JP2020511632A - 光学的音響感知システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1. 生データが収集される時間の長さを選択する。
2. 生データを標準HDF5データ形式または処理に適した他のデータ形式に変換する。
3. 各チャネル内のデータを別々の時系列に分離する。
4. 高域または他のタイプのフィルタの時定数を設定する。
5. 高域または他のタイプのフィルタを時系列データセットに適用する。
6. フーリエ変換パラメータを設定して周波数範囲および分解能を決定する。
7. 入力データセットを約3秒に相当する管理可能なファイルサイズに分割することを、管理可能なサンプル数を超えないように、典型的には、ただし65,536個のサンプルに制限されないように行う。
8. 高速フーリエ変換演算を適用して周波数応答を抽出する。
9. フィルタを平均処理して、必要に応じてすべての短いファイルを5分または10分相当またはそれ以上にまとめる。
10. 各長い平均周波数プロットについて、より低いノイズフロア包絡線を複数の次数の多項式または指数関数、対数数、線形関数、区分線形関数もしくは区分曲線関数、または他のタイプの好適な関数などの他の関数に回帰させる。
11. 周波数プロットから回帰方程式曲線を減じてそれを正規化する。
12. 必要ならば目視検査のため各チャネルに対して周波数曲線をプロットする。
13. ベルト速度およびローラー直径を与えて、基本ローラー周波数を計算する。
14. ガウス曲線方程式または他の何らかのパターンマッチング曲線の固定パラメータを選択する。
15. 調整可能な中心周波数を有するパターンマッチング曲線の方程式を生成する。
16. 相互相関において使用される最高周波数および周波数間隔を選択する。
17. 周波数領域内のパターンマッチング曲線と各チャネルに対する周波数スペクトルプロットとの相互相関を求める。したがって、各チャネルについて非常に高い分解能の平均処理された相互相関プロットを生成する。
18. 高分解能プロットを使用してローラー基本周波数および必要ならば最大約200Hz以上までのそのすべての高調波を正確に識別する。各マッチしたパターンの中心周波数および高さを測定する。
19. パターンマッチング曲線方程式ならびに知られている高調波中心周波数および振幅を使用して基本周波数とその高調波だけの粗数学的モデルプロットを再作成する。
20. このモデルプロットを使用してベルトの基本高周波条件に対する単純な品質メトリックを生成する。
21. チャネル正規化周波数スペクトルプロットから粗数学的高調波モデルプロットを減算する。
22. 最大100Hzまでの減じられた周波数プロットを使用してローラー軸受剥離周波数の単純な品質メトリックを生成し、初期段階の軸受摩耗条件を評価する。
23. 基本高周波条件および軸受剥離摩耗周波数条件を報告用スプレッドシートに、各チャネルにつき1行ずつ記録する。最初に、周波数プロットは、100Hzから300Hzの範囲内で調べられ、中間寿命故障に関して軸受条件を識別する。次いで、300Hzを超える周波数のレビューが、後期段階および寿命末期故障を識別するために決定される。追加のステップは、(1)基本周波数より低いノッキング周波数、(2)100Hzより高いガタガタ音周波数(rattling frequency)、(3)150Hzより高いキーキー音周波数(squeak frequency)および100Hzより高い任意の周波数でのヘイスタックプロットをマッチングすることである。これらの結果は、将来の処理のためにcsvファイルとして保存される。
24. スプレッドシートからのチャネルレポートを組み合わせてベルトコンベアに対するラインおよび番号またはアイドラーフレーム数を形成し、新しいスプレッドシートとして公開する。
次に、上にリストされているデータ処理ステップについてより詳しく説明される。
通常は、他の振動データは、数ミリ秒または数秒のオーダーで、短い時間期間にわたって光ファイバケーブルから収集される。もっぱら地震研究、侵入検出、および同様のものにおいて使用されているような光ファイバ振動感知の通常の使用から生じるこれに対する様々な理由がある。光ファイバ振動感知のこれらの他の使用は、通常、地震振動事象を探すことである。
FFTおよびOptasenseインテロゲータ製品は、それらのデータを専用形式で記憶する。さらなる処理を助ける第1のステップとして、これらの計測器によって収集される生データは、オープン標準形式へのこのデータの変換である。インテロゲータユニットの各ブランドは、それ専用のデータ形式を有することがわかっており、このデータを標準データ形式に移すことが必要である。好適な形式の一形態は、ただし唯一の形態ではないが、HDF5データファイル形式であることがわかった。
次いで、HDF5または他のデータ形式のファイルは、「距離ビン」とも呼ばれる、各チャネルに対する別ファイルにパーティション分割され得る。チャネルは、個別のマイクロホンとして事実上働く不連続な長さのファイバである。チャネル長はインテロゲータにおいて設定されるものとしてよく、通常は、最も感度の高い弁別-目下のところ約1メートル以下-に設定される。パーティション分割は第1のステップであり、予備的フィルタ処理は各個別のチャネルについて実行される。システムのセットアップの仕方により、この動作はその後のフーリエ変換の前の任意の時点において実行され得る。
HDF5または他の好適なデータ形式で記憶されているような生時系列データファイルは、周波数応答を修正するために、最初にフィルタ処理される。周波数応答は、収集されたデータのタイプおよび使用される特定のインテロゲータに応じて異なる形に修正される。限定はしないが、高域フィルタ、低域フィルタ、帯域通過フィルタ、帯域除去フィルタ、積分フィルタ、微分フィルタ、移動窓フィルタ、およびARMA(自動後退移動平均)フィルタを含む、任意のタイプのフィルタが使用され得る。実際、各専用データタイプおよび各インテロゲータは、次のように、それ専用の仕方で周波数応答にバイアスをかけることがわかった。
使用できるフィルタは多数あるが、例示的なフィルタは一次高域フィルタであった。実験的に使用された典型的な単純なフィルタは、低い周波数を抑制し、それらの周波数を周波数応答の「ニー」より高くなるように増幅する一次高域フィルタであった。そのようなフィルタの伝達関数は
定数RCは、フィルタがOPアンプ、抵抗器、およびコンデンサから製作されるアナログのものである場合にオームを単位とする抵抗およびファラドを単位とする静電容量から形成される。伝達関数が以下に示す次の式に変更された場合、これは、「デジタルシミュレートアナログ」法(C)Paul Wilsonを使用してモデル化され得る。デジタルシミュレートアナログ法は、アナログコンピュータプログラムへの伝達関数の変換からなる。次いで、アナログコンピュータプログラムは、デジタルコンピュータプログラムにおいて要素毎にデジタル方式でシミュレートされる。この技術は、最初に、Paul Wilsonによって1986年の修士論文の中で説明されており、Paul Wilsonは著作権を保持している。この方法は、任意のタイプのアナログフィルタまたは任意の他のアナログプロセスに対して使用され得る。
さらなる分析に必要な周波数範囲および周波数分解能を決定するために、フーリエ変換演算に対する正しいパラメータを選択する必要がある。パラメータの選択を支配する式が知られている。これらの重要な式は、以下の通りである。
次に、上記のフーリエ変換式の要求条件を満たすために、5分または10分のデータの各チャネルに対するサンプルは、より短いスライス(時間において)に分割される。20kHzのサンプリング周波数において、これは各々3秒の約100個のタイムスライスとなる。これは、各タイムスライスにおいて65536個の時系列サンプルを与える。次に、これらのうちの各々は、フーリエ変換を生成するように処理され得る。他のサンプリング周波数において、処理に必要なサンプルの数は、各タイムスライスの持続時間およびタイムスライスの数を定義する。
データの各3秒タイムスライスが、現代的な高速フーリエ変換アルゴリズムを使用して処理される(実験的にMatlabが使用されたが、GSLなどのいくつかmathsライブラリ関数のうちの1つが使用され得る)。他のタイプの離散または高速フーリエ変換アルゴリズムも使用することが可能であり、ここではオプションとして含まれる。したがって、各3秒タイムスライスおよびファイバの1チャネル(長さ約1メートル)について、データセットまたは値のリストの形態で100から200個のフーリエ変換プロットを取得する。次に、データセットの上半分が取り除かれ、これにより、ミラーリングラップアラウンド効果を除去し、データセットを32768個のサンプルに減らす。
ほとんどの場合において、数秒のデータでは不十分であることがわかった。信号対雑音比はしばしば悪すぎて、数分未満のデータをカバーする周波数プロットから意味のある分析を取得することは非常に困難であることがわかった。
平均処理フィルタ演算に続いて得られる周波数プロットは、それでも、結果の分析、特に、任意の形態の自動化分析に干渉するアーチファクトをいぜんとして示すことがわかった。雑音のベースレベルは、フレームおよび周囲機器内のスプリアス環境雑音および音響共振に応じてチャネル毎にかなり変わることがわかった。コンベヤフレームおよび外部環境の設計は、たとえば、コンベヤがクリークブリッジを横断する場合に、雑音レベルにかなりの影響を及ぼし得る。
手順のこの時点において、周波数プロットのセット全体は、各チャネルにつき1つずつ(または距離スロット)、さらなる分析のため、また必要な場合に手作業による点検のために記憶される。
処理済み周波数プロットのまさしくその大きさは、手作業による解釈を困難にするほどある。したがって、完全自動化プロット分析は重要である。続くステップは、完全自動化パターン認識および障害診断の進行中の開発の一部である。
1. ローラーの回転の基本周波数、その高調波周波数、2次、3次、4次、5次、およびそれ以上の次数の高調波。基本周波数が10Hz(標準)である場合、高調波周波数は20、30、40、50、60、70Hz、など、ときには、150Hzと高い周波数である。
2. 玉表面および軌道輪表面などの軸受表面上の初期段階摩耗を表す剥離周波数。さらに含まれるのは、ボールケージ内のひび割れである。これらの周波数は計算することができ、一般に、100Hz未満となり得る。
3. 無秩序な中世の干し草の山に似ているので「ヘイスタック」プロットと呼ばれるものによって表される中間寿命摩耗パターン。ヘイスタックは、摩耗し、ガタガタし始めたときに玉軌道輪内の緩みによって引き起こされるガタガタ音周波数の集まりである。これらの周波数は、一般的に、約50Hzから最大約200乃至250Hzまで見られる。
4. 後期段階摩耗パターンは、より高い周波数におけるヘイスタックプロットとして見られる。これらは、一般的に、250Hzより高く、多くの場合に、400Hzから800Hzの範囲内にあり、ときには、4000Hzと高い周波数として見える。これらのヘイスタックプロットは、固着し、直ちに交換する必要のある軸受に特有である。周波数範囲内で複数のヘイスタックプロットがあることは頻繁である。
5. ノッキング摩耗パターン。ノッキングは、非常に緩いか、またはつぶれている軸受を示す基本周波数未満の大きい周波数スパイクである。
6. キーキー音:キーキー音は、ボールまたはボールケージの固着を示す150Hzより高い範囲内の単一周波数スパイクである。
ガウス曲線、三角形、矩形、およびウェーブレット形状のどれかを含む多くの周波数スパイク包絡線式が使用され得る。基本周波数およびその高調波周波数のピークの形状は、ガウス曲線によく似ており、この形状は目的に効果的であることがわかっている。この実施形態は、他の包絡線形状を使用し得る。ガウス包絡線は、以下の通常の形態の指数関数式から生成され得る。
周波数スペクトルと周波数ピーク包絡線との相関を求めるために周波数領域内で相互相関手順が使用される。通常、相互相関は、時間領域内の時系列データに使用され、したがってこれは普通と違う使い方である。この目的は、周波数プロットがガウス形状ピークとマッチする位置を見つけ、したがって基本周波数およびその高調波を識別することである。相互相関プロセスの重要な態様は、ここでは、周波数精度が元の周波数プロットに比べてかなり高い、より柔らかい、フィルタ処理されたように見えるプロットにすることである。分解能は、フーリエ変換から導出される元の周波数プロットの分解能より100倍大きくいくぶん任意に設定される。分解能拡大係数は、動作可能な実施形態において選択されるべきパラメータである。
相互相関は、周波数ピーク包絡曲線を周波数プロットの端から端まで一方向に通すことによって実行される。一般的に、これは左から右、低い周波数から高い周波数に向かうものであるが、反対方向であってもよい。左から右への曲線の通過は、非常に小さい増分単位での通過であってよい。基本的な周波数プロットの分解能は、各増分ステップで、相関増分よりかなり高いので、周波数ピーク包絡線モデルは、粗分解能で再計算されなければならず、プロットされる場合にこれはステップ毎にスパイクがあるように見える。
ff=0から60,000について以下を行う:
抑制された雑音を有する高分解能周波数プロットがあるので、ガウスピークは増幅される。基本周波数の位置は、すでに計算されており、したがって、その位置は決定され、最大点の正確な測定が決定され、それにより、非常に正確な基本周波数が与えられる。高調波は、この値の整数倍となり、次いで、チェックとして訪問される。各高調波ピークの最高点が正確に測定され、すべての高調波およびその振幅のリストが作られる。
高調波のリストおよび各ピークの正確な位置を使用することで、これらの位置は、高調波の各々に対するガウス式の中の「a」の値を決定するために使用される。次のステップは、元の周波数プロット分解能における基本周波数および高調波だけの粗粒度モデルを再構成することである。このプロットには、剥離周波数およびヘイスタックプロットなどの他の信号がない。
次いで、ローラー条件のいくぶん主観的なメトリックを形成するために基本周波数および高調波モデル(粗粒度または細粒度のいずれか)が使用される。このメトリックは、ベルトがローラーにぶつかってはためくこと、ローラーが真円でない状態、および任意の材料がローラーに付着していることを示すものである。メトリックは、スプレッドシートの列としてあり得るベルト条件のレポートに加えられる。
次に粗粒度基本周波数および高調波周波数プロットモデルが元の粗粒度周波数プロットから減じられる。これは、注目している他の分光的特徴、特に剥離周波数パターン、100から200Hzのガタガタ音および遊びのヘイスタック、基本周波数未満のノッキング周波数、200Hzより高いキーキー音周波数、ならびに200Hzを超える後期段階摩耗または固着ヘイスタックプロットを残して基本周波数および高調波を除去する。
基本周波数および高調波のない、新しい減算周波数プロットは、100Hz未満のピークを調査し、測定するために使用される。軸受表面の摩耗の状態の全体的評価を行うために平均されたメトリックが生成される。このメトリックは、各チャネルに対するレポートに加えられる。
基本周波数および高調波のない、新しい減算周波数プロットは、100Hzより高いヘイスタックプロットを調査し、測定するために使用される。100Hzと200Hzとの間のヘイスタックまたは一連のスパイクは、一般に、軸受内のすすり泣くような音またはガタガタ音を示し、中間寿命故障を指示する。200Hzより高いヘイスタックプロットは、後期段階故障または軸受固着を示している。軸受の摩耗の状態の全体的評価を行うために平均されたメトリックが生成される。メトリックは、各チャネルに対するレポートに加えられる。
本明細書全体を通して「一実施形態」、「いくつかの実施形態」、または「一実施形態」と記述されている場合、これは、実施形態に関連して説明されている特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、「一実施形態において」、「いくつかの実施形態において」、または「一実施形態において」という語句が本明細書全体の様々な箇所に記載されていても、必ずしもすべて同じ実施形態を指しているとは限らないが、そのように指していてもよい。さらに、特定の特徴、構造物、または特性は、1つまたは複数の実施形態において、本開示から当業者にとって明らかであるように、任意の好適な様式で組み合わされ得る。異なるコンベヤ上で異なるインテロゲータを使用していくつかの試行を行っている間、これらの方法のすべてが、異なる構成または実施形態の範囲において使用されている。
3〜8 ローラー
11 光ファイバケーブル
12 機能強化された処理ユニット
21 ケーブル
22 ベルトコンベアインフラストラクチャ
23、24 ケーブル結束バンド
Claims (20)
- 摩耗を受ける、空間的に間隔をあけられた複数の機械部分の状態または条件を測定し、音響シグネチャを放出する方法であって、
(a)摩耗を受ける前記複数の機械部分の音響特性を光学的に感知し、そこから感知信号を導出するステップと、
(b)前記感知信号を、前記間隔をあけられた機械部分に沿って、第1の一連の対応する空間セグメントに分割し、各空間セグメントについて、前記感知信号を時間セグメントに分割し、延長時間期間にわたって、前記空間セグメントに対する前記音響特性を記録するステップと、
(c)各時間セグメントを一連のサブセグメントに分割し、前記サブセグメントを対応する周波数領域サブセグメントに周波数領域変換するステップと、
(d)空間セグメント内の前記周波数領域サブセグメントを組み合わせて、対応するより低い雑音レベルの組み合わされた周波数領域サブセグメントを生成するステップと、
(e)前記組み合わされた周波数領域サブセグメント内に存在する前記放出された音響シグネチャの基本周波数、および関連する高調波を決定するステップと、を含む方法。 - 前記機械部分は軸受を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記機械部分はベルトコンベアの一部を形成する、請求項1または2に記載の方法。
- 前記光学的感知は、前記複数の機械部分の前記音響特性に対して略同時に行われる、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ステップ(d)は、前記組み合わされた周波数領域サブセグメントからノイズフロア測定量を減じるステップをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 前記ノイズフロア測定量は、前記組み合わされた周波数領域サブセグメントの実質的に前記より低いノイズフロアレベルを通る補間曲線を含む、請求項5に記載の方法。
- 前記補間曲線は、多項式曲線、指数曲線、対数曲線、または区分的セグメント曲線のうちの1つを含む請求項6に記載の方法。
- 前記光学的感知は、光ファイバに沿った散乱を利用して前記音響特性を感知するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(a)は、前記感知信号をフィルタ処理して感知システムの周波数ベースの減衰特性を考慮するステップをさらに含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ステップ(e)は、ガウス形状構造を、組み合わされた周波数領域サブセグメントと共に畳み込み積分するステップを含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 空間的に間隔をあけられた複数の軸受の状態または条件を測定するためのシステムであって、
前記間隔をあけられた軸受に近接して置かれている延長光導波路の周りの音響特性を光学的に感知するための第1のセンサユニットと、
前記感知信号を一連の対応する空間セグメントに処理し、各空間セグメントが延長時間セグメントを有している場合に、延長時間期間にわたって、前記空間セグメントの前記音響特性を記録するための処理手段と、を備え、
前記処理手段がさらに、前記延長時間セグメントの周波数領域処理を実行して、対応するより低い雑音レベルの周波数領域セグメントを生成し、
前記処理手段がさらに、前記周波数領域セグメントをレビューして、音響シグネチャを放出する任意の軸受の任意の基本周波数および関連する高調波の存在を決定する、システム。 - ベルトコンベアシステムの状態または条件を測定する方法であって、前記ベルトコンベアシステムは、各々が一連の玉軸受を有する複数のローラーユニットを備え、前記方法は、
(a)前記ベルトコンベアシステムの音響特性を、その長さに沿って光学的に感知し、そこから感知信号を導出するステップと、
(b)前記感知信号を、前記ベルトコンベアに沿って第1の一連の対応する空間セグメントに分割し、各空間セグメントについて、前記信号を時間セグメントに分割し、延長時間期間にわたって、前記空間セグメントに対する前記音響特性を記録するステップと、
(c)随意的に前記時間セグメントをフィルタ処理して、前記光学的感知システムの周波数ベースの減衰特性を考慮するステップと、
(d)各時間セグメントを一連のサブセグメントに分割し、前記サブセグメントを対応する周波数領域サブセグメントに周波数領域変換するステップと、
(e)空間セグメント内の前記周波数領域サブセグメントを組み合わせて、対応するより低い雑音レベルの組み合わされた周波数領域サブセグメントを生成するステップと、
(f)前記組み合わされた周波数領域サブセグメント内に存在する任意のローラーの回転の基本周波数、および関連する高調波を決定するステップと、を含む方法。 - (g)回転の前記基本周波数および高調波のモデルを前記組み合わされた周波数領域サブセグメントから減じて、修正された周波数領域サブセグメントを獲得するステップと、
(h)前記修正された周波数領域サブセグメントを分析して、軸受摩耗条件を決定するステップと、をさらに含む請求項12に記載の方法。 - 前記ステップ(f)は、前記組み合わされた周波数領域サブセグメントをガウスピーク関数と相互相関させるステップを含む、請求項12または13に記載の方法。
- 前記ステップ(e)は、周波数領域サブセグメントを平均処理するか、または総和するステップを含む、請求項12から14のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ステップ(e)は、多項式または指数関数減算を使用して前記周波数領域サブセグメント内でノイズフロアを回帰させるステップを含む、請求項12から15のいずれか一項に記載の方法。
- 軸受摩耗条件は、
ローラーの回転の前記基本周波数および高調波周波数、もしあれば、軸受剥離周波数、軸受中間寿命摩耗パターン、または軸受後段階摩耗パターン、軸受ヘイスタックパターンのうちの少なくとも1つを含む、請求項12に記載の方法。 - 前記時間セグメントは2分から10分の長さである、請求項12から17のいずれか一項に記載の方法。
- 前記サブセグメントは約3秒の長さである、請求項12から17のいずれか一項に記載の方法。
- 前記剥離周波数は100Hz未満である、請求項17に記載の方法。
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