DE102017119015A1

DE102017119015A1 - Überwachung von sachanlagen unter verwendung von görtzel-filtern

Info

Publication number: DE102017119015A1
Application number: DE102017119015.5A
Authority: DE
Inventors: Hermann Holtmannspötter; Matthias Holtmannspötter; Thomas Franz Wewers
Original assignee: Epro GmbH
Current assignee: Epro GmbH
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2018-04-12
Also published as: US10837824B2; CN107918334A; US20180100761A1

Abstract

Eine Vorrichtung überwacht physikalische Signale, wie etwa Vibration, die von einem Anlagegut, wie etwa einem Motor, erzeugt werden. Den physikalischen Signalen entsprechende Sensorsignale werden an ein Bandpass-Görtzel-Filter angelegt, das ein Frequenzband um eine Kennfrequenz eines physikalischen Signals durchlässt. Ein Analysator erzeugt Informationen, die der physikalischen Bedingung des Anlageguts entsprechen, auf Basis des mit Görtzel-Filter gefilterten Signals. Eine Nachlaufeinheit aktualisiert die Parameter des Görtzel-Filters periodisch, so dass die Bandpassfrequenzen des Görtzel-Filters der Kennfrequenz des physikalischen Signals nachlaufen. Jedes Görtzel-Filter kann ein Kammfilter beinhalten, dessen Ausgang an eine Vielzahl von Resonatoren angelegt wird, deren Ausgänge an eine Fensterungseinheit angelegt werden. Das Görtzel-Filter ist vorzugsweise ein Görtzel-Filterblock, der sich aus einer Vielzahl von einzelnen Görtzel-Filtern zusammensetzt. Die Nachlaufeinheit aktualisiert die charakteristischen Betriebseigenschaften der mehreren Görtzel-Filter im Görtzel-Filterblock ständig, so dass ein Görtzel-Filter eine Bandpass-Mittelfrequenz bei der Kennfrequenz hat und andere Görtzel-Filter Mittelfrequenzen haben, die unmittelbar ober- und unmittelbar unterhalb der Kennfrequenz sind. Wenn die Kennfrequenz sich nach oben oder unten ändert, lassen die verschobenen Görtzel-Filter daher jene Frequenzen durch und das Signal bei der Ist-Kennfrequenz geht nicht verloren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Überwachung von Sachanlagen wie Maschinen und Motoren und betrifft insbesondere die Überwachung von Sachanlagen zum Zweck des Schutzes, der Steuerung und/oder der Instandhaltung der Anlagegüter.
Allgemeiner Stand der Technik
In vielen industriellen Situationen müssen Anlagegüter zum Zweck der Steuerung der Anlagegüter, der Vorhersage von Ausfällen oder abnormalem Betrieb, der Instandhaltung und des Schutzes der Anlagegüter sorgfältig überwacht werden. Zum Beispiel wäre ein Ausfall der Turbine in einem Elektrizitätswerk kostspielig und eventuell gefährlich. Die Turbine wird daher zum Zweck der Steuerung der Turbine, zum Vorhersagen, wann die Turbine ausfallen oder abnormalen Betrieb aufweisen könnte, zum Schützen der Turbine vor abnormalem Betrieb oder katastrophalem Ausfall und zum Bestimmen von Anforderungen für die Instandhaltung der Turbine, bevor die Turbine wirklich ausfällt, auf verschiedene Arten elektronisch überwacht. Eine Methode zur Überwachung der Turbine wäre die Vibrationsüberwachung an verschiedenen Punkten an der Turbine. Die Frequenz, Amplitude und Phase der Vibration können Informationen über die Betriebsbedingung der Turbine einschließlich einer abnormalen Betriebsbedingung der Turbine liefern. Anhand dieser Informationen kann die Elektronik die Turbine dadurch schützen, dass sie eine abnormale Betriebsbedingung erkennt und sie abschaltet oder mit reduzierter Kapazität betreibt. Die Informationen können auch zum Identifizieren sich entwickelnder Probleme mit der Turbine und zur Planung zukünftiger Wartungsmaßnahmen verwendet werden, um die Probleme zu korrigieren, bevor das Problem gewichtig genug wird, um einen Ausfall zu verursachen.
Eine Methode zur Vibrationsüberwachung besteht darin, Verschiebungssensoren an den Anlagegütern anzubringen und die Sensorsignale zu analysieren. Oft werden schnelle Fourier-Transformationen verwendet, um die Sensorsignale auf den Frequenzbereich umzusetzen, und dann werden die Frequenzbereichssignale analysiert, um eine abnormale Vibration festzustellen oder eine mögliche Ursache einer abnormalen Vibration zu bestimmen. Wenn zum Beispiel eine Maschine eine relativ große Vibration mit einer Frequenz erfährt, die ein Vielfaches der Drehgeschwindigkeit der Maschine ist, kann das darauf hinweisen, dass ein Lager einen Riss hat. Die physikalischen charakteristischen Eigenschaften des Lagers, wie die Anzahl von Wälzkörpern in einem Wälzlager, verursachen, dass das Lager während einer einzigen Umdrehung vielmals klickt oder vibriert. Die Kenntnis der Anzahl von Wälzkörpern in einem Wälzlager und der Geschwindigkeit, mit der sich die Welle dreht, kann daher zum Vorhersagen der durch einen Riss in einem Lager verursachten Vibrationsfrequenz verwendet werden. Wenn diese bestimmte Frequenz in einem durch eine schnelle Fourier-Transformation erhaltenen Frequenzspektrum erfasst oder beobachtet wird, kann der Bediener entscheiden, dass das Lager wahrscheinlich einen Riss hat.
In einigen Situationen kann die schnelle Fourier-Transformation als für eine Analyse eines jeweiligen Sensorsignals zu langsam gehalten werden. Außerdem erfordern Fourier-Transformationen eine bedeutende Verarbeitungsleistung, die in einer jeweiligen Situation möglicherweise nicht verfügbar oder praktisch durchführbar ist. Es werden deshalb alternative Methoden zur Analyse von Sensorsignalen von Anlagegütern benötigt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Probleme bei der Analyse von Signalen von Anlagegütern mittels schnellen Fourier-Transformationen in einigen Situationen werden bei der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung von Görtzel-Filtern gelöst. In einer Ausgestaltung beinhaltet eine Vorrichtung zur Überwachung eines Anlageguts einen Sensor für die Erfassung physikalischer Signale, wie etwa Vibration, die von einem Anlagegut erzeugt werden. Diese physikalischen Signale beinhalten oft eine Kennfrequenz, wie etwa die Drehgeschwindigkeit einer Maschine oder ein Vielfaches dieser Drehgeschwindigkeit. Ein Görtzel-Filter kann zum Empfangen des Sensorsignals und zum Anwenden einer Görtzel-Filterfunktion zum Erzeugen eines gefilterten Signals geschaltet sein. Das Görtzel-Filter ist zum Filtern des Sensorsignals und zum Durchlassen eines ausgewählten Frequenzbands um die und einschließlich der Kennfrequenz konfiguriert. Das gefilterte Signal entspricht daher dem physikalischen Signal und schließt Signale innerhalb eines ausgewählten Frequenzbands um die Kennfrequenz ein. Das gefilterte Signal wird dann an einen Analysator angelegt, der der Bedingung des Anlageguts entsprechende Informationen erzeugt. Wenn zum Beispiel die Hauptwelle der Maschine bei ihrer Kennfrequenz, wie etwa ihrer Drehgeschwindigkeit, stark vibriert, kann der Analysator ein Alarmsignal erzeugen, das dem Bediener mitteilt, dass die Hauptwelle der Maschine wahrscheinlich eine Unwucht hat. Wenn die Vibration eine ausreichende Größe hat, kann der Analysator einen Befehl zum Abschalten der Maschine ausgeben.
Das Görtzel-Filter beinhaltet eine Vielzahl von Parametern, die gewöhnlich elektronisch gespeichert werden, und derartige Parameter bestimmen die Frequenzen, auf denen das Filter betrieben wird. Das heißt, die Parameter schreiben das ausgewählte Frequenzband vor, welches das Filter durchlässt. Die Vorrichtung kann eine Nachlaufeinheit beinhalten, die der Kennfrequenz von Interesse nachläuft und die Parameter des Görtzel-Filters aktualisiert, so dass es der Kennfrequenz nachläuft. Zum Beispiel kann die Kennfrequenz die Drehgeschwindigkeit der Maschine sein. Die Nachlaufeinheit bestimmt die Drehgeschwindigkeit der Maschine direkt oder indirekt und passt die Parameter des Görtzel-Filters so an, dass das Görtzel-Filter der Kennfrequenz bei ihrer Änderung nachläuft. Das Görtzel-Filter lässt daher ein Frequenzband einschließlich der Kennfrequenz durch, selbst beim Ändern der Kennfrequenz. Die Nachlaufeinheit kann die Parameter in ausgewählten Zeitintervallen periodisch aktualisieren oder die Nachlaufeinheit kann die Parameter des Görtzel-Filters auf Basis einer Analyse des Sensorsignals periodisch aktualisieren. Zum Beispiel kann sich das Sensorsignal aus einer Vielzahl von Abtastungen zusammensetzen, und in einem solchen Fall kann die Nachlaufeinheit die Anzahl von Abtastungen zählen und die Parameter jedesmal aktualisieren, wenn sie eine ausgewählte Anzahl von Abtastungen gezählt hat. Angenommen, dass die Abtastrate konstant ist, verursacht diese Methode, dass die Nachlaufeinheit die Parameter in konstanten Zeitintervallen aktualisiert. Die Nachlaufeinheit kann aber auch das gefilterte Signal überwachen, um zu bestimmen, ob die Amplitude, Frequenz oder Phase des gefilterten Signals sich geändert hat. Wenn ja, kann die Nachlaufeinheit die Parameter des Görtzel-Filters aktualisieren. Typischerweise verursacht diese Aktualisierungsmethode Aktualisierungen nicht bei einer konstanten Rate. Das heißt, dass die Zeit zwischen Aktualisierungen variiert.
Das Görtzel-Filter kann eine Vielzahl von Resonatoren beinhalten, wobei jeder Resonator zum Durchlassen eines anderen Frequenzbands eingestellt ist. Zum Beispiel könnte das Görtzel-Filter fünf Resonatoren beinhalten, wobei ein mittlerer Resonator zum Durchlassen einer Frequenz auf der erwarteten Kennfrequenz von Interesse eingestellt ist. Zwei Resonatoren könnten zum Durchlassen einer Frequenz eingestellt sein, die höher als die erwartete Kennfrequenz ist, und die übrigen zwei Resonatoren können zum Durchlassen einer Frequenz eingestellt sein, die niedriger als die erwartete Kennfrequenz ist. Den Resonatoren kann ein Kammfilter vorgeschaltet sein, das zum Durchlassen eines Frequenzbands eingestellt ist, das die Kennfrequenz von Interesse beinhaltet, ein ausreichend breites Frequenzband hat, um sicherzustellen, dass es das Signal von Interesse durchlässt, selbst wenn es von der erwarteten Kennfrequenz abweicht. Eine Fensterungseinheit empfängt die Ausgänge von den Resonatoren und wendet eine Fensterfunktion, wie etwa ein Hanning-Fenster, an, um ein Fensterungseinheitssignal in dem Frequenzbereich zu erzeugen, der ein Spektrum von Frequenzen repräsentiert, die eine Spitze an oder bei der erwarteten Kennfrequenz haben.
Das Görtzel-Filter kann auch ein Filterblock mit einer Vielzahl von Filtern sein, bei dem jedes Filter ein Görtzel-Filter ist. Zum Beispiel kann jedes Görtzel-Filter ein Kammfilter beinhalten, dessen Ausgang an fünf Resonatoren angelegt wird, und die Ausgänge der Resonatoren werden an eine Hanning-Fensterungseinheit angelegt. Ein Görtzel-Filter ist zum Durchlassen von Signalen mit der erwarteten Kennfrequenz eingestellt. Eine Vielzahl von anderen Filtern kann zum Durchlassen von Signalen mit einer Frequenz eingestellt sein, die niedriger als die Kennfrequenz ist, und eine Vielzahl von übrigen Filter kann zum Durchlassen von Signalen mit einer Frequenz eingestellt sein, die größer als die Kennfrequenz ist. Die Ausgänge von den Görtzel-Filtern werden alle an eine Entscheidungseinheit übertragen, die ein dem Ausgang von den Görtzel-Filtern entsprechendes Entscheidungseinheitssignal erzeugt, das mit größter Wahrscheinlichkeit das Ist-Kennsignal ist.
Ein Geschwindigkeitsdetektor kann bereitgestellt sein, um die Drehgeschwindigkeit des Anlageguts zu messen und die anfängliche erwartete Kennfrequenz zu berechnen, die gewöhnlich entweder die Rotationsfrequenz oder ein Vielfaches der Rotationsfrequenz ist. Die Parameter, die den Betrieb der Görtzel-Filter steuern, werden unter Verwendung dieser erwarteten Kennfrequenz eingestellt. Die Ist-Kennfrequenz kann sich aber ein wenig von der erwarteten Kennfrequenz unterscheiden und in einem solchen Fall kann der Ausgang von dem Görtzel-Filterblock, der auf die erwartete Kennfrequenz eingestellt ist, verglichen mit dem Ausgang von einem anderen Görtzel-Filter, der auf eine größere oder niedrigere Frequenz als die Kennfrequenz eingestellt ist, relativ klein sein. Die Entscheidungseinheit wählt gewöhnlich das größte Ausgangssignal aus der Vielzahl von Görtzel-Filtern im Filterblock, es können aber auch andere Parameter zur Auswahl des Ausgangssignals verwendet werden.
Jedes der Görtzel-Filter kann ein gefiltertes Signal in der Form eines komplexen Ausgangsspektrums erzeugen, das sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen beinhaltet. Der Analysator ist zum Überwachen sowohl der Amplitude als auch der Phase des gefilterten Signals konfiguriert und gibt Informationen und Befehle auf Basis der Analyse der Amplitude und/oder der Phase des gefilterten Signals aus. Außerdem kann eine Ausgabeeinheit das gefilterte Signal empfangen und rekonstruiert unter Verwendung der Amplituden- und Phaseninformationen ein sinusförmiges Signal im Zeitbereich und gibt es als eine Darstellung des gefilterten Signals aus, die von anderen Komponenten der Elektronik, die die Anlagegüter Steuern und Überwachen, verwendet werden kann.
In der obigen Besprechung wurde eine Ausgestaltung offenbart, bei der mehrere Görtzel-Filter in einem Filterblock das gleiche Eingangssignal empfangen. In dieser Ausgestaltung stellt ein Sensorsignal das Eingangssignal bereit und die mehreren Görtzel-Filter werden auf dem gleichen Signal betrieben und erzeugen auf Basis der für jedes Görtzel-Filter eingestellten Parameter verschiedene Ausgänge. Daher kann ein Görtzel-Filter letztendlich als das Filter ausgewählt werden, welches das gefilterte Signal von Interesse mit der Ist-Kennfrequenz am genauesten bereitstellt. Die mehreren Görtzel-Filter können aber so konfiguriert sein, dass sie in mehreren Betriebsarten betrieben werden. In einer ersten Betriebsart sind die Görtzel-Filter zum Empfangen und Filtern desselben Eingangssignals eingestellt, in einer zweiten Betriebsart sind die Görtzel-Filter aber zum Empfangen und Filtern von verschiedenen Eingangssignalen eingestellt, wie etwa Signalen von verschiedenen Sensoren. In der letzteren Ausgestaltung würde der Ausgang von jedem Görtzel-Filter einem anderen Sensor und einer anderen Kennfrequenz entsprechen. Die den Betrieb jedes Görtzel-Filters steuernden Koeffizienten oder Parameter können sehr schnell aktualisiert werden und die Eingänge zu den Görtzel-Filtern können desgleichen sehr schnell geschaltet werden. Theoretisch könnte ein einzelnes Görtzel-Filter so schnell aktualisiert werden, wie jede neue Sensorsignalabtastung an das Görtzel-Filter angelegt wird. So kann eine Vielzahl von Görtzel-Filtern zum Überwachen einer Vielzahl von Signalen von einer Vielzahl von verschiedenen Sensoren konfiguriert sein. Dann, wenn die Bedingungen dies erfordern sollten, könnten viele der Görtzel-Filter oder alle rasch aktualisiert und neukonfiguriert werden, um das gleiche Sensorsignal zu empfangen und zu filtern. Diese rasche Umkonfiguration bietet eine Flexibilität, die in vielen verschiedenen Umständen nützlich ist. Zum Beispiel, wenn alle Sensoren stabile Signale erzeugen, aber ein Sensor plötzlich beginnt, unberechenbare Sensorsignale zu erzeugen, könnte es nützlich sein, den unberechenbaren Sensor mit mehreren Görtzel-Filtern zu überwachen, um den fortgesetzten Nachlauf zu gewährleisten. Die übrigen stabilen Sensoren könnten mit einer geringeren Anzahl von Görtzel-Filtern oder sogar nur einem einzelnen Görtzel-Filter überwacht werden.
Bei normalem Betrieb werden die charakteristischen Eigenschaften jedes Görtzel-Filters wenigstens anfänglich auf Basis der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Anlageguts, wie vom Geschwindigkeitsdetektor bestimmt, festgestellt. Bei normalem Betrieb wird daher eine Nachlaufeinheit anfänglich die Koeffizienten oder Parameter des Görtzel-Filters auf eine Frequenz einstellen, die auf der erfassten Geschwindigkeit des Anlageguts basiert. Wo mehrere Görtzel-Filter zum Filtern und Analysieren eines einzelnen Sensorsignals verwendet werden, kann der Analysator aber möglicherweise bestimmen, dass das auf die erwartete Kennfrequenz eingestellte Görtzel-Filter nicht das wahrscheinlichste Signal zum Repräsentieren des tatsächlichen physikalischen Signals bei der Ist-Kennfrequenz war. Daher wird er den Ausgang von einem anderen Görtzel-Filter auswählen und diesen Ausgang zur weiteren Analyse verwenden. Die Frequenz des ausgewählten Görtzel-Filters wird an die Nachlaufeinheit übertragen und diese Frequenz wird zum Anpassen aller Görtzel-Filter verwendet. Gewöhnlich wird die Frequenz des ausgewählten Görtzel-Filters als die erwartete Kennfrequenz designiert und die Görtzel-Filter können alle entsprechend angepasst werden. Stabile Bedingungen angenommen, werden die erwartete Kennfrequenz und die Ist-Kennfrequenz bei der nächsten Aktualisierung die gleichen sein. Wenn das Sensorsignal aber nicht stabil ist und die erwartete Kennfrequenz wieder von der erfassten Ist-Kennfrequenz verschieden ist, wird die Aktualisierungseinheit wieder veranlassen, dass die Görtzel-Filter auf Basis einer neuen Kennfrequenz angepasst werden.
Die Nachlaufeinheit kann die Parameter der Görtzel-Filter auch auf Basis mehrerer Eingänge und vorprogrammierter Logik aktualisieren. Zum Beispiel kann die Nachlaufeinheit ein Geschwindigkeitssignal, das der Geschwindigkeit des Anlageguts entspricht, als Eingänge empfangen und empfängt hinsichtlich der erfassten Ist-Kennfrequenzen Aktualisierungen vom Analysator. Unter Verwendung von einem dieser Eingänge oder von beiden kann die Nachlaufeinheit auf Basis von sowohl der erfassten Geschwindigkeit als auch dem Geschwindigkeitsgradienten oder sowohl der Kennfrequenz, wie vom Analysator bestimmt, als auch dem Geschwindigkeitsgradienten einen Geschwindigkeitsgradienten berechnen und die Kennfrequenz in den Görtzel-Filtern einstellen. Alternativ kann die Nachlaufeinheit ihre Entscheidung auf alle drei Faktoren stützen. Wenn zum Beispiel ein Anlagegut rasch an Geschwindigkeit gewinnt, verwendet die Nachlaufeinheit somit den Geschwindigkeitsgradienten zum Vorhersagen einer zukünftigen Geschwindigkeit, die während des ganzen Betriebs der Görtzel-Filter zwischen Aktualisierungen stattfinden wird. Der Geschwindigkeitsgradient und die berechneten zukünftigen Geschwindigkeiten können auf Basis des Geschwindigkeitssignals oder auf Basis der Historie der Ist-Kennfrequenzen, wie vom Analysator bestimmt, oder auf Basis von beiden bestimmt werden. Zum Beispiel kann, wenn der Geschwindigkeitsgradient auf Basis der Historie von Ist-Kennfrequenzen von dem Geschwindigkeitsgradienten auf Basis des Geschwindigkeitssignals verschieden ist, die Nachlaufeinheit den einen oder den anderen als den am wahrscheinlichsten zuverlässigen wählen oder sie kann die zwei Geschwindigkeitsgradienten mitteln oder sie kann ein gewichtetes Mittel der zwei Geschwindigkeitsgradienten erzeugen, wobei der zuverlässigere Geschwindigkeitsgradient stärker gewichtet wird.
Die Nachlaufeinheit kann die Parameter der Görtzel-Filter regelmäßig auf Zeitbasis oder auf Basis des Zählens der Anzahl von Sensorabtastungen aktualisieren. Die Nachlaufeinheit kann aber auch die Görtzel-Filter nichtperiodisch aktualisieren. Zum Beispiel brauchen die Görtzel-Filter dann, wenn das Geschwindigkeitssignal sich nicht ändert und wenn die erwartete Kennfrequenz und die Ist-Kennfrequenz gleich sind, wie vom Analysator bestimmt, nicht aktualisiert zu werden und die Aktualisierungseinheit wird möglicherweise nicht tätig.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile der Erfindung sind durch Bezugnahme auf die ausführliche Beschreibung erkennbar, wenn in Verbindung mit den Figuren betrachtet, die nicht maßstabgerecht sind, um die Details deutlicher zu zeigen, wobei in den mehreren Ansichten gleiche Bezugsnummern durchgehend gleiche Elemente anzeigen, und wobei:
1A ein allgemeines Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Überwachung eines Anlageguts bei der Erzeugung von Informationen über das Anlagegut ist, wie etwa eine Warneinrichtung;
1B ein detaillierteres, etwas schematisches Blockdiagramm der Vorrichtung zur Überwachung eines Anlageguts von 1A ist;
2 ein Blockdiagramm ist, das das in der Vorrichtung zur Überwachung eines Anlageguts verwendete Görtzel-Filter veranschaulicht;
3 ein Blockdiagramm eines aus mehreren Görtzel-Filterblöcken zusammengesetzten Görtzel-Filters ist, der als Nachlauffilterblock bezeichnet werden kann; und
4 ein Polardiagramm eines Vibrationssignals ist, das eine Phasen- und Amplitudenänderung des Vibrationssignals zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In 1, nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den mehreren Ansichten durchgehend gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen, wird ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Überwachung von Anlagegütern gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung 10 beinhaltet eine Geschwindigkeitsdetektoreinheit 12, eine Datenerfassungseinheit 14, eine Messeinheit 16 und eine Alarmiereinheit 18. Die Geschwindigkeitsdetektoreinheit 12 legt Geschwindigkeitssignale an die Messeinheit 16 an und identifiziert das jedem Geschwindigkeitssignal assoziierte Anlagegut. Die Datenerfassungseinheit 14 sammelt auf die Anlagegüter bezogene Daten und stellt diese Daten der Messeinheit 16 bereit. Die Datenerfassungseinheit 14 kann verschiedene Sensoren beinhalten, wie etwa Verschiebungsvibrationssensoren, Beschleunigungsmesser, Temperatursensoren, Spannungssensoren, Stromstärkesensoren und dergleichen. Die Datenerfassungseinheit 14 kann auch Aufbereitungselektronik für die Vorverarbeitung oder Aufbereitung von Sensorsignalen, die gewöhnlich im analogen Bereich sind, beinhalten. Die Datenerfassungseinheit 14 kann daher zum Beispiel Verstärker und analoge Filter beinhalten. Außerdem kann die Datenerfassungseinheit 14 die Analog-Digital-Umsetzung der Signale bereitstellen und für jeden Sensor ein digitales Signal an die Messeinheit 16 anlegen. Vor dem Senden des Signals an die Messeinheit 16 kann die Datenerfassungseinheit 14 auch eine digitale Vorverarbeitung des Signals durchführen, wie zum Beispiel Verstärkungseinstellung, Filtern, Dezimierung usw. Die Messeinheit 16 verarbeitet und analysiert die Signale für viele Zwecke, einschließlich Steuerung, Schutz, Alarmierung und prädiktive Instandhaltung. Die Messeinheit 16 kann Warnungen, Informationen oder Befehle direkt ausgeben oder sie kann Daten an eine Alarmiereinheit 18 übertragen, die die Daten weiter analysiert und auf Basis der Analyse der Daten Warnungen, Informationen oder Befehle ausgibt (die Messeinheit 16 und die Alarmiereinheit 18 kann hierin auch als „Analysator” bezeichnet werden).
Zum Beispiel kann die Alarmiereinheit einen Warnhinweis ausgeben, dass eine Welle abnormal vibriert, aber der Vibrationspegel nicht hoch genug ist, um Sofortmaßnahmen zu ergreifen. Alternativ kann die Alarmiereinheit 18 bestimmen, dass eine Welle mit einer Größe und Phase vibriert, die eine unmittelbare Gefahr anzeigen, und die Alarmiereinheit 18 würde einen Befehl zum Abschalten des die vibrierende Welle antreibenden Motors ausgeben. Die Phaseninformationen in dem gefilterten Signal können einen Hinweis auf abnormalen Betrieb bereitstellen, selbst wenn die Größe des gefilterten Signals dies nicht tut. Zum Beispiel zeigen die Phaseninformationen eine Vibrationsrichtung an. Wenn das gefilterte Signal der Vibration einer Drehwelle entspricht, die normalerweise vertikal vibriert, zeigen die Phaseninformationen diese Vibrationsrichtung an. Wenn die Drehwelle anstatt vertikal horizontal zu vibrieren beginnt, zeigt die Phase diese Änderung an, die Größe der Vibration aber eventuell nicht. Eine horizontale Vibration dieser bestimmten Welle kann eine gefährliche Betriebsbedingung anzeigen und möglicherweise das Abschalten der Maschine erfordern. Die Phaseninformationen könnten somit eine Frühwarnung vor einer schwerwiegenden Bedingung sein und bieten daher wertvolle Informationen, die in der Amplitude der Vibration nicht unbedingt enthalten sind. Alternativ kann ein gefiltertes Signal anzeigen, dass sich die Vibrationsphase während des normalen Betriebs rasch ändert. Wenn die Phase des gefilterten Signals im Verhältnis zur Zeit konstant wird, würde die konstante Phase eine abnormale Betriebsbedingung anzeigen. Die Analyseeinheit 38b überwacht daher ständig die Phase des gefilterten Signals und kann auf Basis abnormaler Phaseninformationen für ein Anlagegut bestimmen, dass der Betrieb dieses speziellen Anlageguts abnormal ist.
In 1B, auf die jetzt Bezug genommen wird, wird eine etwas schematische und detailliertere Ansicht der Überwachungsvorrichtung 10 gezeigt. In dieser Ansicht wird ein Motor 20, der eine Drehwelle 22 antreibt, die von einem Lager 24 gelagert wird, als ein Beispiel für ein Anlagegut gezeigt, das von der Vorrichtung 10 überwacht wird. Ein Vibrationssensor 26 überwacht die Vibration des Motors direkt und ein Vibrationssensor 28 überwacht die Vibration des Lagers 24 und beide Sensoren können Verschiebungsvibrationssensoren sein, aber andere Formen von Vibrationssensoren könnten verwendet werden, wie etwa Beschleunigungsmesser, die Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitsinformationen ausgeben. Ein Geschwindigkeitssensor 30 erkennt die Drehgeschwindigkeit der Welle 22 und der Sensor 30 kann ein Hall-Effekt-Sensor, ein Lichtsensor oder ein anderer Typ von Geschwindigkeitssensoren sein. Die von den Sensoren 26, 28 und 30 erzeugten Signale werden an einen Signalaufbereiter 32 angelegt, der analoge und digitale Schaltungen zur Vorverarbeitung der Signale und ihre Vorbereitung für die Übergabe an ein Görtzel-Filter 36 und einen Geschwindigkeitsdetektor 34 hat. Es versteht sich, dass von dem Signalaufbereiter 32 mehrere Signale von mehreren Sensoren bereitgestellt werden, um es aber zu vereinfachen, kann es sein, dass die folgende Besprechung nur ein einzelnes Signal erwähnt.
In diesem Beispiel hat der Motor 20 eine normale Betriebsgeschwindigkeit von 60 Hz (3600 U/min) und desgleichen dreht sich die Welle 22 normalerweise mit einer Geschwindigkeit von 60 Hz. Eine Kennfrequenz beider, des Motors 20 und der Welle 22, ist daher 60 Hz. Da der Vibrationssensor 28 am Lager 24 montiert ist, ist eine mit dem Sensor 28 assoziierte Kennfrequenz 60 Hz. Die Vibration der Welle mit 60 Hz würde am Lager 24 erfasst. Weil das Lager aber seine eigenen eindeutigen physikalischen charakteristischen Eigenschaften hat, wie etwa die Anzahl der Wälzkörper im Lager, hat es andere Kennfrequenzen, die möglicherweise überwacht werden müssen. Für dieses Beispiel wird daher angenommen, dass das Lager 24 physikalische charakteristische Eigenschaften hat, die veranlassen, dass es mit 600 Hz vibriert, wenn es eine Welle lagert, die sich mit einer Drehgeschwindigkeit von 60 Hz dreht. Eine weitere Kennfrequenz des Lagers 24 wäre daher 600 Hz.
Die Signale von den Sensoren 26 und 28 werden vom Aufbereiter 32 aufbereitet und in ein digitales Format umgesetzt und zum Görtzel-Filterblock 36 übertragen, der mehrere Görtzel-Filter beinhaltet, die in dieser Ausgestaltung von den Görtzel-Filtern 36 a–d repräsentiert werden. In Wirklichkeit hat der Filterblock 36 im typischen Fall viel mehr als vier Görtzel-Filter. Das Geschwindigkeitssignal vom Sensor 30 wird durch den Aufbereiter 32 zum Geschwindigkeitsdetektor 34 übertragen, der Geschwindigkeitsinformationen berechnet und sie an den Messblock 38 überträgt, der wenigstens und Nachlaufeinheit 38a und Analysator 38b und eine Entscheidungseinheit 38c beinhaltet. Die Geschwindigkeitsdaten werden durch die Nachlaufeinheit 38a empfangen und, teilweise auf Basis der Geschwindigkeit der Welle 22, die Nachlaufeinheit 38a überträgt Koeffizienten (auch Parameter genannt) an die Görtzel-Filter 36a–36d, die zur Überwachung der Bedingungssensorsignale von den Sensoren 26 und 28 zugewiesen sind. Zum Zweck dieses Beispiels wird angenommen, dass mehrere Görtzel-Filter zum Empfangen von Signalen von jedem der Sensoren 26 und 28 zugewiesen sind und zwei Gruppen von mehreren Sensoren zur Überwachung des Signals vom Sensor 28 zugewiesen sind. Eine Gruppe sucht nach einer Kennfrequenz von 60 Hz und eine weitere Gruppe sucht nach einer Kennfrequenz von 600 Hz. Die Ausgänge von den Görtzel-Filtern 36a–36d werden zum Messblock 38 übertragen und die Entscheidungseinheit 38c identifiziert ein einzelnes Görtzel-Filter, das die vom Sensor 26 bei der Kennfrequenz des Motors 20 erfassten Vibrationen am wahrscheinlichsten repräsentiert, und die Entscheidungseinheit 38c wählt ein Görtzel-Filter, das das Signal vom Sensor 28 bei einer ersten Kennfrequenz von 60 Hz am besten repräsentiert, und wählt ein zweites Görtzel-Filter, das das Signal vom Sensor 28 bei einer zweiten Kennfrequenz von 600 Hz am besten repräsentiert. Die von der Entscheidungseinheit 38c ausgewählten Signale werden durch den Analysator 38b analysiert und der Ausgang vom Analysator 38b wird an eine Alarmeinheit 40 und eine Steuereinheit 42, die sowohl Steuer- als auch Schutzfunktionen durchführt, angelegt. Auf Basis des Ausgangs vom Analysator 38b kann von der Alarmeinheit 40 ein Alarmsignal erzeugt werden, das die Bediener darüber informiert, dass eines der Anlagegüter einen abnormalen Betrieb aufweist, und der Bediener kann die endgültige Entscheidung dahingehend treffen, was, wenn überhaupt, zu tun ist. Wenn der Ausgang vom Analysator 38b eine schwerwiegendere Bedingung andeutet, können durch die Steuereinheit 42 Steuer- oder Schutzbefehle ausgegeben werden. Zum Beispiel könnte ein Befehl zum Verringern der Geschwindigkeit des Motors 20 ausgegeben werden. Wenn die Bedingung ausreichend schwerwiegend ist, könnte ein Befehl zum Abschalten des Motors 20 ausgegeben werden.
Außerdem legt die Messeinheit 38 die ausgewählten gefilterten Signale an den analogen Ausgang 44 an, der die Amplituden- und Phaseninformationen von den ausgewählten Görtzel-Filtern zum Erzeugen von drei analogen sinusförmigen Signalen verwendet, die die Vibration des Motors 20 bei der Kennfrequenz von etwa 60 Hz, die Vibration des Lagers 24 bei etwa 60 Hz und die Vibration des Lagers 24 bei etwa 600 Hz repräsentieren, wenn der Motor 20 mit seiner Kenngeschwindigkeit von etwa 60 Hz läuft. In diesem Fall wird in Bezug auf die Frequenzen das Wort „etwa” verwendet, weil die Motorfrequenz je nach den Umständen geringfügig variiert. Eine plötzliche hohe Last kann veranlassen, dass der Motor 20 langsamer wird, und eine plötzliche geringe Last kann veranlassen, dass der Motor 22 schneller läuft. Wenn diese Änderungen stattfinden, laufen die Görtzel-Filters aber der neuen Kennfrequenz nach und liefern weiterhin genaue Informationen auf der neuen Kennfrequenz.
Der Betrieb jedes der Görtzel-Filter 36a–36b wird im Blockdiagramm von 2 veranschaulicht. Der Eingang zum Görtzel-Filter 36a wird auf Leitung 48 bereitgestellt und ist ein aufbereitetes Sensorsignal, das anfänglich an eine Kammfilterstufe 50 angelegt wird, deren charakteristischen Betriebseigenschaften von Koeffizienten gesteuert werden, die von der Nachlaufeinheit 38a anfänglich eingestellt und periodisch aktualisiert werden. Zum Beispiel wird, wenn das erwartete anfängliche Kennsignal 60 Hz ist, die Kammfilterstufe 50 zum Durchlassen eines Frequenzbands eingestellt, das das erwartete Kennsignal von 60 Hz beinhaltet und eine Fehlertoleranz beinhaltet, um sicherzustellen, dass das Frequenzband groß genug ist, um die Ist-Frequenz des Kennsignals durchzulassen. Der Ausgang der Kammfilterstufe 30 wird jedem der Resonatoren 52a–52e bereitgestellt und die charakteristischen Betriebseigenschaften der Resonatoren werden durch die Nachlaufeinheit 38a zum Durchlassen eines Frequenzbands an oder bei der Kennfrequenz eingestellt. In diesem Beispiel ist die Kennfrequenz 60 Hz und der Resonator 52c zum Durchlassen eines Frequenzbands von einem Hertz um 60 Hz eingestellt. Der Resonator 52c lässt daher Frequenzen von 60,5 Hz bis 59,5 Hz durch. Die Resonatoren 52b und 52a sind zum Durchlassen eines Ein-Hertz-Frequenzbands um 59 Hz bzw. 58 Hz eingestellt und die Resonatoren 52d und 52e sind zum Durchlassen eines Ein-Hertz-Frequenzbands um 61 Hz bzw. 62 Hz eingestellt. Die Ausgänge von den Resonatoren 52a–52d werden einer Fensterungseinheit 54 zugeführt, die eine Fensterungsfunktion, wie etwa ein Hanning-Fenster, an die Ausgänge anlegt, und der Ausgang der Fensterungseinheit 54 wird an die Leitung 56 angelegt und ist der Ausgang des Görtzel-Filters 36a. Dieses spezielle Görtzel-Filter 36a erzeugt daher ein Frequenzbereichssignal an Leitung 56, das Eingangssignale mit einer Frequenz von 57,5 Hz bis 62,5 Hz repräsentiert. Dieses Beispiel wurde zu Veranschaulichungszwecken vereinfacht und ist nicht sehr realistisch. Zudem ist das Kammfilter 50 wahlweise und in stabilen Umgebungen kann es erwünscht sein, das Kammfilter wegzulassen.
In einer Ausgestaltung werden die Ausgänge der Resonatoren 52a–52e an die Nachlaufeinheit 38a angelegt und die Größen dieser Ausgänge werden durch die Nachlaufeinheit 38a zum Zweck der periodischen Anpassung der Koeffizienten der Resonatoren analysiert. Zum Beispiel würde, wenn die Nachlaufeinheit 38a bestimmen würde, dass der Resonator 52d im Vergleich zu den Ausgängen der anderen Resonatoren einen sehr großen Ausgang hatte, die Nachlaufeinheit 38a dann bestimmen, dass die Ist-Betriebskennfrequenz 61 Hz ist. Sie würde dann die Koeffizienten der Resonatoren so anpassen, dass der Resonator 52C ein Ein-Hertz-Frequenzband um 61 Hz durchlässt, und die übrigen Resonatoren werden gleichermaßen angepasst. Das Gesamtfrequenzband der Resonatoren wäre dann von 58,5 Hz bis 63,5 Hz und die Nachlaufeinheit 38a würde dadurch veranlassen, dass das Filter 36a der Kennfrequenz nachläuft, die jetzt auf 61 Hz verschoben worden ist.
In 3, auf die jetzt Bezug genommen wird, wird ein weiteres Beispiel für ein Nachlauffilter gezeigt. In dieser Ausgestaltung setzt sich ein Nachlauffilterblock 60 aus drei Görtzel-Nachlauffiltern 62, 72 und 82 zusammen. Jedes der Filter beinhaltet eine Kammfilterstufe 64, 74 und 84, die auf Eingangsleitungen 61, 71 und (bzw.) 81 ein Eingangssignal empfangen, und der Ausgang jedes Kammfilters wird an fünf Resonatoren angelegt. Der Ausgang des Kammfilters 64 wird an die Resonatoren 66 angelegt und die Ausgänge der Resonatoren 66 werden an eine Fensterungseinheit 68 angelegt. Desgleichen wird der Ausgang des Kammfilters 74 an die fünf Resonatoren 76 angelegt, deren Ausgänge an den Eingang der Fensterungseinheit 78 angelegt werden. Schließlich empfängt das Kammfilter 84 einen Eingang auf Leitung 81 und stellt seinen Ausgang fünf Resonatoren 86 bereit, deren Ausgänge der Fensterungseinheit 88 bereitgestellt werden. So arbeitet jedes der Filter 62, 72 und 82 wie mit Bezug auf das in 2 gezeigte Filter 36a beschrieben. Die Ausgänge der Fensterungseinheiten 68, 78 und 88 werden an eine Entscheidungseinheit 90 angelegt, deren Ausgang als der Gesamtausgang des Nachlauffilterblocks 60 auf Leitung 92 angelegt wird. Die Entscheidungseinheit 90 wird als Teil des Nachlauffilterblocks 60 gezeigt, die Entscheidungseinheit 90 kann aber auch als Teil des Analysators betrachtet werden, da sie eine Analysatorformation durchführt. In Bezug auf die 1a und 1b kann die Entscheidungseinheit 90 daher als Teil von Messeinheit 16 oder Messeinheit 38 betrachtet werden.
In diesem Beispiel ist das Filter 72 zum Durchlassen eines Ein-Hertz-Frequenzbands um 60 Hz (59,5 Hz bis 60,5 Hz) eingestellt. Das Filter 62 ist zum Durchlassen eines Ein-Hertz-Frequenzbands um 61 Hz eingestellt und das Filter 82 ist zum Durchlassen eines Ein-Hertz-Frequenzbands um 59 Hz eingestellt. Die Filter 62, 72 und 82 werden von der Nachlaufeinheit 38a, wie in Bezug auf das Filter 36a beschrieben, auf ihre Anfangsbetriebsbedingungen eingestellt. Die Entscheidungseinheit 90 empfängt und vergleicht die Ausgänge der Filter 62, 72 und 82 und bestimmt, welcher Ausgang am wahrscheinlichsten das Kennfrequenzsignal repräsentiert. In seiner einfachsten Form würde die Entscheidungseinheit 90 einfach das Filter mit dem größten Ausgang wählen und dieser größte Ausgang würde als das Ausgangssignal auf Leitung 92 angelegt werden, das den Ausgang des Nachlauffilterblocks 60 insgesamt repräsentiert. Auch hier können andere Parameter als die Größe zum Auswählen des wahrscheinlichsten Signals verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel kann die Entscheidungseinheit 90, wenn zwei der Filter Ausgänge einer relativ großen Größe hatten und das übrige Filter ein relativ kleines Ausgangssignal hatte, beide Signale beim Bestimmen des Ausgangssignals auf Leitung 92 nutzen. Zum Beispiel können die zwei Signale miteinander addiert und mit einem Skalierfaktor multipliziert werden. Alternativ kann das größere der zwei Signale als das wahrscheinlichste Signal ausgewählt werden, würde aber um einen Skalierfaktor, dessen Größe von den relativen Größen der zwei größten Signale von den Filtern 62, 72 und 82 bestimmt wird, korrigiert. Zum Beispiel würde die Entscheidungseinheit 90, wenn das Signal vom Filter 62 eine Größe von eins hätte und das Signal für das Filter 72 eine Größe von zwei hätte, das Signal vom Filter 72 als das wahrscheinlichste Signal wählen und dieses Signal mit einem Korrekturfaktor von 1,5 multiplizieren. Aber wenn das Signal vom Filter 62 eine Größe von 10 hätte und das Signal vom Filter 72 eine Größe von neun hätte, sollte ein größerer Korrekturfaktor verwendet werden. Das Signal vom Filter 62 würde daher als das wahrscheinlichste Signal ausgewählt und würde mit einem Korrekturfaktor von 1,9 multipliziert. Die in diesem Beispiel verwendeten Zahlen sind ebenfalls unrealistisch und wurden zum Zweck einer einfachen Veranschaulichung vereinfacht.
Die Nachlaufeinheit 38a überwacht die Ausgänge von den Resonatoren 66, 76 und 86 und überwacht auch die Ausgänge der Fensterungseinheiten 68, 78 und 88 und den Ausgang der Entscheidungseinheit 90. Wenn das Filter 72 den Ausgang der größten Größe erzeugt und von der Entscheidungseinheit 90 als das wahrscheinlichste das Kennfrequenzsignal repräsentierende Signal ausgewählt wird, kann die Nachlaufeinheit 38a sich dafür entscheiden, keinen der Koeffizienten der Filter zu ändern. Wenn der Ausgang des Filters 62 aber die größte Größe hat und von der Entscheidungseinheit 90 ausgewählt wird, aktualisiert die Nachlaufeinheit 38a die Koeffizienten aller Filter, so dass das Frequenzband des Filters 62 das Frequenzband des Filters 72 wird und die Frequenzbänder der Filter 62 und 82 nach unten verschoben werden. Desgleichen werden, wenn das Signal vom Filter 82 durch die Entscheidungseinheit 90 ausgewählt wird, die Koeffizienten des Filters 72 geändert, so dass es das Frequenzband des Filters 82 durchlässt. Die Frequenzbänder der Filter 62 und 82 werden gleichermaßen nach oben verschoben. Wenn die Ausgänge der Fensterungseinheit 68 und 78 fast gleich sind und die Entscheidungseinheit 90 einen Korrekturfaktor auf das ausgewählte wahrscheinlichste Signal anwendet, passt die Nachlaufeinheit 38a die Koeffizienten des Filters 62, 72 und 82 so an, dass das Filter 72 eine Mittelfrequenz, die das Mittel der Mittelfrequenzen des Filters 62 und 72 ist. Daher würde, wenn die Filter 62 und 72 Mittelfrequenzen von 59 Hz und 60 Hz haben, die Mittelfrequenz des Filters 72 an 59,5 Hz angepasst. Auf diese Weise überwacht die Nachlaufeinheit 38a den Nachlauffilterblock 60 ständig, um sicherzustellen, dass das Filter 72 eine Mittelfrequenz hat, die der Ist-Kennfrequenz des überwachten Anlageguts am nähesten kommt, und das Filter 62 und 82 Mittelfrequenzen haben, die unter und über die Mittelfrequenz des Filters 72 verschoben werden.
Die Nachlaufeinheit 38a kann auch einen berechneten Geschwindigkeitsgradienten beim Ändern der Koeffizienten des Nachlauffilterblocks 60 oder des Görtzel-Filters 36 verwenden. Der Geschwindigkeitsgradient kann auf Basis der sich ändernden Geschwindigkeiten, die vom Geschwindigkeitsdetektor 34 gemeldet werden, berechnet werden. Oder der Geschwindigkeitsgradient kann auf Basis der sich ändernden Mittelfrequenz der Kennfrequenz, wie oben besprochen, berechnet werden. Wenn die Geschwindigkeitsgradienten, wie von den zwei verschiedenen Verfahren berechnet, verschieden sind, wählt die Nachlaufeinheit 38a den zuverlässigeren Geschwindigkeitsgradienten für die jeweilige Anwendung. In den meisten Fällen ist die sich ändernde Mittelfrequenz der Kennfrequenz von Interesse wahrscheinlich der zuverlässigste Indikator des Geschwindigkeitsgradienten. Wenn aber ein besonders genauer und zuverlässiger Geschwindigkeitsdetektor verwendet wird, kann das Geschwindigkeitsdetektorsignal der wahrscheinlichste genaue Indikator des Geschwindigkeitsgradienten sein. Die Nachlaufeinheit 38a verwendet den Geschwindigkeitsgradienten zum Berechnen einer zukünftigen Kennfrequenz und zum Einstellen der Görtzel-Filter 36 oder des Filterblocks 60 auf die vorhergesagte zukünftige Kennfrequenz. Zum Beispiel nehme man an, dass ein jeweiliges Signal eine aktuelle Kennfrequenz von 30 Hz hat und die Görtzel-Filter jede Sekunde aktualisiert werden. Auch nehme man an, dass es auf Basis aller verfügbaren Informationen einen zunehmenden Geschwindigkeitsgradienten von einem Hertz pro Sekunde gibt. In einem solchen Fall wird die mittlere Geschwindigkeit während der nächsten einen Sekunde 30,5 Hz sein und die Nachlaufeinheit 38d stellt die Görtzel-Filter unter Verwendung von 30,5 Hz als die erwartete Kennfrequenz ein.
Der Signalaufbereiter 32, wieder mit Bezug auf 1b und 3, wählt die als Eingangssignale an die Görtzel-Filter 36 anzulegenden Signale. In der obigen Besprechung wird angenommen, dass das gleiche Eingangssignal an alle drei Görtzel-Filter 62, 72 und 82 angelegt wurde. Die Vorrichtung 10 ist aber flexibel genug, um mehrere Betriebsarten zu haben. In einer zweiten Betriebsart kann der Signalaufbereiter 32 einem oder mehr der Filter 62, 72 und 82 ein separates oder verschiedenes Eingangssignal zuführen. Zum Beispiel könnte das Vibrationssignal von Sensor 26 an das Filter 62 angelegt werden und das Filter 62 könnte auf eine Mittelfrequenz von 60 Hz eingestellt werden, die die Kennfrequenz für den Motor 20 ist. Das Vibrationssignal vom Sensor 28 könnte an die Filter 72 und 82 angelegt werden und das Filter 72 könnte auf eine Mittelfrequenz von 60 Hz eingestellt werden, die eine der Kennfrequenzen des Lagers 24 ist. Das Filter 82 könnte auf eine Mittelfrequenz von 600 Hz eingestellt sein, die eine weitere Kennfrequenz des Lagers 24 ist. In dieser Ausgestaltung gibt die Entscheidungseinheit 90 alle der Signale von der Fensterungseinheit 68, 78 und 88 aus. Jedes der Signale wird an den Analysator 38b angelegt und zum Bestimmen, ob eine Maßnahme ergriffen werden sollte, analysiert. Desgleichen werden die Signale jeweils durch den analogen Ausgang angelegt, um sinusförmige Darstellungen der drei gefilterten Signale bereitzustellen. Diese spezielle Konfiguration dieses speziellen Beispiels veranschaulicht, dass drei Filter vom Überwachen eines Signals in einer ersten Betriebsart zum Überwachen von zwei Signalen in einer zweiten Betriebsart verschoben werden könnten. Dies ist ebenfalls ein vereinfachtes Beispiel. Eine tatsächliche Anwendung des Nachlaufblockfilters 60 beinhaltet viele Görtzel-Filter, die jeweils eine Kammfilterstufe, eine Vielzahl von Resonatoren und eine Fensterungseinheit beinhalten können. Zum Beispiel kann sie 100 derartige Filter, die 50 Signale überwachen, beinhalten und die Betriebsarten können ständig geändert werden. Zum Beispiel könnte jedes der 50 Signale anfänglich von zwei Filtern überwacht werden. Dann könnte die Betriebsart geändert werden, so dass 25 stabile Signale von einem Filter überwacht werden und die übrigen weniger stabilen 25 Signale von drei Filtern überwacht werden. Wenn ein Signal besonders unstabil wird oder verloren geht, könnten die Nachlaufeinheit 38a und der Signalaufbereiter 32 10 Filter zum vorübergehenden Überwachen des besonders unstabilen oder verlorenen Signals, bis es gefunden wird, stabiler wird oder irgendeine Schutzmaßnahme getroffen wird, wie etwa die Ausgabe eines Abschaltbefehls, konfigurieren. Nach Lösen des Problems des unstabilen Signals können die 100 Filter zum normalen Betrieb zurückkehren, wobei die stabilen Signale von einem einzelnen Filter überwacht werden und die weniger stabilen Signale von mehreren Filtern überwacht werden.
In den obigen Ausgestaltungen erzeugt der Nachlauffilteralgorithmus ja einen Ausgang in der Form einer komplexen Zahl, die durch eine reelle und eine imaginäre Zahl repräsentiert werden kann. Zum Beispiel könnte der Ausgang 3 + 3i sein. Eine Art, diesen Ausgang zu verwenden, besteht darin, einfach den reellen Teil der Zahl (3) zu verwenden und den imaginären Teil (3i) zu ignorieren. Eine weitere Möglichkeit ist es aber, die bzw. den Gesamtamplitude und -phasenwinkel zu berechnen und diese Informationen auszugeben. In diesem Beispiel ist die Gesamtamplitude daher: (3² + 3²)^1/2 = 18^1/2 – 4,243 und der Phasenwinkel wäre 45 Grad. Die Gesamtamplitude ist ein Indikator für die Vibrationsamplitude des Systems in der beobachteten Bandbreite und daher ein indirekter Indikator für die Energie im System. Der Phasenwinkel ist ein Indikator für eine Änderung des Ansprechenverhaltens des Systems insgesamt. Die Amplitude ist daher ein gutes Maß z. B. einer erhöhten Vibration des Systems und kann zum Erkennen eines bzw. einer stattfindenden Ungleichgewichts oder Exzentrizität eines Systems verwendet werden. Normalerweise beeinflusst ein stattfindendes Ungleichgewicht die Amplitude und Phase der Ergebnisse. In einigen Fällen kann die Vibrationsamplitude aber kleiner werden, es aber eine Phasenänderung geben. Man betrachte zum Beispiel das Polardiagramm in 4, in dem der Vibrationsvektor 102 die Amplitude und Phase der ursprünglichen Vibration repräsentiert und der Differenzvektor 104 eine durch ein potentielles Problem verursachte Änderung der Vibration repräsentiert. Vibrationsvektor 106 repräsentiert die neue Vibrationsamplitude und -phase nach der Änderung. In einem solchen Fall gibt der Differenzvektor 104 eine Anzeige der Änderung im System, die ein Problem anzeigen könnte. Beim Vergleichen der Vibrationsvektoren 102 und 106 entspricht die Größe der Vibration der Länge der Vektoren und die Größe der Vibration wurde auf 50% der ursprünglichen Vibration reduziert. Die Phase änderte sich aber von etwa 45 Grad auf etwa 120 Grad, was eine bedeutende Veränderung darstellt. Der Phasenwinkel ist somit ein gutes Maß für eine Änderung im System und kann zum Erkennen von Änderungen im System verwendet werden, selbst wenn die Vibrationsamplitude sich wenig ändert oder zurückgeht.
Die vorangehende Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen für diese Erfindung wird zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung dargelegt. Es ist nicht vorgesehen, dass sie umfassend ist oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form beschränkt. Angesichts der obigen Lehre werden offensichtliche Modifikationen oder Variationen möglich. Die Ausgestaltungen werden in der Bemühung gewählt und beschrieben, die besten Veranschaulichungen der Grundsätze der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung bereitzustellen, und um dadurch einen Durchschnittsfachmann zu befähigen, die Erfindung in diversen Ausgestaltungen und mit diversen Modifikationen, wie sie für die spezielle vorgesehene Verwendung geeignet sind, zu nutzen. Alle derartigen Modifikationen und Variationen liegen innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie von den angehängten Ansprüchen bestimmt, wenn sie gemäß der Breite bestimmt, die ihnen fair, rechtmäßig und gerecht zusteht, ausgelegt werden.

Claims

Vorrichtung zur Überwachung eines Anlageguts, das physikalische Signale erzeugt, einschließlich eines physikalischen Signals mit einer Kennfrequenz, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Sensor zum Erfassen der physikalischen Signale und zum Erzeugen eines Sensorsignals, das den physikalischen Signalen entspricht; und ein Görtzel-Filter, das zum Empfangen des Sensorsignals und zum Anwenden einer Görtzel-Filterfunktion auf das Sensorsignal geschaltet ist, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen, wobei das Görtzel-Filter zum Filtern des Sensorsignals zum Durchlassen eines ausgewählten Frequenzbands um die Kennfrequenz konfiguriert ist, so dass das gefilterte Signal dem physikalischen Signal mit einer Frequenz innerhalb des ausgewählten Frequenzbands um die Kennfrequenz entspricht; einen Analysator zum Analysieren des gefilterten Signals und zum Erzeugen von Informationen, die der Bedingung des Anlageguts entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Görtzel-Filter eine Vielzahl von Parametern beinhaltet, die die Frequenzen des ausgewählten Frequenzbands bestimmen, und die ferner eine Nachlaufeinheit zum periodischen Aktualisieren der Parameter aufweist, so dass das Görtzel-Filter periodisch aktualisiert wird, um der Kennfrequenz nachzulaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Nachlaufeinheit die Parameter auf Zeitbasis oder auf Basis einer Analyse des Sensorsignals periodisch aktualisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Görtzel-Filter Folgendes beinhaltet: einen ersten Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines ersten Frequenzbands zum Erzeugen eines ersten Resonatorsignals, das die Kennfrequenz beinhaltet, konfiguriert ist; einen zweiten Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines zweiten Frequenzbands zum Erzeugen eines zweiten Resonatorsignals in einem Frequenzband mit Frequenzen, die größer als die Kennfrequenz sind, konfiguriert ist; einen dritten Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines dritten Frequenzbands zum Erzeugen eines dritten Resonatorsignals in einem Frequenzband mit Frequenzen, die niedriger als die Kennfrequenz sind, konfiguriert ist; und eine Fensterungseinheit zum Empfangen des ersten, zweiten und dritten Resonatorsignals und zum Erzeugen eines Fensterungseinheitssignals, das den Resonatorsignalen entspricht und dem physikalischen Signal auf der Kennfrequenz entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das Görtzel-Filter eine Vielzahl von Görtzel-Filterblöcken mit wenigstens einem ersten Filterblock und einem zweiten Filterblock aufweist; der erste Görtzel-Filterblock Folgendes beinhaltet: einen ersten Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines ersten Frequenzbands zum Erzeugen eines ersten Resonatorsignals, das die Kennfrequenz beinhaltet, konfiguriert ist; einen zweiten Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines zweiten Frequenzbands zum Erzeugen eines zweiten Resonatorsignals in einem Frequenzband mit Frequenzen, die größer als die Kennfrequenz sind, konfiguriert ist; einen dritten Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines dritten Frequenzbands zum Erzeugen eines dritten Resonatorsignals in einem Frequenzband mit Frequenzen, die niedriger als die Kennfrequenz sind, konfiguriert ist; und eine erste Fensterungseinheit zum Empfangen des ersten, zweiten und dritten Resonatorsignals und zum Erzeugen eines ersten Fensterungseinheitssignals, das dem ersten, zweiten und dritten Resonatorsignal entspricht; wobei der zweite Görtzel-Filterblock Folgendes beinhaltet: einen vierten Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines vierten Frequenzbands zum Erzeugen eines vierten Resonatorsignals konfiguriert ist, das eine erste verschobene Frequenz beinhaltet, die um einen ausgewählten Betrag von der Kennfrequenz frequenzverschoben ist; einen fünften Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines fünften Frequenzbands zum Erzeugen eines fünften Resonatorsignals in einem Frequenzband mit Frequenzen, die größer als die erste verschobene Frequenz sind, konfiguriert ist; einen sechsten Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines sechsten Frequenzbands zum Erzeugen eines sechsten Resonatorsignals in einem Frequenzband mit Frequenzen, die niedriger als die erste verschobene Frequenz sind, konfiguriert ist; und eine zweite Fensterungseinheit zum Empfangen des vierten, fünften und sechsten Resonatorsignals und zum Erzeugen eines zweiten Fensterungseinheitssignals, das dem vierten, fünften und sechsten Resonatorsignal entspricht; und ferner eine Entscheidungseinheit aufweist, die das erste Fensterungseinheitssignal und das zweite Fensterungseinheitssignal empfängt und zum Erzeugen eines Entscheidungseinheitssignals, das wenigstens einem von dem ersten und dem zweiten Fensterungseinheitssignal entspricht und einem speziellen physikalischen Signal auf der Kennfrequenz entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Entscheidungseinheit ein Fensterungseinheitssignal auswählt, das dem speziellen physikalischen Signal auf der Kennfrequenz am wahrscheinlichsten entspricht, und das Entscheidungseinheitssignal auf Basis des ausgewählten einen Fensterungseinheitssignals erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Entscheidungseinheit ein Fensterungseinheitssignal auswählt, das dem speziellen physikalischen Signal auf der Kennfrequenz am wahrscheinlichsten entspricht, und das Entscheidungseinheitssignal auf Basis des ausgewählten einen Fensterungseinheitssignals erzeugt und ferner eine Nachlaufeinheit aufweist, die die charakteristischen Betriebseigenschaften der Resonatoren aller Görtzel-Filterblöcke aktualisiert, wenigstens teilweise auf Basis dessen, welches Fensterungseinheitssignal von der Entscheidungseinheit ausgewählt wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Vielzahl von Filterblöcken ferner einen dritten Görtzel-Filterblock aufweist, wobei der dritte Görtzel-Filterblock Folgendes beinhaltet: einen siebten Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines siebten Frequenzbands zum Erzeugen eines siebten Resonatorsignals konfiguriert ist, das eine zweite verschobene Frequenz beinhaltet, die um ausgewählte Beträge von der ersten verschobenen Frequenz und der Kennfrequenz frequenzverschoben ist; einen achten Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines achten Frequenzbands zum Erzeugen eines achten Resonatorsignals in einem Frequenzband mit Frequenzen, die größer als die zweite verschobene Frequenz sind, konfiguriert ist; einen neunten Resonator zum Empfangen des Sensorsignals und der zum Durchlassen eines neunten Frequenzbands zum Erzeugen eines neunten Resonatorsignals in einem Frequenzband mit Frequenzen, die niedriger als die zweite verschobene Frequenz sind, konfiguriert ist; und eine dritte Fensterungseinheit zum Empfangen des siebten, achten und neunten Resonatorsignals und zum Erzeugen eines dritten Fensterungseinheitssignals, das dem siebten, achten und neunten Resonatorsignal entspricht; und die Entscheidungseinheit, die das erste, zweite und dritte Fensterungseinheitssignal empfängt und zum Erzeugen eines Entscheidungseinheitssignals, das wenigstens einem von dem ersten, zweiten und dritten Fensterungseinheitssignal entspricht und einem speziellen physikalischen Signal auf der Kennfrequenz entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das Görtzel-Filter zum Erzeugen eines gefilterten Signals konfiguriert ist, das sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen beinhaltet; und der Analysator zum Erzeugen von Informationen, die der Bedingung des Anlageguts entsprechen, teilweise auf Basis von sowohl den Amplituden- als auch den Phaseninformationen des gefilterten Signals konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das Görtzel-Filter zum Erzeugen eines gefilterten Signals konfiguriert ist, das sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen beinhaltet; und der Analysator zum Erkennen einer Alarmbedingung des Anlageguts und zum Erzeugen eines Alarmsignals auf Basis der Amplituden- und Phaseninformationen des gefilterten Signals konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Görtzel-Filter ferner ein Kammfilter, eine Vielzahl von Resonatoren und eine Fensterungseinheit aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Ausgangserzeuger zum Empfangen des gefilterten Signals beim Erzeugen eines sinusförmigen Ausgangssignals, das dem gefilterten Signal entspricht, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor Folgendes beinhaltet: einen ersten Sensor zum Erfassen von wenigstens einem der physikalischen Signale und zum Erzeugen eines ersten Sensorsignals, das den physikalischen Signalen entspricht; einen zweiten Sensor zum Erfassen von wenigstens einem der physikalischen Signale und zum Erzeugen eines zweiten Sensorsignals, das den physikalischen Signalen entspricht; das Görtzel-Filter Folgendes beinhaltet: ein erstes Görtzel-Filter, das zum Empfangen eines ersten Eingangssignals und zum Anwenden einer Görtzel-Filterfunktion auf das erste Eingangssignal zum Erzeugen eines ersten gefilterten Signals geschaltet ist, wobei das Görtzel-Filter zum Filtern des ersten Eingangssignals zum Durchlassen eines ersten ausgewählten Frequenzbands konfiguriert ist, so dass das erste gefilterte Signal Frequenzen innerhalb des ersten ausgewählten Frequenzbands hat; ein zweites Görtzel-Filter, das zum Empfangen eines zweiten Eingangssignals und zum Anwenden einer Görtzel-Filterfunktion auf das zweite Eingangssignal zum Erzeugen eines zweiten gefilterten Signals geschaltet ist, wobei das Görtzel-Filter zum Filtern des zweiten Eingangssignals zum Durchlassen eines zweiten ausgewählten Frequenzbands konfiguriert ist, so dass das zweite gefilterte Signal Frequenzen innerhalb des zweiten ausgewählten Frequenzbands hat; das erste und das zweite Görtzel-Filter Folgendes haben: eine erste Betriebsart, bei der beide Görtzel-Filter zum Empfangen des ersten Sensorsignals geschaltet sind, und eine zweite Betriebsart, bei der das erste Görtzel-Filter zum Empfangen des ersten Sensorsignals geschaltet ist und das zweite Görtzel-Filter zum Empfangen des zweiten Sensorsignals geschaltet ist; und der Analysator zum Analysieren des ersten und des zweiten gefilterten Signals konfiguriert ist, wobei der Analysator eine erste und eine zweite Betriebsart hat, die der ersten und zweiten Betriebsart der Görtzel-Filter entsprechen, wobei: in der ersten Betriebsart der Analysator eines von dem ersten und dem zweiten gefilterten Signal zum Erzeugen eines ausgewählten Signals, das dem vom ersten Sensor erfassten physikalischen Signal am wahrscheinlichsten entspricht, und zum Analysieren des ausgewählten Signals auswählt, in der zweiten Betriebsart der Analysator das erste und das zweite gefilterte Signal separat analysiert, um erste Informationen zu erzeugen, die den vom ersten Sensor erfassten physikalischen Signalen entsprechen, und um zweite Informationen zu erzeugen, die den vom zweiten Sensor erfassten physikalischen Signale entsprechen.
Vorrichtung zur Überwachung eines Anlageguts, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die physikalische Signale einschließlich einem physikalischen Signal auf einer Kennfrequenz, die der Geschwindigkeit des Anlageguts entspricht, erzeugt, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Sensor zum Erfassen der physikalischen Signale und zum Erzeugen eines Sensorsignals, das den physikalischen Signalen entspricht; einen Geschwindigkeitsdetektor zum Erkennen der Geschwindigkeit des sich bewegenden Anlageguts und zum Erzeugen eines Geschwindigkeitssignals, das der Geschwindigkeit des Anlageguts entspricht; ein Görtzel-Filter, das zum Empfangen des Sensorsignals und zum Anwenden einer Görtzel-Filterfunktion auf das Sensorsignal zum Erzeugen eines gefilterten Signals geschaltet ist, wobei das Görtzel-Filter zum Filtern des Sensorsignals zum Durchlassen eines ausgewählten Frequenzbands konfiguriert ist, das die Kennfrequenz beinhaltet, so dass das gefilterte Signal dem physikalischen Signal mit einer Frequenz innerhalb des ausgewählten Frequenzbands entspricht, wobei das Görtzel-Filter eine Vielzahl von Parametern beinhaltet, die die Frequenzen des ausgewählten Frequenzbands bestimmen; eine Nachlaufeinheit zum Empfangen des Geschwindigkeitssignals und zum periodischen Aktualisieren der Parameter auf Basis des Geschwindigkeitssignals, so dass das Görtzel-Filter periodisch aktualisiert wird, um der Kennfrequenz nachzulaufen; und einen Analysator zum Analysieren des gefilterten Signals und zum Erzeugen von der Bedingung des Anlageguts entsprechenden Informationen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Nachlaufeinheit einen erwarteten Geschwindigkeitsgradienten auf Basis des Geschwindigkeitssignals berechnet, wobei der Geschwindigkeitsgradient dem Tempo entspricht, mit dem sich die Geschwindigkeit des sich bewegenden Anlageguts nach Erwartung ändern wird, und wobei die Nachlaufeinheit die Parameter des Görtzel-Filters teilweise auf Basis des erwarteten Geschwindigkeitsgradienten aktualisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Nachlaufeinheit die Parameter jedesmal aktualisiert, wenn ein neues Geschwindigkeitssignal erfasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Nachlaufeinheit das Geschwindigkeitssignal zum Bestimmen, wann die Geschwindigkeit des Anlageguts sich ändert, analysiert und die Parameter jedesmal aktualisiert, wenn sich die Geschwindigkeit des Anlageguts ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Sensorsignal eine Vielzahl von Signalabtastungen aufweist, und wobei die Nachlaufeinheit die Anzahl der Signalabtastungen zählt und die Parameter des Görtzel-Filters periodisch aktualisiert, nachdem eine ausgewählte Anzahl von Abtastungen gezählt worden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das Görtzel-Filter zum Erzeugen eines komplexen gefilterten Signals konfiguriert ist, das sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen in einer komplexen Form beinhaltet, die sowohl reelle als auch imaginäre Zahlen beinhaltet; und der Analysator zum Ausgeben des komplexen gefilterten Signals konfiguriert ist.