Разработка многоканального online анализатора для исследования вибрации в широком диапазоне частот

 

Барков А. В., Борисов А. А., Грищенко Д. В., Киселев В. Б.

Северо-Западный учебный центр, Санкт-Петербург

Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

 

Современные средства изучения вибрации различных объектов - это, как правило, многоканальные системы измерения вибрации и других параллельных процессов, а также их анализа с последующим выделением и мониторингом контролируемых параметров. Большинство таких систем рассчитано на решение трех типов задач разной сложности – текущего анализа сигналов с контролем измеряемых параметров, принятия оперативных решений и записи первичных сигналов в память для последующего более глубокого изучения.

Самой сложной задачей можно считать принятие оперативных решений, для которых измерение и анализ вибрации должны проводиться в режиме online непрерывно и параллельно. И если эти решения должен принимать оператор, производящий измерения или наблюдающий за ними, результаты online анализа должны быть представлены в удобной для принятия быстрых решений форме.

Многоканальные online анализаторы сигналов с их параллельной записью выпускаются разными производителями, но лишь немногие из них рассчитаны на принятие оперативных решений по совокупности всех измерений и удобны для работы в полевых условиях. Поэтому главной задачей при создании переносного многоканального анализатора стало обеспечение не только параллельного анализа измеряемых сигналов, но и online обработка результатов по всем (или части) измерительным каналам и видам анализа. Результатом такой обработки является мгновенное построение функции всех измерений, отображающей вибрационное (или техническое) состояние объекта в целом, и ее мгновенное визуальное и/или звуковое отображение. Параметры этой функции могут сравниваться с различными порогами, а моменты их выхода за пределы зон допустимых значений (события) регистрироваться и записываться параллельно записи первичных сигналов. Дополнительно решаемой задачей в этом случае становится запись сигналов не непрерывно, а по происходящим «событиям», что резко уменьшает объем хранимой информации и упрощает ее последующий анализ. Ниже рассматриваются особенности полученных при разработке технических решений и возможные области их использования.

 

Структура анализатора

Анализатор состоит из нескольких (от одного до четырех) одинаковых измерительных приборов (сетевых измерителей СИ), см. рис.1, передающих данные в сервер по Ethernet –интерфейсу 100BASE-T, а также устанавливаемой на компьютер программы динамического анализа (рис.1).

Рис.1. Составные части анализатора - многоканальный прибор для измерения и анализа вибрации и других процессов и программа динамического анализа.

Каждый прибор имеет 18 параллельных измерительных каналов, из которых 8 рассчитаны на измерение и анализ переменных электрических сигналов в выбираемом частотном диапазоне (вплоть до 60кГц), в частности сигналов с датчиков вибрации. Еще 8 каналов - на измерение постоянного электрического сигнала, в частности с датчиков температуры, и последние два - на прием синхронизирующих импульсов, в частности с датчика частоты вращения. Первые (основные) 8 каналов имеют переключаемые линейный и ICP входы и обеспечивают питание измерительных ICP преобразователей.

Жесткие требования предъявлены к техническим характеристикам основных измерительных каналов СИ, в частности к их динамическому и частотному диапазонам. Так, максимальная частота дискретизации сигналов составляет 128кГц, т.е. анализ сигналов возможен до частоты порядка 60кГц. В каждом канале независимо сигнал может быть прорежен до частот 51,2; 25,6; 12,8; 5,12; и 2,56кГц. Динамический диапазон измерений составляет не менее 110дБ, для чего в составе СИ используются 24-разрядные аналого-цифровые преобразователи и приняты специальные меры по снижению собственных шумов измерительных каналов.

Каждый из подключенных к сети анализатора СИ формирует свой поток оцифрованных сигналов. Одновременно на сервер могут передаваться сигналы с нескольких (от одного до четырех) СИ. При этом дополнительно каждый СИ непрерывно выполняет необходимые для формирования аварийной сигнализации простейшие виды анализа оцифрованных сигналов, результаты которого также передаются на сервер в том же или отдельном цифровом потоке. Таких видов анализа – два: один, в частотной области - это формирование текущего значения уровня низкочастотной вибрации в стандартной полосе частот, другой, во временной области – формирование текущего значения пиковой мощности импульсной высокочастотной вибрации. Стандартная полоса частот выбирается из следующих возможных: 0,5-250Гц; 2-1000Гц, 10-1000Гц или 10-2000Гц. Высокочастотная импульсная составляющая выделяется из сигнала вибрации стандартным октавным или третьоктавным фильтром.

Программное обеспечение online анализатора обеспечивает несколько функций. Первая - формирование схемы измерений и анализа сигналов, определяющая задействованные измерительные каналы, виды измерений и анализа принимаемых сигналов, обнаруживаемые события, порядок записи данных в память и форму представляемых результатов. В процессе измерения принимаемый сервером цифровой поток распараллеливается на два, один подается в буфер и далее по команде записывается в память компьютера, другой – в программу текущего анализа, результаты которого визуализируются на экране и, при необходимости, также записываются в память компьютера. Программа текущего анализа разбита на три модуля - подготовки данных для анализа по каждому каналу, поканального анализа и параллельного графического отображения и анализа результатов на мониторе. Кроме указанных модулей, могут быть подключены еще два. Первый – сравнения результатов анализа с заданными пороговыми значениями, второй – модуль совместной обработки результатов анализа в выбранной группе каналов.

Программа кроме первичных сигналов позволяет параллельно записывать обнаруженные в модуле сравнения с порогами события, а, при необходимости, и результаты текущего анализа сигналов. При воспроизведении записанных сигналов поиск необходимого отрезка сигнала может вестись по событиям. Более того, для сокращения объема записываемой информации сигналы могут записываться по событиям, с выбором длительности записи до события (из буфера) и после его обнаружения.

Библиотека видов анализа разделяется на две части – модули online и offline анализа сигналов. По мере развития возможностей анализатора расширению подлежит, в первую очередь, библиотека модулей offline анализа, доступного для исследования предварительно записанных сигналов.

 

Возможности анализатора

Анализатор рассчитан, прежде всего, на исследование вибрации и других процессов в управляемых объектах повышенной сложности и опасности, т.е. на совместное решение задач исследований и оптимального управления объектом во время их проведения.

Возможность оптимального управления объектом при проведении исследований обеспечивается следующими факторами:

• online анализом вибрации и других сигналов с выводом на монитор текущих значений контролируемых параметров по объекту в целом и по каждой точке контроля в отдельности,
• параллельным непрерывным контролем вибрационного состояния объекта и сигнализацией при появлении опасных изменений,
• возможностью online регистрации опасных изменений в других протекающих в объекте процессах.

Возможность проведения глубоких исследований вибрации и других процессов определяется следующими факторами:

• большим количеством параллельных измерительных каналов вибрации (и других процессов) с возможностью длительной записи сигналов для последующего анализа,
• широкими частотным и динамическим диапазонами измерительных каналов,
• возможностью регистрации различных «событий» в процессе записи сигналов с последующей навигацией «по событиям».

Возможность проведения исследований и испытаний сложных объектов определяется следующими дополнительными факторами:

• реализацией анализатора в виде группы приборов в общей измерительной сети с синхронным измерением вибрации удаленных друг от друга объектов,
• записью сигналов по редким событиям при проведении длительных испытаний,
• возможностью организации автономного питания анализатора и беспроводной измерительной сети.

В качестве примера реализации части из указанных возможностей на рис 2 приведена типовая форма представления результатов анализа вибрации при выборе оптимального режима работы агрегата в процессе его виброналадки.

 

Рис 2. Результаты online анализа сигналов по 16 параллельным каналам с построением «обобщенного» спектра вибрации объекта в целом.

В верхнем окне монитора отображается спектр вибрации, но не в конкретной точке контроля, а сформированный из 16 параллельно измеряемых спектров таким образом, что в каждой его частотной полосе отображается максимальная по всем точкам контроля амплитуда составляющей вибрации. В окнах нижнего ряда приводятся спектры вибрации в одной из 16 точек с возможностью переключения, уровни вибрации во всех точках в стандартной полосе частот и зависимость частоты вращения от времени, получаемой с датчика частоты вращения.

Время реакции анализатора на изменение состояния агрегата определяется частотным разрешением измеряемого спектра, начиная с нижней границы в 1/4 секунды, позволяющей оператору реагировать на обнаруживаемое изменение

Другой пример определяется возможностями многоканальных синхронных измерений сигналов, в разной области частот. Так, на рис. 3 приведены форма одновременно измеряемых сигналов низкочастотной вибрации и огибающей ультразвуковой вибрации (акустической эмиссии). Их сопоставление позволяет связать процессы силового воздействия на контролируемую колебательную систему и формирования сигналов акустической эмиссии, существенно увеличивая помехоустойчивость измерений эмиссии путем их синхронного накопления. При этом следует особо отметить, что измерения и низкочастотной, и ультразвуковой вибрации выполнялись одними и теми же измерительными преобразователями. Такая возможность определяется широким частотным и динамическим диапазонами, как измерительных преобразователей, так и сетевых измерителей.

Рис.3. Форма низкочастотной вибрации (виброперемещения) металлической конструкции под действием внешней колебательной силы и огибающей виброускорения на ультразвуковых частотах около 50кГц (акустической эмиссии), измеряемых в двух разных точках, характеризующихся разным старением металла. В зоне повышенного старения отчетливо видны синхронные с виброперемещением компоненты импульсного виброускорения.

Подобный достаточно сложный анализ выполнен с использованием режима предварительной многоканальной записи сигналов и последующей их обработки в режиме offline. Кроме использования входящей в состав анализатора и развивающейся библиотеки видов offline анализа сигналов, имеется возможность использования внешних анализирующих программ. Для этого при предоставлении формата входных данных могут быть разработаны соответствующие конверторы записываемых анализатором данных.

Важнейшим направлением изучения сигналов вибрации с использованием разрабатываемого анализатора является анализ нелинейных моделей их формирования. Такие модели определяются, как правило, нелинейными процессами формирования колебательных сил, а не нелинейностью среды, в которой распространяется вибрация, и чаще всего представляют собой аддитивно-мультипликативную смесь составляющих разной частоты. Соответственно часть алгоритмов анализа сигналов вибрации, используемых в анализаторе, включают операции разделения и демодуляции составляющих разной физической природы.

 

Выводы

1. Разрабатываемый многоканальный анализатор обеспечивает параллельный анализ сигналов вибрации с возможностью online оценки вибрационного состояния объекта в целом, обнаружения «событий», запись сигналов по событиям и последующий offline анализ записанных сигналов.

2. Анализатор может быть использован и для исследования сигналов другой физической природы, а также для обеспечения независимой аварийной сигнализации по вибрации и другим процессам во время проведения исследований и испытаний объекта.

3. Анализ сигналов в режиме offline анализа может выполняться с помощью любых внешних анализаторов сигналов, собственная библиотека таких программ в анализаторе расширяется по мере совершенствования его функций.

Литература.

1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7т. Под общей редакцией В.В.Клюева. Т. 7: В 2 кн. Кн. 2: Ф.Я. Балицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова и др. Вибродиагностика, - М.: Машиностроение, 2005. – 829с.

2. НОУ «Северо-Западный учебный центр»: [Электронный ресурс]. СПб, URL: http://www.vibro-expert.ru.

3. Системы сбора и обработки информации серии PULSE»: [Электронный ресурс]. М.,

URL: http://bruel.ru/UserFiles/File/What_is_PULSE_clear_vers.pdf