СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКИ ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2001 года по МПК G01M13/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к диагностике объектов, имеющих повторяющиеся циклы функционирования, например вращение, в том числе системы производства и преобразования электроэнергии.

Известно устройство и реализуемый им способ по авторскому свидетельству СССР N 1423934, Устройство для контроля состояния узлов трения качения.

За прототип принято устройство и способ по патенту России N 2036455, Сенсор диагностики узлов трения качения.

Известные устройства преобразуют измеренные сигналы в спектры, амплитудные составляющие которых усредняют, сравнивают с допустимыми уровнями и по результатам анализа судят и состоянии объектов.

Недостатком известных способов является отсутствие ограничения процессов измерения с учетом фактического состояния и степени развития дефектов элементов объекта.

Целью изобретения является сокращение времени измерения за счет принудительного ограничения процесса измерения, когда надобность в нем отсутствует.

Суть изобретения состоит в изменении последовательности и автоматическом исключении части операций способа и режимов измерения при обнаружении предельного нарушения функционирования или гарантии качественного состояния, а также в случае, когда отпадает необходимость в дальнейшем накоплении информации.

На чертеже показана функциональная схема устройства диагностирования.

Способ содержит действия предварительного, основного и заключительного этапов, которые выполняются в следующей последовательности.

На предварительном этапе измеряемые сигналы преобразуют в электрические. Измерения выполняют избирательно в соответствии с циклом функционирования объекта. При этом выбирают одноименные периоды функционирования, то есть несколько циклов от начала до конца или только их части, например "прямой ход" или несколько периодов вращения.

Электрические сигналы каждого измерения в связи с этими условиями выбора подобны друг другу по характеристикам. Эти сигналы преобразуют в спектры амплитудных составляющих, распределенных по частотным зонам. Амплитуды составляющих спектра допустимо представить в цифровом виде.

Распределенные по частотным зонам амплитуды составляющих проверяют на отсутствие превышения допустимых пределов в каждой из зон. При наличии превышения диагностирование объекта прекращают. При допустимых уровнях амплитудных составляющих диагностирование продолжают.

Способ предусматривает обязательное усреднение первой и затем последующих пар амплитудных составляющих спектров. Для усреднения уровни амплитуд в одноименных зонах суммируют и делят на коэффициент, например, равный двум.

Затем подобным образом усредняют предыдущий результат с очередным спектром.

После трех-четырех усреднений полученные уровни амплитуд по зонам спектра принимают за базовые уровни усреднения.

В результате многократных усреднений исключаются случайные отклонения от уровней амплитуд по частотным зонам, что создает основу достоверности диагностирования. Допускается усреднение другими вариантами с иным порядком суммирования и деления на иной коэффициент.

На этом предварительный этап оканчивается.

Основной этап предусматривает повторение усреднений и обновление базовых уровней сигналов в соответствующих зонах спектра. Очередное усреднение выполняют по мере поступления данных о последующем спектре. В качестве другого слагаемого берут предыдущие групповые результаты по зонам, которые сохраняют как базовые данные. Таким образом, после каждого усреднения групп данных, то есть групповых слагаемых, можно воспринимать их как очередные усредненные уровни амплитуд и обновляемые текущие базовые сигналы соответственно.

Далее способ предусматривает пошаговое сопоставление очередных усредненных уровней амплитудных составляющих спектра с обновленными уровнями текущих базовых сигналов по зонам. Результаты пошагового сопоставления обеих групп данных оценивают на отсутствие превышения относительно заданных пределов полей допусков по зонам.

Пределы полей допусков по зонам назначают в виде долей текущих уровней базовых сигналов по зонам. Поскольку эти уровни с каждым шагом обновляются, то пределы полей допусков по зонам соответственно изменяются, несмотря на постоянство долевого соотношения, установленного заранее с учетом практики.

На практике нередко явление, когда после пяти - шести шагов усреднений уровни базовых сигналов в зонах становятся близкими и пределы полей допусков по зонам становятся почти неизменными, следовательно, дальнейшее накопление информации не имеет смысла.

Двоичные сигналы оценки сопоставления упомянутых групп данных на соответствие полям допусков используют в качестве команд для заключительного этапа.

Для диагностирования важными следует считать два варианта команд.

Один из вариантов характерен наличием выработки нескольких команд при отсутствии превышения поля допусков регулярно после каждого шага сопоставления. В способе принято, что тройное повторение подряд без пропусков команд отсутствия превышения, то есть без случайных нарушений регулярности, соответствует безупречному состоянию объекта и признается положительным результатом диагностирования.

Другой вариант следует отнести к объединенному, и он характерен выработкой команд превышения полей допусков после каждого шага сопоставления уровней случайно или эпизодически. В этом случае способ диагностирования требует дополнительных операций и существенных затрат времени.

В первом или втором варианте способ автоматически завершается после тройного подтверждения безупречности или одиночной, случайной неопределенности состояния объекта, а также в случае, когда дальнейшее накопление информации не имеет смысла.

Способ реализуется соответствующим устройством, предназначенным, например, для вибродиагностики.

Вибросигнал воспринимается датчиком 1 и преобразуется в эквивалентный электрический сигнал. Выход датчика подан на информационный вход преобразователя 2 через ключ 3.

Выход ключа 3 соединен с последовательной цепочкой, состоящей из блока амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) 4, блока фильтров 5 и многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6. Выходы АЦП являются групповым выходом преобразователя 2.

К групповому выходу преобразователя 2 параллельно подключена линейка пороговых элементов 7 и первый (информационный) вход усреднителя 8.

Линейка пороговых элементов 7 выполнена в виде отдельных элементов с объединенными выходами и внешней настройкой уровней порогов.

Выход линейки пороговых элементов 7 параллельно подключен к индикатору "Предел превышен" 9 и первому входу блока управления 10. Ко второму входу блока управления 10 подключен выход блока сравнения 11.

Оба входа блока управления 10 являются управляющими входами его звена развязки 12, выполненного, например, в виде двухвходового элемента ИЛИ. Выход звена развязки параллельно подключен к входу "Стоп" управляемого генератора импульсов (ГИ) 13 и к входу "Сброс" счетчика импульсов 14, снабженного параллельными выходами.

Емкость счетчика импульсов 14 выбрана с учетом желаемого количества анализируемых периодов. Практически рекомендуется количество анализируемых периодов выбирать от 15 до 20, что обеспечивает достаточную полноту и точность анализа, то есть достоверность диагноза.

Вход счетчика импульсов 14 подключен к выходу управляемого таймера 15, вход которого соединен с информационным выходом генератора импульсов (ГИ) 13.

Таймер 15 может быть настроен на полный или часть цикла диагностируемого объекта, в частности на прямой или обратный ход его подвижных элементов. Настройка таймера определяет длительность периода измерений.

Элемент ИЛИ 16 объединяет все выходы счетчика 14. Выход элемента ИЛИ 16 является первым выходом блока управления и подключен к управляющему входу преобразователя 2, являющемуся управляющим входом ключа 3.

Элемент ИЛИ 17 объединяет все выходы счетчика 14, кроме первого. Выход элемента ИЛИ 17 является вторым выходом блока управления и подключен ко второму (управляющему) входу усреднителя 8.

Элемент ИЛИ 18 объединяет все выходы счетчика 14, кроме первых четырех-пяти. Выход элемента ИЛИ 18 является третьим выходом блока управления и подключен параллельно к входу блока сравнения 11 и входу блока регулярности 19.

Первый вход усреднителя 8 является входом буферной памяти 20, выход которой подключен к одному из входов сумматора 21. Ко второму входу сумматора 21 подключен выход оперативной памяти 22.

Вход оперативной памяти 22 соединен с выходом делителя 23. Делитель 23 настроен на постоянный коэффициент, равный двум. Вход делителя 23 соединен с выходом сумматора 21. Управляющие входы делителя и сумматора подключены параллельно ко второму (управляющему) входу усреднителя.

Выход делителя 23, кроме того, является первым групповым выходом усреднителя 8. Вторым групповым выходом усреднителя 8 является выход оперативной памяти 22.

Первый и второй выходы усреднителя 8 являются соответственно первым и вторым групповыми информационными входами блока сравнения 11, к которым подключены входы вычитателя 24.

Выход вычитателя 24 является информационным групповым входом линейки пороговых элементов 26.

Первый групповой информационный вход блока сравнения 11 является групповым входом делимого делителя 25. Его групповой выход соединен со входами уставок линейки пороговых элементов 26.

Входы линейки пороговых элементов 26 объединены линейкой элементов ИЛИ 27. Количество пороговых элементов и элементов ИЛИ выбрано равным количеству частотных зон, выделяемых блоком фильтров 5 и преобразователя 2. Выход линейки элементов ИЛИ 27 является выходом блока сравнения 11, который параллельно соединен со входами блоков: управления 10 и регулярности 19, а так же индикатора "Углубить анализ" 28.

Блок регулярности 19 содержит счетчик 29, емкость которого выбрана на три-четыре импульса. Счетный вход счетчика соединен через двухвходовый элемент И 30 с первым входом блока регулярности. Второй вход двухвходового элемента И 30 через элемент НЕ 31 соединен со вторым входом блока регулярности. К этому же входу параллельно подключен вход "Сброс" счетчика 29.

Выход счетчика 29 соединен со входом индикатора "В поле допуска" 32.

Порядок диагностирования циклически функционирующих объектов рассмотрим на примере вибродиагностики роторных механизмов
Электрический сигнал от датчика 1, в частности датчика вибрации, в моменты открытых состояний ключа 3 поступает на вход блока амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) 4 преобразователя 2. Блок АЧХ преобразует аналоговый сигнал в спектр. Последовательность амплитудных составляющих дискретно распределена относительно частот, присущих спектру.

Затем из информативной части спектра блоком фильтров 5 выделяются последовательные частотные зоны. Амплитудные составляющие спектра, характеризующие каждую частотную зону, параллельно передаются в усреднитель 8 и на линейку пороговых элементов 7.

Каждый пороговый элемент линейки настроен на максимальный уровень допустимой амплитуды в соответствующей зоне. Превышение любого из порогов образует команду, которая ведет к возврату процесса в исходное состояние и включению индикатора "Предел превышен" 9.

Если уровни порогов не превышены, то амплитудные составляющие спектра, распределенные по своим зонам, сохраняются в буферной памяти 20 усреднителя до поступления данных об очередном спектре.

Поступление очередных спектров в усреднитель определяется командами от блока управления 10.

Блок управления генерирует последовательные импульсы и направляет их в счетчик 14 через таймер 15. Таймер настраивается на период повторения импульсов, равный полному циклу функционирования объекта или его части, например реверсу.

Счетчик 14 заранее настроен на максимальное количество подключений преобразователя к датчику, например от 15 до 20.

Соответственно, емкость счетчика выбирается на указанное количество импульсов. Счетчик выполнен с параллельными выходами, которые объединены тремя схемами ИЛИ.

Первая схема ИЛИ 16 позволяет прохождение сигналов от датчика в течение заданного таймером времени многократно до избранного максимального количества подключений.

Вторая схема ИЛИ 17 срабатывает от второго и последующих выходов счетчика и управляет работой усреднителя 8 синхронно с работой первой схемы ИЛИ 16.

Второй импульс от счетчика позволяет суммировать амплитуды первого и второго спектров в сумматоре 21. По этой же команде делитель 23 делит полученную сумму на два и первое усредненное значение сигналов передается в оперативную память 22. Амплитудные значения третьего спектра суммируются с результатом первого усреднения и сумма вновь делится на два. Теперь в оперативной памяти (ОП) хранится обновленный результат второго усреднения.

Таким образом, все последующие спектры усредняются с предыдущей группой усредненных сигналов. Каждое очередное усреднение повышает достоверность значений амплитуд спектра. Так, третье-пятое усреднение часто дает достаточно высокую точность значений.

Команда с третьего и последующих выходов счетчика 14, то есть шестой-восьмой импульс, передает усредненные значения предварительного этапа в вычитатель 24 и делитель 25 блока сравнения 11.

На этом подготовительная стадия диагностирования заканчивается.

Для основной стадии диагностирования используется сравнение данных о спектре с переменными уровнями порогов. С каждым шагом сравнения точность уровней порогов повышается.

Шестой или восьмой импульс счетчика (в зависимости от его настройки) через третий элемент ИЛИ 18 разрешает выполнить вычитание соответственного третьего-пятого результатов усреднения из последующего. При этом, делитель 25 определяет долю значений предыдущего усреднения, которые вводятся в линейку пороговых элементов блока сравнения в качестве их уровней.

Коэффициент деления устанавливается по крайней мере на порядок меньшим, чем усредненные значения сигналов, и может быть скорректирован по результатам практики применения для разных типов диагностируемых объектов. Таким образом, устанавливаются переменные поля допуска на усредненные значения сигналов.

Сопоставление постепенно уменьшающихся разностных значений с уточняемыми уровнями порогов позволяет достичь высокой достоверности при диагностировании.

Сигнал отсутствия превышения всех порогов, объединенный многовходовым элементом ИЛИ 27 блока сравнения 11 передается на вход блока регулярности 19.

Возможный сигнал превышения любого из порогов передается не только в блок регулярности 19, но параллельно на вход "Стоп" блока управления 10 через элемент развязки 12 и на индикатор "Углубить анализ" 28.

Наличие нулевого сигнала на входе логического элемента НЕ 31 и единичного сигнала на входе элемента И 30 блока регулярности 19 открывает доступ импульсов на его счетчик 29. Емкость счетчика блока регулярности 19 обычно выбирается равной трем-четырем импульсам. Последовательное многократное совпадение импульсов от счетчика блока управления и одновременное отсутствие превышения порогов в блоке сравнения позволяет судить о регулярности положительных результатов диагностирования. Сигнал о подтвержденном несколько раз результате анализа включает индикатор "В поле допуска" 32. Следовательно, диагностируемый объект не имеет дефектов.

Случайное появление единичного сигнала на входе блока регулярности 19 нарушает совпадение сигналов на элементе И 30. При этом счетчик 29 блока регулярности переводится в начальное состояние. На этом заключительная стадия завершается.

Трехступенчатый анализ позволяет резко сократить общее время на последовательное в общем потоке диагностирование множества объектов.

Часть из них анализируется лишь за один период измерения и при превышении порогов продолжение измерения исключается.

Основная часть подвергается ограниченному количеству этапов, например двум десяткам, кратковременных периодов измерения и анализа, у которой подтверждается бездефектность объекта, что не требует продолжительного времени исследования каждой детали объекта.

Некоторая часть объектов имеет значения амплитуд в зонах в пределах поля допуска, но иногда они превышают уточненные пороги, что может свидетельствовать о зарождающихся дефектах или о нечеткости их проявления. Только эта часть выделенных из общего количества объектов требует тщательного и подробного анализа со значительными затратами времени на измерения.

Способ и устройство применимы к различным типам объектов, в том числе к электорэнергетическим, сигналы функционирования которых, как известно, допускают преобразования в спектры.

Группа изобретений относится к измерительной технике и предназначена для использования при диагностике объектов, имеющих повторяющиеся циклы функционирования, например вращения. Производятся действия предварительного, основного и заключительного этапов. Многократные усреднения исключают случайные отклонения от уровней амплитуд по частотным зонам, что создает основу достоверности диагностирования. Предусматривается пошаговое сопоставление очередных усредненных уровней амплитудных составляющих спектра с обновленными уровнями текущих базовых сигналов по зонам. Способ и устройство обеспечивают экспресс-метод по трем градациям диагностирования: превышение допустимых норм и ограничений, необходимость углубленного анализа состояния объекта и безупречность его функционирования. Технический результат заключается в сокращении времени измерения за счет принудительного ограничения процесса измерения, когда необходимость в нем отсутствует. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ диагностирования циклически функционирующих объектов, заключающийся в том, что многократно электрический сигнал, пропорциональный, например, вибрации объекта, преобразуют в спектр, выделяют в спектре частотные зоны, измеряют и запоминают амплитудные значения составляющих, усредняют их соответственно одноименным зонам, сопоставляют усредненные значения с пороговыми уровнями, после чего определяют и индицируют состояние объекта, отличающийся тем, что электрический сигнал измеряют в одноименных частях цикла функционирования объекта, усредненные уровни амплитуд составляющих по зонам спектра после трех-пяти усреднений принимают за базовые сигналы, а после последующих усреднений - за обновленные базовые сигналы, сопоставляют очередные усредненные уровни амплитуд составляющих спектра с обновленными базовыми сигналами по зонам, результаты пошагового сопоставления оценивают на отсутствие превышения заданных пределов допусков по зонам, за которые принимают переменные величины, которые предварительно и регулярно назначают в виде доли обновленных базовых сигналов, принудительно заканчивают диагностирование при регулярном, преимущественно три раза, отсутствии превышения очередным усредненным уровнем амплитуд поля допуска в зонах, при единичном их превышении, а также в случае, когда после пяти-шести усреднений уровни базовых сигналов в зонах становятся близкими, а пределы допусков по зонам - неизменными. 2. Устройство по п.1, содержащее датчик, подключенный к входу преобразователя, пороговые элементы, усреднитель, индикаторы и блоки сравнения и управления, отличающееся тем, что оно дополнено блоком регулярности, соединенным выходом с одним из индикаторов, информационным входом - с выходом блока сравнения и управляющим входом с третьим выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом усреднителя и первый выход соединен с управляющим входом преобразователя, групповой выход которого соединен параллельно со входами линейки пороговых элементов и усреднителя, первый и второй групповые выходы которого соединены с соответственными входами блока сравнения, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока управления, первый управляющий вход которого соединен с выходом линейки пороговых элементов и параллельно с входом второго индикатора, а второй управляющий вход его соединен с выходом блока сравнения и параллельно со входом третьего индикатора. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок регулярности снабжен последовательным счетчиком, преимущественно, на три ячейки, выход которого является выходом блока, вход сброса которого является информационным входом блока и параллельно подключен к входу логического элемента НЕ, выход которого соединен с одним из входов логического элемента И, второй вход которого является управляющим входом блока. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок сравнения снабжен линейкой пороговых элементов, соединенных через линейку элементов ИЛИ с его выходом, обособленные групповые входы которой соединены соответственно с выходами вычитателя и делителя, групповой вход делимого которого соединен со входом уменьшаемого вычитателя и первым информационным входом блока, а управляющий его вход является управляющим входом блока, при этом коэффициент деления выбран, например, равным десяти и групповой вход вычитаемого является вторым информационным входом блока. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что усреднитель снабжен сумматором, буферной памятью, оперативной памятью и делителем, групповой вход делимого которого соединен с соответствующим выходом сумматора, один из входов которого соединен с групповым выходом буферной памяти, вход которой является информационным входом усреднителя, другой вход соединен с групповым выходом оперативной памяти, к групповому входу которой подключен выход делителя, при этом выход делителя является первым информационным выходом усреднителя, выход оперативной памяти является его вторым информационным выходом, управляющие выходы сумматора и делителя объединены и являются управляющим входом усреднителя, кроме того, коэффициент деления выбран, преимущественно, равным двум. 6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что блок управления снабжен управляемым генератором импульсов, последовательно соединенным с управляемым таймером, тремя элементами ИЛИ, элементом развязки и подключенным счетным входом к выходу таймера последовательным счетчиком, снабженным параллельными выходами, которые тремя группами объединены посредством упомянутых элементов ИЛИ, в частности, на входы одного из элементов ИЛИ включены все выходы счетчика, на входы второго - все выходы, кроме первого, и на входы третьего - все выходы, кроме первых четырех, при этом элемент развязки выполнен, например, в виде параллельных диодов, входы его являются управляющими входами блока управления и выход соединен с входом "Стоп" генератора импульсов и входом "Сброс" счетчика. 7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что преобразователь снабжен последовательно соединенными управляемым ключом, информационный вход которого является входом преобразователя, блоком амплитудно-частотной характеристики, блоком фильтров и амплитудно-цифровым преобразователем, выход которого является групповым выходом преобразователя.