Основные средства диагностики посредством виброакустического сигнала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Камская Государственная Инженерно - Экономическая Академия

Кафедра МиТОМД

Виброакустическая диагностика, являясь разделом технической диагностики, есть отрасль знаний, включающая в себя теорию и методы организации процессов распознавания технических состояний машин и механизмов по исходной информации, содержащейся в виброакустическом сигнале.

Вибродиагностика - это одна из относительно новых отраслей науки, основанная на предположении, что любой объект (технический, биологический и т. д.) может быть представлен в виде колебательной системы и спектра вибросигнала, стимулированного либо тестом, либо функциональными возмущениями, содержащих информацию о техническом состоянии, дефектах и качестве объекта. Способ извлечения и расшифровки этой информации составляют основную задачу диагностики, которая в последнее время решается в с помощью вычислительной техники. Различают функциональную и тестовую диагностику. Под функциональной диагностикой чаще всего подразумевают виброакустическую диагностику, а под тестовой - определение технического состояния с помощью искусственно создаваемой вибрации.

Методы вибродиагностики направлены на обнаружение и идентификацию таких неисправностей агрегата, которые оказывают влияние на его вибрацию: дефектов роторов, опорной системы и узлов статора и т.д., испытывающих либо генерирующих динамические нагрузки. Сначала использовались методы и средства контроля различных параметров, затем мониторинга, и, на последнем этапе, системы диагностики и прогноза технического состояния. Внедрение каждого последующего вида систем дает пользователю новые возможности для перехода на обслуживание машин и оборудования по фактическому состоянию.

· сокращение расходов на обслуживание;

· предупреждение развития дефектов агрегата и сокращение затрат на его восстановление;

· улучшение качества обслуживания;

· увеличение срока службы механизма.

· разделение множества возможных технических состояний агрегата на два подмножества: исправных и не исправных;

· постановка диагноза, состоящего в определении характера и локализации одного или группы дефектов, соответствующих вибрационному состоянию агрегата;

· возможное обнаружение дефекта на ранней стадии и прогнозирование его развития во времени.

1. Общие сведения о вибродиагностике

Диагностирование состояния машин и оценка степени опасности повреждения на основе данных контроля вибрации -- один из наиболее эффективных методов повышения надежности оборудования.

В низкочастотном диапазоне чаще измеряют параметры виброперемещения, в среднечастотном -- виброскорости, а в высокочастотном -- виброускорения.

Виброперемещение представляет интерес в тех случаях, когда необходимо знать относительное смещение объекта или деформацию. Если исследуют эффективность вибрационных машин, а также воздействие вибраций на организм человека, то изучают скорость вибрации, поскольку именно она определяет импульс силы и кинетическую энергию. При оценке надежности объектов основным измеряемым параметром является виброускорение.

В зависимости от спектрального состава, распределения уровней вибрации в диапазоне частот и во времени, а также от нормирования допустимого уровня измеряют амплитудные, средние или средние квадратические значения. Основным преимуществом измерения, средних квадратических значений является независимость этих значений от сдвигов фаз между отдельными составляющими спектров измеряемой вибрации.При измерении параметров вибрации используют два метода измерения: кинематический и динамический.

Кинематический метод заключается в том, что измеряют координаты точек объекта относительно выбранной неподвижной системы координат. Измерительные преобразователи, основанные на этом методе измерения, называют преобразователями относительной вибрации.

Динамический метод основан на том, что параметры вибрации измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента, связанного с объектом через упругий подвес. Такие приборы называют преобразователями абсолютной вибрации, чаще сейсмическими системами.

Измерительные преобразователи вибрации основаны на различных физических принципах преобразования механических колебаний в электрический сигнал.

1. Преобразователи абсолютной вибрации:

o пьезоэлектрические;

o индукционные;

o на основе эффекта Холла;

o резисторные;

o пьезорезисторные;

o индуктивные;

o трансформаторные;

o магнитоупругие;

o емкостные;

o электронно-механические;

o вибрационно-частотные;

o предельно контактные;

o импедансные.

· Бесконтактные измерители относительной вибрации:

o магнитные;

o радиоволновые;

o электромагнитные;

o акустические;

o радиационные;

o оптические.

Измерение параметров вибрации, основанное на измерении частоты излучения оптического квантового генератора, отраженного от объекта, проводят измерительными устройствами, действие которых основано на использовании эффекта Допплера.

Преобразователи значений вибрации в электрический сигнал делят на два класса: генераторные, преобразующие энергию механических колебаний в электрическую; параметрические, преобразующие механические колебания в изменение параметров электрических цепей, например, индуктивности, емкости, активного сопротивления, частоты или сдвига фаз и т.д.

Для вибродиагностики машин и механизмов используют в основном пьезоэлектрические и электродинамические преобразователи, относящиеся к генераторным, а также индуктивные, вихретоковые и емкостные, относящиеся к параметрическим.

Пьезоэлектрические преобразователи применяют для измерения параметров абсолютных колебаний невращающихся частей механизмов. Пьезоэлектрические преобразователи обладают высокими метрологическими свойствами, широким амплитудным и частотным диапазоном, высокой надежностью и сравнительно низкой стоимостью. Основными их недостатками являются высокое выходное сопротивление и низкая помехозащищенность. В меньшей степени эти недостатки свойственны пьезорезистивным преобразователям, относящимся к классу параметрических преобразователей.

Простейший пьезоэлектрический преобразователь можно представить в виде пластины, изготовленной из кварца или искусственной пьезокерамики. Для изготовления пьезокерамики применяют цирконат титанат свинца (ЦТС), титанат висмута (ТВ) и др. Пластину прикрепляют к воспринимающему внешние колебания основанию, на другой стороне пластины располагают груз массой m. Собственная частота сейсмической системы такого преобразователя

f0 = (1/(2р))(c1/m)1/2

где с1 -- коэффициент упругости пьезоэлемента в направлении приложения силы инерции груза массой m.

В частотном диапазоне fi « f0 на выходе преобразователя образуется заряд q(t), пропорциональный воспринимаемому виброускорению а(t):

q(t) = d11kа(t),

где d11 и k -- пьезомодуль и коэффициент преобразования соответственно.

Величина заряда q(t) преобразуется в электрическое напряжение или ток.

При выборе пьезоэлектрических преобразователей для конкретных испытаний необходимо учитывать их температурный, амплитудный и частотный диапазоны, коэффициенты преобразования, частоту установочного резонанса и т.д.

Электродинамические преобразователи применяют для измерения параметров вибрации в частотном диапазоне 1 Гц -- 2 кГц.

Электродинамический преобразователь содержит магнитную систему, в зазоре которой расположена катушка с проводом. Обычно магнитная система закреплена на основании, а катушка жестко соединена с сейсмической массой.

При воздействии внешней вибрации e(t) и относительных колебаниях x(t) в катушке наводится ЭДС

e(t) = BWlср(dx(t)/dt),

где В, W, lср -- магнитная индукция в зазоре, число витков и средний диаметр витка подвижной катушки соответственно.

Электродинамические преобразователи работают на частотах, значительно превышающих собственную частоту сейсмической системы, т.е. при у»1.

ЭДС на выходе катушки пропорциональна виброскорости гармонических колебаний:

e(t) = kщеаcosщt, где k = BWlcp.

При работе электродинамических преобразователей в первом частотном диапазоне и у«1 ЭДС на его выходе будет пропорциональна резкости, т.е.

e(t) = k(d3e(t)/dt3)

К преимуществам электродинамических вибродатчиков следует отнести широкий амплитудный диапазон, низкое выходное сопротивление и возможность передачи сигналов по длинной линии связи.

Действие большинства параметрических преобразователей основано на изменении комплексных сопротивлений или проводимости электрических цепей.

Наибольшее распространение получили преобразователи индуктивные, трансформаторные, вихретоковые, магнитоупругие, механотронные и емкостные.

2. Методы вибродиагностики

Кепстральный метод используют для формирования диагностических признаков только в тех случаях, когда колебательный процесс имеет периодически модулированный спектр, что наблюдается при явлениях нелинейного взаимодействия узлов и деталей механизмов, при наличии амплитудной и частотной модуляции, при преобразованиях типа свертки нескольких временных процессов, а также при изменении физических параметров механизма, износе, изменении жесткости, ударных взаимодействиях.

Наибольшее распространение кепстральный метод получил при диагностике зубчатых колес редукторных механизмов, имеющих разный износ поверхностей.

Виброизмерительная аппаратура содержит:

1. Комплекс стационарных лабораторных приборов:

o последовательного действия;

o параллельного действия

o анализаторы вибрации;

o микропроцессоры.

· Комплекс переносных лабораторных и промышленных приборов.

· Комплекс приборов для испытательной техники:

o приборы с управлением вибрационным процессом;

o многокомпонентные приборы;

o приборы для формирования и измерения широкополосной случайной вибрации.

Статистическая обработка материалов вибрационных исследований машин позволяет составлять карты распознавания дефектов. По этим данным можно судить о признаках дефектов и выбрать частотный диапазон аппаратуры, необходимый для обнаружения характерных неисправностей машины. Во всех случаях верхняя граница частотного диапазона не должна быть ниже удвоенной рабочей частоты вращения ротора.

Для измерения и анализа вибрации аналоговыми способами, обработки результатов цифровыми способами и получения на выходе гистограмм распределения уровней вибрации, фазовых диаграмм, частотной и временной зависимости уровня или фазы вибрации используют многофункциональные системы.

Автоматизированные системы подразделяют на три основные группы.

При образовании дефекта происходит изменение уровня вибрации в полосе частот Дщ.

Для повышения информативности параметров вибрации в виброизмерительных приборах применяются фильтры, которые пропускают только составляющие спектра с частотами, лежащими в пределах Дщ0 . В этом случае сигнал на выходе фильтра состоит из суммы гармонического сигнала с амплитудой А0 и шумом Р(t).

Существует много типов фильтров, применяемых в вибродиагностической аппаратуре: активные аналоговые фильтры, множительные избирательные устройства, цифровые фильтры, механические и т.д.

Анализ случайной вибрации диагностируемого объекта целесообразно проводить с помощью двухканальных анализаторов в реальном времени. Наличие двух каналов обеспечивает возможность оценки состояния объекта по спектрально-корреляционным функциям, а также по кепстру. Результаты анализа выводятся на дисплей.

3. Структура аппаратных средств системы виброакустической диагностики

С развитием вычислительной техники все больше задач специальной обработки ложится на средства цифровой обработки. Такие системы более просты в настройке, более стабильны во времени и проще модернизируются. Причем, эта модернизация касается прежде всего методов и алгоритмов цифровой обработки исходного сигнала. Принципиальная возможность и эффективность использования новых и традиционных методов обработки вибросигналов во многом определяется параметрами и ограничениями неизменяемой аналоговой части системы.

Механические колебания, генерируемые узлами механизмов распространяются по элементам машин и могут быть зарегистрированы на их поверхности. Для этого используются различные датчики (емкостные, индукционные, резистивные, электромагнитные) . Но в последнее время наибольшее распространение получили пьезоэлектрические датчики. Это связано с тем, что пьезодатчики имеют высокую точность измерения и чувствительность, обладают высокой стойкостью и в то же время имеют миниатюрные габариты и массу.

Для измерения вибраций обычно используется разновидность пьезодатчиков - пьезоакселерометры. Частотная характеристика акселерометра приведена на рисунке:

Рис. Частотная характеристика акселерометра

Пик характеристики соответствует частотному резонансу датчика. Ниже границ предела эффективного диапазона - низкая чувствительность и неравномерность характеристики. Выше - неравномерность характеристики и нестабильность параметров. Эффективный диапазон выбирается на центральном участке, имеющем равномерную характеристику и обуславливает стабильную работу датчика в необходимом частотном диапазоне. При монтаже датчика на объекте эффективный диапазон уменьшается в несколько раз и подъем характеристики, соотвествующий уменьшению точности работы датчика, сдвигается на более низкие частоты, поэтому при выборе датчика необходимо учитывать эту особенность характеристики.

Общепринятый подход состоит в том, что для обеспечения заданного частотного диапазона, а также погрешности преобразования около 1% необходимо чтобы резонансная частота датчика была как минимум в 2 раза выше верхнего предела рассматриваемого диапазона частот.

Сигнал пьезоэлектрического датчика - акселерометра (Д) в виде электрического заряда, пропорционального виброускорению входного сигнала, поступает на вход усилителя заряда (УЗ), который осуществляет преобразование заряда в пропорциональную величину напряжения.

В общем случае УЗ представляет собой операционный усилитель, охваченный емкостной обратной связью . Кроме того, при подключении УЗ к первичному преобразователю, вырабатывающему заряд, ко входу усилителя подключаются также: емкости соединительного кабеля, первичного преобразователя (датчика), паразитная входная емкость. Амплитуда входного сигнала изменяется в широком диапазоне, поэтому необходимы средства подстройки параметров измерительного канала.

Коэффициент усиления УЗ автоматически регулируется микроконтроллером (МК) таким образом, чтобы обеспечить необходимый динамический диапазон, не допуская при этом перегрузки по входному каналу.

Если сигнал с выхода УЗ выходит за заданный диапазон, то блок компараторов (БК) сигнализирует об этом МК и он снижает коэффициент усиления УЗ до тех пор пока сигнал не будет обеспечивать полное заполнение тракта передачи. Блок компараторов представляет собой 2 компаратора, контролирующих отрицательный и положительный уровень сигнала, выходы которых подаются на RS-триггеры.

Функциональная схема БК приведена на рис.

Рис. Функциональная схема блока компараторов

где

· К - компаратор;

· RS - RS-триггер;

· МК - микроконтроллер.

Отмасштабированный таким образом выходной сигнал УЗ поступает на фильтр нижних частот (ФНЧ), где фильтруется с целью подавления составляющих, лежащих выше необходимого диапазона частот. Этот диапазон определяется, прежде всего, информативной составляющей сигнала, которая представляет интерес для дальнейшего анализа. Коэффициент усиления данного фильтра обычно стараются привести к 1-це. Выбор и расчет ФНЧ осуществляется исходя из поставленных требований к параметрам фильтрации, точности фильтра, коэффициенту усиления и др.

Для диапазона низких частот характеристика фильтра Баттерворта наилучшим образом аппроксимирует идеальную характеристику. Хотя для частот, расположенным около точки среза и в полосе задерживания, характеристика фильтра Баттерворта заметно уступает характеристике фильтра Чебышева, имеющего немонотонную характеристику в полосе пропускания, однако ФЧХ первого лучше (более близка к линейной), чем у фильтров Чебышева, инверсных Чебышева и эллиптических сравнимого порядка. В качестве схемы реализации ФНЧ можно выбрать широко распространенную схема фильтра на ИНУН (источник напряжения, управляемый напряжением), реализующая неинвертирующий (положительный коэффициент) усиления. Фильтр на ИНУН позволяет добиться неинвертирующего коэффициента усиления при минимальном числе элементов. Он обладает низким полным входным сопротивлением, небольшим разбросом значений элементов и возможностью получения относительно высоких значений коэффициента усиления. Кроме того, этот фильтр относительно прост в настройке.

С выхода усилителя сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Для фиксации входного сигнала на время преобразования АЦП используется устройство выборки/ хранения. Оно запоминает текущую величину аналогового сигнала и держит его на выходе, пока АЦП не выдаст двоичный код (результат преобразования). С МК подается сигнал начала преобразования, а по окончании преобразования АЦП выдает сигнал о том, что выходной код готов и МК может его считывать. Большинство современных АЦП имеют встроенные УВХ.

Согласно теореме Котельникова частота дискретизации сигнала должна быть в 2 раза выше частоты самого сигнала. Поэтому, при выборе АЦП необходимо учитывать его быстродействие. Разрядность кода АЦП соответствует полному диапазону аналогового сигнала и определяет разрешающую способность кода. АЦП принципиально свойственна методическая погрешность, обусловленная заменой непрерывного аналогового сигнала дискретным сигналом. Величина погрешности, вносимой АЦП равняется:

Клавиатура дает возможность управлять ходом анализа и получения исходных данных, а дисплей позволяет пользователю получать сообщения о параметрах записанного вибросигнала и другую информацию.

Заключение