Методы и аппаратура для измерения вибрации и высокочастотных шумов

Простейшей из основных является энергетическая технология, основанная на измерении мощности или  амплитуды контролируемого сигнала. В качестве диагностического сигнала  может использоваться температура (перепад температур), давление, шум, вибрация и многие другие физические параметры. Технология строится на измерении величин сигналов в контрольных точках и сравнении их с пороговыми значениями.

Развитием энергетической технологии является информационная частотная  технология, предполагающая выделение из измеряемого сигнала составляющих в определенных частотных диапазонах и дальнейший энергетический анализ выделенных составляющих. Технология частотного анализа используется не только для контроля и диагностики машин, но и для их аварийной защиты. Примером может быть частотно-дуговая защита электрических машин по высокочастотным составляющим тока, защита машин по вибрации с частотой ее вращения и многие другие. Частотный анализ далеко не всегда использует для разделения составляющих электронные фильтры. Это могут быть, например, резонансные датчики тока, вибрации, шума, светового потока или других величин. Один из таких датчиков-стетоскоп для преобразования низкочастотной вибрации контролируемых узлов машин в шум, воспринимаемый органами слуха человека.

Еще одна, информационная фазо-временная технология, основана на сравнении формы сигналов, измеренных через фиксированные интервалы  времени. Эта технология успешно  используется для контроля состояния  машин возвратно-поступательного  действия с несколькими одинаковыми узлами (цилиндрами и поршнями), нагружаемыми последовательно через одинаковые интервалы времени.

Сравнение формы сигналов, но уже с эталонной, можно осуществлять с помощью еще одной, информационной спектральной технологии, основанной на узкополосном спектральном анализе сигналов. При использовании такого вида анализа сигналов диагностическая информация содержится в соотношении амплитуд и начальных фаз основной составляющей и каждой из кратных ей по частоте составляющих. Такая технология применяется для анализа сигналов с датчиков давления, вибрации, шума, а также датчиков тока и напряжения в электрических машинах и аппаратах. Составной частью информационной технологии на базе любого из методов обработки сигналов являются соответствующие средства измерения, анализа и передачи информации. В развитии технических средств для диагностических информационных технологий можно выделить три основных этапа.

Первый относится к  начальным шагам в диагностике  и, прежде всего виброакустической, когда средствами оценки технического состояния машин по их шуму или вибрации были органы чувств человека. Органы слуха способны воспринимать и анализировать акустические сигналы в звуковой области частот. Вибрация механизмов в этой области частот всегда является источником звука, а на низких частотах человек воспринимает ее контактным путем. Избирательность анализа вибрации можно обеспечить существующими сотни лет стетоскопами (слухачами). Все эти возможности человека всегда определяли преимущественное развитие диагностики по сигналам вибрации и шума до последних нескольких десятилетий.

Следующий этап определяется моментом создания виброакустических  приборов для измерения вибрации и шума выше звукового диапазона  частот и спектрального анализа  виброакустических сигналов. Именно с появлением этих приборов в сороковые-пятидесятые годы нашего столетия начались интенсивные исследования по поиску методов анализа сигналов, специализированных для решения диагностических задач. Качественный шаг в диагностике машин, сделанный в шестидесятые-семидесятые годы, заключался не только в разработке метода ударных импульсов и метода огибающей, позволивших решать ряд диагностических задач по однократным измерениям вибрации или шума, но и в развитии методов диагностирования на основе узкополосного спектрального анализа сигналов. В эти же годы были проведены многочисленные исследования по изучению влияния различных видов дефектов на функционирование машин и на диагностические сигналы. Результаты этих исследований показали, что наибольшей диагностической информацией обладает сигнал вибрации, а многие другие виды сигналов практически дублируют ту или иную информацию, содержащуюся в сигнале вибрации. Кроме того, стало очевидным, что дефекты начинают развиваться задолго до возникновения аварийных ситуаций, а во многих типах узлов еще в первой половине их жизненного цикла. И практически сразу же дефекты начинают влиять на возбуждаемые этими узлами вибрацию и шум. Основной проблемой при обнаружении вызываемых ими изменений в сигнале вибрации является разделение их с теми изменениями, которые происходят из-за флуктуаций нагрузки, частоты вращения, температуры узлов и других параметров машины и внешних условий. Эта проблема становится одной из первостепенных при решении задач диагностирования машин и оборудования.

Третий этап в создании технических средств диагностики  стал следствием бурного развития компьютерных техники и технологий. Именно в  это время появились цифровые анализаторы спектра, позволяющие  вести параллельно фильтрацию нескольких сотен частотных составляющих сигнала. И именно тогда появилась возможность замены специалиста по диагностированию различных видов машин сначала экспертными программами, а позднее и программами автоматического диагностирования и прогнозирования технического состояния машин и их отдельных узлов. Появление мощных персональных компьютеров дало также импульс для разработки новых информационных технологий на базе статистических методов распознавания образов, которые частично уже используются в задачах виброакустической диагностики машин.

В основе всех средств  измерения и анализа сигналов вибрации и шума лежат три типа устройств, выполняющих разные операции. Первый - датчик вибрации или микрофон, преобразующий колебания в электрический  сигнал. Второй - фильтр, выделяющий компоненты сигнала в необходимой области частот. Третий - детектор, служащий для оценки амплитуды (мощности) выделенных компонент. Далеко не всегда фильтр подключается к выходу датчика и выполняется в виде электронного устройства. Он может быть акустическим, как, например, резонатор или механическим, как, например, упругая прокладка, и устанавливаться перед датчиком. Различные приборы содержат разные комбинации этих трех типов устройств, в зависимости от того, с какой информационной технологией они используются. Так, ниже показаны структуры основных видов приборов для контроля и диагностики машин и оборудования по вибрации или шуму.

Простейшими являются измеритель общего уровня вибрации (шума) и прибор для измерения пикфактора сигнала  вибрации, т.е. регистратор ударных импульсов. Структура этих приборов показана на рис.3.2. В измерителе общего уровня фильтр может отсутствовать, если нет специальных требований к полосе частот измеряемого сигнала. В измерителе пикфактора для простоты реализации обычно используется механический резонатор в виде металлического стержня с резонансом на частотах выше 25 кГц. Столь высокая частота резонанса, с одной стороны, снижает габариты резонатора, а с другой стороны, позволяет получить более высокую величину пикфактора за счет того, что на высоких частотах стабильная во времени вибрация, являющаяся помехой и возбуждаемая силами трения в контролируемых узлах машины, минимальна.

Рис. 3.2. обобщенная структурная  схема прибора для измерения  пикфактора сигнала вибрации.

Рассмотренные простейшие приборы были доступны по цене на всех этапах развития средств измерения, поэтому долгое время именно на них ориентировалась практическая диагностика. В настоящее время быстрое развитие вычислительной техники и снижение на нее цен позволяет в полной мере использовать на практике все, даже наиболее сложные, информационные технологии. Цифровые анализаторы сигналов в настоящее время по стоимости сравниваются с простейшими аналоговыми приборами, вытесняя их при решении диагностических задач.

Из наиболее часто  используемых средств измерений, реализуемых  на базе вычислительной техники, можно  выделить анализаторы формы, спектральные анализаторы и анализаторы спектра  огибающей. Функции анализатора  формы (рис.3.3) заключаются в измерении  амплитуд и фаз отдельных составляющих сигнала и в сравнительном анализе формы отдельных участков сигнала, начало и конец которых определяется углом поворота вала. Подобные анализаторы широко используются для диагностики машин возвратно-поступательного типа и роторов в процессе их балансировки.

Рис. 3.3. Обобщенная структурная  схема прибора для измерения  амплитуд и фаз отдельных составляющих сигнала

 

Анализатор спектра (рис 3.4) обычно применяется при мониторизации  всех типов машин и оборудования. Наиболее доступным средством измерения и анализа сигналов в настоящее время можно считать персональный компьютер с устройствами преобразования сигналов вибрации и шума в цифровую форму и ввода их в оперативную память компьютера.

Рис. 3.4. Обобщенная структурная  схема прибора для измерения спектра сигнала.

Технические средства измерения  и анализа сигналов в стационарных системах мониторинга и диагностики  машин функционально не отличаются от средств, используемых в рассмотренных  переносных системах. Различия лишь в технической реализации, что связано с необходимостью повторять измерения в одних и тех же контрольных точках со столь малым временным интервалом, который обеспечивал бы своевременное отключение машины даже при появлении лавинообразно развивающихся дефектов. Внешний вид виброизмерительной системы на основе ПЭВМ показан на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Виброизмерительная система на основе ПЭВМ

 

 

3.2. Обоснование структурной  схемы аналого-цифровой части  виброизмерительной системы

 

Любая виброизмерительная система  состоит из следующих частей: вибродатчиков, соединительного кабеля, переключателя каналов, блока усилителей и анализатора показателей вибрации. Регистратором может являться как электромеханический прибор (самописец), так и персональный компьютер, который позволяет отражать полученную информацию в электронном виде, либо с помощью печатающего устройства (принтер) на бумаге.

Проведем анализ структурных блоков, входящих в состав системы.

Кабель предназначен для подключения  датчиков. Кабель представляет собой  высокоомную линию связи, очень чувствительную к емкостным наводкам. Такая линия обязательно экранируется, что приводит к увеличению емкости каждого провода. Емкость кабеля уменьшает zвх и, следовательно, коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) входных цепей усилителя ЭКС. Кроме того, при механических перемещениях кабеля эта емкость может незначительно изменяться, вызывая появление шумов экранирования. Так при напряжении наводки 10В и изменении емкости на 0.01 % скачки напряжения шумов достигнут 1мВ. Несмотря на экранировку, кабель играет роль антенны, и для уменьшения электромагнитных наводок желательно, чтобы он был минимальной длины и при укладке занимал небольшую площадь. Влияние кабеля отведений на zвх можно уменьшить, а КОСС входных цепей повысить за счет применения на входе кабеля буферных усилителей. С кабеля сигналы поступают на переключатель каналов. Вместо механических переключателей в настоящее время используют электронные аналоговые коммутаторы в интегральном исполнении на комплементарных металл-окисел-полупроводниковых структурах (КМОП-структурах). Сопротивление открытого ключа таких коммутаторов не более 300 Ом, а ток утечки не более 50-70 мкА. Обладающие высокой надежностью и малыми размерами электронные коммутаторы позволяют осуществлять развязку входных цепей при помощи управления через оптроны [1].

Далее с коммутатора режимов  работы сигнал поступает на вход блока  усилителя через ограничитель от перенапряжений, собранный на диодах. Далее с ограничительных диодов сигнал поступает на входной усилитель, который предназначен для усиления сигналов, снимаемых с вибродатчиков, т.к. на практике они очень малы (примерно 1-2 мВ).

Рассмотрим подробно структурную  схему блока усиления (рис.3.6).

 

 
Рис.3.6. Структурная схема блока усиления

 

Представленная схема  состоит из дифференциального усилителя, с выхода которого сигнал поступает на вход блока фильтрации, буферных каскадов (БК), управляемого аттенюатора (УА) и источника управляющего напряжения (ИУН).

Дифференциальные усилители предназначены для усиления разности двух входных напряжений с заданным коэффициентом усиления. При этом на один из входов сигнал может не подаваться, т.е. оказываться равным потенциалу земли.

Дифференциальный усилитель имеет высокое входное сопротивление и высокий КОСС; его коэффициент усиления можно регулировать путем изменения сопротивления одного резистора. Схема подавляет помехи, которые являются синфазными напряжениями для обоих входов инструментального усилителя. Способность дифференциального усилителя подавлять помехи определяет предпочтительность его применения в качестве предварительного каскада усилительной схемы на нескольких ОУ. В силу его невосприимчивости к помехам следующие за ним каскады усиливают только полезный сигнал.

Блок фильтрации предназначен для выделения сигнала в заданной полосе частот. Он выполняется на основе активных фильтров верхних и нижних частот (ФВЧ и ФНЧ), соединенных последовательно. ФНЧ пропускают только частоты, лежащие ниже определенной заданной частоты - частоты среза. Все частоты выше частоты среза ослабляются. ФВЧ пропускают частоты, лежащие выше частоты среза. Все более низкие частоты ослабляются.

Активный фильтр обычно представляет собой линейную цепь, состоящую из конденсаторов, резисторов и операционных усилителей. Его передаточная характеристика описывается отношением двух полиномов, содержащих различные степени полинома р. Передаточная характеристика фильтра нижних частот (ФНЧ) имеет вид:

G(p)=

,

где H - номинальный коэффициент передачи фильтра в полосе пропускания, n-порядок фильтра.

Характеристика идеального ФНЧ фильтра показана штриховой  линией на рисунке амплитудно-частотных  и переходных характеристик различных  фильтров нижних частот.