Анализатор спектра для диагностики вращающихся деталей Советский патент 1991 года по МПК G01H11/06 

Изобретение относится к технической диагностике машин и может использоваться для безразборного контроля технического состояния насосных агрегатов на нефтеперекачивающих станциях.

Цель изобретения - улучшение чувствительности диагностического контроля вращающихся деталей, которое достигается за счет улучшения разрешения по частое анализатора спектра.

На фиг. 1 представлена структурная схема анализатора спектра; на фиг. 2 - структурная схема блока вычисления параметров модели; на фиг. 3 - структурная схема одного из блоков вычисления коэффициентов; на фиг. 4 - структурная схема одного из блоков вычисления коэффициентов отражения; на

фиг. 5 - структурная схема блока вычисления коэффициентов регрессии; на фиг. 6 - структурная схема накопителя.

Анализатор спектра состоит из последовательно соединенных усилителя 1, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2, накопителя 3, блока 4 вычисления параметров, блока 5 вентилей, цифрового фильтра 6, блока 7 вычисления мощности гармоник и индикатора 8. Кроме того, анализатор спектра включает в себя последовательно соеди- ненные . опорный вибродатчик 9, формирователь 10 и умножитель 11 частоты, подключенный выходом ко второму входу АЦП 2. При этом первый выход блока 7 вычисления мощности гармоник соединен со вторым входом накопителя 3, второй выход

О

CJ

со о

1

которого соединен со вторым входом блока 5 вентилей.

Блок 4 вычисления параметров модели

выполнен в виде последовательного соединения заданного числа (равного порядку N выбранной модели, на фиг. 2 он выбран разным шести) одинаковых ступеней 12-17 решетчатого фильтра и блоков 18-23 вычисления коэффициентов. Первый вход первой ступени 12 решетчатого фильтра является входом блока 4 вычисления параметров модели и одновременно первым входом первого блока 18 вычисления коэффициентов. Вторые выходы каждой ступени 12-17 решетчатого фильтра соединены со вторыми входами соответствующей последующей ступени решетчатого фильтра и одновременно с первыми входами следующего блока 19-23 вычисления коэффициентов. Вторые входы последних (блоки 18-23) соединены с третьими выходами соответствующих ступеней решетчатого фильтра (блоки 12-17). Третьи входы ступеней решетчатого фильтра (блоки 12-17) соединены со вторыми выходами соответствующих блоков вычисления коэффициентов (18-23). Выходами блока 4 являются первые выходы последнего блока 23 высчисления коэффициентов.

Ступень 12 решетчатого фильтра выполнена из двух умножителей 24 и 25, двух сумматоров 26 и 27 и схемы 28 задержки. Первый вход умножителя 24 и сумматора 26 являются первыми входами fM-i(n) ступени 12 решетчатого фильтра. Вторыми bM-i(n) и третьими Рм-1 входами блока 12 соответственно являются вход блока 28 задержки, второй вход первого 24 и одновременно первый вход второго 25 умножителей. Выход блока 28 задержки соединен со вторыми входами умножителя 25 и сумматора 27. Выход умножителя 24 соединен с первым входом сумматора 27. Выход умножителя 25 соединен со вторым входом сумматора 26.

Один из блоков вычисления коэффициентов (например 18) состоит из последовательного соединения двух блоков - блока 29 вычисления коэффициентов отражения и блока 30 вычисления коэффициентов регрессии. Входы первого из них (блок 29) с первого по четвертый являются соответственно с первого по четвертый входами блока 18. Второй вход блока 30 является пятым входом блока 18. Выходы блока 29 с первого по четвертый являются соответственно с первого по четвертый выходами блока 18. Выход блока 30 является пятым выходом блока 18.

Один из блоков вычисления коэффициентов отражения (например 29) выполнен в

виде двух умножителей 31 и 32, двух сумматоров 33 и 34, трех квадраторов 35 - 37, делителя 38 и вычитателя 39. Первые входы умножителя 31 и квадратора 36 являются

первым входом блока 29. Вторым и третьим входами блока 29 соответственно являются вход квадратора 35, второй вход умножителя 31 и вычитателя 39. Выход последнего является вторым выходом блока 29. Первым

0 выходом блока 29 является выход делителя 38.

Выход умножителя 31 через последовательно соединенные сумматор 34, делитель 38, квадратор 37 подключен ко второму вхо5 ду вычитателя 39. Выход квадраторов 35 и 36 через сумматор 33 соединены со вторым входом делителя 38.

Блок 30 вычисления коэффициентов регрессии выполнен в виде последовательно

0 соединенных пар умножитель - сумматор, число которых на единицу меньше выбранного порядка модели, в данном случае пяти. Первые входы умножителей 40-44 являются входами блока 30 вычисления коэффи5 циентов регрессии со второго по шестой (а 5.1 - а5.5), а вторые выходы указанных умножителей соединены соответственно и одновременно являются первым входом Рд блока 30. Вторые входы сумматоров 45-49

0 подключены ко входам блока 30 с шестого по второй (а 5.5 - а 5,1).Выходы указанных сумматоров являются соответствующими выходами блока вычисления коэффициентов регрессии 30 (аб.1 - аб.5).

5 Накопитель 3 выполнен в виде последовательного соединения реверсивного счетчика 50, инвертора 51, схемы и 52, выход которой является первым выходом накопителя 3. Накопитель 3 включает в себя также

0 клавишный регистр 53, соединенный через схему И 54 со вторым входом реверсивного счетчика-50, вход и выход которого является соответственно четвертым входом и вторым выходом накопителя 3. Второй и третий вхо5 ды накопителя 3 через схему 55 ИЛИ соединены со вторым входом схемы И 54, Первый вход накопителя 3 соединен со вторым входом схемы И 52.

Анализатор спектра работает следую0 щим образом.

Ко входу усилителя 1 подключается вибродатчик анализируемого сигнала, который укреплен на диагностируемой детали. На роторе этой же детали укрепляется опорный

5 вибродатчик 9. С помощью формирователя 10 из сигнала с опорного вибродатчика 9 формируется меандр, поступающий на вход умножителя 11 частоты, который выполнен в виде узкополосного усилителя. На его выходе получается узкополосный сигнал заданной (путем задания положения полосы пропускания умножителя 11 частоты), который поступает на синхронизирующий (второй) вход АЦП 2, и определяет моменты взятия отсчетов из входного сигнала АЦП, которым является выходной сигнал усилителя 1, Цифровые отсчеты с выхода АЦП 2 поступают на вход накопителя 3, который определяет длину аналиризуемой последовательности отсчетов. Для этого на клавишном регистре 53 перед началом работы анализатора набирает число N, равное желаемой длине анализируемой последовательности. Эточислос клавишного регистра 53 с помощью схемы ИЛИ 55 и вентилей 54, а также сигнала Пуск переписывается в реверсивный счетчик 50. На счетный (первый) вход счетчика 50 поступают синхронизирующие сигналы, которые уменьшают содержимое счетчика.

Низкий уровень на выходе счетчика 50 (фиг. 6) после инвертора 51 становится высоким и открывает вентили 52 для прохождения отсчетов с выхода АЦП 2 на вход .блока вычисления параметров модели 4.

Входные отсчеты поступают на первую ступень решетчатого фильтра 12 (фиг,-2) и первый блок вычисления коэффициентов 18. В блоке 18 происходит раздельно вычисление коэффициентов отражения Р (блок 24) и вычисление коэффициентов регрессии ai,k (блок 25) (фиг. 3).

В первой ступени решетчатого фильтра 12, которая аналогична ступени 17 (фиг, 3) за исключением того, что входными сигналами f0(n) и bo(n) являются входные отсчеты х(п), вычисляются ошибки прямого и обратного предсказания fi(n) и Ьч(п). Для этого в решетчатый фильтр поступает значение коэффициента отражения, который в начальный момент времени равен нулю, а затем вычисляется в блоке вычисления коэффициентов, например, 29 (фиг, 4).

Для определения начальной мощности Ро в первом блоке вычисления коэффициентов отражения содержится блок вычисления начальной мощности, который состоит из последовательно соединенных квадратора и сумматора.

При поступлении следующих отсчетов происходит продвижение входных значений по ступеням решетчатого фильтра и блокам вычисления коэффициентов.

После М-ro отсчета, когда все ступени уже включены, происходит уточнение коэффициентов регрессии, если , где М - порядок системы, а N - количество отсчетов в анализируемой выборке.

В результате прохождения N отсчетов через решетчатый фильтр и блоки вычисления коэффициентов на выходе последнего блока (фиг. 2, блок 4) образуются значения коэффициентов авторегрессии, которые с помощью вентилей 5 по сигналу из накопителя передаются в цифровой фильтр 6 (фиг. 1), где вычисляются преобразования Фурье вычисленных коэффициентов авторегрессии.

Полученная последовательность поступает в блок 7 для вычисления мощности соответствующих гармоник, которые затем поступают на индикатор 8. После окончания вычисления мощности последней гармоники сигнал окончания поступает в накопитель

3, где с помощью схемы ИЛИ 55 и вентилей 54 вновь установится число N на реверсивном счетчике 50, сигнал на его выходе станет низкого уровня, на выходе инвертора 51 установится высокий уровень, который откроет вентили 52 и пропустит сигналы с выхода АЦП 2, поступающие на первый вход блока 3 к блоку вычисления параметров модели 4, и описанный процесс повторится сначала.

Таким образом, на основе полного набора весовых коэффициентов фильтра предсказания ошибок {ам,к}, К 0, 1, 2, ..., М оценка спектра определяется по методу максимального правдоподобия. Основная

идея метода состоит в выборе такого спектра, который соответствует наиболее случайному временному ряду, чья корреляционная функция совпадает с заданной последовательностью оцененных величин. Это условие эквивалентно предсказанию вида корреляционной функции наблюдаемого временного ряда путем максимизации энтропии процесса, т. е. используется способ определения неизвестных значений корреляционной функции, заключающийся в том, чтобы новые значения не увеличивали информацию или не уменьшали энтропию рассматриваемого процесса, в противоположность методу, используемому в известном анализаторе, где значения корреляционной функции за пределами окна предполагаются равными нулю, что не соответствует реальной ситуации и вызывает появление боковых лепестков в спектре.

Предлагаемый метод свободен от этого недостатка, чем и объясняется улучшение, разрушения по частоте анализатора спектра, что имеет своим положительным следствием повышение чувствительности

диагностического контроля.

Формула изобретения . 1. Анализатор спектра для диагностики вращающихся деталей, содержащий после- довательно соединенные усилитель, аналого-цифровой преобразователь и накопитель, последовательно соединенные опорный вибродатчик, формирователь и умножитель частоты, выход которого соединен с вторым входом АЦП и вторым входом накопителя, цифровой фильтр и индикатор, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности диагностического контроля, он снабжен блоком вычисления параметров модели, блоком вычисления мощности гармонических составляющих и блоком схем И, первый выход накопителя соединен с входом блока вычисления параметров, выход которого соединен с первым входом блока схем И, второй вход которого соединен с вторым выходом накопителя, третий вход которого подключен к первому выходу блок вычисления мощности гармонических составляющих, второй выход которого подключен к входу индикатора, вход цифрового фильтра подключен к выходу блока схем И, а выход - к ьсоду блока вычисления мощности гармони- чеслих сос1ав/1йЮ1 их,

2.Анализатор по п. 1, о тл и ч a rout и и с я тем, что блок вычисления параметров модели выполнен в виде последовательно соединенных N ступеней решетчатого фильтра и поспедовательно соединенных N блоков вычисления коэффициентов, где N 1, 2, 3, ..., первый вход первой ступени решетчатого фильтра является входом блока вычисления параметров модели и первым входом первого блока вычисления коэффициентов, вторые выходы каждой из N ступе- ней (кроме NI} решетчатого фильтра соединены с вторыми входами по N + 1 ступени решетчатого фильтра и с первыми входами М-ь 1 блока вычисления коэффициентов, вторые входы которых соединены соответственно с третьими выходами каждого из N ступеней решетчатого фильтра, третьи входы каждой из N ступеней решетчатого фильтра - с вторыми выходами каждого из N блоков вычисления коэффициентов соответственно, а выходами блока вычисления параметров модели являются первые выходы N блока вычисления коэффициентов.

3.Анализатор по п. 2, отличающийся тем, что ступень решетчатого фильтра выполнена из двух умножителей, двух сумматоров и схемы задержки, первые входы первого умножителя и первого сумматора являются первыми входами ступени решетчатого фильтра, вторым и третьим входами которого соответственно являются вход схемы задержки, второй вход первого и одновременно первый вход второго умножителей, выход схемы задержки соединен с вторым входом второго умножителя и второго сумматора, выход которого является вторым выходом ступени решетчатого фильтра, первым выходом которого является выход первого сумматора, выход первого умножителя соединен с первым входом второго сумматора , выход второго умножителя соединен с вторым входом первого сумматора.

4.Анализатор по п. 2, о т л и ч а- 0 ющийся тем, что блок вычисления коэффициентов выполнен в виде последовательно соединенных блока вычисления коэффициентов отражения и блока вычисления коэффициентов регрессии, входы блока

5 вычисления коэффициентов отражения с первого по четвертый являются соответственно с первого по четвертый входами блока вычисления коэффициентов, второй вход блока вычисления коэффициентов регрес0 сии является пятым входом блока вычисления коэффициентов, выходы блока вычисления коэффициентов отражения с первого по четвертый являются соответственно с первого по четвертый выходами

5 блока вычисления коэффициентов, выход блока вычисления коэффициентов регрессии является пятым выходом блока вычисления коэффициентов.

5.Анализатор по п. 4, отличаю- 0 щ и и с я тем, что блок вычисления коэффициентов отражения выполнен в виде двух умножителей, трех квадраторов, двух сумматоров, делителя и вычитателя, первый вход первого умножителя и вход второго

5 квадратора являются первыми входами блока вычисления коэффициентов отражения, вторым входом которого являются вход первого квадратора и второй вход первого умножителя, третьим входом - первые входы

0 второго умножителя и входы вычитателя, выход которого является вторым выходом блока вычисления коэффициентов отражения, первыми выходами которого является выход делителя, выход первого умножителя

5 через последовательно соединенные второй сумматор, делитель, третий квадратор и второй умножитель подключен к второму входу вычитателя, выходы первого и второго квадраторов соединены с входами первого

0 сумматора, выход которого соединен с вторым входом делителя.

6.Анализатор по п. 4, отличающийся тем, что блок вычисления коэффициентов регрессии выполнен в виде после5 довательно соединенных М-1 гар умножитель г- сумматор, первые входы умножителей с первого по М-1 являются входами блока вычисления коэффициентов регрессии с второго по М, а вторые входы каждого из умножителей обьединены и являются первым входом блока вычисления коэффициентов регрессии, вторые входы сумматоров с первого по М-1-й подключены к входам блока вычисления и коэффициентов регрессии с М-ro по второй, выходы сумматоров являются соответствующими выходами блока вычисления коэффициентов регрессии.

7. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что накопитель выполнен в виде последовательно соединенных ревер0

сивного счетчика, инвертора и первой схемы И, выход которой является первым выходом накопителя, клавишного регистра, соединенного через вторую схему И с вторым входом реверсивного счетчика, вход и выход которого являются соответственно четвертым входом и вторым выходом накопителя, второй и третий входы которого через схему ИЛИ соединены с вторым входом второй схемы И, первый вход накопителя соединен с первым входом первой схемы И.

Изобретение относится к испытательной технике. Целью изобретения является улучшение чувствительности диагностического контроля, Это достигается за счет улучшения разрешения по частоте анализатора спектра. К входу усилителя 1 подключен вибродатчик анализируемого сигнала, укрепленный на диагностируемой детали, на роторе которой закреплен опорный вибродатчик 9. На вход умножителя 11 частоты поступает меандр с выхода формирователя 10. С выхода умножителя 11 частоты узкополосный сигнал заданной частоты поступает на синхронизирующий вход АЦП 2, цифровые отсчеты с выхода которого поступают на вход накопителя 3, определяющего длину анализируемой последовательности отсчетов. В результате прохождения N отсчетов на выходе блока 4 вычисления параметров модели образуются значения коэффициентов авторегрессии, которые с помощью блока 5 схем И по сигналу из накопителя 3 передаются в цифровой фильтр 6, где вычисляются преобразования Фурье вычисленных коэффициентов регрессии. 6 з. п. ф-лы. 7 ил.

Вх.

Фаг. 1

ED

SM-

M-l

Щ

QM-I

i

29

ь

/,

8

30

вн

- Фиг. 5

Ол 7

j