Разработка мобильной измерительной системы для оценки вибрационного состояния роторных машин
Разработка мобильной измерительной системы для оценки вибрационного состояния роторных машин
1 Технология
1.1
Вибродиагностика
Контроль технического
состояния энергомеханического оборудования может проводиться на остановленном,
вскрытом и работающем агрегатах. На остановленном и особенно на вскрытом
агрегате имеются значительно большие возможности для оценки технического
состояния и определения конкретного вида неисправности. Однако, недостатком
этих способов контроля, ограничивающих их широкое применение, является
необходимость остановки агрегата, что далеко не всегда возможно в условиях
эксплуатации. В связи с этим особое место занимают методы диагностики на
работающем оборудование. Наиболее широкое применение нашли методы акустической,
вибрационной, магнитной памяти металла, параметрической диагностики и
диагностика по анализу отработанного масла (трибодиагностика).
Метод вибрационной
диагностики использует в качестве диагностической информации вибрацию
работающего агрегата. Вибрационный сигнал является носителем информации о
различных колебаниях узлов и деталей энергомеханического оборудования. Всякое
изменение характера взаимодействия его элементов приводит к отклонении
параметров функционирования агрегата и, как следствие, к изменению
сопровождающих его вибрационных сигналов. Этот вид диагностики отличается от
других методов технической диагностики рядом характерных особенностей и, прежде
всего, многообразием физической природы вибрационных сигналов и высокой
информативностью. Способность предупреждать появление неисправностей выгодно отличает
вибродиагностику от других методов диагностирования, позволяющих в основном
контролировать состояние агрегата и обнаруживать неисправности.
По фактическим
вибрационным сигналом определяют следующие состояния ЦНА:
-
Состояние исправности, когда уровень
вибрационного сигнала находиться в поле допуска эталонного спектра; эталон
получают при замерах вибросигнала исправного ЦНА, работающего под нагрузкой на
кустовой насосной станции в начале эксплуатации;
-
Состояние удовлетворительной работоспособности,
когда уровень вибросигнала может отличаться от эталонного уровня, что указывает
на изменение режима работы ЦНА или зарождению дефектов, но которые оказывают
значительное влияния на работоспособность агрегата;
-
Предельное (предаварийное) состояния ЦНА, при
котором дальнейшая эксплуатация может привести к поломкам узлов и деталей агрегатов.
Уровни допустимых значений
вибраций представлены в приложение А.
Спектр вибраций
работающего ЦНА имеет весьма широкий диапазон, он зависит от множества
факторов: частоты вращения ротора СД, элементов подшипников, зубчатых шестерен,
подвижных элементов электродвигателя и насоса и др. Диагностическими
параметрами могут служить различные величины, в частности, пиковое значение
(максимальная амплитуда), СКЗ (среднеквадратичное значение), среднее значение
продетектированного сигнала, значение от пика до пика (размах), моменты спектральной
плотности одномерных и многомерных законов распределения, различные комбинации
количественных характеристик рабочих процессов и т.д. Обработка полученной
информации осуществляется на базе спектрального и автокорреляционного анализа,
анализа методом накопления, разделения сигнала во времени, фильтрации сигналов
и др.[1].
1.2
Спектральный анализ
Периодическая вибрация
может быть представлена в виде спектра. В нем может быть одна составляющая или
много кратных. Спектр удобен тем, что он делит вибрацию на составляющие с
разными свойствами достаточно часто разной природы. Типовой спектр
характеризуется большим количеством гармонических составляющих в области низких
частот. По мере увеличения частоты гармонических составляющих становиться
меньше и в области высоких частот они практически отсутствуют [1].
На реальном оборудование
можно выделить множество каналов с различными характеристиками, определяющим
способность пропускать, искажать и подавлять сигнал при его прохождение по
каналу от источника возникновения к приемнику. Эту способность передачи
сигналов необходимо учитывать для получения необходимой и достоверной
информации [1].
Существует много частных
методов проведения и анализа результатов диагностирования. Выбор той или иной
методики при этом производится, исходя из специфики предметной области. Однако
до сих пор не проанализированы, не классифицированы и не выработаны принципы
назначения процессуально-аппаратных средств для проведения диагностики в рамках
конкретных областей деятельности специалиста НК. Широкий выбор средств
диагностирования, отсутствие стандартов и требований в области разработки
программных продуктов для обеспечения процесса спектрального анализа привели к
тому, что в конкретной ситуации специалист вынужден руководствоваться скорее
второстепенными параметрами (цена, близость представительств дилеров
разработчиков и др.), чем существенными характеристиками (возможность
прогнозирования, добавления методик диагностирования и т.п.) таких систем.
Среди российских фирм-разработчиков вибродиагностического ПО, обслуживающих
НГДП, следует отметить:
-
ИТЦ "Оргтехдиагностика": Виброник,
Виброанализ-2.5, Программный тренажер по вибродиагностике ;
-
ОАО "ДИАМЕХ-2000": ДИАМАНТ2;
-
ООО НПП "Мера": ПП ПОС, WinPOS ;
Преобразование Фурье
Дискретное
преобразование Фурье — это одно из преобразований Фурье, широко применяемых в
алгоритмах обработки сигналов, а также в других областях, связанных с анализом
частот в дискретном (к примеру, оцифрованном аналоговом) сигнале.
Последовательность N комплексных чисел x0, ..., xN−1 преобразовывается в
последовательность из N комплексных чисел X0, ..., XN−1 с помощью
дискретного преобразования Фурье по формуле:
(1)
(2)
где n=0, k=0,
N-1.
где i - это мнимая
единица. Обратное дискретное преобразование Фурье задается формулой.
На практике для
выполнения преобразования используется быстрое преобразование Фурье.
Быстрое преобразование Фурье-быстрый алгоритм вычисления
дискретного преобразования Фурье. Согласно этому алгоритму входная
последовательность делится на группы (например, четные и нечетные отсчеты), и
для каждой из них выполняется ДПФ, а затем полученные результаты объединяются.
В итоге получается ДПФ входной последовательности – и существенная экономия
времени [2].
1.3 Технические средства
анализа вибрации
Общая структура систем
измерения и анализа вибрации, будь то технические средства вибрационного
контроля и защиты, вибрационного мониторинга или диагностики, включает в себя
первичные измерительные преобразователи, согласующие устройства, линии связи,
собственно средства анализа, базу данных (в простейшем случае - пороговые
устройства) и средства (программы) обработки информации (см. рисунок 1).
Линии связи
ИП - измерительные преобразователи, УС -
устройства согласования,
АН - анализатор, БД - база данных, СОИ -
средства обработки информации.
Рисунок 1 - Структурная схема
системы измерения и анализа вибрации
В зависимости от задач,
решаемых с помощью приборов или систем измерения и анализа вибрации, к ним
предъявляются различные технические требования. Существующие технические
средства можно классифицировать следующим образом:
а)
средства допускового контроля и аварийной защиты;
б)
индикаторы состояния объектов контроля;
в)
средства вибрационного мониторинга;
г)
средства вибрационной диагностики;
д)
исследовательские приборы и системы.
Все средства измерения и
анализа вибрации используют измерительные вибропреобразователи, причем чаще
других применяются пьезоэлектрические преобразователи виброускорения
(акселерометры), оптические (лазерные) преобразователи виброскорости и
токовихревые преобразователи относительного виброперемещения (проксиметры).
Кроме них для обеспечения синхронных видов анализа вибрации часто используются
либо оптические или токовихревые датчики оборотов, либо датчики тока
(напряжения) синхронных электрических машин, в том числе генераторов
электроэнергии. Для связи вибропреобразователя со средствами
анализа используются линии проводной или беспроводной связи и согласующие
устройства. В простейшем случае это предварительные усилители сигнала. Так, для
пьезоакселерометров в зависимости от характеристик линии связи могут
использоваться предварительные усилители напряжения, заряда или тока, причем
достаточно часто для обеспечения высокой помехоустойчивости средств (особенно
многоканальных) измерения и анализа вибрации предварительные усилители
встраиваются в один корпус с акселерометром. В более сложных случаях
согласующее устройство может выполнять функции предварительной фильтрации
сигнала, в том числе антиалайзинговой, коммутации линий связи, преобразования
сигнала в цифровую форму, а также ряд других.
Собственно анализатор
является основой любого средства измерения и анализа вибрации, и может
существовать как независимое устройство. В последнем случае могут предъявляться
требования к характеристикам входных и выходных сигналов [3].
1.4 Мобильная измерительная
система вибродиагностики
Мобильная измерительная
система вибродиагностики представляет собой комплекс программных и
технических средств, предназначенных для комплексного решения задач
вибрационных исследований и вибродиагностики.
1.4.1 Состав мобильной
измерительной системы вибродиагностики
В состав мобильной
измерительной системы входят портативный прибор, обеспечивающий измерение и
анализ вибрации в тяжелых промышленных условиях (Регистратор-Виброметр),
компьютер с программами мониторинга (Программа регистрации и экспресс обработки
MR-300. ( НПП «МЕРА»), программа обработки и анализа сигналов «WinПОС
-Expert». (НПП «МЕРА») и программа вибродиагностики «Expert-VD» . (НТЦ «Тюме-
ньинжиниринг»), содержащей базу данных и выполняющий ряд операций анализа
сигналов и обработки результатов анализа, а также экспертная или автоматическая
программа диагностики, обрабатывающая полученную диагностическую информацию и
акселерометр.
Рисунок 2 – Структура мобильно-измерительной
системы
Д – Акселерометр- датчик измеряющий
значение виброускорения.
РВ - “Регистратор - Виброметр”- прибор не
выполняющие функций анализа, а только собирающие временные сигналы вибрации.
ПК – персональный компьютер с расширенной
диагностической программой и базой данных.
Функциональные возможности
программ мониторинга приведены в приложение Б.
1.4.2 Принцип работы
“ Регистратор -
Виброметр ” в режим виброметра принимают входные сигналы с акселерометра, интегрирует
полученные значения и преобразуют их в цифровой. Набирает нужное количество
измерений и производит вычисление среднего квадратичного значения виброскорости
отображение на индикаторе.
В режиме регистратора “ Регистратор
- Виброметр ” входные сигналы с акселерометра, преобразуют их в цифровой код и
передают на персональный компьютер. На экране компьютера с помощью программ
спектрального анализа можно просматривать форму сигналов, спектр, кепстр, фазу
и т.д. Фильтрация, интегрирование, детектирование огибающей, вычисление спектра
и другие преобразования осуществляются персональным компьютером.
В режиме регистратора “ Регистратор
- Виброметр ” переходит при нажатии кнопки "Запись". “ Регистратор -
Виброметр ” производит запись сигналов вибродатчика на жесткий диск
персонального компьютера. “Регистратор - Виброметр ” может так же записывать
вибросигналы на Flash-накопитель автономно без персонального компьютера. Всегда
записывается виброускорение.
1.4.3 Описание датчика
Основными
характеристиками вибрации являются вибросмещение, виброскорость и
виброускорение. Процесс преобразования смещения в скорость или скорости в
ускорение эквивалентен математической операции дифференцирования. Обратное
преобразование ускорения в скорость и скорости в смещение называется
интегрированием. Сегодня можно проводить эти операции внутри самих
измерительных приборов и легко переходить от параметров измерения к другим.
На практике, однако,
дифференцирование приводит к росту шумовой составляющей сигнала, и поэтому оно
редко применяется. Интегрирование, напротив, может быть осуществлено с высокой
точностью с помощью простых электрических цепей. Это является одной из причин, почему
акселерометры сегодня стали основными датчиками вибрации: их выходной сигнал
можно легко подвергнуть однократному или двукратному интегрированию и получить
либо скорость, либо смещение. Интегрирование, однако, непригодно для сигналов с
очень низкой частотой (ниже 1 Гц), так как в этой области уровни паразитного
шума чрезвычайно увеличиваются и точность интегрирования падает. Большинство
имеющихся на рынке интеграторов правильно работают на частотах выше 1 Гц, что
достаточно почти для всех приложений, связанных с вибрациями [4].
Вибропреобразователь
типа ВК-310А представляют собой пьезоэлектрический акселерометр с согласующими
усилителями и предназначены для применения в составе аппаратуры
непрерывного вибрационного контроля, защиты и вибродиагностики
турбоагрегатов, питательных насосов двигателей нефтеперекачивающих и
газокомпрессорных станций, вибродиагностики электрических станций и других
объектов.
Вибропреобразователь
ВК-310А - первичный измерительный пьезоэлектрический преобразователь со
встроенным предусилителем.
-
Измеряемый параметр - виброускорение в рабочем
диапазоне частот.
-
На выходе формируется сигнал переменного
напряжения, пропорциональный мгновенному значению виброускорения.
-
Маркировка взрывозащиты 0ExiaIICT5 X.
-
Поставляется со шпилькой М5, магнитом или в
комплекте с изолирующим треугольником по заказу.
-
Подключение через разъем типа РС-4ТВ или BNC, по
заказу - подключение кабелем в металлорукаве через гермоввод.
-
Материал корпуса: алюминиевый сплав.[6]
1.4.4 Корпус устройства “Регистратор
- Виброметр ”
В качаестве корпуса устройства
“Регистратор - Виброметр ” используется малогабаритный корпус фирмы Bopla
(серия BOSS 900). Чертеж корпуса для прибора с указанием основных размеров
представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 - Чертеж корпуса для
прибора
Приборы в таких корпусах
имеют отличный внешний вид и удобны в эксплуатации. Узкая нижняя часть корпуса
позволяет уверенно держать прибор в руках, а в широкой верхней части достаточно
места для дисплея. В корпусе размещаются две платы размером 70x140 мм. Объем
корпуса можно увеличить, установив стандартную 10мм вставку. В корпусе имеется
батарейный отсек для четырех пальчиковых гальванических элементов или
аккумуляторов размера АА. Для корпусов этой серии выпускаются пленочные
клавиатуры (ПК), которые устанавливаются в специальные посадочные места на
лицевой панели. ПК могут быть рекомендованы к применению практически для всей
гаммы приборной продукции. Благодаря клейкой основе на обратной стороне
клавиатуры монтаж занимает считанные секунды. Подключение клавиатуры к печатной
плате осуществляется посредством гибкого шлейфа [7].
1.4.5 Блок питания устройства
“Регистратор
- Виброметр ”
Блок питания прибора
состоит из АБ, зарядного устройства для зарядки аккумуляторов (ЗУ),
преобразователей напряжения DC/DC.
Обобщенная функциональная схема БП
приведена на рисунке 4.
В блоке питания для
зарядки аккумуляторов использован контроллер зарядного устройства MAX713,
который позволяет заряжать никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы. ЗУ на
микросхеме MAX713, представляет собой источник постоянного тока с ограничением
по напряжению и таймером. ЗУ позволяет заряжать как единичный элемент, так и
батарею, состоящую из нескольких аккумуляторов. Число заряжаемых аккумуляторов
программируется через выводы PGM0 (выв.3 DD2) и PGM1 (выв.4 DD2). В описываемом
устройстве микросхема сконфигурирована для зарядки четырех аккумуляторов. Для
этого на вывод PGM0 подано напряжение питания микросхемы (+V), а на вывод PGM1
— напряжение с минусового вывода аккумуляторной батареи (-BATT).
Рисунок 4 - Обобщенная
функциональная схема БП
На микросхеме MAX1626 и
полевом транзисторе собран понижающий ключевой преобразователь напряжения
DC/DC. Микросхема MAX1626 представляет собой высокоэффективный контроллер
понижающего преобразователя с выходным напряжением 3.3В. Работа преобразователя
основана на том, что энергия порциями через низкоомный ключ подается на катушку
индуктивности и накапливается в ней, а далее поступает на конденсатор. При этом
выходное напряжение относительно входного понижается. Контроллер постоянно
отслеживает выходное напряжение преобразователя через вывод «OUT». КПД
преобразователя составляет 90-92%.
На вход преобразователя
может подаваться напряжение от 3 до 14 вольт. Преобразователь работает от
аккумуляторной батареи или от сетевого адаптера во время зарядки аккумуляторов.
Микросхема MAX1626 позволяет построить DC/DC преобразователь с выходным током
до 2 А. Максимальное значение выходного тока устанавливается резистором. В
приведенной схеме максимальная величина тока нагрузки преобразователя равна 400
мА.
В разрабатываемом
приборе, кроме напряжения +3,3 В, понадобятся и напряжение +5В для питания датчика,
устройства согласования, ЖКИ и т.д. Широкое применение в современных
устройствах нашли преобразователи постоянного напряжения на переключающихся
конденсаторах. Они не требуют катушек индуктивности, поскольку в них для
сохранения и передачи энергии используются керамические конденсаторы.
Для получения необходимых дополнительных напряжений, в БП прибора были
предусмотрены стабилизированный повышающий преобразователь напряжения на
микросхеме MAX619 с выходным напряжением +5В [8],[9],[10].
1.4.6 Технические
характеристики устройства “Регистратор-Виброметр ”
Количество каналов, 1;
Количество АЦП в каждом
канале, 1;
Динамический диапазон , 140
дБ (±0.05мкВ ±5В);
Скорость передачи данных
на ПК, 64 Кбайт/с;
Частотный диапазон, 10 -
10000 Гц;
Стандарты разрешение FFT,
1600 и 3200 линий;
Диапазон входных
напряжений измерительного канала, +5В;
Внешний интерфейс, USB
2.0;
Питание прибора, АА
батареи или аккумуляторы, 4 шт.
|