Методи і засоби для дослідження об’єктів, що обертаються, за тепловими полями

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

УДК 621.384.3

МЕТОДИ І ЗАСОБИ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ОБ'ЄКТІВ, ЩО ОБЕРТАЮТЬСЯ, ЗА ТЕПЛОВИМИ ПОЛЯМИ

Спеціальність: 05.11.04 - Прилади та методи вимірювання теплових величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Грабко Валентин Володимирович

Львів - 2007



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Мокін Борис Іванович, Вінницький національний технічний університет, професор кафедри моделювання та моніторингу складних систем

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Стороженко Володимир Олександрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри фізики

кандидат технічних наук, доцент Гриневич Богдан Юрійович, Національний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри метрологія, стандартизація і сертифікація

Захист відбудеться “ 21 ” вересня 2007 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Ст. Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “ 18 ” серпня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Я.Т. Луцик



АНОТАЦІЯ

Грабко В.В. Методи і засоби для дослідження об'єктів, що обертаються, за тепловими полями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.04 - Прилади та методи вимірювання теплових величин. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2007.

Дисертація присвячена питанню підвищення точності та розширення функціональних можливостей тепловізійних пристроїв за рахунок удосконалення їхніх елементів та структур. Розроблено математичні моделі тепловізійних засобів для діагностування об'єктів, що обертаються, математичну модель для врахування впливів зовнішніх факторів при тепловізійних вимірюваннях, математичну модель для оцінки місця пошкодження ізоляції статора чи ротора електричних машин в процесі їх роботи. Удосконалено метод синтезу структурних схем тепловізійних пристроїв та елементів, що дозволяють коригувати вплив навколишнього середовища на тепловізійні вимірювання.

Запропоновано мікропроцесорні реалізації тепловізійних пристроїв для вимірювання температури об'єктів, що обертаються, мікропроцесорну реалізацію пристрою для вимірювання температури роторів електричних машин, а також алгоритми їх роботи.

Методи і технічні засоби пройшли промислову апробацію і впроваджені на підприємстві ВАТ “Західенерго” - Ладижинська ТЕС, ТОВ “Науково-технічний центр “КріонІК” (м. Харків).

Ключові слова: тепловізійна діагностика, математична модель, електричні машини, електроенергетичне обладнання, неруйнівний контроль.



АННОТАЦИЯ

Грабко В.В. Методы и средства для исследования вращающихся объектов по их тепловым полям. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04 - Устройства и методы измерения тепловых величин. - Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2007. електричний ізоляція тепловізійний вимірювання

Диссертация посвящена вопросу повышения точности и расширения функциональных возможностей тепловизионных устройств за счет улучшения их элементов и структур.

Обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы; представлены сведения об апробации, публикациях и реализации работы.

Проведен анализ существующих методов и средств тепловизионного диагностирования электрооборудования и вращающихся объектов, что позволило определить основные недостатки существующих разработок и обосновать необходимость поиска новых решений в этой области.

Разработаны математические модели устройств для тепловизионного диагностирования вращающихся объектов, математическая модель, учитывающая внешние воздействия на тепловизионные измерения, а также математическая модель для нахождения возможных повреждений изоляции обмоток электрических машин в процессе их работы.

Разработанные математические модели позволяют повысить качество тепловизионной диагностики электрооборудования.

Доказана адекватность предложенных математических моделей.

Для синтеза структурных схем систем регулирования напряжения применен метод синтеза на основе математического аппарата секвенций. В соответствии с методом по математическим моделям построены графы функционирования систем, выполнены и минимизированы секвенционные описания графов.

Показано, что минимизированные выражения позволяют не только перейти к структурным схемам устройств, но и получить формализованные алгоритмы роботы систем регулирования напряжения. Причем такие алгоритмы содержат минимизированное количество шагов и удобны для программирования цифровых устройств.

Предложена техническая реализация разработанных в виде структуры тепловизионного микропроцессорного устройства для измерения температуры вращающихся объектов, а также устройства для измерения температуры роторов электрических машин. Разработаны алгоритмы работы каждого из устройств.

Проведена оценка ошибок первого и второго рода при определении температуры точек теплового портрета электрооборудования.

Разработанные методы и технические средства прошли промышленную апробацию и внедрены на предприятиях ОАО “Западэнерго” - Ладыжинская ТЭС, ООО “Научно-технический центр “КрионИК” (г. Харьков).

Ключевые слова: тепловизионная диагностика, математическая модель, электрические машины, электроэнергетическое оборудование, неразрушающий контроль.



ABSTRACT

Valentyn V. Grabko. Methods and facilities for rotating objects analysis by thermal fields. - Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of candidate of technical sciences on the specialty 05.11.04 - Devices and Methods for thermal values measuring. - National University “Lviv Politechnics”, Lviv, 2007.

The thesis considers the questions of accuracy improvement and thermal viewing devices functional abilities widening due to their elements' and structures' improvement. There had been developed the mathematical models of thermal viewing devices for rotating objects diagnosing. There had been also developed the mathematical models both for considering external factors influence under the thermal viewing measurements and for failure location evaluation of electrical machines stator and rotor insulation under the operation. There had been improved the method for synthesis of structural diagrams of thermal viewing devices and elements, which allow to make correction of environment influence on thermal viewing measurements.

The microprocessor realization of thermal viewing devices for measuring the temperature of rotating devices as well as the temperature of electrical machines rotor's had been suggested. There had been also suggested algorithms of their functioning.

Methods and technical equipment were industrially tested on joint-stock company “Zahidenergo” - Ladyzhyns'ka TES and Ltd. “Scientific and technical center “KrionIK”.

Keywords: thermal diagnosing, mathematical model, electrical machines, electro energetic equipment, non-destructive control.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для діагностування електрообладнання застосовуються різні методи та засоби. Як показує досвід, не існує єдиних підходів до визначення технічного стану того чи іншого виду електрообладнання. В деяких випадках таке діагностування взагалі здійснити неможливо.

Відомо, що в багатьох випадках для визначення технічного стану електрообладнання необхідно виводити з роботи. Одним із підходів до діагностування електрообладнання, який особливо інтенсивно розвивається в останні роки, є застосування тепловізійних методів визначення технічного стану електрообладнання. Переваги такого підходу очевидні, оскільки тепловізійні методи придатні для виявлення дефектів будь-якого електрообладнання дистанційно та без виведення його з роботи. Але на тепловізійні вимірювання мають вплив фактори навколишнього середовища, які спотворюють загальну інформацію про тепловий портрет об'єкта дослідження, а отже і про його технічний стан. До таких факторів впливу відносяться температура навколишнього середовища, швидкість вітру, вологість, прозорість середовища тощо.

Тепловізійні обстеження електричних машин в процесі їх роботи мають специфічний характер. Очевидно, що теплове поле ротора, що обертається, неможливо отримати за допомогою звичайних тепловізійних засобів, які дозволяють вимірювати статичні теплові поля.

Крім того, в процесі роботи електричних машин навіть при наявності спеціальних тепловізійних засобів неможливо отримати інформацію про дефекти, що розвиваються в обмотках електричних машин в точках, недоступних безпосередньо для тепловізійного вимірювання.

Вказані проблеми обумовлюють актуальну наукову задачу - підвищення точності та розширення функціональних можливостей тепловізійних пристроїв за рахунок удосконалення їхніх елементів та структур.

Дослідженню та створенню методів та засобів тепловізійного діагностування присвячена велика кількість робіт, авторами яких є Стороженко В.О., Воронов С.О., Мокін Б.І., Власов А.Б., Аракелян В.Г., Вавілов В.П., Клюєв В.В., Порєв В.О., Рапопорт Д.А. та багато інших.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, що проводились протягом 2003-2007 років. Науково-дослідна робота проводилась відповідно до наукового напрямку кафедри “Розробка математичних методів та моделей процесів, що протікають в енергетичних, електромеханічних та екологічних системах, синтез інформаційно-вимірювальних систем автоматичного і автоматизованого керування цими процесами” у ролі виконавця за держбюджетною темою №2902 “Розробка математичних моделей і засобів підвищення надійності систем контролю та керування в електроенергетиці”, номер державної реєстрації 0104U010158, у ролі відповідального виконавця за госпдоговірною темою №2904 “Розробка методики тепловізійного контролю силового електрообладнання під дією зовнішніх чинників”, номер державної реєстрації 0106U007062, та у ролі відповідального виконавця за держбюджетною темою №2905 “Розробка математичних моделей і засобів підвищення надійності та енергозбереження в транспортних системах”, номер державної реєстрації 0107U002089.

Мета і завдання дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є підвищення точності та розширення функціональних можливостей тепловізійних пристроїв за рахунок удосконалення їхніх елементів та структур.

Для досягнення мети необхідно розв'язати такі задачі:

проаналізувати існуючі методи і засоби тепловізійного діагностування електрообладнання;

проаналізувати існуючі методи і засоби тепловізійного діагностування об'єктів, що обертаються, зокрема електричних машин;

розробити математичні моделі тепловізійних засобів для діагностування об'єктів, що обертаються;

розробити математичну модель для врахування впливів зовнішніх факторів при тепловізійних вимірюваннях;

розробити математичну модель для оцінки місця пошкодження ізоляції статора чи ротора електричних машин в процесі їх роботи;

синтезувати структурні схеми тепловізійних пристроїв та елементів, що дозволяють коригувати вплив навколишнього середовища на тепловізійні вимірювання;

розробити алгоритми та функціональні схеми мікропроцесорних засобів для тепловізійного діагностування електрообладнання;

оцінити похибку вимірювань синтезованих пристроїв.

Об'єктом дослідження є процеси тепловізійних вимірювань та структури тепловізійних пристроїв для діагностування електрообладнання.

Предметом дослідження є елементи структур тепловізійних пристроїв.

Методи дослідження. В дисертації для вирішення і аналізу поставлених задач використані такі методи дослідження: методи теорії кінцевих автоматів, технічної діагностики, теорії нечітких множин, генетичних алгоритмів, теорії ймовірностей, аналітичні можливості комп'ютерної алгебри.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

Розроблено математичні моделі тепловізійних пристроїв, які, на відміну від відомих, дозволяють підвищити точність відображення теплових портретів об'єктів, що обертаються;

Вперше розроблено математичну модель на основі теорії нечітких множин для врахування впливу зовнішніх факторів на тепловізійні дослідження, що дозволяє підвищити точність тепловізійних вимірювань;

Вперше розроблено математичну модель для тепловізійного діагностування стану ізоляції статорів та роторів електричних машин в процесі їх роботи, що дозволяє на працюючому обладнанні в місцях, недоступних для тепловізійного спостереження, визначати стан ізоляції електричних машин;

Дістав подальший розвиток метод синтезу структурних схем тепловізійних пристроїв на основі математичного апарату секвенцій, що дозволяє за мінімізованими виразами безпосередньо реалізувати структури тепловізійних пристроїв та їх елементів.

Практичне значення одержаних у роботі результатів полягає в наступному:

Розроблені структурні схеми елементів та тепловізійних пристроїв, які, на відміну від відомих, дозволяють коректно сканувати та відтворювати теплові портрети об'єктів, що обертаються, що дає можливість підвищити точність відтворення теплового портрета об'єкта дослідження і, як наслідок, підвищити точність його діагностування;

Розроблено структуру пристрою, який дозволяє коригувати значення температури теплового портрета об'єкта в залежності від впливу зовнішніх факторів, що дозволяє підвищити точність вимірювання теплового поля об'єкта дослідження та точність його діагностування;

Розроблено алгоритми та функціональні схеми мікропроцесорних засобів, які мають розширені функціональні можливості та дозволяють здійснювати тепловізійне діагностування електрообладнання, в т.ч. об'єкти, що обертаються, що в свою чергу дозволяє з високою достовірністю визначати технічний стан електрообладнання.

Результати, отримані в дисертаційній роботі, впроваджено на підприємстві ВАТ “Західенерго” - Ладижинській ТЕС, ТОВ “Науково-технічний центр “КріонІК” (м. Харків) та в навчальний процес Вінницького національного технічного університету.

Підтвердженням впровадження результатів дисертаційної роботи є наявність відповідних актів.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Запропонована математична модель [3] та здійснена її реалізація в середовищі Matlab 6.5 Fuzzy Toolbox [15] для визначення на основі теорії нечітких множин коригувального коефіцієнта, яким враховуються фактори зовнішнього впливу при тепловізійних обстеженнях, розроблена математична модель та виконана технічна реалізація тепловізійного пристрою для обстеження статорів потужних електричних машин на стадії ремонту [4], запропонована математична модель [6] тепловізійного пристрою для діагностування об'єктів, що обертаються, та здійснена його мікропроцесорна реалізація [17]. У роботах, опублікованих у співавторстві, автором запропоновано метод [13], математичну модель [2] та структуру тепловізійного пристрою [1], які дозволяють відновлювати теплове зображення об'єкта у випадку неспівпадання його геометричної вісі з віссю тепловізійного пристрою, запропоновано метод врахування факторів зовнішнього впливу при тепловізійних вимірюваннях, оснований на використанні апарату теорії нечітких множин [14], математичну модель, налагодження якої здійснено за допомогою генетичних алгоритмів [5] та викладені особливості побудови цієї математичної моделі [16]. У роботах [7 - 12], які опубліковано, як самостійно, так і у співавторстві, автором запропоновані компоненти структур тепловізійних пристроїв для діагностування об'єктів, що обертаються.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати виконаних у дисертації досліджень доповідались та обговорювались на VІІ Міжнародній конференція “Контроль і управління в складних системах” (Вінниця, 2003 р.), XI Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика” (Крим, 2003 р.), 3-й Всеукраїнській науково-технічній конференції “Фізичні процеси та поля технічних і біологічних об'єктів” (Кременчук, 2004 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (Кременчук, 2005 р.), XII Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика”, VІІІ Міжнародній конференція “Контроль і управління в складних системах”, Міжнародній науково-технічній конференції “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації”, XIII Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика”, XIII Міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика-2006”, VI науково-технічній конференції “Приладобудування: стан і перспективи”, щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області на базі ВНТУ в 2004-2007 роках.

Публікації. Основний зміст роботи опублікований у 17 друкованих працях, у тому числі 6 статей у наукових фахових журналах, що входять до переліку ВАК України, 5 тез доповідей у збірках праць науково-технічних конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (190 найменувань), восьми додатків. Основний зміст викладений на 144 сторінках друкованого тексту, містить 48 рисунків, 3 таблиці. Загальний обсяг роботи 184 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Вказано мету та задачі досліджень. Приведено характеристику наукової новизни та практичного значення одержаних результатів, а також описано їх апробацію, публікації та впровадження.

У першому розділі проведено огляд та аналіз існуючих методів та засобів тепловізійного діагностування силового електрообладнання. Визначено, що під час тепловізійного діагностування силового електрообладнання проблема впливу зовнішніх чинників або взагалі не вирішувалась, або вирішувалась не в повній мірі. В останньому випадку врахування впливу зовнішніх чинників здійснювалось з використанням складних розрахунків, що призводило до значних затрат часу та низької ефективності тепловізійного діагностування. Проаналізовано методи і засоби тепловізійного діагностування об'єктів, що обертаються, під час роботи. Визначено, що сучасні тепловізори не дозволяють коректно відтворювати тепловий портрет, зокрема електричних машин в процесі їх роботи, а тому застосування тепловізорів спеціального призначення є перспективним напрямком розвитку діагностування об'єктів, що обертаються, під час роботи. На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми здійснено класифікацію існуючих тепловізійних засобів, сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі розроблені математичні моделі пристроїв для діагностування об'єктів, що обертаються, математична модель для врахування факторів зовнішнього впливу під час тепловізійних вимірювань, що налагоджена за допомогою генетичних алгоритмів та математична модель для діагностування стану ізоляції об'єкта, що обертається, за його тепловим станом. Математична модель тепловізійного пристрою, швидкість сканування поля якого наближається до швидкості об'єкта, має вигляд де n - кількість точок сканування об'єкта діагностування вздовж одного радіусу в полярній системі координат; m - кількість радіусів, які мають місце для повної розгортки кругового зображення досліджуваного об'єкта; N - загальна кількість точок поля, щ_кд - кутова швидкість крокового двигуна (КД); щ₁ - кутова швидкість КД, коли об'єкт діагностування знаходиться в нерухомому стані; щ_об - кутова швидкість досліджуваного об'єкта; f_кд - частота імпульсів, що подаються на КД; f_G - частота імпульсів генератора, з якою скануються всі точки об'єкта дослідження; в - розмір сектора сканування.

Для відновлення зображення теплового поля об'єкта діагностування запропонована математична модель формування кругового зображення теплового портрета радіусом a за його спотвореним еліпсоподібним зображенням у разі неспівпадання при скануванні об'єкта геометричних осей тепловізійного пристрою та об'єкта дослідження у відповідності до формули

(2)

де b - менша напіввісь еліпса; r - “радіус” еліпса, довжина якого змінюється в залежності від значення кута .

Запропонована апроксимація елементів теплового поля об'єкта дослідження на основі метода найменших квадратів з використанням зовнішнього критерію Івахненко.

Для сканування об'єктів зі швидкістю, що перевищує кутову швидкість останніх, з метою побудови теплових полів об'єктів, які обертаються в широкому діапазоні швидкостей, розроблена математична модель тепловізійного пристрою, яка має вигляд

(3)

де Дщ - кутова швидкість КД, коли об'єкт діагностування знаходиться в нерухомому стані, Дf - частота імпульсів керування КД, коли об'єкт дослідження знаходиться в нерухомому стані.

В роботі пропонується математична модель, що основана на методах нечіткої логіки, яка дозволяє вводити ваговий коефіцієнт для коригування значень теплового портрета досліджуваного об'єкта, отриманого під впливом зовнішніх чинників. Моделлю враховуються 6 основних параметрів навколишнього середовища - температура навколишнього середовища, вологість повітря, швидкість вітру, дальність видимості (прозорість середовища), сонячна активність та відносна висота сонця над горизонтом, які впливають на процес тепловізійних вимірювань.

Запропонована методологія дозволяє враховувати і інші зовнішні чинники шляхом збільшення розміру вказаної математичної моделі.

Кожному сполученню значень параметрів ставиться у відповідність одне із значень вагового коефіцієнта .

де d₁ - найменше значення коригувального коефіцієнта, а м(x_i), - терми лінгвістичних змінних, якими враховуються зовнішні чинники і функції належності яких мають вигляд типу функції Гауса.

Фіксуючи конкретні вхідні параметри моделі та застосовуючи запропоновану модель, визначаємо чітке значення вагового коефіцієнта, за яким здійснюється коригування теплового портрета об'єкта з врахуванням факторів зовнішнього впливу.

Для налагодження запропонованої моделі застосовано генетичний алгоритм, який при наявності вибірки дозволяє зменшити похибку вимірювання теплового портрета об'єкта дослідження.

Також запропоновано математичну модель для оцінки місця можливого пошкодження ізоляції обмотки в пазах статора чи ротора електричної машини в процесі її роботи за виміряними значеннями температури кінців провідників, що виходять на лобові частини електричної машини.

Оскільки відомими є значення температури t₁, виміряне на умовному початку провідника (x₁ = 0), значення температури t₂,виміряне на кінці провідника (x₂ = l), значення температури t₃, виміряне на відстані д від початку провідника (x₃ = д), та значення температури t₄, виміряне на відстані д від кінця провідника (x₄ = l - д), то знаходження координати пошкодження ізоляції можна оцінити за формулою



У разі, якщо відомі лише три значення температури, координата місця можливого пошкодження буде визначатись так

У третьому розділі обґрунтовано вибір математичного апарату секвенцій для синтезу цифрових компонент структурних схем пристроїв тепловізійного діагностування об'єктів, що обертаються. На рис. 1 наведено граф функціонування синхронізатора пристрою для вимірювання теплового поля об'єктів, що обертаються, у відповідності з математичною моделлю (1).

Z - сигнал з виходу компаратора, що свідчить про обертання або нерухомий стан об'єкта діагностування; K - сигнал з блока запуску, який дозволяє зчитування теплового поля об'єкта; B - сигнал збільшення або зменшення швидкості обертання досліджуваного об'єкта;

Y₁ - Y₃ - вихідні сигнали, які відповідають швидкостям обертання об'єкта діагностування від найменшої до найбільшої; Y₄ - вихідний сигнал, який відповідає нерухомому об'єкту.

Даному графу відповідає секвенційний опис, який після мінімізації приймає вигляд (7), в якому тригер T₁ реалізує генератор тактових імпульсів з часовими затримками ф₁ і ф₂, тригери T₃ - T₅ забезпечують вибір режиму обертання КД, а тригери T₇ - T₉ забезпечують зміну швидкості обертання КД, тригер Т₆ - забезпечує обертання КД, коли об'єкт нерухомий, ф₃, ф₅, ф₇, ф₉ - тривалості імпульсів, ф₄, ф₆, ф₈, ф₁₀ - тривалості пауз між імпульсами, причому ф₁ = ф₂, ф₃ < ф₄, ф₅ < ф₆, ф₇ < ф₈, ф₉ < ф₁₀, (ф₃ + ф₄) < (ф₉ + ф₁₀) < (ф₁ + ф₂).

Зазначимо, що S_i, стани, якими характеризується робота синхронізатора під дією зовнішніх сигналів.

На основі цієї системи секвенцій синтезована структурна схема синхронізатора пристрою для вимірювання теплового поля об'єктів, що обертаються, за якою здійснена реалізація структури тепловізійного пристрою для дослідження об'єктів, що обертаються.

Таким чином сканується теплове поле нерухомого досліджуваного об'єкта.

Електричні сигнали, амплітуди яких пропорційні температурі елементарних участків поверхні об'єкта, з виходів ІЧ приймача 1 надходять у буферний регістр 19, з якого інформація в комутаторі 20 перетворюється в послідовний код та через блоки 34 і 35 надходить в ЕОМ для подальшої обробки.

Одночасно отримана інформація виводиться на екран ВКБ 33, зображення на якому формується при наявності інформаційного сигналу, двох сигналів розгортки та сигналів синхронізації. Сигнали розгортки створюються за допомогою генератора напруги, що змінюється ступінчасто, 30, керованих підсилювачів 31 та 32 і ПЗБ 29. Коефіцієнти підсилення керованих підсилювачів 31 та 32 від ПЗБ 29 задаються так, що на їх виходах формуються сигнали, пропорційні R_isin_j та R_icos_j відповідно, де R_i - радіус, _j - кут координати елементарного участка поверхні об'єкта діагностування в полярній системі координат. Очевидно, що , . Зміна коефіцієнтів підсилення ПЗБ 29 забезпечується зміною кодів з виходу лічильника імпульсів 26, коефіцієнт перерахунку якого дорівнює m і керування яким здійснюється через елементи І 22 та 24.

В разі неможливості суміщення оптичної осі тепловізійного пристрою та геометричної вісі об'єкта дослідження відновлення зображення на екрані ВКБ 33 здійснюється за математичною моделлю (2) та реалізується в блоці обробки сигналу 18, який фіксує кут , параметри b і r, передає їх в блок обчислення 28, в якому визначається дійсний радіус спотвореного зображення і через АЦП 27 цифровий код останнього надходить у ПЗБ 29, формуючи при цьому скориговані коефіцієнти підсилення керованих підсилювачів 31 та 32.

Якщо вимірюється теплове поле об'єкта, що обертається, наприклад ротор електричної машини, то на виході перетворювача частота-напруга 4 з'являється сигнал, яким через компаратор 5 запускається генератор напруги, що змінюється лінійно, 6, вихідний сигнал якого через електронний ключ 14 подається на вхід перетворювача напруга-частота 17, на виході якого формуються імпульси з частотою f_G1. Ці сигнали через дільник частоти 21 та ключ 25 надходять на КД 2. При цьому діафрагма починає обертатися і за час зростання сигналу на виході генератора напруги, що змінюється лінійно, 6, швидкість обертання діафрагми зрівнюється зі швидкістю обертання об'єкта.

Під час сканування теплового поля після отримання інформації вздовж деякого радіуса сканування сигналом переносу лічильника 26 через ключ 25 робота КД 2 призупиняється для переходу на інший сектор сканування об'єкта діагностування.

Для індикації теплового поля однієї або n точок діагностованого об'єкта, що обертається, сигнал з блока запуску 8 блокує роботу лічильника 26 через елементи І 22 та 24. Через елемент І 23 та ключ 25 блокується режим призупинення роботи КД 2, внаслідок чого на екран ВКБ 33 виводиться теплове зображення тільки одного сектора вздовж j-го радіуса кругової розгортки об'єкта діагностування.

Аналогічним чином синтезовано ще три структури тепловізійних пристроїв для дослідження об'єктів, що обертаються, а також реалізовано структуру пристрою для визначення коригувального коефіцієнта, яким відновлюється тепловий портрет об'єкта, отриманий в умовах впливу зовнішніх чинників на тепловізійні вимірювання.

У четвертому розділі запропоновано мікропроцесорні реалізації тепловізійних пристроїв для вимірювання температури об'єктів, що обертаються, і розроблено алгоритми їх функціонування.

На рис. 3 наведена структурна схема тепловізійного мікропроцесор-ного пристрою для вимірювання температури об'єктів, що обертаються. На схемі: 1 - ІЧ-сенсори; 2 - комутатор; 3 - пристрій вибірки-зберігання; 4 - блок запуску; 5 - КД, яким обертається діафрагма; 6 - комутатор; 7 - перетворювач сигналу; 8 - мікроконтролер; 9 - ВКБ.

В залежності від швидкості обертання об'єкта мікроконтролер 8 формує сигнал керування КД 5, який здійснює сканування досліджуваної поверхні. Сигнали з ІЧ сенсорів надходять через блоки 2 та 3 в мікроконтролер 8, який виводить інформацію в ЕОМ для подальшої обробки та формує зображення теплового портрету об'єкта на ВКБ 9.

Алгоритм роботи пристрою (рис. 4) містить такі складові:

· в блоках 5 - 9 реалізовано зчитування інформації з виходів ІЧ-сенсорів, яка відповідає одному сегменту об'єкта дослідження;

· в блоках 10 - 13 відбувається перевірка наявності швидкості обертання об'єкта діагностування;

· в блоках 15, 22 проводиться перевірка наявності сигналу з виходу блока запуску;

· в блоках 15 - 21 реалізовано зчитування інформації з виходів ІЧ сенсорів при встановленні певної швидкості обертання КД, коли об'єкт знаходиться в нерухомому стані;

· в блоках 23 - 28 відбувається циклічне зчитування інформації з виходів ІЧ-сенсорів, коли об'єкт діагностування обертається, але КД обертається з кутовою швидкістю, меншою, ніж швидкість обертання об'єкта;

· в блоках 30 - 36 відбувається зчитування інформації з виходів ІЧ сенсорів, яка відповідає одному сегменту досліджуваного об'єкта;

· в блоках 38 - 46 реалізовано перевірку на наявність син-хронної швидкості обертання діагносто-ваного об'єкта з КД. У випадку, якщо кутова швидкість обертання об'єкта більша, відбувається нарощування швид-кості обертання КД.

Розроблено мікро-процесорний тепловізійний пристрій для вимірювання температури роторів, що обертаються, електричних машин спостереження за якими прово-диться перпендикулярно до горизонтальної осі обертання. На схемі: 1 - об'єкт дослідження; 2 - тепловізійна камера; 3 - керована аналогова лінія затримки; 4 - пристрій вибірки-зберігання; 5 - блок запуску; 6 - перетво-рювач сигналу; 7 - мікроконтролер; 8 - формувач сигналу; 9 - ВКБ; 10 - блок оперативної пам'яті (БОП).

Особливістю реаліза-ції такого пристрою є можливість коригування геометричних спотворень тепловізійного зображення, які виникають внаслідок сканування теплового поля об'єкта діагностування, що здійснено за рахунок керування введеною аналоговою лінією затримки.

Теплове зображення досліджуваного об'єкта надходить з тепловізійної камери 2 через блоки 3 та 4 в мікроконтролер 7, з якого отримувана інформація через блок 6 передається до ЕОМ та записується в БОП 10 для циклічного відображення на екрані ВКБ 9 до моменту наступного сканування об'єкта, початок якого задається сигналом з блока 5.

Здійснена оцінка помилок першого і другого роду при визначенні температури точок теплового портрета електрообладнання.

Помилка першого роду (випадок, коли приймається рішення, що температура знаходиться за межами поля допуску, але насправді вона знаходиться в заданих межах) визначається

,

де t - вимірювана температура, - допустиме відхилення від номінального значення температури, k_а - коефіцієнт асиметрії поля допуску, _T - похибка вимірювання температури.

Помилка другого роду (випадок, коли приймається рішення, що температура знаходиться в заданих межах, але насправді вона знаходиться за межами поля допуску) визначається

.

Здійснена оцінка місця пошкодження ізоляції з похибкою 15% в пазу статора турбогенератора типу Т-6-2-У4 перед його капітальним ремонтом за результатами тепловізійних обстежень обмоток статора в його лобових частинах. Похибка визначення найвищої температури трансформатора напруги НКФ-330, розрахована під впливом зовнішніх факторів за математичною моделлю, побудованою з врахуванням теорії нечітких множин, складає 3%, що може бути скориговано лише за наявності повної вибірки тепловізійних вимірювань та застосування генетичних алгоритмів для налагодження зазначеної моделі.

У додатках наведено прикладну програму у середовищі MathCad 7 Pro для коригування теплового поля об'єкта; залежності коригувального коефіцієнта від впливу зовнішніх факторів; розрахунки пошуку можливого місця пошкодження у випадку діагностування пазів статора чи ротора електричної машини; оцінка похибок першого і другого роду; результати тепловізійного дослідження; акти впровадження результатів дисертаційної роботи.



ВИСНОВКИ

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи є такими.

У галузі теоретичних та експериментальних досліджень:

1. Проаналізовано відомі методи та засоби тепловізійного діагностування електрообладнання, в тому числі для діагностування об'єктів, що обертаються. Зроблено висновок, що на сучасному етапі розвитку теорії та техніки актуальним і перспективним є створення нових методів та засобів тепловізійного діагностування електричного обладнання.

2. Розроблено математичні моделі тепловізійних пристроїв, сканування теплового поля об'єкта дослідження якими здійснюється шляхом наближення до швидкості об'єкта або перевищення швидкості, що дозволяє вимірювати теплові поля електричних машин під час їх роботи у широкому діапазоні швидкості обертання.

3. Розроблено математичну модель та підходи до коригування тепловізійного зображення об'єкта, що обертається, що дозволяє відновлювати тепловий портрет об'єкта та підвищити якість його відтворення.

4. Розроблена математична модель на основі теорії нечітких множин для врахування факторів зовнішнього впливу під час тепловізійних вимірювань та застосовано генетичні алгоритми для її налагодження, що дозволяє підвищити точність відтворення теплового портрета об'єкта.

5. Розроблена математична модель для діагностування теплового стану обмоток електричної машини під час її роботи, яка дозволяє виявляти місця можливого пошкодження ізоляції, недоступні для дослідження.

6. Дістав подальший розвиток метод синтезу структурних схем пристроїв тепловізійного діагностування з використанням математичного апарату секвенцій, що дозволяє автоматизувати процес проектування структури та алгоритму роботи відповідного мікропроцесорного засобу.

7. Дістав подальший розвиток метод синтезу структурних схем пристроїв за нечіткими математичними моделями, що дозволяє підвищити точність тепловізійних вимірювань.

8. Дістали подальший розвиток алгоритмічне та апаратне забезпечення тепловізійних систем діагностування електричного обладнання.

9. Дістав подальший розвиток метод оцінки точності синтезованих пристроїв за помилками першого і другого роду.

У галузі практичного використання:

1. За розробленими математичними моделями синтезовано структурні схеми тепловізійних пристроїв з використанням промислової елементної бази.

2. Синтезовано структуру пристрою для визначення коригувального коефіцієнта, що дозволяє підвищувати точність вимірювання теплового портрета об'єкта дослідження під впливом зовнішніх факторів.

3. Розроблені структури мікропроцесорних засобів тепловізійного діагностування електричного обладнання, що дозволяє гнучко їх пристосовувати до умов досліджень.

4. Розроблено методику розрахунку коригувального коефіцієнта при тепловізійних вимірюваннях за різних умов впливу факторів навколишнього середовища.

5. Створено пакет прикладних програм у середовищі Matlab 6.5 Fuzzy Toolbox, який дозволяє обраховувати коригувальні коефіцієнти при тепловізійних дослідженнях за різних умов впливу факторів навколишнього середовища.

6. Створено пакет прикладних програм у середовищі MathCAD 7 Pro, який дозволяє за результатами тепловізійних вимірювань оцінювати можливе місце пошкодження ізоляції обмоток електричної машини.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Грабко В.В., Грабко В.В. До питання контролю теплового портрета електричних машин, що обертаються // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. Збірка наукових праць. Тематичний випуск Збірник наукових праць “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2003, № 10. - Т. 1. - С.500 - 501.

2. Грабко В.В., Грабко В.В. Математична модель для коригування геометричних спотворень теплового портрета об'єктів, що обертаються // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Збірка наукових праць. - Кременчук: КДПУ, 2005. - Вип. 4/2005 (33). - С. 148 - 149.

3. Грабко Валентин Математична модель для коригування температурного поля теплових зображень // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. Збірка наукових праць. Тематичний випуск Збірник наукових праць “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2005, № 45. - С.354 - 355.

4. Грабко В.В. До питання визначення стану ізоляції статорів потужних електричних машин // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2006. - Вип. 4/2006 (39). Ч. 1. - С. 112 - 113.

5. Грабко В.В., Грабко В.В. Математична модель для коригування температурних зображень об'єктів при контролі електрообладнання // Міжвідомчий науково-технічний збірник “Електромашинобудування та електрообладнання”. Випуск 66. Тематичний випуск “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика”. - К.: Техніка. - 2006. - С.394 - 396.

6. Грабко В.В. Синтез структури тепловізійного пристрою контролю теплових полів електричних машин в процесі їх роботи // Вісник ВПІ. - 2007. - №1. - С.53 - 57.

7. Пат. 14687 Україна, МПК G 07 К 13 / 00, Пристрій для безконтактного вимірювання температури: Пат. 14687 Україна, МПК G 07 К 13 / 00 / В.В. Грабко (Україна) Держпатент. - № u 2005 12052; Заявл. 15.12.2005; Опубл. 15.05.2006; Бюл. № 5. - 5 с.

8. Пат. 19467 Україна, МПК G 01 K 13 / 00, Пристрій для безконтактного вимірювання температури: Пат. 19467 Україна, МПК G 01 K 13 / 00 / В.В. Грабко (Україна) Держпатент. - № u 2006 07120; Заявл. 26.06.2006; Опубл. 15.12.2006; Бюл. № 12. - 8 с.

9. Пат. 19736 Україна, МПК G 01 K 13 / 00, Пристрій для безконтактного вимірювання температури: Пат. 19736 Україна, МПК G 01 K 13 / 00 / В.В. Грабко (Україна) Держпатент. - № u 2006 08602; Заявл. 31.07.2006; Опубл. 15.12.2006; Бюл. № 12. - 7 с.

10. Пат. 19737 Україна, МПК G 01 K 13 / 00, Пристрій для безконтактного вимірювання температури: Пат. 19737 Україна, МПК G 01 K 13 / 00 / В.В. Грабко, В.В. Грабко (Україна) Держпатент. - № u 2006 08603; Заявл. 31.07.2006; Опубл. 15.12.2006; Бюл. № 12. - 7 с.

11. Пат. 20999 Україна, МПК G 01 K 13 / 00, Пристрій для безконтактного вимірювання температури: Пат. 20999 Україна, МПК G 01 K 13 / 00 / В.В. Грабко, В.В. Грабко (Україна) Держпатент. - № u 2006 09955; Заявл. 18.09.2006; Опубл. 15.02.2007; Бюл. № 2. - 7 с.

12. Висновок про видачу деклараційного патенту на корисну модель за результатами формальної експертизи, МПК G 01 K 13 / 00 / В.В. Грабко, В.В. Грабко (Україна) Держпатент. - № u 2006 13865; Заявл. 26.12.2006. - 8 с.

13. Грабко В., Грабко В. До питання підвищення точності тепловізійного контролю електричних машин, що обертаються // Книга за матеріалами VІІ-ої міжнар. науково-техн. конф. “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2003). - Вінниця: “УНІВЕРСУМ-Вінниця”. - 2003. - С.184.

14. Грабко В.В., Грабко В.В. До питання підвищення вірогідності контролю теплового портрета електроенергетичних об'єктів // 3-я Всеукраїнська науково-технічна конференція “Фізичні процеси та поля технічних і біологічних об'єктів”. Тези наукових доповідей. - Кременчук: КДПУ, 2004. - С.10.

15. Грабко В. Математична модель тепловізійного контролю електрообладнання на основі теорії нечітких множин // Книга за матеріалами VІІІ-ої міжнар. науково-техн. конф. “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2005). - Вінниця: “УНІВЕРСУМ-Вінниця”. - 2005. - С.32.

16. Грабко В.В., Грабко В.В. Підвищення точності тепловізійного контролю електрообладнання в умовах дії зовнішніх чинників // XIII Міжнародна конференція з автоматичного управління (Автоматика-2006). Тези доповідей тринадцятої міжнародної науково-технічної конференції. м. Вінниця, 25-28 вересня 2006 року. - Вінниця, УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. - С. 159.

17. Грабко В. Мікропроцесорний тепловізійний пристрій для контролю об'єктів, що здійснюють обертальний рух // VI науково-технічна конференція “Приладобудування 2007: стан і перспективи”. Збірник тез доповідей. Київ, НТУУ “КПІ”, 2007. - С. 92.

Размещено на Allbest.ru