BRPI0706274B1 - Processo e dispositivo para detectar a localização de um efeito mecânico do tipo de pulso sobre uma parte de sistema - Google Patents

Processo e dispositivo para detectar a localização de um efeito mecânico do tipo de pulso sobre uma parte de sistema Download PDF

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BRPI0706274B1
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Jan Zach
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Abstract

processo e dispositivo para detectar a localização de um efeito mecânico 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 PROCESSO E DISPOSITIVO PARA DETECTAR A LOCALIZAÇÃO DE UM EFEITO MECÂNICO DO TIPO DE PULSO SOBRE UMA PARTE DE SISTEMA.
[001] A presente invenção refere-se a um processo e de um dispositivo para detectar a localização de um efeito mecânico do tipo de pulso sobre a parte de um sistema.
[002] Há uma necessidade em uma multiplicidade de aplicações de monitorar continuamente o correto funcionamento de uma parte de sistema, por exemplo de um oleoduto ou de um recipiente em uma técnica de processo químico ou de uma máquina de fluxo de fluido, de maneira a detectar perturbações em tempo satisfatório e evitar sério dano consequente. Uma multiplicidade de processo para a dita monitoração é conhecida da técnica anteriormente existente.
[003] O documento EP 0 765 466 B1 propõe, por exemplo, empreender a monitoração das vibrações das lâminas de turbina com o auxílio de micro-ondas que são dirigidas sobre as lâminas de turbina. Conclusões podem ser chegadas a partir do estado de vibração da turbina a partir da modulação das micro-ondas refletidas nas lâminas da turbina.
[004] No processo conhecido da DE 198 57 552 A1, a ruptura do eixo de uma turbina é detectada pelo medir as frequências de rotação nas extremidades do eixo.
[005] É proposto no DE 198 43 615 C2 efetuar a diagnose do estado de um acionamento de combustão com o auxílio de uma análise do espectro de frequência dos sinais de medição que são captados com o auxílio de um pick-up de som disposto na região de admissão de ar ou região de gás de escape.
[006] No documento DE 197 27 114 C2, uma máquina é monitorada pelo detectar os sinais de som suportados pela estrutura colidin
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2/23 do com a mesma, em vez do ruído de ar. Neste processo conhecido, igualmente, há uma análise dos espectros de frequência respectivamente determinado pelo pickup de som suportado pela estrutura.
[007] No caso do processo exposto no documento DE 195 45 008 C2,igualmente, o espectro de frequência do sinal de medição detectado por um sensor de monitoração, por exemplo um pickup de aceleração, é analisado durante a operação da máquina e comparado com um espectro de frequência de referência.
[008] Uma análise do espectro de frequência dos sinais de som suportados pela estrutura captados em uma turbina é também empreendida no caso do processo exposto no US 6 301 572 B1. Para este fim, as transformadas de Fourier do sinal de medição são analisadas em uma rede neutra com o auxílio de regras de fuzzy rodic, para desta maneira obter informações relacionadas com o estado da turbina.
[009] Um problema específico é representado por partes soltas que são arrastadas pelo fluxo e colidem com a parte de sistema e que causam somente um efeito de curto prazo, tipo pulso, que é correspondentemente problemático para demonstrar confiavelmente.
[0010] É proposto no GB 2288235 detectar a ocorrência de partes soltas que são arrastadas em um meio circulante por intermédio das vibrações produzidas quando as partes colidem com uma parte do sistema. Para esta finalidade, um pickup de som é disposto sobre a parte do sistema e os sinais de medição gerados pelo mesmo são alimentados a uma rede neutra adaptável que pode decidir com o auxílio das configurações ocorrendo caso um ruído de fundo normal se encontre ou não presente.
[0011] Os problemas associados com a ocorrência de partes soltas em um meio circulante podem, por exemplo, se apresentar com turbinas de gás, as câmaras de combustão das quais são internamente revestidas de ladrilhos de cerâmica para proteção contra supera
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3/23 quecimento. Estes ladrilhos de cerâmica são submetidos a altas cargas dinâmicas pelo alternar flutuações de pressão ocorrendo na câmara de combustão. Pode ocorrer neste caso que partes dos ladrilhos sobre as respectivas câmaras desprendidos, sejam arrastadas pelo fluxo do gás de escape e colidam com a primeira carreira de lâminaguia. Isto pode resultar em dano ao revestimento das lâminas guias, e na destruição das lâminas moveis dispostas para trás. Outrossim, existe o risco de um ladrilho já danificado pelo se desprender de partes se tornar completamente destacado dos recipientes e possivelmente causando correspondente dano maciço na turbina de gás. Neste caso, a ocorrência de pequenas partes soltas ou um ladrilho individual indicar um desprendimento total iminente de um ladrilho ou de um número de ladrilhos, e assim desligamento da turbina em tempo e a troca dos ladrilhos danificados em tempo satisfatório previne dano.
[0012] Para poder determinar a intrusão de partes estranhas em uma turbina de gás, no 4 888 948 é previsto na entrada da turbina um sensor com o auxílio do qual uma carga elétrica induzida pelos corpos estranhos é detectada.
[0013] É também conhecido em princípio do WO 01/75272 A2 para o fim de monitorar os ditos impactos sobre uma parte do sistema para fazer uso de sensores apropriados para detectar o impacto por intermédio de som suportado pela estrutura desse modo produzido, exatamente como no caso do processo conhecido da GB 2288235. Todavia, particularmente no caso de turbinas de gás, o problema se apresenta aqui de que os níveis normais de ruído operacional são tão elevados que mesmo o componente de sinal gerado no sensor pelo impacto de um ladrilho inteiro sobre a lâmina guia da turbina de gás é menor que o fundamento gerado pelos ruídos operacionais normais, e assim, particularmente, a ocorrência de partes relativamente pequenas não pode ser detectada pelo simplesmente monitorar as amplitudes
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4/23 dos sinais de som suportados pela estrutura. Por conseguinte, é proposto nesta publicação para o fim de aperfeiçoar a relação de sinal para ruído submeter o sinal de medição captado por um sensor de medição para passagem de banda ou filtragem de passagem alta para desta maneira eliminar os sinais de som suportados pela estrutura produzidos em operação normal da turbina. Estas medidas, todavia, não são suficientes para identificar confiavelmente um evento do tipo de pulso no caso de altos ruídos de fundo que variam temporalmente. [0014] É conhecido do WO 03/071243 A1 um processo para detectar um dispositivo mecânico do tipo de pulso sobre uma parte de sistema no caso do qual sinal de som suportado pela estrutura detectado é submetido a uma transformador Fourier de janela. Os algoritmos nele explanados em maior detalhe são usados para derivar de uma multiplicidade de espectros Fourier determinados desta maneira uma função de avaliação K que indica a ocorrência de um efeito mecânico do tipo de pulso sobre a parte do sistema. Os algoritmos, especificados nesta publicação, para derivar a função de avaliação K habilitam a detecção exata de um componente de sinal que é superposto sobre o sinal de medição ruidoso e é para ser atribuído a um efeito do tipo de pulso.
[0015] Particularmente no caso de partes de sistema de grande volume tendo uma multiplicidade de componentes instalados no seu interior, adicionalmente às informações de que um efeito mecânico de tipo de pulso não pertencente ao ruído de operação normal ocorreu, é também importante determinar a locação em que este efeito ocorreu na parte do sistema. É conhecido em princípio para esta finalidade montar uma pluralidade de sensores em diferentes locações sobre a parte do sistema, e inferir a locação do efeito resultante das diferenças de tempo entre os eventos respectivamente detectados pelos sensores individuais e a velocidade de som na parte do sistema. A locação
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5/23 do efeito é também de interesse na monitoração do sistema de maneira a poder determinar se existe vôo de ladrilho (um ladrilho detectado colidindo com o portador de lâmina guia ou um casco externo do espaço da câmara de combustão, ou se o efeito de tipo de pulso é causado por processos friccionais operacionalmente induzidos provenientes de outras regiões da turbina).
[0016] Uma determinação exata da locação de um efeito requer que o início do evento seja respectivamente determinado tão exatamente quanto possível das janelas de tempo em que o evento é respectivamente detectado nos sensores.
[0017] É conhecido do DE 22 23 321 C2 detectar a ocorrência de uma fissura e sua localização com o auxílio de uma pluralidade de transdutores piezelétricos dispostos sobre a parte de sistema. A diferenças de tempo entre a máxima dos sinais recebidos pelos transdutores são avaliadas para esta finalidade.
[0018] Constitui o objetivo da invenção especificar um processo para detectar a localização de efeitos mecânicos do tipo de pulso sobre uma parte de sistema que constitui um aperfeiçoamento adicional sobre os processos conhecidos da técnica anterior. O objetivo da invenção é também especificar um dispositivo para a realização do processo.
[0019] Com relação ao processo, o dito objetivo é realizado de acordo com a invenção com o auxílio de um processo dotado de aspectos característicos específicos. No caso do processo para detectar a locação de um efeito mecânico do tipo de pulso sobre uma parte do sistema, um ruído operacional presente na parte de sistema é detectado continuamente por uma pluralidade de sensores dispostos sobre a parte do sistema e é por eles convertido em um sinal de medição, as seguintes etapas de processo sendo previstas para analisar os sinais de medição:
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a) os sinais de medição são respectivamente armazenados nos intervalos de tempo para uma faixa de tempo;
b) uma primeira magnitude da transformação de cada sinal de medição é determinada com o auxílio de primeiros parâmetros prescritos de uma regra de transformação matemática nas primeiras janelas de tempo que são temporalmente sucessivas nas primeiras etapas de tempo e situam-se dentro da faixa temporal;
c) uma primeira função de avaliação é respectivamente derivada para cada primeira etapa de tempo das primeiras magnitudes determinadas para cada um dos primeiros parâmetros prescritos;
d) as primeiras funções de avaliação são respectivamente comparadas com um primeiro valor limiar, e a ultrapassagem do primeiro valor limiar por pelo menos uma das primeiras funções de avaliação em um instante de disparo é avaliada como um índice para a presença de um componente de sinal do tipo de pulso indicando o efeito mecânico;
e) as segundas funções de avaliação são determinadas com o auxílio de segundos parâmetros prescrito da regra de transformação matemática e com os mesmos algoritmos nas segundas janelas de tempo que são temporalmente sequenciais e se situam dentro da faixa de tempo, e que são menores que as primeiras janelas de tempo, e
f) a locação do efeito é determinada a partir dos instantes em que as segundas funções de avaliação respectivamente satisfazem um critério prescrito, e das diferenças de tempo de propagação delas resultantes.
[0020] Neste caso, a invenção é baseada sobre a consideração de que a sensibilidade com a qual um efeito tipo pulso pode ser detectado depende substancialmente da dimensão da janela de tempo e deve ultrapassagem a duração de tempo de um rajado típico, ainda que seja
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7/23 impermessivel para esta ultrapassagem ser excessivamente grande para que a janela temporal seja ainda da ordem de magnitude da duração temporal de erupção (duração temporal < janela temporal < dez vezes a duração temporal). Todavia, uma grande janela temporal tem a desvantagem de que a função de avaliação varia somente muito lentamente e assim o instante do defeito, isto é, o início do sinal de erupção, pode ser determinado somente relativamente de forma imprecisa. Se um sinal de ruptura é identificado em um dos canais, e a função de avaliação é recalculada com o auxílio de uma janela temporal significativamente menor, a constante de tempo com a qual a função de avaliação varia é correspondentemente reduzida, e é possível efetuar uma determinação mais exata do seu instante de ascensão e assim do instante do efeito.
[0021] O segundo objetivo mencionado é realizado de acordo com a invenção com o auxílio de um dispositivo dotado de aspectos característicos específicos, as vantagens da qual se seguem mutatis mutandis das vantagens especificadas em relação ao processo previamente mencionado.
[0022] Referência é feita ao desenho para o fim de explanação adicional da invenção. No desenho:
[0023] A figura 1 mostra uma modalidade típica de um dispositivo de acordo com a invenção, em um diagrama especificado;
[0024] A figura 2 mostra um diagrama simplificado no qual o sinal de medição M é graficamente representado contra o tempo t com resolução temporal mais elevada;
[0025] A figura 3 mostra um diagrama em que a magnitude A do espectro de frequência determinado pelo sinal de medição por transformação rápida Fourier é representada graficamente contra o tempo t para uma frequência prescrita f,;
[0026] A figura 4 mostra um diagrama em que o dispositivo de
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8/23 tempo de deslizamento A das magnitudes do espectro é igualmente representado contra o tempo t para uma frequência prescrita;
[0027] A figura 5 mostra um diagrama em que um sinal de medição idealizado M tendo um arrebentamento que pode ser diretamente detectado no sinal de medição é graficamente representado contra o tempo t;
[0028] A figura 6 mostra um diagrama em que as funções de avaliação K1 e K2 determinadas a partir do sinal de medição de acordo com a figura 5 com o auxílio de diferentes janelas de tempo são graficamente representadas contra o tempo t;
[0029] As figuras 7a-f respectivamente mostram diagramas nos quais plotadas contra o tempo t o ruído operacional (sinal de medição M), respectivamente detectado por sensores dispostos em diferentes posições, de uma parte de sistema durante a presença de um efeito estranho, e a função de avaliação (K2) determinada com o auxílio do processo de acordo com a invenção e usando uma segunda janela de tempo; e [0030] As figuras 8 e 9 respectivamente mostram um diagrama em que graficamente representada contra o tempo t a função de avaliação K2 determinada por um sensor com uma segunda janela de tempo, e derivada de tempo dK2/dt da mesma.
[0031] De acordo com a figura 1, são dispostas sobre uma parte do sistema 2, por exemplo, uma turbina de gás, uma pluralidade P de pickups de medição ou sensores 41,...s,... Particularmente pickups de aceleração piezelétricos específicos, que respectivamente detectam continuamente em um número de canais de medição o ruído operacional presente na parte de sistema 2 e se propagando na forma de som portado pela estrutura. Os sensores 4s, respectivamente convertem os sinais de som suportados pela estrutura em um sinal de medição elétrico Ms que é amplificado em um pré-amplificador 6 e é retransmitido
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9/23 para um conversor analógico/digital 8 que é conectado com uma memória digital 10. O sinal de medição amplificado M2 que é conectado com uma memória digital 10. O sinal de medição amplificado Ms respectivamente apresentado é digitalizado, temporariamente armazenado e retransmitido para processamento adicional para uma unidade aritmética 12 na qual o algoritmo de avaliação de acordo com a invenção é implementado.
[0032] A unidade aritmética 12 inclui para cada canal de medição um processador para um rápido cálculo de uma transformação os dados retransmitidos pelo conversor 8, assim como uma memória em anel para armazenar um número L da transformação determinada pela transformação. Esta transformação pode ser, por exemplo, uma transformador Fourier de janela rápida FFT enquadrada FFT. Toda operação matemática com a qual e possível representar uma representação desta função matemática com o auxílio de uma série completa de funções base ortogonais deve ser entendida como uma transformação da dita função (o sinal de medição Ms (t) no significado da presente invenção. Conforme é o caso com a transformador Fourier - estas funções base ortogonais podem ser formadas pela função exponencial eimt. Todavia, é também possível em princípio usar outras funções periódicas como sistema base ortogonal. Estas transformações são usadas para calcular transformações discretas com o auxílio de um conjunto predeterminado de parâmetros discretos. No caso de transformador Fourier, estas são frequências permanentemente prescritas fi= i/2· que são selecionadas de acordo com a respectiva parte de sistema, como é explanado em maior detalhe para uma turbina, por exemplo, em WO 03/071243.
[0033] Para cada canal de medição, um algoritmo implementado na unidade aritmética 12 e explanado em maior detalhe abaixo emprega as transformações discretas determinadas na unidade aritmética 12
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10/23 para determinar primeira função de avaliação Ki,s(t) dependente do tempo t que é comparado em um dispositivo comparador 14 com um primeiro valor limiar prescrito K1,0). Uma ultrapassagem do primeiro valor limiar K1,0 (valor limiar alarme) em um dos canais (para um dos sinais de medição Ms) serve como um índice para a presença neste canal de um componente de sinal do tipo de pulso causado por um efeito mecânico transiente, e gera um correspondente sinal de disparo
S. O sinal de disparo S é alimentado a um gravador de transiente 16 no qual os dados determinados na unidade aritmética 12 para uma faixa de tempo de 10 s, por exemplo, é gravado e retransmitido para um computador de avaliação 18 para que o último possa ser usado para realizar uma análise (explanada subsequentemente) dos sinais de medição Ms(t) a serem inferidos da diferença entre os instantes ts (diferenças de tempo de propagação) em que a ocorrência de um evento é respectivamente gravada nos canais, a partir do conhecimento da geometria da parte de sistema, da posição dos sensores e da velocidade de som.
[0034] A figura 2 utiliza um desenho esquemático para explanar a primeira etapa do modo de procedimento implementado na unidade aritmética 12 (figura 1). O sinal de medição Ms digitalizado em cada canal com uma alta taxa de relógio de tempo (tipicamente 80-100 kHz) (e ilustrado de maneira analógica na figura para razões de clareza) é respectivamente armazenado para uma faixa de tempo TS (tipicamente aproximadamente 10 s) em um intervalo de tempo DT (tipicamente aproximadamente 0,01 - 0,0125 ms de acordo com a taxa de relógio). E atualizado de acordo com a taxa de relógio. Em uma primeira janela de tempo Dt1 dentro desta gama de relógio TS, o sinal de medição digitalizado Ms é submetido a uma transformador Fourier discreta rápida. Subsequentemente, esta primeira janela de tempo Dt1, é deslocada por uma primeira etapa de tempo dt1, e uma transformador Fourier é exe
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11/23 cutada mais uma vez em uma primeira janela de tempo superposta Dti da mesma duração. Na modalidade típica, Dt1 = 25,6 ms e δυ= 3,2 ms. Desta maneira, as primeiras magnitudes subordinadas ao tempo A1,s (f1,i,t) são determinadas para cada primeira janela de tempo Dt1 e para um número finito de primeiras frequências discretas fu.
[0035] Na figura 3, o perfil de tempo da primeira magnitude A1,s (f1,i,t) para uma frequência prescrita fu é ilustrado. Pode ser concluído desta figura que esta magnitude A1,s (f1,i,t) varia com tempo para esta frequência prescrita fi,i.. O intervalo de tempo graficamente representado na figura é a primeira etapa de tempo dt em que a rápida transformador Fourier é atualizada. De acordo com a invenção, o primeiro valor associado da magnitude A1,s (fu,tj) onde tj = t0+jdt1 j sendo um número natural, é determinado para uma multiplicidade N de primeiras frequências prescritas fu ou faixas de frequência e em temporalmente sequenciais primeiras etapas de tempo dt para temporalmente superpor primeiras janelas de tempo Dt1.
[0036] Uma magnitude média Ãs formada por esta primeira frequência f1,i é agora subtraída do primeiro valor da magnitude Ai,s (fi,i,tt) obtida desta maneira. Os algoritmos apropriados para determinar a magnitude média Ãs são uma função da parte do sistema a ser monitorado e da complexidade dos ruídos operacionais a ser esperados. Nas situações operacionais simples, é suficiente usar uma magnitude média constante permanentemente prescrita [0037] Ãs,0 (f1, i). É mais favorável determinar uma magnitude média temporalmente variável Ãs(fu,t) de uma maneira deslizante, conforme é ilustrado na figura 4. O uso de uma magnitude média deslizante Ãs(f1,i,t) é vantajoso, particularmente, ao monitorar partes de sistema no caso dos quais podem haver variações aleatórias em estado, nas quais parte do sistema se altera de um estado operacional para outro, e o ruído operacional ou de fundo pode se elevar ou declinar muito ra
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12/23 pidamente para um nível claramente diferente. O início de um denominado zumbir constitui a dita mudança em estado, no caso de uma turbina, por exemplo. Este é causado pela disposição das chamas em um espaço anular, que pode ter o resultado de que a inteira câmara de combustão seja excitada para vibrações simpáticas, os modos de vibração na direção circunferente tendo preferência. Estes fenômenos de ressonância podem em parte ser interrompidos bruscamente e igualmente reiniciar-se bruscamente mais uma vez. Se, por exemplo, uma magnitude média deslizante Ãs (f1,i,t) que é formada por uma simples mediação como uma média aritmética a partir de um número de magnitudes prévias, 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. Para evitar instâncias da dita ativação errônea, monitoração para efeitos mecânicos do tipo de pulsos é por conseguinte suprimida na prática durante o zumbido da turbina, que é detectado pelo analisar a característica de sinal.
[0038] Em outras partes do sistema, igualmente, por exemplo em um vaso de pressão de reator de uma usina geradora nuclear, ruídos operacionais de curta duração operacionalmente induzidos são superpostos sobre os ruídos básicos contínuos (fluxo de fluido, ruído de bomba), conforme causado, por exemplo, por variações permissíveis nas condições operacionais e intervenções intencionais na sequência operacional (atuação de válvulas, ação de barras de controle).
[0039] No caso de um processo de cálculo iterativo particularmente apropriado para partes de sistema com variações em estado relativamente lentas, a magnitude média Ãs e um desvio quadrático médio (variância) são determinadas para cada frequência fu de uma maneira deslizante com o auxílio das relações
Ãs (f1 ,i, t+dt) = kÃs (f1,i,t) + (1-k)A1,s (fi,i, t+dtj)
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13/23 = kvar (Ai,s (fi,i,t)) + (1-k) (Ai,i,t+ôt i) - As (fi ,i,t))2, +ôt i sendo a primeira etapa de tempo na qual a primeira magnitude Ai,s é respectivamente calculada para uma primeira janela de tempo AÍ1. Pelo selecionar o parâmetro k, é agora determinado a que ponto uma primeira magnitude Ai,s (fi,i,t+ôti) sendo adicionada ao mesmo influência magnitude média recém-calculada As(fi,i,t+ôti). Esta abordagem corresponde a uma mediação exponencialmente ponderada, k determinando a taxa de adaptação. Na eventualidade de uma brusca mudança na magnitude Ai,s (fi,t) de um valor inicial constante para uma um novo valor igualmente constante, haveria então uma adaptação aproximadamente exponencial da nova magnitude média As para a nova magnitude correntemente presente Ai,s com uma constante de tempo tb= ôti/ (1-k). Para k = 0,999 e ôti = 3,2 ms, existe uma constante de tempo t de 3,2 s. Uma modalidade de procedimento deste tipo é apropriada, por exemplo, para monitorar os ruídos operacionais de um vaso de pressão de um reator nuclear.
[0040] Para monitorar partes do sistema em que mudanças muito rápidas em estado são observadas, por exemplo, no caso de turbinas, um processo de cálculo comprovou ser particularmente apropriado no caso do qual a magnitude média As(fi,i,t) é determinada temporalmente de uma maneira deslizante em etapas temporais ôti em função do tempo t de um registro de dados Ai,s(fi,i,t), montado a partir de primeiras magnitudes Ai,s (fi,i,,tm) de um segmento de tempo T e ilustrado na figura 3, com o auxílio da relação
As (fi,i,t) = (Qa,s (fUt) + Qi-a,s(fi,i,t))/2 [0041] Na qual Qa,s e Qi-a,s são as quantidades a e (1-a) das primeiras quantidades das primeiras magnitudes Ai,s (fi,i tm) relativamente determinadas em um segmento de tempo T, onde tm = tm = t + môti e m é um número inteiro. Para este fim, as primeiras magnitudes Ai,s(fi,tm) associadas com este segmento T, são dispostas a título de exemplo
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14/23 simetricamente em relação ao instante t (aplicando-se neste caso que e -M é ímpar), e respectivamente formando o registro de dados A1,s(fi,t) atribuído ao instante t são classificados em uma seqüência pelo valor de magnitude. A quantidade a ou (1-a) é então aquele valor da magnitude que está localizado na posição aM ou (1-a)M da seqüência. Na prática, valores são estabelecidos entre 0,7 < a< 0,8, de preferência a = 0,75 para a.
[0042] As quantidades a e (1 - a), Qa,s e Q1-a,s, respectivamente, são agora usadas para calcular um desvio médio ss (f1,i,t) das primeiras magnitudes A1,s(f1,i,tn) da magnitude média (Ãs(f1,i,t), pelo utilizar a relação
Qa,s(f1,i,t)- Q1-a,s(f1,i,t) 2Q1-a,s q1-a,s sendo (1-a) quantil da distribuição Gaussiana normalizada.
[0043] Este processo de cálculo (método quantil) pode por conseguinte ser usado para calcular a média e o desvio de um registro de dados sem levar em conta os valores que estão localizados fora das faixas definidas por a e (1-a). Isto significa que grandezas substancialmente mais altas tais como podem ocorrer de uma maneira adicionalmente amplificada resultantes de um sinal de rajada superposto não são levados em conta, e assim também não podem corromper o resultado. Este processo pode ser usado em conjunção com a mesma qualidade do resultado de cálculo para selecionar um segmento de tempo substancialmente mais breve, por exemplo um registro de dados As(f1,i,t) compreendendo M= 100 de primeiros valores da magnitude As (f1,i,t) e tendo uma duração de T = 320 ms para o segmento de tempo ôt1= 3,2 ms. Consequentemente, a magnitude Ãs (f1,i,t) é apropriada para rápidas variações nos fundamentos operacionais de maneira estes estão incapacitados de levar à corrupção dos espectros
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15/23 normalizados ou se apresentarem como displays errôneos na monitoração. É possível no caso de uma modalidade de procedimento dessa natureza para a colisão de partes soltas ser detectada mesmo durante o zumbir de uma turbina a gás, em outras palavras quando vibrações simpáticas na câmara de combustão derem origem a ruídos de fundo substancialmente mais altos muito abruptamente, por exemplo com uma constante de tempo de aproximadamente 0,5 s em associação com um aumento de amplitude por um fator de 5 ou maior.
[0044] O módulo médio calculado existente As(Í1,i,t) e o desvio médio s(f1,i,t) podem agora ser usados em uma outra etapa de computação para determinar na base do método quantil um módulo médio aperfeiçoado Aopt,s (f1,i,t) pelo eliminar dos registro de dados respectivamente presentes As(f1,i,ts) aqueles primeiros módulos A1,s(f1,i,tm) que são significativamente maiores que o módulo médio previamente calculado As (fu, t). Na prática, isto comprovou ser vantajoso neste caso ao calcular a média para eliminar aquelas primeiras magnitudes A1,s(f1,i,tm) que são maiores que a s(fu,t) + 3ss(f1,i,t). Com o registro de dados completo As(fu,t), um cálculo renovado da média é então 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 número dos primeiros módulos A1,s(f1,i,tm) que são maiores que As(f1,i,t) + 3ss(f1,it). Como uma alternativa ao mesmo, é também possível e matematicamente idêntico determinar o α e (1-α) quantiles obtidos com registro de dados obtido com o registro de dados reduzidos, uma média aperfeiçoada Aopt,s(f1,i,t) ou um desvio médio aperfeiçoado sopt,s (fu,t) é agora calculado de acordo com a fórmula acima mencionada.
[0045] Com o auxílio dos módulos médios acima calculados As(fi,t) ou Aopt.s(fi,t) e do desvio médio ss(fi,t) ou sopt.s(fi,t), um desvio normalizado Ds(fi,t) do primeiro módulo A1,s da média As é agora calculado de
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16/23 acordo com a seguinte fórmula:
Ds(fl,i,tm) = (A1,s(f1,i, tm) - Ãs(f1,i,t))/Ss(f1,i,t) ou Ds(f1,i,tm) = (A1,s(f1,i, tm) - Ãopt,s(f1,i,t))/sopt,s(f1,i,t) [0046] Os primeiros módulos (A1,s(f1,i, tm) de M espectros são avaliados de maneira a determinar os maneira a determinar o módulo médio Ãs(f1,i,tm) válido no instante t e o desvio médio ss(f1,i,t) válido neste instante t. Em outras palavras: tanto o módulo médio Ãs(f1,i,t) como o Ãopt,s(f1,i,t) e o desvio médio ss(fi,t) ou sopt,s(1,i,t) são constantemente atualizados com o auxílio de M transformações. Esta atualização é realizada nas primeiras etapas de tempo ÒUO registro de dados A1,s(t+ ÒF) formando a base do cálculo do novo módulo médio Ãs(f1,i,t+ δί) médio Ãopt,s(f1,i,t+ Òt-ι) e o novo desvio médio ss(f1,i,, t+ δί) ou sopt,s (f1,i,t+ ÒU) é formado neste caso pelo suprimir o primeiro módulo (mais antigo) e adicionar o novo módulo mais recente. No caso de um segmento de tempo T simetricamente disposto em relação ao instante t, estes são os primeiros módulos.
M — 1 M — 1
A1,s(f1,i,t — dt1) e A1,s(f1,i,t + ------- < Ôt1).
2 [0047] Em um refinamento vantajoso, o desvio normalizado Ds(t,f1,i) é adicionalmente mediado em uma faixa de frequência f1,i-L, f1,iL+1, ... f1,i+L circundando a frequência fi,i e consistindo em 2L+1 frequências, e de um desvio normalizado médio ds(f1,i,t) é determinado pela equação
D s(f1,i,t) = V Ds(f1,i+k,t).
+ 2Lkt—L [0048] Esta etapa de computação adicional conduz a uma redução no nível e amplitude de flutuação de desvio normalizado nas faixas em que somente sinais de fundo estão presentes. Os componentes de sinal úteis não são acentuadamente variados pela mediação na faixa de frequência, uma vez que eles sempre ocorrem de uma maneira concentrada em torno das linhas de frequência vizinhas. Esta medida re
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17/23 sulta mais uma vez em um aperfeiçoamento na relação de sinal/fundo em 10 a 15 dB adicionais.
[0049] Um outro aperfeiçoamento na relação de sinal/fundo é realizado quando um valor limiar D0,s é adicionalmente introduzido, e um desvio normalizado dv,s(f1,i,t) determinado com o auxílio da relação dv,s = D0,s para d s < D0,s e d v,s = d s para d s > Dü,s.
[0050] Os desvios normalizados Da(fu,t), ds(fu,t) ou dv,s(fu,t) determinados desta maneira são elevados ao quadrado e somados através de todas as frequências discretas fi:
N
Ss(t) = Σ Ds(f1 ,i,t)2/N(a) i = 1
N _
Ss(t) = Σ Ds(f1,i,t)2/N(b) i = 1 ou
N _
Ss(t) = Σ Dv,s(f1,i,t)2/N(c).
i = 1 [0051] Uma primeira função de avaliação K1,s(t) é a seguir derivada desta soma Ss (t) pela extração da raiz:
K1,s(t) = /Ss(t)(1).
[0052] A última serve como indicador para a ocorrência de um impacto. Como uma alternativa para isto, é também possível para a função de avaliação ser formada pelo calcular a diferença entre a raiz da soma Ss(t) e um meio de tempo deslizante desta raiz.
K 1,s(t) = K1,s(t) - K 1,s(t) (2), [0053] E para a mesma servir como característica para a ocorrência de um impacto. Se K1,s (t) ou K l,s(t) ultrapassarem um primeiro valor limiar Kl,0 (limiar de alarme), que está entre 1,5 e 2 para turbinas a gás, isto constitui uma indicação para um impacto de uma parte solta. As seguintes explanações são a seguir baseadas a título de exemplo sobre funções de avaliação K calculadas usando a equação (1).
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18/23 [0054] A exatidão com a qual o instante ts em que o evento ocorre, e assim as diferenças de tempo de propagação, podem ser determinadas para cada um dos sensores depende substancialmente da taxa de ascensão da primeira função de avaliação K1,s. A ascensão da primeira função de avaliação Kl,s é, todavia, mais lenta tanto maior é a primeira janela de tempo Dt1.
[0055] Isto é ilustrado nas figuras 5 e 6 para um canal de medição. Graficamente representado na figura 5 contra o tempo t é um sinal de medição idealizado M sobre o qual uma rajada 20 no intervalo de tempo ta a tb é superposta. A figura 6 mostra um diagrama idealizado no qual uma primeira e segunda função de avaliação K1 (curva a) e K2 (curva b) respectivamente são plotadas contra o tempo t; estas foram derivadas do sinal de medição M da figura 5 com o auxílio de uma primeira e segunda janela de tempo Dt1 e Dt2 , se enquadrando dentro da faixa de tempo TS. Se a primeira função de avaliação K1 é agora determinada em uma primeira janela de tempo Dt1 na qual a rajada 20 ainda não se iniciou, no caso ideal K1 = 1 resulta (quando K 1 é usado em vez de K1 como primeira função de avaliação, no caso ideal K1 = 0 resulta). A primeira janela de tempo Dt1 agora migra para a direita nas primeiras etapas de tempo dt1, e a trajada 20 é sucessivamente detectada pela primeira janela de tempo Dt1 de tal maneira que no evento de uma transformador Fourier os componentes de frequência contidos na trajada 20 desempenham crescentemente um papel maior no cálculo da primeira função de avaliação K1. Se a primeira janela de tempo Dt1 agora atingir o término da rajada 20 no instante tb com o seu flanco direito, a rajada 20 situa-se completamente dentro desta primeira janela de tempo Dt1, e assim a primeira função de avaliação K1 atingiu o seu máximo. Se o flanco esquerdo da primeira janela de tempo Dt1, então coincide com o final da rajada 20, a primeira função de avaliação K1 baixa a 1 mais uma vez. Na base da largura da primeira janela de
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19/23 tempo Dti, que corresponde pelo menos à largura de uma rajada 20 a ser prevista, a ascensão na primeira função de avaliação K1 ainda 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 tempo At2 é representada na figura 5, e é significativamente menor que a primeira janela de tempo Dt1. A segunda janela de tempo Dt2 é agora usada para calcular a segunda função de avaliação K2 nas segundas etapas de tempo mais curtas dt2 < δυ com o auxílio dos mesmos algoritmos, explanados acima para o cálculo da primeira função de avaliação K1, e pelo usar as segundas frequências f2,i (parâmetros) adaptados à segunda janela de tempo Dt2. Uma vez que ambas a segunda janela de tempo Dt2 e as segundas etapas de tempo dt2 são mais curtas que a primeira janela de tempo Dt1 e as primeiras etapas de tempo dt1, respectivamente, a dita função de avaliação se eleva de forma significativamente mais rápida que a primeira função de avaliação K1 e já atinge o seu máximo em um período significativamente mais curto que, no exemplo da figura, corresponde aproximadamente à duração da segunda janela de tempo Dt2, conforme é para ser visto da curva b da figura 6. É também ilustrado nesta figura que esta segunda função de avaliação K2 calculada com o auxílio da segunda janela de tempo mais curta At2 tem um ruído significativamente mais alto devido ao menor volume de dados sobre o qual a transformador Fourier é baseada.
[0056] O espectro de frequência compreende menor número de frequências discretas, devido à menor janela de tempo Dt2. Em outras palavras; os segundos módulos A2,s(f2,i,t) estão presentes para menor número de segundas frequências f2,i é o conjunto das segundas frequências f2,i sendo, todavia, um subconjunto do conjunto das primeiras frequências f1,i.
[0057] A primeira função de avaliação K1,s(t) calculada com o auxílio dos algoritmos acima mencionados para todos os canais de medi
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20/23 ção é agora usada para supervisionar todos os canais de medição para a ocorrência de uma rajada com uma sensibilidade muito alta, sendo aceito que o início da rajada nos canais individuais pode ser determinado somente com baixa exatidão.
[0058] Se uma rajada é agora determinada em um dos canais de medição em um instante de disparo t0 (aumento na primeira função de avaliação K1,s em relação a um primeiro valor limiar > K1,0) é ativado um sinal de disparo que respectivamente congela os sinais de medição armazenados em todos os canais durante aproximadamente 10 s em uma faixa de tempo TS que situa-se aproximadamente de forma simétrica em torno do instante t0do sinal de disparo (pré-disparo). Segundas funções de avaliação K2,s(t) são então respectivamente calculadas para todos os canais usando os algoritmos acima mencionados, este cálculo sendo baseado, todavia, sobre os módulos médios Ãs(f2,i,t0) e desvios padrão ss (f2,i,to) determinados pouco antes ou no instante de ativação fo a partir dos primeiros módulos A1,s (f1,i,t) e válido para as segundas frequências f2,i. Isto é possível uma vez que após o instante de ativação nenhum sinal de rajada superposto está presente, e assim estes valores representam o puro fundamento operacional, presumindo-se outrossim que os fundamentos operacionais não se alteram significativamente no curto tempo subsequente durante a rajada.
[0059] As figuras 7a-f agora mostram o sinal de medição Ms (M1-6) (curvas c) respectivamente detectadas por um sensor 4s (41-6) em um vaso de pressão de um reator nuclear em diferentes posições de medição por um período de aproximadamente 30 ms. Pode agora ser concluído diretamente dos diagramas que a ocorrência de um evento pode possivelmente ser identificada no sinal de medição M2 no diagrama de acordo com a figura 7b sem de esse modo ser possível, todavia, concluir-se diretamente do sinal de medição se o que é envolvi
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21/23 do é uma transição do estado operacional, ou um evento do tipo de pulso que é para ser atribuído a um impacto de uma parte solta.
[0060] A segunda função de avaliação K2,s(t) obtida com a assistência de um dos processos acima é respectivamente graficamente representado como uma curva contínua d nas figuras 7a-f. No exemplo ilustrado, a segunda função de avaliação K2,s(t) foi calculada usando o processo iterativo. Pode ser visto nas figuras que a segunda função de avaliação K2,s(t) respectivamente exibe uma elevação significativa nos diferentes instantes ts = t1 a t6.. Estes instantes ts podem ser determinados, por exemplo, como aqueles instantes nos quais as segundas funções de avaliação K2,s(t) respectivamente, ultrapassam um segundo valor limiar prescrito K2,0. Caso estes instantes ts sejam conhecidos, é possível não somente detectar confiavelmente a ocorrência de um evento tipo pulso, porém é também possível, dada a locação de um sensor conhecida, inferir a localização do impacto a partir das diferenças de tempo de propagação LZ Í1-Í2, t1-t3, ... (no exemplo, t3-t2, t4t2, t5-t2 e t6-t2).
[0061] A segunda função de avaliação K2.s calculada desta maneira para cada um dos canais de medição é usada em uma etapa seguinte para calcular mais exatamente os instantes ts em que o sinal de rajada causado pelo efeito tipo pulso ocorre na locação do respectivo sensor 4s. Este cálculo mais exato é explanado abaixo com o auxílio dos diagramas ilustrados nas figuras 8 e 9.
[0062] A figura 8 mostra o perfil típico de uma segunda função de avaliação K2,s (segunda etapa de tempo dt2 = 0,16 ms, segunda janela de tempo Dt2 = 2,56 ms) calculada desta maneira. Esta segunda função de avaliação K2,s ultrapassa um segundo valor limiar K2,0 em um instante ts. O aumento na segunda função de avaliação K2,s é atribuído a uma rajada na base deste primeiro valor limiar K1,0. A segunda função de avaliação K2,s é agora diferenciada com respeito ao tempo t.O
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22/23 correspondente quociente diferencial dK2,s/dt é graficamente representado contra o tempo na figura 9 como uma curva. A partir do instante ts, uma tentativa agora é feita para encontrar o instante nesta curva em que o quociente diferencial desaparece, isto é, a segunda função de avaliação K2,s atinge o valor máximo local. Este é o caso no instante t1. Um instante t2 < t1 é agora determinado no qual a curva atinge o valor 0. É a seguir determinado nesta faixa t2 a t1 o máximo DKmax,s que especifica o maior gradiente da segunda função de avaliação K2,s. Este máximo DKmax,s é agora usado para calcular um valor limiar de diferença DK0,s com a ajuda da relação DK0,s = bDKmax,s. β sendo de um valor entre 0,05 e 0,2. O instante ts,korr no qual a primeira derivada dK2,s/dt no intervalo de tempo t2-t1 ultrapassa este valor limiar de diferença DK0,s pela primeira vez é agora usado como instante corrigido para o cálculo das diferenças de tempo de propagação. Uma determinação exata dos tempos de propagação é possível desta maneira.
Listagem de Referência
Parte de sistema
41,s,p
Sensor
Pré-amplificador
Multiplexador
Conversor Analógico/Digital
Unidade Aritmética
Ms
K1,s; K2,s t
Dt1,2
Dispositivo comparador
Registrador de transientes
Computador Avaliador
Rajada
Sinal de Medição
Primeira, Segunda Função de Avaliação
Tempo
Primeira, Segunda Janela de Tempo
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23/23 ôt,1,2 Primeira, Segunda Etapa de Tempo
Ai,s; A2,s Primeira, Segunda Magnitude fi Frequência
As Magnitude média
A1,s Registro de dados
T Segmento de tempo
TS Faixa de tempo
DT Intervalo de tempo ts Instante ts,korr Instante corrigido t1, t2 Instante
Dkmax,s Máximo
DK0,s Valor limiar de diferença
K1,0 Primeiro valor limiar
K2,0 Segundo valor limiar

Claims (9)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Processo para detectar a localização de um efeito mecânico tipo pulso sobre uma parte de sistema (2), caso em que um ruído operacional presente na parte de sistema (2) é detectado continuamente por uma pluralidade (P) de sensores (4s) dispostos sobre a parte de sistema (2) e é por eles convertido em um sinal de medição (Ms), dotado dos seguintes aspectos característicos:
    a) os sinais de medição (Ms) são respectivamente armazenados em intervalos de tempo (DT) por uma faixa de tempo (TS);
    caracterizado pelo fato de que ainda compreende:
    b) um primeiro módulo (A1,s (f1.,i,t) da transformação de cada sinal de medição (Ms) é determinado com a assistência de primeiros parâmetros prescritos (fu) de uma regra de transformação matemática em primeiras janelas de tempo (Dt1) que são temporalmente sucessivas em primeiras etapas de tempo (ôG) e se enquadram dentro da faixa de tempo (TS);
    c) uma primeira função de avaliação (K1,s(t)) é respectivamente derivada para cada primeira etapa de tempo (ôG) das primeiras magnitudes (A1,s (fu,t)) determinadas para cada um dos primeiros parâmetros prescritos (f1,i);
    d) as primeiras funções de avaliação (K1,s(t)) são respectivamente comparadas com um primeiro valor limiar (Kh,0) e a ultrapassagem do primeiro valor limiar (K1,0) por pelo menos uma das primeiras funções de avaliação(K1,s(t)) em um instante de disparo (fo) é avaliado como um índice para a presença de um componentes de sinal tipo pulso indicando o efeito mecânico;
    e) segundas funções de avaliação (K2,s(t)) são determinadas com a assistência de segundos parâmetros prescritos (f2,i) da regra de transformação matemática e com os mesmo algoritmos nas segundas janelas de tempo (Dt2) que são temporalmente sucessivas em
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  2. 2/4 segundas etapas de tempo (dt2) e se enquadram dentro da faixa de tempo (TS), e que são menores que as primeiras janelas de tempo (Dt1); e
    f) a localização do efeito é determinada a partir dos instantes (ts, ts,korr) em que as segundas funções de avaliação (K2,s (t)) respectivamente satisfazem um critério prescrito, e das diferenças de tempo de propagação resultantes do mesmo.
    2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as segundas etapas de tempo (dt2) são mais breves que as primeiras etapas de tempo (dfi).
  3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que são determinados para cada primeira etapa de tempo (dt1) e cada um dos primeiros parâmetros prescritos (fu) o desvio das primeiras magnitudes (A1,s (fu,t)) de uma primeira magnitude média (Ã1,s(fu,t)), e um desvio médio (ss(f1,i,t)) atribuído a este do qual a primeira função de avaliação (K1,s(t)) é derivada para cada dos primeiros parâmetros prescritos (fu) e para cada primeira etapa de tempo (dt1) e em que o cálculo da segunda função de avaliação (K2,s(t) e baseado tanto sobre a magnitude média (Ã1,s(f2,i,t0)) válida para o instante de disparo (t0) para os segundos parâmetros (f2,i) e no desvio médio (ss(f1,i,ts) atribuído à dita magnitude média.
  4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o critério prescrito é satisfeito com as segundas funções de avaliação (K2,s(t)) respectivamente ultrapassa um segundo valor limiar (K2,0).
  5. 5. Processo de acordo com a reivindicação 1,2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o critério prescrito é satisfeito quando a primeira derivada da segunda função de avaliação(K2.s(t)) ultrapassa um valor limiar de diferença (DK0,s).
  6. 6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado
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    3/4 pelo fato de que o valor limiar de diferença (DKo,s) é derivado do máximo gradiente (DKmax,s) de um flanco ascendente da segunda função de avaliação (K2,s(t)).
  7. 7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o valor limiar de diferença (DK0,s) é determinado com o auxílio da relação DK0,s = β DKmax,s, caso em que 0,05 β < 0,2.
  8. 8. Dispositivo para detectar a localização de um efeito mecânico do tipo de pulso sobre uma parte de sistema (2), tendo uma pluralidade (P) de sensores (4s) dispostos sobre a parte de sistema (2) para continuamente detectar e medir um ruído operacional presente na parte de sistema (2), e tendo 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 unidade aritmética (12) para executar as seguintes etapas de computação:
    a) os sinais de medição (Ms) são respectivamente armazenados nos intervalos de tempo (DT) por uma faixa de tempo (TS);
    caracterizado pelo fato de que ainda compreende:
    b) uma primeira magnitude (A1,s (f1,i,t)) da transformação de cada sinal de medição (Ms) é determinada com a assistência de primeiros parâmetros prescritos (f1,i) de uma regra de transformação matemática em primeiras janelas de tempo (DU) que são temporalmente sucessivos em primeiras etapas de tempo (ôU) e enquadra-se dentro da faixa de tempo (TS);
    c) uma primeira função de avaliação (K1,s(t)) é respectivamente derivada para cada primeira etapa de tempo (ôt2) das primeiras magnitudes (A1,s (f1,s,t)) determinadas para cada um dos primeiros parâmetros prescritos (f1,i);
    d) as primeiras funções de avaliação (K1,s(t)) são respectivamente comparadas com um primeiro valor limiar (K1,0), e a ultrapas
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    4/4 sagem do valor limiar (Ki,o) por pelo menos uma das primeiras funções de avaliação (K1,s(t)) em instante de disparo (fo) é estimada como um índice para a presença de um componente de sinal tipo pulso indicando o efeito mecânico;
    e) segundas funções de avaliação (K2,s(t)) são determinadas com a assistência de segundos parâmetros prescritos (f2,i) da regra de transformação matemática e com os mesmos algoritmos nas segundas janelas de tempo (Dt2) que são temporalmente sequenciais em segundas etapas de tempo ((¾) e situam-se dentro da faixa de tempo (TS), e que são menores que as primeiras janelas de tempo (Dt1); e
    f) a locação do efeito é determinada a partir dos instantes (ts) em que as segundas funções de avaliação (K2,s(t)) respectivamente satisfazem um critério prescrito, e das diferenças de tempo de propagação resultantes das mesmas.
  9. 9. Dispositivo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por ter um algoritmo, implementado na unidade aritmética (12) para a realização do processo como definido em qualquer uma das reivindicações 2 a 7.
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