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Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der drahtlosen Schwingungsanalyse. Sie bezieht sich insbesondere auf einen Niederleistungs-Schwingungssensor und einen Drahtlossender.
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Ein Parameter einer Maschine wie z. B. die Schwingung kann gemessen und analysiert werden, um den Zustand der Maschine zu überwachen. Ein Parameter wird dabei verwendet, um eine physikalische Eigenschaft oder dergleichen zu bezeichnen, die typischerweise gemessen werden kann wie z. B. Schwingung, Druck, Spannung, Strom, Temperatur und dergleichen. Instrumente zur Schwingungserfassung wurden verwendet, um Fehler in den Maschinenfunktionen durch das Detektieren von Anomalitäten von Schwingungen, die mit unterschiedlichen Typen von Maschinenfehlern korrelieren, zu bestimmen.
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Schwingungsmessvorrichtungen erfordern typischerweise bedeutende Leistungsversorgungen, Speicher und umfangreiche Datenübertragungsmöglichkeiten. Die Leistungsversorgung wird verwendet, um Schwingungssensoren, andere Sensoren wie z. B. Temperatur- und Drucksensoren, Leistungsregler, einen Prozessor, einen Speicher und eine Datenübertragungseinrichtung zu versorgen. Wenn Schwingungssignalformen, die durch Schwingungssensoren erzeugt werden, in die Vorrichtungen eingegeben werden, müssen die Signalformen in einem Speicher gespeichert werden. Derartige umfangreiche Schwingungssignalformen erfordern typischerweise große Speicherkapazitäten zur Speicherung. Außerdem werden die Signalformen häufig in ihrer Gesamtheit ohne wesentliche Kompression an ein fremdes System zur Analyse des Maschinenzustands übertragen. Netzverbindungen müssen ebenfalls umfangreiche Datenmengen wie z. B. Schwingungssignalformen aufnehmen. Derartige Schwingungsüberwachungssysteme sind für einen Betrieb in einem Steuerprotokoll-Netz weniger gut geeignet.
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Die
US-2003/030565 A1 beschreibt einen drahtlosen Sensor. Der drahtlose Sensor fügt Identifikationsinformationen zu Detektionsdaten einer Vibration, Temperatur, usw. hinzu, wobei der drahtlose Sensor die Detektionsdaten mit den Identifikationsinformationen mit Hilfe einer Kommunikationseinheit als ein Funkwellensignal überträgt. Die
US-5,895,857 A beschreibt eine Signalverarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten eines Maschienenvibrationssignals, die einen Spitzenwertdetektor zum Bestimmen von Spitzenvibrationsamplitudenwerten einschließt. Die
US-2002/196135 A1 beschreibt Mittel zum Überwachen von Ereignissen in Fahrzeugen, wobei ein Solarpanel verwendet wird. Die
US-6,199,018 B1 beschreibt ein verteiltes Diagnostiksystem in dem ein Mikroprozessor mit dem HART-Protokoll kommuniziert. Die
US-6,370,957 B1 beschreibt eine Vibrationsanalyse zum Vorhersagen einer Wartung von Rotationsmaschinen, wobei quadratische Mittelwerte bestimmt werden. Die
US-2006/049926 A1 beschreibt einen Datenrecorder. Die
US-2003/212499 A1 beschreibt ein Überwachungs- und Schutzsystem, welches eine Vielzahl von Überwachungsmodulen beinhaltet. Die Überwachungsmodule, die an verschiedenen Orten innerhalb einer Maschine angeordnet sind, kommunizieren miteinander über ein offenes Datenaustausch-Protokoll
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung ist durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Vorteilhaft wird ein Messinstrument bereitgestellt, bei dem die oben beschriebenen Probleme nicht bestehen.
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Vorteilhaft weist ein Messinstrument eine Sensorschaltung auf, um einen Parameter einer Maschine zu erfassen und anhand des erfassten Parameters ein dynamisches Signal zu erzeugen. Ein Analog/Digital-Umsetzer ist angeschlossen, um das dynamische Signal zu empfangen und in ein digitales Format umzusetzen, wodurch ein digitales Signal erzeugt wird, dass mehrere Datenpunkte aufweist. Ein Prozessor ist angeschlossen, um das digitale Signal zu empfangen und ein oder mehrere Kennzeichen des digitalen Signals zu bestimmen. Der Begriff Kennzeichen wird hier verwendet, um Werte zu bezeichnen, die Informationen über das digitale Signal repräsentieren wie z. B. quadratischer Mittelwert, Spitzenwert, Frequenzwert, Spitzenwert im Frequenzbereich und dergleichen. Der Prozessor bestimmt außerdem Daten, die einen oder mehreren Kennzeichen entsprechen wie z. B. ein Pegel, der dem absoluten Spitzenwert des digitalen Signals über einen vorgegebenen Bereich von Datenpunkten des digitalen Signals entspricht. Eine Leistungsversorgung ist angeschlossen, um den Prozessor zu versorgen, und wird durch den Prozessor gesteuert, um einen effizienten Leistungsverbrauch zu verwalten. Die Leistungsversorgung kann eine nicht wiederaufladbare Batterie mit großer Lebensdauer oder eine wiederaufladbare Batterie mit einer Solarleistungsversorgung zum Laden der Batterie sein. Die Leistungsversorgung kann alternativ eine Leistungsschaltung sein, die an eine äußere Leistungsquelle angeschlossen ist.
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Vorteilhaft erzeugt der Prozessor eine PeakVue-Signalform, wie im US-Patent
US 5.895.857 A von Robinson u. a. (das Patent '857) erläutert ist, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist. Die PeakVue-Signalform ist aus mehreren Pegeln aufgebaut, die den absoluten Spitzenwerten von unterschiedlichen sequentiellen Abschnitten des digitalen Signals entsprechen, wobei ein einzelner absoluter Spitzenwertpegel über ein Zeitintervall bestimmt wird, das ausreichend ist, um elf oder mehr Wellenumdrehungen zu enthalten.
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Vorteilhaft bestimmt der Prozessor einen wahren quadratischen Mittelwert, der den Gesamtschwingungspegel in Einheiten der Geschwindigkeit als eine Angabe des Zustands der Maschine repräsentiert.
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Vorteilhaft besitzt das Messinstrument ein Datenübertragungsmodul und ein Datenübertragungsprozessor steuert das Datenübertragungsmodul. Eine Datenübertragungs-Leistungsversorgung ist an den Datenübertragungsprozessor angeschlossen und versorgt den Datenübertragungsprozessor, und eine Antenne ist an den Datenübertragungsprozessor angeschlossen, um den Spitzenwert des Pegels und den quadratischen Mittelwert des Gesamtpegels drahtlos an ein Steuerprotokoll-Netz wie z. B. ein HART- oder ein Feldbusprotokollnetz zu übertragen. Einige Ausführungsformen des Instruments weisen mehrere Sensoren zum Messen von Schwingungen oder für verhältnismäßig stationäre Messungen, wie etwa Temperatur und Druck, auf.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:
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1 eine Darstellung des Niederleistungs-Schwingungsmessungs- und Drahtlossendersystems;
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2 eine Darstellung des drahtlosen Netzes eines Liniennetzsystems; und
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3A–3C sind Ablaufpläne der Schwingungssignalverarbeitung, um eine PeakVue-Signalform zu bestimmen, die Spitzenwerte und einen wahren quadratischen Mittelwert angibt.
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Ein Niederleistungs-Schwingungssensor- und Drahtlossendersystem besitzt einen oder mehrere Sensoreingänge, um Zustände wie z. B. Schwingungen an einem oder mehreren Sensoren zu messen. Das System kann außerdem eine oder mehrere Messungen eines stationären Zustands oder Gleichspannungsmessungen von Zuständen wie z. B. Temperatur und Druck machen. In einer Ausführungsform ist das System selbstständig ohne fest verdrahtete Leistungs- oder Datenübertragungsverbindungen und überträgt Daten über ein drahtloses, sich selbsttätig konfigurierendes Liniennetzsystem.
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Das Signal, das von einem Schwingungssensor wie z. B. eine industrielle Beschleunigungsmesseinrichtung erzeugt wird, hat im Allgemeinen einen Dynamikbereich von 100 bis 120 dB bei einer Frequenzbandbreite von etwa 20 kHz bis etwa 30 kHz. Um ein Signal, das von einer solchen Beschleunigungsmesseinrichtung erzeugt wird, in ein digitales Signal umzusetzen, das drahtlos übertragen werden kann, würde einen Analog/Digital-Umsetzer erfordern, der etwa 100000 bis 200000 Abtastwerte pro Sekunde erzeugt. Dieses System 10 teilt das Signal in zwei Teile: ein Niederfrequenzbereich (etwa 1 bis 2 kHz) und einen Hochfrequenzbereich. Der Abschnitt des Hochfrequenzbereichs wird unter Verwendung einer PeakVue-Technologie, die später beschrieben wird, komprimiert. Dadurch kann die Auflösung des Signals auf etwa 12 bis 16 Bits verringert werden und die Bandbreite kann auf etwa 1 bis 2 kHz verringert werden. Wie später erläutert wird, werden zwei Schwingungsdatenpunkte, die Kennzeichen repräsentieren, übertragen und deswegen sind die Anforderungen in Bezug auf Datenübertragung und Leistung des Systems 10 im Unterschied zu einem System, das Datenblöcke überträgt, viel geringer.
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In 1 ist eine Ausführungsform des Systems 10 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind zwei Schwingungssensoren mit einem Puffer 16 verbunden. In anderen Ausführungsformen wird kein Eingangspuffer 16 verwendet. Ein Gleichspannungssensor wie z. B. ein Temperatursensor ist außerdem mit dem Puffer 16 verbunden. Die Anzahl von Schwingungssensoren 12 und Gleichspannungssensoren 14 kann variieren, es können z. B. drei Schwingungssensoren 12 und zwei Gleichspannungssensoren 14 mit dem Puffer 16 verbunden sein. Der Puffer 16 ist mit einem Analog/Digital-Umsetzer-Modul 18 (ADC-Modul) verbunden, das einen oder mehrere Analog/Digital-Umsetzer enthalten kann. Das ADC-Modul 18 ist mit einem Prozessor 20 verbunden, der mit einem Datenübertragungsmodul 22 verbunden ist. Das Datenübertragungsmodul 22 ist mit einer Antenne für eine Datenübertragung in einem Drahtlosnetz verbunden. Das System 10 wird durch eine Leistungsversorgung 26 versorgt und die Leistung wird durch Leistungsversorgungsregler 28 geregelt, die mit der Leistungsversorgung 26, dem Puffer 16, dem ADC-Modul 18, dem Prozessor 20 und dem Datenübertragungsmodul 22 verbunden sind.
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Das ADC-Modul 18 enthält wenigstens einen Analog/Digital-Umsetzer 17, der analoge Signale, die durch die Schwingungssensoren 12 erzeugt werden, in digitale Signale umsetzt. Der Analog/Digital-Umsetzer 17 besitzt typischerweise einen großen Amplituden-Dynamikbereich von etwa 98 dB und typischerweise etwa 103 dB. Der Analog/Digital-Umsetzer 17 besitzt außerdem einen Frequenzbereich von etwa 2 Hz bis etwa 48 kHz. Eine Abtastrate von etwa 96 Hz wird in der bevorzugten Ausführungsform verwendet. Ein zweiter Analog/Digital-Umsetzer 19 setzt ebenfalls verschiedene interne Spannungen wie z. B. einige Leistungsversorgungsspannungen und Sensorvorbelastungsspannungen für den Zweck der Online-Diagnoseüberwachung des Systems 10 um. In der bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Analog/Digital-Umsetzer 19 ein 12-Bit-ADC. Die digitalen Signale, die durch das ADC-Modul 18 erzeugt werden, werden zum Prozessor 20 gesendet.
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Der Prozessor 20 ist vorzugsweise ein digitaler Signalprozessor mit einer Hybrid-Charakteristik. Das heißt, der Prozessor 20 der bevorzugten Ausführungsform ist ein digitaler Signalprozessor, der außerdem mehrere periphere Eingabe-/Ausgabeanschlüsse aufweist. Der Prozessor 20 verbraucht außerdem im eingeschalteten Zustand eine geringe Menge an Leistung und ebenfalls eine sehr geringe Menge an Leistung, wenn er in einem Bereitschafts- oder Schlafzustand ist, wie später erläutert wird.
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Die Leistungsversorgung 26 kann eine Batterie sein, die Leistung über mehrere Jahre liefert, ohne dass sie ersetzt werden muss. Die Niederleistungs-Charakteristiken des ADC-Moduls 18 und des Prozessors 20 ermöglichen eine derartig lange Nutzungsperiode einer einzelnen Batterie. Die Leistungsversorgung 26 kann alternativ eine Solar-Leistungsversorgung sein. Eine Solar-Leistungsversorgung ist eine Solartafel, die mit einer Bleisäurebatterie verbunden ist und einen 24 stündigen Betrieb ermöglicht, indem die Bleisäurebatterie während Tageslichtstunden aufgeladen wird. Die Leistungsversorgung wird durch den Prozessor 20 gesteuert, um den Leistungsverbrauch des Systems 10 auf einem minimalen Wert zu halten.
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Der Prozessor 10 kommuniziert mit dem Datenübertragungsmodul 22, das in einer Ausführungsform ein Emerson-Funkmodul ist, das von Dust Networks, Inc. entwickelt wurde. Das Datenübertragungsmodul 22 besitzt einen Prozessor mit eigenem Wach- und Schlafzeitplan, der vom Systemprozessor 20 und dem Rest des Systems 10 unabhängig ist. In einer Ausführungsform ist das Netz, mit dem das System 10 Daten austauscht, ein sich selbsttätig konfigurierendes Funknetz mit einem Bereich von etwa 7,62 m bis etwa 9,14 m (etwa 250 ft bis etwa 300 ft).
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In 2 ist ein Netz 30 gezeigt. Ein oder mehrere Systeme 10 sind in einer Liniennetzkonfiguration verbunden, wodurch die Datenübertragungsmodule 22 aller Systeme 10 untereinander kommunizieren und selbsttätig ein Datenübertragungsnetz konfigurieren. Jedes Datenübertragungsmodul 22 eines Systems erwacht nach jeweils 1 Sekunde für etwa 30 Millisekunden, um das Netz zu konfigurieren und Daten längs des Liniennetzes auszutauschen. Die Daten von jedem System 10 werden von einem Datenübertragungsmodul 22 zum nächsten weitergeleitet, bis sie den Haupt-Gateway 32 erreichen. Der Haupt-Gateway 32 ist mit einem Lokalbereichsnetz 34 wie z. B. das Ethernet-Computernetz einer Betriebsstätte verbunden. Die Datenübertragungsmodule 22 erwachen periodisch unabhängig davon, ob das System 10 neue Daten gesammelt hat, die über das Netz 30 übertragen werden müssen. Das erfolgt in der Weise, dass sich das Datenübertragungsmodul 22 selbsttätig konfigurieren kann und an dem Liniennetz 30 teilnimmt, um Daten mit dem Haupt-Gateway und schließlich mit dem LAN 34 auszutauschen. In einer Ausführungsform sind die Daten in dem Netz 30 unter Verwendung des HART-Protokolls formatiert und in einer alternativen Ausführungsform sind die Daten unter Verwendung des Feldbusprotokolls formatiert.
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Bei vielen Anwendungen erfolgt eine Schwingungsmessung lediglich einmal pro Tag oder einmal pro Stunde. Andere Messungen jedoch wie z. B. Druck und Temperatur können jede Sekunde oder nach jeweils 10 Sekunden erfolgen. Das Datenübertragungsmodul 22 des Systems 10 kann eine Vielzahl von Messungstypen versorgen, da es seinen eigenen Prozessor, der von Systemprozessor 20 getrennt ist, besitzt. Des Weiteren wird das Datenübertragungsmodul 22 ständig durch die Leistungsversorgung 26 versorgt. Das heißt, die Leistung, die zum Datenübertragungsmodul 22 gesendet wird, wird nicht durch den Systemprozessor 20 gesteuert, sondern es ist stattdessen ununterbrochen angeschaltet. Unabhängig von der Häufigkeit, mit der das System 10 erwacht, um Messungen auszuführen, wird das Datenübertragungsmodul 22 somit ständig versorgt und durch seinen eigenen Prozessor gesteuert, um am Netz 30 betrieben zu werden.
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Das Messsystem (Abschnitt des Systems 10, der das Datenübertragungsmodul 22 nicht enthält) erwacht periodisch aus dem Ruhe- oder Schlafzustand und führt typischerweise nach einem im Voraus festgelegten Zeitplan getrennt und verschieden von dem Schlaf- und Aufwach-Zeitplan des Datenübertragungsmoduls 22 eine oder mehrere Messungen aus. Derartige Messungen können eine Messung der Gesamtschwingungsenergie und eine Hochfrequenz-PeakVue-Messung, die von einer Zeit-Signalform abgeleitet ist, enthalten. Es erfolgen eine oder mehrere Messungen, der Systemprozessor 20 wartet auf den Aufwachzyklus des nächsten Datenübertragungsmoduls 22, der in einer Ausführungsform nach jeweils einer Sekunde auftritt. Der Systemprozessor 20 sendet dann die Messdaten zu einem Puffer im Datenübertragungsmodul 22. Nachdem die Daten in den Puffer des Datenübertragungsmoduls 22 geladen wurden, führt der Systemprozessor 20 das Messsystem wieder in einen Schlafzustand zurück, bis die nächste Messung geplant ist. Der Prozessor des Datenübertragungsmoduls 22 steuert dann die Datenübertragung der Messdaten über das Netz 30 und zum Haupt-Gateway 32.
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Wenn Schwingungsmessungen erfolgen, wird die Schwingung der Gesamtgeschwindigkeit bei einer Frequenzbandbreite von etwa 2 Hz bis etwa 1 kHz gemessen und ein quadratischer Mittelwert (RMS) wird in Einheiten Zoll pro Sekunde berechnet. Außerdem wird ein Spitzenwert des g-Pegels in Gravitationseinheiten oder Einheiten von ”g” für Frequenzen größer als etwa 1 kHz für eine Beobachtungsperiode von etwa 10 Zyklen oder Umdrehungen. Die Bandbreite des Spitzenwert des g-Wertes, der aus einer PeakVue-Zeitsignalform extrahiert wird, wie im
'857 -Patent erläutert wurde, liegt in einem Bereich von etwa 1 kHz bis zum Grenzwert des verwendeten Schwingungssensors. Der obere Bandbreitengrenzwert eines Schwingungssensors wie z. B. ein ICP oder ein Dreileitungstyp beträgt typischerweise etwa 20 kHz.
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In den 1 und 3A veranschaulicht ein Ablaufplan eine Schwingungsmessung, die durch eine Ausführungsform des Systems 10 erfolgt und verarbeitet wird. Zuerst erfolgt eine Messung durch einen Schwingungssensor wie z. B. eine Beschleunigungsmesseinrichtung. Der Schwingungssensor erzeugt ein elektrisches Wechselspannungssignal, das der Schwingungsmessung entspricht, und dieses Signal wird zu einem optionalen Puffer 16 gesendet und wird durch einen Pfeil 38 dargestellt. Im Schritt 48 wird das Signal durch ein Hochpassfilter, das in einigen Ausführungsformen Teil des ADC-Moduls 18 ist, gefiltert. Das Hochpassfilter filtert und entfernt vorzugsweise Signalkomponenten, die kleiner als 2 Hz sind. Im Schritt 50 wird das Signal durch einen ADC 17 im ADC-Modul 18 (1) von einem analogen Signal in ein digitales Signal umgesetzt. Der Analog/Digital-Umsetzer 17 erzeugt vorzugsweise Abtastwerte bei einer Auflösung von etwa 100000 s–1. Anschließend wird eine PeakVue-Berechnung an dem digitalen Signal ausgeführt, wie in 3B dargestellt ist, und eine Berechnung des quadratischen Mittelwertes wird an dem digitalen Signal ausgeführt, wie in 3C gezeigt ist. Diese Berechnungen werden im Prozessor 20 (1) ausgeführt.
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In 3B wird im Schritt 52 das digitalisierte Signal, das durch den Pfeil 44 dargestellt ist, durch ein digitales Hochpass- oder Bandpassfilter digital gefiltert. Das Filter kann Teil des ADC-Moduls 18 oder des Prozessors 20 sein (1). Anschließend wird im Schritt 54 ein PeakVue-Datenblock gebildet und im Schritt 56 wird ein Spitzenwert aus dem PeakVue-Datenblock bestimmt. Mehrere PeakVue-Datenblöcke können gebildet werden (Schritt 54) und aus jedem können Spitzenwerte bestimmt werden (Schritt 56), um die Genauigkeit des Spitzenwertes (bzw. der Spitzenwerte) zu prüfen oder zu bewerten. Es können z. B. drei PeakVue-Datenblöcke gebildet werden (Schritt 54) und die von jedem bestimmten Spitzenwerte (Schritt 56) werden geprüft, um alle unangebrachten niedrigen oder hohen Spitzenwerte aus dem Signal zu entfernen. Nachdem alle unangebrachten niedrigen oder hohen Spitzen aus dem Signal entfernt wurden, werden die verbleibenden Spitzenwerte gemittelt oder es kann einer ausgewählt werden, der die Gruppe repräsentiert. Nachdem ein Spitzenwert unter Verwendung des oben erläuterten Prozesses, der durch den Schritt 58 dargestellt ist, bewertet wurde, wird er zu dem Datenübertragungsmodul 22 gesendet (1), in dem er im Puffer des Datenübertragungsmoduls 22 gespeichert wird, bis er über das Netz 30 übertragen wird.
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Zusammenfassend wird eine Zeitsignalform einer Schwingung gemessen und es wird eine Anzahl von Spitzenwerten der Amplitude bestimmt. Ein Spitzenwert kann einen Maschinenfehler repräsentieren. In einer Ausführungsform werden drei Spitzenwerte der Amplitude bestimmt. Diese Übergangsspitzenwerte der Signalform repräsentieren jedoch eine unerwünschte Charakteristik wie z. B. einen Blitzschlag. Dies kann entscheidend sein und deswegen werden die Spitzenwerte der Amplitude verglichen und ein extrem hoher oder extrem niedriger Spitzenwert kann von der Betrachtung ausgeschlossen werden. Die Spitzenwerte der Amplitude können außerdem gemittelt werden, um die Wirkung von möglicherweise irreführenden Erscheinungen minimal zu machen. Eine derartige Signalanalyse kann in der Firmware des Systems 10 konfiguriert werden.
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Die PeakVue-Zeitsignalform wird z. B. während einer Zeitdauer erfasst, die ausreichend ist, um mehrere Umdrehungen, z. B. zwölf Umdrehungen zu erfassen. In anderen Ausführungsformen wird eine andere Anzahl von Umdrehungen erfasst. Im Allgemeinen ist der ”Spitzenwert des g-Pegels” das Kennzeichen, das bei der PeakVue-Zeitsignalform für die Schwingungsanalyse von Interesse ist. In einigen Ausführungsformen wird jedoch eine schnelle Fourier-Transformation an der PeakVue-Zeitsignalform gleichzeitig mit der Berechnung des Spitzenwerts des g-Pegels oder nach dieser ausgeführt. Die PeakVue-Zeitsignalform bleibt zusätzlich zu der ursprünglichen Berechnung des Spitzenwertes des g-Pegels oder FFT-Berechnung zur Verarbeitung verfügbar. Außerdem wird in einigen Ausführungsformen weder der Spitzenwert des g-Pegels noch die FFT berechnet, stattdessen wird ein anderer Algorithmus zur Datenanalyse an der PeakVue-Zeitsignalform ausgeführt.
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Bei der Bestimmung des Spitzenwertes des g-Pegels wird das Signal im Schritt 48 durch ein passives Hochpassfilter gefiltert, wie oben erläutert wurde. Anschließend wird das Signal im Schritt 50 komprimiert oder durch das ADC-Modul 18 digitalisiert. Bei diesem Beispiel wird das Signal bei einer hohen Rate von etwa 2,56 Abtastwerten bei 40 kHz oder etwa 102400 Abtastwerten pro Sekunde abgetastet. Dann wird das Signal im Schritt 52 durch ein Hochpass- oder Bandpassfilter digital gefiltert, das in einigen Ausführungsformen Teil des ADC-Moduls 18 und in anderen Ausführungsformen Teil des Prozessors 20 ist. An diesem Punkt wird das Signal auf eine effektiv geringere Bandbreite komprimiert. Die geringere Bandbreite ist durch das Hochpassfilter, das im Schritt 52 verwendet wird, begrenzt. Unter der Annahme, dass die geringere Bandbreite mit 1000 Hz ausgewählt ist, wird die Datenkompression durch eine Dezimierung ausgeführt, wie durch den Schritt 56 dargestellt ist. Das heißt, der erste Datenpunkt in der PeakVue-Zeitsignalform wird als der maximale absolute ”g-Pegel”-Wert oder Spitzenwert der Amplitude in den ersten 40 Datenpunkten in dem Signal mit hoher Abtastrate ausgewählt. Die Anzahl von Datenpunkten (in diesem Beispiel 40) wird durch 40000 Hz/1000 Hz bestimmt. Der zweite Datenpunkt in der PeakVue-Zeitsignalform ist der maximale absolute ”g-Pegel” in den nächsten 40 Punkten usw., bis die PeakVue-Zeitsignalform vollständig ist. Die Anzahl von Datenpunkten in der PeakVue-Zeitsignalform ist im Allgemeinen der Faktor (2,56) multipliziert mit der vom Benutzer festgelegten Anzahl von Leitungen, die ausgewählt wird, um eine ausreichende Anzahl von erfassten Umdrehungen sicherzustellen.
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In einigen Ausführungsformen werden mehrere PeakVue-Signalformen, z. B. drei PeakVue-Signalformen gebildet, wovon jede Charakteristiken des digitalen Signals darstellt. Die mehreren PeakVue-Signalformen werden dann durch eine Vergleichsschaltung oder den Prozessor verglichen und ein Fehlerbeseitigungsalgorithmus wird ausgeführt. In einer Ausführungsform werden drei PeakVue-Signalformen gebildet, Spitzenwerte des g-Pegels werden für jede der drei PeakVue-Signalformen bestimmt und der arithmetische Mittelwert der drei Spitzenwerte des g-Pegels wird bestimmt und anschließend an das Netz 30 als Nutzdatenwert übertragen. In anderen Ausführungsformen werden unterschiedliche Fehlerbeseitigungsalgorithmen einschließlich der Bestimmung mehrere Spitzenwerte des g-Pegels, der Eliminierung herausragender Werte, der Berechnung des arithmetischen Mittelwerts der restlichen Werte und der Übertragung des resultierenden Datenwerts an das Netz 30 ausgeführt.
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In 3C wird das digitalisierte Signal, das durch einen Pfeil 46 dargestellt ist, im Schritt 60 durch ein digitales Tiefpassfilter, das bei etwa 1 kHz filtert, digital gefiltert. In einigen Ausführungsformen ist das digitale Tiefpassfilter Teil des Prozessors 20 (1). Anschließend wird das Signal im Schritt 62 durch den Prozessor 20 (1) numerisch integriert, um eine Geschwindigkeits-Signalform zu erhalten. Diese numerische Integration im Schritt 62 erfordert typischerweise eine Einschwingzeit, bevor der Geschwindigkeitsdatenblock gebildet wird. In einigen Ausführungsformen wird bei der numerischen Integration im Schritt 62 eine Überabtastung verwendet und diese liefert eine annehmbare Näherung einer kontinuierlichen Integration, wenn ein Abtasffaktor von wenigstens zehn verwendet wird. Die Zeitdauer im Geschwindigkeitsdatenblock sollte ausreichend sein, um zehn oder mehr Umdrehungen der Maschine zu erfassen. Anschließend verwendet der Prozessor 20 (1) den Geschwindigkeitsdatenblock, um im Schritt 64 einen gesamten quadratischen Mittelwert zu berechnen. Nachdem der quadratische Mittelwert berechnet wurde, wird er an den Puffer des Datenübertragungsmoduls 22 gesendet, wo er die Übertragung über das Netz 30 abwartet. Der resultierende quadratische Mittelwert wird in der Einheit Zoll pro Sekunde über eine Bandbreite von etwa 2 Hz bis etwa 1 kHz berechnet. Außerdem kann in einigen Ausführungsformen eine schnelle Fourier-Transformation oder eine andere Berechnung an den Daten am Standort des Systems 10 gleichzeitig mit der anfänglichen Berechnung des quadratischen Mittelwerts oder der FFT-Berechnung oder nach dieser ausgeführt werden. In einigen Ausführungsformen wird weder die Berechnung des quadratischen Mittelwerts noch die FFT-Berechnung ausgeführt, stattdessen werden andere Algorithmen an der Signalform der Geschwindigkeit ausgeführt.
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Die Berechnung des quadratischen Mittelwerts kann ”während der Übertragung” ausgeführt werden. Das bedeutet, dass die Datensignalform nicht gespeichert werden, um später den quadratischen Mittelwert oder in einigen Fällen die schnelle Fourier-Transformation zu berechnen. Um einen wahren quadratischen Wechselspannungs-Mittelwert zu berechnen, müssen Daten gespeichert werden. Das ist der Fall, da der Gleichspannungs-Offset am Ende der Berechnung bestimmt werden muss, um den wahren quadratischen Mittelwert zu berechnen. Wenn jedoch Zwischenwerte der Berechnung des quadratischen Mittelwerts gespeichert und am Ende der Berechnung verknüpft werden, wird der Gleichspannungs-Offset aus dem quadratischen Mittelwert inhärent entfernt ohne die Notwendigkeit der Bestimmung des Gleichspannungs-Offset am Ende der Berechnung und einer dementsprechenden Einstellung des quadratischen Mittelwerts. Deswegen schont die Berechnung des quadratischen Mittelwerts ”während der Übertragung” Ressourcen des Systems 10 wie z. B. Speicher und Leistung.
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Um den Leistungsverbrauch im System 10 minimal zu machen, wird vorzugsweise eine Beschleunigungsmesseinrichtung des Dreidraht-Typs, die etwa 2,5 mW benötigt, als Schwingungssensor verwendet, um den Leistungsverbrauch minimal zu machen. Alternativ benötigt eine ICP-Beschleunigungsmesseinrichtung etwa 40 bis 48 mW. Außerdem ist der Haupt-Analog/Digital-Umsetzer des ADC-Moduls 18, der für die Schwingungssignale verwendet wird, vorzugsweise ein Niederleistungs-24-Bit-Sigma-Delta-Umsetzer (etwa 36 mW), der bei etwa 100000 Abtastwerten pro Sekunde abtastet. Außerdem ist der Prozessor 20 in einer Ausführungsform ein Analog Devices BF533, der im aktiven Betriebszustand etwa 2,6 mW verbraucht. Wie oben erläutert wurde, besitzen sowohl das ADC-Modul 18 als auch der Prozessor 20 Schlaf-Betriebsarten, um weiterhin Leistung einzusparen. Die nicht digitalen Komponenten wie z. B. die Sensoren und die analoge Pufferschaltung besitzen jedoch typischerweise keine Schlaf-Betriebsarten, wobei die analoge Pufferschaltung allein für den Betrieb etwa 2,5 bis 5 mW Leistung benötigt.
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Das System 10 ist bei den Messungen, die gemacht werden können, und den Berechnungen, die ausgeführt werden, infolge des nahezu vollständig digitalen Aufbaus sehr vielseitig. Des Weiteren ermöglicht ein Betrieb bei einem Zyklus mit niedrigem Tastverhältnis in Verbindung mit Niederleistungsinstrumenten, dass das System 10 eine Vorrichtung mit sehr niedrigem Leistungsbedarf ist. Der nahezu vollständig digitale Aufbau und die Niederleistungs-Charakteristik des Systems 10 führen zu einem sehr kleinen, aber flexiblen System 10, das in einem Kasten untergebracht ist.
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Die vorhergehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen für diese Erfindung erfolgte für Zwecke der Erläuterung und Beschreibung. Es ist nicht vorgesehen, dass sie erschöpfend ist oder die Erfindung auf die präzise Form, die offenbart wurde, beschränkt. Im Licht der obigen Erkenntnisse sind offensichtlich Modifikationen oder Variationen möglich. Die Ausführungsformen wurden bei dem Versuch ausgewählt und beschrieben, die besten Darstellungen der Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung bereitzustellen, um dadurch einen Fachmann zu befähigen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen zu verwenden, die für die vorgesehene spezielle Verwendungsart geeignet sind. Alle derartigen Modifikationen und Variationen liegen im Umfang der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche bestimmt ist, wenn diese in Übereinstimmung mit Breite interpretiert werden, in der sie angemessen, rechtlich relevant und vernünftig bezeichnet werden.
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Ein Niederleistungs-Schwingungssensor- und Drahtlossendersystem besitzt einen oder mehrere Sensoren, die Parameter einer Maschine einschließlich Schwingungen erfassen und dynamische Signale erzeugen, die die erfassten Parameter repräsentieren. Das System setzt die Signale in ein digitales Format um, filtert die Signale digital und verarbeitet die Signale. Ein Prozessor bestimmt mehrere Pegel, die die Kennzeichen des Signals darstellen, wie z. B. den Spitzenwert einer vorgegebenen Menge von Datenpunkten des digitalen Signals. Die Pegel bilden gemeinsam eine PeakVue-Signalform. Der Prozessor bestimmt den Spitzenwert des Pegels für die PeakVue-Signalform. Außerdem wird ein wahrer quadratischer Mittelwert berechnet, wenn das Signal am Prozessor empfangen wird. Der Spitzenpegel und der quadratische Mittelwert werden drahtlos durch ein Datenübertragungsmodul an ein Steuerprotokollnetz wie z. B. ein Liniennetz-HART- oder Feldbusprotokollnetz übertragen. Die Leistungsversorgung des Systems und die Leistungsversorgung des Datenübertragungsmoduls sind getrennt und ermöglichen einen Niederleistungsbetrieb.
