BRPI0307757B1 - processo e instalação para a detecção de uma ação mecânica pulsativa sobre uma parte de uma instalação - Google Patents

Abstract

"processo e instalação para a detecção de uma ação mecânica pulsativa sobre uma parte de uma instalação". a presente invenção refere-se a um processo e uma instalação para a detecção de uma ação mecânica pulsativa sobre uma parte de instalação (2), no qual o ruído operacional existente na parte de instalação (2) é abrangido continuamente com um sensor (4) disposto na parta da instalação (2) e é por este convertido em um sinal de medida (m). de acordo com a invenção o sinal de medida (m) é submetido a uma transformação de fourier. a partir de uma multiplicidade de espectros de valores estabelecidos desta forma é derivada uma função de avaliação (k) que indica o aparecimento de uma ação mecânica pulsativa sobre a parte da instalação (2).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO E INSTALAÇÃO PARA A DETECÇÃO DE UMA AÇÃO MECÂNICA PULSATIVA SOBRE UMA PARTE DE UMA INSTALAÇÃO".

[001] A presente invenção refere-se a um processo e a uma instalação para a detecção de uma ação mecânica pulsativa sobre a parte de uma instalação.

[002] Em uma multiplicidade de casos de utilização é necessário supervisionar continuamente a operação regular de parte de uma instalação, por exemplo de uma linha tubular da técnica de procedimento química ou de uma máquina-turbo, a fim de reconhecer, a tempo, as perturbações e evitar a consequência de danos graves. Para uma tal supervisão são conhecidos uma multiplicidade de processos no atual estado tecnológico.

[003] No documento EP 0 765 466 B1 foi por exemplo proposto realizar a supervisão de vibrações das pás de turbinas com auxílio de microondas dirigidos no sentido das pás da turbina. Em função da modulação das microondas refletidas nas pás da turbina, pode ser concluído o estado de vibração da turbina.

[004] No processo conhecido do documento DE 198 57 552 A1 a fratura do eixo de uma turbina é detectada por meio de medição das frequências de rotação nas extremidades do eixo.

[005] No documento DE 198 43 615 C2 é proposto realizar o estado de uma instalação de combustão interna com auxílio da análise de espectro de frequência dos sinais de medição recebidos pelo sensor sonoro disposto na região de entrada de ar ou na região do gás de descarga.

[006] No documento DE 197 27 114 C2, na supervisão de uma máquina são captados, em lugar da sonoridade do ar, os sinais sonoros que se estabelecem no corpo. Mas também neste processo co- nhecido são sempre analisados os sinais de medição dos espectros de frequência captados pelo sensor acústico do corpo.

[007] Também no processo revelado no documento DE 195 45 008 C2 é analisado o espectro de frequência do sinal de medição captado por exemplo por um sensor de aceleração e comparado com um espectro de frequências de referência.

[008] A fim de constatar a penetração de partículas estranhas em uma turbina a gás, é, de acordo com o documento US 4.888.948, disposto um sensor na entrada da turbina, com auxílio do qual é captada uma carga elétrica induzida pelos corpos estranhos.

[009] Um problema especial é representado pelas partículas soltas conduzidas pelo fluxo e que se chocam com a parte da instalação e que originam somente efeitos de impulsos de pequena duração e cuja comprovação segura é correspondentemente problemática.

[0010] Tais problemas podem estabelecer-se, por exemplo, em turbinas a gás, cuja câmara de combustão é revestida com azulejos de cerâmica como proteção para superaquecimento. Estes azulejos de cerâmica são fortemente solicitados dinamicamente por oscilações causadas por variações de pressão que se estabelecem na câmara de combustão. Então pode ocorrer que fragmentos de azulejos se soltem das fixações correspondentes, sejam arrastados pelo fluxo dos gases de descarga e se choquem com a primeira fileira de pás-guia da turbina a gás. Isto pode originar danos no revestimento das pás-guia e provocar uma destruição das pás de deslocamento dispostas atrás. Além disso existe o perigo de que, devido a soltura de partículas parciais, o azulejo já danificado se solta totalmente da sua fixação, o que pode resultar em dano maciço na turbina a gás. Neste caso o choque de pequenas partículas soltas ou de um azulejo individual, induz uma ru-tura total eminente de um ou de vários azulejos, de modo que um deslizamento em tempo hábil da turbina a gás, assim como uma troca dos azulejos danificados também em tempo hábil, impede danos maiores.

[0011] Para a supervisão de tais choques sobre uma parte da instalação é basicamente conhecido, a partir do documento WO 01/75272 A2, captar a sonoridade do choque que se origina no corpo através de sensores apropriados. Neste caso ocorre, sobretudo em turbinas a gás, o problema de que os ruídos operacionais são tão elevados que a parcela de sinal no sensor originado pelo choque de um azulejo inteiro sobre a pá-guia da turbina a gás é menor que os ruídos de fundo originados pelo ruído operacional normal, de modo que sobretudo o choque de partículas menores não pode ser detectado pela simples supervisão das amplitudes de sinais sonoros do corpo. Para melhorar a razão sinal/ruído é previsto neste documento que o sinal de medição captado por um receptor do valor da medida seja submetido a uma filtragem passa-alta, afim de eliminar, desta forma, os sinais sonoros no corpo no caso de uma operação normal da turbina.

[0012] A invenção tem, portanto como base a tarefa de indicar um processo para a detecção de uma ação mecânica pulsativa sobre uma parte da instalação, melhorado em comparação com o processo conhecido no atual estado tecnológico. Além disso, a invenção tem por base a tarefa de indicar uma instalação para a realização do processo.

[0013] A tarefa citada inicialmente é por um processo para a detecção de uma ação mecânica pulsativa sobre uma parte da instalação, um ruído operacional existente na parte da instalação é captado continuamente por um sensor disposto na parte da instalação e por esta é convertido em um sinal de medida. De acordo com a invenção estão previstas as seguintes etapas de processo: a) em segmentos temporais, de preferência parcialmente superpostos entre si e sucessivos, é determinado, em frequências pré-estabelecidas, o valor do espectro de frequências do sinal de medição; b) para cada segmento parcial e para cada uma das frequências pré-estabelecidas é determinado o desvio do valor a partir de um valor médio; c) a partir dos desvios determinados com relação as frequências pré-estabelecidas é derivada uma função para cada segmento temporal; d) a função de avaliação é comparada com um valor limite e a ultrapassagem do valor limite é considerada como índice para a presença de uma parte de sinal pul-sativo indicativo de ação mecânica.

[0014] Neste caso a invenção se baseia no fato de que o aparecimento de um acontecimento transiente (sonoridade pulsativa de corpo originada por choque) no espectro de frequência do sinal de medição captado diretamente pelo sensor é mais fácil de ser reconhecido do que no sinal de medição propriamente dito. Como além disso o espectro de frequência atual é comparado com um espectro de frequências médio para uma multiplicidade de frequências, os valores anormais estatísticos são amplamente suprimidos e a sensibilidade do processo é aumentada correspondentemente.

[0015] Desta forma é possibilitada uma detecção segura também de fragmentos menores de modo que, por exemplo, no caso da supervisão de uma turbina a gás podem ser evitados com isso danos maiores e o início de um descolamento total de azulejos reconhecido por uma soltura inicial de pequenos fragmentos permite trocar, em tempo hábil, os azulejos danificados antes que eles se soltem totalmente e provoquem danos sérios à turbina a gás.

[0016] De acordo com uma outra constituição da invenção o valor médio para cada uma as frequências pré-estabelecidas a partir dos valores estabelecidos nos diversos segmentos temporais é determinado por uma constituição do valor médio temporal deslizante. Com isso ocorre uma adaptação do espectro de frequências médio utilizado para comparação as situações operacionais que se alteram lentamente no tempo, por exemplo no caso do surgimento de um zumbido na turbina a gás.

[0017] De acordo com uma outra constituição preferida da invenção é determinado para cada uma das frequências pré-estabelecidas e para uma multiplicidade de segmentos temporais sucessivos, o desvio padrão de valores do valor médio e com este o desvio do valor com relação ao valor médio. Deste desvio é, em seguida, para cada segmento temporal, formado um valor de parâmetro atual através da formação da soma dos valores quadráticos de cada desvio normalizado das frequências predeterminadas e que serve como função de avaliação.

[0018] Sobretudo é derivado através de diversos segmentos temporais, um valor de parâmetro médio deslizante e a função de avaliação é determinada a partir da diferença entre o valor de parâmetro médio e o valor de parâmetro atual. Com isso a sensibilidade do processo, ou seja, o espaçamento entre o sinal útil e o fundo de ruído é mais uma vez aumentado claramente.

[0019] Para uma nova ilustração da invenção é feita referência ao desenho. São mostrados: [0020] figura 1, um exemplo de realização para uma instalação de acordo com a invenção, mostrado em um diagrama de princípio es-quemático, [0021] figura 2, um diagrama onde está registrado o ruído operacional captado pelo sensor na ausência de uma ação estranha, com relação ao tempo, [0022] figura 3, um diagrama, no qual é registrado o sinal de medição captado pelo sensor, correspondente a uma ação mecânica pulsa-tiva com a turbina em repouso, [0023] figura 4, um diagrama onde é registrada a superposição parcial do sinal de medição de acordo com a figura 3 e o ruído operacional normal de acordo com a figura 2, com relação ao tempo, [0024] figura 5, o espectro do ruído operacional normal de uma turbina a gás, [0025] figura 6, a variação temporal do espectro em um diagrama de queda d’água, [0026] figura 7, um diagrama simplificado, onde o sinal de medição é registrado com alta resolução temporal em função do tempo, [0027] figura 8, um diagrama no qual o valor do espectro de frequência estabelecido a partir do sinal de medição através de uma rápida transformação de Fourier é registrado com uma frequência pré-estabelecida, em função do tempo, [0028] figura 9, um diagrama, no qual é registrado o valor médio temporal deslizante dos valores do espectro em uma frequência pré-estabelecida e em função do tempo, [0029] figura 10, a variação temporal de uma função de avaliação derivada da análise de sinal de acordo com a invenção.

[0030] De acordo com a figura 1 estão aplicados em uma parte da instalação 2, por exemplo uma turbina a gás, uma multiplicidade de sensores 4, sobretudo sensores de aceleração elétricos, que abrangem continuamente o ruído operacional que existem na parte da instalação 2 e que se propagam em forma de sonoridade no corpo da instalação. Os sensores 4 convertem os sinais sonoros do corpo em um sinal de medida que é amplificado em um pré-amplificador 6 e é retransmitido adiante para um multiplexador-conversor-analógico-digital 8 que está conectado em uma memória digital 10. Cada sinal de medida M amplificado e aplicado é digitalizado, interarmazenado e reconduzido para uma instalação de computação 12 para novo processamento, onde é implementado o algoritmo de avaliação de acordo com a invenção.

[0031] A instalação de computação 12 contém, para cada canal, um processador para uma rápida transformação de Fourier FFT dos dados retransmitidos pelo conversor digital/analógico 8 assim como um armazenador em anel para a armazenagem de um número N de espectros determinados pela transformação de Fourier. A partir das chamadas discretas transformadas de Fourier é estabelecida, para cada canal e após um algoritmo implementado na instalação de computador 12 e ilustrado em seguida com mais detalhes, uma função de avaliação K (t) dependente do tempo, que é comparada, em uma instalação de comparação 14, com um valor limite K0 predeterminado. Uma ultrapassagem do valor limite K0 serve como índice para a presença de uma parcela de sinal pulsativa provocada por ações mecânicas transientes e gera um sinal Trigger S correspondente. O sinal Trigger S é conduzido para um registrador de transientes 16, no qual os dados estabelecidos na instalação de computação 12 são conjugados a uma janela temporal e são retransmitidos adiante para um computador de avaliação 18 afim de possibilitar, junto com este, uma análise posterior.

[0032] A figura 2 mostra o sinal de medida (sinal de fundo M0) captado por um sensor 4 e amplificado, para um intervalo de tempo de cerca de 6,5 seg. A figura mostra que o ruído operacional normal atinge uma amplitude entre 50 e 100 g.

[0033] Na figura 3 é registrado em um diagrama o sinal de medição (sinal útil M-ι) em função do tempo, originado pelo choque de um azulejo contra uma pá-guia da turbina de gás, com o estator parado, ou seja, na ausência do ruído operacional normalmente presente. O diagrama mostra que a amplitude deste sinal útil Mi é nitidamente menor do que a amplitude do sinal de fundo M0 de acordo com a figura 2.

[0034] A figura 4 mostra agora o sinal de medida M no caso em que o sinal de fundo M0 e o sinal útil Mi estiverem sobrepostos. Com base nesta figura observa-se que uma supervisão de amplitude do sinal de medição M não é suficiente no sentido de detectar com segurança a ocorrência de um choque.

[0035] A figura 5 mostra o espectro de frequência típico A (f) dos ruídos operacionais que aparecem em uma turbina a gás. Observa-se na figura que no espectro A (f) aparecem, ao lado de um ruído de fundo, linhas significativas (TLAI-f-ι,....) que correspondem às frequências fundamentais fi das pás de rotação dependentes do número de rotações e respectivamente aos harmônicos múltiplos f2,3 das mesmas.

[0036] O diagrama de queda d’água de acordo com a figura 6 mostra que o espectro de frequências A (f) fica por seu lado sujeito a oscilações e é variável em função do tempo. Em outras palavras isto significa que não somente a amplitude do ruído operacional da turbina a gás mas também a sua composição especial ficam sujeitos a oscilações temporais, o que dificulta uma detecção de partes de frequência originadas do sinal útil.

[0037] Na figura 7 é ilustrado, com base em um diagrama de princípio, a primeira etapa de procedimento implementado na unidade de computador 12 (figura 1). O sinal de medida digitalizado M com alta razão de cadência (representado de forma analógica na figura por motivos de clareza) é armazenado para um segmento temporal At sendo que o segmento armazenado desta forma é submetido a uma rápida e discreta transformação de Fourier. Após uma etapa temporal ôt o segmento é atualizado e com um segmento temporal parcialmente sobreposto At de mesmo comprimento é novamente submetido a uma transformação de Fourier. Tipicamente At = 50 ms e ôt = 6 ms.

[0038] A figura 8 é mostrada a variação temporal do valor A para uma frequência f, pré-estabelecida. Observa-se nesta figura que o valor A (fj) nesta frequência f, predeterminada varia em função do tempo. O intervalo temporal ôt registrado na figura representa a etapa temporal no qual é atualizada a rápida transformação de Fourier. De acordo com a invenção é determinado, para uma multiplicidade N de frequências f, predeterminadas ou para faixas de frequência e em etapas temporais ôt sucessivos para os segmentos temporais sobrepostos parcialmente At, o valor conjugado A (t, f,) com t = to + Kôt, onde k é um número natural.

[0039] O valor atual A (t, f,) obtido desta forma é agora subtraído, de acordo com a figura 9, de um valor médio à (f,) formado para esta frequência f,. No valor médio à (f,) pode tratar-se de um valor temporal constante, firmemente pré-estabelecido, como mostra o diagrama de traço-ponto registrado. É especialmente vantajoso calcular como valor médio um valor médio temporal deslizante, calculado a partir de uma multiplicidade n de valores precedentes. Com isso podem ser compensadas variações lentas do ruído operacional da turbina a gás como por exemplo o início de zumbido.

[0040] O valor diferencial calculado desta forma é agora dividido pelo desvio padrão D (t, f,) é um desvio normalizado do valor à com relação ao valor médio Ã.

[0041] Para a determinação do desvio padrão s (f,) são avaliados os valores A n de espectros precedentes. Em outras palavras: o desvio padrão s(fj) é atualizado continuamente com auxílio de n medições precedentes. Alternativamente a isto o desvio padrão s (f,) pode ser determinado uma vez para cada frequência f, em uma "calibragem" e armazenada em forma de constante específica de frequência.

[0042] Em uma constituição vantajosa o desvio normalizado D (t, f,) é mediado adicionalmente em uma região de frequências fj_L, fj. L+i,...fi+L, sendo determinado pela igualdade [0043] Esta etapa adicional de calculo conduz a uma redução da altura e da largura de oscilação do desvio normalizado nas regiões nas quais estão presentes somente sinais de fundo. O sinal útil-partes não é modificado significativamente através da mediação na região de frequências pelo fato de que elas sempre aparecem concentradas em torno de linhas de frequência vizinha. Por meio desta providência ocorre mais uma vez uma melhora da relação-sinal-ruído de fundo de 10 a 15 dB.

[0044] O desvio normalizado determinado e normalizado desta forma D (t, f,) ou D (t, f,) é elevado ao quadrado e é somado através de todas as frequências discretas f,: (a) OU (b) [0045] Desta soma S(t) é agora derivado um valor de parâmetro K(t) através da raiz: [0046] Este valor serve como função de avaliação para a ocorrência de um choque. Alternativamente a isto pode ser formada também como função de avaliação também a diferença entre o valor de parâmetro K (t) e um valor médio temporal deslizante K (t) deste valor de parâmetro K (t) B (t) = K(t) - K (t) [0047] e tomado como grandeza característica para a ocorrência de um choque.

[0048] A função de avaliação K (t) obtida desta forma e com auxílio do desvio médio normalizado d_ (igualdade(b)) está registrado na figura 10 em função do tempo t. Com base na grande escala temporal (ôt « 1s) resulta uma variação contínua na representação. Na figura pode ser agora observado que a função de avaliação apresenta um máximo significativo em t = 4,2 s, de modo que a ocorrência de um acontecimento pulsativo pode ser reconhecido com segurança. Um valor limite K0 correspondente pode ser colocado de forma escassa sobre o nível de ruído de fundo. A distância ganha, pelo processo de acordo com a invenção, entre o sinal útil e o ruído de fundo é de 25-30 dB no exemplo representado. LISTAGEM DE REFERÊNCIAS 2 Parte da instalação 4 Sensor 6 Pré-amplificador 8 Multiplexador 10 Conversor-Analógico/Digital 12 Instalação de computador 14 Instalação de comparação 16 Registrador de transientes 18 Computador de avaliação M Sinal de medida M0 Sinal de ruído de fundo Mi Sinal útil K Valor do parâmetro t Tempo At Segmento temporal ôt Etapa temporal A Valor f. Frequência à valor médio REIVINDICAÇÕES

Claims (10)

1. Processo para a detecção de uma ação mecânica pulsa-tiva sobre uma parte de uma instalação (2), onde um ruído operacional presente na parte da instalação (2) é captado continuamente por um sensor (4) disposto na parte de instalação (2) e é por este convertido em um sinal de medida M, caracterizado pelas seguintes etapas: a) ao longo de segmentos temporais (At) sucessivos no tempo é determinado, para frequências predeterminadas (f,), o valor A do espectro de frequências do sinal de medida, b) para cada segmento temporal (At) e para cada uma das frequências predeterminadas (f,), é determinado o desvio do valor (A) a partir de um valor médio (Ã) c) a partir dos desvios determinados para cada uma das frequências (f,) pré-estabelecidas, é derivada para cada segmento temporal uma função de avaliação (k) única, comum para todas as frequências (fi), sendo que cada desvio realiza uma contribuição para a função de avaliação (K), d) a função de avaliação (k) é comparada com um valor limite (k0) e a ultrapassagem do valor limite (K0) é utilizada como indício para a existência de uma parte de sinal pulsativo (sinal útil M-ι) indicador da ação mecânica.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os segmentos temporais (At) se sobrepõem parcialmente.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o valor médio (Ã) para cada uma das frequências precedentes é determinada a partir dos valores (A) estabelecidos em diversos segmentos temporais (At) por intermédio de uma formação de valor médio deslizante em função do tempo.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que, e) para cada uma das frequências (f,) predeterminadas para uma multiplicidade de segmentos temporais (At) sucessivos é determinado o desvio padrão de valores a partir do valor médio e com este é determinado o desvio normalizado dos valores a partir do valor médio, e f) a partir deste e para cada segmento temporal (At) é formado um valor de parâmetro atual por meio da formação da soma de valores quadráticos de cada desvio normalizado através de cada uma das frequências pré-estabelecidas, g) a partir do qual é derivada a função de avaliação (k).

5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que através de diversos segmentos temporais é derivado um valor de parâmetros médios deslizantes, sendo a função de avaliação formada a partir da diferença entre o valor de parâmetro médio e o valor de parâmetro atual.

6. Instalação para a detecção de uma ação mecânica pul-sativa sobre uma parte de instalação (2), com pelo menos um sensor (4) disposto na parte de instalação, para a captação contínua e a medida de um ruído operacional existente na parte de instalação (2), assim como um conversor-A/D (10) ligado após o sensor (4) ou os sensores (4) para a digitalização dos sinais de medida captados pelo sensor e para o encaminhamento dos sinais de medida digitais para uma instalação de computador (12), caracterizada pelo fato de que realiza as seguintes etapas: a) estabelecimento do valor (A) do espectro de frequência do sinal de medida (M) em segmentos temporais sucessivos no tempo (At) em frequências (f,) predeterminadas, b) determinação do desvio dos valores de um valor médio (Ã) para cada segmento temporal (At) e para cada uma das frequên- cias predeterminadas (f,), c) derivação de uma função de avaliação (k) única comum para todas as frequências (f,) a partir dos desvios para cada uma das frequências predeterminadas (f,), para cada segmento de tempo (At), sendo que cada desvio realiza uma contribuição para a função de avaliação (K), d) comparação de função de avaliação (k) com um valor limite (k0) e encaminhamento de um sinal de alarme (S) no caso de ultrapassagem do valor limite (k0).

7. Instalação de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que estão previstos segmentos temporais (At) sobrepostos.

8. Instalação de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizada pelo fato de que o valor médio (Ã) para cada uma das frequências predeterminadas (f,) é determinado por intermédio de um valor médio temporal deslizante, a partir dos valores (A) determinados nos diversos segmentos temporais (At).

9. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizada pelo fato de que apresenta um algoritmo implementado na instalação de computador (12) para e) determinar o desvio padrão dos valores (A) do valor médio (Ã) para cada uma das frequências predeterminadas (f,) para uma multiplicidade de segmentos temporais sucessivos (At) e a determinação de um desvio normalizado dos valores (A) a partir do valor médio (Ã) através da divisão do desvio pelo desvio padrão, f) derivação de um valor de parâmetro atualizado para cada segmento temporal através da formação da soma dos valores quadráticos de cada desvio normalizado através de cada uma das frequências predeterminada e para g) obter a função de avaliação (k) a partir do valor de pa- râmetro atual.

10. Instalação de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o algoritmo nela implementado forma um valor de parâmetro médio deslizante e, através da diferença entre o valor do parâmetro médio e do valor atual do parâmetro é obtida a função de avaliação (k).