Determination of Shaft Rotation Angle from Accelerations of the Wireless Sensor by the Novel Numerical Method

Abstract

The scheduled maintenance allows us to prevent breakdowns and unplanned downtime of equipment but limits the flexibility of manufacturing systems. On the other hand, condition monitoring concept enhances the manufacturing systems flexibility but requires reliable diagnostic information in real-time. Modern technologies, e.g., wireless power and Industrial Internet of Things (IIoT), allow implementing high-sensitivity sensors such as the Wireless Acceleration Sensor (WAS) for condition monitoring. The WAS is mounted on a machinery rotating shaft and the WAS measures angular, linear accelerations and angle of the shaft simultaneously. Moreover, the WAS contains a high-performance microcontroller, which allows processing measured data and estimating machinery condition in real-time. However, the accuracy of the angle measurement by the WAS significantly affects the accuracy of linear accelerations measurement by the WAS. In this paper, the authors propose the novel numerical method which allows us to measure accurately of a rotation angle and linear accelerations of the shaft. The method is based on a regularization technique and application of finite-difference equations. Besides, the study shows the results of simulation at applying the numerical method to calculate the rotation angle of the shaft using measurement data, which contain noise, obtained from the wireless accelerations sensor. The simulation results show that the numerical method effectively determines the rotating angle and the method is robust to noise. Хотя плановое регламентное техническое обслуживание позволяет предотвратить выход из строя и незапланированные простои оборудования, такой подход ограничивает гибкость производственных систем. С другой стороны, концепция технического обслуживания по состоянию повышает гибкость производственных систем, однако требует надежной диагностической информации в режиме реального времени. Современные технологии, например, беспроводная передача энергии и концепция индустриального интернета вещей расширяют воз- можности существующих решений, а также позволяют реализовать новые высокочувствительные датчики для технического контроля, такие как беспроводной датчик ускорений, который закрепляют непосредственно на вращающемся валу механизма. Такой беспроводной датчик одновременно измеряет угловое и линейные ускорения вала, а также мгновенный угол его поворота. Кроме того, беспроводной датчик содержит высокопроизводительный микроконтроллер, который позволяет обрабатывать измеренные данные в режиме реального времени и, таким образом, оценивать состояние узла механизма. Однако точность измерения угла поворота вала беспроводным датчиком ограничивает точность его измерений линейных ускорений вала. В этой статье авторы предлагают новый численный метод, который позволяет повысить точность измерения угла поворота и линейных ускорений вала. Метод основан на методе регуляризации и применении конечно-разностных уравнений. Кроме того, в исследовании показаны результаты применения численного метода для расчета угла поворота вала из моделированных сигналов беспроводного датчика ускорений, содержащих шум. Результаты моделирования показывают, что численный метод эффективно определяет угол поворота и, более того, метод устойчив к шуму.