ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И АНАЛИЗИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА

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.

Рис. 6а. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение.

Рис. 6б. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение.

Рис. 6в. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение.

Рис. 6г. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение

Рис. 6д. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение

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.6а и рис.6б соответственно. 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.

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, структура которых также приведена на рис.6. Функции анализатора формы (рис.6в) 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. Анализатор спектра (рис 6г) обычно применяется при мониторизации всех типов машин и оборудования. Анализатор спектра огибающей (рис 6д) предназначен для исследования случайных процессов, мощность которых периодически изменяется во времени.

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.7.Сруктура входного устройства. AЦП - аналого - цифровой преобразователь.

Такое средство измерения позволяет использовать любую из рассмотренных информационных технологий или их комбинации. В качестве перечисленных устройств с небольшой доработкой можно применять профессиональные звуковые платы. Могут быть использованы также выпускаемые рядом фирм специальные входные устройства, структура которых приведена на рис.7, и соответствующее программное обеспечение к ним.

Подобные средства измерения и анализа сигналов не отличаются малыми габаритами и могут использоваться в лабораторных или стендовых условиях. Для измерения вибрации в полевых условиях можно воспользоваться средствами измерения и анализа, построенными по тем же правилам, но уже на базе переносных компьютеров типа Portable, Notebook или Penbook. В первые устанавливаются те же платы, что и в обычные компьютеры. Ряд модификаций второго и третьего типа компьютеров имеет дополнительные входы по стандарту РС-Сard. В этом же стандарте выпускаются звуковые карты или карты с устройствами ввода аналоговых сигналов. Тогда для их измерения и анализа достаточно иметь эту карту и входное устройство, включающее датчик вибрации (шума), источник для его питания и устройство согласования датчика с входной картой. Такие устройства также выпускаются рядом зарубежных фирм

Переносные устройства на базе персональных компьютеров типа Notebook и Penbook не находят широкого применения, так как для полевых условий обычно требуется компьютер промышленного исполнения, по цене сравнимый со специализированными цифровыми анализаторами сигналов. Именно такие анализаторы выпускаются многими фирмами и наиболее широко используются в практической диагностике.

Цифровые анализаторы производятся под определенную группу близких по принципу обработки сигналов технологий, и лишь немногие из них рассчитаны на использование всех известных технологий. Как правило, во всех видах анализаторов предусмотрен узкополосный спектральный анализ сигналов и очень редко - спектральный анализ огибающей полосового сигнала, необходимый для использования информационной технологии по методу огибающей. Причина состоит в том, что для такого вида анализа при ограниченных объемах памяти в анализаторе приходится вместо одного процессора, как это имеет место в персональном компьютере, иметь два параллельно работающих процессора. Один из них, сигнальный, служит для предварительной обработки высокочастотных сигналов в реальном времени. Подобный анализатор достаточно сложен и выпускается лишь некоторыми приборостроительными фирмами, в том числе тремя предприятиями России. Один из подобных анализаторов, выпускаемых А/О “Виброакустические системы и технологии”, показан на рис.1.

Анализ основных тенденций развития средств вычислительной техники показывает, что в ближайшие годы можно ожидать широкого распространения малогабаритных приборов различного назначения, в корпус которых встраивается один микрокомпьютер с большими вычислительными возможностями и стандартной операционной системой. Очевидно, что в этом направлении будет развиваться и техника для измерения и анализа виброакустических сигналов. А это, в свою очередь, приведет к ее дальнейшему удешевлению. Еще одна перспектива - использование общих информационных технологий в технической и медицинской диагностике, что может привести к росту выпуска и дальнейшему снижению цен на анализирующие приборы.

Увеличение мощности микрокомпьютеров стимулирует развитие еще одного направления в создании технических средств для диагностики машин и оборудования. Это объединение в одном приборе возможностей функциональной и тестовой диагностики.

Для этого необходимо обеспечить возможности многоканального анализа сигналов, в том числе корреляционного, взаимоспектрального и других, а также ввести в программное обеспечение прибора функции формирования тестовых сигналов и управления внешними источниками этих сигналов.

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. Типовая структура стационарной системы приведена на рис.8.

Рис.8. Структура стационарной системы мониторинга и диагностики.

Количество блоков измерения и анализа сигналов в стационарных системах обычно определяется числом точек контроля и предельно допустимым интервалом между измерениями. Количество датчиков на один блок, может составлять от одного до нескольких десятков. В функции блока измерений входит и анализ вибрации или шума, а также других физических величин по программе, задаваемой диагностическим центром. Алгоритмы программы автоматически изменяются в зависимости от результатов диагностирования, т.е. от состояния объекта контроля. Иногда в функции блока измерений входит и сравнение результатов измерения и анализа с порогами, задающими границы допустимого изменения диагностических параметров. Если же допустимое время между периодическими измерениями достаточно велико, в системе может использоваться один блок, к которому датчики подключаются через электронные устройства коммутации сигналов. Блок измерений при этом может конструктивно объединяться в один корпус с диагностическим центром. Диагностический центр представляет собой либо один компьютер, объединенный в одну сеть с блоками измерений, либо группу компьютеров, работающих параллельно или с разделением функций.

Перспектива развития стационарных систем мониторинга связана также с развитием возможностей микрокомпьютеров. Результатом этого развития может стать разделение функций между блоками измерений и диагностическим центром. Блок измерений может взять на себя функции мониторинга, обращаясь к диагностическому центру только при появлении дефектов с целью их идентификации. Очевидно, что в таком случае одна система диагностики может работать с большим числом блоков измерений, контролируя состояние оборудования всего предприятия.