Система вибрационного контроля и диагностики

Лекция 6 Система вибрационного контроля и диагностики Примером такой системы может служить модульная система типа разработки АО «Технические системы и технологии» на основе 4-х канального блока обработки сигналов. На рис.13 показан внешний вид 16-канальной системы БОС ТСТ-4142. Рис.13 Система осуществляет непрерывный контроль общего уровня вибрации конкретного КЭО роторного типа 8 раз/с. При превышении заданного уровня вибрации по одному или нескольким каналам формируются предупредительно-аварийные сигналы. После чего выполняется анализ ретроспективных значений сигналов вибрации (диагностика). Функциональная схема системы следующая (рис.14). Общий принцип её работы заключается в исследовании определенных характеристик сигналов вибрации во временной и частотной областях на основе спектрального анализа. 4 ДВ ДВ ДВ 4 4 ЛВС ФМ МАЦП ккк ФМ МАЦП ккк ФМ МАЦП МЦП ТПУ ЗУ МСП ккк 4 ДВ ФМ МСП МАЦП ккк ШАЦД ДТ тахометрия МВВ ШУОД МП Рис.14 Каждый 4-х канальный модуль обеспечивают усиление и нормализацию измерительных сигналов от датчиков вибрации (ДВ). Модули аналогоцифрового преобразования (МАЦП) выполняют представление результатов измерений аналоговых сигналов в цифровом эквиваленте. Сигналы частот вращения роторов соответствующих узлов диагностируемого оборудования от тахометрических датчиков (ДТ) подаются на входы модуля ввода-вывода (МВВ), где нормализуются по амплитуде и длительности. Полученная счётная последовательность импульсов поступает в МАЦП, где осуществляется их привязка к сигналу вибрации конкретного узла диагностируемого оборудования. Затем данные пакетируются и через внутреннюю интерфейсную плату (шина аналого-цифровых данных (ШАЦД)) поступают на модули сигнальных процессоров (МСП), которые предназначены для поточной обработки данных: определения общего уровня вибрации, вибрации на частотах вращения, спектров сигналов вибрации и т.д. в соответствии с алгоритмами диагностирования. Результаты обработки пакетных данных поступают по шине управления и обмена данными (ШУОД) Compact PCI для дальнейшего анализа (собственно постановки диагноза) на модуль центрального процессора (МЦП). Помимо этого МЦП обеспечивает управление энергонезависимым запоминающим устройством (ЗУ), связь по протоколу Ethernet со скоростью 100 Mбит/с вышестоящей по иерархии управления системой (локальной системой управления КЭО или комплексной системой управления ТС корабля), а также технологическим пультом управления (ТПУ) на базе ноутбука. Основная функция ТПУ заключается в загрузке программного обеспечения в систему данных по кинематическим параметрам узлов оборудования. Кроме этого, с ТПУ по каналу калибровки и контроля (ККК) загружаются метрологические характеристики измерительных каналов, необходимые при их контроле. Измерительные каналы системы работают параллельно и асинхронно, что позволяет определять техническое состояние оборудования в реальном масштабе времени. Поскольку, обычно, диагностируемое оборудование не сосредоточено в одном месте, то модули системы распределяется по местам расположения КЭО. Каждый 4-х канальный модуль БОС предназначен для выполнения следующих функций: - измерения общего уровня вибрации; - измерения амплитуды виброускорения; - обработки сигналов частоты вращения роторного КЭО, поступающих от ЛСУ КЭО; - измерения вибрации на фундаментальных частотах вращения роторов ЭО; - измерения уровней вибрации в 1/3 октавных полосах частот; - хранения зарегистрированной информации; - взаимодействия по каналу обмена с ЛСУ и КСУ ТС; - взаимодействия по каналу обмена с ТПУ. Запоминающее устройство (ЗУ) предназначено для хранения архивной информации, накопленной БОС. Двукратно резервированный модуль питания (МП) обеспечивает вторичное гальванически развязанное от питающей сети корабля электропитание системы. Также МП производит контроль состояния питающей цепи, выходных напряжений и температуры модуля. Переносные приборы Как вы уже знаете, переносные приборы обычно применяются для выполнения измерений параметров на объектах, не имеющих стационарно установленных датчиков, а также для получения дополнительной информации, например, термограммы объекта или обнаружения наличия негерметичности объекта под давлением. Рассмотрим некоторые переносные приборы. Тепловизоры В общем понимании физическая суть тепловизионного метода диагностирования заключается в исследовании изменения тепловых процессов в объекте. При нарушении термодинамического равновесия объекта с окружающей средой на его поверхности возникает избыточное температурное поле, характер которого позволяет получить информацию об интересующих свойствах объекта. Методы тепловой диагностики основаны на взаимодействии параметров теплового поля объекта с контактными или бесконтактными термоэлектрическими датчиками. При этом контактные резистивные датчики (металлические термометры и полупроводниковые термометры) преобразуют температуру локальной зоны объекта в сопротивление 𝑅(𝑇) или, как термопары, в напряжение 𝑈(𝑇). Бесконтактные датчики измеряют температуру путем поглощения чувствительным элементом части теплового излучения, испускаемого объектом в инфракрасном (ИК) диапазоне электромагнитного спектра с длиной волны 0,76…100 мкм. По характеру получения информации бесконтактным способом различают приборы, предназначенные для измерения температуры локальной зоны объекта – пирометры излучения, и приборы, позволяющие получать распределение температур (температурное поле) на поверхности объекта – тепловизоры. Пирометр и тепловизор являются оптико-электронными приборами, которые посредством объектива улавливают ИК-излучение объекта контроля и в детекторе (приемнике) преобразуют его в сигнал напряжения, который затем представляется на индикаторе в удобном для восприятия виде. Такими представлениями могут быть ряд значений температуры с текстовым сопровождением (для пирометра) или термоизображение объекта с термограммой (для тепловизора). Оптическая структура пирометра ИК-излучения может быть представлена так (рис.15): Объект Тепловой детектор Зеркало Выход Диафрагма Рис.15 Принцип работы пирометра заключается в следующем. Тепловой детектор за счет нагрева поглощенным ИК-излучением изменяет сопротивление чувствительного элемента, например терморезистора. Терморезистор, будучи включенным в цепь обратной связи усилителя изменяет выходное напряжение последнего. Достоинством тепловых детекторов является постоянство чувствительности в достаточно широком диапазоне длин волн ИК-излучения (  1…28 мкм). Недостатком является существенная инерционность отклика детектора (  0,25…0,5 с) из-за относительно большой «тепловой массы» детектора. Кроме теплового детектора в пирометрах ИКизлучения используются фотонные детекторы. В качестве фотонных детекторов применяют фотодиоды и фототранзисторы. Фотонные детекторы имеют малое время отклика, но измеряют излучение только в ограниченном диапазоне длин волн (  1…10 мкм). В тепловизоре в качестве теплового детектора применяют матричный приемник ИК-излучения в диапазоне длин волн (  2,5…15 мкм). Сама матрица представляет собой набор миниатюрных полупроводниковых приемников (пикселей), которые расположены на подложке в виде прямоугольника или квадрата. Инфракрасное излучение, собранное и сфокусированное на матрице объективом тепловизора, нагревает пиксели матрицы в соответствии с распределением температуры наблюдаемого объекта. Каждый пиксель выдает на выходе сигнал в виде напряжения или сопротивления, пропорционального интенсивности ИК-излучения. На рис.16 представлена конструкция и внешний вид современного тепловизора с встроенным процессором. Рис.16 Полученный сигнал регистрируется, обрабатывается электронной системой тепловизора и отображается на жидкокристаллическом дисплее в виде термограммы объекта (термоизображения). Алгоритм формирования термограммы следующий. Самой холодной зоне объекта, от которой тепловой детектор поглощает меньше всего энергии ставится в соответствие черный цвет. Самой теплой зоне – белый цвет. Затем динамический диапазон энергии делится на несколько равных градаций и каждой из них присваивается свой оттенок серого цвета. Таким образом, получается термограмма сцены некоторого объекта, зафиксированная в палитре серого цвета или в цветовой палитре. В практике тепловизионной диагностики обычно применяется 256 градаций и каждой градации равномерно (равновероятно) присваивается свой оттенок выбранного цвета. Именно «выбранного цвета», т.к. можно использовать все цвета радуги, от красного до фиолетового. Представление цвета 256 градациями обосновано результатами статистических исследований, которые показали, что такое число оттенков цвета в среднем различает человек. При этом каждая градация цвета, по Шеннону, содержит информацию равную: 𝑛 𝐻(𝑥) = − ∑ 𝑃(𝑥𝑖 ) ⋅ 𝑙𝑜𝑔2 𝑃 (𝑥𝑖 ) = 𝑖=1 256 = −∑ 𝑖=1 1 1 ⋅ 𝑙𝑜𝑔2 = 8[бит/градацию]. 256 256 Индикация локальных зон объектов позволяет оценить тепловое состояние их конструктивных узлов. Любой объект, введенный в эксплуатацию, относится к классу состояний С1 - он исправен и работоспособен и, следовательно, имеет свой уникальный «тепловой портрет» - термограмму, которая является своеобразной сигнатурой (от лат. signatura – обозначение, подпись). При изменении технического состояния объекта, он переходит в класс состояний С2 неисправен, но работоспособен. Вследствие перехода в другой класс состояний, термограмма объекта изменяется, что является косвенным диагностическим признаком. Накопление сведений об изменении сигнатуры во времени позволяет выполнить прогноз выхода объекта или его конструктивного узла на предельно допустимое значение. В настоящее время выпускается достаточно большое количество тепловизоров. Ниже в таблице приведены некоторые виды тепловизоров, которые могут быть применены в бортовых условиях и способы формирования кадра, вид термограммы и быстродействие прибора.