ES2635718T3 - Procedimiento y dispositivo para la detección del lugar de un efecto mecánico a modo de impulsos sobre una pieza de una instalación - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la detección del lugar de un efecto mecánico a modo de impulsos sobre una pieza de una instalación (2), en el que un ruido de funcionamiento existente en la pieza de instalación (2) se registra continuamente 5 con una pluralidad (P) de sensores (4s) dispuestos en la pieza de instalación (2) y por esta se convierte en una señal de medición (Ms), con las siguientes características: a) las señales de medición (Ms) se almacenan en cada caso en intervalos de tiempo (DT) durante un espacio de tiempo (TS) b) en primeras ventanas de tiempo (Δt1) situadas consecutivas en el tiempo en primeras etapas de tiempo (t1) dentro del espacio de tiempo (TS) se averigua con primeros parámetros predeterminados (f1,i) de una regla de transformación matemática una primera cantidad (A1,s(f1,i,t)) de la transformada de cada señal de medición (Ms), c) a partir de las primeras cantidades (A1,s(f1,i,t)) determinadas para cada uno de los primeros parámetros predeterminados (f1,i) se deriva para cada primera etapa de tiempo (δt1) en cada caso una primera función de evaluación (K1,s(t)), d) las primeras funciones de evaluación (K1,s(t)) se comparan en cada caso con un primer valor umbral (K1,0) y la superación del primer valor umbral (K1,0) de al menos una de las primeras funciones de evaluación (K1,s(t)) en un momento de excitación (t0) se evalúa como indicio de la presencia de una fracción de señal a modo de impulso que indica el efecto mecánico, e) en segundas ventanas de tiempo (Δt2) situadas en el tiempo en segundas etapas de tiempo (δt2) consecutivas dentro del espacio de tiempo (TS), que son más pequeñas que las primeras ventanas de tiempo (Δt1), se averiguan con segundos parámetros (f2,i) predeterminados de la regla de transformación matemática y con los mismos algoritmos segundas funciones de evaluación (K2,s(t)), f) a partir de los momentos (ts,ts,korr), en los cuales las segundas funciones de evaluación (K2,s(t)) en cada caso cumplen un criterio predeterminado y a partir de las diferencias de duración de ejecución resultantes de ello se determina el lugar del efecto.
Description
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DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo para la deteccion del lugar de un efecto mecanico a modo de impulsos sobre una pieza de una instalacion
La invencion se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la deteccion del lugar de un efecto mecanico a modo de impulsos sobre una pieza de una instalacion.
En un gran numero de casos de aplicacion es necesario vigilar de manera ininterrumpida el funcionamiento reglamentario de una pieza de una instalacion, por ejemplo, de una tubena o de un contenedor para la tecnica de procedimientos qmmicos o una turbomaquina para detectar avenas a tiempo y evitar danos resultantes graves. Para una vigilancia de este tipo en el estado de la tecnica se conocen un gran numero de procedimientos.
En el documento EP 0 765 466 B1 se ha propuesto llevar a cabo la vigilancia de vibraciones de alabes con ayuda de microondas que estan orientadas hacia los alabes. A partir de la modulacion de las microondas reflejadas en los alabes puede deducirse el estado vibratorio de la turbina.
En el procedimiento conocido por el documento DE 198 57 552 A1 se registra la rotura del arbol de una turbina mediante una medicion de las frecuencias de giro en los extremos del arbol.
En el documento DE 198 43 615 C2 se propone llevar a cabo el diagnostico del estado de un accionamiento de combustion con ayuda de un analisis del espectro de frecuencia de las senales de medicion que se captan con ayuda de un captador acusticos dispuesto en la zona de entrada de aire o de gas de escape.
En el documento DE 197 27 114 C2 para la vigilancia de una maquina en lugar del sonido propagado por el aire se registran las senales de sonido conducido a traves de cuerpos solidos. Tambien en el caso de este procedimiento conocido se analizan los espectros de frecuencia averiguados en cada caso de las senales de medicion registradas por el captador de sonido conducido a traves de cuerpos solidos.
Tambien procedimiento divulgado en el documento DE 195 45 008 C2 durante el funcionamiento de la maquina se analiza el espectro de frecuencia de la senal de medicion registrada por un sensor de vigilancia, por ejemplo un captador de aceleracion y se compara con un espectro de frecuencia de referencia.
Un analisis del espectro de frecuencia de las senales de sonido conducido a traves de cuerpos solidos tomadas en una turbina se lleva a cabo tambien en el procedimiento conocido por el documento US 6,301,572 B1. Para ello las transformadas de Fourier de la senal de medicion se analizan en una red neuronal con reglas de la logica difusa para obtener de esta manera informacion sobre el estado de la turbina.
Un problema especial lo representan piezas sueltas arrastradas por la corriente y que impactan en la pieza de una instalacion que causan un efecto breve, a modo de impulsos cuya deteccion segura es problematica de manera correspondiente.
En el documento GB 2288235 se propone registrar la aparicion de piezas sueltas arrastradas en un medio que fluye corriente las vibraciones generadas en el impacto de las piezas sobre una pieza de una instalacion. Para ello se dispone un captador acustico en la pieza de una instalacion y las senales de medicion generadas por este se alimenta a una red neuronal con capacidad de aprendizaje que mediante el patron que aparece puede decidir si se trata, o no, de un ruido normal.
Los problemas que acompanan a la aparicion de piezas sueltas en un medio que fluye pueden originarse por ejemplo en turbinas de gas cuya camara de proteccion esta revestida para la proteccion del recalentamiento con azulejos de ceramica. Estos azulejos de ceramica estan sometidos a una carga dinamica alta mediante las oscilaciones por el cambio de presion que aparecen en la camara de combustion. En este caso puede suceder que los fragmentos de los azulejos se rompan en los soportes respectivos, sean arrastrados por la corriente del gas de escape y se den contra la primera fila de alabes directores de la turbina de gas. Esto puede llevar a un dano del recubrimiento de los alabes conductores y a una destruccion de los alabes de rodete dispuestos detras. Ademas existe el peligro de que un azulejo ya danado por la rotura de los fragmentos se suelte completamente de los soportes y pueda llevar a un dano en la turbina de gas masivo de manera correspondiente. En este caso el impacto de piezas sueltas pequenas o de un azulejo individual indica una rotura total proxima de un azulejo o varios azulejos de modo que una desconexion a tiempo de la turbina de gas e intercambio a tiempo de los azulejos danados impide un dano mayor.
Para poder constatar la penetracion de partfculas extranas en una turbina de gas en el documento US 4,888,948 en la entrada de la turbina se dispone un sensor con el que se registra una carga electrica inducida por los cuerpos extranos.
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Para la vigilancia de los choques de este tipo sobre una pieza de una instalacion se conoce tambien por el documento WO 01/75272 A2 fundamentalmente, con ayuda de sensores adecuados registrar el golpe al igual que en el procedimiento conocido por el documento GB 2288235 a traves de un ruido conducido a traves de cuerpos solidos que se origina en este caso. A este respecto sin embargo, en particular en turbinas de gas aparece el problema de que los ruidos de funcionamiento normales son tan altos que tambien la fraccion de senal generada por el choque de un azulejo entero sobre el alabe conductor de la turbina de gas en el sensor es mas pequena que el fondo generado por los ruidos de funcionamiento normales, de modo que en particular el impacto de fragmentos mas pequenos mediante una unica vigilancia de las amplitudes de las senales de sonido conducido a traves de cuerpos solidos no puede detectarse. Para la mejora de la relacion de senal-ruido en este documento se propone por lo tanto el someter a la senal de medicion tomada por un captador de valor promedio a un filtro de banda o de paso alto para eliminar de esta manera las senales de sonido conducido a traves de cuerpos solidos que se originan en el funcionamiento normal de la turbina. Sin embargo estas medidas no son suficientes para identificar de manera segura en el caso de ruidos de fondo elevado y variables en el tiempo un evento a modo de impulsos.
Por el documento WO 03/071243 A1 se conoce un procedimiento para la deteccion un dispositivo mecanico a modo de impulsos sobre una pieza de una instalacion en el que la senal de sonido conducido a traves de cuerpos solidos registrada se somete a una transformacion de Fourier por ventanas. A partir de un gran numero de los espectros de Fourier averiguados de esta manera con los algoritmos explicados en este documento con mas detalle se deriva una funcion de evaluacion K que indica la aparicion de un efecto mecanico a modo de impulsos en la pieza de una instalacion. El algoritmo indicado en este documento para derivar la funcion de evaluacion K permite la deteccion precisa de una fraccion de senal solapada en la senal de medicion de ruido que lleva a un efecto a modo de impulsos.
En particular en el caso piezas de una instalacion de gran volumen con un gran numero de componentes montados en las mismas ademas de la informacion de que ha tenido lugar un efecto mecanico a modo de impulsos de este tipo que no pertenece al ruido de funcionamiento normal, tambien es importante saber en que lugar en la pieza de una instalacion ha tenido lugar diese efecto. Para ello se conoce fundamentalmente la colocacion de una pluralidad de sensores en diferentes lugares en la pieza de una instalacion y deducir el lugar del efecto a partir de las diferencias de tiempo entre los eventos detectados por los sensores individuales en cada caso y la velocidad del sonido en la pieza de una instalacion. El lugar del efecto es interesante tambien en el caso de la vigilancia de turbinas para poder evaluar si se trata del vuelo de un azulejo (impacto de un azulejo que se ha soltado en el soporte de alabe conductor o en la envoltura externa del espacio de la camara de combustion), o si el efecto a modo de impulsos se provoca mediante procesos de friccion condicionados por el funcionamiento desde otras zonas de la turbina.
Para una determinacion exacta del lugar de efecto es necesario determinar, a partir de las ventanas de tiempo en las que se detecta en cada caso el evento en los sensores, el comienzo del evento de la manera mas exacta posible.
Por el documento DE 22 23 321 C2 se conoce la deteccion de una grieta y su lugar con una pluralidad de convertidores piezoelectricos dispuestos en la pieza de una instalacion. Para ello se evaluan las diferencias de tiempo de los valore maximos de las senales recibidas por los convertidores.
La invencion se basa ahora en el objetivo de indicar un procedimiento para la deteccion del lugar de un efecto mecanico a modo de impulsos sobre una pieza de una instalacion que este mejorado adicionalmente con respecto a los procedimientos conocidos en el estado de la tecnica. Ademas la invencion se basa en el objetivo de indicar un dispositivo para la realizacion del procedimiento.
En cuanto al procedimiento el objetivo mencionado se resuelve segun la invencion con un procedimiento con las caractensticas de la reivindicacion 1. En el procedimiento para la deteccion del lugar de un efecto mecanico a modo de impulsos sobre una pieza de una instalacion se registra continuamente un ruido de funcionamiento existente en la pieza de una instalacion con una pluralidad de sensores dispuestos en la pieza de una instalacion y por esta se convierte en una senal de medicion, estando previstas para el analisis de las senales de medicion las siguientes etapas de procedimiento:
a) Las senales de medicion se almacenan en cada caso en intervalos de tiempo durante un espacio de tiempo,
b) en primeras ventanas de tiempo situadas consecutivas en el tiempo en primeras etapas de tiempo dentro del espacio de tiempo se averigua con primeros parametros predeterminados de una regla de transformacion matematica un primer valor de la transformada de cada senal de medicion,
c) a partir de las primeras cantidades determinadas predeterminados para cada uno de los primeros parametros se deriva para cada primera etapa de tiempo en cada caso una primera funcion de evaluacion,
d) las primeras funciones de evaluacion se comparan en cada caso con un primer valor umbral y la superacion del primer valor umbral de al menos una de las primeras funciones de evaluacion en un momento de excitacion se evalua como indicio para la presencia de una fraccion de senal a modo de impulso que indica el efecto mecanico,
e) en segundas ventanas de tiempo situadas consecutivas en el tiempo en segundas etapas de tiempo dentro del espacio de tiempo, que son mas pequenas que las primeras ventanas de tiempo, se averiguan con segundos
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parametros predeterminados de la regla de transformacion matematica y con los mismos algoritmos segundas funciones de evaluacion,
f) a partir de los momentos, en los cuales las segundas funciones de evaluacion en cada caso cumplen un criterio predeterminado y a partir de las diferencias de duracion de ejecucion resultantes de ello se determina el lugar del efecto.
La invencion se basa en este caso en la reflexion de que la sensibilidad con la que puede detectarse un efecto a modo de impulso depende esencialmente del tamano de la ventana de tiempo, y debena superar la duracion de una rafaga tipica, aunque esta superacion no tiene que ser demasiado alta, de modo que la ventana de tiempo se situe todavfa en el orden de magnitud de la duracion de la rafaga (duracion < ventana de tiempo < decuplo de la duracion). Sin embargo una ventana de tiempo grande tiene la desventaja de que la funcion de evaluacion solamente vana muy lentamente, de modo que el momento del efecto, es decir del comienzo de la senal de rafaga solamente puede determinarse de manera relativamente inexacta. Si ahora, en uno de los canales, se identifica una senal de rafaga y la funcion de evaluacion se calcula nuevamente con una ventana de tiempo significativamente mas pequena, entonces la constante de tiempo, con la que se vana la funcion de evaluacion, es reducida de manera correspondiente, y es posible una determinacion mas exacta de su momento de aumento y con ello del momento del efecto.
El objetivo mencionado en segundo lugar se resuelve segun la invencion con un dispositivo con las caractensticas de la reivindicacion 8, cuyas ventajas se producen de manera analoga de las ventajas indicadas en la reivindicacion 1.
En las reivindicaciones dependientes respectivas se indican configuraciones ventajosas del procedimiento y del dispositivo segun la invencion.
Para la explicacion adicional de la invencion se remite al dibujo. Muestran:
la figura 1 la figura 2
la figura 3
la figura 4 la figura 5 la figura 6 las figuras 7a-f
las figuras 8 y 9
un ejemplo de realizacion para un dispositivo segun la invencion en un esquema esquematico, un diagrama simplificado, en el que la senal de medicion M esta trazada en alta resolucion en el tiempo en contra del tiempo t,
un diagrama en el que la cantidad A del espectro de frecuencia averiguada a partir de la senal de medicion mediante transformacion de Fourier rapida esta trazada en una frecuencia predeterminada fi en contra del tiempo t,
un diagrama en el que el valor promedio A movil en el tiempo de las cantidades del espectro esta trazado en una frecuencia predeterminada fi igualmente en contra del tiempo t, un diagrama en el que una senal de medicion idealizada M esta trazada con una rafaga que puede detectarse directamente en la senal de medicion en contra del tiempo t,
un diagrama en el que estan trazadas funciones de evaluacion Ki y K2 averiguadas con diferentes ventanas de tiempo a partir de la senal de medicion segun la figura 5 en contra del tiempo t, en cada caso diagramas en los que el ruido de funcionamiento (senal de medicion M) de una pieza de una instalacion registrado por sensores dispuestos en cada caso en diferentes posiciones en presencia de un efecto extrano, asf como la funcion de evaluacion (K2) averiguada con el procedimiento segun la invencion con una segunda ventana de tiempo estan trazadas en contra del tiempo t,
en cada caso un diagrama en el que la funcion de evaluacion K2 averiguada para un sensor con una segunda ventana de tiempo o su derivacion en el tiempo dK2/dt estan trazadas en contra del tiempo t.
Segun la figura 1 sobre una pieza de una instalacion 2, por ejemplo, una turbina de gas, estan dispuestos una pluralidad P de captadores de valores de medicion o sensores 4i,...s,..p, en particular captadores de aceleracion piezoelectricos, que en cada caso registran continuamente el ruido de funcionamiento existente en la pieza de una instalacion 2 y que se propaga en forma de ruido conducido a traves de cuerpos solidos en varios canales de medicion. Los sensores 4s convierten las senales de sonido conducido a traves de cuerpos solidos en cada caso en una senal de medicion Ms electrica que se amplifica en un preamplificador 6, y se transmite a un convertidor analogico-digital 8 que esta conectado a una memoria digital 10. La senal de medicion Ms amplificada que se presenta en cada caso se digitaliza, se almacena temporalmente y se transmite a un dispositivo de calculo 12 para el procesamiento posterior en el que esta implementado el algoritmo de evaluacion de acuerdo con la invencion.
El dispositivo de calculo 12 contiene para cada canal de medicion un procesador para un calculo rapido de una transformada de los datos transmitidos por el convertidor analogico/digital 8, asf como una memoria dclica para almacenar un numero L de las transformadas averiguadas mediante la transformacion. En el caso de esta transformacion se trata por ejemplo de una transformacion de Fourier FFT rapida con ventanas. Como transformacion de una funcion matematica (la senal de medicion Ms(t)) en el sentido de la presente invencion ha de entenderse cada operacion matematica con cual es posible representar una representacion de esta funcion con un conjunto completo de funciones basicas ortogonales. Estas funciones basicas ortogonales pueden ^ estar formadas - tal como es el caso en la transformacion de Fourier - mediante la funcion exponencial e"iWt. Sin embargo
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fundamentalmente pueden emplearse tambien otras funciones periodicas como sistema basico ortogonal. Con estas transformaciones se calculan transformadas discretas con un conjunto predeterminado de parametros discretos.
Estos son frecuencias fi=Wi/2n predeterminadas de manera fija en la transformacion de Fourier que estan seleccionadas de acuerdo con la pieza de una instalacion respectiva, tal como esta representado por ejemplo para una turbina en el documento WO 03/071243.
A partir de las transformadas discretas averiguadas en el dispositivo de calculo 12 para cada canal de medicion, segun un algoritmo implementado en el dispositivo de calculo 12 y que va a explicarse con mas detalle a continuacion, se averigua la primera funcion de evaluacion Ki,s(t) dependiente del tiempo t que se compara en un dispositivo de comparacion 14 con un primer valor umbral Ki,o predeterminado. Una superacion del primer valor umbral K10 (umbral de alarma) en uno de los canales (en una de las senales de medicion Ms) sirve como indicio para la presencia de una fraccion de senal a modo de impulso provocada por un efecto mecanico transitorio en este canal y genera una senal de excitacion S correspondiente. La senal de excitacion S se alimenta a un grabador de transitorios 16 en el que se graban los datos averiguados en el dispositivo de calculo 12 durante un espacio de tiempo de por ejemplo 10 s y se transmiten a un ordenador de evaluacion 18, para poder llevar a cabo con este un posterior analisis de las senales de medicion Ms(t) que va a explicarse a continuacion que permite deducir a partir de la diferencia de los momentos ts (diferencias de duracion de ejecucion), en los cuales en los canales en cada caso de registra la llegada de un evento, el conocimiento de la geometna de la pieza de una instalacion, de la posicion de los sensores y la velocidad de sonido en el lugar del efecto a modo de impulsos.
En la figura 2 mediante un esquema se explica la primera etapa del modo de procedimiento implementado en la unidad de calculo 12 (figura 1). La senal de medicion Ms digitalizada con elevada frecuencia de reloj (normalmente 80 - 100 kHz) en cada canal (mostrado de manera analoga en la figura para una vision general) se almacena en cada caso durante un espacio de tiempo TS (normalmente alrededor de 10 s) en un intervalo de tiempo DT (de acuerdo con la frecuencia de reloj normalmente alrededor de 0,01 - 0,0125 ms) y se actualiza de acuerdo con la frecuencia de reloj. En una primera ventana de tiempo AL dentro de este espacio de tiempo TS la senal de medicion Ms digitalizada se somete a una transformacion de Fourier discreta rapida. A continuacion esta primera ventana de tiempo At1 se desplaza en una primera etapa de tiempo 8L y en una primera ventana de tiempo At1 solapada de igual longitud se lleva a cabo de nuevo una transformacion de Fourier. En el ejemplo de realizacion At1 asciende a = 25,6 ms y SL = 3,2 ms. De esta manera para cada primera ventana de tiempo At1 y para un numero finito de primeras frecuencias discretas fg se averiguan primeras cantidades dependientes del tiempo A1,s(f1,i,t).
En la figura 3 se ilustra ahora el desarrollo temporal de la primera cantidad A1,s(f1,i,t) en una frecuencia predeterminada fi,i. A partir de esta figura puede deducirse que esta cantidad A1,s(f1,i,t) en esta frecuencia fi,i predeterminada vana en el tiempo. El intervalo temporal introducido en la figura es la primera etapa de tiempo 8L en la que se actualiza la transformacion de Fourier rapida. Segun la invencion, ahora para un gran numero N de primeras frecuencias f^ predeterminadas o gamas de frecuencia y en primeras etapas de tiempo 8L consecutivas en el tiempo para primera ventana de tiempo At1 solapadas en el tiempo, se determina el primer valor de cantidad A1,s(f1,i,tj) con tj = t0+j5t1 respectivo, siendo j un numero natural.
De los primeros valores de cantidad A1,s(f1,i,tj) obtenidos de esta manera se resta ahora un valor promedio As formado para esta primera frecuencia fi,i. Los algoritmos adecuados para la determinacion del valor promedio As dependen de la pieza de una instalacion que va a vigilarse y de la complejidad de los ruidos de funcionamiento que se van a esperar. En situaciones de funcionamiento sencillas basta con emplear un valor promedio As,0(fi,i) constante predeterminado de manera fija. Es mas favorable determinar un valor promedio As,0(fi,i) variable en el tiempo de manera movil tal como esta ilustrado en la figura 4. El uso de un valor promedio As,0(fi,i) movil es ventajoso en particular en la vigilancia de piezas de una instalacion en las que pueden darse variaciones de estado aleatorias en las que la pieza de una instalacion cambia de un estado de funcionamiento a otro y el ruido de funcionamiento o de fondo puede subir o bajar a claramente otro nivel. Una variacion de estado tal es en el caso de turbina por ejemplo la insercion de un denominado zumbido. Este se provoca mediante la disposicion de las llamas en un espacio anular que puede llevar a que toda la camara de combustion se excite dando lugar a vibraciones de resonancia, prefiriendose en particular los modos de vibracion en la direccion perimetral. Estos fenomenos de resonancia pueden interrumpirse en parte abruptamente y volver a instalarse igualmente de manera abrupta. Si se toma como base por ejemplo como en el procedimiento divulgado en el documento WO 03/071243 un valor promedio A1,s(fi,i,tj) que esta formado por una formacion de valores promedio sencilla en forma de una media aritmetica a partir de un numero de cantidades precedentes se ha demostrado que estas oscilaciones de ruido llevan a resoluciones erroneas. Para evitar tales resoluciones erroneas en la practica, durante el zumbido de la turbina, que se detecta mediante un analisis de las caractensticas de senal se suprimio una vigilancia de los efectos mecanicos a modo de impulsos.
Tambien en otras piezas de una instalacion, por ejemplo en una vasija de reactor de una central nucleoelectrica a los ruidos de fondo continuos (corrientes de fluidos, ruido de bombas) se superponen ruidos de funcionamiento breves condicionados por el funcionamiento, tal como se provocan por ejemplo mediante variaciones permitidas de las condiciones de funcionamiento e intervenciones voluntarias en el desarrollo de funcionamiento (accionamiento de valvulas, desplazamiento de barras absorbentes).
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En el caso de un metodo de calculo iterativo en particular para piezas de una instalacion con variaciones de estado adecuadas relativamente lentas se determina el valor promedio As y una desviacion media cuadrada (varianza) para cada frecuencia fi,i de manera movil con ayuda de las relaciones
As (fi,i, t + 5t) = k As (f i, i, t) + (1-k) A1#s(flfi, t+Stx) var (AlfS (flji# t+5ti) ) =
. = kvar (AljS (flfi, t) ) + (1-k) (A1/S (f1(i, t+5ti) - As (f1(i, t) ) 2
siendo 5ti la primera etapa de tiempo en la que se calcula en cada caso para una primera ventana de tiempo Ati la primera cantidad Ai,s. Mediante la selection del parametro k se determina ahora en que medida una primera cantidad Ai,s(fi,i,t+Qti) que se anade a esto influye en el valor promedio As (fi,i,t+5ti) calculado nuevamente. Este principio corresponde a una formation de valores promedio ponderada exponencialmente, determinando k la velocidad de adaptation. En el caso de una variation repentina de la cantidad Ai,s(fi,t) de un valor inicial constante a un valor nuevo igualmente constante resultaria entonces una adaptacion aproximadamente exponencial del valor promedio nuevo As a la nueva cantidad Ai,s que se presenta actualmente con una constante de tiempo t = 5ti/(i-k). Para k = 0,999 y 5ti = 3,2 ms resulta una constante de tiempo t de 3,2 s. Un modo de procedimiento de este tipo es adecuado por ejemplo en la vigilancia de los ruidos de funcionamiento de una vasija de reactor nuclear.
En la vigilancia de piezas de una instalacion en las que se observan variaciones de estado muy rapidas, por ejemplo en turbinas ha demostrado ser especialmente adecuado un metodo de calculo en el que se determina el valor promedio As (fi i,t) en el tiempo de manera movil en las etapas de tiempo 5ti como funcion del tiempo t a partir de un juego de datos Ai,s(fi,i,t) compuesto por M primeros valores Ai,s(fi,i, tm) de un fragmento de tiempo T e ilustrado en la figura 3 con ayuda de la relacion
As(fi.i,t) = (Qa, s (f l, i / t) + Qi-a,s(fi,i,t) )/2
siendo Qa,s y Qi-a,s el cuantil a o (i-a) de las primeras cantidades Ai,s(fi,i,tm) determinadas en cada caso en un
fragmento de tiempo T con tm = t + m5ti y m un numero entero. Para ello se clasifican en una fila segun el valor de
cantidad las primeras cantidades A1 s(fi,tm) pertenecientes a este fragmento de tiempo T, dispuesto por ejemplo
’ M — 1 M — 1
---------- < m < ----------
simetricamente al momento t (en este caso es valido 2 2 y m impar) y que forman en cada caso el
juego de datos Ai,s(fi,t) asociado al momento t. El cuantil a o (i-a) es entonces aquel valor que se encuentra en la position aM o (i-a)M de la fila. En la practica para valores a entre 0,7 < a < 0,8, preferiblemente se aplica a = 0,75.
Con ayuda del cuantil a y del (i-a) Qa,s o Qi-a,s se calcula ahora una desviacion media ss(fi,i,t) de los primeros valores Ai,s(fi,i,tn) del valor promedio de cantidad As (fi,i,t) con ayuda de la relacion
siendo qi-a,s el cuantil (i-a) de la distribution gaussiana normal.
Con ayuda de este procedimiento de calculo (metodo de cuantiles) se calculan por tanto valor promedio y desviacion de un juego de datos sin considerar los valores que se encuentran fuera de los intervalos definidos mediante a y (i- a). Esto significa que las cantidades claramente mas altas, como pueden aparecer aumentadas adicionalmente mediante una senal de rafaga superpuesta, no se consideran y por tanto tampoco pueden falsificar el resultado. Con este metodo puede seleccionarse un fragmento de tiempo claramente mas corto, por ejemplo un juego de datos A s(fi,i,t) que se compone de primeros valores de cantidad Ai,s(fi,i,t) M = i00 con una longitud del fragmento de tiempo T = 320 ms en una etapa de tiempo 5ti = 3,2 ms, con el mismo factor en el resultado del calculo. Esto tiene como consecuencia que el valor promedio de cantidad As (fi,i,t) se adapta a las variaciones rapidas en el fondo del funcionamiento de modo que estas no pueden llevar a una falsification de los espectros normalizados ni pueden simulares indicaciones de error en la vigilancia. En el caso de un modo de procedimiento tal es posible que tambien, durante el zumbido de la turbina de gas, es decir cuando mediante oscilaciones de resonancia en el espacio de combustion aparecen de manera muy abrupta ruidos de fondo claramente mas altos, por ejemplo con una constante de tiempo de alrededor de 0,5 s en el caso de un aumento de amplitud en el factor 5 y mas, se detecte el choque de piezas sueltas.
Con ayuda del valor promedio de cantidad As (fi i,t) calculado anteriormente y de la desviacion media s(fi i,t) puede averiguarse ahora en una etapa de calculo adicional sobre la base del procedimiento de cuantiles un valor promedio de cantidad mejorado Aopt,s(fi,i,t) al eliminarse del juego de datos As(fi,i,t) presente en cada caso las primeras cantidades Ai,s(fi,i,tm) que son significativamente mayores que el valor promedio de cantidad As (fi i,t) anteriormente calculado. En la practica ha demostrado ser ventajoso en este caso, en el calculo de los valores promedio eliminar
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las primeras cantidades Ai s(fi,i,tm) que sean mayores que As(fi,i,t) + 3ss(fi,i,t). Con el juego de datos completo As(fi it) se lleva a cabo despues un nuevo calculo de valor promedio con ayuda de un cuantil 5 o (1-5), siendo valido
y siendo ME el numero de los primeros valores A1s(f1i,tm), que son mayores que As(f1i t) + 3ss(f1i,t). Alternativamente para ello es tambien posible y matematicamente identico determinar nuevamente con un juego de datos reducido en estas cantidades el cuantil a o (1-a). Con ayuda de estos cuantiles 5 o (1-5) o de los cuantiles a o (1-a) obtenidos con el juego de datos reducido se calcula ahora de acuerdo con la formula mencionada anteriormente un valor promedio mejorado Aopt s(f1,i,t) o una desviacion media mejorada sopt,s(f1,i,t).
Con los valores promedio de cantidad As(f1,i,t) o Aopt,s(f1,it) calculados anteriormente y la desviacion media ss(fit) o sopts(fi,t) se calcula ahora una desviacion Ds(fi,t) normalizada de la primera cantidad A1s del valor promedio As segun la siguiente ecuacion.
t) oder (fi,i, t)
Para averiguar el valor promedio de cantidad As(f1i,t) valido en el momento t y la desviacion media ss(f1i,t) valida para este momento t se evaluan las primeras cantidades A1s(f1jijtm) de M espectros. En otras palabras: tanto el valor promedio de cantidad As(f1it) o Aopt,s(fijt) como la desviacion media ss(f1it) o sopt,s(f1,i,t) se actualizan continuamente con ayuda de M transformaciones. Esta actualization se realiza en primeras etapas de tiempo 5t1. El juego de datos A1s(t+5t1) tomado como base para el calculo del nuevo valor promedio de cantidad As(f1it+5t1) o Aopt s(f1jijt + 5t1) y de la nueva desviacion media ss(f1i,t+5t1) o sopts(f1jijt+5t1) se forma en este caso suprimiendo la primera cantidad (la mas antigua) y anadiendo la nueva cantidades. Estas son, en el caso del fragmento de tiempo T dispuesto simetricamente al momento t, las primeras cantidades
En una configuration ventajosa se calcula el promedio de la desviacion normalizada Ds(t,f1i) adicionalmente en una gama de frecuencia f-g-L, fi,i-i_+i, ... fi,i+i_ que rodea la frecuencia f-g, que se compone de frecuencias 2L+1 y se determina una desviacion normalizada media Os (fi,i,t) mediante la ecuacion
Esta etapa de calculo adicional lleva a una reduction de la altura y del ancho de oscilacion de la desviacion normalizada en los intervalos en los que se presentan solamente senales de fondo. Las fracciones de senal util no vanan de manera notable mediante el calculo de promedio en la gama de frecuencia dado que siempre aparecen concentradas alrededor de lmeas de frecuencia adyacentes. Mediante esta medida se realiza otra vez una mejora de la relation de senal-fondo en otros 10 a 15 dB.
Una mejora adicional de la relacion de senal-fondo se consigue cuando se introduce adicionalmente un valor umbral D0jS y se determina una desviacion normalizada Ov,s(fi,i,t) con ayuda de la relacion ov,s = D0jS para U s < D0jS y 0v,s = Os para Ds ^ D0s.
Las desviaciones normalizadas averiguadas de esta manera Ds(fi i t), Ds(fi,i,t) o DVls(fi,i,t) se elevan al cuadrado y se suman a traves de todas las frecuencias y se suman a traves de todas las frecuencias discretas f
N
Sa(t) = £Ds (fli(t)2/N (a)
i = 1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
De esta suma Ss(t) se deriva ahora una primera funcion de evaluacion Ki,s(t) mediante formacion de la raiz
o
Esta sirve como indicador para la aparicion de un choque. Como alternativa para ello la funcion de evaluacion tambien puede formarse mediante calculo de la diferencia entre la rafz de la suma Ss(t) y un valor promedio movil en el tiempo de esta rafz
y servir como parametro para la aparicion de un choque. Si Ki, s(t) o Ki,s(t) supera un primer valor umbral Ki,o (umbral de alarma), que, en las turbinas de gas, asciende entre 1,5 y 2 entonces esto representa un indicio para el impacto de una pieza suelta. Para las siguientes explicaciones se toman como base ahora a modo de ejemplo las funciones de evaluacion Kcalculadas segun la ecuacion (1).
La exactitud con la que para cada uno de los sensores es posible una determinacion del momento ts, en el que aparece el evento y con ello de las diferencias de duracion de ejecucion depende esencialmente de la velocidad de aumento de la primera funcion de evaluacion Ki,s. El aumento de la primera funcion de evaluacion Ki,s se realizara no obstante mas lentamente cuanto mayor sea la primera ventana de tiempo Ati.
Esto se ilustra en la figura 5 y 6 para un canal de medicion. En la figura 5 se traza una senal de medicion idealizada M en contra del tiempo t a la que esta superpuesta una rafaga 20 en el intervalo temporal ta a tb. La figura 6 muestra un diagrama idealizado en el que estan trazadas una primera y segunda funcion de evaluacion Ki (curva a) o K2 (curva b) en contra del tiempo t, que se han derivado con diferente primera y segunda ventana de tiempo Ati o At2 situadas dentro del espacio de tiempo TS a partir de la senal de medicion M de la figura 5. Si se averigua ahora la primera funcion de evaluacion Ki en una primera ventana de tiempo Ati en la que la rafaga 20 no ha empezado todavfa, entonces, en el caso ideal Ki = i (cuando en lugar de Ki como primera funcion de evaluacion se emplea Ki en el caso ideal resulta Ki = 0). La primera ventana de tiempo Ati se desplaza ahora en primeras etapas de tiempo 5ti hacia la derecha y la rafaga 20 se registra sucesivamente por la primera ventana de tiempo Ati de modo que en el caso de una transformacion de Fourier las fracciones de frecuencia obtenidas en la rafaga 20 juegan un papel cada vez mayor en el calculo de la primera funcion de evaluacion Ki. Si ahora la primera ventana de tiempo Ati con su borde derecho alcanza el final de la rafaga 20 en el momento tb la rafaga 20 se situa completamente dentro de esta primera ventana de tiempo Ati, de modo que la primera funcion de evaluacion Ki ha alcanzado su maximo. Si entonces el borde derecho de la primera ventana de tiempo Ati coincide con el final de la rafaga 20 la primera funcion de evaluacion Ki desciende de nuevo a i. Debido al ancho de la primera ventana de tiempo Ati, que se corresponde al menos con el ancho de una rafaga 20 que va a esperarse, el aumento de la primera funcion de evaluacion Ki se realizara de manera relativamente lenta en una ventana de tiempo ta a tb, tal como se reproduce en la curva a de la figura 6. En la figura 5 esta dibujada ahora una segunda ventana de tiempo At2 que es significativamente mas pequena que la primera ventana de tiempo Ati. Con la segunda ventana de tiempo At2 se ahora la segunda funcion de evaluacion K2 en segundas etapas de tiempo 5t2 < 5ti mas cortas con los mismos algoritmos que se explicaron anteriormente en el calculo de la primera funcion de evaluacion Ki y con segundas frecuencias f2,i (parametros) adaptados a la segunda ventana de tiempo At2 mas corta). Dado que tanto la segunda ventana de tiempo At2 como las segundas etapas de tiempo 5t2 son mas cortas que la primera ventana de tiempo Ati o las primeras etapas de tiempo 5ti, esta aumenta significativamente de manera mas rapida que la primera funcion de evaluacion Ki alcanza su maximo ya en un espacio de tiempo significativamente mas corto que, en el ejemplo de la figura corresponde aproximadamente a la longitud de la segunda ventana de tiempo At2, tal como puede reconocerse en la curva b de la figura 6. En esta la figura tambien se ilustra que la segunda funcion de evaluacion K2 calculada con la segunda ventana de tiempo At2 mas corta debido a la cantidad de datos mas pequena basados en la transformacion presenta un ruido significativamente mas alto.
Debido a la ventana de tiempo At2 mas pequena el espectro de frecuencia comprende frecuencias menos discretas.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
En otras palabras: las segundas cantidades A2,s(f2,i,t) se presentan para menos segundas frecuencias f2,i, siendo sin embargo la cantidad de las segundas frecuencias f2,i una cantidad parcial de la cantidad de las primeras frecuencias
f2,i.
Con ayuda de la primera funcion de evaluacion Ki,s(t) calculada para todos los canales de medicion con los algoritmos anteriormente mencionados se realiza ahora una vigilancia de todos los canales de medicion referente a una aparicion de una rafaga con una sensibilidad muy alta, asumiendose que el principio de la rafaga puede determinarse en los canales individuales solo con baja exactitud.
Si ahora en uno de los canales de medicion en un momento de excitacion to se constata una rafaga (aumento de la primera funcion de evaluacion Ki,s a traves de un primer valor umbral > Ki,o) entonces se activa una senal de excitacion que congela las senales de medicion almacenadas en cada caso durante alrededor de 10s en todos los canales en un espacio de tiempo TS que se situa aproximadamente de manera simetrica en el momento to de la senal de excitacion (preexcitacion). Para todos los canales se calculan entonces en cada caso segundas funciones de evaluacion K2,s(t) con los algoritmos anteriormente mencionados, tomandose como base sin embargo para este calculo los valores promedio de cantidad As(f2,i,to) y desviaciones estandar ss(f2,i,to) validos para las segundas frecuencias f2,i y averiguados poco antes o en el momento de excitacion to a partir de las primeras cantidades Ai,s (fi,i,t). Esto es posible, dado que hasta el momento de excitacion no se presenta una senal de rafaga superpuesta y por lo tanto estos valores representan el fondo de funcionamiento puro, suponiendose ademas que en poco tiempo despues durante la rafaga el fondo de funcionamiento no varia significativamente.
Las figuras 7a-f muestran ahora la senal de medicion Ms (Mi-a) (curvas c) registrada en cada caso por un sensor 4s (4i.a) en una vasija de reactor nuclear en diferentes posiciones de medicion durante un espacio de tiempo de alrededor de 3o ms. De los diagramas puede ahora deducirse directamente que en todo caso en el diagrama segun la figura 7b en la senal de medicion M2 puede identificarse que ha tenido lugar un evento sin que sea posible no obstante extraer directamente de la senal de medicion si se trata de una transicion del estado de funcionamiento o de un evento en forma de impulsos que puede atribuirse a un impacto de una pieza suelta.
La segunda funcion de evaluacion K2,s(t) obtenida con ayuda de uno de los procedimientos anteriormente mencionados esta registrada en las figuras 7a-f en cada caso como curva d continua. En el ejemplo representado la segunda funcion de evaluacion K2,s(t) se calculo con el metodo iterativo. En las figuras puede reconocerse ahora que la segunda funcion de evaluacion K2,s(t) presenta en cada caso en diferentes momentos ts = ti a ta un aumento significativo. Estos momentos ts pueden determinarse por ejemplo como aquellos momentos, en los cuales las segundas funciones de evaluacion K2,s(t) superan en cada caso un segundo valor umbral K2,o predeterminado. Si que es tambien posible, en el caso de un lugar de sensor deducir a partir de las diferencias de duracion de ejecucion LZ ti -t2, ti -t3,... (en el ejemplo ti -t2, t3-t2, t4-t2, ts -12 y ta -12) el lugar del choque.
Con ayuda de la segunda funcion de evaluacion K2,s calculada de esta manera para cada uno de los canales de medicion en una etapa siguiente se realiza un calculo mas exacto de los momentos ts, en los que la senal de rafaga provocada llega mediante el efecto a modo de impulsos en el lugar del sensor respectivo 4s. Este calculo mas exacto se explica a continuacion mediante los diagramas representados en las figuras 8 y 9.
La figura 8 muestra el curso normal de esta manera segunda funcion de una funcion de evaluacion calculada K2,s (segunda etapa de tiempo 5t2 = o,i6 ms, segunda ventana de tiempo At2 = 2,56 ms). Esta segunda funcion de evaluacion K2,s supera un segundo valor umbral K2,o en un momento ts. Debido a este primer valor umbral Ki,o el aumento de la segunda funcion de evaluacion K2,s se asocia a una rafaga. Ahora la segunda funcion de evaluacion K2,s se diferencia despues del tiempo t. El cociente de diferencia correspondiente dK2,s/dt esta trazado como curva en contra del tiempo en la figura 9. En esta curva se busca ahora partiendo del momento ts el momento en el que el cociente de diferencia da o es decir la segunda funcion de evaluacion K2,s se alcanza el primer maximo local. Esto es el caso en el momento ti. Ahora se averigua un momento t2 < ti en el que la curva alcanza el valor o. En este espacio t2 a ti se averigua ahora el maximo DKmax,s que indica el mayor aumento de la segunda funcion de evaluacion K2,s. Con ayuda de este maximo DKmax,s se calcula ahora un valor umbral de diferencia DKo,s con la relacion DKo,s = pDKmax,s, siendo p un valor entre o,o5 y o,2. El momento ts,korr, en el que la primera derivada dK2,s/dt en el intervalo temporal t2 - ti supera por primera vez este valor umbral de diferencia DKo,s se recurre ahora como momento corregido para el calculo de las diferencias de duracion de ejecucion. De esta manera es posible una determinacion exacta de las duraciones de ejecucion.
Lista de numeros de referencia
2 pieza de una instalacion
4i,s,p sensor
6 preamplificador
8 multiplexor
io convertidor analogico/digital
i2 dispositivo de calculo
i4 dispositivo de comparacion
- 16 grabador de transitorios
- 18 ordenador de evaluacion
- 20 rafaga
- Ms senal de medicion
- 5
- Ki,s; K2,s 5 primera, segunda funcion de evaluacion
- T tiempo
- Atl,2 primera, segunda ventana de tiempo
- 6ti,2 primera, segunda etapa de tiempo
- Ai,s;A2,s primera, segunda cantidad
- 10
- fi frecuencia
- As valor promedio
- Ai,s juego de datos
- T fragmento de tiempo
- TS espacio de tiempo
- 15
- DT intervalo de tiempo
- ts momento
- ts,korr momento corregido
- t1, t2 momento
- DKmax,s maximo
- 20
- DKo,s valor umbral de diferencia
- Ki,o primer valor umbral
- K2,0 segundo valor umbral
Claims (9)
- 5101520253035404550556065REIVINDICACIONES1. Procedimiento para la deteccion del lugar de un efecto mecanico a modo de impulsos sobre una pieza de una instalacion (2), en el que un ruido de funcionamiento existente en la pieza de instalacion (2) se registra continuamente con una pluralidad (P) de sensores (4s) dispuestos en la pieza de instalacion (2) y por esta se convierte en una senal de medicion (Ms), con las siguientes caractensticas:a) las senales de medicion (Ms) se almacenan en cada caso en intervalos de tiempo (DT) durante un espacio de tiempo (TS)b) en primeras ventanas de tiempo (At-i) situadas consecutivas en el tiempo en primeras etapas de tiempo (5t-i) dentro del espacio de tiempo (TS) se averigua con primeros parametros predeterminados (fi,i) de una regla de transformacion matematica una primera cantidad (Ai,s(fi,i,t)) de la transformada de cada senal de medicion (Ms),c) a partir de las primeras cantidades (Ai,s(fi,i,t)) determinadas para cada uno de los primeros parametros predeterminados (fi,i) se deriva para cada primera etapa de tiempo (5ti) en cada caso una primera funcion de evaluacion (Ki,s(t)),d) las primeras funciones de evaluacion (Ki,s(t)) se comparan en cada caso con un primer valor umbral (Ki,o) y la superacion del primer valor umbral (Ki,o) de al menos una de las primeras funciones de evaluacion (Ki,s(t)) en un momento de excitacion (to) se evalua como indicio de la presencia de una fraccion de senal a modo de impulso que indica el efecto mecanico,e) en segundas ventanas de tiempo (At2) situadas en el tiempo en segundas etapas de tiempo (5t2) consecutivas dentro del espacio de tiempo (TS), que son mas pequenas que las primeras ventanas de tiempo (Ati), se averiguan con segundos parametros (f2,i) predeterminados de la regla de transformacion matematica y con los mismos algoritmos segundas funciones de evaluacion (K2,s(t)),f) a partir de los momentos (ts,ts,korr), en los cuales las segundas funciones de evaluacion (K2,s(t)) en cada caso cumplen un criterio predeterminado y a partir de las diferencias de duracion de ejecucion resultantes de ello se determina el lugar del efecto.
- 2. Procedimiento segun la reivindicacion i, en el que las segundas etapas de tiempo (5t2) son mas cortas que las primeras etapas de tiempo (5ti).
- 3. Procedimiento segun la reivindicacion i o 2, en el que para cada primera etapa de tiempo (5ti) y cada uno de los primeros parametros predeterminados (fi,i) se determinan la desviacion de las primeras cantidades (Ai,s(fi,i,t)) de un primer valor promedio de cantidad (Ai,s(fi,i,t)) asf como una desviacion media (ss(fi,i,t) asociada a esta, a partir de las cuales para cada uno de los primeros parametros (fi,i) predeterminados y para cada primera etapa de tiempo (5ti) se deriva la primera funcion de evaluacion (Ki,s(t)), y en el que se toman como base tanto el valor promedio de cantidad (Ai,s(f2,i,to)) que se aplica en el momento de excitacion (to) para los segundos parametros (f2,i) como la desviacion media (ss(fi,i,to) asociada a este del calculo de la segunda funcion de evaluacion (K2,s(t)).
- 4. Procedimiento segun la reivindicacion i, 2 o 3, en el que se cumple el criterio predeterminado cuando las segundas funciones de evaluacion (K2,s(t)) en cada caso superan un segundo valor umbral (K2,o).
- 5. Procedimiento segun la reivindicacion i, 2 o 3, en el que se cumple el criterio predeterminado cuando la primera derivada de la segunda funcion de evaluacion (K2,s(t)) supera un valor umbral de diferencia (DKo,s).
- 6. Procedimiento segun la reivindicacion 5, en el que el valor umbral de diferencia (DKo,s) se deriva de la pendiente maxima (DKmax,s) de un flanco ascendente de la segunda funcion de evaluacion (K2,s(t)).
- 7. Procedimiento segun la reivindicacion 6, en el que el valor umbral de diferencia (DKo,s) se determina con la relacion DKo,s = p DKmax,s, siendo o,o5 < p < o,2.
- 8. Dispositivo para la deteccion del lugar de un efecto mecanico a modo de impulsos sobre una pieza de instalacion (2), con una pluralidad (P) de sensores (4s) dispuestos en la pieza de instalacion (2) para el registro y medicion continuos de un ruido de funcionamiento existente en la pieza de instalacion (2), asf como con al menos un convertidor A/D (io) conectado por detras de los sensores (4s) para la digitalizacion de las senales de medicion (Ms) registradas por los sensores (4s) y para la transmision de las senales de medicion (M) digitalizadas a un dispositivo de calculo (i2) para la realizacion de las siguientes etapas de calculo:a) las senales de medicion (Ms) se almacenan en cada caso en intervalos de tiempo (DT) durante un espacio de tiempo (TS),b) en primeras ventanas de tiempo (Ati) situadas consecutivas en el tiempo en primeras etapas de tiempo (5ti) dentro del espacio de tiempo (TS) se averigua con primeros parametros (fi,i) predeterminados de una regla de transformacion matematica una primera cantidad (Ai,s(fi,i,t)) de la transformada de cada senal de medicion (Ms),c) a partir de las primeras cantidades (Ai,s(fi,i,t)) determinadas para cada uno de los primeros parametros predeterminados (fi,i) se deriva para cada primera etapa de tiempo (5t2) en cada caso una primera funcion de evaluacion (Ki,s(t)),d) las primeras funciones de evaluacion (Ki,s(t)) se comparan en cada caso con un primer valor umbral (Ki,o) y la superacion del valor umbral (Ki,o) de al menos una de las primeras funciones de evaluacion (Ki,s(t)) en un momento de excitacion (to) se evalua como indicio de la presencia de una fraccion de senal a modo de impulso que indica el efecto mecanico,5 e) en segundas ventanas de tiempo (At2) situadas consecutivas en el tiempo en segundas etapas de tiempo (5t2)dentro del espacio de tiempo (TS), que son mas pequenas que las primeras ventanas de tiempo (Ati), se averiguan con segundos parametros (f2,i) predeterminados de la regla de transformacion matematica y con los mismos algoritmos segundas funciones de evaluacion (K2,s(t)),f) a partir de los momentos (ts), en los cuales las segundas funciones de evaluacion (K2,s(t)) en cada caso 10 cumplen un criterio predeterminado y a partir de las diferencias de duracion de ejecucion resultantes de ello sedetermina el lugar del efecto.
- 9. Dispositivo segun la reivindicacion 8, con un algoritmo implementado en el dispositivo de calculo (12) para la realizacion de los procedimientos segun una de las reivindicaciones 2 a 7.15
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