Основы технической диагностики

1 Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ для студентов специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» специализации «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения Составитель: Загорский В.А. Самара 2016 2 УДК 621.316.9 Основы технической диагностики: Конспект лекций для студентов специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» специализации «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения [Электронн.] / составитель В.А.Загорский. – Самара: СамГУПС, 2016. – 106 с. Утверждены на заседании кафедры Электроснабжение железнодорожного транспорта. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета. В конспекте лекций по дисциплине «Основы технической диагностики» приведены теоретические материалы, методика, иллюстрации и табличные данные, необходимые для проведения лекционных занятий по технической диагностике систем электроснабжения железнодорожного транспорта. Конспект лекций предназначен для студентов специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» специализации «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения. Составитель: Загорский Владимир Алексеевич Рецензенты: к.т.н., доцент СамГУПС Л.С. Лабунский Редактор Компьютерная верстка Подписано в печать Формат Усл. печ. л. Заказ № Тираж 3 ВВЕДЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ Техническая диагностика – это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов. В процессе технической эксплуатации систем электроснабжения железнодорожного транспорта постоянно возникает необходимость в решении всего комплекса задач, охватываемых дисциплиной «Техническая диагностика», таких, как: - контроль технического состояния объекта; - поиск места и определение причин отказа (неисправности) объекта; - прогнозирование технического состояния объекта. В конспекте лекций по дисциплине «Основы технической диагностики» приведены теоретические материалы, методика, иллюстрации и табличные данные, необходимые для проведения лекционных занятий по технической диагностике систем электроснабжения железнодорожного транспорта. Целью лекционных занятий является изучение теоретического материала по основам технической диагностики. Проведение лекционных занятий способствуют формированию у обучаемых компетенций, предусмотренных программой дисциплины «Основы технической диагностики», а именно: - использование технических средств для диагностики технического состояния систем и объектов (ПК-15); - умение обосновывать принятие конкретного технического решения при разработке технологических процессов производства, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта систем обеспечения движения поездов ПК-18; - способность анализировать поставленные исследовательские задачи в областях проектирования и ремонта систем обеспечения движения поездов (ПК-27). В конспекте лекций по дисциплине «Основы технической диагностики» приведены теоретические материалы, методика, иллюстрации и табличные данные, необходимые для проведения лекционных занятий по технической диагностике систем электроснабжения железнодорожного транспорта. Конспект лекций предназначен для студентов специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» специализации «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения. 4 ЛЕКЦИЯ №1 «ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ» ВРЕМЯ – 2 часа ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Познакомится с предметом, краткой характеристикой, целями и задачами дисциплины «Основы технической диагностики», ее местом в учебном процессе, содержанием и требованиям к уровню его усвоения. Изучить основные термины и определения по ГОСТ 20911-89 «Основы технической диагностики». СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. ПРЕДМЕТ, КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ «ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ», ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ, СОДЕРЖАНИЕ И ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ЕГО УСВОЕНИЯ – 35 мин. 2. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПО ГОСТ 20911-89 «ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА» – 45 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин. 1. ПРЕДМЕТ, КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ «ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ», ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ, СОДЕРЖАНИЕ И ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ЕГО УСВОЕНИЯ Техническая диагностика – это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов. Программой развития железнодорожного транспорта России на период 2010 … 2015 гг. в качестве одного из пяти основных направлений предусмотрено повышение безопасности и надежности объектов железнодорожного транспорта (ЖТ). Решение этой важнейшей задачи невозможно без организации современной системы технической эксплуатации ЖТ на основе своевременной и качественной диагностики его состояния. Основными целями изучения дисциплины является: - подготовка специалиста, умеющего грамотно проводить диагностику технического состояния устройств и систем электроснабжения железнодорожного транспорта с применением современных математических 5 методов и технических средств, а также создание основы для теоретической и практической подготовки по вопросам диагностики; - формирование у студентов научного мышления, выработка приемов и навыков решения конкретных инженерных задач в области диагностики. Основные задачи, решаемые в процессе изучения дисциплины: - изучить государственные стандарты, методики, приказы, положения и другие нормативные документы, определяющие порядок проведения диагностики объектов электроснабжения железнодорожного транспорта; - изучить законы, математические модели и методы диагностики объектов электроснабжения железнодорожного транспорта; - изучить современные средства диагностики объектов электроснабжения железнодорожного транспорта. Изучение дисциплины «Основы технической диагностики» позволяет специалисту получить знания, умения и навыки, необходимые для грамотной и эффективной диагностики состояния объектов электроснабжения железнодорожного транспорта. Применение этих знаний, навыков и умений позволит специалисту правильно эксплуатировать устройства, объекты и системы электроснабжения, своевременно выполнять все необходимые работы по техническому обслуживанию, а также прогнозировать их техническое состояние. Изучение дисциплины базируется на знании материала дисциплин «Электроснабжение железных дорог», «Контактные сети и линии электропередач», «Тяговые и трансформаторные подстанции», «Электрические станции, сети и системы», «Электроника», «Релейная защита». Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение данной дисциплины - студент должен знать: - терминологию, установленную государственными стандартами для технической диагностики, как области знаний; - понятия математической модели диагностирования в явной и неявной формах, понятия о непрерывных, дискретных и гибридных объектах с памятью и без памяти, виды представления явных и неявных моделей объектов диагностики, способы обнаружения, различения и транспортировки неисправностей, наиболее часто встречающиеся неисправности протяженных, дискретных и гибридных объектов диагностики; - зависимость степени неопределенности состояния объекта от числа возможных состояний и их вероятностей, свойства энтропии и ее определение для системы, содержащей различное число объектов, определение энтропии для объекта с непрерывным пространством состояний, энтропию системы из 6 зависимых и независимых друг от друга объектов, понятие о мере информации и способах ее определения; - понятие о статистических методах распознавания состояния объекта, вероятность наличия у объекта признаков состояний и связанных с ними диагнозов, теорему Байеса, методы анализа состояния объекта, отношения правдоподобия, нахождение границ принятия решения, ошибки первого и второго рода; - понятия оптимальных и минимальных алгоритмов диагностирования, критериев и их оптимизации, обобщенную таблицу покрытий и ее оптимизацию, метод поэлементной проверки, метод групповой проверки, метод симптомов, метод рациональной диагностики; - группы признаков технического состояния объектов, физические методы контроля, параметры, контролируемые бортовыми информационными системами контроля состояния контактной сети, принцип действия систем контроля состояния объектов диагностики, современные средства диагностики состояния элементов конструкции систем электроснабжения железнодорожного транспорта. - студент должен уметь: - представлять математическую модель объекта диагностики в аналитической, табличной и графической формах; - составлять таблицы функций неисправностей, таблицы покрытий объектов диагностики и проводить их оптимизацию; - определять энтропию системы, состоящую из независимых и зависимых друг от друга объектов, определять энтропию объекта с непрерывным пространством состояний, определять информацию о состоянии объекта по априорной информации; - определять состояние объекта методами последовательного анализа, методом минимального риска, методом поэлементных проверок, методом групповых проверок, методом анализа симптомов отказов и методом рациональной диагностики; - проводить диагностику состояния объектов при помощи современных технических средств; - студент должен приобрести навыки: - самостоятельной работы с приборами, предназначенными для оценки опасности электрокоррозии арматуры опор контактной сети и состояния устройств цепи заземления опор; - самостоятельной работы с приборами, предназначенными для диагностики состояния железобетонных опор контактной сети методом поверхностного прозвучивания; 7 - самостоятельной работы с приборами, предназначенными для бесконтактного измерения температуры устройств электроснабжения по их тепловому излучению. 2. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПО ГОСТ 2091189 «ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА» Техническая диагностика, диагностика – это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов. Техническое диагностирование, диагностирование – это определение технического состояния объекта. При диагностировании могут решаться три основные задачи: - контроль технического состояния объекта; - поиск места и определение причин отказа (неисправности) объекта; - прогнозирование технического состояния объекта. Термин «Техническое диагностирование» применяют в наименованиях и определениях понятий, когда решаемые задачи технического диагностирования равнозначны или основной задачей является поиск места и определение причин отказа (неисправности). Контроль технического состояния, контроль – это проверка соответствия значений параметров объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния в данный момент времени. Видами технического состояния являются исправное, работоспособное, неисправное, неработоспособное состояния. Техническое состояние объекта определяется в зависимости от значений его параметров в данный момент времени и их соответствия технической документации. Термин «Контроль технического состояния» применяется, когда основной задачей технического диагностирования является определение вида технического состояния. Контроль функционирования – это контроль выполнения объектом части всех свойственных ему функций. Технический диагноз (результат контроля), диагноз – это результат диагностирования. Рабочее техническое диагностирование, рабочее диагностирование – это диагностирование, при котором на объект подаются рабочие воздействия. Тестовое техническое диагностирование, тестовое диагностирование – это диагностирование, при котором на объект подаются тестовые воздействия. 8 Экспресс-диагностирование – это диагностирование по ограниченному числу параметров за заранее установленное время. Элементарная проверка – это тестовое или рабочее воздействие на объект и снимаемые с него ответы. Результатом элементарной проверки является полученное значение ответа объекта. На рисунке 1 представлены схемы тестового и рабочего диагностирования. а) б) Рисунок 1 - Схемы процессов диагностирования: а) тестовое диагностирование; б) рабочее диагностирование Объект технического диагностирования (контроля технического состояния), объект – это изделие и (или) его составные части, подлежащие (подвергаемые) диагностированию (контролю). Техническое состояние объекта, техническое состояние - это состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды, значениями параметров, установленных технической документацией на объект. К факторам, под воздействием которых изменяется техническое состояние объекта, можно отнести действия климатических условий, старение с течением времени, операции регулировки и настройки в ходе изготовления или ремонта, замену отказавших элементов и т. п. Об изменении технического состояния объекта судят по значениям диагностических (контролируемых) параметров, позволяющих определить техническое состояние объекта без его разборки. Исправное состояние объекта (исправность) – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. 9 Неисправность - событие, при котором объект не соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Работоспособное состояние (работоспособность) – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативной, технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособного состояния. Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Прогнозирование технического состояния – это определение технического состояния объекта с заданной вероятностью на предстоящем интервал времени. Целью прогнозирования технического состояния объекта может быть определение с заданной вероятностью интервала времени (ресурса), в течение которого сохранится его работоспособное (исправное) состояние и вероятности сохранения работоспособного (исправного) состояния объекта на заданный интервал времени. Средство технического диагностирования (контроля технического состояния), средство диагностирования (контроля) – это аппаратура и программы, с помощью которых осуществляется диагностирование (контроль). К аппаратурным средствам диагностирования (контроля) относят различные устройства: приборы, пульты, стенды, специальные вычислительные машины, встроенную аппаратуру контроля вычислительных и управляющих машин и т. п. Программные средства диагностирования (контроля) представляют собой программы, записанные, например, на перфоленте. При этом используют как рабочие программы объекта, содержащие дополнительные операции, необходимые для диагностирования (контроля) объекта, так и программы, специально составленные исходя из требований диагностирования (контроля) объекта. Рабочие программы позволяют осуществлять диагностирование (контроль) объекта в процессе использования его по прямому назначению, а специальные программы требуют перерывов в выполнении объектом его рабочих функций. 10 Примерами объектов, диагностируемых программными средствами, являются универсальные или специализированные вычислительные, управляющие или логические машины. Приспособленность объекта к диагностированию (контролепригодность) – это свойство объекта, характеризующее его пригодность к проведению диагностирования (кот роля) заданными средствами диагностирования (контроля). Приспособленность объекта к диагностированию (контролепригодность) обеспечивается со стадии его разработки. Конструкция объекта и его составных частей должна обеспечивать доступ к контрольным точкам без разборки узлов и механизмов, за исключением вскрытия технологических люков, заглушек и т. д., открывающих доступ к местам сопряжений датчиков со средствами диагностирования (контроля) и исключать возможность повреждения сборочных единиц при присоединении средств диагностирования (контроля). Конструктивное оформление мест присоединения средств диагностирования (контроля) должно быть, по возможности, простым (резьбовые отверстия с заглушками, запорные устройства, крышки и т. п.). Различают несколько видов средств технического диагностирования объектов. Встроенное средство технического диагностирования (контроля технического состояния), встроенное средство диагностирования (контроля) – это средство диагностирования (контроля), являющееся составной частью объекта. Внешнее средство технического диагностирования (контроля технического состояния), внешнее средство диагностирования (контроля технического состояния) – это средство диагностирования (контроля), выполненное конструктивно отдельно от объекта. Специализированное средство технического диагностирования (контроля технического состояния), специализированное средство диагностирования (контроля технического состояния) средство, предназначенное для диагностирования (контроля) одного объекта или группы однотипных объектов. Универсальное средство технического диагностирования (контроля технического состояния), универсальное средство диагностирования (контроля технического состояния) – это средство, предназначенное для диагностирования (контроля) объектов различных типов. Автоматизированное средство технического диагностирования (контроля технического состояния), автоматизированное средство 11 диагностирования (контроля) – это средство, позволяющее производить диагностирование (контроль технического состояния) объекта с применением средств автоматизации и при участии человека. Автоматическое средство технического диагностирования (контроля технического состояния), автоматическое средство диагностирования (контроля) - это средство, позволяющее производить диагностирование (контроль технического состояния) объекта автоматически без участия человека. Современные средства диагностирования используют ЭВМ, что существенно упрощает процедуру диагностики и повышает ее достоверность. Система технического диагностирования (контроля технического состояния), система диагностирования (контроля) – это совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимая для проведения диагностирования (контроля) по правилам, установленным в технической документации. Алгоритм технического диагностирования (контроля технического состояния), алгоритм диагностирования (контроля) – это совокупность предписаний, определяющих последовательность действий при проведении диагностирования (контроля). Алгоритм диагностирования (контроля) устанавливает состав и порядок проведения элементарных проверок объекта и правила анализа их результатов. Элементарная проверка определяется рабочим или тестовым воздействием, поступающим или подаваемым на объект, я также составом признаков и параметров, образующих ответ объекта на соответствующее воздействие. Конкретные значения признаков и параметров, получаемых при диагностировании (контроле) являются результатами элементарных проверок или значениями ответов объекта. Различают безусловные алгоритмы диагностирования (контроля), у которых порядок выполнения элементарных проверок определен заранее, и условные алгоритмы диагностирования (контроля), у которых выбор очередных элементарных проверок определяется результатами предыдущих. Если диагноз составляется после дополнения всех элементарных проверок, предусмотренных алгоритмом, то последний называется алгоритмом с безусловной остановкой. Если же анализ результатов делается после выполнения каждой элементарной проверки, то алгоритм является алгоритмом с условной остановкой. Диагностическое обеспечение – это комплекс взаимоувязанных правил, методов, алгоритмов и средств, необходимых для осуществления диагностирования на всех этапах жизненного цикла объекта. 12 Диагностическое обеспечение объекта включает принципы, методы, алгоритмы и средства технического диагностирования. Для того чтобы объект был приспособлен к диагностированию, необходимо при его проектировании разрабатывать диагностическое обеспечение. Диагностическое обеспечение проектируемого объекта получают в результате анализа его диагностической модели. Строится диагностическая модель на основе предполагаемой конструкции, условий использования и эксплуатации объекта. В результате исследования диагностической модели устанавливаются диагностические признаки, прямые и косвенные параметры и методы их оценки, определяют условия работоспособности, разрабатывают алгоритмы диагностирования. Совокупность этих данных называют диагностическим обеспечением. Диагностическая модель – это формализованное описание объекта, необходимое для решения задач диагностирования. Описание может быть представлено в аналитической, табличной, векторной, графической и других формах. В качестве диагностических моделей могут рассматриваться дифференциальные уравнения, логические соотношения, диаграммы прохождения сигналов и т.д. По методам представления взаимосвязей между состоянием объекта, элементами и параметрами, диагностические модели подразделяют на следующие виды: непрерывные, дискретные, специальные. Выбор того или иного типа модели для представления конкретного объекта зависит от целого ряда таких факторов, как условия эксплуатации, возможное конструктивное выполнение, тип комплектующих элементов и т. п. Выбор диагностических моделей производятся с учетом специфики объекта, условий его использования и методов диагностирования. Диагностический (контролируемый) параметр – это параметр объекта, используемый при его диагностировании (контроле). Для каждого объекта можно указать множество параметров, характеризующих его техническое состояние. Их выбирают в зависимости от применяемого метода диагностирования (контроля). Диагностика может быть прямой и косвенной. Прямая диагностика заключается в непосредственном измерении интересующего параметра объекта. При косвенной диагностике о интересующем параметре судят по вторичным признакам. Соответственно параметры диагностики делятся на прямые и косвенные. Прямой - структурный параметр (например, износ, зазор в сопряжение и др.) 13 непосредственно характеризует техническое состояние объекта. Косвенный параметр (например, давление масла, время, содержание СО в отработавших газах и др.) косвенно характеризует техническое состояние. Пример: При прямой диагностике о прочности арматуры железобетонной опоры судят по измерению ее сечения. При косвенной диагностике о прочности арматуры судят по ее сопротивлению, которое напрямую зависит от величины ее сечения. Процесс технического диагностирования характеризуется рядом показателей. Продолжительность технического диагностирования (контроля технического состояния), продолжительность диагностирования (контроля) – это интервал времени, необходимый для проведения диагностирования (контроля) объекта. Достоверность технического диагностирования (контроля технического состояния), достоверность диагностирования (контроля) – это степень объективного соответствия результатов диагностирования (контроля) действительному техническому достоянию объекта. Полнота технического диагностирования (контроля технического состояния), полнота диагностирования (контроля) – это характеристика, определяющая возможность выявления отказов (неисправностей) в объекте при выбранном методе его диагностирования (контроля). Глубина поиска места отказа (неисправности) – это характеристика, задаваемая указанием составной части объекта с точностью, до которой определяется место отказа (неисправности). Условная вероятность необнаруженного отказа (неисправности) при диагностировании (контроле) – это вероятность того, что неисправный (неработоспособный) объект в результате диагностирования (контроля) признается исправным (работоспособным). Условная вероятность ложного отказа (неисправности) при диагностировании (контроле) – это вероятность того, что исправный (работоспособный) объект в результате диагностирования (контроля) признается неисправным (неработоспособным). Условная вероятность необнаруженного отказа (неисправности) в данном элементе (группе) – это вероятность того, что при наличии отказа (неисправности) в результате диагностирования принимается решение об отсутствии отказа (неисправности) в данном элементе (группе). Условная вероятность ложного отказа (неисправности) в данном элементе (группе) – это вероятность того, что при отсутствии отказа 14 (неисправности) в результате диагностирование принимается решение о наличии отказа (неисправности) в данном элементе (группе). Существует два подхода к задаче диагностирования технического состояния объекта – вероятностный подход и детерминистический подход. При вероятностном подходе известны параметры с определенной вероятностью характеризующие состояние объекта. Требуется создать алгоритм решения, при помощи которого можно установить объекту диагноз. При детерминистическом подходе состояние объекта n-мерным вектором набора возможных состояний. Требуется создать алгоритм решения, при помощи которого можно определить какому конкретному вектору состояний соответствует конкретный диагноз объекта. На рисунке 2 представлена современная схема системы диагностирования с ПЭВМ. Рисунок 2 - Современная схема системы диагностирования ЛИТЕРАТУРА: 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000, с. 275 … 280. 2. ГОСТ 20911-89 «Техническая диагностика». Утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 26. 12. 89 № 4143. ЛЕКЦИЯ №2 «МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ» 15 ВРЕМЯ – 2 часа ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ: Изучить виды и модели объектов диагностирования СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. ВИДЫ ОБЬЕКТОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И ИХ МОДЕЛЕЙ – 40 мин. 2. ТАБЛИЦА ФУНКЦИЙ НЕИСПРАВНОСТЕЙ – 40 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин. 1. ВИДЫ ОБЬЕКТОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И ИХ МОДЕЛЕЙ Диагностическая модель - это формализованное описание объекта диагностирования. Это описание может иметь явный и неявный вид. Явный вид (явная модель) содержит описание как исправного, так и неисправного состояний объекта. Неявный вид (неявная модель) содержит описание какого-либо одного состояния объекта и правила определения другого состояния объекта. В общем случае объект диагностики рассматривается в виде некоторой динамической системы, состояние которой зависит от времени t, входных, внутренних и выходных параметров. Все объекты диагностики делятся на три вида: - непрерывные ОД; - дискретные ОД; - гибридные ОД. Непрерывными называются объекты, все параметры которых могут принимать любые значения из определенных непрерывных пространств состояний. Число состояний непрерывных объектов является бесконечным и не может быть подсчитано. Примеры. Питающий зажим. Его сопротивление может иметь любое значение в некотором диапазоне этих значений. Изолятор. Ток утечки по поверхности изолятора может иметь любое значение в некотором диапазоне этих значений. Дискретными называются объекты, все параметры которых заданы на определенных конечных множествах. 16 Число состояний таких объектов является конечным, может быть подсчитано и пронумеровано. Пример. Шифраторы, счетчики, логические схемы «И», «ИЛИ», «НЕ». Гибридными называются объекты, часть параметров которых задана на непрерывных пространствах состояний, а другая часть - на дискретных пространствах. Пример. Быстродействующий выключатель при токовой защите: - вход БВ: часть параметров непрерывна (амплитуда и скорость нарастания тока), часть параметров дискретна (команды отключения и включения); - выход БВ: часть параметров непрерывна (время отключения), часто параметров дискретна (состояние «включен» и состояние «выключен»). Объекты диагностирования могут быть сосредоточенными или протяженными в пространстве Сосредоточенными называются объекты, свойства которых не зависят от их размеров. Они могут быть представлены в виде материальной точки. Пример. Быстродействующий выключатель. Распределенными называются объекты, свойства которых зависят от их размеров. Они не могут быть представлены в виде материальной точки. Пример. Опора контактной сети. В некоторых случаях непрерывные объекты представляются в виде дискретных объектов с квантованием (группировкой) их различных состояний по некоторым выбранным уровням. Пример. Масляные трансформаторы. В зависимости от состояния трансформатора трансформаторное масло содержит определенное количество примесей. Различные концентрации примесей группируются по их значению. Возникают определенные уровни квантования состояния масла. Объекты, параметры которых зависят только от входных сигналов и не зависят от времени, называются объектами без памяти или комбинационными объектами. Объекты, параметры которых зависят от входных сигналов, от времени и от состояний в предыдущие моменты времени называются объектами с памятью или последовательными объектами. 17 Примеры. Активная электрическая цепь является непрерывным объектом без памяти. Реактивная электрическая цепь является непрерывным объектом с памятью. Элемент «или» - это дискретный объект без памяти. Триггер – это дискретный объект с памятью. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – это гибридный объект с памятью. В процессе диагностики на объект подаются проверочные сигналы, называемые входными сигналами. Под действием входных сигналов происходит изменение внутренних параметров объекта. Изменение внутренних параметров объекта приводит к изменению параметров на его выходе. При составлении математической модели объекта входные сигналы называются входными переменными, внутренние параметры называются внутренними переменными, а выходные параметры называются выходными функциями. Математическая модель исправного объекта записывается в виде: Z = Ψ( Х, Yнач, t), где Z – n - мерный вектор выходных функций (откликов); Ψ – система передаточных функций (откликов объекта); Х – n - мерный вектор входных сигналов (воздействий на объект); Yнач – n - мерный вектор начальных значений внутренних переменных (параметров); t - время. Математическая модель неисправного объекта записывается в виде: Zi = Ψi( Хi, Yi нач, t). i Значения Z, Ψ, Х, Yнач в общем случае не совпадают с значениями Z , Ψi, Хi, Yi нач. Конкретный объект характеризуется некоторым определенным состоянием. Это состояние обозначается символом «*». Математическая модель конкретного объекта имеет вид: Z* = Ψ*(Х*, Y*нач, t). Множество всех элементарных проверок объекта обозначается как πj. Множество ответов объекта на элементарные проверки обозначается, как Rj. В зависимости от состояния объекта будем иметь: - исправный объект: Rj = Ψ(πj); i - неисправный объект: R j = Ψi (πj); 18 - фактический (проверяемый) объект: R*j = Ψ*(πj). 2. ТАБЛИЦА ФУНКЦИЙ НЕИСПРАВНОСТЕЙ Наиболее удобной и часто встречающейся формой представления моделей объектов является табличная форма. Рассмотрим эту форму. Обозначения: - Е – множество технических состояний объекта; - e0 Е – исправное состояние объекта из множества его состояний Е; - ei Е – неисправное состояние объекта из множества его состояний Е - R – множество результатов проверок (ответов объекта на элементарные проверки); - S – множество неисправностей; - Si S - каждому неисправному состоянию объекта соответствует неисправность Si из множества неисправностей S; - П – множество допустимых элементарных проверок; - πjП - элементарная проверка из множества П. Таблица неисправностей составляется следующим образом. В строках записываются допустимые элементарные проверки πj П, а в столбцах возможные технические состояния объекта из множества Е. На пересечении строки πj и столбца e0 находятся результаты проверок, соответствующие исправному состоянию объекта. На пересечении строки πj и столбца ei находятся результаты проверок, соответствующие неисправному состоянию объекта. В ячейке (j,0) на пересечении строки πj и столбца 0 находятся результаты R0j элементарной проверки объекта, пребывающего в исправном состоянии e0. В ячейке (j, i) на пересечении строки πj и столбца i находятся i результаты R j элементарной проверки объекта, пребывающего в неисправном состоянии ei. С учетом принятых обозначений таблица функций неисправностей будет иметь вид: Таблица 1. Таблица функций неисправностей Е R π1 … e0 R01 … … … … ej Ri1 … … … … e[S] R[S]1 … 19 П πj … π[П] R0j … R0[П] … … … Rij … Ri[П] … … … R[S]j … [S] R [П] Считается, что множество допустимых элементарных проверок П обладает свойствами обнаружения любой неисправности Si и различения всех неисправностей из множества S. Под различением понимается способность отличать одну неисправность от другой. Свойство обнаружения любой неисправности означает, что столбец, соответствующий исправному состоянию объекта e0, отличается от любого другого столбца таблицы. Свойство различения неисправностей означает, что все столбцы, представляющие неисправные состояния объекта, отличны друг от друга. Анализ таблицы функций неисправностей позволяет состав элементарных проверок, позволяющих установить исправное состояние объекта. Поэтому таблицу функций неисправностей используют для построения алгоритма диагностирования объекта, а также для построения и уточнения физической модели объекта. Одиночная неисправность объекта может быть обнаружена элементарной проверкой при выполнении двух условий: - при условии проявления неисправности; - при условии транспортировки неисправности в контрольные точки, в которых производится диагностирование. Условие проявления неисправности состоит в том, что возникшая неисправность должна изменить значение хотя бы одного параметра объекта. Условие транспортировки неисправности в контрольные точки заключается в возможности передачи измененных параметров объекта хотя бы в одну контрольную точку. Анализ таблицы функций неисправностей позволяет состав элементарных проверок, позволяющих установить исправное состояние объекта. Поэтому таблицу функций неисправностей используют для построения алгоритма диагностирования объекта, а также для построения и уточнения физической модели объекта. Различают прямую и обратную задачи диагностирования. При помощи таблицы неисправностей эти задачи решаются следующим образом. Прямая задача заключается в определении по заданной элементарной проверке πj информации о состояниях объекта, достаточной для его отнесения к исправному или неисправному состоянию, а также для установления конкретной неисправности. На практике сложность такого решения 20 обусловлена ограниченностью числа элементарных проверок, что не позволяет различить все возможные неисправности. Обратная задача заключается в определении некоторого подмножества элементарных проверок (πj) ϵ П, различающих заданные неисправности (Si … Sк). ЛИТЕРАТУРА: 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000, с. 280 … 284. ЛЕКЦИЯ №3 «МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ» ВРЕМЯ – 2 часа ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Изучить виды и модели объектов диагностирования СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. МОДЕЛЬ НЕПРЕРЫВНОГО ОБЪЕКТА – 40 мин. 2. МОДЕЛЬ ДИСКРЕТНОГО ОБЪЕКТА – 40 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин. 1. МОДЕЛЬ НЕПРЕРЫВНОГО ОБЪЕКТА Одним из видов моделей непрерывных объектов являются логические модели. На основе знания принципиальной схемы объекта составляется его структурная схема. Рассмотрим структурную схему входного устройства релейной защиты (рисунок 1). Задачей этого устройства является формирование уровня выходного сигнала z в зависимости от сигнала на входе х. 21 Рисунок 1 - Структурная схема входного устройства релейной защиты. 1 – измерительная схема; 2 – формирователь выходного сигнала. Как видно из структурной схемы, рассматриваемый объект состоит из двух блоков – измерительной схемы 1 и формирователя 2. На вход поступает сигнал х, являющийся комплексным сигналом (напряжение, ток, сдвиг фаз, частота и т.д.), вид которого зависит от типа защиты. Рассмотрим функциональную схему такого устройства (рисунок 2.). Предположим, что входным сигналом являются ток и напряжение. Тогда в функциональной схеме измерительная схема будет иметь два входа. На вход измерительной схемы поступает ток и напряжение. В схеме происходит измерение фазового угла между током и напряжением. Поэтому в функциональной схеме измерительная схема представлена в виде двух блоков 1а и 1б. Рисунок 2 - Функциональная схема входного устройства релейной защиты. 1а – блок измерения тока и напряжения; 1б – блок измерения фазового угла между током и напряжением; 2 – формирователь выходного сигнала. Считается, что для всех входных и выходных сигналов можно выделить области их допустимых значений. Если сигналы находятся в этой области, то они называются допустимыми сигналами и обозначаются, как х1, х2, у1, у2, у3, z. В логической модели объекта (рисунок 3) допустимые значения обозначаются как 1. Если сигналы выходят за пределы области допустимых значений, то они называются недопустимыми сигналами и обозначаются, как 22 х1, х2, у1, у2, у3, z. В логической модели объекта недопустимые значения обозначаются как 0. Рисунок 3 - Логическая модель входного устройства релейной защиты. 1, 2, 3, 4 – блоки функциональной схемы с одним входом и одним выходом. Обозначим состояние блоков логической модели символом li, где i = 1, 2, 3, 4. Заполним таблицу функций неисправностей, для чего определим условия работы блоков. Блоки работают, если через них проходят сигналы: F1 = x1; F2 = х2; F3 = z1· z2; F4 = z1 · z2· z3. Составим равенства вида zi = li· Fi: Столбец е0 соответствует всем исправным блокам и имеет все 1. Для столбца е1 считаем, что неисправен первый блок и l1 = 0. Все остальные блоки будем считать исправными, т.е. l2 = l3 = l4 = 1. Тогда: z1 = l1· x1 = 0 · 1 = 0; z2 = l2 · x2 = 1 · 1 = 1; z3 = l3· z1· z2 = 1 · 0 · 1 = 0; z4 = l4· z1· z2 · z3 = 1 · 0 · 1 · 0 = 0. Столбцы е2, е3, и е4 заполняются по аналогии. Таблица функций неисправностей имеет вид: Таблица 2. Таблица функций неисправностей входного устройства релейной защиты R результат П е0 Е состояния объектов е1 е2 е3 е4 1 1 1 1 проверка 1 1 1 1 1 1 1 По полученной таблице функций неисправностей разрабатывается алгоритм диагностирования объекта. Преимуществом логических моделей является их простота. Однако в случае наличия в объекте обратных связей нельзя однозначно выделить в логической модели отказавший блок. В этом случае логическая модель для диагностики состояния объекта не применяется. z1 z2 z3 z4 23 2. МОДЕЛЬ ДИСКРЕТНОГО ОБЪЕКТА Дискретные объекты, как известно, могут быть либо объектами без памяти (комбинационными) либо объектами с памятью. При рассмотрении дискретных комбинационных объектов считают, что выходные сигналы изменяются мгновенно сразу после изменения входных сигналов и не зависят от предыдущего состояния объекта. При рассмотрении дискретных объектов с памятью считают, что выходные сигналы изменяются мгновенно сразу после изменения входных сигналов и зависят от предыдущего состояния объекта. Примером дискретных комбинационных объектов являются логические элементы «И», «ИЛИ», «НЕ» и их различные сочетания без обратных связей. Схема двоичного дешифратора, являющегося дискретным объектом без памяти, представлена на рисунке 4. Для анализа работы такого объекта составляется не таблица функций, а таблица истинности (таблица 3). Рисунок 4 - Схема двоичного дешифратора Таблица 3. Таблица истинности двоичного дешифратора Входы Выходы х1 х2 х3 z1 z2 z3 z4 z5 z6 z7 z8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 24 Таблица функций неисправностей составляется на основании таблицы истинности и является достаточно сложной. Общепринятой моделью дискретного объекта с памятью является конечный автомат (рисунок 5). Рисунок 5 - Схема конечного автомата: х – внешний входной сигнал автомата; у – выходной сигнал памяти; z – внешний выходной сигнал автомата; w – входной сигнал памяти. Функционирование конечного табличной или графической формах. автомата задается в аналитической, ЛИТЕРАТУРА: 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000, с. 285 … 292. ЛЕКЦИЯ №4 «СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСПОЗНОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА» ВРЕМЯ – 2 часа ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Изучить статистические методы распознавания технического состояния объекта. СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. МЕТОД КОСВЕННОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ, ОСНОВАННЫЙ НА ТЕОРЕМЕ БАЙЕСА – 40 мин. 2. МЕТОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА – 40 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин. 25 1. МЕТОД КОСВЕННОЙ ДИАГНОСТИКИ ОБЪЕКТОВ, ОСНОВАННЫЙ НА ТЕОРЕМЕ БАЙЕСА СОСТОЯНИЯ 1.1. Теорема Байеса Метод Байеса является одним из наиболее простых и точных методов косвенной диагностики состояния объекта по априорным статистическим данным. Априорными называются данные о состоянии объектов, полученные опытным (экспериментальным путем). Такие данные накапливаются со временем и являются достаточно точными, если получены в результате наблюдений за большим количеством однотипных объектов в течение длительного времени. Допустим, что объект имеет какое-то состояние, называемое диагнозом Di. В этом состоянии объект может иметь, а может и не иметь некоторый признак Кj. В свою очередь признак Кj может проявляться у объекта с диагнозом Di, а может проявляться и у объектов с другими диагнозами. События наличия у объекта диагноза Di и признака Кj являются совместными событиями и могут появляться одновременно. Появление диагноза Di является случайным событием, но имеются статистические данные о том, что при его наличии у определенного числа объектов имеется признак Кj. Эти статистические данные позволяют определить вероятность Р(Di Кj) совместного появления у объекта диагноза Di и признака Кj. Вероятность появления двух совместных событий связана с условной вероятностью появления одного из событий при наличии другого следующим образом: Р(DiКj) = Р(Di)· Р(Кj/Di) = Р(Кj)· Р(Di/Кj). Теорема Байеса вытекает из этого равенства и записывается в виде: Р(Di/Кj) = Р(Di)· Р(Кj/Di) / Р(Кj), где Р(Di/Кj) – условная вероятность появления диагноза Di у объекта с признаком Кj; Р(Di) - априорная вероятность диагноза Di у любого объекта, определенная по статистическим данным; Р(Кj/Di) - априорная условная вероятность появления признака Кj у объекта с диагнозом Di; Р(Кj) априорная вероятность появления признака Кj у любого объекта. Достоверность косвенной диагностики может быть значительно повышена двумя основными путями – за счет увеличения числа обследованных типовых объектов, а также за счет увеличения числа косвенных признаков, свидетельствующих о неисправности обследованных объектов. 26 1.2. Обобщенная теорема Байеса Если каждое из n состояний объекта характеризуется комплексом признаков К1, К2, … КL Є K*, то применяется обобщенная формула Байеса: Р(Di/K*) = [Р(Di) · Р(K*/Di)]/ Р(K*), где Р(Di/K*) – условная вероятность нахождения объекта в диагнозе Di при условии, что в ходе обследования была получена реализация К* комплекса признаков Кj; Р(K*) - вероятность появления конкретной реализации К* комплекса признаков Кj у всех диагностируемых объектов, не зависимо от их технического состояния; Р(K*/Di) - условная вероятность появления конкретной реализации К* комплекса диагностических признаков Кj для объекта, находящегося в диагнозе Di. Поскольку объект может находиться только в одном из n возможных технических состояний, то = 1. Кроме того считается, что отдельные диагностические признаки К1 , К2, … Кm из множества K* являются независимыми. Тогда из правила вероятности совместного появления независимых событий следует, что: Р(K*/Di) = (Kj*/Di); Р(K*) = · Р(K*/Di) = · (Kj*/Di). С учетом указанных замечаний преобразуем обобщенную формулу Байеса к виду, удобному для выполнения практических вычислений: / Р(Di/K*) = [Р(Di) · Р(K*/Di)]/ Р(K*) = [Р( Di) · · (Kj*/Di). (Kj*/Di)] 2. МЕТОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА Данный метод используется для исследования объекта, состояние которого характеризуется несколькими признаками. В общем случае может быть n признаков. В процессе диагностирования признаки последовательно проверяют. При этом на каждом очередном шаге проверяется условие о возможности постановки диагноза. Если информации для постановки диагноза достаточно, то его ставят и диагностирование прекращается. Если информации недостаточно, то проверяется следующий признак. Рассмотрим данный метод. Существует возможность состояний объекта, с диагнозами Di и Dj. * Существует некоторый набор признаков К*1 … К m статистически связанный 27 с этими диагнозами. Для распознавания состояний объекта Di и Dj необходимо составить соотношение: Р(Dj/K*)/Р(Di/K*) = Р(Dj) / Р(Di)· Р(K*1/Dj) / Р(K*1/Di) … Р(K*m/Dj) /Р(K*m/Di). Если Р(Dj) / Р(Di) > 1 при j = 1, 2, …, i = j то K* Є Dj. При выполнении условия K* Є Dj выполняется неравенство: Р(K*1/Dj) / Р(K*1/Di) … Р(K*m/Dj) /Р(K*m/Di) > Р(Di) / Р(Dj). В методе последовательного анализа отношения вероятностей являются отношениями правдоподобия. Эти отношения составляются последовательно. Рассмотрим составление отношений вероятности на примере. Допустим, что объект, характеризуемый множеством признаков К* имеет конкретный признак К1. Объект может находиться в одном из двух состояний, соответствующих диагнозам D1 или D2. Мы знаем, что признак К1 встречается чаще у объекта с диагнозом D2 чем у объекта с диагнозом D1. В этом случае составляется неравенство в виде отношения вероятностей вида: Р(K1/D2) / Р(K1/D1) >А, где А – параметр, называемой верхней границей принятия решения. Если отношение вероятностей больше, чем параметр принятия решения А, то считается, что множество признаков К* характеризует диагноз D2: K1 Є D2. Если наоборот, признак К1 встречается чаще у объекта с диагнозом D1 чем у объекта с диагнозом D2, то составляется неравенство в виде отношения вероятностей вида: Р(K1/D2) / Р(K1/D1) < В, где В – параметр, называемой нижней границей принятия решения. Если отношение вероятностей меньше, чем параметр принятия решения В, то считается, что множество признаков К* характеризует диагноз D1: K1 Є D1. Мы видим, что речь идет о границах принятии решения о состоянии объекта. При этом отношение вероятностей лежит между параметрами А и В Если выполняется условие Р(K1/D2) / Р(K1/D1)> А, то при наличии признака К1 объект находится в состоянии D2. Если выполняется условие Р(K1/D2) / Р(K1/D1)< В, то при наличии признака К1 объект находится в состоянии D1. 28 Если выполняется условие В <Р(K1/D2) / Р(K1/D1) < А, то мы не можем сказать, в каком состоянии находится объект и необходимо проводить следующую проверку. При следующей проверке вновь рассматриваются диагнозы D1 и D2, но уже при признаке К2. В этом случае рассматривается уже произведение отношений вероятностей вида Р(K1/D2) / Р(K1/D1)· Р(K2/D2) / Р(K2/D1). Как только произведение отношений вероятностей выходит за пределы границ принятия решений А или В, объекту ставится диагноз. Величины параметров А и В рассчитывают исходя из назначаемых вероятностей ошибок первого рода α и второго рода β. На практике принимают α = β = 0,05 … 0,1. Это соответствует вероятностям постановки точного диагноза 0,95 и 0,9. Величины А и В определяются по формулам: (1 – α) / α ≥ А ; В ≥ β / (1 – α). При α = β = 0,05 получим: (1 – 0,05) / 0,05 = 19 ≥ А ; В ≥ 0,05 / (1 – 0,05) = 0,0526. ЛИТЕРАТУРА: 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000. ЛЕКЦИЯ №5 «РЕШАЮЩЕЕ ПРАВИЛО. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ОШИБОК ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСПОЗНАВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА» ВРЕМЯ – 2 часа ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Оценить возможные последствия ошибок при использовании статистических методов распознавания технического состояния объекта. СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. РЕШАЮЩЕЕ ПРАВИЛО –10 мин. 29 2. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ОШИБОК ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСПОЗНАВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА – 70 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин. 1. РЕШАЮЩЕЕ ПРАВИЛО Правило, в соответствии с которым принимается решение о диагнозе, называется решающим правилом. В методе Байеса объект с комплексом признаков К* относится к диагнозу, имеющему наибольшую вероятность. Это условие записывается в виде: К* Є Di если Р(Di /К*) > Р(Dj/К*) при i ≠ j. Условие указывает, что объект, обладающий данной реализацией комплекса признаков К*, принадлежит диагнозу (состоянию) D . Данное i правило уточняется введением порогового значения для вероятности диагноза: Р(Di /К*) ≥ Рi, где - Рi выбранное пороговое значение наименьшей вероятности диагноза Di. Обычно принимается Рi ≥ 0,9. При этом вероятность ближайшего конкурирующего диагноза Рj не выше 1 - Рi: Рj < 1 - Рi = 1 – 0,9 = 0,1. Если Р(Di /К*) < Рi, то решение о наличии у объекта диагноза Di не принимается. В этом случае для принятия решения о диагнозе требуется дополнительная информация. 2. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ОШИБОК ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСПОЗНАВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА При использовании статистических методов распознавания технического состояния объекта важным условием является оценка возможных последствий ошибочного диагноза. Для снижения вероятности постановки неверного диагноза необходимо правильно выбрать решающее правило. В данном случае решающее правило выбирается исходя из условия минимального риска постановки неверного диагноза. 30 Пример. Определить возможность постановки диагноза при использовании для распознавания технического состояния трансформатора одного признака – газа, выделяющегося из трансформаторного масла (признак → критерий → показатель → параметр). Диагностический показатель обозначим как k. Необходимо выбрать величину параметра k0 таким образом, чтобы: - при выполнении условия k k0 принимать решение о неисправном состоянии трансформатора и прекращении его эксплуатации. Условию k k0 соответствует не работоспособное состояние трансформатора. В этом случае объекту ставится диагноз D2. Таким образом, нами проведено разделение диагнозов состояния трансформатора на два класса: D - работоспособное состояние; D – 1 2 неработоспособное состояние (отказ). С учетом выбранных нами обозначений решающее правило принимает вид: при k < k0; k Є D1; при k ≥ k0; k Є D2. Выделение газа неоднозначно характеризует состояние масляного трансформатора. Масло имеет собственный запах, а, следовательно, из него выделяется газ. В работоспособном состоянии трансформатора содержание газов не превышает допустимых пределов. Плотность распределения функции условной вероятности показателя k для работоспособных и неработоспособных трансформаторов показана на рисунке 1. 31 Рисунок 1 - Плотность распределения функции условной вероятности показателя k для работоспособных и неработоспособных трансформаторов: f(k/D1) – функция условной вероятности появления признака k при диагнозе D1; k1 – значение показателя, при котором f(k/D1) = max; f(k/D2) – функция условной вероятности появления признака k при диагнозе D2; k2 – значение показателя, при котором f(k/D2) = max; k0 - значение параметра, при котором трансформатор переходит в предельное состояние. Как видно из рисунка 1, функции f(k/D1) и f(k/D2) пересекаются. Справа и слева от линии предельного состояния объекта, характеризующейся условием k = k0, имеют место заштрихованные области. Наличие этих областей свидетельствует о том, что: - трансформатор может находиться в неработоспособном состоянии при условии k< k0; - трансформатор может находиться в работоспособном состоянии при условии k> k0. Из данного факта можно сделать вывод, что вблизи значения k0 существует некоторая область значений показателя k, при которых трансформатор может находиться как в работоспособном, так и в не работоспособном состояниях. Поскольку реальный объект не может одновременно быть работоспособным и неработоспособным, то наличие заштрихованных областей справа и слева от значения k0 означает, что в этих областях велика вероятность постановки ошибочных диагнозов. При этом с достаточно высокой вероятностью исправный 32 трансформатор может быть признан неисправным, а неисправный трансформатор может быть признан исправным. Если исправному объекту вместо диагноза D1 ставят диагноз D2, то это ошибка принятия решения о диагнозе первого рода – ложная тревога. Если не исправному объекту вместо диагноза D2 ставят диагноз D1, то это ошибка принятия решения о диагнозе второго рода – пропуск отказа. Обозначим неверный диагноз как Dij, где i - соответствует индексу принятого диагноза, а j - индексу действительного состояния. Тогда диагноз D21 это ошибка принятия решения о диагнозе первого рода или ложная тревога, а диагноз D12 – ошибка принятия решения о диагнозе второго рода или пропуск отказа. Вероятность ложной тревоги Р(D21) равна вероятности произведения вероятностей двух событий: вероятности работоспособного состояния трансформатора Р(D1) и условной вероятности Р(k > k0/D1) работоспособного состояния трансформатора при условии k > k0. Вероятность работоспособного состояния трансформатора определяется как априорная вероятность этого состояния и обозначается как Р1: Р(D1) = Р1. Р(k>k0/D1) работоспособного состояния трансформатора при условии k> k0 определяется как интеграл функции f(k/D1) на интервале от k0 до ∞: Р(k>k0/D1) = (k /D1)dk. Условная вероятности Тогда: Р(D21) = Р1· (k /D1)dk. Вероятность пропуска отказа Р(D12) равна вероятности произведения вероятностей двух событий: вероятности не работоспособного состояния трансформатора Р(D2) и условной вероятности Р(k> k0/D2) не работоспособного состояния трансформатора при условии k > k0. Вероятность не работоспособного состояния трансформатора определяется как априорная вероятность этого состояния и обозначается как Р2: Р(D2) = Р2. Р(k>k0/D2) работоспособного состояния трансформатора при условии k > k0 определяется как интеграл функции f(k/D2) на интервале от k0 до ∞: Условная вероятности 33 Р(k>k0/D2) = Тогда: Р(D12) = Р2· (k /D2)dk. (k /D2)·dk. На практике возможны два случая постановки неправильного диагноза состояния трансформатора – ложная тревога и пропуск отказа. Это означает что суммарная вероятность Р∑( Dij) постановки неправильного диагноза равна сумме вероятностей Р(D21) ложной тревоги и Р(D12) пропуска отказа: Р∑( Dij) = Р(D21) + Р(D12) = Р1· (k /D1)dk + Р2· (k /D2)·dk. Данное выражение свидетельствует о достаточно высокой вероятности постановки трансформатору неправильного диагноза. Для уменьшения вероятности постановки неправильного диагноза необходимо сократить области пересечения кривых. Этого можно добиться при повышении точности измерения показателя k, а также путем более тщательного и точного определения параметра k0. Определим возможные последствия неправильной постановки диагноза в виде величины риска R. Для этого стоимость ложной тревоги обозначим как С21, а стоимость пропуска отказа обозначим как С12. В соответствии с полученными результатами для суммарной вероятности постановки неправильного диагноза получим выражение для определения риска потерь из-за неправильного диагноза R: R = С21·Р(D21) + С12·Р(D12) = С21·Р1· (k /D1)dk + С12·Р2· (k /D2)·dk. ЛИТЕРАТУРА: 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000. ЛЕКЦИЯ №6 «МЕТОДЫ МИНИМИЗАЦИИ РИСКА ОШИБОЧНОГО ДИАГНОЗА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА» ВРЕМЯ – 2 часа ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ: Установить диагноз объекта с использованием различных методов минимизации риска ошибочного решения. СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: 34 ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. МЕТОД МИНИМАЛЬНОГО РИСКА – 40 мин. 2. МЕТОД МИНИМАЛЬНОГО ЧИСЛА ОШИБОЧНЫХ РЕШЕНИЙ – 10 мин. 3. МЕТОД НАИБОЛЬШЕГО ПРАВДОПОДОБИЯ – 10 мин. 4. МЕТОД НЕЙМАНА-ПИРСОНА – 20 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин. 1. МЕТОД МИНИМАЛЬНОГО РИСКА Для определения риска потерь из-за неправильного диагноза R используется выражение: R = С21·Р(D21) + С12·Р(D12) = С21·Р1· (k/D1)dk + С12·Р2· (k /D2)·dk, где С21 - стоимость ложной тревоги; С12 - стоимость пропуска отказа. Необходимо найти значение параметра k0. Эта величина находится из условия минимального среднего риска. Дифференцируя выражение для R по k и приравнивая производную нулю, получим условие экстремума функции риска потерь в виде: dR/dk = С12·Р2·f(k/D2) – С21·Р1·f(k/D1) = 0. Из данного выражение получим отношение правдоподобия: f(k/D1)/f(k/D2) = С12·Р2/С21·Р1. Это условие определяет два значения k, из которых одно соответствует минимуму риска, а второе соответствует максимуму риска. Для получения минимума риска R должно выполняться условие, что вторая производная функции риска R должна быть положительной, то есть: d2R/dk2 > 0. Для одномодальных распределений плотность распределения функции условной вероятности показателя k вида f(k/Di), т.е. когда эти функции содержат не более одного максимума, на интервале k1 < k < k2 это условие выполняется. В соответствии с соотношением правдоподобия вида f(k/D1)/f(k/D2) = С12·Р2/С21·Р1, правило решения по методу минимального риска имеет вид: k D1 при f(k/D1)/f(k/D2) > С12·Р2/С21·Р1; k D2 при f(k/D1)/f(k/D2) < С12·Р2/С21·Р1. 35 Соблюдение правила решения проверяется при k = kmin. Найдем значение kmin. Рассмотрим случай, когда параметр k имеет нормальное распределение при исправном D1 и неисправном D2 состояниях объекта. Будем считать, что параметры рассеяния σ функций f(k /D1) и f(k/D2) одинаковы и выполняется условие: σ1 = σ2 = σ. В этом случае плотности распределений условной показателя k будут иметь следующий стандартный вид: f(k/D1) = 1/( σ f(k/D2) = 1/( σ вероятности 2 2 -(k – k1) /(2σ ) )·е ; 2 2 -(k – k2) /(2σ ) )·е . Подставим данные выражения в правило решения. После преобразований получим выражение для определения значения параметра минимального риска kmin: kmin = 0,5·(k2 – k1) – σ2/(k2 – k1)·[ln(Р2/Р1) - ln(С12/C21)]. При k < kmin принимаем решение о том, что k D1. При k > kmin принимаем решение о том, что k D2. ПРИМЕР Необходимо поставить диагноз состоянию железобетонной опоры контактной сети по показателю k – (показатель П2 – отношение времени распространения ультразвука в поперечном направлении к времени распространения ультразвука в продольном направлении). Фактическое значение показателя составляет k = 1,0. Показатель k имеет нормальное распределение при исправном D1 и неисправном D2 состояниях объекта. Максимальное значение плотности распределения функции условной вероятности f(k/D1) имеет место при k1 = 1,0. Максимальное значение плотности распределения функции условной вероятности f(k/D2) имеет место при k2 = 1,6. Параметры рассеяния σ функций f(k /D1) и f(k/D2) одинаковы и выполняется условие σ1 = σ2 = 0,2. Априорная вероятность исправного состояния опоры Р(D1) = Р1 = 0,99999. Априорная вероятность не исправного 36 состояния опоры Р(D2) = Р2 = 0,00001. Весовой коэффициент стоимости ложной тревоги С21 = 1000. Весовой коэффициент стоимости пропуска отказа С12 = 5000. Решение: Выражение для определения значения параметра минимального риска kmin имеет вид: kmin = 0,5·(k2 – k1) – σ2/(k2 – k1)·[ln(Р2/Р1) - ln(С12/C21)]. Определим величину 0,5·(k2 – k1): 0,5·(k2 – k1) = 0,5·(1,6 – 1,0) = 0,3. 2 Определим величину σ /(k2 – k1): σ2/(k2 – k1) = 0,22/(0,6) = 0,067. Определим величины ln(Р2/Р1), ln(С12/C21), ln(Р2/Р1) - ln(С12/C21): ln(Р2/Р1) = ln(0,00001/0,99999) = ln(0,00001) = -11,51. ln(С12/C21) = ln(5000/1000) = ln(5) = 1,61. ln(Р2/Р1) - ln(С12/C21) = - 11,51 – 1,61 = -13,12. 2 Определим величину σ /(k2 – k1)· )·[ln(Р2/Р1) - ln(С12/C21)]: σ2/(k2 – k1)· )·[ln(Р2/Р1) - ln(С12/C21)] = 0,067·(-13,12) = -0,88 Определим величину kmin: kmin = 0,3 –(- 0,88) = 1,18. Сравниваем фактическое текущее значение показателя k = 1,0 с полученной в результате расчета величиной kmin = 1,18. Выполняется условие k < kmin. При k < kmin принимаем решение о том, что k D1. Опора исправна. 2. МЕТОД МИНИМАЛЬНОГО ЧИСЛА ОШИБОЧНЫХ РЕШЕНИЙ Частным случаем рассмотренного метода минимального риска является метод минимального числа ошибочных решений. Этот метод применяется в случае, если весовой коэффициент стоимости ложной тревоги и весовой коэффициент стоимости пропуска отказа одинаковы. Т.е. при условии С21 = С12. Правило решения по методу минимального числа ошибочных решений имеет вид: k D1 при f(k/D1)/f(k/D2) > Р2/Р1; k D2 при f(k/D1)/f(k/D2) < Р2/Р1. 37 ПРИМЕР При условиях предыдущей задачи принимаем, что весовой коэффициент стоимости ложной тревоги и весовой коэффициент стоимости пропуска отказа одинаковы, т.е. С21 = С12. Как изменится результат диагностирования состояния опоры? Решение: Выражение для определения значения параметра минимального риска kmin имеет вид: kmin = 0,5·(k2 – k1) – σ2/(k2 – k1)·ln(Р2/Р1). Определим величину 0,5·(k2 – k1): 0,5·(k2 – k1) = 0,5·(1,6 – 1,0) = 0,3. 2 Определим величину σ /(k2 – k1): σ2/(k2 – k1) = 0,22/(0,6) = 0,067. Определим величину ln(Р2/Р1): ln(Р2/Р1) = ln(0,00001/0,99999) = ln(0,00001) = -11,51. 2 Определим величину σ /(k2 – k1)· )·ln(Р2/Р1): σ2/(k2 – k1)· )·[ln(Р2/Р1) - ln(С12/C21)] = 0,067 -11,51 = -0,77 Определим величину kmin: kmin = 0,3 –(- 0,77) = 1,07. Сравниваем фактическое текущее значение показателя k = 1,0 с полученной в результате расчета величиной kmin = 1,07. 1,0 < 1,07. Выполняется условие k < kmin. При k < kmin принимаем решение о том, что k D1. Опора исправна. 3. МЕТОД НАИБОЛЬШЕГО ПРАВДОПОДОБИЯ Частным случаем рассмотренного метода минимального риска является метод наибольшего правдоподобия. Правило решения по методу наибольшего правдоподобия имеет вид: k D1 при f(k/D1)/f(k/D2) > 1; D2 при f(k/D1)/f(k/D2) < 1. Выполнение условия f(k/D1)/f(k/D2) > 1 означает, что f(k/D1) > f(k/D2). Выполнение условия f(k/D1)/f(k/D2) < 1 означает, что f(k/D1) < f(k/D2). k 38 Проверим, как изменится результат диагностирования состояния опоры при условии предыдущей задачи. Запишем выражения для определения значений функций f(k/D1) и f(k/D2): f(k/D1) = 1/( σ f(k/D2) = 1/( σ 2 2 -(k – k1) /(2σ ) )·е ; 2 2 -(k – k2) /(2σ ) )·е . Введем обозначения: 2 а = 1/( σ 2 -(k – k1) /(2σ ) ); b = е 2 2 -(k – k2) /(2σ ) ;c=е . Тогда: f(k/D1) = а· b; f(k/D2) = а· с. а = 1/(0,2·(2·3,14) 0,5 = 2,0; b = е-0 = 1; с = е-2,25 = 0,105; f(k/D1) = а· b = 2,0·1= 2; f(k/D2) = а· с = 2,0·0,105 = 0,21. 2,0 > 0,21. Выполняется условие f(k/D1) > f(k/D2). Принимаем решение о том, что k D1. Опора исправна. Проведя диагностику состояния опоры методами минимального риска, минимального числа ошибочных решений и наибольшего правдоподобия мы получили один и тот же результат – опора исправна. 2. МЕТОД НЕЙМАНА-ПИРСОНА На практике часто встречаются случаи, когда не известны весовые коэффициенты стоимости ошибок ложной тревоги С21 и пропуска отказа С12.В этом случае для постановки диагноза о техническом состоянии объекта можно использовать метод Неймана-Пирсона. Суть данного метода заключается в том, что, если неизвестны оценки стоимости ошибок, решается задача минимизации одной ошибки при определенном (допустимом) уровне другой. По методу Неймана-Пирсона минимизируется вероятность пропуска отказа при заданном допустимом уровне вероятности ложной тревоги. Вероятность ложной тревоги определяется из выражения: Р1· (k/D1)dk ≤ А, 39 где A - заданный допустимый уровень вероятности ложной тревоги; Р1 вероятность исправного состояния объекта. На рисунке 1 представлены кривые функций условной вероятности f(k/D1) и f(k/D2), а также определены области работоспособного и неработоспособного состояний объекта. Анализ данного рисунка позволяет определить условие минимизации вероятности пропуска отказа при заданном допустимом уровне вероятности ложной тревоги А. Рисунок 1 - Плотность распределения функций условной вероятности f(k/D1) и f(k/D2) Из рисунка 1 и выражения Р1· (k/D1)dk ≤ А видно, что если линия предельных состояний будет перемещаться влево, то вероятность ложной тревоги будет возрастать, а вероятность пропуска отказа будет уменьшаться. Можно выбрать такое значение параметра k0min, при котором вероятность ошибки пропуска отказа будет минимальной при заданном приемлемом уровне вероятности ложной тревоги. В этом случае вероятность ложной тревоги будет определяться из выражения: Р1· (k/D1)dk = А. В практических задачах можно принимать A = r·Р2, где r - коэффициент избыточности, зависящий от разрешающей способности диагностических средств, опасности отказа, экономических последствий и других соображений. При отказах с ограниченными последствиями можно принять r = 1… 3. При опасных отказах r = 3…10. Для редко встречающихся (Р2 <0,01), но крайне 40 опасных отказов, коэффициент избыточности r может достигать и больших значений. Например, при Р2 = 0,005 и r = 10 величина А = 0,05. В ряде случаев используется другой подход минимизируется вероятность ложной тревоги при заданном допустимом уровне вероятности пропуска отказа. Вероятность ложной тревоги определяется из выражения: Р1· (k/D1)dk =В, где В - заданный допустимый уровень вероятности пропуска отказа. Исходя из величины В, определяется значение параметра k0min, при котором вероятность ошибки пропуска отказа будет минимальной. Величина В определяется из соотношения: В = 1/(r·N), где r - коэффициент избыточности; N - число объектов данного типа в эксплуатации. На практике соблюдается соотношение В ≤ 0,01. ЛИТЕРАТУРА: 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000. ЛЕКЦИЯ №7 «ИНФОРМАЦИОННАЯ ЭНТРОПИЯ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА» ВРЕМЯ – 2 часа. ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ: Познакомиться с определением энтропии. Рассмотреть свойства энтропии и возможности ее использования для определения технического состояния диагностирования объектов, определить энтропию объекта с непрерывным пространством состояний. СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 41 1. ИНФОРМАЦИОННАЯ ЭНТРОПИЯ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА – 30 мин. 3. СВОЙСТВА ЭНТРОПИИ – 30 мин. 2. ЭНТРОПИЯ ОБЪЕКТА С НЕПРЕРЫВНЫМ ПРОСТРАНСТВОМ СОСТОЯНИЙ – 20 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин. 1. ИНФОРМАЦИОННАЯ ЭНТРОПИЯ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА Информационная энтропия — это мера неопределённости или непредсказуемости информации, неопределённость появления какого-либо состояния объекта диагностики. Если потеря информации отсутствует, то информационная энтропия численно равна количеству информации на символ передаваемого сообщения. Энтропия — это количество информации, приходящейся на одно элементарное сообщение источника, вырабатывающего статистически независимые сообщения. Реальный объект может находиться в одном из n возможных состояний (e0, e1, e2, … ei, … en) из множества состояний Е. Разные состояния появляются с разной вероятностью Р(ei). Возникает вопрос, в каком из состояний находится объект в настоящий момент? Т.е. существует неопределенность конкретного состояния объекта в конкретный момент времени. Разная вероятность состояния объекта означает, что в одних состояниях объект может находиться чаще, чем в других. Например, если в работоспособном состоянии e0 объект может находиться чаще, чем в неработоспособном состоянии ei, то неопределенность состояний объекта уменьшается. Если предположить, что вероятность нахождения объекта в неработоспособном состоянии Р(ei) стремится к 0, то в этом случае неопределенность состояния объекта также стремится к 0. Если одно из возможных состояний объекта e0 (работоспособное состояние), обязательно реализуется с некоторой вероятностью Р(e0), а два состояния (работоспособное и неработоспособное) одновременно невозможны, то имеется полная группа событий с вероятностью реализации, равной 1: (ei) = 1. Для обеспечения возможности измерения информации она должна соответствовать определенным требованиям: 42 1. Мера информации о состоянии объекта должна быть непрерывной изменение значения величины вероятности состояния объекта на малую величину должно вызывать малое изменение неопределенности о его состоянии; 2. В случае, когда все технические состояния объекта равновероятны, увеличение количества вариантов возможных состояний должно всегда увеличивать значение неопределенности информации; 3. Значение энтропии конечного результата оценки состояния объекта должно являться суммой энтропий промежуточных результатов оценок его состояния. В соответствии с данными требованиями функция энтропии Н(Е) должна удовлетворять условиям: Н(Е) определена и непрерывна для всех состояний (e0, e1, e2, … ei, … en) Е, где i = 1, … n и (ei) = 1. Эта функция зависит только от распределения вероятностей состояний. Информационная двоичная энтропия для независимых случайных событий ei с n возможными состояниями рассчитывается по формуле: H(E) = - (ei) log2 P(ei). Таким образом, энтропия (неопределенность) технического состояния объекта H(E) является суммой с противоположным знаком всех произведений вероятностей появления его состояний события P(ei), умноженных на двоичные логарифмы вероятностей этих состояний. Знак «минус» в формуле появился из-за того, что вероятность P(ei) всегда меньше единицы и логарифм от неё отрицателен. Наличие знака «минус» не означает, что информация отрицательна. Величина H(E) также называется средней энтропией сообщения о состоянии объекта. Величина log21/P(ei) называется частной энтропией, характеризующей только i-e состояние объекта. Нахождение логарифма b по основанию a - это нахождение степени, в которую нужно возвести a, чтобы получить b. Логарифм по основанию 2 называется двоичным: log28 = 3 → 23=8; log210 =3,32 → 23,32 =10. Логарифм по основанию 10 называется десятичным: log10100 =2 → 2 10 =100. Для простоты вычислений выражение для определения энтропии можно преобразовать к виду: 43 H(E) = (ei) log2 P(ei) (ei) log10 P(ei)/0,301. = - (ei) log10 P(ei)/ log10 2 = - Рассмотрим объект, имеющий два возможных состояния – работоспособное e0 и отказ e1. Предположим, что эти состояния равновероятны, т.е. можно записать: P(e0) = P(e1) = 0,5. Энтропия состояния такого объекта определится как: H(2) = (ei)·log10P(ei)/0,301 = -0,5log100,5/0,301 - 0,5log10 0,5/0,301 = log100,5/0,301 = 0,301/0,301 = 1. Мерой двоичной энтропии состояния объекта является 1 бит. Бит (bit, от binary - двоичный digit – знак), двоичная единица, в теории информации единица количества информации. Получение 1 бита информации исключает из рассмотрения половину равнозначных вариантов состояний объекта. 1 Бит — базовая единица измерения количества информации, равная количеству информации, содержащемуся в опыте, имеющем два равновероятных исхода. Это тождественно количеству информации в ответе на вопрос, допускающий ответы «да» либо «нет» и никакого другого (то есть такое количество информации, которое позволяет однозначно ответить на поставленный вопрос). Рассмотрим случай, когда объект также может находиться в двух состояниях, но одно из этих состояний наиболее вероятно. Например, вероятность работоспособного состояния объекта P(e0) = 0,9999. Тогда вероятность отказа объекта составит P(ei) = 1 - 0,9999= 0,0001. Определим энтропию состояний объекта в этом случае: H(2) = (ei)·log10P(ei)/0,301 = -0,9999log100,9999/0,301 0,0001log10 0,0001/0,301 = 0,9999·0,000043/0,301 + 0,0001·4/0,301 = 0,00014 + 0,0013 = 0,00147. В первом случае энтропия состояния объекта составила 1 бит, а во втором случае 0,00147 бит. Во втором случае вероятность одного из возможных состояний была на много больше вероятности другого состояния. В результате неопределенность состояния, т.е. его энтропия в этом случае практически отсутствует. Рассмотрение данных примеров позволяет сделать важный вывод энтропия состояния объекта максимальна, если эти состояния равновероятны. Если состояния объекта равновероятны, то выражение для определения энтропии упрощается и принимает вид: 44 H(n) =(ei) log2 P(ei) = -log2 (1/n ) = log2(n ) = -log10(1/n) /0,301 = log10n/0,301. Если n = 2, то H(2) = log102/0,301 = 1бит. Определим энтропию состояния объекта с тремя возможными равновероятными состояниями: H(3) = log103/0,301 = 0,477/0,301 = 1,585 бит. Определим энтропию состояния объекта с четырьмя возможными равновероятными состояниями: H(4) = log104/0,301 = 0,602/0,301 = 2 бит. Определим энтропию состояния объекта с пятью возможными равновероятными состояниями: H(10) = log1010/0,301 = 1/0,301 = 3,32 бит. Для того, чтобы энтропия состоянии объекта изменялось всегда от 0 (отсутствие неопределенности) до 1 (наибольшая неопределенность), применяются различные единицы измерения. От количества возможных равновероятных состояний объекта n зависит единица измерения количества информации и энтропии: 1бит, 1 трит, 1 тетрит … 1 дит и т.д.: - 1 бит – для случая двух возможных равновероятных состояний; - 1трит – для случая трех возможных равновероятных состояний; - 1тетрит– для случая четырех возможных равновероятных состояний; - 1 дит – для случая десяти возможных равновероятных состояний. Каждой единице измерения соответствует свое основание логарифма. От основания логарифма зависит числовая величина единицы измерения количества информации и энтропии: - 1 бит: H(2) = log2(2) = log102/0301 = 1 бит; - 1трит = 1,585 бит: H(3) = log3(3) = log10(3)/0,301 = 1 трит; - 1тетрит = 2 бит: H(4) = log4(4) = log10(4)/0,301= 1 тетрит; - 1 дит = 3,32 бит: H(10) = log10(10) = log10(10)/0,301 = 1 дит. Иногда применяется единица измерения информации 1 нат. нат определяется через натуральный логарифм. 1 нат = log2e ≈ 1,443 бит. 1 Если известна энтропия состояния объекта H(n), то обратной задачей является определение возможного числа равновероятных состояний n. В этом случае используется формула Хартли: n = 2H(n). Например, H(n) = 2. Тогда равновероятных состояния. n = 2H(n) = 4. Объект может иметь 4 45 2. СВОЙСТВА ЭНТРОПИИ Энтропия технического состояния объекта имеет следующие основные свойства: 1. Энтропия не отрицательна: H(E) ≥ 0. 2. Если вероятность нахождения объекта в каком-либо состоянии P(ei) = 1, то энтропия такого состояния равна 0: H(E) = 0 при P(ei) = 1. 3. Энтропия объекта максимальна, когда его состояния равновероятны. Если объект может находиться в равновероятных состояниях, то: H(n) = log2 (n) = log10(n)/0,301. 3. ЭНТРОПИЯ ОБЪЕКТА ПРОСТРАНСТВОМ СОСТОЯНИЙ С НЕПРЕРЫВНЫМ Рассмотрим некоторый объект, состояние которого характеризуется некоторым параметром х с нормальной плотностью распределения параметра, характеризуемой функцией f(х) (рисунок 1). Для нормального распределения функции f(х) справедливо выражение: (х)·dx = 1. Рисунок 1 - Нормальное распределение функции плотности вероятности f(х) объекта с непрерывным пространством состояний: 46 μх - математическое ожидание параметра х; хi - текущее значение параметра х; f(х)i - текущее значение функции плотности вероятности f(х) На практике, можно выбрать такой интервал [а; b] на оси х, на котором площадь под кривой f(х) будет близка к 1, т.е.: (х)·dx ≈ 1. Если рассмотреть значение функции f(х)i на некотором интервале dx вблизи значения хi, то можно записать: P(хi) = f(х)i·dx. Это означает, что при нормальном распределении функции f(х) вероятность нахождения параметра хi в интервале dx составляет величину P(хi). Если разбить интервал [а; b] на n отрезков величиной dx, то получим выражение для определения величины энтропии состояний такого объекта в виде: Н = (х)·log2[f(х)]dx - log2dx. В случае нормального распределения Гаусса энтропия состояний объекта с непрерывным пространством состояний может быть определена по формуле: Н = log2[σ /dx]. Например, при шаге квантования dx = 0,01 и параметре рассеяния σ = 0,1 получим: Н = log2[0,1 /0,01] = 5,37 бит. ЛИТЕРАТУРА: 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000, с. 298 … 302. ЛЕКЦИЯ №8 «МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИНФОРМАТИВНОСТИ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ» ВРЕМЯ – 2 часа ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ: Познакомиться с методами оценки контролируемых параметров объектов диагностики СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ОБЪЕКТА – 20 мин. ТЕХНИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ 47 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА – 40 мин. 3. ОЦЕНКА ИНФОРМАТИВНОСТИ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА – 20 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин. КОНТРОЛИРУЕМЫХ КОНТРОЛИРУЕМЫХ Если для контроля технического состояния использовать все контролируемые параметры без какого-либо их отбора, то получаемые диагностические системы будут перегружены датчиками, а программы диагностирования весьма громоздки. В этой связи необходимо уметь выбирать такое минимальное количество диагностических признаков, которое было бы необходимо и достаточно для распознавания каждого состояния объекта. В этом случае и объект, и средства диагностики будут наиболее простыми и эффективными. 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТА ЧИСЛА ТЕХНИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ При диагностировании технического состояния объектов обычно рассматриваются и учитываются только два характерных состояния – работоспособное и не работоспособное (отказ) состояние объекта. Реальный объект состоит из достаточно большого числа отдельных элементов (блоков, агрегатов, деталей). Поэтому фактическое число состояний такого объекта может быть существенно больше 2, например, для объекта из трех блоков: - состояние е0 - объект работоспособен; - состояние е1 - первый блок объекта отказал; - состояние е2 - второй блок объекта отказал; - состояние е3 - третий блок объекта отказал и т.д. В общем случае задача определения числа состояний объекта сводится к задаче определения числа таких блоков или агрегатов, отказ которых приводит к отказу всего объекта в целом. Если объект состоит из N комплектующих элементов, возможное число состояний может быть определено по формуле: N S=2 . Число состояний, когда объект отказал равно: Sотк. = S – 1. 48 Рассмотрим объект, состоящий из двух последовательно соединенных блоков (рисунок 1). Рисунок 1 - Структурная схема объекта из двух последовательно соединенных по надежности блоков Объект может иметь 4 возможных состояния: - объект работоспособен – состояние 1; - отказал первый блок – состояние 2; - отказал второй блок – состояние 3; - отказали и первый и второй блоки – состояние 4; Из общего числа состояний S число неработоспособных состояний Sотк. может быть определено по формуле N Sотк. = 2 – 1. При последовательном по надежности соединении блоков в рассматриваемом примере состояния 2, 3 и 4 соответствуют отказу всего объекта. Как видно, в данном примере число состояний, соответствующих отказу объекта равно 3. При диагностике технического состояния объектов, состоящих из большого числа элементов, даже при учете для каждого элемента только двух состояний общее количество возможных состояний оказывается очень большим. Например, у объекта, состоящего из 10 элементов, общее число возможных состояний S = 10 10 2 = 1024, а число не работоспособных состояний объекта Sотк. = 2 - 1 = 1023. Для уменьшения числа учитываемых состояний объекта принимают следующие допущения: 1. Вероятность одновременного возникновения отказов двух и более элементов объекта пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью отказа только одного элемента. Если вероятность отказа объектов одинакова и составляет Qi(t) = 10-5, то вероятность отказа одновременно двух объектов составит Q1,2(t) = Q1(t) · Q2(t) = 10-10. Это означает, что число неработоспособных состояний объекта может быть определено по формуле: Sотк. = N, где N - количество элементов в диагностируемом объекте. С учетом данного допущения число неработоспособных состояний объекта из N = 10 элементов составит 10, а не 1023, т.е. более чем в 100 раз меньше. 2. Можно исключить из рассмотрения отказы тех элементов, вероятность отказа которых мала, или их отказы не имеют опасных последствий. В этой связи 49 число возможных состояний элементов, приводящих к отказу всего объекта, определяется по формуле: Sотк. < N. Перечисленные допущения позволяют более чем в 100 раз снизить размерность числа рассматриваемых состояний диагностируемого объекта. 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА Рассмотрим объект, состоящий из 10 последовательно соединенных по надежности элементов (рисунок 2): Рисунок 2. Структурная схема объекта из десяти последовательно соединенных по надежности элементов: 1 - контактный провод; 2 - усиливающий провод; 3 - питающий зажим; 4 - несущий трос; 5 - рессорный трос; 6 – струна; 7 – узел крепления струны к тросу; 8 – узел крепления струны к КП; 9 - фиксатор КП; 10 – консоль. Число возможных неработоспособных состояний такого объекта составляет Sотк.= 1023. Если допустить, что одновременно может отказать только один элемент, то число неработоспособных состояний составит S = N=10. N Из опыта эксплуатации рассматриваемой системы мы знаем, что отказ элементов 6, 7, 8, 9 и 10 маловероятен, т.к. они имеют повышенную, по сравнению с другими элементами, надежность. Отбросив маловероятные отказы, получим, что наиболее вероятное количество неработоспособных состояний системы Sо равно лишь 5. Такими состояниями являются: S1 - отказ элемента №1(контактный провод); S2 - отказ элемента №2(усиливающий провод); S3 - отказ элемента №3(питающий зажим); S4 - отказ элемента №4(несущий трос); S5 - отказ элемента №5(рессорный трос). В качестве признаков Xj перечисленных состояний Si будем использовать отклонение от установленной нормы значений параметров, характеризующих работу контактной сети. В рассматриваемом примере такими признаками могут быть: X1 – повышенный износ КП; X2 – снижение натяжения КП; X3 повышение температуры КП; X4 – падение величины напряжения в КС; X5 – 50 увеличение силы тока в КС; X6 – повышение температуры питающих зажимов КС; X7 – увеличение переходного сопротивления питающих зажимов КС; X8 – увеличение зигзага КП. В общем случае между состояниями Si и их признаками Xj могут встречаться виды взаимосвязи, представленные на рисунке 3: Рисунок 3. Виды взаимосвязи состояний и признаков: а) - между признаком Xj и состоянием Si нет взаимосвязи; б) - между признаком Xj и состоянием Si имеется взаимосвязь; в) между несколькими признаками Xj, Xj+n и состоянием Si есть взаимосвязь; г) между одним признаком Xj и несколькими состояниями Si, Si+n имеется взаимосвязь. Для определения наличия и типа взаимосвязи либо отсутствия взаимосвязи между выбранными состояниями и предварительно выбранными признаками состояний (параметрами) обычно используют или логический анализ, или натурный эксперимент. В качестве примера на рисунке 4 представлена схема возможных взаимосвязей между признаками и состояниями элементов объекта. 51 Рисунок 4 - Пример схемы возможных взаимосвязей между признаками и состояниями элементов объекта Анализ данной схемы показывает большое количество перекрестных связей состояний объекта и признаков этих состояний. Это говорит о том, что число выбранных диагностических признаков 8 явно избыточно. От некоторых признаков следует отказаться и упростить диагностику объекта. Для облегчения отбора минимально необходимого количества признаков схему взаимосвязей представляют не в графической, а в табличной или матричной форме. Таблицы или матрицы строится на основе графической схемы. В соответствии со схемой рисунка 4 может быть составлена таблица 1. В таблице 1 строки образованы признаками состояний, столбцы состояниями, а элементами являются нули или единицы. Нуль проставляется на пересечении строки и столбца в том случае, если соответствующий признак не связан с соответствующим состоянием. Единица проставляется, если соответствующий признак связан с соответствующим состоянием. Анализ таблицы 1 позволяет исключить полностью дублирующие друг друга признаки. Дублирующими (лишними) являются признаки, повторяющие комбинацию нулей и единиц. 52 Таблица 1. Взаимосвязь признаков и неработоспособных состояний объекта по схеме рисунка 4. Признаки Неработоспособные состояния S1 S2 S3 S4 S5 2 1 4 1 5 1 8 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 7 1 1 1 6 1 1 1 1 1 Из двух дублирующих признаков обычно удаляют тот, который труднее, дороже и дольше контролировать. В нашем примере удаляются из дальнейшего рассмотрения признак X2 – снижение натяжения КП (он дублирует признак X3 – X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 повышение температуры КП) и признак X7 - увеличение переходного сопротивления питающих зажимов КС (он дублирует признак X6 – повышение температуры питающих зажимов). Окончательно оставляем 6 признаков: X1 – повышенный износ КП; X3 - повышение температуры КП; X4 – падение величины напряжения в КС; X5 – увеличение силы тока в КС; X6 –повышение температуры питающих зажимов КС; X8 – увеличение зигзага КП. Удаление дублирующих признаков из рассмотрения стало возможным потому, что они несут одинаковую информацию об объекте. 3. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ИНФОРМАТИВНОСТИ КОНТРОЛИРУЕМЫХ Из рассмотренного примера видно, что на практике необходимо не только уметь распознавать технические состояния объекта (работоспособен он или неработоспособен), но и делать это эффективно с наименьшими затратами времени и средств. Выбор минимального количества признаков состояний обычно проводится с использованием энтропии состояний объекта. Данный метод может быть использован не только для решения задачи минимизации количества диагностических параметров, но и для определения причины отказа объекта. Информационную неопределенность состояния объекта диагностики, имеющего n возможных состояний, оценивают величиной энтропии H(E): H(E) = - (ei) log2 P(ei), 53 где P(ei) – вероятность какого-либо ei–го состояния объекта. В рассмотренном примере объект может находиться в одном работоспособном и 5 возможных неработоспособных состояниях. Исходя из опыта эксплуатации известно, что наш объект (участок КС) имеет вероятность работоспособного состояния на интервале времени Т (периодичность ТО) P(e0) = 0,9999. Полагая, что объект может находиться либо в работоспособном, либо в неработоспособном состоянии, определим вероятность отказа объекта: P(ei) = 1 - 0,9999 = 0,0001. В соответствии с принятыми величинами вероятностей P(e0) и P(ei) неопределенность состояний объекта составит: H(2) = 0,9999·0,000043/0,301 + 0,0001·4/0,301 = 0,00014 + 0,0013 = 0,00147. Если в результате диагностики выявляется неработоспособное состояние объекта, то возникает необходимость определения отказавшего элемента. В рассматриваемом примере принято, что объект, в случае отказа может находиться в одном из пяти неработоспособных состояний S1 … S5. Предположим, что эти состояния равновероятны. Тогда Энтропия неработоспособных состояний объектов составит H(5) = log105/0,301 = 2,32. По мере выполнения проверок отдельных признаков Хj величина неопределенности состояния объекта H(Е) будет уменьшаться. Величину информации IХj, которую несет проверка каждого признака Хj, можно количественно оценить как разность энтропии системы перед проверкой признака H(n) и энтропией системы после проверки этого признака H(n -1). В рассматриваемом случае мы оставили 6 диагностических признаков: Х1, Х3, Х4, Х5, Х6 и Х8. Последовательность проверки признаков Хj следует выбирать исходя из величины информации IХj, получаемой об объекте по каждому признаку. Для количественного определения величин информации по каждому признаку следует воспользоваться таблицей 1. Рассмотрим строки этой таблицы и обозначим буквой m - число единиц в строке признака Хj и буквой k число нулей в строке данного признака Хj. Полученные результаты анализа информативности диагностических признаков сведем в таблицу 2. Как видно из таблицы 1, в строке каждого признака Хj сумма единиц m и нулей k равна числу возможных состояний объекта n, т.е.: m + k = n. В рассматриваемом случае m + k = n = 5. 54 Таблица 2. Результаты анализа информативности диагностических признаков. Диагностический m K IХj признак (число 1) (число 0) 1 4 0,721 Х1 1 4 0,721 Х3 4 1 0,721 Х4 5 Х5 3 2 0,971 Х6 1 4 0,721 Х8 Выражение для количественного определения величины информации IХj о состоянии объекта по каждому отдельному признаку Хj имеет вид: IХj = - (m/n·log2(m/n) + k/n·log2(k/n)). Для первого признака получим: IХ1 = - (1/5·log10(1/5)/0,301 + 4/5·log2(4/5)/0,301) = 0,464 + 0,257 = 0,721. Для третьего признака получим: IХ3 = - (1/5·log10(1/5)/0,301 + 4/5·log2(4/5)/0,301) = 0,464 + 0,257 = 0,721. Для четвертого признака получим: IХ4 = - (4/5·log10(4/5)/0,301 + 1/5·log2(1/5)/0,301) = 0,257 + 0,464 = 0,721. Для пятого признака получим: IХ5 = - (log10(1)/0,301 + 0· log2(0)/0,301) = 0. Для шестого признака получим: IХ6 = - (3/5·log10(3/5)/0,301 + 2/5·log2(2/5)/0,301) = 0,442 + 0,529 = 0,971. Для восьмого признака получим: IХ8 = - (1/5·log10(1/5)/0,301 + 4/5·log2(4/5)/0,301) = 0,464 + 0,257 = 0,721. Таким образом, мы видим, что наиболее информативным является четвертый признак – повышение температуры питающих зажимов. Получаемая по этому признаку информация является наибольшей. С проверки именно этого признака и следует начинать диагностику участка КС. Пятый признак (повышение силы тока в КС) не несет в данном случае никакой полезной информации и его следует исключить из числа диагностических признаков. Первый, третий и восьмой признаки дают равное количество информации. Последовательность их проверки следует выбирать исходя из соображений наименьших трудозатрат. ЛИТЕРАТУРА: 55 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000, с. 298 … 302. ЛЕКЦИЯ №9 «МЕТОДЫ И ПРОГРАММЫ ПОИСКА МЕСТА ОТКАЗОВ В ОБЪЕКТАХ СЭЖТ» ВРЕМЯ – 4 часа ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Познакомиться с методами и программами поиска места отказов в объектах СЭЖТ. СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 10 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. ПРОГРАММЫ ПОИСКА МЕСТА ОТКАЗОВ В ОБЪЕКТАХ СЭЖТ – 60 мин. 2. ЖЕСТКО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ПРОГРАММЫ ПОИСКА МЕСТА ОТКАЗА – 50 мин. 3. ГИБКО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ПРОГРАММЫ ПОИСКА МЕСТА ОТКАЗА – 50 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 10 мин. 1. ПРОГРАММЫ ПОИСКА МЕСТА ОТКАЗА В ОБЪЕКТАХ СЭЖТ На первом этапе диагностирования объекта СЭЖТ решается вопрос определения (идентификации) его состояния как работоспособное или неработоспособное состояние. Если объект признается неработоспособным, то решается вторая задача диагностики - поиск места и определение причин отказа объекта. Ввиду сложности современных объектов СЭЖТ, определение причин их отказов в большинстве случаев требует значительной длительности, трудоемкости и использования современного диагностического оборудования. Эффективность процесса поиска отказа зависит от того, насколько хорошо построена система технического диагностирования. Система технического диагностирования – это совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимая для проведения диагностирования по правилам, установленным в технической документации. При проведении диагностирования по установленным правилам выполняется определенная последовательность действий, называемая 56 алгоритмом технического диагностирования. Алгоритм диагностирования устанавливает состав и порядок проведения элементарных проверок объекта и правила анализа их результатов. Элементарная проверка определяется рабочим или тестовым воздействием, поступающим или подаваемым на объект, я также составом признаков и параметров, образующих ответ объекта на соответствующее воздействие. Конкретные значения признаков и параметров, получаемых при диагностировании, являются результатами элементарных проверок или значениями ответов объекта. Различают безусловные алгоритмы диагностирования, у которых порядок выполнения элементарных проверок определен заранее, и условные алгоритмы диагностирования, у которых выбор очередных элементарных проверок определяется результатами предыдущих. Если диагноз составляется после дополнения всех элементарных проверок, предусмотренных алгоритмом, то последний называется алгоритмом с безусловной остановкой. Если же анализ результатов делается после выполнения каждой элементарной проверки, то алгоритм является алгоритмом с условной остановкой. Опыт эксплуатации объектов СЭЖТ свидетельствует, что на поиск места отказа в среднем затрачивается до 90 % времени, связанного с проведением всего комплекса диагностических мероприятий. В этой связи специалистам очень важно иметь оптимальные программы поиска места отказов. Под программой поиска места отказа понимают заранее составленную и документально оформленную последовательность элементарных проверок (замеров контролируемых параметров) и последовательность анализа результатов элементарных проверок, выполняемых с целью установления причины отказа и отказавших элементов в зависимости от степени детальности поиска мест отказа. Программа поиска места отказа должна быть оптимальной. Оптимизация современных программ ведется по нескольким основным критериям: 1. Суммарное время выполнения необходимых проверок для установления места и причины отказа; 2. Суммарное количество необходимых проверок для установления места и причины отказа; 3. Суммарная стоимость процесса установления места и причины отказа; 4. Суммарная стоимость диагностического оборудования. В настоящее время наибольшее распространение получил такой критерий оптимальности программ поиска места отказа, как суммарное время выполнения 57 необходимых проверок t . В соответствии с этим критерием программа строится Σ таким образом, чтобы обеспечить минимальное суммарное время на выявление места отказа: t = i = min, Σ где ti - время выполнения i-й элементарной проверки; n – число элементарных проверок, необходимых для выявления места отказа объекта. При наличии нескольких вариантов программ поиска места отказов выбирается тот, который обеспечивает меньшую величину t . Если по этому Σ критерию программы равнозначны, то предпочтение отдается такой программе, которая обеспечивает лучшие значения других критериев - например, наименьшее суммарное количество необходимых элементарных проверок. В связи с разнообразием видов оборудования СЭЖТ, имеющихся в наличии диагностических средств, а также конкретных эксплуатационных условий, на практике применяются несколько разновидностей программ поиска места отказа. Их классификация представлена на рисунке 1. Рисунок 1 - Классификация программ поиска места отказа 58 В жестких программах последовательность элементарных проверок определяется заранее и в процессе поиска места отказа не изменяется. Также заранее определяется и перечень параметров, контролируемых в каждой элементарной проверке. Жесткие программы получили наибольшее распространение в автоматических и в автоматизированных системах контроля. В гибких программах последовательность элементарных проверок определяется в ходе поиска места отказа на основе определенных правил. Кроме того, перечень параметров, контролируемых в каждой элементарной проверке, формируется только после анализа результатов предыдущей элементарной проверки. Таким образом, программа формируется, максимально приспосабливаясь к специфике отказа каждого конкретного объекта. Гибкие программы получили наибольшее распространение при поиске места отказа способом технического осмотра, т.е. при визуальноинструментальных обследованиях объектов. Все типы программ по частоте анализа результатов элементарных проверок условно разграничивают на две группы: последовательные программы и комбинационные программы. В последовательных программах анализ результатов проводится после каждой элементарной проверки. В комбинационных программах - только после завершения всех элементарных проверок, когда проводится единственный обобщающий анализ. Необходимо отметить, что на практике наибольшее распространение получили последовательные программы. Наиболее распространенные программы поиска места отказа условно разграничивают на две группы: 1. Гибко-последовательные программы - программы «по максимуму информации» и программы «половинного разбиения». 2. Жестко-последовательные программы программы «по функциональной схеме" и программы «время-вероятность». 2. ЖЕСТКО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ МЕСТА ОТКАЗА ПРОГРАММЫ ПОИСКА 2.1. Программы поиска места отказа по функциональной схеме Программа по функциональной схеме основана на поиске места отказа путем выполнения в установленном порядке последовательных элементарных проверок строго по функциональной схеме отказавшей системы. Например, выполнение в установленном порядке последовательных элементарных проверок в порядке передачи от элемента к элементу механической или электрической нагрузки. Результаты каждой элементарной проверки сразу же анализируются. 59 Элементарной проверке подлежит диагностический параметр каждого отдельного элемента системы. Поиск места отказа прекращается, как только при анализе результатов очередной элементарной проверки окажется найденным отказавший элемент системы. В самом неблагоприятном случае, когда отказал последний из проверяемых элемент системы число элементарных проверок будет максимальным и равным числу элементов в системе. Достоинствами программы по функциональной схеме являются: - возможность использования для поиска неисправностей новой техники, когда не накоплен опыт ее эксплуатации и когда не накоплены статистические данные по поиску мест ее отказов; - простота, понятность и доступность. Недостатками программы по функциональной схеме являются: - необходимость выполнения большого количества элементарных проверок, что требует больших затрат времени и материальных ресурсов; - необходимость использования при поиске мест отказов помимо специалистов и технических средств эксплуатационной документации (технического описания, инструкции по технической эксплуатации, альбома формулярных схем и т.д.). Программа по функциональной схеме благодаря своей простоте и доступности нашла самое широкое распространение. 2.2. Программа поиска места отказа «время-вероятность» Программа «время-вероятность» может быть использована в том случае, когда по отказам данного типа оборудования уже накоплен и систематизирован достаточно большой опыт эксплуатации и имеется большой опыт поиска места отказа. По каждому элементу системы должны быть известны: - вероятность отказа i-го элемента q ; i - время, необходимое для элементарной проверки i-го элемента ti. Программа «время-вероятность» основана на поиске места отказа путем выполнения в установленном порядке последовательных элементарных проверок элементов. Элементарные проверки выполняются в порядке убывания величины отношения вероятности отказа к времени проверки q /ti. Элементарной проверке i подлежат диагностические параметры каждого отдельного элемента объекта. Результаты каждой элементарной проверки сразу же анализируются. Поиск места отказа прекращается, как только при анализе результатов очередной элементарной проверки окажется найденным отказавший элемент системы. Программа «время-вероятность» позволяет в первую очередь проверять те элементы отказавшей системы, вероятность отказа которых наибольшая, а время на элементарную проверку - наименьшее. В результате этого общее время 60 на выявление места отказа объекта оказывается существенно меньше, чем при использовании программы поиска места отказа по функциональной схеме. Оптимальной считается программа «время-вероятность» в том случае, когда выполняется условие: q /t1 > q /t2 … > … q /tk, 1 2 k где k – число возможных элементарных проверок объекта. Порядок проверки элементов устанавливают после расчета всех отношений q /ti. Этот порядок соответствует порядку ранжирования отношений q /ti в i i порядке их убывания. Оптимальная программа «время-вероятность» выглядит как последовательность порядковых номеров элементов объекта в порядке их проверки. Пример оптимизации программы «время-вероятность» для объекта, состоящего из 5 проверяемых элементов, представлен в виде таблицы 1. Таблица 1. Оптимизация программы «время-вероятность» для объекта из пяти элементов Наименование параметра Числовые значения Порядковый номер элемента в объекте 1 2 3 4 5 Число срабатываний объекта, N Число отказов элемента системы n Среднее время выполнения элементарной проверки элемента ti, минут Вероятность отказа элемента q = n/N·104 i Величина отношения q /ti·106 i 2300 2300 2300 2300 2300 2 4 7 1 9 15 15 20 10 15 8,7 17 30 4,3 39 58 113 150 43 260 Оптимальная очередность выполнения 4 3 2 5 1 элементарных проверок Из данной таблицы следует следующая последовательность проверки элементов объекта: элемент №5, элемент №3, элемент №2, элемент №1, элемент №4. Достоинствами программы «время-вероятность» являются: - высокая вероятность обнаружения места отказа при выполнении первых элементарных проверок, что позволяет существенно уменьшить время поиска места отказа и затраты материальных средств; - простота реализации. 61 Основным недостатком программы «время-вероятность» является необходимость наличия статистических данных по отказам и времени их поиска из опыта предыдущей эксплуатации объекта. Данное обстоятельство ограничивает возможность использования программы «время-вероятность» при эксплуатации новой техники. 3. ГИБКО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ МЕСТА ОТКАЗА ПРОГРАММЫ ПОИСКА 3.1. Программы по максимуму информации Программа по максимуму информации может быть использована, когда по отказам оборудования данного типа уже накоплен и систематизирован определенный опыт эксплуатации и когда для каждого элемента системы известны величина вероятности его отказа q . i Программа по максимуму информации основана на поиске места отказа путем выполнения в выбранном порядке последовательных элементарных проверок групп элементов. В ряде случаев в группе может быть и один элемент. Гибкость программы заключается в том, что решение о месте проведения второй и последующих элементарных проверок не известно заранее, а принимается с использованием правила: «в проверяемой группе с наибольшей вероятностью должен быть отказавший элемент». Поиск места отказа прекращается, как только при анализе результатов очередной элементарной проверки окажется найденным отказавший элемент. Такая программа позволяет выполнять максимально информативные элементарные проверки, в результате существенно уменьшается как число элементарных проверок, так и общее время поиска места отказа. Пусть объект диагностирования состоит из N последовательно соединенных элементов. Требуется сформировать такую программу поиска места отказа, которая обеспечивает получение максимума информации при выполнении каждой элементарной проверки. Решение поставленной задачи будем выполнять на основе некоторых положений теории информации. Информационную неопределенность системы, состоящей из N элементов, один из которых отказал, можно количественно определить величиной энтропии H(S) по формуле: ·log2qi, где qi - вероятность отказа i-го элемента. H(S) = - i 62 Если при i-ой элементарной проверке проверяется не N, а m элементов, то информационную неопределенность подсистемы из m элементов перед j-ой проверкой можно оценить энтропией H(S) по формуле: H(S)j = i ·log2qi, а после j-ой проверки - величиной энтропии H(S) ', определяемой по формуле j H(S)j' = - i)·log2(1 - qi). Количество информации, которую несет j-я элементарная проверка I , j можно определить, как разность H(S) и H(S) ': Ij = - i ·log2qi – [- j j i)·log2(1 - qi)]. Анализ данного выражения показывает, что максимальное количество информации о состоянии объекта получается при выполнении условия: i = Qi = 0,5. В первой элементарной проверке проверяется такая группа элементов, сумма вероятностей отказов которых равна примерно 0,5. Во второй элементарной проверке проверяется такая группа элементов, сумма вероятностей отказов которых равна примерно 0,25. В третьей элементарной проверке проверяется такая группа элементов, сумма вероятностей отказов которых равна примерно 0,125 и т.д. Достоинством программы по максимуму информации является малое время поиска места отказа и минимальное потребное количество элементарных проверок. Недостатком программы по максимуму информации является необходимость наличия численных значений вероятности отказа каждого элемента, что не всегда может быть обеспечено при эксплуатации реальных объектов СЭЖТ. 3.2. Программы половинного разбиения Программа половинного разбиения является упрощенным аналогом программы по максимуму информации. Если принять допущение о равной вероятности отказа каждого элемента объекта, когда q = q =…= q , то 1 2 N максимально информативной первой элементарной проверкой будет проверка N/2, т.е. половины элементов. Во второй элементарной проверке должно быть проверено N/4 элементов, в третьей - N/8 элементов, в четвертой - N/16 элементов и т.д. Таким образом, при каждой очередной элементарной проверке проверяется половина элементов от того количества, которое проверялось в предыдущей элементарной проверке. 63 После каждой элементарной проверки проводится анализ полученных результатов. По результатам такого анализа принимается решение о месте проведения второй и последующих элементарных проверок. Поиск места отказа прекращается, как только при анализе результатов очередной элементарной проверки окажется найденным отказавший элемент. Достоинством программы половинного разбиения является наряду с достоинствами программы «по максимуму информации» является то, что для ее реализации не требуются количественные исходные данные численные значения вероятности отказа каждого элемента q . i Это обусловило широкое практическое применение данного вида программ. Недостатком программы половинного разбиения является то, что такую программу, также как и программу по максимуму информации, можно применить лишь для систем с последовательным соединением элементов. Все рассмотренные программы поиска места отказа обеспечивают проведение системного упорядоченного поиска места отказа. Это позволяет на один - два порядка сократить общее время поиска по сравнению с бессистемными, неупорядоченными методами «тыка». На практике для наглядности и лучшего понимания программы поиска места отказа часто изображают графически в виде ветвящегося "дерева" (рисунок 2). Рисунок 2 - Графическое представление программы поиска места отказа объекта, состоящего из 7 проверяемых элементов 64 ЛИТЕРАТУРА: 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000. ЛЕКЦИЯ№10 ДИАГНОСТИКА СИСТЕМЫ «КОНТАКТНАЯ СЕТЬТОКОПРИЕМНИК» ВРЕМЯ – 4 часа. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Познакомиться с методами диагностики технического состояния системы «Контактная сеть – токоприемник». Рассмотреть наиболее распространенные методы контроля технического состояния контактной сети и токоприемников. СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 10 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 4. ДИАГНОСТИКА СИСТЕМЫ «КОНТАКТНАЯ СЕТЬТОКОПРИЕМНИК» – 20 мин. 5. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ – 140 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 10 мин. 1. ДИАГНОСТИКА ТОКОПРИЕМНИК» СИСТЕМЫ «КОНТАКТНАЯ СЕТЬ- В настоящее время выполняется контроль следующих параметров системы «контактная сеть - токоприемник»: - контроль и автоматизированную балльную оценку технического состояния контактной сети; - износ контактных проводов; - нагрев проводов и токоведущих зажимов; - наличие местного отжига контактного провода; - измерение положения контактного провода в плане (зигзаг и вынос); - измерение высоты подвеса контактного провода над уровнем головки рельса; 65 - измерение расстояния фиксаторов и отходящих ветвей от поверхности полоза токоприемника в точках +-600 мм от оси полоза токоприемника; - определение расстояний от поверхности полоза токоприемника до помех; - регистрация расстояний от основного контактного провода до элементов фиксатора; - углы наклонов фиксаторов; - определение положения точки касания контактного провода на скосах; - фиксация отрыва токоприемника от контактного провода; - фиксация удара токоприемника; - разница в высотах подхватываемых проводов на сопряжениях и стрелках; - фиксация опор и определение расстояния от оси рельсовой колеи до опоры контактной сети; - определение длины пролета между опорами; - определение типа (переменное, постоянное) и величины напряжения контактной сети; - статистическое и динамическое нажатия полоза токоприемника на контактный провод; - определение сверхнормативных отклонений параметров визуально наблюдаемых объектов контактной сети; - тепловизионный и ультрафиолетовый контроль объектов контактной сети; - состояние изоляторов; - состояние искровых промежутков и диодных заземлений; - видеоконтроль состояния обустройства контактной сети с возможностью фиксации отметок оператора и записи речевых комментариев и последующим сплошным или выборочным просмотром данных. Контактные провода испытывают нагрузки, возникающие в процессе токосъема. С одной стороны, они приводят к износу проводов, с другой сопровождаются старением проводов из-за отжига. Аварийные режимы при токосъеме нередко приводят к пережогам проводов. Нагрев и отжиг провода при токосъеме зависит от многих причин: параметров токоприемника, амплитуды снимаемого тока, переходного сопротивления «провод - токоприемник». Доля пережогов в общем числе повреждений контактной сети на участках постоянного тока составляет 50 %, а на участках переменного тока около - 25 %. После замены медных токосъемных пластин токоприемников на угольные и керамические на отдельных участках число пережогов контактных проводов выросло в 3 раза. 66 Специфическая особенность контактных проводов в том, что кроме прочностных параметров, они характеризуются и геометрическими параметрами подвески. Для обеспечения качественного токосъема необходимо соблюдать геометрические параметры подвеса контактных проводов в плане и по высоте. Контактные провода подвешивают зигзагом вдоль оси пути, чтобы обеспечить равномерный износ вставок полозов токоприемников. Увеличение зигзагов выше допустимой нормы приводит к сходу токоприемника и его повреждению. Однажды установленный зигзаг не сохраняет своего положения во времени. Причины: разрегулировка подвески, наклон опоры, смещение и просадка пути. Последствия: проскальзывание зажимов, смещение конструкций КС, изменение натяжения проводов. Уклон контактных проводов оказывает существенное влияние на качество токосъема особенно при больших скоростях движения. Уклон со временем меняет свою величину, причем изменяется и знак уклона. Изменение температуры проводов подвесок приводит к непрерывному смещению проводов на стрелках. Особенно значительные перемещения наблюдают при сезонных колебаниях температуры. При взаимном перемещении проводов происходят защемления, особенно в крестовых ограничительных накладках, возникают перекосы струн, выворачивания зажимов и другие явления. Особую опасность представляет подъем одного из контактных проводов на стрелке. Перечисленные отклонения часто приводят к повреждениям токоприемников и контактной сети. 2. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ДИАГНОСТИКИ ПАРАМЕТРЫ И СРЕДСТВА 2.1. Параметры, контролируемые вагоном-лабораторией Вагоны-лаборатории для испытаний контактной сети на отечественных дорогах начали широко применять с шестидесятых годов. Несмотря на непрерывное совершенствование, и сегодня они измеряют не все необходимые параметры. Наиболее распространен вагон-лаборатория образца ВИКС-76 и его модификации. Эти лаборатории контролируют: - положение контактного провода относительно оси пути в плане (зигзаг и вынос) в пределах ±550 мм с интервалом 50 мм, точностью ±50 мм; высоту контактного провода, отжатого измерительным токоприемником, имеющим статической нажатие 140 Н, в пределах высоты 5500 ... 6800 мм с интервалом 50 мм и точностью ±50 мм; 67 - положение контактного провода отходящей ветви на воздушных стрелках ступенями 50, 100 и 150 мм ниже уровня рабочего провода. - уменьшение расстояния между контактным проводом и точкой крепления стержня фиксатора менее 80 мм; -удары и подбои при прохождении токоприемника по жестким точкам; - отрыв полоза токоприемника (только для контактной сети постоянного тока). Аппаратура ВИКС рассчитана на максимальную скорость движения вагона 160 км/ч. Номинальное напряжение питания аппаратуры - 50 В постоянного тока и 220 В переменного тока. Чтобы измерять напряжение контактной сети, установлен киловольтметр. Для связи с диспетчером и машинистом в вагоне установлена радиостанция ЖР-ЗМ. На крыше вагона оборудована смотровая вышка для визуального наблюдения за состоянием контактной сети. В аппаратном зале вагона размещены камера высокого напряжения, пульт записи, шкафы аппаратуры, статистический преобразователь. В камере высокого напряжения установлены блоки изолирующих реле (БИР). Гальваническая развязка осуществляется при помощи хлопчатобумажных нитей со специальной пропиткой. В перспективных проектах вагона предполагают использовать оптоволоконную оптику для гальванической развязки сигнальных цепей. На крыше расположены два измерительных токоприемника, под вагоном - аккумуляторные батареи, генераторы, выпрямители, компрессор. 2.2. Определение положения контактного провода в плане Положение контактных проводов в плане определяется при помощи электроконтактного датчика, показанного на рисунке 1. 68 Рисунок 1 - Электроконтактный датчик положения проводов в плане На изолированной поверхности полоза токоприемника закреплены два электрода - один сплошной, другой - секционированный на участки (ламели). Шаг ламелей на горизонтальном участке полоза составляет 50 мм. Таким образом, все пространство возможных состояний (положений) контактного провода в горизонтальной плоскости разбито на 22 кванта (550 мм влево от оси полоза и 550 мм вправо). На боковых скосах полоза располагаются еще по три ламели, они предназначены для фиксирования случаев неудовлетворительного схода и подхвата отходящих ветвей подвески. Датчик работает следующим образом. Контактный провод на полозе перекрывает и замыкает сплошной электрод с одной или несколькими ламелями. Тем самым создается цепь для протекания тока I от источника G через сплошной электрод, участок контактного провода, ламель к катушке реле Кi. Реле срабатывает, чем и фиксируется положение провода в пространстве. Число реле равно числу ламелей. Недостаток - нередкие случаи неудовлетворительной работы при сильных загрязнениях и дожде. Рисунок 2 - Индуктивный датчик положения проводов в плане Существуют конструкции бесконтактных датчиков (рисунок 2). Например, известно техническое решение с использованием индуктивных датчиков, размещаемых под полозом токоприемника. Каждый из них представляет собой катушку (или катушки) с незамкнутым магнитопроводом. Катушка подсоединена к генератору тока заданной формы, амплитуды и частоты. Магнитные силовые линии в зазоре замыкаются через воздушный зазор. После появления над воздушным зазором контактного провода в нем возникают вихревые токи под воздействием магнитного поля катушки. Вихревые токи в проводе создают свое магнитное поле, которое искажает магнитное поле катушки датчика. 69 Вследствие этого изменяется комплексное сопротивление катушки, что может быть зафиксировано соответствующей аппаратурой. Число и размеры датчиков определяются шириной рабочей зоны полоза и требуемой разрешающей способностью. Основные недостатки: 1. Температурная нестабильности всей аппаратуры и необходимости частой подстройки режимов при изменениях метеоусловий; 2. Влияние электромагнитных полей контактной сети. Для подавления этого влияния применяют специальные фильтры и экранирование. Кроме того, полоз токоприемника с датчиками оказывается тяжелее и дороже обычного. Оптические бесконтактные устройства. Их можно подразделить на две подгруппы. Датчики, принадлежащие к первой подгруппе, размещаются на полозе токоприемника: это может быть линейка из фотоприемников с одним или несколькими осветителями (рисунок 3). Рисунок 3 - Оптический датчик положения проводов, размещаемый в полозе токоприемника Свет от источника не может напрямую попасть на фотоприемник, этому препятствует непрозрачный экран. Только при наличии контактного провода свет отражается от него и попадает на соответствующий фотоприемник. Выходной сигнал фотоприемника меняет свое значение, что и фиксируется аппаратурой. Датчики размещают на крыше вагона (рисунок 4). 70 Рисунок 4 - Схема работы оптического датчика положения проводов с зеркальной разверткой, размещенного на крыше вагона От источника подсветки в сторону контактного провода направляется сплошной пучок лучей. Часть из них отражается от провода и попадает на вращающийся зеркальный барабан развертки. Благодаря вращению барабана в каждый конкретный момент времени на фотоприемник может попасть луч, отраженный от единственного, строго определенного пространственного местоположения провода. При повороте каждой гранью зеркальный барабан как бы пробегает или просматривает все возможное пространство состояний провода. Отраженный луч кратковременно попадает на фотоприемник тогда, когда угол поворота зеркала соответствует положению провода в пространстве. Следовательно, зная угол поворота зеркала в момент прихода отраженного луча, можно точно определить координату провода. 71 Еще один вариант предусматривает установку на крыше вагона приемной видеокамеры с щелевой маской с широкоугольным объективом (рисунок 5). а) общая схема контроля б) выходной сигнал Рисунок 5 - Схема работы видеокамеры для контроля положения проводов Благодаря электронной развертке значительно повышается надежность. Выходной сигнал после усиления имеет вид, показанный на рисунке 5б) буквой Т обозначен период хода луча по всему приемному окну видеокамеры (по всему пространству состояний провода), буковой Т1 отмечено удаление в пространстве времени отраженного сигнала от края окна видеокамеры. Импульс соответствует отраженному сигналу, далее луч доходит до края развертки Т и затем все повторяется. Измеряя величину промежутка времени Т1, зная скорость развертки и масштабные коэффициенты, можно достаточно точно определить положение провода в пространстве. Общие недостатки: 1. Для работы в дневное время необходимо выбирать определенный диапазон длин волн излучателя и приемника, чаще всего инфракрасный. 2. Влияние фонового излучения атмосферы и нагретых деталей самого полоза. 3. Загрязнения датчиков пылью и продуктами износа провода и накладок токоприемников. Для измерения высоты подвеса контактных проводов и их положения в плане можно использовать тепловизор в паре с источником инфракрасного излучения. В этом случае на экране тепловизора наблюдают «зайчик» инфракрасного излучения, отраженного от нижней поверхности провода. Зная все необходимые расстояния, можно путем геометрических вычислений рассчитать координаты положения проводов в пространстве. Для определения положения контактного провода железнодорожного пути можно использовать ультразвуковой цифровой прибор "ДАЛЬ-2" (рисунок 6). 72 Рисунок 6 -Ультразвуковой прибор «ДАЛЬ – 2» Прибор позволяет с высокой точностью определить высоту контактного провода относительно плоскости головок рельсов и боковое смещение его относительно геометрической оси железнодорожного пути. Измерения проводятся без приближения к контактному проводу и без снятия напряжения. Прибор имеет следующие характеристики: - диапазон измерения, м – 3.5…12; - погрешность измерения по высоте не более – 1%; - погрешность измерения бокового смещения не более – 1%; - габаритные размеры корпуса, мм – 200*90*70; - масса, кг – 04; - питание прибора – автономное, от четырех элементов R6-AA-UM3 (A316), В; - температурный диапазон, 0С - -10…+40. Для измерения высоты h контактного провода прибор «Даль-2» следует положить на головку рельса (рисунок 7). Чтобы определить боковое смещение (Δ) контактного провода, необходимо провести два измерения расстояния до контактного провода в точках, расположенных по одной линии на параллельно пролегающих рельсах. После этого прибор автоматически осуществляет расчёты и выводит значение бокового смещения контактного провода на дисплей. 73 Рисунок 7 - Схема измерения смещения контактного провода прибором «Даль-2» Прибор "Даль-2" позволяет с высокой точностью определять параметры статического; расположения контактного провода не только у опоры, но и в любых точках железнодорожного пути. В приборе "Даль-2" предусмотрены индикация температуры окружающего воздуха, напряжения источника питания, возможность повторного просмотра результатов измерений, автоматическое, отключение. Прибор "Даль-2" прост и удобен в эксплуатации, не требует настройки и позволяет за небольшой период времени обследовать значительные по протяженности участки железнодорожного пути. Уклон контактных проводов находится по формуле: ik= (hk - hk+1)/l, где hk – высота подвеса под k-той опорой, м; hk+1– высота подвеса под следующей (k+1)-й опорой, м; l – длина пролета, м. 2.3 Фиксация мест ударов и подхватов Датчик фиксации мест подхвата отходящих ветвей подвески и негабаритных фиксаторов показан на рисунок 8. Высота части вертикального стержня пружины, выступающей над поверхностью полоза, составляет 80 мм. 74 Рисунок 8 - Датчик фиксации мест подхвата Если какой-либо элемент контактной сети оказывается в зоне нахождения датчика, то он задевает за стержень, изгибает пружину, которая касается расположенного внутри нее стержня. Создается цепь тока, существующая в течение очень короткого промежутка времени. Схема датчиков ударов показана на рисунке 9. В типовом датчике под поверхностью полоза закреплены микрофоны, сигнал с которых поступает в блок регистрации. При ударе микрофоны преобразуют механическую энергию в электрическую, которая усиливается и сравнивается с заданным порогом. Если сигнал превышает пороговое значение, то реле К срабатывает и фиксирует удар. Сила удара зависит не только от степени дефектности подвески, но и от скорости движения вагона. В схеме предусмотрено ступенчатое переключение порога чувствительности в зависимости от скорости движения вагона. Опыт эксплуатации выявил ненадежную работу устройства, и на некоторых вагонах для фиксации мест удара применяют упрощенные датчики (рисунок 9б). Груз, подвешенный на пружинах, при ударе смещается, касается стенок неизолированной трубы. Создается цепь тока, причем продолжительность импульса невелика. Для надежного срабатывания реле применяют схемы, аналогичные схемам фиксации датчиков подхвата. 75 Рисунок 9 - Датчик ударов 2.4. Определение мест отрыва токоприемника При неудовлетворительном токосъеме из-за уменьшения нажатия возможны отрывы токоприемника, для обнаружения мест отрывов на контактной сети постоянного тока применяют схему, показанную на рисунке 10. Принцип действия датчика отрывов основан на том, что катушка реле К обесточивается при отрыве полоза от провода. Резисторы R ... Rn служат для ограничения тока реле. К недостаткам устройства следует отнести низкое быстродействие и зависимость от напряжения в контактной сети. Чтобы контролировать отрывы токоприемников и ухудшение контакта в процессе токосъема, используют датчики искрения. Устройство ДКИ состоит из двух блоков - приемного и измерителя рабочих высот контактного провода оно размещается на крыше вагона-лаборатории, расположенного непосредственно за локомотивом. Устройство позволяет регистрировать искрение, возникающее в любое время суток (кроме случаев, когда солнце находится низко над горизонтом). 76 Рисунок 10 - Схема работы датчик отрыва токоприемника Излучение дуги и искрения по световодам попадает на систему фотоприемников и усилителей, преобразуется в сигналы, отображаемые на цифровом индикаторе. Отстройка от фона происходит при помощи фильтров высокой частоты, которые пропускают только сигналы с частотой выше 1000 Гц. Чтобы обнаруживать устойчивые дефекты на контактной сети с вероятностью более 0,9, необходимо проанализировать результаты не менее четырех поездок по участку постоянного тока и не менее трех - по участку переменного тока. 2.5. Измерение усилия нажатия токоприемника на контактный провод Существует большое число датчиков нажатия, использующих тензометрические, индуктивные и другие преобразователи. Например, специалисты ВНИИЖТ получили результаты измерений нажатия устройством, показанным на рисунке 11. Нужно отметить, что это устройство не учитывает влияние массы полоза на нажатие. Рисунок 11 - Схема измерения нажатия 77 2.6. Определение натяжения контактного провода Для контроля натяжений проводов, тросов и оттяжек опор применяют методы, основанные на зависимости между натяжением в гибкой связи и ее прогибом поперечной силой (рисунок 12). Рисунок 12 - Измерение натяжения Провод располагается между ограничителями А, В, затем к нему прилагается поперечная сила Р. Прогиб провода Δh под действием силы Р будет тем больше, чем меньше натяжение Н. Известны приборы типа ИТ-5 и ИТ-5М, применяемые для измерения натяжений 4 ... 50 кН в тросах диметром 15,5 ... 18,5 мм. 2.7. Определение износа контактного провода При ручном измерении контролируют точки повышенных местных износов в местах установки зажимов, фиксаторов, на воздушных стрелках, в местах анкеровки, в местах максимальных провесов контактного провода. При автоматическом измерении износ контролируется с некоторым шагом вдоль провода. Если шаг выбран достаточно большой, то возникает опасность пропуска точки местного износа. Если шаг небольшой, то снижается скорость измерения. Для выбора шага проверки необходимо знать продольный профиль местного износа. Как показали исследования для конкретного случая, продольный профиль можно описать эмпирическим уравнением: S = SA - (8.64+7.38 SM) l2, где SA – абсолютный максимум местного износа, мм2; SM – превышение амплитудного значения над средним в прилежащих областях износом, мм2; lкоордината относительно вершины износа, м (рисунок 13). 78 Рисунок 13 - Схема определения местного износа контактного провода Устройство для контроля износа должно быть устойчивыми к различным метеоусловиям, загрязнениям и нагрузкам. Известные в настоящее время методы измерения износа могут быть объединены в две группы в зависимости от диагностируемого параметра: - измерение по геометрическим размерам (рисунок13, а, б, в); - измерение по оставшейся массе металла (рисунок 13, г, д). По высоте оставшегося сечения износ измеряют микрометром, комплектом скоб, индикаторным прибором (рисунок 13, а). Точность измерений в большой степени зависит от правильности установки измерителя на провод. Нижняя поверхность площадки износа никогда не бывает ровной. Кроме наличия дефектов поверхностей, всегда имеется некоторый радиус кривизны, различный в разных точках. Возможно также наличие нескольких поверхностей износа, возникающих после поворота провода вокруг своей оси. 79 Рисунок 14 - Методы измерения износа контактных проводов Рисунок 15 - Ультразвуковой толщиномер 37DLPIus В настоящее время на железной дороге нашли применение следующие приборы, позволяющие определять толщину провода: 80 - ультразвуковой толщиномер 37DLPIus (рисунок 14); - ультразвуковой толщиномер ТТ-300 (рисунок 15); - ультразвуковой цифровой толщиномер ТТ-100 (рисунок 16). Приборы предназначены для ручных измерений с изолированных вышек или площадок автодрезин. Принцип действия основан на измерении времени задержки эхоимпульса относительно момента излучения при прохождении его через провод (от нижней изношенной поверхности до верхней отражающей поверхности и обратно). Время задержки преобразуется в толщину. Ультразвуковой толщиномер 37DLPIus позволяет измерять толщины от 0.08 до 635 мм при температурах воздуха от -10 до +500С. Время непрерывной работы в нормальном режиме без подсветки 25 часов. Вес 950 г. Позволяет вести статистическую обработку данных. Рисунок 16 - Ультразвуковой толщиномер ТТ-300 Рисунок 17 - Ультразвуковой толщиномер ТТ-100 Толщиномер ТТ-300 имеет большой жидкокристаллический дисплей с регулируемой контрастностью и подсветкой. Он обладает высокой скоростью измерения с диапазоном от 0.75 до 300 мм. Рабочая температура от 0°С до +40°С. Вес, включая батареи - 370 г. Время работы прибора с одним комплектом батареек: без подсветки дисплея -200 часов или с подсветкой дисплея - 50 часов. 81 Ультразвуковой цифровой толщиномер ТТ-100 это полностью самокалибрующийся высокоточный прибор, измеряющий толщины изделий из металлов и их сплавов толщиной до 225 мм с шагом 0,1 мм. Прибор обладает жидкокристаллическим дисплеем, функцией памяти, возможностью определения скорости звука в исследуемых материалах. Рабочий температурный диапазон до + 60°С. Схема измерений по высоте от базовой линии представлена на рис.17 Устройство, позволяющее проводить измерения по этому способу состоит из двух пар роликов (рисунок 17), закрепленных на тележке и охватывающих провод. Оси роликов находятся под углом 40° по отношению друг к другу, ниже боковых углублений провода. Между роликами располагается датчик, тележка крепится на токосъемнике для перемещения за зигзагом провода. По мере износа провода датчик поднимается, сигнал преобразуется в напряжение, пропорциональное износу. Устройство имеет низкую скорость измерения из-за необходимости переставлять датчик в местах отхода ветвей подвески на анкеровку. Метод измерения износа по ширине площадки трения является наиболее популярным при разработке устройств автоматической диагностики. Его преимущества заключаются в достаточности одностороннего доступа к проводу. Недостатки связаны с неидеальным качеством поверхности: неровностей, кривизны и загрязнения. Рисунок 18 - Устройство измерения по высоте от базовой линии Измерять износ одного контактного провода и суммарный износ двух проводов можно при помощи токовихревого датчика. Принцип действия датчика основан на измерении магнитного потока, создаваемого катушкой, при 82 внесении в магнитное поле контактного провода. Изменение потока вызывается вихревыми токами, возникающими в проводе. Значение ЭДС, наведенной в приемной катушке, пропорционально оставшейся массе провода. Устройства, реагирующие на оставшуюся массу металла провода, работают на принципе измерения активного сопротивления участка провода по схеме четырех зажимов. 2.8. Определение положения провода по высоте Провода и тросы. Положение в плане и по высоте может определяться оптическими методами. Устройство, содержащее оптическую систему, устанавливают на головки рельсов (рисунок 18). Рисунок 19. Оптический контроль положения проводов Положение проводов в плане и по высоте определяется по углу и известной базе устройства. Погрешность измерений в плане составляет ±1 см, по высоте ±2 см. При измерениях необходимо учесть, что при движении подвижного состава путь проседает. Поэтому измеренные таким методом положения проводов не совпадут с измерениями вагона-лаборатории. 83 ЛИТЕРАТУРА: 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000. ЛЕКЦИЯ№11 ДИАГНОСТИКА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДОВ ВРЕМЯ – 2 часа. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Изучить виды и причины потери работоспособности силовых трансформаторов и высоковольтных вводов, познакомиться с наиболее распространенные методами диагностики их технического состояния. СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. ВИДЫ И ПРИЧИНЫ ПОТЕРИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДОВ – 10 мин. 2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДОВ – 70 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин. 1. ВИДЫ И ПРИЧИНЫ ПОТЕРИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДОВ Наиболее интенсивному износу и старению подвержены изоляция обмоток, магнитопроводы, силовая коммутационная аппаратура, отводы, маслонаполненные и фарфоровые вводы. В результате возникают повреждения, ведущие к потере их работоспособности. Основными причинами потери работоспособности силовых трансформаторов являются: 1. Перегрев магнитопроводов вследствие разрушения лаковой пленки между листами и спекания листов стали. При этом вихревые токи в железе трансформатора возрастают и приводят к его еще большему разогреву. 2. Повреждение контактных шпилек и, как следствие рост переходных сопротивлений в местах контакта с силовыми проводами. 84 3. Пробой витковой изоляции, возникновение короткозамкнутых контуров, когда элементы магнитопровода оказываются замкнутыми между собой и на бак. Основными причинами потери работоспособности силовой коммутационной аппаратуры являются: 1. Нарушение работы контакторов вследствие подгорания и износа контактов. 2. Заклинивание механизмов контакторов из-за износа их подвижных частей. 3. Утрата механической прочности стальных деталей и бумажнобакелитового вала под воздействием электромеханических и тепловых нагрузок. 4. Перекрытие внешнего промежутка между контактами из-за различных повреждений элементов конструкции. Основными причинами потери работоспособности отводы от обмоток к переключающим устройствам и вводов являются: 1. Не качественная пайка контактных соединений. 2. Уменьшение зазора между гибкими отводов и стенками бака. 3. Загрязнения масла (продукты износа изоляции, частицы из системы охлаждения масла). Повреждения вводов 110 кВ и выше связаны с увлажнением бумажной основы из-за ее разуплотнения. Повреждения могут возникать при доливке вводов маслом с пониженной электрической прочностью. Фарфоровые вводы теряют работоспособность из-за нагрева контактов в резьбовых соединениях составных токоведущих шпилек или в местах присоединения наружных шин. Электрическая прочность изоляции нарушается при увлажнении, а также при наличии мелких дефектов. В трансформаторах 220 кВ и выше при повреждении изоляции возникает «ползущий разряд» - постоянное разрушение изоляции местными разрядами. Местные разряды возникают на поверхности диэлектрика под действием рабочего напряжения. На поверхности изоляции появляется сетка токопроводящих каналов. Возникающее при этом сокращение изоляционного промежутка ведет к пробою изоляции с образованием мощной дуги внутри бака. Тепловой износ витковой изоляции ускоряется при набухании дополнительной изоляции катушек. Оно приводит к прекращению циркуляции масла из-за перекрытия масляных каналов. Механические повреждения витковой изоляции происходят наиболее интенсивно при коротких замыканиях во внешней сети. Из-за недостаточной 85 электродинамической стойкости трансформаторов возникает ослабление запрессовок обмоток. Тепло, выделяемое при работе трансформаторов, вызывает старение материала изоляции обмотки. Интенсивность старения изоляции зависит от величины и продолжительности нагрева обмоток. 2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДОВ Как показывает анализ отказов силовых трансформаторов, их надежность во многом определяется надежностью изоляции обмоток. Рассмотрим методы и средства диагностирования твердой изоляции обмоток. В настоящее время нет практически пригодных прямых методов определения влажности и степени старения твердой изоляции обмоток. Поэтому применяют косвенные методы диагностики, основанные на контроле качества и состава изоляционного масла и индикации частичных разрядов. Анализ масла позволяет выявить процессы его старения, появление загрязнений и влаги. По результатам контроля масла можно обнаружить до 90 % предотказных состояний трансформаторов. Индикация частичных разрядов необходима, потому что под их действием происходит очень быстрое развитие повреждения изоляции, которое не успевает отразиться на состоянии масла из-за малого выделения газов. Состояние масла характеризуется несколькими параметрами. Степень увлажнения масла может быть определена по его углу диэлектрических потерь tgδ (рисунок 1), но лишь при большом количестве влаги. Это объясняется малым влиянием на tgδ масла растворенной в нем воды, резкий рост tgδ происходит при возникновении масляно-водяной эмульсии. Рисунок 1 - Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь в масле от его увлажнения 86 В результате старения масло окисляется. Наличие продуктов окисления определяется кислотным числом (Кч), которое характеризует стабильность масла. Диэлектрические потери измеряют по мостовой схеме, кислотное число количеством гидроокиси калия (в миллиметрах), затраченного для нейтрализации кислых соединений, извлеченных из масла раствором этилового спирта (ГОСТ 5985-79). Под воздействием интенсивных местных нагревов, мощных электрических разрядов и дуги происходит термическое разложение масла - его крекинг. Это приводит к снижению температуры вспышки смеси паров масла с воздухом. Температуру вспышки определяют при нагревании масла с одновременным перемешиванием в закрытом тигле, испытание на вспышку повторяют через определенные интервалы времени. Твердые изоляционные материалы при старении выделяют смесь диагностических газов: водород, низкомолекулярные углеводороды, окись и двуокись углерода. Из опыта эксплуатации следует, если скорость увеличения концентрации диагностического газа превышает 10 % в месяц, то это свидетельствует об ускоренном старении твердой изоляции и возможности ее пробоя. Для анализа состава и концентрации газов применяют метод определения общей горючести, а также масспектрометрический и хроматографический методы. Наибольшее распространение получил метод газовой хроматографии. Для проведения анализа газ необходимо извлечь из масла. Применяются три способа извлечения газов из пробы масла: барботирование, вакуумный и статический. Барботированием называется процесс извлечения газов при помощи продувания через пробу масла воздуха. Аппаратура для барботирования громоздка и требует до 3 л масла. При вакуумном способе газы извлекают из масла при давлении не более 133 Па (1 мм рт. ст.). При данном способе требуется определять количество каждого извлеченного из масла газа, что связано с большими погрешностями. При статическом методе выделения газа используют медицинский шприц на 50 мл, часть объема которого заполняют маслом, часть - газом. Затем пробу выдерживают, периодически покачивая, при постоянной температуре в течение 15...20 мин. Схема установки для исследования газов представлена на рисунке 2. После выделения газов из масла они поступают через дозатор в разделительную колонку. Для продвижения исследуемой смеси используется 87 газ-носитель, инертный по отношению к исследуемым газам. Разделительная колонка содержит адсорбент - пористое вещество с сильно развитой поверхностью. Вследствие физико-химического воздействия отдельных компонентов с поверхностью адсорбента происходит разделение смеси газов. Различия в физико-химических свойствах отдельных газов смеси вызывают различия в скорости их продвижения через адсорбент. На выходе колонки разные газы будут появляться в разные моменты времени. Рисунок 2 - Схема установки для исследования газов Если известны свойства газов, скорость движения газа-носителя и температура разделительной колонки, то можно точно определить последовательность (время) вывода их из колонки. В качестве адсорбента может применяться активированный уголь, а в качестве газа-носителя - аргон или азот. Тип адсорбента и газа-носителя определяется тем, какие газы анализируются. Выходящие из разделительной колонки газы вместе с газомносителем поступают в детектор. Применяют два типа детекторов – детектор теплопроводности и детектор ионизации в пламени. Детектор теплопроводности называется катарометром. Он содержит чувствительные элементы - терморезисторы, включенные в плечи моста и нагреваемые протекающим по ним током. Два резистора обтекаются газом из колонки, два других - чистым газом-носителем. При протекании через детектор исследуемого газа меняется теплопроводность смеси и меняются условия охлаждения резисторов. Напряжение диагонали моста записывается регистратором. Результаты записи представлены на рисунке 3. 88 Рисунок 3 - Хроматограмма В пламенно-ионизационных детекторах газ из разделительной колонки смешивается с водородом и сжигается. Образующиеся при этом ионы под действием напряжения, приложенного к расположенным в камере сгорания электродам, создают ток. Количественные данные содержания газов в исследуемой смеси определяются по площади пиков хроматограммы. По составу и концентрациям растворенных в масле газов составлен перечень возможных дефектов. Например, наличие соединений С2Н4, СН2, СН4 свидетельствует о превышении температуры токоведущих частей и частичных разрядах. Обнаружение СО2 и СО говорит о старении твердой изоляции. Для определения состава газовой смеси используют хроматографы ЛХМ80, «Модель 370», «Агат», «Цвет-100», «Цвет-200», «Цвет-500». Электрохимический сигнализатор водорода встраивается в систему охлаждения масла. Схема такого прибора представлена на рисунке 4. Рисунок 4 - Схема электрохимического сигнализатора водорода 89 Датчик реагирует на газы СО, С2Н4, С2Н2. Газы, растворенные в масле, проникают сквозь полупроницаемую мембрану в сернокислый топливный элемент, где в присутствии кислорода воздуха генерируется электрический ток, который фиксируется измерительным прибором А. На практике широко применяется автоматизированная установка измерения диэлектрических потерь трансформаторного масла «Тангенс-ЗМ». Общий вид установки представлен на рисунке 5. Рисунок 5 - Установка «Тангенс-3М» Установка «Тангенс-3М» предназначена для определения диэлектрической проницаемости, емкости, рабочего напряжения, температуры пробы трансформаторного масла и тангенса угла диэлектрических потерь масла по ГОСТ 6581-75 при частоте 50 Гц. Установка применяется в помещениях при рабочих значениях температуры воздуха от плюс 15° С до плюс 35° С, относительной влажности до 80 % и атмосферном давлении 84,0 - 106,7 кПа (630 - 800 мм. рт. ст.). В микроконтроллере установки предусмотрено программное обеспечение, позволяющее переписать из установки в стационарный персональный компьютер (ПК) файл, содержащий результаты измерений. При возникновении аварийных режимов работы трансформатора для быстрого обнаружения перегрева его обмоток применяется система измерения с оптическим люминесцентным датчиком. Диапазон измерения температуры таким датчиком составляет 0 ... 200 °С при абсолютной погрешности измерения ±2 °С. Оптический люминесцентный датчик представляет собой диск, спрессованный из порошка люминофора, диаметр датчика - 0,4 мм, толщина 0,13 мм. Он освещается ультрафиолетовыми лучами через оптическое волокно диаметром 0,4 мм. Источник лучей расположен за пределами трансформатора. Ультрафиолетовое излучение вызывает флуоресценцию люминофора в видимой части спектра. Интенсивность линии спектра зависит от температуры 90 датчика. Видимое свечение люминофора передается по оптоволоконной линии в измерительный прибор. С помощью интерференционных фильтров выделяются и измеряются сигналы датчика. Наличие газа (включений) в трансформаторном масле ведет к возникновению местных пробоев. Напряженность электрического поля в газовых включениях изоляции превышает напряженность в окружающем диэлектрике (масле), электрическая прочность газа ниже, чем диэлектрика и происходит пробой газового включения или частичный разряд. Частичные разряды вызывают дальнейшее разрушение диэлектрика (масла), но не разрушают фарфор, стекло, слюду и другие диэлектрики неорганического происхождения. Частичные разряды можно обнаружить акустическими методами или по электромагнитному излучению в широком диапазоне частот. Схема установки для обнаружения частичных разрядов в масле трансформатора представлена на рисунке 6. Рисунок 6 - Схема установки для обнаружения частичных разрядов в масле Высокочастотные трансформаторы тока предназначены для обнаружения частичных разрядов. На корпусе бака размещаются акустические датчики, преобразующие звуки, возникающие при частичных разрядах в в электрические сигналы. Оценка изоляционных свойств масла производится также по параметрам С2/С50 и ΔС/С. 91 При приложении к диэлектрику разности потенциалов в нем происходит поляризация - перемещение электрических зарядов. На это затрачивается энергия поля, рассеиваемая затем в объеме диэлектрика. При диагностике используются несколько видов поляризации: электронная, ионная, междуслойная и др. При междуслойной поляризации на поверхности раздела разных слоев изоляции накапливаются свободные заряды. Перемещение этих зарядов создает ток абсорбции, что и может быть обнаружено при диагностировании. Для измерения абсорбционных характеристик - геометрической емкости (емкости изоляции на частоте 50 Гц) С50, абсорбционной составляющей ΔС, разности емкостей на частотах 2 и 50 Гц С2, С50. Емкости обмоток измеряют дважды на частотах 2 и 50 Гц при помощи приборов ПКВ-7 или ПКВ-8. Этими же приборами измеряют емкость обмоток С и ее прирост ΔС. Сопротивления обмоток измеряют мегомметром на напряжение 2500 В дважды через 15 и 60 с после начала вращения его ручки. Нормируются как наименьшие значения сопротивлений, так и их отношение. Тангенс угла диэлектрических потерь определяют при помощи моста переменного тока. В полевых условиях для диагностики электрической изоляции силовых и измерительных трансформаторов и кабелей применяется универсальная портативная система IDA 200 (рисунок 7). Рисунок 7 - Универсальная портативная система IDA 200 Система позволяет измерять емкость и диэлектрические потери tgδ на дискретных частотах ниже и выше промышленной частоты, от 1000 Гц до 0,0001 Гц. Это позволяет получить больший объем информации о состоянии изоляционного материала, в том числе возможность распознавания и идентификации отдельных процессов старения изоляционных материалов. 92 При протекании больших токов возможна деформация обмоток трансформатора. Это может привести к витковым замыканиям и потере электродинамической устойчивости (вибрации) обмоток. Деформация обмоток изменяет их емкости, а также собственные и взаимные индуктивности. Чтобы обнаружить указанные изменения, применяют методы импульсов, частотных характеристик, короткого замыкания и вибрационных характеристик. Метод импульсов основан на анализе и сравнении токов переходного процесса в обмотках при приложении к ним импульсов напряжения. Осциллограммы переходных процессов снимают перед первым включением трансформатора в работу и по мере необходимости диагностирования. Недостатками метода являются большие погрешности измерений формы и амплитуды импульсов. Метод частотных характеристик основан на снятии амплитудночастотной характеристики (АЧХ) трансформатора на частотах до 500 кГц. Измерения проводят перед первым включением трансформатора в работу и по мере необходимости диагностирования. Диагноз ставят на основе сравнения АЧХ. Метод короткого замыкания применяется чаще всего. Диагностическим параметром служит относительное изменение сопротивления короткого замыкания. Граница поля допуска назначается в пределах от 3 до 5 % сопротивления. Сопротивление короткого замыкания определяется при подаче на трансформатор пониженного (до 0,4 кВ) напряжения. Результаты испытаний приводят к номинальным напряжениям путем умножения на соответствующие масштабные коэффициенты. Таким методом обнаруживаются деформации обмоток не только после аварийных режимов, но и после транспортировки трансформаторов с завода изготовителя. Если измеренное значение сопротивления короткого замыкания на 1,5 - 3 % отличается от паспортного, то необходим регулярный контроль после каждого короткого замыкания. Вибрационные характеристики определяются при измерении вибрации поверхности бака в 10-15 точках по периметру и в 3-4 сечениях - по высоте. Сравнивая результаты измерений в разных трансформаторах, можно обнаружить ослабление креплений, уменьшение усилия прессовки и ряд других неисправностей. ЛИТЕРАТУРА: 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000. 93 ЛЕКЦИЯ №12 «ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ» ВРЕМЯ – 2 часа. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Познакомиться с физическими методами диагностики технического состояния объектов СЭЖТ. Рассмотреть наиболее распространенные методы неразрушающего контроля технического состояния объектов СЭЖТ СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ – 10 мин. 2. ВИХРЕТОКОВЫЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ – 15 мин. 3. МЕТОДЫ КАПИЛЛЯРНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ – 15 мин. 4. ОПТИЧЕСКИЙ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ – 20 мин. 5. МАГНИТНЫЙ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ – 20 мин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин. 1. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ Физические методы диагностики для определения (идентификации) технического состояния объектов СЭЖТ путем контроля изменения диагностических параметров. Контролируемые диагностические параметры характеризуют работоспособность объектов СЭЖТ. В настоящее время наиболее распространены следующие физические методы диагностики: 1. Визуальный контроль. Проводится с использованием различных оптических средств (бинокли, линзы, эндоскопы, волоконно-оптические устройства). 2. Магнитная дефектоскопия. На поверхность объекта диагностики наносят магнитный порошок или его суспензию в масле. При воздействии на 94 объект магнитным полем магнитный порошок или его суспензия концентрируются вокруг трещин и других дефектов поверхностей деталей. Повреждения становятся видимыми. 3. Люминесцентная дефектоскопия. На поверхность объекта диагностики наносят специальную люминесцентную жидкость. Жидкость проникает в невидимые глазом трещины и другие дефекты поверхностей деталей. Под воздействием ультрафиолетового освещения жидкость светится, делая повреждения видимыми. 4. Ультразвуковая диагностика. Используется способность ультразвуковых волн легко проходить сквозь плотные вещества и отражаться от внутренних дефектов. Скорость распространения волн зависит от плотности объекта и снижается при наличии в нем трещин, пустот и невидимых глазом повреждений. 5. Вихретоковая диагностика. Основана на использовании эффекта наведения вихревых токов в проводниках. Может применяться для контроля геометрических параметров объекта, обнаружения внутренних отслоений, трещин, раковин и т. д. 6. Акустическая эмиссия. Основана на эффекте появления волн упругой деформации при внешнем механическом воздействии на объект. Параметры волн определяются изменениями структуры материала объекта, образованием в нем пустот и трещин. 7. Рентгеноскопия. Применяется в стационарных условиях для обнаружения скрытых трещин и раковин. Наличие скрытых дефектов в материале объекта определяться по интенсивности отражения рентгеновских волн. 8. Спектральный и химический анализы. Применяются в стационарных условиях для обнаружения скрытых повреждений и дефектов. Позволяют обнаружить изменение состава материала объекта и его структуры. 9. Радиоизотопный метод. Применяется в стационарных условиях для обнаружения скрытых повреждений и дефектов. Метод основан на активации поверхностей деталей радиоактивными изотопами с небольшими периодами полураспада и последующим контролем интенсивности излучения. 10. Инфракрасные видеокамеры и датчики. Применяются для осуществления дистанционного контроля за тепловым состоянием объекта. По температуре объекта делается заключение о режимах работы объекта и правильности соединения его элементов. Рассмотрим наиболее часто применяемые на практике физические методы диагностики. 95 2. ВИХРЕТОКОВЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО Вихретоковые методы основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Плотность вихревых токов в объекте зависит от геометрических и электромагнитных параметров объекта, а также от взаимного расположения измерительного вихревого преобразователя и объекта. В качестве преобразователя используют обычно индуктивные катушки (одну или несколько). Синусоидальный (или импульсный) ток, действующий в катушках, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя изменение напряжения на зажимах катушки, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него. ЭДС или сопротивление преобразователя зависит от многих параметров объекта контроля, т.е. информация, даваемая преобразователем, многопараметрическая. Это определяет, как преимущество, так и трудности реализации вихретоковых методов. С одной стороны, вихретоковые методы позволяют осуществить многопараметрический контроль объекта, а с с другой стороны, требуются специальные приемы для разделения информации об отдельных параметрах объекта. При контроле одного из параметров влияние остальных на сигнал преобразователя становится помехой. Преимуществом вихретоковой диагностики является ее проведение дистанционно без непосредственного контакта с объектом. Измерительный вихревой преобразователь свободного движется относительно объекта или наоборот. Отсутствие контакта преобразователя и объекта позволяет использовать данный метод контроля даже при высоких скоростях движения объектов. Получение первичной информации в виде электрических сигналов, бесконтактность и высокая производительность определяют широкие возможности автоматизации вихретоковой диагностики технического состояния объектов СЭЖТ. К преимуществам вихретоковой диагностики относится и то, что на результаты практически не влияют влажность, давление, загрязненность 96 газовой среды и загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами, радиоактивные излучения. Простота и надежность конструкции преобразователя также являются преимуществами вихретокового метода диагностики. Катушки преобразователя помещают в предохранительный корпус и заливают компаундами. Благодаря этому они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям, могут работать в агрессивных средах в широком интервале температур и давлений. Вихретоковые методы основаны на возбуждении вихревых токов, в контролируемом объекте. Поэтому они применяются в основном для контроля качества электропроводящих объектов: металлов, сплавов, графита, полупроводников. Этим методам свойственна малая глубина зоны контроля, определяемая глубиной проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду. Фактически речь идет о контроле состояния поверхности объекта. В дефектоскопии с помощью вихретоковых методов обнаруживают повреждения, выходящие на поверхность или залегающие на небольшой глубине. Это разнообразные трещины, расслоения, закаты, пелена, раковины, неметаллические включения, которые могут быть в электропроводящих листах, прутках, трубах, проволоке, железнодорожных рельсах, других деталях. При благоприятных условиях контроля и малом влиянии мешающих факторов удается выявить трещины глубиной 0,1… 0,2 мм, протяженностью 1 … 2 мм (при использовании накладного преобразователя) или протяженностью около 1 мм и глубиной 1… 5% от диаметра контролируемой проволоки или прутка (при использовании проходного преобразователя). Вихретоковые методы позволяют успешно решать задачи контроля размеров изделий. Этими методами измеряют диаметр проводов контактной сети, прутков и труб, толщину металлических листов и стенок труб при одностороннем доступе к объекту, толщину электропроводящих (например, гальванических) и диэлектрических (лакокрасочных) покрытий на электропроводящих основаниях, толщину слоев многослойных структур, содержащих электропроводящие слои. Измеряемые толщины могут изменяться в пределах от микрометров до десятков миллиметров. Для большинства приборов погрешность измерения составляет 2 … 5%. 2 Минимальная площадь зоны контроля составляет около 1 мм , что позволяет проводить измерения на малых объектах сложной конфигурации. 97 3. МЕТОДЫ КАПИЛЛЯРНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ Капиллярные методы неразрушающего контроля основаны на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей (пенетрантов) в полости поверхностных и сквозных несплошностей материала объектов и регистрации образующихся индикаторных следов визуальным способом или с помощью преобразователя. Капиллярный неразрушающий контроль предназначен для обнаружения невидимых или слабо видимых невооруженным глазом поверхностных и сквозных дефектов в объектах контроля, определения их расположения, протяженности, и ориентации по поверхности. Этот вид контроля позволяет диагностировать объекты любых размеров и форм, изготовленных из черных и цветных металлов и сплавов, пластмасс, стекла, керамики, а также других твердых неферромагнитных материалов. Капиллярный контроль применяют также для объектов, изготовленных из ферромагнитных материалов, если их магнитные свойства, форма, вид и место расположения дефектов не позволяют достичь требуемой чувствительности магнитопорошковым методом или магнитопорошковый метод контроля не допускается применять по условиям эксплуатации объекта. Капилляр, выходящий на поверхность объекта контроля только с одной стороны, называют поверхностной несплошностью, а соединяющий противоположные стенки объекта контроля - сквозной. Если поверхностная и сквозная несплошности являются дефектами, то применяются термины "поверхностный дефект" и "сквозной дефект". Изображение, образованное пенетрантом в месте расположения несплошности называют индикаторным рисунком (следом). В данном методе применяются следующие количественные характеристики: - глубина несплошности - размер несплошности в направлении внутрь объекта контроля от его поверхности; - длина несплошности - продольный размер несплошности на поверхности объекта; - раскрытие несплошности - поперечный размер несплошности у ее выхода на поверхность объекта контроля. На практике различают максимальную, минимальную и среднюю глубину, длину и раскрытие несплошности. Для несплошностей типа округлых пор раскрытие равно диаметру несплошности на поверхности объекта. Для 98 выделения преобладающего вида несплошности применяется термин "преимущественный размер". Все методы капиллярного неразрушающего контроля по характеру взаимодействия пенетрантов с объектом контроля рассматриваются как молекулярные. Поэтому необходимым условием выявления дефектов капиллярным контролем является не загрязненность их поверхности посторонними веществами. Капиллярные методы подразделяют на основные и комбинированные. Основные капиллярные методы контроля подразделяют в зависимости от типа проникающего веществ на следующие: 1. Метод проникающих растворов - жидкостный метод капиллярного неразрушающего контроля, основанный на использовании в качестве проникающего вещества жидкого индикаторного раствора. 2. Метод фильтрующихся суспензий - жидкостный метод капиллярного неразрушающего контроля, основанный на использовании в качестве жидкого проникающего вещества индикаторной суспензии, которая образует индикаторный рисунок из отфильтрованных частиц дисперсной фазы. Капиллярные методы в зависимости от способа выявления индикаторного рисунка подразделяют на следующие: - люминесцентный метод, основанный на регистрации контраста люминесцирующего в длинноволновом ультрафиолетовом излучении видимого индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля, - цветной метод, основанный на регистрации контраста цветного в видимом излучении индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля; - люминесцентно-цветной метод, основанный на регистрации контраста цветного или люминесцирующего индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля в видимом или длинноволновом ультрафиолетовом излучении; - яркостный метод, основанный на регистрации контраста в видимом излучении ахроматического рисунка на фоне поверхности объекта контроля. Комбинированные методы капиллярного неразрушающего контроля сочетают два или более различных по физической сущности методов неразрушающего контроля, один из которых обязательно жидкостный. Комбинированные капиллярные методы контроля подразделяют в зависимости от характера физических полей (излучений) и особенностей их взаимодействия с контролируемым объектом. 99 Капиллярно-электростатический метод основан на обнаружении индикаторного рисунка, образованного скоплением электрически заряженных частиц у поверхностной или сквозной несплошности неэлектропроводящего объекта, заполненного ионогенным пенетрантом. Капиллярно-электроиндуктивный метод основан на электроиндуктивном обнаружении электропроводящего индикаторного пенетранта в поверхностных и сквозных несплошностях неэлектропроводящего объекта. Капиллярно-магнитопорошковый метод основан на обнаружении комплексного индикаторного рисунка, образованного пенетрантом и ферромагнитным порошком, при контроле намагниченного объекта. Жидкостный капиллярно-радиационный метод излучения основан на регистрации ионизирующего излучения, соответствующего пенетранта в поверхностных и сквозных несплошностях объекта контроля. 4. ОПТИЧЕСКИЙ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ КОНТРОЛЬ Оптический неразрушающий контроль основан на анализе взаимодействия оптического излучения с объектом контроля. Оптическое излучение или свет - электромагнитное излучение с длиной -3 3 волны 10 - 10 мкм, в котором принято выделять: -3 - ультрафиолетовую (УФ) область с длинами волн излучения 10 ... 0,38 мкм; - видимую область с длинами волн излучения 0,38 ... 0,78 мкм; 3 - инфракрасную (ИК) область с длинами волн излучения 0,78 ... 10 мкм. Возникновение оптического излучения связано с движением электрически заряженных частиц (электроны, атомы, ионы, молекулы). Дискретные спонтанные или индуцированные переходы носителей зарядов с более высоких на более низкие уровни энергии сопровождаются испусканием световых квантов (фотонов) с энергией, равной разности энергий этих уровней. Энергия фотона определяется как: E=h·v, -34 где h = 6,626 ·10 Дж ·с - постоянная Планка; v - частота излучения, Гц. Скорость распространения оптического излучения в вакууме: С0 = 299792,5 км/с. В реальных средах оптическое излучение распространяется со скоростью V= С0/n, 100 где n - показатель преломления среды. Оптическое излучение количественно характеризуется амплитудой, частотой, фазой, поляризацией и степенью когерентности. Для получения дефектоскопической информации используют изменение этих параметров при взаимодействии света с объектом в соответствии с явлениями интерференции, дифракции, поляризации, преломления, отражения, поглощения, рассеяния, дисперсии света, а также изменение характеристик самого объекта под действием света в результате эффектов фотопроводимости, фотохромизма, люминесценции, электрооптических, механооптических (фотоупругость), магнитооптических, акустооптических и других явлений. Основными информационными параметрами объектов оптического контроля являются их спектральные и интегральные фотометрические характеристики, которые в общем случае зависят от строения вещества, его температуры, физического (агрегатного) состояния, микрорельефа, угла падения излучения, степени его поляризации, длины волны. К числу дефектов, обнаруживаемых неразрушающими оптическими методами, относятся пустоты (нарушения сплошности), расслоения, поры, трещины, включения инородных тел, внутренние напряжения, изменение структуры материалов и их физико-химических свойств, отклонения от заданной геометрической формы и т.д. С помощью оптических методов внутренние дефекты выявляются только в изделиях из материалов, прозрачных в оптической области спектра. Использование оптического излучения как носителя информации перспективно. Электромагнитное поле по природе многомерно, что позволяет вести многоканальную (многомерную) обработку информации одним устройством с большой скоростью, определяемой скоростью света в данной среде. Особенно перспективно использование резонансных эффектов взаимодействия света с объектом, в том числе нелинейных, основанных на использовании сверхмощного лазерного излучения. Основной характеристикой оптического излучения является поток излучения (мощность светового потока): Ф = dQ/dt, где Q — энергия, Дж; t — время, с. Пространственные характеристики оптического излучения: 1. Сила излучения I = dФ/dω (Вт/ср) - лучистый поток в единице телесного угла dω. 101 2 2. Лучистость L = dI/dS·cosα (Вт/ср·м ) - отношение силы излучения в направлении α к проекции излучающей поверхности dS на плоскость, нормальную этому направлению. Удельной Характеристикой оптического излучения является плотность лучистого потока по облучаемой поверхности: 2 Е = dФ/dS (Вт/м ), где dS — площадь облучаемого элемента. В видимой области спектра применяют систему световых единиц, соответствующую зрительному ощущению лучистых потоков с учетом спектральной чувствительности глаза: - единицей светового потока является люмен (1 лм = 1/683 Вт для длины волны λ - 0,55 мкм); - сила света измеряется в канделах (кд); - освещенность измеряется в люксах (лк); 2 2 - яркость измеряется в кд/м (1кд = лм/ ср, 1лк = 1лм/м ). Эффективность применения оптического неразрушающего контроля существенно зависит от правильности выбора геометрических, спектральных, светотехнических и временных характеристик условий освещения и наблюдения объекта диагностики. Главное при этом - обеспечить максимальный контраст дефекта подбором углов освещения и наблюдения, спектра и интенсивности источника (непрерывного или стробоскопического), а также состояния поляризации и степени когерентности света. Необходимо учитывать различия оптических свойств дефекта и окружающей его области фона. Контраст определяют по формуле : k=( В0 - Вф)/( В0 + В ф), где В - яркость объекта в области дефекта; В - яркость объекта в области ф фона. Аналитический расчет контраста дефектов в зависимости от описанных выше факторов представляет сложную задачу, решение которой получено пока только для простейших случаев. Поэтому необходимы экспериментальные исследования оптических свойств объекта диагностики и его дефектов. Основные области применения: контроль преломления лучей на объекте диагностики, контроль геометрии структур (эллипсометрия), контроль качества печатных плат на телевизионных и оптических проекторах, контроль геометрии фотошаблонов и др. 102 5. МАГНИТНЫЙ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ Магнитный вид неразрушающего контроля применяют в основном для диагностики состояния изделий из ферромагнитных материалов, т.е. из материалов, которые способны существенно изменять свои магнитные характеристики под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля. Операция намагничивания (помещения изделия в магнитное поле) при этом виде контроля является обязательной. Съем информации может быть осуществлен со всей поверхности объекта либо с части этой поверхности. Конт роль осуществляется в соответствии с ГОСТ 24450-80 «Контроль неразрушающий магнитный. Термины и определения». В зависимости от конкретных задач неразрушающего контроля, контролируемого материала и требуемой производительности метода могут использоваться те или иные первичные информативные параметры. К числу наиболее распространенных относятся следующие информативные параметры: - коэрцитивная сила - это такое размагничивающее внешнее магнитное поле напряженностью H, которое необходимо приложить к ферромагнетику, предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность М; - намагниченность М - векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела. Определяется как магнитный момент единицы объёма вещества: M = m/V где, M — вектор намагниченности; m - вектор магнитного момента; V - объём. - магнитная индукция В - векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства. Определяет, с какой силой F магнитное поле действует на заряд q, движущийся со скоростью v; - среды магнитная проницаемость μ – коэффициент, зависящий от свойств и характеризующий связь между магнитной индукцией В и напряжённостью магнитного поля Н в веществе. Для разных сред этот коэффициент различен, поэтому говорят о магнитной проницаемости конкретной среды; - напряжённость магнитного поля Н - векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M: 103 Н = В/μ - М; - эффект Баркгаузена - скачкообразное изменение намагниченности ферромагнетиков при непрерывном изменении внешнего магнитного поля. По способу получения первичной информации различают следующие методы магнитного контроля: магнитопорошковый (МП), магнитографический (МГ), феррозондовый (ФЗ), эффекта Холла (ЭХ), индукционный (И), пондеромоторный (ПМ), магниторезисторный (МР). С их помощью осуществляется контроль сплошности (методами дефектоскопии) (МП, МГ, ФЗ, ЭХ, И), контроль размеров (ФЗ, ЭХ, И, ПМ), контроль структуры и контроль механических свойств (ФЗ, ЭХ, И) объекта диагностики. Индукционный метод предполагает использование приемной катушки индуктивности, перемещаемой относительно намагниченной детали или другого намагниченного контролируемого объекта. В катушке наводится (индуцируется) ЭДС, величина которой зависит от скорости относительного перемещения катушки и характеристик магнитных полей дефектов. Этот метод широко используется в вагонах-дефектоскопах для скоростного магнитного контроля рельсов. Феррозондовый метод основан на преобразовании градиента или напряженности магнитного поля в электрический сигнал с помощью феррозондов - магниточувствительных элементов, состоящих чаще всего из двух частей полузондов. Каждый полузонд имеет магнитомягкий (обычно пермаллоевый) сердечник и две обмотки: одну, возбуждающую переменное поле, которым намагничивается сердечник, а другую - индикаторную. Как возбуждающие (первичные) обмотки полузондов, так и индикаторные (вторичные), соединены попарно между собой определенным образом, в результате чего величина ЭДС на выходе индикаторных обмоток пропорциональна либо градиенту, либо напряженности измеряемого постоянного магнитного поля, в котором находится феррозонд. Феррозондовые дефектоскопы нашли широкое применение для контроля качества рельсов, а также для автоматического контроля поверхностных дефектов ферромагнитных груб диаметром 20-160 мм. Достоинством метода является возможность его полной автоматизации. Метод эффекта Холла основан на выявлении магнитных полей преобразователями Холла. Сущность эффекта Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) в прямоугольной полупроводниковой пластинке в результате искривления пути, протекающего через эту пластинку электрического тока под воздействием магнитного потока, перпендикулярного этому току (рисунок 3.2). Преобразователи Холла выполняют в виде тонких (10-20 мкм) пластинок, изготовленных из монокристалла германия, кремния, антимонида, индия или арсенида кадмия. Пластинки, доведенные 104 шлифовкой до указанной толщины, наклеивают на подложку из радиотехнической слюды, ультрафарфора или ситалла. Если такую пластинку поместить в магнитное поле перпендикулярно вектору напряженности и пропустить по ней ток в продольном направлении, то в поперечном направлении возникает ЭДС Холла. Метод эффекта Холла используют для обнаружения дефектов, измерения толщины покрытий, контроля структуры и механических свойств ферромагнетиков, регистрации магнитных полей. Пондеромоторный метод основан на измерении силы отрыва постоянного магнита или сердечника электромагнита от контролируемого объекта. Этот метод основан на пондеромоторном взаимодействии измеряемого магнитного поля и магнитного поля рамки с током, электромагнита или постоянного магнита. Этот метод нашел применение в коэрцитиметрах. Магниторезисторный метод основан на выявлении магнитных полей магниторезистивными преобразователями, представляющими собой гальваномагнитный элемент, принцип работы которого основан на магниторезистивном эффекте Гаусса. Этот эффект связан с изменением продольного сопротивления проводника с током под действием магнитного поля. Электрическое сопротивление при этом увеличивается вследствие искривления траектории носителей заряда под воздействием магнитного поля. Количественно этот эффект проявляется по-разному и зависит от материала гальваномагнитного элемента и его формы. Для проводниковых материалов этот эффект не характерен. В основном он проявляется в некоторых полупроводниках с высокой подвижностью носителей тока (антимонид индия, арсенид индия, теллурид, селенид ртути и др.). Чувствительность магниторезисторов к слабым магнитным полям меньше, чем у преобразователей Холла. Магнитопорошковый метод требует обязательного участия в контрольных операциях человека. Остальные методы позволяют получать первичную информацию в виде электрических сигналов, что делает возможным полную автоматизацию процессов контроля. Методы МП и МГ обнаружения несплошностей являются контактными, т.е. требуют соприкосновения преобразователя (магнитный порошок или магнитная лента) с поверхностью объекта. При остальных методах контроля съем информации осуществляется бесконтактно, хотя и на достаточно близких расстояниях от поверхности. С помощью магнитных методов могут быть выявлены закалочные и шлифовочные трещины, волосовины, закаты, усталостные трещины и другие поверхностные дефекты шириной раскрытия несколько микрометров. Такие методы, как феррозондовый, эффект Холла, индукционный и магнитографический можно использовать на грубых поверхностях, при этом минимальная глубина выявляемых дефектов составляет трехкратную высоту 105 шероховатостей поверхности. В связи с необходимостью сканировать поверхность изделия методы феррозондовый метод и метод эффекта Холла особенно удобно применять для контроля цилиндрических изделий. К таким изделиям относятся провода, тросы и струны контактной сети. Из геометрических параметров с помощью магнитных методов наиболее часто определяют толщину немагнитных покрытий на магнитной основе, толщину стенок изделий из магнитных и немагнитных материалов. ЛИТЕРАТУРА: 1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транспорта/ А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000. 2. ГОСТ 24450-80 «Контроль неразрушающий магнитный. Термины и определения». КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО КУРСУ ЛЕКЦИЙ Понятия диагностирования, объекта, алгоритма и средств диагностирования. 2. Цели и задачи диагностирования устройств электроснабжения. 3. Понятия исправности, работоспособности, функционирования объекта диагностики. 4. Поиск неисправности, глубина диагностирования. 5. Неисправность, отказ, повреждение, дефект. 6. Функциональное и тестовое диагностирование, области их применения. 7. Прямая и косвенная диагностика. 8. Элементарная проверка, ее результаты и цели. 9. Классификация средства диагностики. 10. Вероятностный и детерминистический подходы в диагностике. 11. Математическая модель объекта диагностики, понятия явной и неявной моделей диагностирования. 12. Непрерывные, дискретные и гибридные объекты диагностики. 13. Объекты диагностирования с памятью и без памяти. 14. Аналитическая запись явных и неявных моделей диагностирования. 15. Аналитическая запись результатов диагностирования, способы ее получения. 16. Таблица функций неисправностей. 17. Свойства обнаружения, различия и транспортировки неисправностей. 18. Прямая и обратная задачи диагностирования. 19. Составление таблицы функций неисправностей для входного устройства релейной защиты. 20. Двоичный дешифратор и его таблица истинности. 106 21. Понятие и схема конечного автомата, аналитическая форма задания его функционирования. 22. Таблица переходов-выходов, графическая форма представления состояний конечного автомата. 23. Опора КС, как протяженный объект диагностики. 24. Информационная энтропия и неопределенность состояния объекта. 25. Зависимость степени неопределенности от числа возможных состояний и их вероятностей. 26. Вычисление энтропии объекта, имеющего «n» возможных состояний. 27. Свойства энтропии. 28. Зависимость энтропии системы из двух элементов от вероятности их состояний. 29. Энтропия объекта с непрерывным пространством состояний. 30. Энтропия системы, если число состояний каждого элемента больше двух при их независимости. 31. Энтропия системы из элементов, состояния которых взаимно зависимы. 32. Понятие меры информации, внесенной в результате опыта. 33. Вычисление информации о состоянии объекта А по информации о состоянии зависимого объекта В. 34. Статистические методы распознавания. 35. Вероятность совместного появления у объекта признака K и диагноза D. 36. Теорема Байеса и ее применение. 37. Метод последовательного анализа. 38. Понятие отношения правдоподобия в методе последовательного анализа. 39. Нахождение границ принятия решения в методе последовательного анализа. 40. Метод минимального риска. 41. Понятия вероятностей ошибок 1-го и 2-го рода в методе минимального риска. 42. Нахождение граничного значения параметра в методе минимального риска. 43. Алгоритмы диагностирования. Понятия оптимальных и минимальных алгоритмов диагностирования и критерии их оптимизации. 44. Обобщенный вид таблицы покрытий и ее свойства. 45. Порядок заполнения и оптимизации таблицы покрытий. 46. Метод поэлементных проверок. 47. Метод групповых проверок. 48. Метод симптомов отказов. 49. Рациональная диагностика. 50. Средства диагностирования. Группы признаков технического состояния объектов. 107 51. Физические методы контроля. 52. Параметры, контролируемые бортовыми информационными системами контроля состояния контактной сети. 53. Принцип действия систем контроля состояния объектов диагностики. 54. Современные средства диагностики состояния элементов конструкции систем электроснабжения железнодорожного транспорта. 55. Устройства измерения износа контактного провода. 56. Устройства для измерения натяжения контактных проводов. 57. Диагностика состояния питающих зажимов. 58. Диагностика состояния изоляторов. 59. Диагностика состояния железобетонных опор КС при помощи прибора ПК-1М. 60. Проверка цепей заземления и защитных устройств железобетонных опор. 61. Диагностика состояния железобетонных опор КС при помощи прибора УК1401М. 62. Диагностика состояния силовых трансформаторов. 63. Диагностика устройств электроснабжения по их тепловому состоянию. 64. Диагностика состояния кабельных линий. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Лекция №1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Лекция №2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Лекция №3 . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Лекция №4 . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Лекция №5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Лекция №6 . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Лекция №7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Лекция №8 . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Лекция №9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Лекция №10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Лекция №11 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Лекция №12 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Контрольные вопросы по курсу лекций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104