BRPI0706274A2 - processo e dispositivo para detectar a localização de um efeito mecánico do tipo de pulso sobre uma parte de sistema - Google Patents

Abstract

PROCESSO E DISPOSITIVO PARA DETECTAR A LOCALIZAçãO DE UM EFEITO MECáNICO DO TIPO DE PULSO SOBRE UMA PARTE DE SISTEMA. A presente invenção refere-se a um processo e dispositivo para detectar a posição de um efeito mecânico pulsante sobre um componente de planta (2), de acordo com o qual um ruído operacional no componente de planta (2) é continuamente gravado por uma pluralidade de sensores (4~s~) que são dispostos sobre o componente de planta (2) e convertidos pelo acima em um sinal medido (M~s~), os ditos sinais medidos dos sensores passando por uma transformação em uma primeira janela de tempo (<30>t~2~). Uma primeira função de avaliação (K~i ~,~s~) é derivada de uma pluralidade de primeiras transformações determinadas da dita maneira, as funções de avaliação exibindo a aparência do efeito mecânico pulsante sobre um componente de planta (2). De acordo com a invenção, ao detectar um efeito subseqúente à segunda janela de tempo mais curta (At2) tendo os mesmos algoritmos, segundas transformadas e respectivamente, segundas funções de avaliação (K~2~,~s~) são derivadas, das quais, respectivamente, um ponto de tempo (t~s~) determinado, no qual o sinal de som produzido pelo efeito de impactos sobre o sensor (4~s~). A partir dali, diferenças de tempo corrente produzidas entre os sensores (4~) podem ser exatamente reconstruidas sobre a posição do efeito.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOE DISPOSITIVO PARA DETECTAR A LOCALIZAÇÃO DE UM EFEITOMECÂNICO DO TIPO DE PULSO SOBRE UMA PARTE DE SISTEMA".

A presente invenção refere-se a um processo e de um dispositi-vo para detectar a localização de um efeito mecânico do tipo de pulso sobrea parte de um sistema.

Há uma necessidade em uma multiplicidade de aplicações demonitorar continuamente o correto funcionamento de uma parte de sistema,por exemplo de um oleoduto ou de um recipiente em uma técnica de proces-so químico ou de uma máquina de fluxo de fluido, de maneira a detectar per-turbações em tempo satisfatório e evitar sério dano conseqüente. Uma mul-tiplicidade de processo para a dita monitoração são conhecidos da técnicaanteriormente existente.

O documento EP O 765 466 B1 propõe, por exemplo, empreen-der a monitoração das vibrações das lâminas de turbina com o auxílio demicroondas que são dirigidas sobre as lâminas de turbina. Conclusões po-dem ser chegadas a partir do estado de vibração da turbina a partir da mo-dulação das microondas refletidas nas lâminas da turbina.

No processo conhecido da DE 198 57 552 A1, a ruptura do eixode uma turbina é detectada pelo medir as freqüências de rotação nas extre-midades do eixo.

É proposto no DE 198 43 615 C2 efetuar a diagnose do estadode um acionamento de combustão com o auxílio de uma análise do espectrode freqüência dos sinais de medição que são captados com o auxílio de umpick-up de som disposto na região de admissão de ar ou região de gás deescape.

No documento DE 197 27 114 C2, uma máquina é monitoradapelo detectar os sinais de som suportados pela estrutura colidindo com amesma, em vez do ruído de ar. Neste processo conhecido, igualmente, háuma análise dos espectros de freqüência respectivamente determinado pelopickup de som suportado pela estrutura.

No caso do processo exposto no documento DE 195 45 008 C2,igualmente, o espectro de freqüência do sinal de medição detectado por umsensor de monitoração, por exemplo um pickup de aceleração, é analisadodurante a operação da máquina e comparado com um espectro de freqüên-cia de referência.

Uma análise do espectro de freqüência dos sinais de som supor-tados pela estrutura captados em uma turbina é também empreendida nocaso do processo exposto no US 6 301 572 B1. Para este fim, as transfor-madas de Fourier do sinal de medição são analisadas em uma rede neutracom o auxílio de regras de fuzzy rodic, para desta maneira obter informa-ções relacionadas com o estado da turbina.

Um problema específico é representado por partes soltas quesão arrastadas pelo fluxo e colidem com a parte de sistema e que causamsomente um efeito de curto prazo, tipo pulso, que é correspondentementeproblemático para demonstrar confiavelmente.

É proposto no GB 2288235 detectar a ocorrência de partes sol-tas que são arrastadas em um meio circulante por intermédio das vibraçõesproduzidas quando as partes colidem com uma parte do sistema. Para estafinalidade, um pickup de som é disposto sobre a parte do sistema e os sinaisde medição gerados pelo mesmo são alimentados a uma rede neutra adap-tável que pode decidir com o auxílio das configurações ocorrendo caso umruído de fundo normal se encontre ou não presente.

Os problemas associados com a ocorrência de partes soltas emum meio circulante podem, por exemplo, se apresentar com turbinas de gás,as câmaras de combustão das quais são internamente revestidas de Iadri-lhos de cerâmica para proteção contra superaquecimento. Estes Iadrilhos decerâmica são submetidos a altas cargas dinâmicas pelo alternar flutuaçõesde pressão ocorrendo na câmara de combustão. Pode ocorrer neste casoque partes dos Iadrilhos sobre as respectivas câmaras desprendidos, sejamarrastadas pelo fluxo do gás de escape e colidam com a primeira carreira delâmina-guia. Isto pode resultar em dano ao revestimento das lâminas guias,e na destruição das lâminas moveis dispostas para trás. Outrossim, existe orisco de um Iadrilho já danificado pelo se desprender de partes se tornarcompletamente destacado dos recipientes e possivelmente causando cor-respondente dano maciço na turbina de gás. Neste caso, a ocorrência depequenas partes soltas ou um Iadrilho individual indicar um desprendimentototal iminente de um Iadrilho ou de um número de ladrilhos, e assim desli-gamento da turbina em tempo e a troca dos ladrilhos danificados em temposatisfatório previne dano.

Para poder determinar a intrusão de partes estranhas em umaturbina de gás, no 4 888 948 é previsto na entrada da turbina um sensor como auxílio do qual uma carga elétrica induzida pelos corpos estranhos é de-tectada.

É também conhecido em princípio do WO 01/75272 A2 para ofim de monitorar os ditos impactos sobre uma parte do sistema para fazeruso de sensores apropriados para detectar o impacto por intermédio de somsuportado pela estrutura desse modo produzido, exatamente como no casodo processo conhecido da GB 2288235. Todavia, particularmente no casode turbinas de gás, o problema se apresenta aqui de que os níveis normaisde ruído operacional são tão elevados que mesmo o componente de sinalgerado no sensor pelo impacto de um Iadrilho inteiro sobre a lâmina guia daturbina de gás é menor que o fundamento gerado pelos ruídos operacionaisnormais, e assim, particularmente, a ocorrência de partes relativamente pe-quenas não pode ser detectada pelo simplesmente monitorar as amplitudesdos sinais de som suportados pela estrutura. Por conseguinte, é propostonesta publicação para o fim de aperfeiçoar a relação de sinal para ruídosubmeter o sinal de medição captado por um sensor de medição para pas-sagem de banda ou filtragem de passagem alta para desta maneira eliminaros sinais de som suportados pela estrutura produzidos em operação normalda turbina.Estas medidas, todavia, não são suficientes para identificar confi-avelmente um evento do tipo de pulso no caso de altos ruídos de fundo quevariam temporalmente.

É conhecido do WO 03/071243 A1 um processo para detectarum dispositivo mecânico do tipo de pulso sobre uma parte de sistema nocaso do qual sinal de som suportado pela estrutura detectado é submetido auma transformador Fourier de janela. Os algoritmos nele explanados emmaior detalhe são usados para derivar de uma multiplicidade de espectrosFourier determinados desta maneira uma função de avaliação K que indica aocorrência de um efeito mecânico do tipo de pulso sobre a parte do sistema.

Os algoritmos, especificados nesta publicação, para derivar a função de ava-liação K habilitam a detecção exata de um componente de sinal que é su-perposto sobre o sinal de medição ruidoso e é para ser atribuído a um efeitodo tipo de pulso.

Particularmente no caso de partes de sistema de grande volumetendo uma multiplicidade de componentes instalados no seu interior, adicio-nalmente às informações de que um efeito mecânico de tipo de pulso nãopertencente ao ruído de operação normal ocorreu, é também importante de-terminar a locação em que este efeito ocorreu na parte do sistema. É conhe-cido em princípio para esta finalidade monta ruma pluralidade de sensoresem diferentes locações sobre a parte do sistema, e inferir a locação do efeitoresultante das diferenças de tempo entre os eventos respectivamente detec-tados pelos sensores individuais e a velocidade de som na parte do sistema.A locação do efeito é também de interesse na monitoração do sistema demaneira a poder determinar se existe vôo de Iadrilho (um Iadrilho detectadocolidindo com o portador de lâmina guia ou um casco externo do espaço dacâmara de combustão, ou se o efeito de tipo de pulso é causado por proces-sos friccionais operacionalmente induzidos provenientes de outras regiõesda turbina).

Uma determinação exata da locação de um efeito requer que oinício do evento seja respectivamente determinado tão exatamente quantopossível das janelas de tempo em que o evento é respectivamente detecta-do nos sensores.

É conhecido do DE 22 23 321 C2 detectar a ocorrência de umafissura e sua localização com o auxílio de uma pluralidade de transdutorespiezelétricos dispostos sobre a parte de sistema. A diferenças de tempo en-tre a máxima dos sinais recebidos pelos transdutores são avaliadas paraesta finalidade.Constitui o objetivo da invenção especificar um processo paradetectar a localização de efeitos mecânicos do tipo de pulso sobre uma partede sistema que constitui um aperfeiçoamento adicional sobre os processosconhecidos da técnica anterior. O objetivo da invenção é também especificarum dispositivo para a realização do processo.

Com relação ao processo, o dito objetivo é realizado de acordocom a invenção com o auxílio de um processo dotado dos aspectos caracte-rísticos da reivindicação 1 da patente. No caso do processo para detectar alocação de um efeito mecânico do tipo de pulso sobre uma parte do sistema,um ruído operacional presente na parte de sistema é detectado continua-mente por uma pluralidade de sensores dispostos sobre a parte do sistema eé por eles convertido em um sinal de medição, as seguintes etapas de pro-cesso sendo previstas para analisar os sinais de medição:

a) os sinais de medição são respectivamente armazenados nosintervalos de tempo para uma faixa de tempo;

b) uma primeira magnitude da transformação de cada sinal demedição é determinada com o auxílio de primeiros parâmetros prescritos deuma regra de transformação matemática nas primeiras janelas de tempo quesão temporalmente sucessivas nas primeiras etapas de tempo e situam-sedentro da faixa temporal;

c) uma primeira função de avaliação é respectivamente derivadapara cada primeira etapa de tempo das primeiras magnitudes determinadaspara cada um dos primeiros parâmetros prescritos;

d) as primeiras funções de avaliação são respectivamente com-paradas com um primeiro valor limiar, e a ultrapassagem do primeiro valor

limiar por pelo menos uma das primeiras funções de avaliação em um ins-tante de disparo é avaliada como um índice para a presença de um compo-nente de sinal do tipo de pulso indicando o efeito mecânico;

e) as segundas funções de avaliação são determinadas com oauxílio de segundos parâmetros prescrito da regra de transformação mate-mática e com os mesmos algoritmos nas segundas janelas de tempo quesão temporalmente seqüenciais e se situam dentro da faixa de tempo, e quesão menores que as primeiras janelas de tempo, e

f) a locação do efeito é determinada a partir dos instantes emque as segundas funções de avaliação respectivamente satisfazem um crité-rio prescrito, e das diferenças de tempo de propagação delas resultantes.

Neste caso, a invenção é baseada sobre a consideração de quea sensibilidade com a qual um efeito tipo pulso pode ser detectado dependesubstancialmente da dimensão da janela de tempo e deve ultrapassagem aduração de tempo de um rajado típico, ainda que seja impermessivel paraesta ultrapassagem ser excessivamente grande para que a janela temporalseja ainda da ordem de magnitude da duração temporal de erupção (dura-ção temporal < janela temporal < dez vezes a duração temporal). Todavia,uma grande janela temporal tem a desvantagem de que a função de avalia-ção varia somente muito lentamente e assim o instante do defeito, isto é, oinício do sinal de erupção, pode ser determinado somente relativamente deforma imprecisa. Se um sinal de ruptura é identificado em um dos canais, e afunção de avaliação é recalculada com o auxílio de uma janela temporal sig-nificativamente menor, a constante de tempo com a qual a função de avalia-ção varia é correspondentemente reduzida, e é possível efetuar uma deter-minação mais exata do seu instante de ascensão e assim do instante do e-feito.

O segundo objetivo mencionado é realizado de acordo com ainvenção com o auxílio de um dispositivo dotado dos aspectos característi-cos da reivindicação 8 da patente, as vantagens da qual se seguem mutatismutandis das vantagens especificadas em relação à reivindicação de patente 1.

Refinamentos vantajosos do processo e do dispositivo de acordocom a invenção são especificados nas respectivas reivindicações subordi-nadas.

Referência é feita ao desenho para o fim de explanação adicio-nal da invenção. No desenho:

A figura 1 mostra uma modalidade típica de um dispositivo deacordo com a invenção, em um diagrama especificado;A figura 2 mostra um diagrama simplificado no qual o sinal demedição M é graficamente representado contra o tempo t com resoluçãotemporal mais elevada;

A figura 3 mostra um diagrama em que a magnitude A do espec-tro de freqüência determinado pelo sinal de medição por transformação rápi-da Fourier é representada graficamente contra o tempo t para uma freqüên-cia prescrita f,;

A figura 4 mostra um diagrama em que o dispositivo de tempode deslizamento A das magnitudes do espectro é igualmente representadocontra o tempo t para uma freqüência prescrita;

A figura 5 mostra um diagrama em que um sinal de medição i-dealizado M tendo um arrebentamento que pode ser diretamente detectadono sinal de medição é graficamente representado contra o tempo t;

A figura 6 mostra um diagrama em que as funções de avaliaçãoK1 e K2 determinadas a partir do sinal de medição de acordo com a figura 5com o auxílio de diferentes janelas de tempo são graficamente representa-das contra o tempo t;

As figuras 7a-f respectivamente mostram diagramas nos quaisplotadas contra o tempo t o ruído operacional (sinal de medição M), respecti-vãmente detectado por sensores dispostos em diferentes posições, de umaparte de sistema durante a presença de um efeito estranho, e a função deavaliação (K2) determinada com o auxílio do processo de acordo com a in-venção e usando uma segunda janela de tempo; e

As figuras 8 e 9 respectivamente mostram um diagrama em quegraficamente representada contra o tempo t a função de avaliação K2 deter-minada por um sensor com uma segunda janela de tempo, e derivada detempo dK2/dt da mesma.

De acordo com a figura 1, são dispostas sobre uma parte do sis-tema 2, por exemplo, uma turbina de gás, uma pluralidade P de pickups demedição ou sensores 4i,...s,... Particularmente pickups de aceleração pieze-létricos específicos, que respectivamente detectam continuamente em umnúmero de canais de medição o ruído operacional presente na parte de sis-tema 2 e se propagando na forma de som portado pela estrutura. Os senso-res 4S, respectivamente convertem os sinais de som suportados pela estrutu-ra em um sinal de medição elétrico Ms que é amplificado em um pré-amplificador 6 e é retransmitido para um conversor analógico/digital 8 que éconectado com uma memória digital 10. O sinal de medição amplificado M2que é conectado com uma memória digital 10. O sinal de medição amplifica-do Ms respectivamente apresentado é digitalizado, temporariamente arma-zenado e retransmitido para processamento adicional para uma unidade a-ritmética 12 na qual o algoritmo de avaliação de acordo com a invenção éimplementado.

A unidade aritmética 12 inclui para cada canal de medição umprocessador para um rápido cálculo de uma transformação os dados re-transmitidos pelo conversor 8, assim como uma memória em anel para ar-mazenar um número L da transformação determinada pela transformação.

Esta transformação pode ser, por exemplo, uma transformador Fourier dejanela rápida FFT enquadrada FFT. Toda operação matemática com a quale possível representar uma representação desta função matemática com oauxílio de uma série completa de funções base ortogonais deve ser entendi-da como uma transformação da dita função (o sinal de medição Ms (t) nosignificado da presente invenção. Conforme é o caso com a transformadorFourier - estas funções base ortogonais podem ser formadas pela funçãoexponencial e"imt. Todavia, é também possível em princípio usar outras fun-ções periódicas como sistema base ortogonal. Estas transformações sãousadas para calcular transformações discretas com o auxílio de um conjuntopredeterminado de parâmetros discretos. No caso de transformador Fourier1estas são freqüências permanentemente prescritas f,= -i/2· que são selecio-nadas de acordo com a respectiva parte de sistema, como é explanado emmaior detalhe para uma turbina, por exemplo, em WO 03/071243.

Para cada canal de medição, um algoritmo implementado naunidade aritmética 12 e explanado em maior detalhe abaixo emprega astransformações discretas determinadas na unidade aritmética 12 para de-terminar primeira função de avaliação Ki,s(t) dependente do tempo t que écomparado em um dispositivo comparador 14 com um primeiro valor limiarprescrito Ki,0). Uma ultrapassagem do primeiro valor limiar Ki,0 (valor limiaralarme) em um dos canais (para um dos sinais de medição Ms) serve comoum índice para a presença neste canal de um componente de sinal do tipode pulso causado por um efeito mecânico transiente, e gera um correspon-dente sinal de disparo S. O sinal de disparo S é alimentado a um gravadorde transiente 16 no qual os dados determinados na unidade aritmética 12para uma faixa de tempo de 10 s, por exemplo, é gravado e retransmitidopara um computador de avaliação 18 para que o último possa ser usado pa-ra realizar uma análise (explanada subseqüentemente) dos sinais de medi-ção Ms(t) a serem inferidos da diferença entre os instantes ts (diferenças detempo de propagação) em que a ocorrência de um evento é respectivamentegravada nos canais, a partir do conhecimento da geometria da parte de sis-tema, da posição dos sensores e da velocidade de som.

A figura 2 utiliza um desenho esquemático para explanar a pri-meira etapa do modo de procedimento implementado na unidade aritmética12 (figura 1). O sinal de medição Ms digitalizado em cada canal com umaalta taxa de relógio de tempo (tipicamente 80-100 kHz) (e ilustrado de ma-neira anarod na figura para razões de clareza) é respectivamente armaze-nado para uma faixa de tempo TS (tipicamente aproximadamente 10 s) emum intervalo de tempo DT (tipicamente aproximadamente 0,01 - 0,0125 msde acordo com a taxa de relógio). E atualizado de acordo com a taxa de re-lógio. Em uma primeira janela de tempo Ati dentro desta gama de relógioTS, o sinal de medição digitalizado Ms é submetido a uma transformadorFourier discreta rápida. Subseqüentemente, esta primeira janela de tempoAt-i, é deslocada por uma primeira etapa de tempo ôti, e uma transformadorFourier é executada mais uma vez em uma primeira janela de tempo super-posta Ati da mesma duração. Na modalidade típica, Ati = 25,6 ms e ôti= 3,2ms. Desta maneira, as primeiras magnitudes subordinadas ao tempo A1i8(fijt) são determinadas para cada primeira janela de tempo AU e para umnúmero finito de primeiras freqüências discretas fi,j.

Na figura 3, o perfil de tempo da primeira magnitude Ai,s (fut)para uma freqüência prescrita f-i,, é ilustrado. Pode ser concluído desta figuraque esta magnitude A-ijS (fijt) varia com tempo para esta freqüência prescritafjj.. O intervalo de tempo graficamente representado na figura é a primeiraetapa de tempo ôti em que a rápida transformador Fourier é atualizada. Deacordo com a invenção, o primeiro valor associado da magnitude AiiS (fu.tj)onde tj = t0+jôti j sendo um número natural, é determinado para uma multipli-cidade N de primeiras freqüências prescritas f-ij ou faixas de freqüência e emtemporalmente seqüenciais primeiras etapas de tempo ôti para temporal-mente superpor primeiras janelas de tempo Ati.

Uma magnitude média As formada por esta primeira freqüênciafu e agora subtraída do primeiro valor da magnitude Ai)S (fy.tt) obtida destamaneira. Os algoritmos apropriados para determinar a magnitude média Assão uma função da parte do sistema a ser monitorado e da complexidadedos ruídos operacionais a ser esperados. Nas situações operacionais sim-ples, é suficiente usar uma magnitude média constante permanentementeprescrita

As,o (fi, i)· É mais favorável determinar uma magnitude médiatemporalmente variável Ãs(fi,j,t) de uma maneira deslizante, conforme é ilus-trado na figura 4. O uso de uma magnitude média deslizante Ãs(fi,j,t) é vanta-joso, particularmente, ao monitorar partes de sistema no caso dos quais po-dem haver variações aleatórias em estado, nas quais parte do sistema sealtera de um estado operacional para outro,e o ruído operacional ou de fun-do pode se elevar ou declinar muito rapidamente para um nível claramentediferente. O início de um denominado zumbir constitui a dita mudança emestado, no caso de uma turbina, por exemplo. Este é causado pela disposi-ção das chamas em um espaço anular, que pode ter o resultado de que ainteira câmara de combustão seja excitada para vibrações simpáticas, osmodos de vibração na direção circunférente tendo preferência. Estes fenô-menos de ressonância podem em parte ser interrompidos bruscamente eigualmente reiniciar-se bruscamente mais uma vez. Se, por exemplo, umamagnitude média deslizante As (fijt) que é formada por uma simples media-ção como uma média aritmética a partir de um número de magnitudes pré-vias, é usada como uma base para o processo exposto no WO 03/071243,que é expressamente uma parte integrante do presente pedido de patente,surgiu que estas flutuações de ruído podem levar a ativações errôneas. Paraevitar instâncias da dita ativação errônea, monitoração para efeitos mecâni-cos do tipo de pulsos é por conseguinte suprimida na prática durante o zum-bido da turbina, que é detectado pelo analisar a característica dé sinal.

Em outras partes do sistema, igualmente, por exemplo em umvaso de pressão de reator de uma usina geradora nuclear, ruídos operacio-nais de curta duração operacionalmente induzidos são superpostos sobre osruídos básicos contínuos (fluxo de fluido, ruído de bomba), conforme causa-do, por exemplo, por variações permissíveis nas condições operacionais eintervenções intencionais na seqüência operacional (atuação de válvulas,ação de barras de controle).

No caso de um processo de cálculo iterativo particularmente a-propriado para partes de sistema com variações em estado relativamentelentas, a magnitude média As e um desvio quadrático médio (variância) sãodeterminadas para cada freqüência fu de uma maneira deslizante com oauxílio das relações

As (U,„ t+ôt) = kÃs (fi,i,t) + (1 -k)Ai,s (f,,,. t+δΜ= kvar (A1i8 (fut)) + (1 -k) (Αυ,ί+δί- As (ίυ t))2,+ôt ι sendo a primeira etapa de tempo na qual a primeira magnitude Ai,s érespectivamente calculada para uma primeira janela de tempo Ati. Pelo se-lecionar o parâmetro k, é agora determinado a que ponto uma primeira magni-tude AiiS (fi,i,t+5ti) sendo adicionada ao mesmo influência magnitude média re-cém-calculada Ãs(fi,i,t+ôti). Esta abordagem corresponde a uma mediaçãoexponencialmente ponderada, k determinando a taxa de adaptação. Na e-ventualidade de uma brusca mudança na magnitude A-i)S (fj.t) de um valorinicial constante para uma um novo valor igualmente constante, haveria en-tão uma adaptação aproximadamente exponencial da nova magnitude médiaAs para a nova magnitude correntemente presente Ai,s com uma constantede tempo xb= ôti/ (1-k). Para k = 0,999 e ôti = 3,2 ms, existe uma constantede tempo τ de 3,2 s. Uma modalidade de procedimento deste tipo é apropri-ada, por exemplo, para monitorar os ruídos operacionais de um vaso depressão de um reator nuclear.

Para monitorar partes do sistema em que mudanças muito rápi-das em estado são observadas, por exemplo, no caso de turbinas, um pro-cesso de cálculo comprovou ser particularmente apropriado no caso do quala magnitude média Âs(fi,i,t) é determinada temporalmente de uma maneiradeslizante em etapas temporais ôti em função do tempo t de um registro dedados A1iS(fi,i,t), montado a partir de primeiras magnitudes Ai,s (fu,tm) de umsegmento de tempo T e ilustrado na figura 3, com o auxílio da relação

<formula>formula see original document page 13</formula>

Na qual Q«,s e Qi-a,s são as quantidades α e (1-a) das primeirasquantidades das primeiras magnitudes Ai,s (fu tm) relativamente determina-das em um segmento de tempo T1 onde tm = tm = t + môti e m é um númerointeiro. Para este fim, as primeiras magnitudes A1iS(fi,tm) associadas com es-te segmento T, são dispostas a título de exemplo simetricamente em relaçãoao instante t (aplicando-se neste caso que

<formula>formula see original document page 13</formula>

e -M é impar), e respectivamente formando o registro de dados AiiS(fj,t) atribuído aoinstante t são classificados em uma seqüência pelo valor de magnitude. Aquantidade α ou (1 -a) é então aquele valor da magnitude que está localizadona posição aM ou (1-a)M da seqüência. Na prática, valores são estabeleci-dos entre 0,7 < a< 0,8, de preferência α = 0,75 para a.

As quantidades α e (1-a), Qa,s e Qi-a,s, respectivamente, sãoagora usadas para calcular um desvio médio Ss (fij.t) das primeiras magnitu-des Ai,s(fi,itn) da magnitude média (As(fi,i,t), pelo utilizar a relação

<formula>formula see original document page 13</formula>

qi-a>s sendo (1 -a) quantil da distribuição Gaussiana normalizada.

Este processo de cálculo (método quantil) pode por conseguinteser usado para calcular a média e o desvio de um registro de dados semlevar em conta os valores que estão localizados fora das faixas definidas porα e (1-a). Isto significa que grandezas substancialmente mais altas tais co-mo podem ocorrer de uma maneira adicionalmente amplificada resultantesde um sinal de rajada superposto não são levados em conta, e assim tam-bém não podem corromper o resultado. Este processo pode ser usado emconjunção com a mesma qualidade do resultado de cálculo para selecionarum segmento de tempo substancialmente mais breve, por exemplo um regis-tro de dados As(fi,i,t) compreendendo M= 100 de primeiros valores da magni-tude As (fi,i,t) e tendo uma duração de T = 320 ms para o segmento de tem-po ôti= 3,2 ms. Conseqüentemente, a magnitude As (fi,i,t) é apropriada pararápidas variações nos fundamentos operacionais de maneira estes estãoincapacitados de levar à corrupção dos espectros normalizados ou se apre-sentarem como displays errôneos na monitoração. É possível no caso deuma modalidade de procedimento dessa natureza para a colisão de partessoltas ser detectada mesmo durante o zumbir de uma turbina a gás, em ou-tras palavras quando vibrações simpáticas na câmara de combustão dêemorigem a ruídos de fundo substancialmente mais altos muito abruptamente,por exemplo com uma constante de tempo de aproximadamente 0,5 s emassociação com um aumento de amplitude por um fator de 5 ou maior.

O módulo médio calculado existente Ãs(fij,t) e o desvio médios(f-i,i,t) podem agora ser usados em uma outra etapa de computação paradeterminar na base do método quantil um módulo médio aperfeiçoado Ãopt,s(fu t) pelo eliminar dos registro de dados respectivamente presentes A§(fi,i,ts)aqueles primeiros módulos A^f^ím) que são significativamente maioresque o módulo médio previamente calculado As (fu, t). Na prática, isto com-provou ser vantajoso neste caso ao calcular a média para eliminar aquelasprimeiras magnitudes A1iS(fi,i,tm) que são maiores que As(fi,i,t) + 3ss(fij,t).Com o registro de dados completo As(fi,i,t), um cálculo renovado da média éentão efetuado com a ajuda de m δ ou (1-δ) quantil, caso em que

δ = α (M-Me)/M

se aplica, e Me é o numero dos primeiros módulos Ai,s(fi,i,tm) que são maio-res que As(fi,i,t) + 3ss(fi,it). Como uma alternativa ao mesmo, é também pos-sível e matematicamente idêntico determinar o α e (1-a) quantiles obtidoscom registro de dados obtido com o registro de dados reduzidos, uma médiaaperfeiçoada Ãopt,s(fi,i,t) ou um desvio médio aperfeiçoado sopt,s (fi,i,t) é agoracalculado de acordo com a fórmula acima mencionada.

Com o auxílio dos módulos médios acima calculados Ãs(fi,t) ouÃoPt.s(fi,t) e do desvio médio ss(fi,t) ou sopt.s(fi,t), um desvio normalizado Ds(f„t)do primeiro módulo A1(S da média As é agora calculado de acordo com a se-guinte fórmula:

<formula>formula see original document page 15</formula>

Os primeiros módulos (AiiS(fu tm) de M espectros são avaliadosde maneira a determinar os maneira a determinar o módulo médio Âs(fi,i,tm)válido no instante t e o desvio médio ss(fu,t) válido neste instante t. Em ou-tras palavras: tanto o módulo médio AsCfijt) como o Ãopt,s(fi,i,t) e o desviomédio ss(fi,t) ou sopt,s(i,i,t) são constantemente atualizados com o auxílio de Mtransformações. Esta atualização é realizada nas primeiras etapas de tempoõt-ι.Ο registro de dados Ai,s(t+ õti) formando a base do cálculo do novo mó-dulo médio As(fi,i,t+ õt-ι) médio ÃoPt,s(fi,i t+ õti) e o novo desvio médio ss(fu, t+õti) ou sopt,s (fijt+ δίι) é formado neste caso pelo suprimir o primeiro módulo(mais antigo) e adicionar o novo módulo mais recente. No caso de um seg-mento de tempo T simetricamente disposto em relação ao instante t, estessão os primeiros módulos.

<formula>formula see original document page 15</formula>

Em um refinamento vantajoso, o desvio normalizado Ds(t,fi,i) éadicionalmente mediado em uma faixa de freqüência fij.L, fu-L+i,fi,i+L cir-cundando a freqüência f,j e consistindo em 2L+1 freqüências,e de um desvionormalizado médio ds(fi,i,t) é determinado pela equação

<formula>formula see original document page 15</formula>

Esta etapa de computação adicional conduz a um redução nonível e amplitude de flutuação de desvio normalizado nas faixas em que so-mente sinais de fundo estão presentes. Os componentes de sinal úteis nãosão acentuadamente variados pela mediação na faixa de freqüência, umavez que eles sempre ocorrem de uma maneira concentrada em torno daslinhas de freqüência vizinhas. Esta medida resulta mais uma vez em um a -perfeiçoamento na relação de sinal/fundo em 10 a 15 dB adicionais.

Um outro aperfeiçoamento na relação de sinal/fundo é realizadoquando um valor limiar D0,s é adicionalmente introduzido, e um desvio nor-malizado Dv,s(fi,i,t) determinado com o auxílio da relação dv,s = D0,s para Ds< D0,s e Dvs = Ds para Ds > D0,s.

Os desvios normalizados Da(fi,i,t), Ds(fi,i,t) ou Dv,s(fi,i.t) determi-nados desta maneira são elevados ao quadrado e somados através de todasas freqüências discretas f,:

<formula>formula see original document page 16</formula>

Uma primeira função de avaliação Ki,s(t) é a seguir derivadadesta soma Ss (t) pela extração da raiz:

<formula>formula see original document page 16</formula>

A última serve como indicador para a ocorrência de um impacto.Como uma alternativa para isto, é também possível para a função de avalia-ção ser formada pelo calcular a diferença entre a raiz da soma Ss(t) e ummeio de tempo deslizante desta raiz.

<formula>formula see original document page 16</formula>

E para a mesma servir como característica para a ocorrência deum impacto. Se K1i5 (t) ou κ (>s(t) ultrapassarem um primeiro valor limiar Kw(limiar de alarme), que está entre 1,5 e 2 para turbinas a gás, isto constituiuma indicação para um impacto de uma parte solta. As seguintes explana-ções são a seguir baseadas a título de exemplo sobre funções de avaliaçãoK calculadas usando a equação (1).

A exatidão com a qual o instante ts em que o evento ocorre, eassim as diferenças de tempo de propagação, podem ser determinadas paracada um dos sensores depende substancialmente da taxa de ascensão daprimeira função de avaliação KiiS. A ascensão da primeira função de avalia-ção Ki,s é, todavia, mais lenta tanto maior é a primeira janela de tempo At1.

Isto é ilustrado nas figuras 5 e 6 para um canal de medição. Gra-ficamente representado na figura 5 contra o tempo t é um sinal de mediçãoidealizado M sobre o qual uma rajada 20 no intervalo de tempo ta a tb é su-perposta. A figura 6 mostra um diagrama idealizado no qual uma primeira esegunda função de avaliação K1 (curva a) e K2 (curva b) respectivamentesão plotadas contra o tempo t; estas foram derivadas do sinal de medição Mda figura 5 com o auxílio de uma primeira e segunda janela de tempo At1 eAt2 , se enquadrando dentro da faixa de tempo TS. Se a primeira função deavaliação K1 é agora determinada em uma primeira janela de tempo At1 naqual a rajada 20 ainda não se iniciou, no caso ideal K1 = 1 resulta (quandoκ! é usado em vez de K1 como primeira função de avaliação, no caso idealK1=O resulta). A primeira janela de tempo At1 agora migra para a direitanas primeiras etapas de tempo^t1, e a trajada 20 é sucessivamente detecta-da pela primeira janela de tempo At-ι de tal maneira que no evento de umatransformador Fourier os componentes de freqüência contidos na trajada 20desempenham crescentemente um papel maior no cálculo da primeira fun-ção de avaliação K-i. Se a primeira janela de tempo At1 agora atingir o térmi-no da rajada 20 no instante tb com o seu flanco direito, a rajada 20 situa-secompletamente dentro desta primeira janela de tempo At1, e assim a primeirafunção de avaliação K1 atingiu o seu máximo. Se o flanco esquerdo da pri-meira janela de tempo At1, então coincide com o final da rajada 20, a primei-ra função de avaliação K1 baixa a 1 mais uma vez. Na base da largura daprimeira janela de tempo At-ι, que corresponde pelo menos à largura de umarajada 20 a ser prevista, a ascensão na primeira função de avaliação K1 ain-da ocorre de forma relativamente lenta em uma janela de tempo ta a tb ,quando é reproduzida na curva a da figura 6. Uma segunda janela de tempoAt2 é representada na figura 5, e é significativamente menor que a primeirajanela de tempo At-ι. A segunda janela de tempo At2 é agora usada para cal-cular a segunda função de avaliação K2 nas segundas etapas de tempo maiscurtas ôt2< ôti com ο auxílio dos mesmos algoritmos, explanados acima parao cálculo da primeira função de avaliação Ki, e pelo usar as segundas fre-qüências f2,i (parâmetros) adaptados à segunda janela de tempo At2- Umavez que ambas a segunda janela de tempo At2 e as segundas etapas detempo Ôt2 são mais curtas que a primeira janela de tempo Ati e as primeirasetapas de tempo ôti, respectivamente, a dita função de avaliação se elevade forma significativamente mais rápida que a primeira função de avaliaçãoK1 e já atinge o seu máximo em um período significativamente mais curtoque, no exemplo da figura, corresponde aproximadamente à duração da se-gunda janela de tempo At2, conforme é para ser visto da curva b da figura 6.É também ilustrado nesta figura que esta segunda função de avaliação K2calculada com o auxílio da segunda janela de tempo mais curta At2 tem umruído significativamente mais alto devido ao menor volume de dados sobre oqual a transformador Fourier é baseada.

O espectro de freqüência compreende menor numero de fre-qüências discretas, devido à menor janela de tempo At2. Em outras palavras;os segundos módulos A2,s(f2,i,t) estão presentes para menor número de se-gundas freqüências f2,i é o conjunto das segundas freqüências f2j sendo, to-davia, um subconjunto do conjunto das primeiras freqüências f-ij.

A primeira função de avaliação K-1,s(t) calculada com o auxíliodos algoritmos acima mencionados para todos os canais de medição é ago-ra usada para supervisionar todos os canais de medição para a ocorrênciade uma rajada com uma sensibilidade muito alta, sendo aceito que o inícioda rajada nos canais individuais pode ser determinado somente com baixaexatidão.

Se uma rajada é agora determinada em um dos canais de medi-ção em um instante de disparo to (aumento na primeira função de avaliaçãoK1,s em relação a um primeiro valor limiar > K1,0) é ativado um sinal de dispa-ro que respectivamente congela os sinais de medição armazenados em to-dos os canais durante aproximadamente 10 sem uma faixa de tempo TSque situa-se aproximadamente de forma simétrica em torno do instante todosinal de disparo (pré-disparo). Segundas funções de avaliação K2,s(t) sãoentão respectivamente calculadas para todos os canais usando os algorit-mos acima mencionados, este cálculo sendo baseado, todavia, sobre osmódulos médios Ãs(f2,i,to) e desvios padrão Ss (Í2,i to) determinados poucoantes ou no instante de ativação t0 a partir dos primeiros módulos A1 jS (fu.t) eválido para as segundas freqüências f2,i. Isto é possível uma vez que após oinstante de ativação nenhum sinal de rajada superposto está presente, eassim estes valores representam o puro fundamento operacional, presumin-do-se outrossim que os fundamentos operacionais não se alteram significati-vamente no curto tempo subseqüente durante a rajada.

As figuras 7a-f agora mostram o sinal de medição Ms (Mi-6) (cur-vas c) respectivamente detectadas por um sensor 4S (^6) em um vaso depressão de um reator nuclear em diferentes posições de medição por umperíodo de aproximadamente 30 ms. Pode agora ser concluído diretamentedos diagramas que a ocorrência de um evento pode possivelmente ser iden-tificada no sinal de medição M2 no diagrama de acordo com a figura 7b semde esse modo ser possível, todavia, concluir-se diretamente do sinal de me-dição se o que é envolvido é uma transição do estado operacional, ou umevento dó tipo de pulso que é para ser atribuído a um impacto de uma partesolta.

A segunda função de avaliação K2,s(t) obtida com a assistênciade um dos processos acima é respectivamente graficamente representadocomo uma curva contínua d nas figuras 7a-f. No exemplo ilustrado, a segun-da função de avaliação K2,s(t) foi calculada usando o processo iterativo. Po-de ser visto nas figuras que a segunda função de avaliação K2,s(t) respecti-vãmente exibe uma elevação significativa nos diferentes instantes ts = ti ate. Estes instantes ts podem ser determinados, por exemplo, como aquelesinstantes nos quais as segundas funções de avaliação K2,s(t) respectivamen-te, ultrapassam um segundo valor limiar prescrito K2,o. Caso estes instantests sejam conhecidos, é possível não somente detectar confiavelmente a o-corrência de um evento tipo pulso, porém é também possível, dada a loca-ção de um sensor conhecida, inferir a localização do impacto a partir dasdiferenças de tempo de propagação LZ trt2, t-i-t3, ... (no exemplo, trt2, t3-t2,t4-t2, t5-t2 e t6-t2).

A segunda função de avaliação K2.s calculada desta maneira pa-ra cada um dos canais de medição é usada em uma etapa seguinte paracalcular mais exatamente os instantes ts em que o sinal de rajada causadopelo efeito tipo pulso ocorre na locação do respectivo sensor 4S. Este cálculomais exato é explanado abaixo com o auxílio dos diagramas ilustrados nasfiguras 8 e 9.

A figura 8 mostra o perfil típico de uma segunda função de avali-ação K2,s (segunda etapa de tempo ôt2 = 0,16 ms, segunda janela de tempoAt2 = 2,56 ms) calculada desta maneira. Esta segunda função de avaliaçãoK2,s ultrapassa um segundo valor limiar K2j0 em um instante ts. O aumento nasegunda função de avaliação K2iS é atribuído a uma rajada na base desteprimeiro valor limiar Κ-ι,ο. A segunda função de avaliação K2s é agora dife-renciada com respeito ao tempo t.O correspondente quociente diferencialdK2,s/dt é graficamente representado contra o tempo na figura 9 como umacurva. A partir do instante ts, uma tentativa agora é feita para encontrar oinstante nesta curva em que o quociente diferencial desaparece, isto é, asegunda função de avaliação K2,s atinge o valor máximo local. Este é o casono instante t1. Um instante t2 < t1 é agora determinado no qual a curva atin-ge o valor 0. É a seguir determinado nesta faixa t2 a t1 o máximo DKmax,s queespecifica o maior gradiente da segunda função de avaliação K2iS. Este má-ximo DKmax.s é agora usado para calcular um valor limiar de diferença DK0lScom a ajuda da relação DK0lS = PDKmax,s. β sendo de um valor entre 0,05 e0,2. O instante ts,korr no qual a primeira derivada dK2iS/dt no intervalo de tem-po t2-t1 ultrapassa este valor limiar de diferença DK0,s pela primeira vez éagora usado como instante corrigido para o cálculo das diferenças de tempode propagação. Uma determinação exata dos tempos de propagação é pos-sível desta maneira.Listagem de Referência

2 Parte de sistema

41,s,P Sensor

6 Pré-amplificador

8 Multiplexador

10 Conversor Analógico/Digital

12 Unidade Aritmética

14 Dispositivocomparador

16 Registradordetransientes

18 ComputadorAvaIiador

20 Rajada

1

Ms Sinal de Medição

Ki,s; K2,s Primeira, Segunda Função de Avaliação

t Tempo

At1,2 Primeira1SegundaJaneIadeTempo

ôt, 1,2 Primeira, Segunda Etapa de Tempo

A1iS1A2jS PrimeiralSegundaMagnitude

fi Freqüência

As Magnitude média

Ai,s Registrodedados

T Segmento de tempo

TS Faixa de tempo

DT Intervalodetempo

ts Instante

ts,korr Instante corrigido

ti,t2 Instante

Dkmax,s Máximo

DK0lS Valor limiar de diferença

Ki,o Primeiro valor limiar

K2io Segundo valor limiar

Claims (9)

1. Processo para detectar a localização de um efeito mecânicotipo pulso sobre uma parte de sistema (2), caso em que um ruído operacio-nal presente na parte de sistema (2) é detectado continuamente por umapluralidade (P) de sensores (4S) dispostos sobre a parte de sistema (2) e épor eles convertido em um sinal de medição (Ms), dotado dos seguintes as-pectos característicos:a) os sinais de medição (Ms) são respectivamente armazenadosem intervalos de tempo (DT) por uma faixa de tempo (TS):b) um primeiro módulo (A1 ,s (fi.j.t) da transformação de cada si-nal de medição (Ms) é determinado com a assistência de primeiros parâme-tros prescritos (f-i,,) de uma regra de transformação matemática em primeirasjanelas de tempo (At1) que são temporalmente sucessivas em primeiras eta-pas de tempo (ôti) e se enquadram dentro da faixa de tempo (TS);c) uma primeira função de avaliação (K1|S(t)) é respectivamentederivada para cada primeira etapa de tempo (Ôti) das primeiras magnitudes(Ai,s (fi,i,t)) determinadas para cada um dos primeiros parâmetros prescritos(fi,i);d) as primeiras funções de avaliação (K1>s(t)) são respectivamen-te comparadas com um primeiro valor limiar (KI1i0) e a ultrapassagem doprimeiro valor limiar (Kii0) por pelo menos uma das primeiras funções deavaliação(K1iS(t)) em um instante de disparo (t0) é avaliado como um índicepara a presença de um componentes de sinal tipo pulso indicando o efeitomecânico;e) segundas funções de avaliação (K2lS(t)) são determinadascom a assistência de segundos parâmetros prescritos (f2j) da regra de trans-formação matemática e com os mesmo algoritmos nas segundas janelas detempo (At2) que são temporalmente sucessivas em segundas etapas detempo (ôt2) e se enquadram dentro da faixa de tempo (TS), e que são meno-res que as primeiras janelas de tempo (At1), ef) a localização do efeito é determinada a partir dos instantes (ts,ts,korr) em que as segundas funções de avaliação (K2,s (t)) respectivamentesatisfazem um critério prescrito, e e das diferenças de tempo de propagaçãoresultantes do mesmo.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual as segun-das etapas de tempo (ôt2) são mais breves que as primeiras etapas de tem-po (St1).

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, no qual sãodeterminados para cada primeira etapa de tempo (ôt-ι) e cada um dos primei-ros parâmetros prescritos (f.u) o desvio das primeiras magnitudes (A-i,s (fu.t))de uma primeira magnitude média (ÃiiS(fi,i,t)), e um desvio médio (ss(fij,t)>atribuído a este do qual a primeira função de avaliação (Ki,s(t)) é derivadapara cada dos primeiros parâmetros prescritos (f^) e para cada primeira e-tapa de tempo (δίι) e em que o cálculo da segunda função de avaliação(K2,s(t) e baseado tanto sobre a magnitude média (Â1iS(f2,i,to)) válida para oinstante de disparo (to) para os segundos parâmetros (f2j) e no desvio médio(ss(fi,i,ts) atribuído à dita magnitude média.

4. Processo de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, no qual ocritério prescrito é satisfeito com as segundas funções de avaliação (K2,s(t))respectivamente ultrapassa um segundo valor limiar (K2,0).

5. Processo de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, no qual ocritério prescrito é satisfeito quando a primeira derivada da segunda funçãode avaliação(K2 s(t)) ultrapassa um valor limiar de diferença (DK0,S).

6. Processo de acordo com a reivindicação 5, no qual o valorlimiar de diferença (DK0,s) é derivado do máximo gradiente (DKmax,s) de umflanco ascendente da segunda função de avaliação (K2,s(t)).

7. Processo de acordo com a reivindicação 6, no qual o valorlimiar de diferença (DK0jS) é determinado com o auxílio da relação DK0,S = βDKmax,s, caso em que 0,05 β < 0,2.

8. Dispositivo para detectar a localização de um efeito mecânicodo tipo de pulso sobre uma parte de sistema (2), tendo uma pluralidade (P)de sensores (4S) dispostos sobre a parte de sistema (2) para continuamentedetectar e medir um ruído operacional presente na parte de sistema (2), etendo pelo menos um conversor A/D (10), conectado a jusante dos sensores(4s) para digitalizar os sinais de medição (Ms) detectados pelos sensores (4S)e para retransmitir os sinais de medição digitalizados (M) para uma unidadearitmética (12) para executar as seguintes etapas de computação:a) os sinais de medição (Ms) são respectivamente armazenadosnos intervalos de tempo (DT) por uma faixa de tempo (TS).b) uma primeira magnitude (Ai,s (fi,i,t)) da transformação de cadasinal de medição (Ms) é determinada com a assistência de primeiros parâ-metros prescritos (fu) de uma regra de transformação matemática ern pri-meiras janelas de tempo (Ati) que são temporalmente sucessivos em primei-ras etapas de tempo (ôti) e enquadra-se dentro da faixa de tempo (TS),c) uma primeira função de avaliação (Ki,s(t)) é respectivamentederivada para cada primeira etapa de tempo (ôt2) das primeiras magnitudes(Ai,s (fi,s,t)) determinadas para cada um dos primeiros parâmetros prescritos(fu);d) as primeiras funções de avaliação (K-iiS(t)) são respectivamen-te comparadas com um primeiro valor limiar (Ki,o), e a ultrapassagem do va-lor limiar (K1i0) por pelo menos uma das primeiras funções de avaliação(Ki,s(t)) em instante de disparo (t0) é estimada como um índice para a pre-sença de um componente de sinal tipo pulso indicando o efeito mecânico;e) segundas funções de avaliação (K2,s(t)) são determinadascom a assistência de segundos parâmetros prescritos (f2>i) da regra de trans-formação matemática e com os mesmos algoritmos nas segundas janelas detempo (At2) que são temporalmente seqüenciais em segundas etapas detempo (ôt2) e situam-se dentro da faixa de tempo (TS), e que são menoresque as primeiras janelas de tempo (At1); ef) a locação do efeito é determinada a partir dos instantes (ts) emque as segundas funções de avaliação (K2,s(t)) respectivamente satisfazemum critério prescrito, e das diferenças de tempo de propagação resultantesdas mesmas.

9. Dispositivo de acordo com a reivindicação 8, tendo um algo-ritmo, implementado na unidade aritmética (12) para a realização do proces-so como definido em uma das reivindicações 2 a 7.