(57)【要約】  ポンプを駆動する電気モータを有する真空ポンプモニタ装置を説明する。モニタ装置は、電気モータの電流を測定して時間ベースの信号を発生させるための少なくとも１つのセンサと、時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換し、かつ周波数ベースの信号を解析してポンプ故障条件を表す信号パターンを識別するように構成される少なくとも１つの電子プロセッサとを含む。周波数ベースの信号をモニタすることにより、モニタ装置は、ポンプ故障条件を識別することができる。信号パターンは、例えば、ポンプ故障条件に関連付けられた振動特徴に対応することができる。ポンプシステムに存在する振動の全ての潜在的発生源は、例えば、負荷トルク及びシャフト速度変動を通してモータに影響を与えることになる。振動を駆動するのに必要なエネルギは、電気モータによって提供され、かつ必然的にその電力特徴に変換される。識別される振動特徴は、電気モータ及び／又はポンプの作動から生じる可能性がある。モニタ装置は、ポンプ内の故障を診断することができる。これに代えて又はこれに加えて、モニタ装置は、ポンプ内の故障を予想することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータを有する真空ポンプをモニタするためのポンプモニタ装置であって、
前記ポンプモニタ装置は、
前記電気モータの電流を測定して時間ベースの信号を発生させるための少なくとも１つのセンサと、
前記時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換し、かつ
前記周波数ベースの信号を解析してポンプ故障条件を表す信号パターンを識別する、
ように構成された少なくとも１つの電子プロセッサと、
を含むことを特徴とするポンプモニタ装置。
【請求項２】
前記信号パターンは、前記周波数ベースの信号内に少なくとも１つの信号ピークを含むことを特徴とする請求項１に記載のポンプモニタ装置。
【請求項３】
前記信号パターンは、事前定義周波数で又は前記周波数ベースの信号内の事前定義周波数範囲内で発生する少なくとも１つの信号ピークを含むことを特徴とする請求項２に記載のポンプモニタ装置。
【請求項４】
前記信号パターンは、前記少なくとも１つの信号ピークに対する振幅を含むことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のポンプモニタ装置。
【請求項５】
前記信号パターンは、事前定義されており、かつ公知のポンプ故障条件を表すことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のポンプモニタ装置。
【請求項６】
故障診断が、前記事前定義された信号パターンに関連付けられることを特徴とする請求項５に記載のポンプモニタ装置。
【請求項７】
前記周波数ベースの信号内で識別された前記信号パターンに関連付けられた前記故障診断を出力することを含むことを特徴とする請求項６に記載のポンプモニタ装置。
【請求項８】
前記ポンプの１又は２以上の作動パラメータを測定するための１又は２以上のポンプモニタセンサを含み、
前記少なくとも１つのプロセッサは、前記ポンプ故障条件を前記１又は２以上の作動パラメータと相関させるように構成される、
ことを特徴とする請求項５、請求項６、又は請求項７のいずれか１項に記載のポンプモニタ装置。
【請求項９】
電気モータに電流を供給するためのインバータであって、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のポンプモニタ装置、
を含むことを特徴とするインバータ。
【請求項１０】
インバータ制御ユニットを含み、
少なくとも１つの電子プロセッサが、前記インバータ制御ユニット内に一体化される、
ことを特徴とする請求項９に記載のインバータ。
【請求項１１】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のポンプモニタ装置、
を含むことを特徴とするポンプ装置。
【請求項１２】
電気モータに接続されたインバータを含み、
時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換するように構成された少なくとも１つの電子プロセッサが、前記インバータに配置される、
ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ装置。
【請求項１３】
電気モータを有する真空ポンプをモニタする方法であって、
電前記気モータの電流を測定して時間ベースの信号を発生させる段階と、
前記時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換する段階と、
前記周波数ベースの信号を処理してポンプ故障条件を表す信号パターンを識別する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記信号パターンは、前記周波数ベースの信号内に少なくとも１つの信号ピークを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記信号パターンは、事前定義周波数で又は前記周波数ベースの信号内の事前定義周波数範囲内で発生する少なくとも１つの信号ピークを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記信号パターンは、前記少なくとも１つの信号ピークに対する振幅を含むことを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記信号パターンは、事前定義され、から公知のポンプ故障条件を表すことを特徴とする請求項１３から請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
故障診断が、前記事前定義された信号パターンに関連付けられることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記周波数ベースの信号内で識別された前記信号パターンに関連付けられた前記故障診断を出力する段階を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ポンプの１又は２以上の作動パラメータを測定する段階と、前記公知のポンプ故障条件を該１又は２以上の作動パラメータと相関させる段階とを含むことを特徴とする請求項１７、請求項１８、又は請求項１９のうずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
実質的に添付図面を参照して本明細書に説明したようなポンプモニタ装置。
【請求項２２】
実質的に添付図面を参照して本明細書に説明したようなポンプ。
【請求項２３】
実質的に添付図面を参照して本明細書に説明したような方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の開示は、ポンプモニタ装置及びポンプモニタ装置を含むポンプ装置に関する。より具体的には、限定するものではないが、本発明の開示は、真空ポンプをモニタするためのポンプモニタ装置、及びポンプモニタ装置を含む真空ポンプ装置に関する。本発明の開示はまた、ポンプモニタ装置を含むインバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動及び／又はノイズをモニタすることによってポンプの機械的条件を診断することは公知である。しかし、これらの方法は、高価であり、かつそれらが追加変換器、並びに複雑な信号処理デバイスを必要とするので現場で実施するのが困難である可能性がある。更に、ポンプの完全なモニタを実行するためには、各場所で、例えば、軸受、ギアボックス、固定子フレームなどで多数の振動変換器を必要とすると考えられる。
【０００３】
乾式真空ポンプのための自己診断方法は、米国特許第８７２１２９５号から公知である。この方法は、システム圧力と共に、ポンプの回転子を回転させるためのモータの電流をモニタする段階を含む。この方法は、測定電流内のピークの形態の単発事象を識別すること、又は測定電流が事前定義閾値を超える時を決定することを求めるものである。
【０００４】
米国特許出願公開第２００８／０２９４３８２号は、ポンプ故障予想の方法及び装置を開示している。予想可能性を改善して比較的多数のポンプから複数の定性的変数（例えば、工程変数）を管理するためのモデルを定義することができる。モデルを定義するために、主成分分析（ＰＣＡ）を使用して多変量データの相関関係を考慮することができる。管理変数は、選択された主成分の変数を表すように選択することができる。コントローラは、管理変数が上側制御線を超える場合にポンプが偏心状態で作動していると決定することができる。センサがポンプに接続され、ポンプ及び対応する半導体組み立て工程に関連付けられた定性的変数に関するデータを実時間に収集することができる。工程変数に関連するデータを収集する情報システムを使用し、かつ収集したデータを統計的に処理することにより、ポンプ故障が実際に発生する前にポンプに対する交換時期を予想することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８７２１２９５号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／０２９４３８２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が着想されたのは、この背景に対してである。少なくともある一定の実施形態では、本発明は、従来技術の方法及び装置に関連付けられた限界の少なくとも一部を克服又は改善することを求めるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様は、ポンプのためのポンプモニタ装置、ポンプモニタ装置を含むポンプ装置、及びポンプモニタ装置を含むインバータに関する。本発明の態様は、ガスポンプ、具体的には真空ポンプ及び圧縮機との特定の用途を見出す。
【０００８】
本発明の一態様により、真空ポンプモニタ装置を提供し、真空ポンプは、ポンプを駆動する電気モータを有し、モニタ装置は、電気モータの電流を測定して時間ベースの信号を発生させるための少なくとも１つのセンサと、時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換し、かつ周波数ベースの信号を解析してポンプ故障条件を表す信号パターンを識別するように構成された少なくとも１つの電子プロセッサとを含む。
【０００９】
本発明の更に別の態様により、電気モータを有する真空ポンプのためのポンプモニタ装置を提供し、モニタ装置は、電気モータの電流を測定して時間ベースの信号を発生させるための少なくとも１つのセンサと、時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換し、かつ周波数ベースの信号を解析してポンプ故障条件を表す信号パターンを識別するように構成された少なくとも１つの電子プロセッサとを含む。
【００１０】
周波数ベースの信号をモニタすることにより、モニタ装置は、ポンプ故障条件を識別することができる。信号パターンは、例えば、ポンプ故障条件に関連付けられた振動特徴に対応することができる。ポンプシステムに存在する振動の全ての潜在的発生源は、例えば、負荷トルク及びシャフト速度変動を通してモータに影響を与えることになる。振動を駆動するのに必要なエネルギは、電気モータによって提供され、かつ必然的にその電力特徴に変換される。識別される振動特徴は、電気モータ及び／又はポンプの作動から生じる可能性がある。少なくともある一定の実施形態では、モニタ装置は、ポンプの故障を診断することができる。これに代えて又はこれに加えて、モニタ装置は、ポンプ内の故障を予想することができる。
【００１１】
電気モータの電流は、時間に関して測定されて時間ベースの信号を発生させる。少なくとも１つの電子プロセッサは、電流波形の周波数分解を実行するように構成される。電流センサによって発生される時間ベースの信号は、それによって周波数ベースの信号に変換される。周波数ベースの信号の解析は、公知のポンプ故障条件を示す信号パターンを識別することができる。信号パターンは、ポンプのステータスの表示を提供するのに適切な振動特徴に対応することができ、例えば、内部構成要素の摩耗により故障間近であるポンプは、最新のポンプとは異なる振動特徴を有することになる。ポンプ故障条件は、電気モータ及び／又はポンプに関連している可能性がある。
【００１２】
少なくとも１つの電子プロセッサは、時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換するためにフーリエ変換アルゴリズムを適用するように構成することができる。例えば、直接フーリエ変換は、時間ベースの信号に適用することができる。モータ電流のフーリエ変換の実施は、センサのない方式でポンプ状態を検出及び／又は予想するための診断ツールを提供することができる。
【００１３】
少なくとも１つの電子プロセッサは、処理するための複数のセグメントに時間ベースの信号を分割するように構成することができる。セグメントは、時間ベースの信号から周波数ベースの信号に独立に変換することができる。変換されたセグメントは、その後に組み合わせることができる。各セグメントは、事前定義された周波数範囲に対応することができる。
【００１４】
時間ベースの信号の変換及び周波数ベースの信号のその後の解析は、同じ電子プロセッサ又は異なる電子プロセッサによって実行することができる。例えば、第１の電子プロセッサは、時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換することができ、第２の電子プロセッサは、周波数ベースの信号を解析することができるであろう。モニタ装置は、追加センサへの参照の有無にかかわらず、測定された電流に依存してポンプをモニタすることができる。
【００１５】
信号パターンは、周波数ベースの信号内に少なくとも１つの信号ピークを含むことができる。信号ピークは、与えられた周波数に対する信号の振幅の局所的増加又は減少を表すものである。
【００１６】
信号パターンは、事前定義周波数で又は周波数ベースの信号内の事前定義された周波数範囲内で発生する少なくとも１つの信号ピークを含むことができる。
【００１７】
信号パターンは、少なくとも１つの信号ピークの振幅を含むことができる。振幅は、与えられた周波数で寄与する電力の尺度を表すものである。
【００１８】
信号パターンは、事前定義され、かつ公知のポンプ故障条件を表すことができる。例えば、ポンプ故障条件は、異常作動又はトルク振動に関連付けることができる。公知のポンプ故障条件に関連付けられた信号パターンは、実証的分析によって決定することができると考えられる。例えば、信号パターンは、公知のポンプ故障条件を有するポンプ内のモータに対する電流を測定することによって決定することができるであろう。
【００１９】
故障診断は、事前定義された信号パターンに関連付けることができる。モニタ装置は、周波数ベースの信号内で識別された信号パターンに関連付けられた故障診断を出力することができる。
【００２０】
モニタ装置は、ポンプの作動パラメータを測定するための１又は２以上のセンサを含むことができる。少なくとも１つのポンプモニタセンサは、ポンプの作動温度を測定し、及び／又はポンプの性能を測定し、例えば、ポンプの排出圧を測定するために設けることができる。ポンプモニタセンサはまた、電気モータの回転速度を測定するために設けることができると考えられる。少なくとも１つのプロセッサは、測定されたパラメータをポンプ故障条件と相関させてポンプ故障条件の発生源を推測するように構成することができる。少なくともある一定の実施形態では、可変ポンプ状態（温度、圧力、電力などのような）に関連する情報の相関関係は、ポンプの予測監視を可能にすることができる。
【００２１】
信号パターンは、振動特徴に対応することができる。振動特徴は、電気モータのもの、又は電気モータと組み合わせたポンプのものとすることができる。
【００２２】
ポンプは、真空ポンプとすることができる。真空ポンプは、例えば、半導体組み立て工程に使用するように適応させることができる。
【００２３】
少なくとも１つの電子プロセッサは、時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換するために連続的に作動するように構成することができる。これに代えて、少なくとも１つの電子プロセッサは、ポンプが１又は２以上の予め決められた作動モードで作動している時だけ信号変換を実行することができる。例えば、ポンプが真空ポンプである配置では、少なくとも１つの電子プロセッサは、ポンプが事前定義圧力閾値よりも低いか又は事前定義圧力範囲内で作動している時に信号変換を実行することができる。これに代えて、少なくとも１つの電子プロセッサは、ポンプの作動速度が事前定義速度範囲内であるか又は事前定義速度である時に信号変換を実行することができる。これに代えて、少なくとも１つの電子プロセッサは、ポンプへの電力供給が事前定義電力範囲内であるか又は事前定義電力レベルである時に信号変換を実行することができる。信号パターンは、１又は２以上の予め決められた作動モードに対して定義することができる。モニタ装置は、ポンプが事前定義作動モードにある時を決定するようにポンプコントローラに結合することができる。これに代えて、モニタ装置は、少なくとも１つのポンプモニタセンサからの信号に依存してポンプが事前定義作動モードにある時を決定することができる。
【００２４】
本発明の更に別の態様に鑑みて、電気モータに電流を供給するためのインバータを提供し、インバータは、本明細書に説明するようなポンプモニタ装置を含む。少なくとも１つの電子プロセッサは、インバータ内に組み込むことができる。例えば、少なくとも１つの電子プロセッサは、インバータ制御ユニット内に一体化することができる。この配置では、インバータ制御ユニットは、フーリエ変換のような実時間スペクトル解析アルゴリズムを実施することができる。時間ベースの信号は、少なくとも実質的に実時間でインバータ制御ユニットに送信することができる。
【００２５】
本発明の更に別の態様に鑑みて、本明細書に説明するようなポンプモニタ装置を含むポンプ装置を提供する。ポンプ装置は、電気モータに接続されたインバータを含むことができる。時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換するように構成された少なくとも１つの電子プロセッサは、インバータに配置することができる。例えば、インバータは、インバータ制御ユニットを含むことができる。インバータ制御ユニットは、時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換するように構成された少なくとも１つの電子プロセッサを含むことができる。少なくとも１つの電子プロセッサは、インバータ制御ユニットに埋め込むことができる。少なくともある一定の実施形態では、インバータ制御ユニットは、フーリエ変換のような実時間スペクトル解析アルゴリズムを実施することができる。時間ベースの信号は、少なくとも実質的に実時間でインバータ制御ユニットに送信することができる。
【００２６】
周波数ベースの信号の解析は、インバータ制御ユニット内で実行することができる。これに代えて、インバータ制御ユニットは、解析のために例えばポンプコントローラに周波数ベースの信号を出力することができる。インバータは、ポンプコントローラにリンクすることができ、使用中に、ポンプコントローラは、例えばポンプが１又は２以上の予め決められた作動モードで作動している時に周波数分解を要求することができる。故障診断信号は、周波数ベースの信号の解析に依存して発生させることができる。
【００２７】
本発明の更に別の態様に鑑みて、電気モータを有する真空ポンプをモニタする方法を提供し、本方法は、電気モータの電流を測定して時間ベースの信号を発生させる段階と、時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換する段階と、周波数ベースの信号を処理してポンプ故障条件を表す信号パターンを識別する段階とを含む。
【００２８】
信号パターンは、周波数ベースの信号に事前定義周波数で又は事前定義周波数範囲内で発生する少なくとも１つの信号ピークを含むことができる。
【００２９】
信号パターンは、少なくとも１つの信号ピークに対する振幅を含むことができる。
【００３０】
信号パターンは、ポンプの公知のポンプ故障条件を表す事前定義信号パターンとすることができる。故障診断は、信号パターンに関連付けることができる。本方法は、周波数ベースの信号内で識別された信号パターンに関連付けられた故障診断を出力する段階を含むことができる。
【００３１】
本方法は、ポンプの１又は２以上の作動パラメータを測定する段階と、公知の振動特徴を１又は２以上の作動パラメータと相関させる段階とを含むことができる。
【００３２】
本方法は、時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換するフーリエ変換アルゴリズムを適用する段階を含むことができる。例えば、直接フーリエ変換を時間ベースの信号に適用することができる。
【００３３】
本方法は、処理するための複数のセグメントに時間ベースの信号を分割する段階を含むことができる。セグメントは、時間ベースの信号から周波数ベースの信号に独立に変換することができる。変換されたセグメントは、その後に組み合わせることができる。各セグメントは、事前定義周波数範囲に対応することができる。
【００３４】
信号パターンは、振動特徴に対応することができる。振動特徴は、電気モータ又は電気モータと組み合わせたポンプのものとすることができる。
【００３５】
ポンプは、真空ポンプとすることができる。真空ポンプは、例えば、半導体組み立て工程に使用するために適応させることができる。
【００３６】
本方法は、時間ベースの信号を周波数ベースの信号に連続的に変換する段階を含むことができる。これに代えて、信号変換は、ポンプが１又は２以上の予め決められた作動モードで作動している時だけ実行することができる。信号パターンは、１又は２以上の予め決められた作動モードに対して定義することができる。
【００３７】
本明細書に説明する少なくとも１つの電子プロセッサは、１又は２以上のコントローラに実施することができる。少なくとも１つの電子プロセッサを構成するために、実行された時に少なくとも１つの電子プロセッサをして本明細書で指定する方法を実施させる命令の適切な組を提供することができる。例えば、命令の組は、実行された時に少なくとも１つの電子プロセッサをして本明細書に説明する変換を実施させることができる。命令の組は、１又は２以上の電子プロセッサに適切に埋め込むことができる。これに代えて、命令の組は、少なくとも１つのコンピュータデバイス上で実行されるように１又は２以上のメモリ上に保存されたソフトウエアとして提供することができる。他の適切な配置も使用することができる。
【００３８】
本出願の範囲では、上述の段落に、特許請求の範囲に、及び／又は以下の説明及び図面、特に、その個々の特徴に列挙する様々な態様、実施形態、実施例、及び代替物は、独立に又はいずれかの組合せで取ることができることが明示的に意図されている。すなわち、全ての実施形態及び／又はいずれかの実施形態の特徴は、そのような特徴が適合不能でない限り、あらゆる方法で及び／又は組合せで組み合わせることができる。本出願人は、いずれかの最初に出願したクレームを修正していずれかの新しいクレームを相応に出願する権利をいずれかの最初に出願したクレームを変更してそのような方式では最初に特許請求したものではないいずれかの他のクレームから従属させる及び／又はその特徴を組み込む権利を含んで保有するものである。
【００３９】
ここで、添付の図を参照して本発明の１又は２以上の実施形態を単に一例として以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の態様によるポンプモニタデバイスを組み込むポンプシステムの概略図である。
【図２】図１に示すポンプシステムの固定子電流に依存して発生された第１のパワースペクトル密度スペクトルを示す図である。
【図３】図１に示すポンプシステムの固定子電流に依存して発生された第２のパワースペクトル密度スペクトルを示す図である。
【図４】図１に示すポンプシステムの固定子電流に依存して発生された第３のパワースペクトル密度スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
ここで、本発明の実施形態によるポンプシステム１を図１〜４を参照して以下に説明する。本明細書に説明するように、ポンプシステム１は、自己診断機能を実行するように構成される。
【００４２】
ポンプシステム１は、ポンプ２、インバータ３、及びポンプコントローラ４を含む。本発明の実施形態のポンプ２は、半導体ツール又は類似のものからガスをポンピングするための多段容積式ポンプのような真空ポンプである。しかし、本発明は、特定のタイプのポンプ機構に限定されないことは認められるであろう。ポンプ２は、固定子６及び回転子７を有する電気モータ５を含む。ポンプコントローラ４は、インバータ３に接続され、ヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ）を提供してポンプ２の制御を容易にする。ポンプコントローラ４は、第１の電子プロセッサ８を含む。
【００４３】
インバータ３は、直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換して電気モータ５を給電する、例えば、３相ＡＣ信号を給電するように作動する。インバータ３は、システムメモリ１１に接続された第２の電子プロセッサ１０を有するインバータ制御ユニット９を含む。第２の電子プロセッサ１０は、電流センサ１２及び電子ストレージデバイス１３に接続される。電流センサ１２によって発生される電流信号は、少なくとも実質的に実時間で第２の電子プロセッサ１０に転送することができる。１組の作動命令は、システムメモリ１１に格納され、実行された時に第２の電子プロセッサ１０をして電流センサ１２から受信した時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換させる。第２の電子プロセッサ１０は、規則的時間間隔で電流センサ１２から電気モータ５の固定子電流をサンプリングし、第２の電子プロセッサ１０によって処理するために入力データを発生させるように構成される。本発明の実施形態では、モータ電流のサンプリング速度は、二（２）ミリ秒（ｍｓ）である。本発明の実施形態では、第２の電子プロセッサ１０は、離散型フーリエ変換（ＤＦＴ）を適用することによって少なくとも実質的に実時間で入力データを処理し、電子ストレージデバイス１３に書き込まれる出力データを発生させるように構成される。出力データは、振幅及び周波数データを含む。ＤＦＴは、少なくとも実質的に実時間で入力データを処理し、従って、入力データを格納する必要はない。変形では、入力データは、時間ベースの信号として電子ストレージデバイス１３に任意的に書き込むことができる。入力データは、処理するために第２の電子プロセッサ１０によって読み取ることができる。例えば、第２の電子プロセッサ１０は、計算が完了するまで入力及び出力データセットの両方を格納する電子ストレージデバイス１３を使用して標準前方フーリエ変換を実施することができる。電子ストレージデバイス１３は、例えば、フラッシュメモリの形態とすることができる。
【００４４】
第２の電子プロセッサ１０は、時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換するように構成される。本発明の実施形態では、第２の電子プロセッサ１０は、ＤＦＴアルゴリズムを実施して周波数ベースの信号を発生させる。周波数ベースの信号は、振幅対周波数を含むモータ固定子電流のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）スペクトルの形態にある。パワースペクトル密度は、時間ベースの固定子電流測定値がどのように周波数範囲にわたって分配されるかを説明する。ナイキスト−シャノン定理により、分解することができる最大周波数は、サンプリング間隔の半分であり、従って、より高いサンプリング間隔は、より高い周波数を分解することを可能にする。上で概説したように、モータ電流のサンプリング速度は二（２）ミリ秒であり、従って、本発明の実施形態の周波数範囲は、０〜２５０Ｈｚである。指定周波数範囲（０〜２５０Ｈｚ）が特定のポンプ機構に対して定められ、様々な周波数範囲を様々なポンプ機構に対して選択することができる。異なるポンプ機構に対して、より高い周波数範囲は、対応するサンプリング速度の増加を用いてモニタすることができる。パワースペクトル密度は、Ｘ軸上の周波数（Ｈｚ）と共にＹ軸上の振幅としてグラフ形態で表すことができる。
【００４５】
ＤＦＴアルゴリズムは、入力データを受信すると各新しい入力サンプルで出力データセットを更新する。出力の各々が更新された状態で、入力サンプルを廃棄することができる。出力データセットを構築するのにＤＦＴアルゴリズムが必要とする実行時間及びストレージ空間は、出力点の数、すなわち、振幅を計算する周波数の数に比例することは認められるであろう。本発明の実施形態では、解析すべき周波数範囲は、０．１Ｈｚの分解能でＤＣ〜２５０Ｈｚである（２５００出力点に対応する）。第２の電子プロセッサ１０は、入力データを複数の入力データに分割するように構成され、各入力データセグメントは、解析すべき周波数範囲のサブセクションに対応する。各反復又はパスを周波数範囲のサブセクションに関して実施するように、入力データの各入力データセグメントに対してＤＦＴアルゴリズムを繰り返す。入力データセグメントは、各々が解析のための単一周波数点に関連している。しかし、本発明の実施形態では、各入力データセグメントは、解析のために約１００周波数点に関連している。ＤＦＴアルゴリズムは、第２の電子プロセッサ１０によって適用されて複数の出力データセグメントを発生させる。各出力データセグメントは、周波数範囲のサブセクションに対応する。第２の電子プロセッサ１０は、出力データセグメントをポンプコントローラ４の第１の電子プロセッサ８に出力する。第１の電子プロセッサ８は、複数の出力データセグメントを受信して累積出力データセットを発生させる。累積出力データセットは、全振幅対周波数スペクトル範囲（ＤＣ〜２５０Ｈｚ）を網羅する。第１の電子プロセッサ８は、第２の電子プロセッサ１０と通信してある一定の作動条件を満たす時だけ１又は２以上の出力データセグメントを出力することを要求するように構成することができる。例えば、第１の電子プロセッサ８は、ポンプ２が定められた圧力で又は定められた圧力範囲で作動している時だけ１又は２以上の出力データセグメントを要求することができる。作動条件は、制御入力又は圧力のような測定パラメータに依存して決定することができる。作動条件を満たさない時に計算した出力データセグメントは、廃棄することができる。
【００４６】
ポンプシステム１に存在する振動の全ての発生源は、例えば、負荷トルク及びシャフト速度変動を通して電気モータ５に影響を与えることが認識されている。振動を駆動するのに必要なエネルギは、電気モータ５によって提供されているべきであり、必然的にその電力特徴に変換される。ポンプシステム１内のあらゆる振動は、モータ電流に特徴的信号パターンを確立することになる。電気モータ５の異なる作動特性は、パワースペクトル密度に様々な信号パターンを生じることになる。１又は２以上の特徴的信号パターンを識別するためにパワースペクトル密度を解析することにより、異常作動を生じる場合があるポンプ２内のポンプ故障条件（又は潜在的ポンプ故障条件）を識別することができる。信号ピーク（すなわち、比較的大きい上向き又は下向き振幅変化）が発生する周波数、及び／又は信号ピークの振幅を使用して、ポンプシステム１の特定の振動特徴を識別することができる。一例として、特定の周波数での（又は定められた周波数範囲内での）信号ピークは、電気モータ５の特定の振動特徴を示すことができる。振動特徴は、例えば、電気モータ５内の偏心又は電気モータ５内のトルク振動の結果とすることができる。振動特徴に関連付けられた信号パターンを識別することにより、ポンプ２のポンプ故障条件を識別又は予想することができる。第２の電子プロセッサ１０は、それによって自己診断機能を提供することができる。
【００４７】
第２の電子プロセッサ１０は、パワースペクトル密度を例えばシリアルリンク上で第１の電子プロセッサ８に出力するように構成される。第１の電子プロセッサ８は、パワースペクトル密度を解析して電気モータ５の特定の振動特徴を示す１又は２以上の事前定義信号パターンを識別する。例えば、第１の信号パターンは、偏心による電気モータ５の振動特徴に対応することができ、第２の信号パターンは、トルク振動による電気モータ５の振動特徴に対応することができる。１又は２以上の信号パターンは、（ａ）信号ピークの存在（又は不在）が振動特徴を示す周波数（又は周波数範囲）、及び／又は（ｂ）例えば、離散値、最小閾値として、又は範囲として定められる信号ピークに対する振幅を指定する。信号パターンは、１よりも多い信号ピークを定義することができることは認められるであろう。例えば、電気モータ５の履歴作動データに基づいて周波数及び／又は振幅を動的に発生させることができ、又は例えば実証的分析に基づいて事前定義することができる。
【００４８】
パワースペクトル密度の解析に依存して、ポンプコントローラ４は、自己診断を実行して現存の又は予想される故障を識別することができる。第１の電子プロセッサ８は、通知又は警報をオペレータに出力して例えば故障コードを表示することができる。第１の電子プロセッサ８は、周波数ベースの信号の解析に依存して故障診断信号を出力することができる。
【００４９】
パワースペクトル密度を処理することにより、第１の電子プロセッサ８は、トルク振動、不均衡、前進抵抗／目詰まり／滑り、シャフト位置合わせ、ギアボックス故障、偏心度、逃げ、軸受摩耗、製造エラー／ドリフト、電気的故障、巻線不均衡（例えば、巻回間の短絡による）のような固定子巻線故障、破損回転子バー、破損エンドリング、及びモータ回転子故障のうちの１又は２以上に対応するポンプ故障条件を識別することができる。
【００５０】
第２の電子プロセッサ１０は、電流センサ１２からの出力にのみ依存してポンプ２内の故障を診断及び／又は予想することができる。これは、電気モータ５の振動をモニタするのに追加センサを必要とする従来技術の装置に勝る特定の利点である。本発明の実施形態の変形において、第２の電子プロセッサ１０は、任意的に、異なるセンサから信号を受信して追加のポンプ作動パラメータを決定するように構成することができる。温度センサは、電気モータ５の温度を測定して作動温度信号を第２の電子プロセッサ１０に出力するために設けることができる。圧力センサは、ポンプ２からの排出（出口）圧力を測定して作動圧力信号を第２の電子プロセッサ１０に出力するために設けることができる。第２の電子プロセッサ１０は、ポンプ作動パラメータをパワースペクトル密度スペクトルを処理した結果と相関させることができる。この手法は、例えば、振動特徴間で区別するために、ポンプ２内のポンプ故障条件の診断及び／又は予想を容易にすることができる。
【００５１】
ここで、本発明の実施形態によるポンプシステム１の作動を図２、３、及び４を参照して以下に説明する。特に、一連のパワースペクトル密度スペクトルに存在する事前定義信号パターンを識別する第２の電子プロセッサ１０の作動をここに説明する。類似の参照番号がそれぞれのパワースペクトル密度スペクトルにおいて類似の特徴に対して使用されるが、明瞭化のために各図では１１０ずつ増分されている。
【００５２】
第１のパワースペクトル密度スペクトル１００が、一例として図２に示されている。第１の周波数ベースの信号１０５が、ポンプ２の通常作動に対して示されている。第１の周波数ベースの信号１０５は、電気モータ５の標準振動特徴を表す第１のピーク１１０を含む。第２の周波数ベースの信号１１５は、ポンプの異常作動を表している。第１のピーク１１０は、第２の周波数ベースの信号１１５に存在するが、振幅は有意に増加している。ポンプ故障条件を識別又は予想するために、第２の電子プロセッサ１０は、パワースペクトル密度スペクトルを解析して、第２のピーク１２０の大きさが第１の事前定義閾値Ｔ１よりも大きいかを決定する。
【００５３】
第２のパワースペクトル密度スペクトル２００が、一例として図３に示されている。第１の周波数ベースの信号２０５は、電気モータ５の標準振動特徴を表している。第１の周波数ベースの信号２０５は、第１のピーク２１０（約２０Ｈｚでの）及び第２のピーク２１５（約２５Ｈｚでの）を含む。第２の周波数ベースの信号２２５は、ポンプ２の異常作動を表している。第２の周波数ベースの信号２２５は、第１のピーク２１０’（約２０Ｈｚでの）、第２のピーク２１５’（約２５Ｈｚでの）、及び第３のピーク２２０’（約２３Ｈｚでの）を含む。第２の周波数ベースの信号２２５内の第１及び第２のピーク２１０’、２１５’の振幅は、第１の周波数ベースの信号２０５に存在するものと実質的に同じである。しかし、第３のピーク２２０’は、第２の周波数ベースの信号２２５だけに存在する。ポンプ故障条件を識別又は予想するために、第１の電子プロセッサ８は、パワースペクトル密度スペクトルを解析して、第３のピーク２２０’が事前定義周波数（本発明の実施形態では約２３Ｈｚ）で存在しているかを決定する。第３のピーク２２０’が識別された場合に、第１の電子プロセッサ８は、ポンプ２に対して対応するポンプ故障条件を診断又は予想する。
【００５４】
第３のパワースペクトル密度スペクトル３００が、一例として図４に示されている。第１の周波数ベースの信号３０５は、電気モータ５の標準振動特徴を表している。第１の周波数ベースの信号３０５は、第１のピーク３１１、３１０（約４０Ｈｚでの）を含む。第２の周波数ベースの信号３２５は、ポンプ２の異常作動を表している。第２の周波数ベースの信号３２５は、第１のピーク３１０’（約４０Ｈｚでの）及び第２のピーク３１５’（約３１Ｈｚでの）を含む。第２の周波数ベースの信号３２５内の第１のピーク３１０’の振幅は、第１の周波数ベースの信号３０５に存在するものと実質的に同じである。しかし、第２のピーク３１５’は、第２の周波数ベースの信号３２５だけに存在する。ポンプ故障条件を識別又は予想するために、第１の電子プロセッサ８は、パワースペクトル密度スペクトルを解析して、第２のピーク３１５’が事前定義周波数（本発明の実施形態では約３１Ｈｚ）で存在しているかを決定する。第２のピーク３１５’が識別された場合に、第１の電子プロセッサ８は、ポンプ２に対して対応するポンプ故障条件を診断又は予想する。
【００５５】
ポンプシステム２の実施形態は、周波数ベースの信号を発生させるフーリエ変換の用途を説明した。代替解析技術を使用して時間ベースの信号を周波数ベースの信号に変換することができることは認められるであろう。一例として、適切な数学的変換は、Ｈａｒｔｌｅｙ、Ｓｉｎ／Ｃｏｓなどを含む。
【００５６】
本出願の範囲から逸脱することなく本明細書に説明するポンプシステム１に対して様々な変更及び修正を行うことができることは認められるであろう。本明細書に説明する実施形態では、パワースペクトル密度は、第２の電子プロセッサ１０によって発生され、次に解析のために第１の電子プロセッサ８に出力される。これらの機能は、両方とも第１の電子プロセッサ８又は第２のプロセッサ１０に関わらず同じプロセッサによって実行することができるであろう。これに代えて、離散診断ユニットを使用して、パワースペクトル密度を発生させて関連の解析を実行することができると考えられる。
【符号の説明】
【００５７】
１  ポンプシステム
２  ポンプ
３  インバータ
４  ポンプコントローラ
８、１０  電子プロセッサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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