DE10141727A1

DE10141727A1 - Measurement processing system has low pass anti aliasing filter before decimation

Info

Publication number: DE10141727A1
Application number: DE2001141727
Authority: DE
Inventors: Ulrich Kohl
Original assignee: Bruel and Kjaer Vibro GmbH
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-08-25
Filing date: 2001-08-25
Publication date: 2003-03-06

Abstract

A measurement processing system has an analogue to digital converter and factor R decimation unit. preceded by a low pass anti aliasing filter with null at frequency equal to the sampling frequency divided by R.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßstrecke und ein Verfahren zur Verarbeitung von Meßsignalen, insbesondere Schwingungsmeßsignalen, nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 5. The invention relates to a measuring section and a method for Processing of measurement signals, in particular Vibration measurement signals, according to the preamble of claims 1 and 5.

Bei der Maschinendiagnose wird häufig eine Schwingungsmessung bzw. eine Körperschallmessung ausgenutzt, um eine Aussage über den Maschinenzustand oder dessen Veränderungen zu treffen. Dazu wird mit Hilfe von Schwingungsaufnehmern das Schwingverhalten der Maschine oder das der zu untersuchenden Maschinenbauteile analog erfaßt und anschließend mit Hilfe digitaler Signalverarbeitung ausgewertet. A vibration measurement is often used in machine diagnostics or a structure-borne noise measurement is used to make a statement about to hit the machine status or its changes. This is done with the help of vibration sensors Vibration behavior of the machine or that of the investigated Machine components recorded analog and then with the help of digital Signal processing evaluated.

In der Praxis sind Meßstrecken zur Maschinendiagnose mit Schwingungsaufnehmern bekannt, die die Maschinenschwingung als analoges Schwingungsmeßsignal erfassen, dieses verstärken und in ein digitales Meßsignal umwandeln, das dann ausgewertet wird. Dabei erfolgt die Auswertung häufig dadurch, daß aus dem Zeitsignal ein bewertetes Frequenzspektrum gebildet wird. Da derartige Frequenzspektren möglichst in Echtzeit vorliegen sollen, wird die Verarbeitungsgeschwindigkeit bei vorgegebener Rechenleistung dadurch erhöht, daß die Abtastrate des Signals durch eine Dezimation verringert wird. Um Alias-Effekte durch eine derartige Dezimation zu vermeiden, wurden die Meßsignale zuvor durch einen Tiefpaß begrenzt. Insbesondere bei der Maschinendiagnose werden die Schwingungsmeßwerte mit Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitsaufnehmern erfaßt, die häufig durch eine Integration in ein Geschwindigkeitssignal oder Wegsignal umzuwandeln sind. Eine derartige Integration könnte vor der Dezimation durchgeführt werden, um eine Meßwertverfälschung durch Spiegelungseffekte zu vermeiden. Denn bei Durchführung der Integration nach der Dezimation werden die vom Tiefpaß unterdrückten Alias-Frequenzen nach der durch die Dezimation verursachte Spiegelung in das untere Frequenzband vom Integrator wieder verstärkt. Diese Verstärkung ist umgekehrt proportional zur Frequenz und erreicht bei niedrigen Frequenzen hohe Werte, die das Meßergebnis verfälschen. In der Praxis ist es zwar auch bekannt, die Integration vor der Dezimation bei voller Abtastrate durchzuführen, dies führt aber bei vorgegebener Rechenleistung zu einer verhältnismäßig hohen Bearbeitungszeit, mit der rasche Änderungen beispielsweise des Maschinenzustandes nicht immer rechtzeitig erkannt werden können. In practice, measuring sections for machine diagnosis are included Vibration sensors known as the machine vibration Detect analog vibration measurement signal, amplify it and convert it into a digital measurement signal, which is then evaluated becomes. The evaluation often takes place in that from the Time signal a weighted frequency spectrum is formed. There Such frequency spectra are available in real time if possible the processing speed becomes more predetermined Computing power increases in that the sampling rate of the signal is reduced by decimation. To by alias effects The measurement signals were to avoid such decimation previously limited by a low pass. Especially with the Machine diagnostics include the vibration measurements Accelerometers or speed sensors that are frequently recorded through integration into a speed signal or Path signal are to be converted. Such an integration could exist the decimation can be done to a Avoid falsification of measured values due to reflection effects. Because at Implementation of integration after decimation will be carried out by Low pass suppressed alias frequencies after the by the Decimation caused reflection in the lower frequency band from Integrator reinforced again. This reinforcement is reversed proportional to the frequency and reached at low Frequencies high values that falsify the measurement result. In practice although it is also known to integrate before decimation perform at full sample rate, but this leads to predetermined computing power to a relatively high Processing time, with the rapid changes, for example, the Machine status is not always recognized in time can.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Meßstrecke mit digitaler Meßsignalverarbeitung und einem Integrator so zu verbessern, daß man mit vorgegebener Rechenleistung zu einer Verringerung der Rechenzeit gelangt oder zumindest bei gleicher Rechenzeit nur eine verringerte Rechenleistung benötigt. The invention is therefore based on the object Measurement section with digital measurement signal processing and one To improve the integrator in such a way that one with a given computing power a reduction in computing time or at least with the same computing time only a reduced computing power needed.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 und 5 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by the in claims 1 and 5 specified invention solved. Further training and advantageous Embodiments of the invention are in the subclaims specified.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß ohne großen analogen Schaltungsaufwand oder nennenswerte zusätzliche Rechenleistung die Schwingungssignale bei einer Dezimation auch über mehrere Dezimationsstufen bis unter 1 Hz noch verhältnismäßig genau auswertbar sind, was insbesondere bei der Maschinendiagnose häufig notwendig ist. The invention has the advantage that without large analog Circuit effort or significant additional computing power Vibration signals in one decimation also over several Decimation levels below 1 Hz are still relatively accurate can be evaluated, especially in machine diagnostics is often necessary.

Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß durch die vorgesehenen Integrationsrechnungen auf der Meßstrecke auch bei ei- ner Meßsignaldezimation unterschiedliche Schwingungsaufnehmer verwendbar sind, unabhängig von der geforderten physikalischen Ausgangsgröße, und dies ohne nennenswerten zusätzlichen Schaltungsaufwand. The invention also has the advantage that provided integration calculations on the measuring section even with a ner measurement signal decimation different vibration sensors can be used, regardless of the required physical Output size, and this without any significant additional Circuitry.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen: The invention is based on an embodiment that in the drawing is shown, explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Meßstrecke zur Verarbeitung von Schwingungsmeßsignalen; Fig. 1 shows a measuring section for processing oscillation measurement;

Fig. 2 eine Durchlaßkennlinie eines Anti-Alias-Tiefpaß und eine Integratorkennlinie vor der Dezimation; Fig. 2 shows a transmission characteristic of an anti-aliasing low-pass filter and an integrator characteristic before the decimation;

Fig. 3 eine Tiefpaßkennlinie und eine Integratorkennlinie nach einer Dezimation, und Fig. 3 is a low-pass integrator and a characteristic according to a decimation, and

Fig. 4 eine Tiefpaßkennlinie nach einer Dezimation und einer Integration. Fig. 4 shows a low-pass characteristic after decimation and integration.

Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 eine Meßstrecke zur Schwingungsmessung mit einem Schwingungsaufnehmer 1, einem Verstärker 2, einem Analog/Digital-Wandler 3, einem Tiefpaß 4, einer Dezimationsstelle 5 und einem Integrator 6, wobei mit Hilfe der Meßstrecke ein Frequenzspektrum einer Maschinendiagnosevorrichtung erstellbar ist. The drawing shows in Fig. 1 a measuring section for vibration measurement with a vibration sensor 1 , an amplifier 2 , an analog / digital converter 3 , a low-pass filter 4 , a decimation point 5 and an integrator 6 , wherein a frequency spectrum of a machine diagnostic device can be generated with the aid of the measuring section is.

Als Aufnehmer 1 der Meßkette ist ein Schwingungsaufnehmer in Form eines Beschleunigungsaufnehmers wie beispielsweise ein Piezo-Aufnehmer vorgesehen, der die Lagerschwingung an einem 50-Hz-Elektromotor oder -generator erfaßt, dessen Zustand überwacht oder kurzzeitig festgestellt werden soll. Um beispielsweise den Lagerzustand dieser Maschine beurteilen zu können, muß das Meßsignal in Form eines Schwingungssignals in sein Frequenzspektrum umgewandelt werden, aus dessen Amplitudenverteilung bei bestimmten Frequenzen auf bestimmte Lagerschäden geschlossen werden kann, die im Schadensfall rotationssynchrone Stoßimpulse verursachen. A vibration sensor in the form of an acceleration sensor, such as a piezo sensor, is provided as the sensor 1 of the electrode, which detects the bearing vibration on a 50 Hz electric motor or generator, the condition of which is to be monitored or briefly determined. For example, in order to be able to assess the bearing condition of this machine, the measurement signal must be converted into its frequency spectrum in the form of an oscillation signal, from whose amplitude distribution at certain frequencies it can be concluded that certain bearing damage is causing rotation-synchronous shock pulses in the event of damage.

Dazu wird das analoge Schwingungssignal des Aufnehmers 1 zunächst in einem Verstärker 2 verstärkt und im nachfolgenden Analog/Digital-Wandler 3 in ein digitales Meßsignal in Form eines Schwingungssignals umgewandelt, dessen Zahlenwerte die Lagerbeschleunigung wiedergeben. Da der Beschleunigungsaufnehmer 1 einen Lagerschwingungsbereich von beispielsweise bis 20 KHz erfaßt, wird dieses Signal mit mindestens 40 KHz abgetastet, um ein hinreichend genaues auswertbares Frequenzspektrum zu erhalten. Um bei vorgegebener Rechenleistung eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit der auswertbaren Schwingungssignale in Echtzeit zu erreichen, wird die Abtastrate der Schwingungssignale verringert, sofern nicht das gesamte Spektrum zur Auswertung benötigt wird. Dadurch können auch rasche Meßwertveränderungen erkannt werden. Häufig wird das Schwingungssignal auch in mehreren Stufen verringert, um beispielsweise im relevanten niederen Frequenzbereich eine höhere Auflösung zu erhalten, ohne die Rechenleistung der elektronischen Rechenschaltung erhöhen zu müssen. Deshalb ist in der Meßstrecke eine Dezimationsstelle 5 vorgesehen, die die Abtastfrequenz um einen Faktor R herabsetzt, nach der nur noch jeder R-te Abtastwert verwendet wird. Um die durch die Dezimation verursachten Spiegelfrequenzen zu unterdrücken, ist ein Anti-Alias- Tiefpaß 4 der Dezimationsstelle 5 vorgeschaltet, der die Bandbreite auf die Hälfte der durch die Dezimation verringerten Abtastfrequenz fs begrenzt. For this purpose, the analog vibration signal of the transducer 1 is first amplified in an amplifier 2 and converted in the subsequent analog / digital converter 3 into a digital measurement signal in the form of an oscillation signal, the numerical values of which represent the acceleration of the bearing. Since the accelerometer 1 detects a bearing vibration range of, for example, up to 20 KHz, this signal is sampled with at least 40 KHz in order to obtain a frequency spectrum that can be evaluated with sufficient accuracy. In order to achieve a high processing speed of the evaluable oscillation signals in real time with a given computing power, the sampling rate of the oscillation signals is reduced unless the entire spectrum is required for evaluation. As a result, rapid changes in measured values can also be recognized. The vibration signal is often also reduced in several stages, for example to obtain a higher resolution in the relevant lower frequency range without having to increase the computing power of the electronic computing circuit. A decimation point 5 is therefore provided in the measuring section, which reduces the sampling frequency by a factor R, after which only every R-th sample value is used. In order to suppress the mirror frequencies caused by the decimation, an anti-alias low-pass filter 4 is connected upstream of the decimation point 5 and limits the bandwidth to half the sampling frequency fs reduced by the decimation.

Bei der dargestellten Meßstrecke wird eine Dezimation um den Faktor R = 2 vorgenommen, durch den beispielsweise das auswertbare Frequenzband auf 10 KHz halbiert wird, um im unteren Frequenzbereich beispielsweise eine höhere Auflösung zu erzielen und dies bei einer sehr kurzen Rechenzeit. Bei der Maschinendiagnose sind meist eine Vielzahl derartiger Dezimationsstellen 5 hintereinander geschaltet, so daß dadurch bei vorgegebener Rechenleistung erhebliche Rechenzeit eingespart wird. Der Dezimationsstelle mit dem Dezimationsfaktor R = 2 folgt ein Integrator 6, der eine Doppelintegration vornimmt, um aus dem Beschleunigungssignal ein Wegsignal zu bilden, das beispielsweise einen Wert des Lagerspiels darstellt. A decimation by a factor of R = 2 is carried out on the measuring section shown, by means of which, for example, the evaluable frequency band is halved to 10 KHz in order, for example, to achieve a higher resolution in the lower frequency range and this with a very short computing time. In machine diagnostics, a large number of such decimation points 5 are usually connected in series, so that considerable computing time is saved with a given computing power. The decimation point with the decimation factor R = 2 is followed by an integrator 6 , which carries out a double integration in order to form a displacement signal from the acceleration signal, which for example represents a value of the bearing play.

Aus Fig. 2 der Zeichnung ist die Durchlaßkennlinie 7 eines rekursiven Tiefpaßfilters 8. Ordnung und die Integratorkennlinle 8 in Abhängigkeit des Frequenzverhältnisses aus der Signalfrequenz f und der Abtastfrequenz fs ersichtlich. Danach ist der erfindungsgemäße Anti-Alias-Tiefpaß so ausgebildet, daß er bei dem Frequenzverhältnis f/fs von 0,5 eine Nullstelle aufweist. Dies ist durch Festlegung der Filterkoeffizienten erreichbar, mit denen die Nullstellen vorgebbar sind. Diese Frequenz f = fs/2 wird durch die Dezimation um den Faktor 2 auf die Frequenz 0 gespiegelt, wo die Nullstelle die unendliche Verstärkung des Integrators 6 kompensiert. From Fig. 2 of the drawing, the transmittance characteristics of a recursive low-pass filter 7 is. 8 Order and the integrator 8 as a function of the frequency ratio can be seen from the signal frequency f and the sampling frequency fs. The anti-alias low-pass filter according to the invention is then designed such that it has a zero at the frequency ratio f / fs of 0.5. This can be achieved by specifying the filter coefficients with which the zeros can be specified. This frequency f = fs / 2 is mirrored by the decimation by a factor of 2 to the frequency 0, where the zero position compensates for the infinite gain of the integrator 6 .

Die Verstärkung wird in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt, in der die Integratorkennlinie 8 mit unendlicher Verstärkung durch die Dezimation um den Faktor 2 nach rechts, um die Achse f/fs = 0,25 gespiegelt ist. Dabei ist die Durchlaßkennlinie 7 des Tiefpasses 4 vor der Verstärkung durch den Integrator 6 dargestellt. The gain is shown in FIG. 3 of the drawing, in which the integrator characteristic 8 is mirrored with infinite gain by decimation by a factor of 2 to the right, about the axis f / fs = 0.25. The pass characteristic 7 of the low pass 4 is shown before amplification by the integrator 6 .

Eine entsprechende Durchlaßkennlinie 7 des Tiefpasses 4 nach der Integration ist aus Fig. 4 der Zeichnung ersichtlich. Bei dem dargestellten Tiefpaß 4 handelt es sich um ein rekursives Filter achter Ordnung. Der Tiefpaß 4 ist dabei so ausgelegt, daß sich nach der Verstärkung durch den Integrator 6 eine konstante Mindestsperrdämpfung von ca. 60 dB ergibt. Die wirksame Verstärkung v des Integrators 6 bei der Frequenz f ist gleich dem Verhältnis dieser Frequenz zu deren Spiegelfrequenz und ergibt sich nach der Gleichung:

A corresponding pass characteristic 7 of the low pass 4 after the integration can be seen in FIG. 4 of the drawing. The low-pass filter 4 shown is an eighth-order recursive filter. The low-pass filter 4 is designed so that there is a constant minimum blocking attenuation of approximately 60 dB after amplification by the integrator 6 . The effective gain v of the integrator 6 at the frequency f is equal to the ratio of this frequency to its image frequency and results from the equation:

Für derartige Tiefpässe 4 sind auch höhere Dezimationen um den Faktor R möglich, bei der dann eine Nullstelle den R-ten Teil der Abtastfrequenz fs aufweisen muß, um eine hinreichende Mindestsperrdämpfung zu gewährleisten. Diese Frequenz fs/R wird durch die Dezimation auf die Nullstelle gespiegelt, wobei der Tiefpaß 4 so bemessen wird, daß die Kombination von Tiefpaß 4 und Integrator 6 eine vorgegebene Mindestsperrdämpfung nicht überschreitet. For such low-pass filters 4 , higher decimations by the factor R are also possible, in which case a zero must have the R-th part of the sampling frequency fs in order to ensure adequate minimum blocking attenuation. This frequency fs / R is mirrored by the decimation to the zero point, the low pass 4 being dimensioned such that the combination of low pass 4 and integrator 6 does not exceed a predetermined minimum blocking attenuation.

Nach dem Integrator 6 können die digitalen Schwingungssignale einer Frequenzanalyse unterzogen oder auf andere Art ausgewertet werden, um beispielsweise den Lager- oder Maschinenzustand festzustellen. After the integrator 6 , the digital vibration signals can be subjected to a frequency analysis or evaluated in another way, for example in order to determine the state of the bearings or the machine.

Claims

1. Measuring section for processing measurement signals, in particular vibration measurement signals, which contains a transducer, an analog / digital converter, an anti-alias low-pass filter, a decimation point and an integrator, characterized in that the anti in a decimation by the factor R -Alias low-pass filter ( 4 ) is designed so that it has a zero at a frequency f = fs / R, where fs is the sampling frequency.

2. Measuring section according to claim 1, characterized in that the anti-alias low-pass filter ( 4 ) is designed as a recursive filter.

3. Measuring section according to claim 1 or 2, characterized in that the combination of low-pass filter ( 4 ) and integrator ( 6 ) is dimensioned so that a predetermined minimum blocking attenuation is maintained.

4. Measuring section according to one of the preceding claims, characterized in that the analog / digital converter ( 3 ), the low-pass filter ( 4 ), the decimation point ( 5 ) and the integrator ( 6 ) are designed as a program-controlled arithmetic circuit.

5. A method for processing measuring signals in a measuring section according to one of claims 1 to 4, characterized in that in a measuring section with at least one decimation and integration stage, the coefficients of the digital low-pass filter ( 4 ) are selected so that it at the frequency f = fs / R has a zero.