УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ МАШИН Российский патент 1999 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля текущего технического состояния действующего технологического оборудования и контроля за возникновением и развитием в нем новых видов дефектов на фоне ранее существующих при сравнительном анализе изменений во времени параметров среднеквадратического значения (СКЗ) вибросигнала сложной формы и его пикфактора (ПФ) как отношения пикового значения сигнала к его СКЗ.

Известно устройство для измерения давления (патент СССР N 1831668, кл. G 01 L 9/10 1993), которое содержит датчик пульсаций давления как информационных сигналов о техническом состоянии объекта, детекторы средней величины давления, его среднеквадратичного значения по переменной составляющей и амплитудные детекторы максимальной и минимальной величин, а также сигнализаторы уровней. Устройство предназначено для технической диагностики текущего состояния оборудования по динамике развития пульсаций давления, воспринимаемого датчиком и преобразуемого детекторами во вторичные информационные сигналы для диагностического анализа.

Недостатком данного устройства является наличие в нем детектора СКЗ, но построенного по схеме среднего выпрямленного значения (СВЗ) переменной составляющей сигнала (или среднего значения по модулю), что при вычислении параметра пикфактора не позволяет получать его фактической величины и правильно анализировать техническое состояние объекта.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является устройство для виброакустической диагностики роторных машин (а.с. N 1762131, кл. G 01 H 17/00, 1992), которое содержит датчик вибросигнала, установленный на контролируемой машине, согласующее устройство, анализатор гармоник и детекторы, построенные по схемам амплитудного значения вибросигнала и его средней выпрямленной величины, что позволяет при использовании метода синхронного детектирования получать модуль 1-й гармоники вибросигнала и ее фазовый угол, а также величины некоторых высших гармоник этого сигнала.

Недостатком данного устройства является наличие частотного гармонического анализатора, который в большинстве случаев не позволяет распознавать амплитудные изменения в вибросигнале и не обеспечивает выявления дефектов на фоне действующих вибросигналов, что приводит к усложнению устройства и ограниченности его диагностических возможностей.

Известные аналоговые устройства не обеспечивают технический уровень, и возникает потребность в определении пикфактора, обусловленного тем, что один параметр СКЗ вибросигнала в диагностических устройствах реагирует в основном на наибольшую величину его одной спектральной составляющей и особенно том случае, когда параметр СКЗ сложного вибросигнала приближенно определяют по его средней выпрямленной величине. В этой связи вновь возникающие в машине дефекты, вызывающие появления в вибросигналах иных спектральных составляющих с меньшими амплитудами, не приводят к изменениям в показаниях величины параметра СКЗ вибросигнала и, следовательно, не могут быть обнаружены на ранних стадиях их возникновения и развития до тех пор, пока их величины не станут явно соизмеримыми с ранее имевшим место величинами СКЗ или пока не превзойдут их. Такие моменты для результатов вибродиагностики являются запаздывающими. Поэтому параллельное определение величины параметра СКЗ вместе с параметром пикфактора, реагирующего на дополнительные изменения в форме вибросигнала, позволяет распознавать появление новых дефектов на более ранней стадии их возникновения, чем при анализе только по СКЗ.

Важнейшей задачей в области вибродиагностики технического состояния машин является раннее распознавание вновь возникающих дефектов и наблюдение за их развитием во времени работы машин на фоне уже существующих дефектов, что в области аналоговой измерительной техники может быть достигнуто путем точного измерения среднеквадратичного значения сигнала сложной формы и его пикфактора как отношения амплитудного значения сигнала к его СКЗ, которое наиболее чувствительно к изменениям формы вибросигнала. Это приводит к необходимости при разработке новых аналоговых вибродиагностических приборов к созданию таких устройств, которые бы позволяли параллельно непосредственно выдавать значения пикфактора и точную фактическую величину СКЗ вибросигнала, т. е. позволяли бы распознавать появление новых дефектов и контролировать их развитие во времени работы машин на ранних стадиях их возникновения.

Техническим результатом заявленного устройства для виброакустической диагностики машин является создание единой структурной цепи диагностического устройства, в котором параллельно и одновременно выполняются две функции: точного преобразования входного сигнала сложной формы в параметры его СКЗ и пикфактора с использованием при этом для его реализации простых типовых аналоговых микросхем широкого применения и одного термозависимого резистора в схеме резистивного измерительного моста, что обеспечивает точность выдаваемой информации и на ее основе - возможность определения вновь образующихся дефектов в машине на ранней стадии их возникновения на фоне вибросигналов от уже существующих дефектов, а также упрощение устройства для его массового тиражирования и использования в системах оперативного и автоматизированного контроля за текущим техническим состоянием технологического оборудования на промышленных предприятиях.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для виброакустической диагностики машин, содержащим датчик вибросигнала, снабженный согласующим устройством, и измерительный блок, содержащий фильтр низких частот и амплитудный детектор, его согласующее устройство соединено с первым входом введенного в измерительный блок масштабного усилителя, выход которого через фильтр низких частот соединен со входом компенсированного выпрямителя, выход которого присоединен к входной диагонали резистивного моста и ко входу амплитудного детектора, входящего в состав индикатора отношения амплитудного значения сигнала к его среднеквадратическому значению, при этом резистивный мости в одном звене содержит термозависимый детектор в виде термозависимого резистора а в остальных трех - резисторы постоянной величины, измерительная диагональ моста соединена со входом автоматического регулятора, выход которого соединен со вторым входом управления масштабного усилителя и со входом измерительного преобразователя сигнала управления в сигнал параметра среднеквадратического значения на первом входе масштабного усилителя.

Создание нового устройства для виброакустической диагностики позволяет построить новую систему аналоговых информационно-измерительных приборов в стационарных и переносных вариантах исполнения, снабженных также и другими устройствами диагностики, предназначенными для оперативного и автоматизированного анализа текущего технического состояния технологического оборудования. В этих приборах по результатам наблюдения за изменениями во времени СКЗ параметров вибраций и их ПФ во время работы оборудования представляется возможным определять появление новых дефектов в машинах на более ранней стадии их возникновения, чем при наблюдениях только за приращениями одного параметра СКЗ вибраций на фоне уже существующих вибросигналов.

Устройство изображено на чертежах: на фиг. 1 приведена общая структурная схема всего устройства в целом; на фиг. 2 - принципиальная схема масштабного усилителя (по фиг. 1 поз. 4); на фиг. 3 - принципиальная схема компенсированного выпрямителя (по фиг. 1 поз. 6); на фиг. 4 - принципиальная схема генератора экспоненциальных импульсов (по фиг. 1 поз. 37); на фиг. 5 - принципиальная схема амплитудного детектора с RC-фильтром (по фиг. 1 поз. 8 и 54).

Сущность устройства состоит в том, что датчик Д 1 вибросигналов (фиг. 1), устанавливаемый на объекте контроля и снабженный согласующим устройством СУ 2 и измерительным блоком ИБ 3, содержащим фильтр низких частот и амплитудный детектор, согласующее устройство соединено со входом введенного в измерительный блок масштабного усилителя МУ 4, выход которого через фильтр низких частот ФНЧ 5 соединен со входом компенсированного выпрямителя КВ 6, выход которого присоединен к входной диагонали "а-0" резистивного моста РМ 7 и ко входу амплитудного детектора АД 8, входящего в состав индикатора Инд 9 отношения амплитудного значения сигнала к его среднеквадратическому значению - параметра пикфактора (ПФ). При этом резистивный мост РМ 7 в одном звене содержит термозависимый детектор 10, выполненный на основе, например, применения миниатюрной лампы накаливания как термозависимого резистора, а в остальных трех 11, 12 и 13 - резисторы постоянной величины, измерительная диагональ "b-c" моста РМ 7 соединена со входом автоматического регулятора АР 14, выход которого по цепи управления ЦУ 15 соединен со вторым входом "Y" управления коэффициентом передачи масштабного усилителя МУ 4 и со входом измерительного преобразователя ИП 16 сигнала управления в сигнал параметра среднеквадратичного значения сигнала на первом входе "X" усилителя МУ 4.

Масштабный усилитель МУ 4 (фиг. 2) содержит операционный усилитель ОУ 17 с резисторами входа R 18 и обратной связи R 19, с которым последовательно включен электронный ключ Кл 20, зашунтированный вместе с R 19 конденсатором C 21. Импульсный вход управления ключом Кл 20 является входом "Y" для цепи управления ЦУ 15 коэффициентом передачи МУ 4 по его первому входу "X".

Фильтр низких частот ФНЧ 5 (фиг. 1) выполнен по типовой схеме активного фильтра с коэффициентом затухания a = 1-1,2 и настроен на пропускание всех частот вибросигнала, лежащих ниже наперед заданного предела ограничения сверху.

Компенсированный выпрямитель КВ 6 (фиг. 3) предназначен для полного преобразования двухполярной формы вибросигнала в однополярную с компенсацией падений напряжения на выпрямительных диодах за счет высокого коэффициента усиления первого из двух его операционных усилителей ОУ 22 и ОУ 23. Его диоды D 24 и D 25 образуют две цепи обратной связи, первая из которых с резистором R 26 и входным резистором R 27 образуют однополупериодный выпрямитель, а диод D 25 - обеспечивает разгрузку по входу. Второй усилитель ОУ 23 является сумматором входного сигнала по цепи R 28 и однополярного сигнала по цепи R 29, снабженного резистором обратной связи R 30. Суммирование однополярного сигнала удвоенной амплитуды с двуполярным обеспечивает получение эффекта выпрямления исходного сигнала без искажений его формы.

Автоматический регулятор AP 14 (фиг. 1) содержит на входе две интегрирующие цепи R31-C32 и R33-C34, присоединенные к входу операционного усилителя ОУ 35, выход которого соединен с одним входом компаратора K 36, а его второй вход соединен с генератором экспоненциальных импульсов ГИ 37 (фиг. 4). Здесь компаратор K 36 является генератором управляющих сигналов, его выход соединен с цепью управления ЦУ 15 и параллельно со входом вторичного измерительного преобразователя ИП 16 сигнала управления в СКЗ сигнала, поступающего на вход "X" МУ 4. ИП 16 (фиг. 1) содержит на входе преобразователь уровня ПУ 38, выполненный на типовой микросхеме, нагруженной RC 39 интегрирующей цепью, выход которой подключен на показывающий прибор 40 параметра СКЗ входного сигнала, поступающего на вход "X" МУ 4.

Генератор экспоненциальных импульсов ГИ 37 (фиг. 4) предназначен для генерирования импульсов с остроконечной вершиной и с пологим спадом, что обеспечивает расширение динамического диапазона процесса регулирования в AP 14. Он содержит операционный усилитель OУ 41, нагруженный через диод D 42 резисторами R 43 и R 44 заряда-разряда конденсатора C 45, а через диод D 46 - на цепь R 47, R 48 и R 49 задания верхнего и нижнего уровней напряжений на инвертирующем входе OУ 41 и на конденсаторе C 45, который соединен с выходом ГИ 37 и со вторым входом K 36 (фиг. 1).

Амплитудный детектор АД 8 (фиг. 5) содержит операционный усилитель OУ 50, выход которого через диод D 51 соединен с его инвертирующим входом, а через диод D 52 - с резистором R 53 обратной связи и с RC-цепью 54 накопления заряда и согласования с показывающим прибором 55 (фиг. 1) индикатора 9 параметра ПФ.

Устройство работает следующим образом.

Датчик 1, установленный на объекте контроля, воспринимает виброакустические сигналы и преобразует их в сигналы переменного напряжения, поступающие в согласующее устройство СУ 2, которое корректирует частотную характеристику датчика и обеспечивает передачу сигналов по линии связи ЛС в измерительный блок ИБ 3 на первый вход "X" масштабного усилителя МУ 4. Поскольку на его второй "Y" подается сигнал управления в виде импульсного напряжения прямоугольной формы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), то ключ Кл 20 выполняет манипуляцию по цепи резистора R 19, увеличивая его среднюю величину во времени. Конденсатор C 21 сглаживает переходные процессы манипуляции в цепи обратной связи OУ 17 и тогда результирующий коэффициент передачи K для МУ 4 имеет вид:

где
T - период следования импульсов ШИМ, - их длительность; отношение - R19/R18 = K₀ определяет начальный коэффициент передачи усилителя при полностью замкнутом ключе Кл 20.

Для выполнения этого условия частота следования импульсов ШИМ принята намного выше частоты настройки фильтра ФНЧ 5, чем достигается полное сглаживание пульсаций от манипуляции и восстановление формы вибросигнала в пределах ограниченных частотой настройки ФНЧ 5. Двухполупериодный компенсированный выпрямитель КВ 6 преобразует двухполярную форму входного в однополярную без амплитудных искажений напряжения, которое поступает на вход резистивного моста РМ 7. Поскольку резистивный мост содержит термозависимый детектор в звене 10, то условие равновесия моста наступает только лишь при одном и только одном СКЗ напряжения на его входной диагонали "a-0". т.е. при U_скз = Const. А так как на мост поступает однополярное напряжение сигнала, то любые отклонения U_скз от указанного вызывают на измерительной диагонали "b-c" моста появление напряжения ошибки баланса со знаком, соответствующим направленности этого отклонения. Интегрирование напряжения ошибки выполняется входными цепями ОУ 35, что обеспечивает в нем формирование интегрирующей передаточной функции динамического звена в регуляторе АР 14 и минимизацию погрешностей регулирования. На входах компаратора К 36 происходит сравнение импульсов напряжений экспоненциальной формы от ГИ 37 с напряжением, поступающим с выхода ОУ 35, что приводит к генерированию на выходе К 36 управляющего сигнала ШИМ. Его импульсы по цепи управления ЦУ 15 поступают на вход "Y" МУ 4 и управляют манипуляцией ключа Кл 20, регулируя тем самым результирующий коэффициент передачи МУ 4 до выполнения условия U_скз = Const на диагонали "a-0" моста РМ 7, т.е. до того момента, когда восстанавливается условие постоянства СКЗ напряжения на входе "а" моста. Если это условие достигнуто, то амплитуда этого напряжения, детектируемая в АД 8, является пропорциональной параметру пикфактора входного сигнала. При этом показания прибора 55 по параметру ПФ настраиваются резистором в RC-цепи 54, когда на вход "X" подаются сигналы известной формы.

Измерительный преобразователь ИП 16 преобразует с помощью ПУ 38 и RC-фильтра 39 сигнал ШИМ в напряжение постоянного тока по закону:

где
U₀ - опорное напряжение на преобразователе уровня ПУ 38.

Принимая во внимание то, что в общий коэффициент передачи K (включая МУ 4) заложено отношение K = U_скз/U_x и объединяя (1) и (2), получаем закон измерительного преобразования, выполняемого в ИП 16 в виде:

Здесь дробь содержит только постоянные величины, заданные конструктивными элементами схемы, откуда следует, что показания прибора 40 прямо пропорциональны величине СКЗ напряжения U S1X T, приложенного ко входу "X" МУ 4. Настройка показаний прибора 40 выполняется регулированием резистора в RC-цепи 39 при подаче ан вход "X" калиброванного по СКЗ напряжения от источника переменного тока с известной формой кривой.

Поскольку в ОУ 35 выполняется передаточная функция интегрирующего динамического звена, то закон регулирования является астатическим 1-го порядка и, следовательно, погрешность регулирования величины на диагонали "a-0" моста РМ 7 стремится к нулю, что обеспечивает достижение высокой точности всего преобразования.

В схеме ГИ 37 (фиг. 4) предусмотрен процесс быстрого заряда конденсатора C 45 через диод D 42 и резистор R 43 и относительно медленный его разряд через резистор R 41. Это позволяет получать остроконечную форму на входе К 35 с относительно пологим спадом в конце процесса разряда, что обеспечивает формирование сигнала ШИМ в широком динамическом диапазоне и повышение точности в процессе регулирования результирующего коэффициента передачи МУ 4 и всего устройства в целом.

Устройство для виброакустической диагностики машин содержит датчик вибросигнала, снабженный согласующим устройством, и измерительный блок. Согласующее устройство соединено с первым входом масштабного усилителя, соединенного через фильтр низких частот и компенсированный выпрямитель с входной диагональю резистивного моста и индикатором отношения амплитудного значения сигнала к его среднеквадратическому значению. Резистивный мост в одном звене содержит термозависимый детектор. Измерительная диагональ моста соединена через автоматический регулятор с вторым входом управления масштабного усилителя и с входом измерительного преобразователя сигнала управления в сигнал параметра среднеквадратического значения на первом входе масштабного усилителя. Обеспечивается возможность определения дефектов на ранней стадии их возникновения на фоне существующих дефектов, а также упрощение устройства. 5 ил.

Устройство для виброакустической диагностики машин, содержащее датчик вибросигнала, снабженный согласующим устройством, и измерительный блок, содержащий фильтр низких частот и амплитудный детектор, отличающееся тем, что согласующее устройство соединено с первым входом введенного в измерительный блок масштабного усилителя, выход которого через фильтр низких частот соединен с входом компенсированного выпрямителя, выход которого присоединен к входной диагонали резистивного моста и к входу амплитудного детектора, входящего в состав индикатора отношения амплитудного значения сигнала к его среднеквадратическому значению, при этом резистивный мост в одном звене содержит термозависимый детектор, а в остальных трех - резисторы постоянной величины, измерительная диагональ моста соединена с входом автоматического регулятора, выход которого соединен с вторым входом управления масштабного усилителя и с входом измерительного преобразователя сигнала управления в сигнал параметра среднеквадратического значения на первом входе масштабного усилителя.