Устройство мониторинга температуры и вибрации электромашинного оборудования Российский патент 2024 года по МПК G01R31/34 G01H1/00 G01K13/00 G01M7/00 

Область техники

Заявленное изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам мониторинга температуры и вибрации электромашинного оборудования.

Уровень техники

Известно устройство мониторинга температуры и вибрации электромашинного оборудования RU 2804260 C1 (ООО «Инжиниринговый центр «Русэлпром»), опубл. 26.09.2023. Устройство состоит из корпуса с разъемами для датчиков измерения температуры и вибрации. Недостатками устройства являются недостаточные точность и качество результирующей информации вследствие использования неоптимальных аппаратных средств и средств обработки информации.

Раскрытие изобретения

Включенное электромашинное оборудование создает вибрации и нагревается. Количественные показатели вибрации и температуры содержат в себе информацию о состоянии электромашинного оборудования. Для измерения этих показателей разработано заявляемое устройство мониторинга температуры и вибрации электромашинного оборудования. Датчик с одной стороны размещается на соответствующем месте электромашинного оборудования, например, на корпусе, подшипнике или обмотке статора, и с другой стороны подключается к устройству мониторинга для фиксации показателей.

Используя заявленное устройство мониторинга, можно предсказать дефект в работе электромашинного оборудования. Производя мониторинг на постоянной основе, перебои в работе могут быть обнаружены на ранней стадии и могут быть приняты соответствующие меры по их устранению. Это поможет избежать непредвиденных отключений и необходимости замены неисправных частей раньше истечения их ресурса.

Технический результат: улучшение качества обработки данных о работе оборудования, повышение точности обнаружения дефектов и, как следствие, увеличение срока службы и уменьшение случаев непредвиденного выхода из строя электромашинного оборудования.

Технический результат достигается за счет применения устройства мониторинга температуры и вибрации электромашинного оборудования, состоящего из корпуса с разъемами для термодатчиков и датчиков вибрации, при этом внутри корпуса размещены вычислительное устройство, печатная плата, подключенная к вычислительному устройству, печатная плата выполнена с возможностью подключения блока питания, термодатчиков и датчиков вибрации, вычислительное устройство выполнено с возможностью непрерывного построения трендов изменения температурного значения и изменения среднеквадратичного значения виброскорости и последующей идентификации вида дефекта электромашинного оборудования.

Корпус устройства выполнен герметичным и взрывонепроницаемым, содержащим основную части корпуса и крышку корпуса. На корпусе размещены разъем антенный, разъем питания, заземление, средства крепления. Внутри корпуса размещены вычислительное устройство, печатная плата, подключенная к вычислительному устройству. Печатная плата содержит по меньшей мере один разветвитель интерфейса, переключатель типа акселерометра, модуль часов реального времени с аккумулятором, светодиоды. Вывод информации на внешние устройства передается перманентно и дистанционно беспроводным способом. Устройство выполнено с возможностью трансляции состояния электромашинного оборудования с помощью светодиодов, выполненных на печатной плате. В корпусе для светодиодов выполнены соответствующие отверстия.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображен корпус устройства мониторинга температуры и вибрации электромашинного оборудования в изометрической проекции.

На фиг. 2 изображен вид корпус устройства с противоположной стороны.

На фиг. 3 изображена печатная плата устройства мониторинга.

На фиг. 4 изображен график границ частотного диапазона измерений (подробности построения графика раскрыты в разделе осуществление изобретения).

На фиг. 5 изображен интерфейс вкладки «Основной экран» передачи данных на внешние устройства (первая часть).

На фиг. 6 изображен интерфейс вкладки «Основной экран» передачи данных на внешние устройства (вторая часть).

На фиг. 7 изображен интерфейс вкладки «Параметры».

На фиг. 8 изображен интерфейс вкладки «Вибрация СК3 10-1000».

На фиг. 9 изображен интерфейс вкладки «Температура».

На фиг. 10 изображен интерфейс вкладки «События».

На фиг. 11 изображен интерфейс, передаваемый вычислительным устройством на внешние устройства. Красным выделены активные поля взаимодействия пользователем.

На фиг. 12 изображен интерфейс, передаваемый вычислительным устройством на внешние устройства после установки связи.

Осуществление изобретения

Устройство мониторинга температуры и вибрации электромашинного оборудования измеряет сигнал температуры и вибрации и отображает его состояние, с возможностью последующей идентификацией вида дефекта опираясь на тренды измеренных параметров частот на 1-й, 2-й и 3-й оборотной.

Наиболее частые дефекты – дисбаланс ротора, расцентровка агрегата, дефекты подшипника, люфт соединений, ослабление крепления опор.

Для обнаружения дефектов необходимо производить профилактическое обслуживание, проверку состояния машины, вибродиагностику и термодиагностику. С помощью мониторинга и диагностики можно прогнозировать поломку машины и запланировать наиболее удобный период для ремонта.

Измеренные в процессе диагностики показатели характеризуют вид дефекта машины. При исправной работе машины показатели вибродатчиков и термодатчиков будут ниже допустимых предельных значений.

Такой подход к диагностике повышает эффективность и надежность работы электромашинного оборудования.

Разные части машин вызывают разные частотные показатели вибрации. Например, вал электродвигателя формирует низкочастотные вибрации, а подшипники формируют высокочастотные вибрации. Таким образом при обнаружении дефекта можно распознать его вид.

Устройство циклически проводит измерения последовательно по всем сконфигурированным аналоговым каналам. Время измерения одного канала – 2 секунды. В цикл измерения проводится: Сбор сигнала; Расчёт параметров; Определение режима работы; Проверка срабатывания уставок; Вычисление состояний; Запись трендов.

Устройство выполняет функции измерения и контроля параметров вибрации и температуры промышленных агрегатов и предназначено для:

- Непрерывного измерения параметров вибрации (СКЗ виброскорости) и контроля динамических трендов их функционирования в заданных полосах частот: Абсолютной полосе частот от 10 до 1000 Гц; Синхронной полосе частот: 1-оборотной, 2-оборотной, 3-оборотной.

- Непрерывного измерения температурных параметров машин (температуры обмоток статора, температуры подшипников);

-Информационного обмена с внешними устройствами по цифровым каналам связи: По проводному каналу связи RS-485; По беспроводным каналам связи: Bluetooth и WiFi;

- Хранения измеренных параметров в собственном энергонезависимом запоминающем устройстве (ЭНЗУ);

- Хранения паспортных данных объекта измерения;

- Индикации состояния объекта измерений с помощью встроенных светодиодов;

- Учета наработки объекта контроля;

- Контроля собственного состояния;

- Контроля состояния измерительных цепей (контроль обрыва и/или короткого

замыкания);

- Передачи во внешние устройства по проводным и беспроводным цифровым интерфейсам: Измеренных параметров (оперативных и архивных); Признаков сигнализации (оперативных и архивных); Паспортных данных объекта измерения; Паспортных данных устройства; Данных о времени наработки.

Диагностика работы электромашинного оборудования базируется на анализе информации о гармонических сигналах оборудования. Для гармонических сигналов справедливы следующие математические соотношения между перемещением, скоростью и ускорением:

, (1)

, (2)

, (3)

где – угловая частота гармонического сигнала, .

Вычислительное устройство выполнено с возможностью измерения вибрации, в частности на основе следующих методов: Измерение общего уровня вибрации; Измерение формы волны; Спектральный анализ БПФ (Быстрое преобразование Фурье); Измерение фазы вибрации; Детектирование огибающей; Акустическая эмиссия.

Ниже представлены зоны, предназначенные для качественной оценки вибрационного состояния машин и принятия решения о необходимых мерах.

Зона А – В эту зону попадают, как правило, новые машины, только что введенные в эксплуатацию.

Зона В – Машины, попадающие в эту зону, обычно считают пригодными для дальнейшей эксплуатации без ограничения сроков.

Зона С – Машины, попадающие в эту зону, обычно рассматривают как непригодные для длительной непрерывной эксплуатации. Обычно данные машины могут функционировать ограниченный период времени, пока не появится подходящая возможность для проведения ремонтных работ.

Зона D – Уровни вибрации в данной зоне обычно рассматривают как достаточно серьезные, для того чтобы вызвать поврежденные машины.

Ниже приведена таблица зон от А до D, выраженные в средних квадратических значениях виброскорости для машин различных классов:

Класс 1 – Отдельные части двигателей и машин, соединенные с агрегатом и работающие в обычном для них режиме (серийные электрические моторы мощностью до 15 кВт являются типичными машинами этой категории).

Класс 2 – Машины средней величины (типовые электромоторы мощностью от 15 до 875 кВт) без специальных фундаментов, жестко установленные двигатели или машины (до 300 кВт) на специальных фундаментах.

Класс 3 – Мощные первичные двигатели и другие мощные машины с вращающимися массами, установленные на массивных фундаментах, относительно жестких в направлении измерения вибрации.

Класс 4 – Мощные первичные двигатели и другие мощные машины с вращающимися массами, установленные на фундаменты, относительно податливые в направлении измерения вибрации (например, турбогенераторы и газовые турбины с выходной мощностью более 10 МВт).

Таблица 1. Границы зон различных классов

V_r,СКЗ, мм/c Класс 1 Класс 2 Класс 3 Класс 4 0,28 А А A A 0,45 0,71 1,12 В 1,8 В 2,8 С B 4,5 С B 7,1 D C 11,2 D C 18 D 28 D 45

Вибрация конкретной машины зависит от ее размеров, динамических характеристик вибрирующих деталей, способа монтажа и назначения. При выборе зон допустимой вибрации машины учитываются также условия, влияющие на ее вибрационное состояние. Независимо от типа подшипников среднее квадратическое значение виброскорости статорных элементов (например, опор подшипников) машин большинства типов, как правило, адекватно характеризует условия работы роторов, их воздействие на опорные элементы и соседние механизмы, а также состояние самих машин в широком диапазоне рабочих скоростей. Однако для некоторых машин, например, с очень низкими рабочими скоростями, применение одного параметра – среднего квадратического значения виброскорости – без учета значения рабочей скорости может узаконить недопустимые высокие виброперемещения, в частности, когда доминируют колебания с оборотной частотой. С другой стороны, применяя принцип постоянства виброскорости к машинам с высокими рабочими скоростями или наличием высокочастотных спектральных составляющих вибрации, возбуждаемых некоторыми узлами машины, можно прийти к недопустимо высокому уровню виброускорений.

С учетом вышеизложенного критерии приемки, основанные на использовании среднего квадратического значения виброскорости должны иметь общую форму, приведенную на фиг. 4 на котором указаны границы частотного диапазона измерений f_u и f_j и показано, что ниже частоты f_x и выше частоты f_y допустимое значение виброскорости является уже функцией частоты f вибрации. Для зоны от f_x до f_y применим критерий постоянной виброскорости – значения границ для данного критерия приведены в табл. 1.

Кривые, изображенные на фиг. 1, строятся на основе формулы:

где V_r,СКЗ – допустимое среднее квадратическое значение виброскорости, мм/с;

V_А, – среднее квадратическое значение виброскорости, которое соответствует диапазону частот между f_x и f_y , мм/с;

G – коэффициент, определяющий границы зон (например, предельное значения для зоны А может быть получено подстановкой G=1,0; предел зоны B: G=2,56; предел зоны С: G=6,4). Данный коэффициент зависит от рабочих характеристик машины: скорости, нагрузки, давления и т.п.

f_x, f_y – установленные границы диапазона частот, в пределах которого критерий определяется на основе значения параметра виброскорости, Гц.

,

,

где f – частота, для которой определяется среднее квадратическое значение параметра виброскорости, Гц;

k, m – заданные константы для машин данного типа.

Все механические сбои, которые относятся к скорости машины, такие как дисбаланс, расцентровка и люфт соединений, относятся к вибрациям низких частот.

Диапазон измерения частот в абсолютной полосе частот от 10 по 1000 Гц, а также в синхронной полосе частот: однооборотной, двухоборотной, трехоборотной соответственно на базе спектрального анализа.

Спектральный анализ позволяет выявить частотный состав сигнала и идентифицировать повреждение и кинематические зависимости между происходящими процессами и спектрами вибрации.

Причиной вибрации оборотной частоты является несовпадение центров тяжести отдельных сечений валопровода с линией, вокруг которой происходит его вращение. Это несовпадение может быть из-за отклонения центра тяжести отдельного сечения от линии геометрической оси или из-за смещения отдельных, даже уравновешенных сечений, относительно оси вращения, например, вследствие изгиба вала.

Устройство выводит на внешние устройство следующую информацию об объекте исследования: текущий режим работы устройства, текущее состояние объекта контроля, текущее значение измеренных параметров вибрации и температуры, тренды измеренных параметров, журнал событий.

Пользователю доступны следующие виды окон: меню выбора окон, основной экран, параметры, вибрация, температуры, история, события.

Под трендами измеренных параметров понимается массив измеренных параметров по времени.

При мониторинге отображаются графики вибрации, спектры частот, графики температуры.

Возрастающий тренд виброскорости подсказывает такой вид дефекта, как разбалансировка, расцентровка или ослабление фундамента/опоры. О чем, в частности, может быть сообщено пользователю.

Устройство мониторинга температуры и вибрации электромашинного оборудования, состоит из корпуса (1) с разъемами (2,3) для термодатчиков и датчиков вибрации, при этом внутри корпуса размещены вычислительное устройство (на фиг. не изображено), печатная плата (4, фиг. 3), подключенная к вычислительному устройству, печатная плата выполнена с возможностью подключения блока питания, термодатчиков и датчиков вибрации, вычислительное устройство выполнено с возможностью непрерывного построения трендов изменения температурного значения и изменения среднеквадратичного значения виброскорости, и последующего обнаружения вида дефекта электромашинного оборудования.

Корпус устройства выполнен герметичным и взрывонепроницаемым, содержащим основную части корпуса и крышку корпуса. На корпусе размещены разъем антенный (5), разъем питания (6), заземление (7), средства крепления (8). Внутри корпуса размещены вычислительное устройство, печатная плата, подключенная к вычислительному устройству. Печатная плата содержит по меньшей мере один разветвитель интерфейса, переключатель типа акселерометра, модуль часов реального времени с аккумулятором, светодиоды. Вывод информации на внешние устройства передается перманентно и дистанционно беспроводным способом. Устройство выполнено с возможностью трансляции состояния электромашинного оборудования с помощью светодиодов, выполненных на печатной плате. В корпусе для светодиодов выполнены соответствующие отверстия. Вычислительное устройство выполнено с возможностью перманентного построения трендов изменения среднеквадратичного значения виброскорости, с записью и хранением результатов измерения и формированием журнала событий.

На печатной плате размещены клеммы (9) для подключения термодатчиков, клеммы (10) для подключения датчиков вибрации, одна или несколько клемм (11) акселерометров, одна или несколько клемм (12) для трансформаторного блока питания или импульсный блока питания, светодиоды, часы реального времени с аккумулятором, переключатель (13) типа акселерометра, по меньшей мере одна клемма (14) разветвителя интерфейса.

Вывод информации на внешние устройства передается перманентно и дистанционно беспроводным способом, например, посредством WPAN (Bluetooth), WLAN (Wi-Fi), WMAN (WiMAX), WWAN (GPRS).

Положение переключателя определяет тип акселерометра IEPE либо MEMS, подключаемого к устройству.

В качестве разветвителей интерфейса могут использоваться разветвители интерфейса RS485.

Трансформаторный блок питания или другими словами, аналоговый блок питания является вторичным источником питания, преобразующим переменное напряжение сети в пониженное напряжение постоянного тока для питания низковольтного оборудования, измерительных преобразователей и датчиков, в частности датчиков температуры и вибрации.

Блок питания выполнен трансформаторным или импульсным. В частности, может быть использованы и трансформаторный и импульсный блоки питания.

Разъемы для датчиков могут быть выполнены внешними и внутренними.

Вычислительное устройство выполнено на базе ARM процессора.

На печатной плате размещены клеммы для подключения термодатчиков, клеммы для подключения датчиков вибрации, переключатель типа акселерометра, трансформаторный блок питания, импульсный блок питания, по меньшей мере один разветвитель интерфейса, светодиоды, часы реального времени с аккумулятором.

Вычислительное устройство выполнено с возможностью выполнения обмена с внешним оборудованием по проводному или беспроводному каналу, записи и хранения результатов измерений и журнала событий, выдачи на печатную плату сигналов управления светодиодами, информационного обмена с преобразователем интерфейса, управления печатной платой, приема данных от печатной платы.

Под внешним оборудованием подразумеваются электронные устройства приема данных, а частности, смартфоны, ноутбуки, персональные компьютеры, ЭВМ.

В качестве электромашинного оборудования, мониторинг которых производят, могут быть асинхронные двигатели синхронные двигатели, двигатели постоянного тока, вентильные двигатели, и их компоненты. В качестве компонентов двигателей могут быть, в частности обмотка статора двигателей, подшипники, корпус.

В качестве датчиков температуры могут быть применены, в частности, термисторы и/или позисторы.

Вибрационные датчики могут быть выполнены, в частности, в виде, пьезоэлектрических вибродатчиков, определяющих и передающих вибросигнал, в частности, амплитуду и частоту.

Вычислительное устройство выполнено с возможностью перманентного построения трендов изменения температурного значения и изменения среднеквадратичного значения, виброскорости, и последующего обнаружения вида дефекта электромашинного оборудования.

Устройство выполнено с возможностью хранения измеренных параметров в собственном энергонезависимом запоминающем устройстве. А также с возможностью хранения паспортных данных объекта измерения. А также с возможностью учета наработки объекта контроля. А также с возможностью контроля собственного состояния. А также с возможностью контроля состояния измерительных цепей (контроль обрыва и/или короткого замыкания). А также с возможностью передачи во внешние устройства по проводным и беспроводным цифровым интерфейсам измеренных параметров (оперативных и архивных); признаков сигнализации (оперативных и архивных); паспортных данных объекта измерения; паспортных данных устройства; данных о времени наработки.

Устройство применяется в составе промышленных систем измерений и контроля вибрации, в том числе на агрегатах, имеющих непрерывно вращающиеся части. Устройство сохраняет работоспособность при температурах от минус 45°С до плюс 65°С и относительной влажности воздуха не более 95% при температуре минус 35°С.

Таблица 2. Технические характеристики устройства, ч. 1

Наименование Единицы измерения Значение Примечание мин макс Габаритные размеры Ш мм 95,6 В мм 139,8 Г мм 56,5 Масса кг 0,5 Не более Напряжение питания устройства В +9 +36 Потребляемая устройством мощность мм/с 6 Диапазон измерений среднеквадратичного значения виброскорости °С 0,2 25

Таблица 3. Технические характеристики устройства, ч. 2

Наименование Единицы измерения Значение Примечание мин макс Диапазон измерения значений температуры °С -50 +200 Версия WiFi - 802.11 b/g/n/ac 2,4 ГГц, 5 ГГц Тип подключаемых акселерометров - MEMS или IEPE Тип подключаемых термодатчиков - Рt100 Типы подключаемых термодатчиков - ТСТП-17-01, ТСТП-04, ТСТП-02

Устройство содержит носитель данных, который предназначен для записи следующей информации: значения измеренных параметров с привязкой к дате и времени; сведения о выданных уведомляющих, предупреждающих и аварийных сигналах; сервисные данные устройства (серийный номер, версия ПО и т.д.); время наработки объекта измерений; паспортные данные объекта измерений.

В процессе функционирования устройство непрерывно осуществляет архивирование измеренной информации, выданных признаков сигнализации на носителе данных. Архивирование выполняется с привязкой во времени.

Устройство формирует признаки сигнализации при собственной неисправности либо при достижении измеряемыми параметрами критических значений (выход за пределы измеренных значения температуры и вибрации за пределы предупредительных или аварийных уставок). Признаки сигнализации отображаются на встроенных светодиодах, размещенных под лицевой панелью устройства, архивируются на носителе данных устройства и могут быть переданы во внешние устройства.

Светодиоды маркированы надписями, внесёнными на корпусе устройства:

- «Работа» индицирует собственное состояние устройства;

- «Температура» – состоянии объекта измерений по температуре;

- «Вибрация» индицирует состояние объекта измерений по вибрации.

Цветовые значения встроенной светосигнализации устройства приведены в табл. 4.

Таблица 4

Светодиод Состояние Цвет Критерий Режим Инициализация Белый В течение 30 секунд (не более) после запуска Остановлен Синий В работе Зеленый Ошибка Красный Температура Инициализация Белый В течение 30 секунд (не более) после запуска Норма Зеленый В соответствии с таблицей 4 Предупреждение Желтый Авария Красный Недостоверность Синий Измеренное значение вне допустимого диапазона Ошибка Малиновый Обрыв или короткое замыкание измерительной цепи Вибрация Инициализация Белый В течение 30 секунд (не более) после запуска Норма Зеленый В соответствии с таблицей 5 Предупреждение Желтый Авария Красный Недостоверность Синий Измеренное значение вне допустимого диапазона Ошибка Малиновый Обрыв или короткое замыкание измерительной цепи

Архивирование информации

В процессе функционирования устройство ведет регистрацию событий, приведенных в табл. 5. События записываются построчно, в строке указывается тип регистрируемого события и его атрибуты.

Таблица 5. Регистрируемые события

Тип регистрируемого события Атрибуты Место хранения Аварийная и предупредительная
сигнализация Номер канала Носитель данных Дата и время
Срабатывания Время до восстановления
параметра в состояние,
соответствующее норме Обрыв или короткое замыкание
измерительной цепи Дата и время события Носитель данных Номер канала Дата и время
восстановления
работоспособности
измерительной цепи Обрыв связи с внешними
устройствами по цифровым
каналам Дата и время события Носитель данных Вид линии связи Дата и время
восстановления
работоспособности
измерительной цепи Системные события Дата и время события Носитель данных Вид события
(инициализация, останов и т.д.)

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам мониторинга температуры и вибрации электромашинного оборудования. Устройство состоит из корпуса с разъемами для термодатчиков и датчиков вибрации. Внутри корпуса размещены вычислительное устройство, печатная плата, подключенная к вычислительному устройству. Печатная плата выполнена с возможностью подключения блока питания, термодатчиков и датчиков вибрации. Вычислительное устройство выполнено с возможностью непрерывного построения трендов изменения температурного значения и изменения среднеквадратичного значения виброскорости и последующего обнаружения вида дефекта электромашинного оборудования. Технический результат - повышение точности обнаружения дефектов электромашинного оборудования. 9 з.п. ф-лы, 12 ил., 5 табл.

1. Устройство мониторинга температуры и вибрации электромашинного оборудования, состоящее из корпуса с разъемами для термодатчиков и датчиков вибрации, отличающееся тем, что

внутри корпуса размещены вычислительное устройство, печатная плата, подключенная к вычислительному устройству,

печатная плата содержит переключатель типа акселерометра и выполнена с возможностью подключения блока питания, термодатчиков, датчиков вибрации,

вычислительное устройство выполнено с возможностью непрерывного построения трендов изменения температурного значения и изменения среднеквадратичного значения виброскорости и последующего обнаружения вида дефекта электромашинного оборудования.

2. Устройство по п. 1, в котором корпус выполнен герметичным.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором корпус выполнен из основной части корпуса и крышки корпуса.

4. Устройство по любому из вышеуказанных пунктов, в котором на корпусе размещены разъем антенный, разъем питания, заземление, средства крепления.

5. Устройство по любому из вышеуказанных пунктов, в котором печатная плата содержит по меньшей мере один разветвитель интерфейса.

6. Устройство по любому из вышеуказанных пунктов, в котором печатная плата содержит модуль часов реального времени с аккумулятором.

7. Устройство по любому из вышеуказанных пунктов, в котором печатная плата содержит светодиоды.

8. Устройство по любому из вышеуказанных пунктов, в котором вывод информации на внешние устройства передается перманентно и дистанционно.

9. Устройство по любому из вышеуказанных пунктов, выполненное с возможностью индикации состояния электромашинного оборудования и/или работы самого устройства мониторинга с помощью светодиодов: белого, желтого, синего, зеленого, малинового и красного цветов.

10. Устройство по любому из вышеуказанных пунктов, в котором вычислительное устройство выполнено с возможностью записи и хранения результатов измерений и журнала событий.