrence of individual measured values are then determined from the measured values obtained and, in turn, the information content of the data. The information content of the signal determines its statistical significance. Here is an example: If only the same value is transmitted and thus its probability of occurrence equals 1, the information content of the signal is 0 and therefore minimal. If, on the other hand, a value occurs only once, it carries the maximum possible information.

Das einfachste Informationsmaß, das man aus einem Block von N Messwerten mit Auftretenswahrscheinlichkeit pk bestimmen kann, ist die sogenannte Shannon-Entropie S: = –Σpklogpk. Tritt in einem Block nur ein einziger Messwert auf, so ist S = 0, sind alle Zeichen verschieden, so wird der Maximalwert logN erreicht.The simplest information measure that can be determined from a block of N measured values with occurrence probability p k is the so-called Shannon entropy S: = -Σp k logp k . If only one measured value occurs in a block, then S = 0, if all the characters are different, then the maximum value logN is reached.

Stehen Daten aus M Sensoren parallel zur Verfügung, so kann man diese zu Tupeln (x1, ..., xM) zusammenfassen und auch daraus über die Auftretenswahrscheinlichkeiten pk der Blöcke eine Entropie berechnen.If data from M sensors are available in parallel, they can be combined into tuples (x 1 , ..., x M ) and also from this an entropy can be calculated using the occurrence probabilities p k of the blocks.

Diese Entropie der aktuellen Zeiteinheit wird mit der Entropie von vorhergehenden Zeiteinheiten und/oder mit der Entropie aus Referenzdaten verglichen. Referenzdaten können beispielsweise aus den Amplituden einer als unbeschädigt und/oder störungsfrei bekannten vergleichbaren Vorrichtung abgeleitet werden. Nach diesem Vergleich wird ein Zustandswert ausgegeben.This entropy of the current time unit is compared with the entropy of previous time units and / or with the entropy of reference data. Reference data can be derived, for example, from the amplitudes of a device known as undamaged and / or interference-free. After this comparison, a status value is output.

Alternativ kann auch die relative Entropie als Distanzmaß zwischen aktuellen Messwerten und Referenzmesswerten berechnet werden. Dabei wird die Entropie zur Wahrscheinlichkeit pt des Messwertes zum Zeitpunkt t und des Referenzwertes zum Zeitpunkt t mit Wahrscheinlichkeit qt berechnet über

Figure DE102013013551A1_0002
Alternatively, the relative entropy can also be calculated as a distance measure between current measured values and reference measured values. In this case, the entropy with respect to the probability p t of the measured value at time t and the reference value at time t is calculated with probability q t
Figure DE102013013551A1_0002

Die daraus resultierende Entropie ergibt die sogenannte Kullback-Information, die sozusagen den mit der neuen Messung verbundenen Informationsgewinn beschreibt.The resulting entropy results in the so-called Kullback information, which describes, so to speak, the information gain associated with the new measurement.

Weitere Entropiemaße wie die Rényi-Entropie die

Figure DE102013013551A1_0003
für ein beliebiges β eine selektive Betonung oder Dämpfung des Beitrags niedriger Wahrscheinlichkeiten erlaubt oder Kolmogorov-Sinai-Entropien können auch zur Anwendung kommen und verlangen spezielle Parameteranpassungen.Other entropy measures like the Rényi entropy the
Figure DE102013013551A1_0003
for any β, selective emphasis or attenuation of the contribution of lower probabilities is allowed, or Kolmogorov-Sinai entropies can also be applied and require special parameter adjustments.

Die ermittelte Entropie dient nun als Überwachungssignal dafür, ob sich die Vorrichtung innerhalb eines störungsfreien Betriebsbereiches befindet. The determined entropy now serves as a monitoring signal for whether the device is within a trouble-free operating range.

Bei einer signifikanten Änderung der Entropie ist ein Ausfall der Vorrichtung, welche beispielsweise ein Lager ist, wahrscheinlich. Man bekommt aber diese Information einige Zeit vor dem realen Ausfall. Insofern bleibt noch Zeit um Wartungszeiträume zu verkürzen.With a significant change in entropy, failure of the device, which is for example a bearing, is likely. But you get this information some time before the real failure. In this respect, there is still time to shorten maintenance periods.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Entropiewerte vor der statistischen Analyse noch einer Nachkonditionierung unterworfen, um bestimmte statistische Eigenschaften sicherzustellen oder Störungen durch zyklische Maschinenabläufe zu eliminieren. Nachkonditionierung bestehen darin,

  • • den Mittelwert über mehrere Entropiewerte zu bilden, da sich die Verteilung einer solchen Summe einer Normalverteilung annähert, deren Parameter dann einer statistischen Analyse zugänglich sind,
  • • bei zyklischen Abläufen eine Anzahl von Entropiewerten zu streichen, falls diese jeweils zum selben Zeitpunkt des Zyklus gestört werden und/oder
  • • die tatsächliche Verteilungsfunktion der Entropie aus den empirisch gewonnenen Werten durch Bootstrapping oder Jackknifing zu approximieren und damit die Ergebnisqualität zu verbessern. Beim Jackknifing werden dabei nacheinander einzelne Messwerte verworfen und mit der so ausgedünnten Stichprobe wiederholt Werte für statistische Schätzer wie die Varianz berechnet, die sich dann im Idealfall einer t-Verteilung anpassen. Beim Bootstrapping werden aus den gewonnenen Messwerten durch wiederholtes Ziehen mit Zurücklegen neue Stichproben gewonnen, deren Parameter besser geschätzt werden können.
In a further embodiment, the entropy values are subjected to post-conditioning prior to the statistical analysis in order to ensure certain statistical properties or to eliminate disturbances caused by cyclical machine processes. Post-conditioning are
  • • to form the mean over several entropy values, since the distribution of such a sum approaches a normal distribution, the parameters of which are then accessible to a statistical analysis,
  • • to delete a number of entropy values in cyclical processes, if they are disturbed at the same time of the cycle and / or
  • • to approximate the actual distribution function of entropy from the empirically obtained values by bootstrapping or jackknifing, thereby improving the quality of the results. In the case of jackknifing, individual measured values are rejected one after the other and with the thus thinned out sample values for statistical estimators such as the variance are calculated, which then ideally adapt to a t-distribution. During bootstrapping, new samples are obtained from the measured values obtained by repeated dragging with traversing, the parameters of which can be better estimated.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Messwerte einer Vorkonditionierung unterworfen, um bestimmte statistische Eigenschaften sicherzustellen oder Störungen durch zyklische Maschinenabläufe zu eliminieren. Vorkonditionierungen umfassen verschiedene Maßnahmen, welche einzeln oder in Kombination vorgenommen werden. Diese sind:

  • • Erstens eine Mittelwertbildung der Messwerte, so dass sich schon vor der Bestimmung der empirischen Entropie annährend eine Normalverteilung eingestellt hat. Da für die Normalverteilung und verschiedene andere Verteilungen die Entropie analytisch bekannt ist, erfolgt damit ein Vergleich der empirisch ermittelten Werte mit dem analytischen Sollwert
  • • Zweitens das Glätten des Datenstroms durch Filterung, insbesondere das Herausfiltern von im Vorfeld ermittelten Störfrequenzen
  • • Drittens das Durchführen einer Fouriertransformation des Signals und Bestimmung der Entropie für ausgewählte Frequenzbereiche
In a further embodiment, the measured values are subjected to preconditioning in order to ensure certain statistical properties or to eliminate disturbances due to cyclical machine sequences. Preconditioning includes various measures that are taken individually or in combination. These are:
  • • First, an averaging of the measured values, so that even before the determination of the empirical entropy, a normal distribution has been established. Since the entropy is analytically known for the normal distribution and various other distributions, a comparison of the empirically determined values with the analytical setpoint value is thus carried out
  • Secondly, the smoothing of the data stream by filtering, in particular the filtering out of previously determined interference frequencies
  • Third, performing a Fourier transform of the signal and determining the entropy for selected frequency ranges

Ausführungsbeispieleembodiments

1. Einzelchip-Lösung1. Single chip solution

In einer beispielhaften Ausführung wird das Verfahren auf einen Chip implementiert, der über Eingangs- und Ausgangsschnittstellen verfügt. Dieser Chip berechnet zu den Daten des Eingangssignals die einzelnen Entropiewerte und gibt diese als Datenblock aus. Dabei können durch einen Befehl an den Chip die Parameter der Entropien, wie die Anzahl der zu verwendeten Datenpunkte je Entropiewert N, beispielsweise N = 128, und die gewünschte Entropie eingestellt werden, beispielsweise die Shannon-Entropie. Liegt nun ein Datenstrom mit einer Abtastfrequenz 48.000 Hz an, so berechnet der Chip zu je 128 Datenpunkten einen Entropiewert s und gibt diesen aus. Die Ausgabe erfolgt in diesem Beispiel mit einer Frequenz von 48.000/128 = 375 Hz.In an exemplary embodiment, the method is implemented on a chip having input and output interfaces. This chip calculates the individual entropy values for the data of the input signal and outputs them as a data block. In this case, by a command to the chip, the parameters of the entropies, such as the number of data points to be used per entropy value N, for example N = 128, and the desired entropy can be set, for example the Shannon entropy. If a data stream with a sampling frequency of 48,000 Hz is now present, the chip calculates an entropy value s for every 128 data points and outputs it. The output is in this example with a frequency of 48,000 / 128 = 375 Hz.

2. Computer mit Microformfaktor (NATRIX)2. Computer with Microform factor (NATRIX)

Möglich ist auch eine Implementierung der Methode in eine eigenständige Mess- und Auswertungseinheit, die sowohl in bestehende wie auch in neue Systeme eingebunden werden kann. Dieser Computer im Microformat als NumericAl Test, Reporting and Information boX (kurz NATRIX) besitzt mehrere analoge und digitale Schnittstellen, über die Signale von mehreren Sensoren eingelesen und die entsprechende Auswertung über analoge und digitale Ausgangsschnittstellen wieder ausgegeben werden können. Die einzelnen Parameter (Anzahl der Messwerte je Entropie N und Parameter der Rényi-Entropie sowie die Art der Entropieauswertung (Shannon-, Rényi-, Kolmogorov-Sinai- oder Entropien oder Kullback-Information jeweils mit oder ohne Nach- bzw. Vorkonditionierung) werden beispielsweise über eine Web-Schnittstelle der NATRIX eingestellt bzw. angepasst.It is also possible to implement the method in an independent measuring and evaluation unit, which can be integrated into both existing and new systems. This computer in the form of a microformat as NumericAl Test, Reporting and Information boX (short NATRIX) has several analogue and digital interfaces that can be used to read in signals from several sensors and to output the corresponding evaluation via analog and digital output interfaces. The individual parameters (number of measured values per entropy N and parameters of the Rényi entropy as well as the type of entropy evaluation (Shannon, Rényi, Kolmogorov-Sinai or entropies or Kullback information respectively with or without post- or preconditioning) become for example set or adapted via a web interface of NATRIX.

Die Ausgabe erfolgt entweder direkt als Datenarray der Entropiewerte, oder als individuelles Signal, das von der Steuerungseinheit des Systems, in dem die NATRIX eingesetzt wird, erkannt werden kann, z. B. Rechtecksignal mit dem Wert 0 als Signal für keinen Defekt erkannt und 1 als Signal für erkannten Defekt.The output is either directly as a data array of the entropy values, or as an individual signal that can be recognized by the control unit of the system in which the NATRIX is used, e.g. B. rectangular signal with the value 0 detected as a signal for no defect and 1 as a signal for detected defect.

In einer beispielhaften Ausführung stellt das Erfassen von Daten mit einer Auflösung von beispielsweise 16 Bit und einer Abtastfrequenz von 1 kHz nichts Anderes dar, als das Erfassen des Datenstroms einer Signalquelle, die pro Sekunde 1000-mal eines von 65536 möglichen. Zeichen sendet.In an exemplary embodiment, acquiring data having a resolution of, for example, 16 bits and a sampling frequency of 1 kHz is nothing other than detecting the data stream of a signal source that is 1000 times one of 65536 per second. Sends sign.

Es wird nun beispielsweise für jede Sekunde analysiert werden, welche Zeichen wie häufig gesendet wurden und diese Informationen werden in einem Entropiemaß zusammengefasst. Dieses beschreibt, anschaulich gesprochen, das Maß von „Unordnung” in dieser Zeichenfolge. Wird in einer Sekunde 1000 mal das selbe Zeichen gesendet, so herrscht maximale Ordnung und die Entropie ist 0, werden 1000 verschiedene Zeichen gesendet, so herrscht maximale Unordnung und die Entropie erreicht einen Maximalwert, zum Beispiel log(1000).It will now be analyzed, for example, for each second, which characters were sent how often and this information is summarized in a Entropiemaß. This describes vividly speaking, the measure of "disorder" in this string. If the same sign is sent 1000 times in one second, the maximum order and the entropy is 0, if 1000 different characters are sent, then maximum disorder prevails and the entropy reaches a maximum value, for example log (1000).

Außer der hier beschriebenen Entropie, der Shannon-Entropie, existieren verschiedene Entropiemaße, die zum Beispiel auch die Reihenfolge der Zeichen mit einbeziehen, und da die Messwerte einer natürlichen Anordnung unterliegen, wird die Entropie der Differenzen benachbarter Werte analysiert und/oder die Messdaten auf andere Weise vorkonditioniert. Im Verlauf der Zeit werden so Stichproben von Entropiewerte gesammelt, die wiederum verschiedenen statistischen Analysen unterworfen werden.In addition to the entropy described here, Shannon's entropy, there are various entropy measures, including, for example, the order of the characters, and since the measurements are naturally ordered, the entropy of the differences of adjacent values is analyzed and / or the measurement data is changed to others Way preconditioned. Over time, samples of entropy values are collected, which in turn are subjected to various statistical analyzes.

[Abbildungslegenden und Bezugszeichenliste][Illustration legends and reference list]

In der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart. Zudem wird auf die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil derselben bilden, und in denen mittels Veranschaulichung ein oder mehrere Beispiele, bei denen die Erfindung praktiziert werden kann, gezeigt sind, Bezug genommen. Diese Offenbarung der Erfindung soll die Merkmale oder Hauptelemente der Erfindung nicht auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel beschränken. Vielmehr können die verschiedenen Elemente, Aspekte und Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen offenbart sind, durch einen Fachmann auf dem Gebiet auf verschiedene Arten kombiniert werden, um einen oder mehrere Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Es sei darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können, und strukturelle oder logische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.In the following description, further aspects and embodiments of the present invention are disclosed. Furthermore, reference is made to the accompanying drawings which form a part hereof, and in which is shown by way of illustration one or more examples in which the invention may be practiced. This disclosure of the invention is not intended to limit the features or main elements of the invention to a specific embodiment. Rather, the various elements, aspects and features disclosed in the embodiments may be combined by one of ordinary skill in the art in various ways to achieve one or more advantages of the present invention. It should be understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. Like reference numerals designate corresponding like parts.

1 zeigt die Entropieanalyse (1a) und die Wahrscheinlichkeitsanalyse (1b) für ein Brummgeräusch, das sich über den Zeitraum von 15 Minuten langsam vor einem Hintergrund aus weißem Rauschen aufbaut. Kurz vor dem Zeitpunkt 600 Sekunden sinkt die Wahrscheinlichkeit für gleiche Varianz im Vergleich zu früheren Zeitpunkten auf knapp über 0%, während die Wahrscheinlichkeit für einen größeren Mittelwert auf knapp unter 100% steigt. 1 shows the entropy analysis (1a) and the probability analysis (1b) for a buzzing sound, which builds up slowly over a period of 15 minutes against a background of white noise. Shortly before the time of 600 seconds, the probability of equal variance decreases to just over 0% compared to earlier times, while the probability of a larger mean value rises to just under 100%.

2 zeigt die Entropieanalyse (2a) und die Wahrscheinlichkeitsanalyse (2b) für ein Prasselgeräusch, das sich über den Zeitraum von 15 Minuten langsam vor einem Hintergrund aus weißem Rauschen aufbaut. Kurz nach dem Zeitpunkt 450 Sekunden sinkt die Wahrscheinlichkeit für gleiche Varianz im Vergleich zu früheren Zeitpunkten auf nahezu 0%, während die Wahrscheinlichkeit für einen größeren Mittelwert auf nahezu 100% steigt. 2 shows the entropy analysis (2a) and the probability analysis (2b) for a patter noise, which slowly builds up over a period of 15 minutes against a backdrop of white noise. Shortly after 450 seconds, the probability of equal variance decreases to nearly 0% compared to earlier times, while the probability of a larger average increases to almost 100%.

3 zeigt die Entropieanalysen von 4 Hubfahrten eines Hubtisches, der jeweils eine Last, z. B. in Form eines Produktes, anhebt. Analysiert wurde jeweils der Strom des Motors, der den Hubtisch bewegt hat. Diese Hubfahrten dauerten jeweils 0,75 Sekunden und kommen dann zur Ruhe. Bei 3 der 4 Hubfahrten (durchgezogene Linie) verläuft die Fahrt ohne Probleme, während in der 4. Hubfahrt (punktierte Linie) die Last nicht optimal auf dem Hubtisch platziert ist. Bereits am ersten Entropiewert (> 0.5) lässt sich eine deutliche Abweichung im Vergleich zu den normal verlaufenden Hubfahrten (Entropiewert fast 0) erkennen. 3 shows the Entropieanalysen of 4 Hubfahrten a lifting table, each with a load, z. B. in the form of a product lifts. The current of the motor which moved the lift table was analyzed. These lift trips lasted 0.75 seconds each and then come to rest. In 3 out of the 4 lift runs (solid line), the trip runs smoothly, while in the 4th lift (dotted line) the load is not optimally placed on the lift table. Even at the first entropy value (> 0.5), a clear deviation can be seen in comparison to the normal running stroke (entropy value almost 0).

4 zeigt die Entropieanalyse der Winkelgeschwindigkeit einer glatten, elektrischen, Welle. In einer Anwendung ist bekannt, dass unerwünschte Betriebszustände einer Maschine zu kurzen Abweichungen dieser Winkelgeschwindigkeit führen. Die Winkelgeschwindigkeit kann dadurch überwacht werden, dass die Welle mit einem magnetoresistiven Sensor abgetastet wird, der über einen integrierten Permanentmagneten in der bewegten Welle einen Wirbelstrom induziert. Ändert sich die Winkelgeschwindigkeit der Welle, so ändern sich auch die Wirbelströme und damit der vom Sensor gelieferte Abtastwert. 4 shows the entropy analysis of the angular velocity of a smooth, electric, wave. In one application it is known that undesired operating states of a machine lead to short deviations of this angular velocity. The angular velocity can be monitored by scanning the shaft with a magnetoresistive sensor which induces an eddy current through an integrated permanent magnet in the moving shaft. If the angular velocity of the shaft changes, the eddy currents and thus the sample value supplied by the sensor also change.

Der vom Sensor gelieferte Ausgabewert kann jedoch durch verschiedene Störeinflüsse, wie Verstärkerrauschen oder die Kornstruktur im Gefüge des Wellenmaterials zusätzlich mit einem mehr oder weniger starken Rauschen beaufschlagt sein. Trotzdem ist mit dem Entropieverfahren eine Erkennung der Abweichung auch bei starkem Rauschen möglich.However, the output value supplied by the sensor can be additionally subjected to a more or less intense noise by various disturbing influences, such as amplifier noise or the grain structure in the structure of the shaft material. Nevertheless, with the entropy method detection of the deviation is possible even with strong noise.

5 zeigt den Ablauf des Verfahrens in einen Flussdiagramm 5 shows the flow of the process in a flow chart

Zuerst wird das Signal der Vorrichtung mittels eines Meßsensors aufgenommen. Dies ist die Dateneingabe in das System. Vor der Weiterverarbeitung kann optional eine Vorkonditionierung der Daten durch Mittelwertbildung der Messwerte, Herausfiltern von im Vorfeld ermittelten Störfrequenzen und/oder Durchführen einer Fouriertransformation des Signals.First, the signal of the device is picked up by means of a measuring sensor. This is the data entry into the system. Prior to further processing, it is optionally possible to precondition the data by averaging the measured values, filtering out previously determined interference frequencies and / or performing a Fourier transformation of the signal.

Aus diesen Daten folgt die Entropieanalyse. Diese umfasst die Ermittlung der Häufigkeiten einzelner Amplituden und daraus folgend die Berechnung der Wahrscheinlichkeiten einzelner Amplituden. Aus diesen Wahrscheinlichkeiten erfolgt die Berechnung des Informationsgehaltes und damit der Entropiewerte, insbesondere der Shannon Entropie, der Kolmogorov-Sinai-Entropie und/oder der Renyi-Entropie der Daten.From this data follows the entropy analysis. This includes the determination of the frequencies of individual amplitudes and, consequently, the calculation of the probabilities of individual amplitudes. From these probabilities, the information content and thus the entropy values, in particular the Shannon entropy, the Kolmogorov-Sinai entropy and / or the Renyi entropy of the data are calculated.

Optional kann jetzt noch eine Nachkonditionierung dieser Entropiedaten in Form einer Mittelwertsbildung über mehrere Entropiewerte und/oder Approximation der tatsächlichen Verteilungsfunktion der Entropie aus den empirisch gewonnenen Werten durch Bootstrapping oder Jackknifing erfolgen. Optionally, a further conditioning of this entropy data in the form of an averaging over several entropy values and / or approximation of the actual distribution function of the entropy from the empirically obtained values by bootstrapping or jackknifing can now be carried out.

Abschließend erfolgt der Vergleich der Entropie der aktuellen Zeiteinheit mit der Entropie von vorhergehenden Zeiteinheiten und/oder mit der Entropie von Referenzdaten (Sollwert). Dies stellt die Auswertung der Daten dar. Anschließend wird ein Zustandswertes ausgegeben. Dies kann beispielsweise ein binärer Wert sein: 0 = Entropie unter kritischem Wert, Maschine kann weiter laufen. 1 = Entropie über kritischen Wert Maschine muss stoppen. Aber auch ein mehrstufiger Zustandswert ist möglich.Finally, the entropy of the current time unit is compared with the entropy of previous time units and / or with the entropy of reference data (setpoint value). This represents the evaluation of the data. Subsequently, a state value is output. This can be, for example, a binary value: 0 = entropy below critical value, machine can continue running. 1 = entropy over critical value machine must stop. But also a multi-level state value is possible.

6 zeigt die Einbindung der NATRIX in ein bestehendes System. 6 shows the integration of NATRIX into an existing system.

Das NumericAl Test, Reporting and Information boX (kurz NATRIX) besitzt mehrere analoge und digitale Schnittstellen. Es dient dazu, die Sensordaten zu erfassen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen und den Zustandswert an eine Steuereinheit weiterzuleiten.The NumericAl Test, Reporting and Information boX (short NATRIX) has several analog and digital interfaces. It serves to detect the sensor data, to carry out the method according to the invention and to forward the state value to a control unit.

Über die NATRIX erfolgt die Ausgabe des Verfahrensschritte, d. h. die Eingabe der Entropieparameter, der Referenzwerte und auch von Abbruchbedingungen bei denen ein Abschaltung der Vorrichtung mit sich periodisch widerholenden, gleichmäßigen oder gleichmäßig beschleunigten Bewegungen (z. B. Motor, Pumpe etc.) erfolgen soll.Via NATRIX, the process steps are output, i. H. the input of the entropy parameters, the reference values and also of termination conditions in which the device should be switched off with periodically recurring, uniform or uniformly accelerated movements (eg motor, pump, etc.).

Des Weiteren dient die Natrix auch zur externen Kommunikation des Überwachungssystems und der Speicherung der Daten im Explorationsbetrieb.Furthermore, the Natrix also serves for the external communication of the monitoring system and the storage of the data in exploration operation.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19943689 A1 [0012] DE 19943689 A1 [0012]

Claims (4)

Verfahren zur Ermittlung signifikant veränderter Signalen an Vorrichtungen mit sich periodisch widerholenden, gleichförmigen oder gleichmäßig beschleunigten Bewegungen, aufweisend folgende Schritte: – Aufnahme einer Menge von Signalamplituden der Vorrichtung mittels eines Sensors – Ermittlung der Häufigkeiten einzelner Amplituden – Berechnung der Wahrscheinlichkeiten einzelner Amplituden – Berechnung der Entropiewerte insbesondere der Shannon Entropie, der Kolmogorov-Sinai-Entropie und/oder der Renyi-Entropie aus den Wahrscheinlichkeiten – Vergleich der Entropie der aktuellen Zeiteinheit mit der Entropie von vorhergehenden Zeiteinheiten und/oder mit der Entropie von Referenzdaten.Method for determining significantly changed signals on devices with periodically recurring, uniform or uniformly accelerated movements, comprising the following steps: - Recording a set of signal amplitudes of the device by means of a sensor - Determination of the frequencies of individual amplitudes - Calculation of the probabilities of individual amplitudes Calculation of the entropy values, in particular the Shannon entropy, the Kolmogorov-Sinai entropy and / or the Renyi entropy from the probabilities - Comparison of the entropy of the current time unit with the entropy of previous time units and / or with the entropy of reference data. Verfahren zur Erkennung signifikant abweichender Signale gemäß Anspruch 1 wobei die Entropiewerte vor der statistischen Analyse noch einer Nachkonditionierung in Form einer Mittelwertsbildung über mehrere Entropiewerte und/oder Approximation der tatsächlichen Verteilungsfunktion der Entropie aus den empirisch gewonnenen Werten durch Bootstrapping oder Jackknifing unterworfen werden.Method for detecting significantly different signals according to Claim 1, wherein the entropy values before the statistical analysis are subjected to postconditioning in the form of averaging over several entropy values and / or approximation of the actual distribution function of the entropy from the empirically obtained values by bootstrapping or jackknifing. Verfahren zur Erkennung neu auftretender Signale gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Werte der Amplitudenwerte der Vorrichtung einer Vorkonditionierung insbesondere Mittelwertbildung der Messwerte, dem Herausfiltern von im Vorfeld ermittelten Störfrequenzen und/oder dem Durchführen einer Fouriertransformation des Signals mit Bestimmung der Entropie für ausgewählte Frequenzbereiche unterworfen werden.A method for detecting newly occurring signals according to claim 1 or 2, wherein the values of the amplitude values of the device subject to preconditioning, in particular averaging of the measured values, filtering out previously determined noise frequencies and / or performing a Fourier transform of the signal determining the entropy for selected frequency ranges become. Vorrichtung zur Erkennung neu auftretender Signale dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweist.Device for detecting newly occurring signals, characterized in that it comprises a method according to one of claims 1 to 3.
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