(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動の検知に応答して振動信号を出力するように構成されたセンサと、
上記振動信号から直流バイアス電圧を除去し、交流電圧信号を出力するように構成された結合と、
上記交流電圧信号を電流信号に変換するように構成された変換器と、
上記電流信号のダイナミック・レンジを圧縮し、出力信号を出力するように構成された対数増幅器と、
上記出力信号中の所定動作周波数レンジ外の信号を減衰するよう構成されるアンチ・エイリアシング・フィルタと、
上記動作周波数レンジを有し、フィルタ処理された上記出力信号をデジタル化してデジタル信号を出力するアナログ・デジタル変換器と
を具え、上記アナログ・デジタル変換器は、第１アナログ・デジタル変換器から構成され、該第１アナログ・デジタル変換器は、上記対数増幅器による圧縮なしで上記電流信号を変換する場合に使用される第２アナログ・デジタル変換器の第２分解能よりも低い第１分解能を有することを特徴とする振動データ取り込みシステム。
【請求項２】
上記第１アナログ・デジタル変換器が、１４ビットよりも低い分解能を有することを特徴とする請求項１記載の振動データ取込みシステム。
【請求項３】
上記デジタル信号に関する周波数情報を維持しつつ、上記デジタル信号を逆圧縮するプロセッサを更に具える請求項１記載の振動データ取込みシステム。
【請求項４】
振動センサと、
該振動センサからの信号のダイナミック・レンジを圧縮し、出力信号を生成するように構成された対数増幅器と、
上記出力信号中の所定動作周波数レンジ外の信号を減衰するよう構成されるアンチ・エイリアシング・フィルタと、
上記動作周波数レンジを有し、フィルタ処理された上記出力信号をデジタル化してデジタル信号を出力するアナログ・デジタル変換器と
を具え、上記アナログ・デジタル変換器は、第１アナログ・デジタル変換器から構成され、該第１アナログ・デジタル変換器は、上記対数増幅器による圧縮なしで上記電流信号を変換する場合に使用される第２アナログ・デジタル変換器の第２分解能よりも低い第１分解能を有することを特徴とする振動データ取込みシステム。
【請求項５】
上記第１アナログ・デジタル変換器が、１４ビットよりも低い分解能を有することを特徴とする請求項４記載の振動データ取込みシステム。
【請求項６】
振動を検知し、該振動に基づいた信号を発生する処理と、
上記信号のダイナミック・レンジを圧縮する処理と、
圧縮処理された上記信号について、アナログ・デジタル変換器の動作周波数レンジ外の信号を減衰させるフィルタ処理と、
圧縮処理及びフィルタ処理された上記信号を上記アナログ・デジタル変換器でデジタル化する処理と
を具え、上記アナログ・デジタル変換器は、第１アナログ・デジタル変換器から構成され、該第１アナログ・デジタル変換器は、上記対数増幅器による圧縮なしで上記電流信号を変換する場合に使用される第２アナログ・デジタル変換器の第２分解能よりも低い第１分解能を有することを特徴とする振動データ取込み方法。
【請求項７】
上記第１アナログ・デジタル変換器が、１４ビットよりも低い分解能を有することを特徴とする請求項６記載の振動データ取込み方法。
【請求項８】
デジタル化された上記信号に対して、周波数情報を維持しつつ逆圧縮する処理を更に具える請求項６記載の振動データ取込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号分析で出会う広ダイナミック・レンジの信号の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
しばしば振動分析器を用いて、機械装置をモニタし、予測機械装置メインテナンスを実行する。分析すべき振動を測定するために、加速度計、速度センサ、又は変位センサの如きセンサを用いて、機械装置振動をモニタできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１１５５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
測定すべき振動信号は、しばしば、１００ｄＢ以上の広いダイナミック・レンジにわたる。かかる大きなダイナミック・レンジを扱うことができない振動分析機器は、ユーザが入力レンジ及び利得増幅を設定できるようにする。しかし、不正確なユーザ設定による問題が起きるかもしれない。例えば、入力レンジが広すぎて設定されると、機器は小さな信号を測定できない。また、入力レンジが小さすぎて設定されると、機器は大きな入力信号により過負荷になる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）信号の検知に応答して振動信号を出力するように構成されたセンサと；振動信号から直流バイアス電圧を除去し交流電圧信号を出力するように構成された結合と；交流電圧信号を電流信号に変換するように構成された変換器と；出力信号中の所定動作周波数レンジ外の信号を減衰するよう構成されるアンチ・エイリアシング・フィルタと；上記動作周波数レンジを有し、フィルタ処理された出力信号をデジタル化してデジタル信号を出力するアナログ・デジタル変換器とを具え、アナログ・デジタル変換器は、第１アナログ・デジタル変換器から構成され、第１アナログ・デジタル変換器は、対数増幅器による圧縮なしで電流信号を変換する場合に使用される第２アナログ・デジタル変換器の第２分解能よりも低い第１分解能を有することを特徴とする振動データ取り込みシステム。
（２）第１アナログ・デジタル変換器が、１４ビットよりも低い分解能を有することを特徴とする概念１のシステム。
（３）デジタル信号を処理するように構成されたプロセッサを更に具えた概念２のシステム。
（４）プロセッサは、デジタル信号に関する周波数情報を維持しつつ、デジタル信号を逆圧縮する概念３のシステム。
（５）プロセッサは、デジタル信号を平均化し、窓処理するよう構成される概念３のシステム。
（６）プロセッサは、高速フーリエ変換を実行するよう構成される概念３のシステム。
（７）センサは、加速度計から構成される概念１のシステム。
（８）振動センサと；この振動センサからの信号のダイナミック・レンジを圧縮し、出力信号を生成するように構成された対数増幅器と；出力信号中の所定動作周波数レンジ外の信号を減衰するよう構成されるアンチ・エイリアシング・フィルタと；上記動作周波数レンジを有し、フィルタ処理された出力信号をデジタル化してデジタル信号を出力するアナログ・デジタル変換器とを具え、アナログ・デジタル変換器は、第１アナログ・デジタル変換器から構成され、第１アナログ・デジタル変換器は、対数増幅器による圧縮なしで電流信号を変換する場合に使用される第２アナログ・デジタル変換器の第２分解能よりも低い第１分解能を有することを特徴する振動データ取込みシステム。
（９）第１アナログ・デジタル変換器が、１４ビットよりも低い分解能を有することを特徴とする概念８のシステム。
（１０）振動センサからの信号の交流電圧成分を通過させ、振動センサからの信号から直流バイアス電圧成分を除去するように構成された交流結合を更に具える概念８のシステム。
（１１）振動センサからの信号を電圧信号から電流信号に変換するように構成された電流電圧変換器を更に具える概念８のシステム。
（１２）対数増幅器は、電流信号を受けるように構成された概念８のシステム。
（１３）振動を検知し、振動に基づく信号を発生する処理と；この信号のダイナミック・レンジを圧縮する処理と；圧縮処理された信号について、アナログ・デジタル変換器の動作周波数レンジ外の信号を減衰させるフィルタ処理をする処理と；圧縮処理及びフィルタ処理された信号をアナログ・デジタル変換器でデジタル化する処理とを具え、アナログ・デジタル変換器は、第１アナログ・デジタル変換器から構成され、第１アナログ・デジタル変換器は、対数増幅器による圧縮なしで電流信号を変換する場合に使用される第２アナログ・デジタル変換器の第２分解能よりも低い第１分解能を有することを特徴とする振動データ取込み方法。
（１４）第１アナログ・デジタル変換器が、１４ビットよりも低い分解能を有することを特徴とする概念１３の方法。
（１５）信号から任意の直流バイアス電圧を除去する処理を更に具える概念１３の方法。
（１６）信号を電圧から電流に変換する処理を更に具える概念１３の方法。
（１７）圧縮処理及びフィルタ処理され、デジタル化された信号を更に処理することを特徴とする概念１３の方法。
（１８）更なる処理は、デジタル化された信号に関する周波数情報を維持しつつ、上記デジタル信号を逆圧縮する処理から構成される概念１７の方法。
（１９）デジタル化された信号を平均化し、窓処理する処理を更に具える概念１３の方法。
【発明の効果】
【０００６】
振動分析信号用のデータ取込みシステムは、広いダイナミック・レンジ信号を圧縮する対数増幅器を含んでもよい。この対数増幅器は、従来システムにて必要とされる減衰器、利得増幅器及び／又は利得スイッチを置き換えることができる。更に、対数増幅器と組合せて低分解能アナログ・デジタル変換器を用いてもよい。よって、システムの設置面積、必要電力及びシステム・コストを低減できる。
【０００７】
振動解析のために広いダイナミック・レンジ信号に対して用いることができる対数増幅器の例を図に示す。これら例及び図は、限定するためではなく示すためである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、対数増幅器を用いることなく広いダイナミック・レンジ信号を扱うシステムの例を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施例により対数増幅器を用いて広いダイナミック・レンジ信号を扱うシステムの例を示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の実施例により対数増幅器を用いて、振動分析から得た広いダイナミック・レンジ信号を処理する例示の処理を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
信号分析器は、加速度計、速度センサ又は変位センサの如き振動センサからの信号を検知する。加速度計が発生したピーク・ピーク信号のレンジは、１分当たりの回転数（ＲＰＭ）が非常に低い機械用のマイクロボルト・レベルから高速回転機械の数十ボルトまでである。
【００１０】
図１は、従来の振動分析システム１００の例を示すブロック図である。システム１００は、センサ１１０と、ＡＣ／ＤＣ結合１２０と、１個以上の減衰器１３０と、１個以上の利得増幅器ステージ１４０と、アンチエリアシング・フィルタ１５０と、高分解能アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１６０と、マイクロプロセッサ１７０とを含んでいる。
【００１１】
センサ１１０は、変動モニタ及び分析のための振動を検知する。電源（図示せず）をセンサに結合して、電力をセンサに供給できる。センサ１１０は、その出力をＡＣ／ＤＣ結合１２０に送り、このＡＣ／ＤＣ結合１２０は、交流（ＡＣ）及び／又は直流（ＤＣ）電圧信号を供給する。典型的には、加速度計信号は、ＡＣ成分とＤＣバイアス成分を有する。
【００１２】
ＡＣ／ＤＣ結合１２０から、信号の強さに応じて、信号を１個以上の減衰器１３０及び／又は１個以上の利得増幅器１４０のステージに送る。利得増幅器１４０の出力は、増幅された信号から帯域外信号を除去するアンチエリアシング・フィルタ１５０を介して送られる。つぎに、濾波された信号は、高分解能ＡＤＣ１６０に入力されて、デジタル化される。アンチエリアシング・フィルタ１５０により除去された信号は、高分解能ＡＤＣ１６０の動作範囲より上の周波数である。最後に、マイクロプロセッサ１７０がデジタル化信号を更に処理する。
【００１３】
対数増幅器を用いるシステム内のＡＤＣの分解能の条件より低いかを比較するために、ここでは、従来のシステム１００のＡＤＣ１６０の分解能条件を計算する。例えば、Ｖppをピーク・ピーク電圧として、測定すべき最小信号振幅が１０μＶppで、測定すべき最大信号振幅が２０Ｖppならば、システム１００が測定すべきダイナミック・レンジは、20×log10（20Ｖpp／10μＶpp）とすることができ、これは、１３６ｄＢに等しい。１３６ｄＢダイナミック・レンジの信号を測定するＡＤＣ１６０に必要なビット数Ｎは、以下に示す式（１）を用いて計算できる。
20×log10(2N)=136dB  (1)
この例において、Ｎは、２３ビットに丸められる２２．５９に等しい。よって、１３６ｄＢダイナミック・レンジの信号を測定するＡＤＣ１６０に必要なビットＮの最小数は、約２３ビットである。さらに、ＡＤＣ１６０からの２３ビットをノイズ・フリーに確実にするために、従来では非常に高分解能ＡＤＣと見なされる少なくとも２８ビットＡＤＣを用いることが望ましい。
【００１４】
対照的に、図２は、対数増幅器を用いて大きなダイナミック・レンジを扱う本発明の実施例によるシステム２００の例を示すブロック図である。システム２００は、センサ２１０、ＡＣ結合／ＤＣブロック（阻止）２２０、電圧電流変換器２３０、対数増幅器２４０、アンチエリアシング・フィルタ２５０、低分解能ＡＤＣ２６０、マイクロプロセッサ２７０を含んでいる。
【００１５】
システム１００のセンサ１１０と同様に、センサ２１０も振動を検知し、電源を必要とするかもしれない。センサ２１０の出力は、ＡＣ結合／ＤＣブロック２２０に送られる。このブロック２２０は、センサ２１０からの出力に存在するかもしれない任意のＤＣバイアス電圧を除去し、ＡＣ電圧成分を伝送する。次に、電圧電流変換器２３０により、ＡＣ電圧成分をＡＣ電流信号に変換する。ＡＣ電流信号に変換することにより、対数増幅器２４０の精度を改善する。
【００１６】
対数増幅器の出力は、入力電流の対数のｋ倍であり、以下の式（２）の示すようになる。
Vout=k×log10(Ｉin/Ｉref)  (2)
ここで、ｋはスケール係数であり、Ｉinは入力電流信号であり、Ｉrefは正規化定数である。よって、対数増幅器２４０は、入力電流信号を対数的に圧縮できるので、対数増幅器２４０に入力する高ダイナミック・レンジ信号を低ダイナミック・レンジ出力信号に変換する。例えば、対数増幅器２４０により、ダイナミック・レンジが約８０ｄＢよりも大きい入力信号を、ダイナミック・レンジが約２０ｄＢよりも小さい出力信号に変換できる。
【００１７】
対数的に圧縮した出力信号をアンチエリアシング・フィルタ２５０に送り、任意の帯域外信号を除去する。次に、アンチエリアシング・フィルタ２５０で濾波された信号を低分解能ＡＤＣ２６０に送ってデジタル化する。一実施例において、アンチエリアシング・フィルタ２５０は、ロウパス・フィルタであり、ＡＤＣ２６０の動作レンジよりも高い周波数を通過させない。
【００１８】
入力電流信号を圧縮する対数増幅器２４０を用いるシステム２００内のＡＤＣ２６０の分解能条件は、従来のシステム１００に用いたＡＤＣ１６０の分解能条件と対照的である。被測定最小信号振幅が約１０μＶppで且つ被測定最大信号振幅が約２０Ｖppである上述のＡＤＣ１６０の分解能条件に用いたのと同じ信号レンジを用い、１に等しいスケール係数ｋを用いると、正規化定数Ｉrefが１ｎＡに等しく、入力電流を８００Ωの抵抗に対して計算すると、最小電流信号振幅Ｉin,min＝１０μＶpp／８００Ω＝１．２５ｎＡであり、最大電流信号振幅Ｉin,max＝２０Ｖpp／８００Ω＝２５ｎＡである。対数増幅器２４０が出力する最小信号振幅をlog10(1.25nA/1nA)=97mVで計算し、対数増幅器２４０が出力する最大信号振幅をlog10(25mA/1nA)=7.4Vで計算する。よって、対数増幅器２４０の出力におけるダイナミック・レンジ条件を20log10(7.4Vpp/97mVpp)=37.6dBで計算する。
【００１９】
３８ｄＢダイナミック・レンジの信号を測定するＡＤＣ２６０に必要なビットＮの数は、以下の式（３）を用いて計算できる。
20×log10(2N)=38dB  (3)
よって、Ｎは、６．３ビットに等しく、７ビットに丸められる。７ビットを確実にノイズ・フリーにするために、少なくとも１４ビットＡＤＣを用いることが望ましい。この１４ビットＡＤＣは、従来では低分解能ＡＤＣと見なせ、図１のシステム１００における如く、対数増幅器を用いて圧縮しないで信号をデジタル化するのに必要な２８ビットＡＤＣよりも低い。
【００２０】
アンチエリアシング・フィルタ２５０からの濾波された信号出力は、ＡＤＣ２６０によりデジタル化され、更なる処理のためにマイクロプロセッサ２７０に送られる。更なる処理には、これらに限定されるものではないが、デジタル化信号を回復するか逆圧縮すること、平均化及び窓処理動作、入力信号が加速度計から来た場合のデジタル積分、入力信号のスペクトル成分を求める高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の実行が含まれる。
【００２１】
システム２００において、対数増幅器２４０は、システム１００の減衰器１３０及び利得増幅器１４０に取って代わる。単一の対数増幅器２４０が１個以上の減衰器１３０及び／又は利得増幅器１４０のステージに取って代わるので、システム２００の設置面積は、従来システム１００に比較して減少する。更に、図１に示さないが、複数の利得増幅器の間の切替を制御するためのソフトウェア制御回路（図１には示さない）及び異なる複数の利得増幅ステージ１４０の間を切り換えるのに用いるアナログ・スイッチがシステム２００では除去されている。更に、従来システム１００内の減衰器１３０及び利得ステージ１４０の各々は、精度を確実にするために、最初又は定期的に校正しなければならない。システム２００は、この校正に必要な時間を機器も削減する。
【００２２】
図３は、本発明の実施例による例示的処理を示す流れ図３００であり、本発明の実施例により、対数増幅器を用いて振動分析から得た広ダイナミック・レンジ信号を処理する。
【００２３】
ブロック３１０にて、加速度計、振動センサ又は変位センサの如きセンサを用いて、振動を検知する。加速度計センサからの出力は、典型的には、ＤＣバイアス電圧と、広ダイナミック・レンジのＡＣ成分又は双極性電圧信号とを有する。
【００２４】
ブロック３２０にて、ＡＣ結合／ＤＣブロックを用いて、存在するＤＣバイアス電圧をセンサ信号から除去する。ＡＣ結合／ＤＣブロックは、信号のＤＣ成分をブロックすると共に、その信号のＡＣ成分を通過させるコンデンサを含んでもよい。
【００２５】
ブロック３３０にて、ＡＣ電圧信号をＡＣ電流信号に変換する。一実施例において、負帰還の演算増幅器を用いて、電圧信号を電流信号に変換する。一般的に、入力に電流信号を受ける対数増幅器は、入力に電圧信号を受ける対数増幅器よりも精度が良い。これは、対数増幅器の入力部分が帰還ループ内にトランジスタを含んだ演算増幅器を用いるためである。入力トランジスタのコレクタ電流によりシステムが対数動作を起こし、対数増幅器の動作が上述の式（２）で特徴付けられ、入力に電流信号を有することが好ましい。対数増幅器への電圧信号入力は、低出力インピーダンスの電圧源に対して良好に作用できる。
【００２６】
次に、ブロック３４０にて、ＡＣ電流信号が対数的に圧縮されるので、圧縮出力信号が入力電流信号の対数に比例する。
【００２７】
電流信号が対数スケールに圧縮された後、ブロック３５０にて、ＡＤＣのレンジを超えた信号の高周波成分は、入力から除去される。一実施例において、ロウパス・フィルタの如きアンチエリアシング・フィルタを用いて、不要な信号を除去できる。
【００２８】
ブロック３６０にて、アンチエリアシング・フィルタからの信号出力を、適切なサンプリング周波数で低分解能ＡＤＣによりデジタル化できる。次に、ブロック３７０にて、更なる処理のために、ＡＤＣからのデジタル化データをプロセッサに送る。ブロック３９９にて、処理が終了する。
【００２９】
上述及び請求項を通じて、文脈が明確に要求していない限り、用語「具える」、「具え」などは、排他的に又は網羅的な観念とは対照的に含むという概念である。すなわち、「含むが限定するものではない」という概念である。ここで用いる用語「接続された」、「結合された」又はこれらの任意の変形は、間接又は直接のいずれかで２つ以上の要素の間を任意に接続又は結合する意味であり、複数要素間の接続の結合は、物理的、論理的又はこれらの組合せである。更に、用語「ここで」、「上述」、「後述」及び類似の意味の用語は、本特許出願に用いる場合、全体としての本願を参照するものであり、本願の任意の特定部分を参照するのではない。文脈が許すならば、単一又は複数の数を用いる上述の詳細な説明内の用語は、夫々複数又は単一の数も含むものである。２つ以上の項目のリストを参照する用語「又は」は、用語の以下の解釈の全てをカバーする。すなわち、リスト内の任意の項目、リスト内の全ての項目、リスト内の項目の任意の組合せをカバーする。
【００３０】
本発明の実施例の上述の詳細説明は、上述で開示した正確な形式に技術を網羅的に又は限定するものではない。本明細書にて「一実施例」又は「１つの実施例」というのは、実施例に関連し説明した特定の機能、構造又は特徴が本発明の少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。本発明の特定実施例及び例を説明のために記載したが、当業者に理解できる如く、種々の均等な変更が本発明の要旨内で可能である。例えば、処理又はブロックが所定順序に示されたが、別の実施例では、異なる順序で、ステップのルーチンを実行してもよいし又はブロックを有するシステムを用いてもよいし、いくつかの処理又はブロックを削除、移動、追加、再分割、組合せ及び／又は変更して、別の又は再組合せを提供してもよい。これら処理又はブロックの各々は、種々の異なる方でインプリメンテーションしてもよい。また、処理又はブロックを一連に実行するように時間的に示したが、これら処理又はブロックを並行に実行してもよいし、異なる時間に実行してもよい。更に、ここで示した任意特定の数は単なる例であり、異なる値又は範囲で別のインプリメンテーションを用いてもよい。
【００３１】
ここで説明した本発明の技術は、他のシステムに適用でき、上述のシステムが必然的ではない。上述の種々の実施例の要素及び動作を組合せて更なる実施例を提供できる。
【００３２】
上述は、本発明のある実施例について説明し、予期できる最良モードについて説明したが、細部がどの様に説明に登場しようが、本技術は、多くの方法で実現できる。このシステムの細部は、そのインプリメンテーションの細部にて考慮の上変更でき、依然ここで説明した要旨の範囲内である。上述で気付くように、本発明のある特徴又は概念を説明する際に用いた特定の用語は、その用語に関係する本発明の任意特定の特徴、機能又は概念をここで再定義することを意味しない。一般的に、上述の詳細説明がかかる用語を明示的に定義しない限り、以下の請求項で用いる用語は、本明細書で説明した特定の実施例に本発明を限定するものではない。よって、本発明の実際の範囲は、開示した実施例のみを含むのではなく、請求項の下に本発明を実現又はインプリメンテーションする全ての等化の方法も含む。
【符号の説明】
【００３３】
１００  振動分析システム
１１０、２１０  センサ
１２０  ＡＣ／ＤＣ結合
１３０  減衰器
１４０  利得増幅器
１５０  アンチエリアシング・フィルタ
１６０  高分解能ＡＤＣ
１７０、２７０  マイクロプロセッサ
２００  システム
２２０  ＡＣ結合／ＤＣブロック
２３０  電圧電流変換器
２４０  対数増幅器
２５０  アンチエリアシング・フィルタ
２６０  低分解能ＡＤＣ
【図１】
0005519471.tif 000002
【図２】
0005519471.tif 000003
【図３】
0005519471.tif 000004