JP2004239911A - 機械の振動から機械の運転速度を判定するシステム、装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 要素軸受を有する機械、軸受箱、ケーシング又は構造物の振動測定値を使用した予測保守を改善する。
【解決手段】 本システム（１０）は、機械（Ｍ）を監視する変換器（２０）により感知された複素信号をサンプリングして、デジタル化信号にデジタル化し、同相成分及び直角位相成分のストリームを得るために、デジタル化信号を所定の周波数を有するデジタル化信号と混合し、各々が１つの位相を有する複数のベクトルを得るために、成分のストリームの間隔をフィルタリングし、複素振動信号に含まれる振動成分の未知の信号周波数を少なくとも１つの毎秒位相値の関数として判定し、複数のベクトルの関数として機械運転速度を計算することにより、機械運転速度を判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に、機械により発生される振動から機械の運転速度を判定するシステムに関し、特に、機械を監視する変換器により取り出される複素振動信号の中に存在する振動成分の周波数を判定し、判定された周波数を使用して、機械の運転速度を判定する装置及び方法に関する。

工業プラントは、通常、ファン、送風機、弁、圧縮機などの多数のバランスオブプラント機械（ＢＯＰ機械）と比較して少数の決定的に重要な機械（例えば、ガスタービン、蒸気タービン及び発電機）を含むことが良く知られている。決定的に重要な機械のいずれに誤動作が起こっても、プラントの動作が損なわれてしまうため、それらの機械の計器装備は完全にそろっていることが望ましい。これに対し、プラントの動作はＢＯＰ機械によってはそれほど大きく左右されず、更に、ＢＯＰの中で監視すべき機械は非常に多いので、ＢＯＰ機械の計器装備を完全にすることは費用効率の面で良くない。その結果、通常、ＢＯＰ機械に設置される計器装備は少なくなっている。

しかし、全ての機械（ＢＯＰ機械を含む）において、知るべき重要なパラメータの１つは機械速度であり、機械速度を判定でき、更に、非常に重要な位相基準を提供することができる変換器の一例は、本特許出願の譲受人であるアメリカ合衆国ネバダ州MindenのBentley Nevada, LLCにより製造され、Keyphasor（登録商標）の名の下に販売されている。決定的に重要な機械においては、速度を知るために必要な変換器を設置することが妥当であると認めることは比較的容易である。しかし、ＢＯＰ機械においては、完全にそろった変換器セットを設置するという時間がかかり、煩雑で、費用もかさむ試みを妥当であると認めることはより困難であり、多くの場合、それは、速度変換器又は加速度変換器などの地震変換器はＢＯＰ機械を監視する目的で通常は受け入れられているが、速度を知るために必要な変換器は設置されないことが多いということを意味している。

これは、大半のＢＯＰ機械がころがり要素軸受を含み、それらの軸受が種類（玉軸受、真円軸受、球面軸受、円錐軸受又はニードル軸受）に関わらず、軸受の幾何学的形状、ころがり要素の数、及び軸受が回転している速度（すなわち、機械速度）に基づいて特定の振動周波数を発生するという点で問題である。それらの軸受関連振動周波数は通常は要素通過速度（ころがり要素が軸受内輪又は軸受外輪の１点を通過する速度）の１倍から７倍の範囲であり、新しい軸受でも発生されるが、その振幅は非常に小さい。軸受が故障すると、それらの軸受関連振動周波数の振幅は増加する。また、問題があるとき、ローラスピン振動周波数及び保持器振動周波数がスペクトルに現れることも良く知られている。更に、多くのころがり要素軸受の故障は、機械速度の４分の１から３倍の範囲で通常起こるロータ関連振動に現れるロータ関連誤動作（例えば、不均衡、整列ミス又はロータの不安定）の直接の結果である。また、非常に高い周波数（要素通過速度の８倍からメガヘルツ領域に至る）の情報は軸受に問題があることを早期に指示する標識、並びに機械状態（例えば、摩擦、歯車の騒音、キャビテーション、弁の騒音など）に関する他のデータを含むことがある。従って、ころがり要素軸受に関連する振動の問題を監視するために使用される地震変換器、あるいは軸受箱、ケーシング又は構造物の振動測定値からそれらの軸受関連振動周波数を観測することの鍵は、それらの周波数が通常は様々に異なる条件の下で変化する機械速度を知ることを要求する周波数であるところを知ることである。そのため、機械速度がわからない場合、地震変換器、あるいは軸受箱、ケーシング又は構造物の振動測定値から選られるそれらの軸受関連振動周波数をどこで捜し求めるべき加は特定して知らされていない。この問題を悪化させているのは、地震信号が非常に多くの雑音を含みがちであり、雑音を含む地震信号においてそれらの軸受関連振動周波数をどこで捜し求めるべきかがわからないために、診断が不十分になり、その結果、予測保守が不十分になることである。

従って、地震変換器、あるいは軸受箱、ケーシング又は構造物の振動測定値から得られる診断能力を改善する一方で、ころがり要素軸受の状態を監視し、診断するためにＢＯＰ機械に完全な変換器計器装備を設置するという時間がかかり、煩雑で、費用もかさむ試みを排除する必要がある。特に、ころがり要素軸受を有する機械を監視するために通常受け入れられている地震変換器、あるいは軸受箱、ケーシング又は構造物の振動測定値を使用した予測保守を改善するために、ＢＯＰ機械に設置される必要がある変換器の数を増やさずに機械速度を求めるという問題を解決する必要がある。

本発明は多くの点で周知の従来の技術とは区別される。第１に、本発明の一実施例は、例えば、機械振動を発生させた物理的現象と機械振動を相関させる際に使用するために、機械を監視する変換器により求められた振動測定値から機械の運転速度を判定する装置及び方法を提供する。従って、１つの面においては、本発明は、例えば、ころがり要素軸受の監視及び診断のために完全な変換器セットをＢＯＰ機械に設置するという時間がかかり、煩雑で、コストもかさむ試みを排除する一方で、変換器、あるいは軸受箱、ケーシング又は構造物の振動測定値から得られる診断能力を改善する。そのため、１つの面においては、本発明は、ころがり要素軸受を含む機械を監視するために一般に受け入れられている地震変換器、あるいは軸受箱、ケーシング又は構造物の振動測定値により提供される予測保守を改善するために、ＢＯＰ機械に設置される必要がある変換器の数を増加させずに機械速度を求めるという問題を解決する。

本発明の一実施例では、機械を監視する変換器により出力される信号から機械の運転速度を判定する方法は、信号をサンプリングし、第１のデジタル化信号にデジタル化する過程と、同相成分及び直角位相成分のストリームから構成される混合信号を得るために、デジタル化信号を所定の周波数を有する第２のデジタル化信号とデジタル混合する過程と、同相成分及び直角位相成分のストリームを少なくとも１つの位相値に変換する過程と、第１のデジタル化信号に含まれる未知の成分の信号周波数を少なくとも１つの毎秒位相値の関数として判定する過程と、機械測定値を発生させた物理的現象と機械測定値を相関させる際に使用するために、機械運転速度を未知の成分の判定された信号周波数の関数として計算する過程とを含む。

本発明の別の実施例においては、機械を監視する変換器により出力される信号から機械の運転速度を判定する方法は、振動信号をサンプリングし、第１のデジタル化信号にデジタル化する過程と、同相成分及び直角位相成分のストリームを得るために、第１のデジタル化信号を所定の周波数を有する第２のデジタル化信号とデジタル混合する過程と、同相成分及び直角位相成分のストリームを少なくとも１つの回転ベクトルに変換する過程と、少なくとも１つの回転ベクトルの角速度を判定する過程と、機械測定値を発生させた物理的現象と機械測定値を相関させる際に使用するために、機械運転速度を少なくとも１つの回転ベクトルの判定された角速度の関数として判定する過程とを含む。

本発明の別の実施例においては、機械を監視する変換器により出力される複素振動信号から機械の運転速度を判定する装置は、変換器に動作結合され、複素振動信号をサンプリングし、デジタル化振動信号にデジタル化するアナログ／デジタル変換器と、アナログ／デジタル変換器に動作結合され、同相成分及び直角位相成分のストリームから構成される混合信号を得るために、デジタル化振動信号を所定の周波数を有するデジタル化信号とデジタル混合するデジタル乗算器と、デジタル乗算器に動作結合され、各々が１つの位相を有する複数のベクトルを得るために、同相成分及び直角位相成分のストリームの間隔をフィルタリングするフィルタリング手段と、フィルタリング手段に動作結合され、複数のベクトルを少なくとも１つの毎秒位相（位相／秒）値に変換するプロセッサとから構成され、プロセッサは、複素振動信号に含まれる振動成分の信号周波数を少なくとも１つの毎秒位相値の関数として判定し、且つプロセッサは、機械振動を発生させた物理的現象と機械振動を相関させる際に使用するために、機械運転速度を判定された信号周波数の関数として計算する。

更に、このように本発明を要約すると、特許請求の範囲に記載されるような本発明の範囲及び正当な意味から逸脱せずに数多くの変形及び適応が可能であることは明白になるはずである。

図面を考慮すると、図中符号１０は機械により発生される振動から機械の運転速度を判定するシステム（装置及び方法）を示す。図面中、様々な図を通して同じ図中符号は同じ部分を示す。

図面を参照すると、本発明の一実施例は、本質的には、少なくとも１つの変換器２０に動作結合されたシステム１０を提供する。変換器２０は機械Ｍに動作結合されて、機械を監視し、機械状態を指示する時間ベース複素振動信号をシステム１０へ出力する。システム１０はサンプリング／デジタル化手段３０、混合又は畳み込み手段４０、フィルタリング手段５０、及び処理手段又はデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）６０から構成されている。サンプリング手段３０は変換器２０に動作結合され、複素振動信号を受信し、サンプリングし、デジタル化して、デジタル化複素振動信号を混合又は畳み込み手段４０へ出力する。混合又は畳み込み手段４０は、デジタル化複素振動信号を既知の周波数を有する所定の信号４６と混合するか、又はそれと共に畳み込み、混合信号を同相読み又は成分と、直角位相読み又は成分のストリーム又は連続に変換する。同相成分及び直角位相成分のストリームはフィルタリング手段５０により受信され、関連する位相を有するフィルタリング済み同相成分又はベクトルと、フィルタリング済み直角位相成分のストリーム又は連続を定義するために、フィルタリング手段５０によりフィルタリングされる。フィルタリングの結果は処理手段６０により受信される。処理手段６０は、フィルタリング済み同相成分、ベクトル又は位相と、フィルタリング済み直角位相成分、ベクトル又は位相のストリーム又は連続を順序付けし、第１の定義済みフィルタリング済み成分、ベクトル又は位相の後から始めて、それぞれ後に続くフィルタリング済み成分、ベクトル又は位相と、その直前のフィルタリング済み成分、ベクトル又は位相との差を求め、同相及び直角位相の成分差、ベクトル差又は位相差を定義する手段を含む。それらの差は処理手段６０により毎秒位相（位相／秒）又は（度／秒）読み又は値に変換される。処理手段６０は、時間ベース複素振動信号に含まれる未知の１Ｘ周波数振動成分（機械速度又は回転速度周波数で現れる信号成分）を、同相及び直角位相の成分差、ベクトル差又は位相差のうちの少なくとも１つの関数として、又は同相及び直角位相の成分差、ベクトル差又は位相差の平均の関数として、あるいは同相及び直角位相の成分差、ベクトル差又は位相差の中央値の関数として判定する手段と、機械の運転速度（１Ｘ機械運転速度）を判定された周波数の関数として計算する手段とを更に含む。

更に、ころがり要素軸受関連振動の問題を単一の地震変換器、あるいは軸受箱、ケーシング又は構造物の振動測定から監視するために、処理手段又はデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）６０は、軸受関連振動周波数を本発明の１つの面に従って判定される機械速度の関数として処理する手段を提供することができる。

従って、１つの面において、本発明は、機械振動を発生させた物理的現象と機械振動を相関させる際に使用するために、機械により発生される振動から機械の運転速度を判定する装置及び方法を提供する。

図１を参照して、更に詳細に説明すると、システム１０は地震変換器などの少なくとも１つの変換器２０に動作結合され、変換器２０は、例えば、機械Ｍから軸受箱、ケーシング又は構造物の振動を測定するために機械に動作結合されて、それらの測定値に相関する時間ベース複素振動信号をシステム１０へ出力する。地震変換器は当該技術において良く知られており、本特許出願の譲受人であるアメリカ合衆国ネバダ州MindenにあるBently Nevada, LLCにより速度変換器（及びオプションの速度／変位変換器）及び加速度変換器などの多様な地震変換器が製造、販売されている。従って、別の面においては、本発明は、機械振動を発生させた物理的現象と機械振動を相関させる際に使用するために、機械を監視する速度変換器又は加速度変換器などの地震変換器により測定された振動測定値から機械の運転速度を判定する装置及び方法を提供する。

変換器２０は、変換器２０から時間ベース複素振動信号を受信するアナログ／デジタル変換器などのサンプリング／デジタル化手段３０に動作結合されている。サンプリング／デジタル化手段３０は混合又は畳み込み手段４０に動作結合されており、複素振動信号をサンプリングし、デジタル化して、デジタル化複素振動信号を混合又は畳み込み手段４０へ出力する。時間ベース複素振動信号を、例えば、既知のサンプリング速度でサンプリングするようにサンプリング／デジタル化手段３０に制御信号を供給するために、サンプリング／デジタル化手段３０にタイミング制御信号３２又はプロセッサ手段６０を動作結合することができる。

混合又は畳み込み手段４０はデジタル化複素振動信号を受信し、一連の同相及び直角位相読み又は成分から構成される混合信号を得るために供給される既知の周波数を有する所定の信号４６とデジタル化複素振動信号と混合する、又はそれと共に畳み込む。

特に、混合／畳み込み手段４０はデジタル乗算器４４、４５（中央に「Ｘ」が入った円により表現されている）と、乗算器４４に既知の周波数の信号４６を入力し、９０度遅延された既知の周波数の信号４６を乗算器４５に入力する複素又は数値制御発振器４７とから構成されている。デジタル化複素振動信号（後に求められるべき未知の周波数を有する未知の振動成分から構成されている）も各々のデジタル乗算器４４及び４５に入力される。デジタル乗算器４４はその信号を既知の周波数を有するデジタル正弦信号と乗算又は混合し、デジタル乗算器４５はデジタル化複素振動信号を同じ既知の周波数を有するデジタル余弦信号（正弦波を９０度遅延させた信号）と乗算又は混合して、一連の同相及び直角位相の読み又は成分を得る。デジタル正弦信号及びデジタル余弦信号は既知のどのような周波数を有していても良く、混合／畳み込み手段４０のメモリ４８から、又は処理手段６０のメモリ６２から、あるいはその他のメモリから引き出すことができる。

フィルタリング手段５０は混合／畳み込み手段４０に動作結合されており、一連の同相及び直角位相の読み値又は成分を受信し、それらを関連する位相を有するフィルタリング済み同相成分又はベクトルと、フィルタリング済み直角位相成分又はベクトルにフィルタリング又は平均する。

フィルタリング手段５０及び混合／畳み込み手段４０（デジタル乗算器４４、４５及び複素又は数値制御発振器４７を含む）は、デジタルダウンカウンタ（ＤＤＣ）７０によって実現できる。ＤＤＣはどの周波数を処理すべきかに関してプログラムされる能力を有する。言い換えれば、ＤＤＣは、捜し求められるべき信号（例えば、１Ｘ周波数振動成分又は信号）が存在すべき期待範囲又は帯域幅に基づいてデジタル化複素振動信号をドライブダウンするために既知の周波数の信号４６を提供するように、ダウンコンバート周波数によってプログラムされる能力を有する。言うまでもなく、デジタルダウンカウンタ（ＤＤＣ）７０は混合／畳み込み手段４０のみを実現するために使用されても良い。市販のデジタルダウンカウンタの一例はINTERSIL（登録商標）Corporation（Harris Semiconductor）により製造され、部品番号HSP50016の商品名で販売されており、市販のデジタルダウンカウンタの別の例はTexas Instrumentsにより製造され、部品番号GC 4016の商品名で販売されている。

尚、本発明の一実施例により意図されているような混合／畳み込み手段４０及びフィルタリング手段５０を実現するための別の可能な方法は、アナログ／デジタル変換器３０とＤＳＰ手段６０との間にフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を挿入する方法であることに注意すべきである。この構成と先に混合／畳み込み手段及びフィルタリング手段に関して説明した構成との相違は、畳み込み方法を実行するために必要なハードウェアの構造がフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）に組み込まれ、プログラムされているという点である。

従って、フィルタリング手段５０、ＤＤＣ７０又はＦＰＧＡのいずれかが処理手段６０に動作結合されることになる。フィルタリング手段５０、ＤＤＣ７０又はＦＰＧＡの出力は処理手段（ＤＳＰ）６０により受信され、処理手段６０は、一連の同相成分及び直角位相成分、一連のベクトル、又は一連の位相を順序付けし、第１の定義済み成分、ベクトル又は位相の後から始めて、それぞれ後に続く成分、ベクトル又は位相と、その直前の成分、ベクトル又は位相との差を求めて、同相及び直角位相の成分差、ベクトル差又は位相差（デルタ位相差）を定義する手段を提供する。ＤＳＰ６０は、同相及び直角位相の成分差、ベクトル差又は位相差のうちの少なくとも１つ、又はその平均、あるいはその中央値を少なくとも１つの毎秒位相（位相／秒）又は毎秒度（度／秒）読み又は値に変換する手段を更に含む。処理手段６０は、時間ベース複素振動信号に含まれる１Ｘ周波数振動成分を少なくとも１つの判定された毎秒位相（位相／秒）又は毎秒度（度／秒）読み又は値の関数として判定する手段と、判定された１Ｘ周波数の関数として機械運転速度（１Ｘ運転速度）を計算する手段とを更に含む。

混合／畳み込み手段４０及びフィルタリング手段５０を処理手段６０と一体に形成することが可能であり、その場合、処理手段６０は、デジタル化複素振動信号を受信し、デジタル化複素振動信号を畳み込み、フィルタリングして、フィルタリング済み同相（実）及び直角位相（虚）成分、ベクトル又は位相を得るために、サンプリング手段又はアナログ／デジタル変換器３０に動作結合される。一体の畳み込み手段１００を有する処理手段６０の例は、Analog Devicesにより製造されている210XXシリーズのＤＳＰデバイスに見ることができる。

更に、処理手段６０をコンピュータ１１０又はデジタル／アナログ変換器８０に動作結合することができる。デジタル／アナログ変換器８０は警報器、リレー出力端子又は電流出力端子などの物理的出力装置に動作結合でき、その場合、処理手段６０は、ころがり要素軸受関連振動の問題を監視するために、軸受関連振動周波数を本発明の１つの面に従って判定される機械速度の関数として処理し、その後、特に、判定された軸受関連振動の問題に基づいて警報を発生し、それらの警報を使用して、機械Ｍを自動的に運転停止し且つ／又は操作担当者及びその他のプラント職員に機械の問題を自動的に告知するために、情報を出力装置９０及び／又はコンピュータ１１０へ搬送することができる。

更に、ＤＳＰ手段６０は、デジタル化複素振動信号をユーザにより周波数を設定された複素信号と混合し、その後、その結果を一連の同相（実）及び直角位相（虚）の成分、ベクトル又は位相として平均又はフィルタリングすることにより得られる変換値を絶えず蓄積し、処理し、格納して、時間ベース複素振動信号に含まれる多様な周波数振動成分を判定することができる。

必要に応じて電力を供給するために、変換器２０、サンプリング／デジタル化手段３０、タイミング制御手段３２、混合／畳み込み手段４０、フィルタリング手段５０、ＤＤＣ７０、処理手段６０、デジタル／アナログ変換器８０、出力装置９０及びコンピュータ１１０に電源手段１００を動作結合することができる。

図１と組み合わせて図２を参照すると、以上の説明に照らして、機械を監視する変換器により出力される複素振動信号から機械の運転速度を判定する本発明の方法の一実施例は、１）複素振動信号をサンプリングし、デジタル化振動信号にデジタル化する過程と、２）一連の同相成分及び直角位相成分を得るために、デジタル化振動信号を所定の周波数を有するデジタル化信号と混合する又はそれと共に畳み込む過程と、３）同相成分及び直角位相成分を少なくとも１つの毎秒位相（位相／秒）又は毎秒度（度／秒）値に変換する過程と、４）複素振動信号に含まれる、機械速度又は回転速度で現れる振動成分（１Ｘ運転速度振動成分、あるいはその一部又は倍数）の信号周波数を少なくとも１つの毎秒位相又は毎秒度（度／秒）値の関数として判定する過程と、５）機械運転速度（１Ｘ運転速度、あるいはその一部又は倍数）を判定された信号周波数の関数として計算する過程とを含む。

図１及び図２と組み合わせて図３を参照すると、上記の方法の過程１から５は更に次のような過程から構成されることが可能である。過程１）は、複素振動信号を既知のサンプリング速度でサンプリングし、デジタル化振動信号にデジタル化する過程を更に含み、過程２）は、ＤＤＣを採用して、一連の同相成分及び直角位相成分を得るために、デジタル化振動信号をプログラム可能ダウンコンバータ中心周波数により定義される所定の周波数を有するデジタル化信号と混合する過程を更に含み、過程３）は、ａ）関連する位相を有する複数の値又はベクトルを得るために、各々が同じ持続時間を有する所定の時間間隔で一連の同相成分及び直角位相成分をフィルタリングする過程と、ｂ）複数の値、ベクトル又は位相を順序付けし、第１の定義済み値、ベクトル又は位相の後から始めて、それぞれ後に続く値、ベクトル又は位相と、その直前の値、ベクトル又は位相との差を求めて、デルタ位相値を定義する値差、ベクトル差又は位相差を定義する過程と、ｃ）少なくとも１つの選択されたデルタ位相値、少なくとも１つの平均位相値を定義する値差、ベクトル差又は位相差の平均、又は少なくとも１つの中央値位相値を定義する値差、ベクトル差又は位相差の中央値を事前定義済み時間間隔で除算することにより、少なくとも１つの毎秒位相（位相／秒）又は毎秒度（度／秒）値をデルタ位相値の関数として判定し、少なくとも１つの毎秒位相（位相／秒）又は毎秒度（度／秒）値を判定する過程とを更に含み、過程４）は、混合又は畳み込みの結果として得られた信号のうなり周波数、すなわち、（（（位相／秒）又は（度／秒））／（３６０度／サイクル））に等しい周波数を判定し、次に、搬送波周波数（ｆ_ｃ）にうなり周波数（ｆ_Ｂ）を加算した値に等しい１Ｘ運転速度振動成分周波数（ｆ_１Ｘ）を判定することにより、複素振動信号に含まれる振動成分の信号周波数（１Ｘ運転速度振動成分周波数（ｆ_１Ｘ））を少なくとも１つの毎秒位相値の関数として計算する過程を更に含み、過程５）は、ＲＰＭ（毎分回転数）又はＣＰＭ（毎分サイクル数）単位の機械運転速度がサイクル／秒単位の１Ｘ運転速度振動成分周波数（ｆ_１Ｘ）に毎分６０秒を乗算した値に等しくなるように、機械運転速度（１Ｘ運転速度）を判定された１Ｘ運転速度振動成分周波数（ｆ_１Ｘ）の関数として計算する過程を更に含む。

従って、１つの面においては、本発明は、１）機械から発生される時間ベース振動信号をサンプリングして、少なくとも１つのサンプル信号を定義し、２）少なくとも１つのサンプル信号を既知の周波数を有する信号と混合するか、又はそれと共に畳み込み、３）その結果をフィルタリングして、関連する位相を有する複数の値又はベクトルを求め、４）複数の値、ベクトル又は位相を順序付けし、第１の定義済み値、ベクトル又は位相の後から始めて、それぞれ後に続く値、ベクトル又は位相と、その直前の値、ベクトル又は位相との差を求めて、値差、ベクトル差又は位相差を定義し、５）時間ベース振動信号に含まれる振動成分の周波数を値差、ベクトル差又は位相差のうちの少なくとも１つの関数として、又は値差、ベクトル差又は位相差の平均の関数として、あるいは値差、ベクトル差又は位相差の中央値の関数として判定し、６）機械の運転速度を判定された周波数の関数として計算する装置及び方法を提供する。

別の面においては、本発明は、１）機械から発生される時間ベース振動信号をサンプリングして、連続してサンプリングされている必要はない複数のサンプル信号セットを定義し、２）前記複数のサンプル信号セットの各々を既知の周波数を有する信号と組み合わせるか、又はそれと共に畳み込み、３）前記既知の周波数を有する信号と混合された各々のサンプル信号セットの結果をフィルタリングして、複数のフィルタリング済み値セット、ベクトルセット又は位相セットを求め、４）前記複数のフィルタリング済み値セット、ベクトルセット又は位相セットの各々を順序付けし、第１の定義済み値、ベクトル又は位相の後から始めて、前記複数のフィルタリング済みセットの各々におけるそれぞれ後に続く値、ベクトル又は位相と、その直前の値、ベクトル又は位相との差を求め、前記複数のフィルタリング済みセットの各々について値差、ベクトル差又は位相差を定義し、５）前記複数のフィルタリング済みセットの各々について値差、ベクトル差又は位相差の平均又は中央値を見出して、複数の平均セット又は複数の中央値セットを定義し、６）時間ベース振動信号に含まれる振動成分の周波数を前記複数の平均セットの平均の関数として、又は前記中央値セットの中央値の関数として判定し、７）機械の運転速度を判定された周波数の関数として計算する装置及び方法を提供する。

補足的な面においては、本発明の一実施例は、例えば、単一の変換器から、あるいは、例えば、軸受箱、ケーシング又は構造物の振動測定値からころがり要素軸受関連振動の問題を監視するために、軸受関連振動周波数を判定された機械速度の関数として処理する手段を提供することができる。

これらの面は、特に、本発明の産業上の適用可能性を実証している。

次に、システム１０（装置及び方法）を更に説明するために、１つの実施例の概要を述べる。

まず、ある所定の周波数を中心としているが、搬送波の両側で数ＫＨｚ変化する信号の周波数を正確に判定することが求められている場合を考える。次に、中心周波数から搬送波に関して±１０ＫＨｚの範囲の周波数変調が存在すると仮定する。最大周波数範囲が指定されているということは重要である。更に、ここでは、求められるべき周波数に対して周波数変調検出器の通過域内にシステムを「ロック」から外すのに十分なほどの他の雑音は存在していないと仮定する。

そこで、中心周波数に関して±１０ＫＨｚ変化する信号を伴う１０ＭＨｚの搬送波（Ｆｃ）を想定する。更に、ある時点で信号は１０．００５ＭＨｚ（Ｆｃ＋５ＫＨｚ）であると仮定する。図４は、極座標図に双方の信号を１０．０００ＭＨｚダウンコンバータ周波数（Ｆｃ）及び１０．００５信号（Ｆｃ＋５ＫＨｚ）として示している。

次に、本発明の１つの面に従って、１０．００５ＭＨｚ信号がサンプリングされ、デジタル化され、その後、この場合には１０ＭＨｚ搬送波信号（ｆ_ｃ）である同相／直角位相ダウンコンバータ中心周波数とデジタル乗算される。

図５は、図４の２つの信号が混合され、フィルタリングされた結果を示す。詳細には、乗算が実行されたとき、混合信号の瞬時同相及び瞬時直角位相を表す出力又は読みのストリームが得られる。ベクトルの正しい複素表現を表すＤＣ成分を得るためには、（出力に強力な２Ｘ成分が存在すると共に、入力には他の周波数成分からの雑音が存在するので）それらの読みは平均又はフィルタリングされなければならない。

平均の時間の長さは本発明の一実施例による方法の周波数選択度を判定するための重要な要因であるので、以下に更に詳細に説明する。

そこで、図５に示す第１の出力Ｖ_１を得るために、ある期間にわたり読みの平均又はフィルタリングが実行される。次に、図５に示す第２の出力Ｖ_２を得るために同じ期間にわたり次の読みのセットの平均又はフィルタリングが実行され、Ｎ番目の出力Ｖ_ｎが得られるまで平均又はフィルタリングは実行される。実際の入力信号周波数はダウンコンバータ信号周波数にとは厳密には一致しないため、出力信号は回転ベクトルである。出力ベクトルの回転速度（平均周期ごとの度）は周波数の差に正比例することがわかる。この場合、測定周期にわたりいずれの周波数もドリフトしないのであれば、平均周期ごとの度により表される一定の回転が得られるであろう。

そこで、サンプル速度が５０ＭＨｚであると仮定すると、サンプルごとに同相及び直角位相の乗算が実行され、読みと次の読みとの間に１０μＳの平均間隔が定義される。これにより、最悪の場合の変調（１０ＫＨｚ）で１０個の平均フェーザ出力が提供される。また、１０マイクロ秒は厳密に５００サンプルである。従って、信号が１０．００５ＭＨｚである場合、信号が搬送波に対して完全に１回転するために厳密に２００マイクロ秒を要する。これは、２００マイクロ秒ごとに５ＫＨｚ回転が３６０°であることを意味している。更新速度は１０マイクロ秒であるので、逆方向回転ベクトルは１０マイクロ秒ごとに１８°の速度（すなわち、更新ごとに１８°）でスピンするであろう。そこで、本発明の一実施例によれば、上記の信号の周波数が未知である場合、１０マイクロ秒ごとに１８度でスピンする回転ベクトルを判定し、それを３６０度で除算すれば、５０ＫＨｚのうなり周波数を得ることができ、それをダウンコンバート周波数に加算すると、１０．００５ＭＨｚが得られ、それにより、信号の未知の周波数が判定される。

図６を参照すると、平均の時間が余りに長い場合、図６に示すように何が起こっているかがわからないほど遠くまで信号が回転してしまい、信号Ｖ_１及びＶ_２の間の１つの平均時間でロックが得られ、余りに時間の長い信号Ｖ_１及びＶ_２の間の別の平均時間ではロストロック状況が得られるようになるため、平均時間は重要である。従って、同相出力及び直角位相出力の平均時間を、それらが可能な最も高い周波数の変調で１８０°を越えて回転しないように十分に短く設定することが重要である。尚、信号が反時計回り方向に回転するとき、それは信号の周波数がダウンコンバータ信号の周波数より大きいことを示している。時計回り方向への回転は、信号がダウンコンバータ周波数より低いことを意味している。更に、平均時間は余りに短くされるべきではなく、そうでないと、利用可能な位相範囲のごく一部しか使用されないことになる（すなわち、出力範囲に対して０から０．００１°より０から９０°がより好ましい）。平均時間を長くすると、望ましくない雑音を更に多くフィルタリングにより排除できるという利点があるが、これは後の信号処理チェーンにおいて実行可能である。

更に、同相及び直角位相の乗算からフェーザ読みのストリーム又は連続が求められ、望ましくない雑音を更にフィルタリングにより除去して、分解能を改善するために、そのストリームをフィルタリングすることができる。例えば、図５を参照して説明すると、第１のフェーザＶ_１を定義する平均された同相読み及び直角位相読みの第１のセットを得た後、第１のフェーザを第２のフェーザから減算して、デルタ位相（上記の例では１８°）を求めることができるように、第２のフェーザＶ_２を定義する同相読み及び直角位相読みの第２のセットが得られる。次に、第２の平均済み読みフェーザを第３の平均済み読みから減算し、それ以降も同様である。雑音が全くない環境においては、これらの読み差又はフェーザ差の全ては１８°になるはずである。しかし、雑音が存在する場合には、読み差又はフェーザ差を平均するか、又は中央値を見出すことができる。尚、それらの位相差を平均する時間が長いほど、信号の変化が出力へ伝搬する速度は遅くなることに注意すべきである。従って、雑音低減のためにシステムの帯域幅の点で妥協しているのである。

次に図７を参照すると、機械Ｍを監視する地震変換器２０からの地震読みを示す時間ベース複素振動信号の一部を表すグラフが示されており、この図を使用して、例えば、ころがり要素を有する機械を監視するために、時間ベース複素信号の中の複数の小さな周波数成分のうちの１つの周波数を判定し、判定された周波数を機械速度に変換することにより、単一の変換器測定値から振動周波数と機械速度の双方をシステム１０がどのようにして正確に判定するかの概要を更に説明する。

更に詳細には、図７は、３６００ＣＰＭ電気駆動振動成分と、１Ｘ成分（識別を試みられている信号である）と、ころがり要素軸受を有する機械のケーシングに装着されている地震センサの特性である「スパイキー」信号を発生する強力な１Ｘ、３Ｘ及び５Ｘ調波を伴う一連のスパイキー信号との和を示す。更に、全ての成分が加算された後の信号の振幅の１０％のピークピーク振幅を有する広帯域雑音成分も加算されている。

図８は、図７に示す信号のスペクトルを示す。この図は、捜し求めるべき未知の１Ｘ振動成分が３３８４ＣＰＭであることを示している（言うまでもなく、本発明の一実施例に従った装置及び方法を実現する前には、これはわかっていない）。

１Ｘ振動成分を求めるとき、１Ｘ振動成分の周波数範囲が３６００ＣＰＭの９３％から９９％であるという前提がある。従って、本発明の１つの面によれば、ダウンコンバータ中心周波数は３６００の９６％、すなわち、３４５６ＣＰＭに設定される。これは、先に概要を説明したように同相（ｃｏｓ）読み又は成分と、直角位相（ｓｉｎ）読み又は成分の対を複数生成するために使用される。この例のデータセットは、例えば、２０４８サンプルに分割されることが可能であり、データセットを最大限に利用するために２の累乗のいずれかによりフィルタリングされるのが好ましい。この例においては、同相及び直角位相の平均ごとに１２８のサンプルが選択され、更に、５１２００ＣＰＭのサンプリング速度が選択された。従って、フィルタリング時間又はフィルタリング間隔は０．１５秒である。これは、利用可能な位相範囲が０．１５秒ごとに１８０°であることを意味している。０．３秒で完全に１回転するということは、３４５６ＣＰＭの中心周波数又は搬送波周波数に基づいて±３．３３Ｈｚ、すなわち、±２００ＣＰＭの範囲を示唆しており、最終範囲は要求される範囲をカバーする３２５６から３６５６ＣＰＭになる。実際には、中心周波数をシフトダウンすることが可能であろう。

上記の数値の結果、一部が図７に示されている時間ベース複素振動信号を使用すると、１６個の利用可能平均位相／サンプル読みが得られ、これらの読みを平均すると、−６５．１４２４という単一の位相変化読みが求められる。この位相変化読みを０．１５秒のフィルタリング間隔で除算すると、毎秒−４３４．２８２６６度という値が得られる。更に、この毎秒度値を３６０度／サイクル値で除算すると、毎秒−１．２０６３４回転（うなり周波数）の値が得られ、これは毎分−７２．３８０４４回転又はサイクルの値に相当する。最後に、３４５６ＣＰＭの搬送波周波数を−７２．５１２４ＣＰＭのうなり周波数に加算することにより、図８に示すような３３８４ＣＰＭの機械速度が求められる。尚、本発明の１つの面による方法は、信号が帯域内雑音に対して余りにも小さくなり、まるで静止状態のように衰えるまで、極めて正確に機能することに注意すべきである。位相／度読みは激しく変化するため、これは検証に値する。これが起こると、フィルタリングを増強するために別のスペクトルを取り出すことができる。例えば、図９を参照して説明すると、２０４８ポイントから成る追加サンプルセットを取り出すことができ、第２のセットの第１のフェーザＶ_２１、第２のセットの第２のフェーザＶ_２２から第２のセットのＮ番目のフェーザＶ_２ｎに至るまでのフェーザを定義する第２のセットの平均同相読み及び平均直角位相読みを得て、第１のセットの平均同位相読み及び平均直角位相読みＶ_１、Ｖ_２、…Ｖ_ｎから得られた値と共に平均することができる値を求めることを含めて上述の方法をそれらのサンプルに対して実行することができる。従って、複数のサンプル波形から得られた複数の平均位相差を求め、それらを平均することができるのである。あるいは、複数のサンプル波形から得られた複数の平均又は中央値位相差から中央値平均を求めることも可能である。出力は、次のサンプルセットが近いが、相関関係はない後の時点で取り出されても変化しない相対位相測定値であることを忘れてはならない。

従って、本発明の１つの面においては、複素振動信号が既知のサンプル速度でサンプリングされて、サンプル複素振動信号が定義される。捜し求められるべき信号が存在すべきである期待範囲に基づいて信号を混合するために、ダウンコンバート周波数が判定され、サンプル複素振動信号と混合される。サンプル複素振動信号をダウンコンバータ周波数と混合するとき、一連の同相読み又は成分と、直角位相読み又は成分が得られる（Ｉ／Ｑ出力）。次に、同相結果及び直角位相結果（Ｉ／Ｑ出力）は低域フィルタリングされる。その後、連続する読みが減算され、そこから、複素振動信号と、ダウンコンバート周波数を有する搬送波の周波数との差に正比例する少なくとも１つの位相／秒読みが得られる。この結果から、ここで概要を説明したように信号周波数が計算される。従って、本発明の一実施例では、機械Ｍを監視する変換器２０により出力される複素振動信号から機械の運転速度（すなわち、機械速度又は回転速度）を判定する装置及び方法は、１）変換器２０に動作結合され、複素振動信号をサンプリングし、デジタル化振動信号にデジタル化するアナログ／デジタル変換器などのサンプリング／デジタル化手段３０と、２）サンプリング手段に動作結合され、前記デジタル化振動信号を所定の周波数を有するデジタル化信号４６とデジタル混合し、混合信号を同相読み又は成分と、直角位相読み又は成分のストリーム又は連続に変換するデジタルダウンコンバータ７０などの混合手段４０と、３）同相読み又は成分と、直角位相読み又は成分のストリーム又は連続の間隔をフィルタリングして、各々が１つの位相を有する複数のベクトルを定義するフィルタ手段５０と、４）連続するベクトル又は位相を減算して、少なくとも１つの毎秒位相（位相／秒）値を判定する減算手段を提供するプロセッサ６０と、５）複素振動信号に含まれる振動成分の信号周波数を少なくとも１つの毎秒位相値の関数として判定する手段を提供するプロセッサ６０と、６）機械振動を発生させた物理的現象を機械振動と相関させる際に使用するために、機械の運転速度（１Ｘ運転速度）を判定された信号周波数の関数として計算する手段を提供するプロセッサ６０とを具備する。

使用及び動作に関して、図面を参照すると、システム１０は、アメリカ合衆国ネバダ州MindenにあるBently Nevada, LLCにより製造、販売されている３３００又は３５００モニタ又は監視システムなどの機械装置モニタ又は監視システム１２０で具現化されることができる。システム１０及びモニタ１２０は少なくとも１つの変換器２０に動作結合されることができ、変換器２０は、外レース１３２を有する外輪１３０と、内レース１３６を有する内輪１３４と、外輪と内輪との間に挿入された保持器１４０により支持される複数のころがり要素１３８とから構成され、ころがり要素が内レースと外レースとに沿って回転自在であるような少なくとも１つのころがり要素軸受１２８（図１０を参照）を有する機械Ｍに動作結合されている。更に、システム１０及び／又はモニタ１２０はコンピュータ１１０及び／又はデジタル／アナログ変換器８０に動作結合されることが可能であり、コンピュータ１１０及び／又はデジタル／アナログ変換器８０は、警報器、リレー出力端子、又は電流出力端子などの物理的出力装置９０に動作結合されることができる。この場合、処理手段６０は、ころがり要素軸受関連振動の問題を監視し、その情報を出力装置９０又はコンピュータ１１０へ搬送して、特に、判定された軸受関連振動の問題に基づいて警報を発生し、それらの警報を使用して、機械Ｍを自動的に運転停止し且つ／又は操作担当者及びその他のプラント職員に機械装置の問題を自動的に告知するために、本発明の１つの面に従って判定された機械速度の関数として軸受関連振動周波数を処理することができる。従って、１つの面においては、本発明は、ころがり要素軸受１２８を有する機械を監視する単一の地震変換器から発生される複素振動信号から機械速度を判定し、且つ軸受関連振動の問題を示す軸受関連振動周波数を特定してどこで捜し求めるべきかを知らせる手段を提供する装置及び方法を提供する。従って、本発明の一実施例は、例えば、ころがり要素軸受を監視するために、単一の地震変換器、あるいは軸受箱、ケーシング又は構造物の振動測定値から振動周波数と機械速度の双方を判定する装置及び方法を提供する。

更に、以上、本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに数多くの変形及び適応を実施できること、及び特許請求の範囲に示される図中符号は本発明の範囲を狭めるのではなく、本発明の理解を容易にすることを意図されていることは明白である。

複素機械振動信号から機械速度を判定するシステムの機能ブロック線図／概略図。 複素機械振動信号から機械速度を判定する方法のフローチャート。 図２に示す、複素機械振動信号から機械速度を判定する方法を更に詳細に示すフローチャート。 ダウンコンバータ又は搬送波信号（Ｆｃ）及び入力信号（例えば、Ｆｃ＋５ｋＨｚ）から得られるベクトルの同相及び直角位相の座標図又は極座標図を表すグラフ。 ダウンコンバータ信号（既知の周波数を有する信号）を入力信号（例えば、サンプリングされた複素機械振動信号）と混合することにより得られた結果をフィルタリング又は平均することから得られるベクトルの同相及び直角位相の座標図又は極座標図を表すグラフ。 ロストロック状況が得られたときに得られるベクトルの同相及び直角位相の座標図又は極座標図を表すグラフ。 センサにより感知される振動信号の一例を表すグラフ。 図７に示す信号のスペクトル図の一例を表すグラフ。 ダウンコンバータ信号（既知の周波数を有する信号）を複数の別個の入力信号（例えば、複数のサンプリングされた複素機械振動信号）と混合することにより得られた結果をフィルタリング又は平均することから得られるベクトルの同相及び直角位相の座標図又は極座標図を表すグラフ。 典型的なローラ要素軸受の横断面図。

符号の説明

１０…システム、２０…変換器、３０…サンプリング／デジタル化手段、４０…混合又は畳み込み手段、５０…フィルタリング手段、６０…処理手段又はデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、７０…デジタルダウンカウンタ（ＤＤＣ）、８０…デジタル／アナログ変換器、９０…出力装置、１００…電源手段、１１０…コンピュータ

Claims (10)

1. 機械振動を監視する変換器により出力される複素振動信号から機械の運転速度を判定する方法において、
   複素振動信号をサンプリングし、デジタル化振動信号にデジタル化する過程と、
   同相成分及び直角位相成分の流れから構成される混合信号を得るために、デジタル化振動信号を所定の周波数を有するデジタル化信号（４６）とデジタル混合する過程と、
   同相成分及び直角位相成分の流れを少なくとも１つの毎秒位相値に変換する過程と、
   複素振動信号に含まれる振動成分の信号周波数を少なくとも１つの毎秒位相値の関数として判定する過程と、
   機械振動を発生させた物理的現象と機械振動を相関させる際に使用するために、判定された信号周波数の関数として機械運転速度を計算する過程とを含む方法。
2. サンプリングする過程は、既知のサンプリング速度でサンプリングし、デジタル化することを含む請求項１記載の方法。
3. 混合する過程は、一連の同相成分及び直角位相成分を得るために、プログラム可能ダウンコンバータ中心周波数により定義される所定の周波数を有するデジタル化信号とデジタル化振動信号を混合するデジタルダウンコンバータ（７０）を採用することにより混合することを含む請求項１記載の方法。
4. 変換する過程は、ａ）複数の関連する位相を有する値又はベクトルを得るために、各々が同じ持続時間を有する事前定義済み時間間隔で一連の同相成分及び直角位相成分をフィルタリングする過程と、ｂ）複数の値、ベクトル又は位相を順序付けし、第１の定義済み値、ベクトル又は位相から始めて、それぞれ後に続く値、ベクトル又は位相と、その直前の値、ベクトル又は位相との差を求め、デルタ位相値を定義する値差、ベクトル差又は位相差を定義する過程と、ｃ）少なくとも１つの選択されたデルタ位相値、デルタ位相値の平均、又はデルタ位相値の中央値を事前定義済み時間間隔で除算することにより、デルタ位相値の関数として少なくとも１つの毎秒位相値を判定し、少なくとも１つの毎秒位相値を判定する過程とを含む請求項１記載の方法。
5. 機械を監視する変換器により出力される複素振動信号から機械の運転速度を判定する装置において、
   前記変換器（２０）に動作結合され、前記複素振動信号をサンプリングし、デジタル化振動信号にデジタル化するアナログ／デジタル変換器（３０）と、
   前記アナログ／デジタル変換器（３０）に動作結合され、同相成分及び直角位相成分のストリームから構成される混合信号を得るために、前記デジタル化振動信号を所定の周波数を有するデジタル化信号とデジタル混合するデジタル乗算器（４０）と、
   前記デジタル乗算器（４０）に動作結合され、前記同相成分及び直角成分のストリームの間隔をフィルタリングして、各々が１つの位相を有する複数のベクトルを得るフィルタリング手段（５０）と、
   前記フィルタリング手段（５０）に動作結合され、前記複数のベクトルを少なくとも１つの毎秒位相値に変換するプロセッサ（６０）とを組み合わせて具備し、
   前記プロセッサ（６０）は、前記複素振動信号に含まれる振動成分の信号周波数を前記少なくとも１つの毎秒位相値の関数として判定し、且つ
   前記プロセッサ（６０）は、機械振動を発生させた物理的現象と機械振動を相関させる際に使用するために、前記判定された信号周波数の関数として機械運転速度を計算する装置。
6. 前記アナログ／デジタル変換器（３０）に動作結合され、一連の前記同相成分及び直角位相成分を得るために、プログラム可能ダウンコンバータ中心周波数により定義される前記所定の周波数を有する前記デジタル化信号と前記デジタル化振動信号をデジタル混合するデジタルダウンコンバータ（７０）を含む請求項５記載の装置。
7. 前記プロセッサ（６０）は、前記複数のベクトルを順序付けし、第１の定義済みベクトルの後から始めて、それぞれ後に続くベクトルとその直前のベクトルとの差を求め、デルタ位相値を定義するベクトル差を定義する手段を提供し、且つ少なくとも１つの選択されたデルタ位相値、前記デルタ位相値の平均、又は前記デルタ位相値の中央値を前記事前定義済み時間間隔で除算することにより前記少なくとも１つの毎秒位相値をデルタ位相値の関数として判定し、前記少なくとも１つの毎秒位相値又は毎秒度値を判定する手段を提供することにより、前記複数のベクトルを前記少なくとも１つの毎秒位相値に変換する請求項６記載の装置。
8. 前記プロセッサ（６０）は、うなり周波数を定義するために前記混合信号の周波数を判定することにより、前記複素振動信号に含まれる前記振動成分の前記信号周波数を前記少なくとも１つの毎秒位相値の関数として計算する手段を提供し、うなり周波数は少なくとも１つの毎秒位相値をサイクルごとに３６０度で除算した値に等しい請求項７記載の装置。
9. 前記プロセッサ（６０）は、前記所定の周波数を前記うなり周波数に加算することにより前記運転速度振動成分を判定する手段を提供する請求項８記載の装置。
10. 前記プロセッサ（６０）は、毎秒サイクル単位の前記判定された運転速度振動成分周波数に毎分６０秒を乗算することにより、毎分サイクル単位で前記機械運転速度を計算する手段を提供する請求項９記載の装置。

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