RU155504U1 - Устройство диагностики состояния поршневого компрессора - Google Patents

Abstract

Устройство диагностики состояния поршневого компрессора, включающее два датчика, причем датчик вибрации связан с блоком измерения вибрации, блок задания пороговых значений, блок формирования эталонной характеристики вибрации и блок индикации, отличающееся тем, что устройство дополнительно включает блок задания частоты дискретизации, выходы которого соединены со вторым входом блока измерения вибрации и первым входом блока измерения тока, блок измерения вибрации связан с первым блоком вейвлет преобразования, выход которого соединен с первым входом первого коммутатора, второй вход которого соединен с блоком задания режима аттестации ПК, первый выход коммутатора соединен с блоком формирования эталонной характеристики вибрации ПК, а второй - с первым входом первого блока сравнения, второй вход первого блока сравнения соединен с выходом блока формирования эталонной характеристики вибрации ПК, третий вход первого блока сравнения соединен с блоком задания пороговых значений и периода усреднения, выход первого блока сравнения соединен с первым входом блока индикации, при этом второй датчик, является датчиком тока, выход которого соединен с блоком измерения тока, второй блок вейвлет преобразования, вход которого соединен с выходом блока измерения тока, а выход - с первым входом второго коммутатора, второй вход которого соединен с блоком задания режима аттестации ПК, первый выход коммутатора соединен с блоком формирования эталонной характеристики тока ПК, а второй - с первым входом второго блока сравнения тока, второй вход второго блока сравнения тока соединен с выходом блока формирования эталонной характ�

Description

Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для диагностики состояния поршневого компрессора (ПК) и других установок с электроприводом в реальном времени процессе их эксплуатации до и после капитального ремонта.

Наиболее известные и распространенные средства диагностики ПК представляют собой диагностические устройства, обеспечивающие контроль технологических и информативных диагностических параметров в процессе испытаний ПК или эксплуатации [Костюков В.Н., Костюков А.В. Инновационные системы виброакустического мониторинга технического состояния оборудования КОМПАКС // Нефтепереработка и нефтехимия. №8, - М., 2011. С. 3-11.]. Однако, повышенная сложность и высокая стоимость препятствуют их массовому применению для контроля и диагностики технического состояния ПК в процессе эксплуатации. Эти устройства обычно используют для анализа аппарат Фурье преобразования, и статистические методы обработки частотных характеристик, что требует накопления данных для начала их обработки и задерживает во времени получение диагностических результатов [Сапрыкин С.А. Вибродиагностирование оборудования автомобильных газонаполнительных компрессорных стаций. Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2006. №32. С. 44-49].

Известно устройство диагностики (RU, патент №2337341, 2006.01.) технологического устройства с использованием сигнала технологического параметра, содержащее датчик технологического параметра, последовательно соединенные: фильтр, препроцессор сигнала, блок памяти, и содержащее анализатор сигнала, использующее в качестве фильтра адаптивный фильтр, один из входов которого подключен к датчику технологического параметра, а второй вход - к одному из выходов коммутатора блока памяти, позволяющему использовать в качестве опорного сигнала адаптивного фильтра либо эталонные параметры сенсора, либо эталонные данные технологического процесса, при этом один из входов анализатора соединен с выходом препроцессора сигнала, а второй - с другим выходом коммутатора блока памяти. Недостатком устройства является контроль только частотных характеристик без одновременной фиксирования изменения их временных свойств, что позволяет регистрировать их эволюцию во времени только интегральным, а не локальным способом (что требует сбора информации за достаточно длинный интервал времени, что приводит к запаздыванию в управлении), а также отсутствие контроля изменения характеристики значения тока потребления, которая может быть информативнее для ранней диагностики.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является полезную модель «Система вибродиагностики газотурбинного двигателя (ГТД)», принцип работы которой может быть использован для диагностики поршневого компрессора (RU, патент №121073 U1, 2006.01.), включающая датчики частоты вращения ротора и вибрации ротора ГТД, блок формирования эталонной виброхарактеристики в зависимости от частоты вращения ротора, блок формирования полетной виброхарактеристики, связанный с датчиками, первый блок сравнения, задатчик порогового значения. Система оснащена блоком сигнализации, трактом формирования эталонной характеристики вибросигнала, блоком формирования полетной виброхарактеристики, выход которого связан с первым входом третьего блока сравнения, со вторым входом которого связан выход блока формирования эталонной виброхарактеристики вибросигнала, а выход третьего блока сравнения связан с блоком сигнализации, при этом, счетчик полетов и задатчик полетов связаны соответственно с первым и вторым входами четвертого блока сравнения, выход которого связан с ключом. Причем тракт формирования эталонной характеристики вибросигнала включает блок формирования базовой виброхарактеристики, блок формирования локальных эксплуатационных виброхарактеристик, блок формирования базовой виброхарактеристики, входы которого соединены с датчиками, а выход со вторым входом первого блока сравнения, входы блока формирования локальных эксплуатационных виброхарактеристик связаны с датчиками, а выход - с первым входом первого блока сравнения, выход первого блока сравнения связан с первым входом второго блока сравнения, со вторым входом которого связан задатчик порогового значения, выход второго элемента сравнения связан через ключ с блоком формирования эталонной характеристики вибросигнала. Однако, система используют для анализа Фурье преобразование, и статистическую обработку частотных характеристик, что характеризуется недостаточной оперативностью и ограниченной точностью в виду невозможности регистрации изменений технического состояния ПК на интервале проведения серии последовательных измерений и получении результатов только после окончания измерений и их обработки. Отсутствие контроля изменения характеристики значения тока потребления уменьшает возможности системы в области диагностики систем с электроприводом.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение проведения диагностики состояния поршневого компрессора (ПК) в реальном времени в процессе их эксплуатации до и после капитального ремонта и принятие решения о техническом состоянии поршневого компрессора на основании анализа параметров вибрации

Технический результат: повышение достоверности и точности ранней диагностики дефектов поршневого компрессора.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство диагностики состояния поршневого компрессора, включающее два датчика, причем датчик вибрации связан с блоком измерения вибрации, блок задания пороговых значений, блок формирования эталонной характеристики вибрации и блок индикации, устройство дополнительно включает блок задания частоты дискретизации, выходы которого соединены со вторым входом блока измерения вибрации и первым входом блока измерения тока, блок измерения вибрации связан с первым блоком вейвлет преобразования, выход которого соединен с первым входом первого коммутатора, второй вход которого соединен с блоком задания режима аттестации ПК, первый выход коммутатора соединен с блоком формирования эталонной характеристики вибрации ПК, а второй с первым входом первого блока сравнения, второй вход первого блока сравнения соединен с выходом блока формирования эталонной характеристики вибрации ПК, третий вход первого блока сравнения соединен с блоком задания пороговых значений и периода усреднения, выход первого блока сравнения соединен с первым входом блока индикации, при этом второй датчик является датчиком тока, выход которого соединен с блоком измерения тока, второй блок вейвлет преобразования, вход которого соединен с выходом блока измерения тока, выход с первым входом второго коммутатора, второй вход которого соединен с блоком задания режима аттестации ПК, первый выход коммутатора соединен с блоком формирования эталонной характеристики тока ПК, а второй с первым входом второго блока сравнения тока, второй вход второго блока сравнения тока соединен с выходом блока формирования эталонной характеристики тока ПК, третий вход второго блока сравнения тока соединен с блоком задания пороговых значений тока, выход второго блока сравнения тока соединен со вторым входом блока индикации. В устройстве осуществляется совместный анализ параметров вибрации, энергопотребления, при этом параметры вибрации и энергопотребления обеспечивают раннюю диагностику за счет применения вейвлет преобразования к текущим результатам измерений. Сокращение аппаратных и временных затрат системы ранней диагностики обеспечивается за счет применения конкретного вейвлет преобразования Добеши, имеющего ряд особенностей (преимуществ): форму, соответствующую контролируемым сигналам; анализ измеряемого сигнала в различных частотных областях, удачно совпадающих с вибрационным портретом ПК; способностью «точного» восстановления контролируемого сигнала, обеспечивающую анализ изменения сигнала с привязкой ко времени возникновения.

Устройство обеспечивает оценку технического состояния ПК и раннюю диагностику появления дефектов ПК путем анализа в реальном времени измеряемых сигналов вибрации и тока потребления с последующим анализом технологических параметров, отличающимся тем, что текущие значения вейвлет разложения результатов измерения вибрации с помощью микромеханических акселерометров и значения тока потребления с помощью датчика Холла сравниваются с соответствующими эталонными характеристиками - вибрационным и токовым «портретами» нормально работающего ПК и по отклонению определяется степень и место возникновения дефекта.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется на:

фиг. 1, где представлена функциональная схема устройства;

фиг 2. Частоты вибрационного «портрета» ЭУ;

фиг 3. Изображение частотной характеристики вейвлет фильтров Добеши;

фиг 4. Плотности распределения вероятностей значений мощности сигнала в заданном диапазоне частот ρ(G) и контрольных измерений - ρ(G∗) (кривые 1 - ρ₁(G∗) и 2 - ρ₂(G∗), G(f) - распределение мощности сигнала в области контролируемой частоты;

фиг 5. Плотности распределения вероятностей результатов контрольных измерений - ρ_I∗ (кривые 1 - ρ_1I∗,и 2 - ρ_2I∗ и 3 - ρ_3I∗);

фиг. 6. График пускового тока.

На фиг. 1 изображены:

1 - поршневой компрессор (ПК), 2 - датчик вибрации, 3 - блок измерения вибрации, 4 - блок задания частоты дискретизации для измерительного блока вибрации (f_0B) и для измерительного блока значения тока (f_0T), 5 - первый блок вейвлет преобразования, 6 -коммутатор режимов формирования эталонной характеристики вибрации ПК и диагностики, 7 - блок задания режима аттестации ПК, 8 - блок формирования эталонной характеристики вибрации ПК, 9 - блок задания пороговых значений, 10 - первый блок сравнения, 11 - датчик тока, 12 - блок измерения тока, 13 - второй блок вейвлет преобразования, 14 - коммутатор режимов формирования «токового портрета» ПК и диагностики, 15 - блок формирования эталонной характеристики тока ПК, 16 - второй блок сравнения тока, 17 - блок индикации.

Устройство диагностики состояния ПК 1, включает два датчика, причем датчик вибрации 2 связан с блоком измерения вибрации 3, блок задания пороговых значений 9, блок формирования эталонной характеристики вибрации 8 и блок индикации 17. Устройство дополнительно включает блок задания частоты дискретизации 4, выходы которого соединены со вторым входом блока измерения вибрации 3 и первым входом блока измерения тока 12, блок измерения вибрации 3 связан с первым блоком вейвлет преобразования 5, выход которого соединен с первым входом первого коммутатора 6, второй вход которого соединен с блоком задания режима аттестации ПК 7, первый выход коммутатора соединен с блоком формирования эталонной характеристики вибрации ПК 8, а второй выход - с первым входом первого блока сравнения 10, второй вход первого блока сравнения 10 соединен с выходом блока формирования эталонной характеристики вибрации ПК 8, третий вход первого блока сравнения соединен с блоком задания пороговых значений и периода усреднения 9, выход первого блока сравнения 10 соединен с первым входом блока индикации 17, а также устройство включает второй датчик 11, являющийся датчиком тока, выход которого соединен с блоком измерения тока, второй блок вейвлет преобразования 13, вход которого соединен с выходом блока измерения тока 12, выход - с первым входом второго коммутатора 14, второй вход которого соединен с блоком задания режима аттестации ПК 7, первый выход коммутатора соединен с блоком формирования эталонной характеристики тока ПК 15, а второй - с первым входом второго блока сравнения тока 16, второй вход второго блока сравнения тока 16 соединен с выходом блока формирования эталонной характеристики тока ПК 15, третий вход второго блока сравнения тока 16 соединен с блоком задания пороговых значений тока 9, выход второго блока сравнения тока 17 соединен со вторым входом блока индикации 17.

Устройство работает следующим образом:

Информативные параметры режима работы поршневого компрессора (ПК) 1 контролируются датчиком вибрации (ДВ) 2 и датчиком тока (ДТ) 11. Сигнал с датчика вибрации 2 поступает в блок измерения вибрации (БИВ) 3, режим работы которого задается блоком задания частоты (БЗЧ) дискретизации (f_0B) 4, который формирует матрицу строку результатов текущих измерений X={x₁, x₂, x₃, …}, поступающую на вход первого блока вейвлет преобразования (ВП) 5, который реализует разложение поступающего сигнала на детализирующие и аппроксимирующие коэффициенты

, где L₁ и H₁ - матрицы строки первого уровня разложения измеряемого сигнала X на аппроксимирующие и корректирующие коэффициенты соответственно; L₂ и H₂ - матрицы второго уровня разложения на аппроксимирующие и корректирующие коэффициенты соответственно; и т.д. L₁ и H₁ - матрицы i-ого уровня разложения. На выходе блока вейвлет преобразования 5 формируются текущие значения соответствующих коэффициентов вейвлет разложения L_im и H_im. Результаты вейвлет разложения поступают на вход первого коммутатора режимов (КР) 6. Коммутатор режимов 6 в зависимости от сигнала, поступающего от блока задания режима аттестации ПК (БЗР) 7, передает информацию или в блок формирования эталонной характеристики вибрации ПК (БФЭ) 8 или в блок сравнения (БС) 10. Режим формирования эталонной характеристики вибрации выполняется с целью создания опорной характеристики для ПК и выполняется для нового ПК или ПК после капитального ремонта, вибрационные характеристики которого можно принять за эталонные. При этом в блоке 8 формируется эталонная характеристика вибрации данного ПК, который используется для анализа состояния ПК в процессе дальнейшей эксплуатации, которая поступает на второй вход блока сравнения 10. Опираясь на параметры вибрационного анализа, которые поступают на третий вход блока сравнения 10 из блока задания пороговых значений (ΔH_iп) и периода усреднения (M_i) (БЗП) 9, блока сравнения 10 реализует алгоритм определения текущего среднего значения корректирующего коэффициента i-ого уровня разложения:

{{H_ik=(|H_ik|, если |H_ik|≥к·σ_Hik) и (J=1, если k=m0, или J=J+1, если m0<k<m0+M_i)} или {H_ik=(0, если |H_ik|<к·σ_Hik; и J=J)}}, где M_i=T_i·f₀ - количество отсчетов окна текущего вейвлет анализа (M_i=4·10·i); T_i - временное окно усреднения результатов вейвлет преобразования i-ого уровня разложения; σ_Hik - среднее квадратичное отклонение (неопределенность) текущих значений корректирующего коэффициента i-ого уровня разложения вейвлет преобразования, J - величина, определяющая длину выборки значений корректирующего коэффициента i-ого уровня разложения вейвлет преобразования удовлетворяющих условию превышения заданного интервала неопределенности (в нашем случае - к·σ_Hik).

При этом формируется матрица строка текущих средних значений соответствующих коэффициентов вейвлет разложения H_ср={H_iср, H_iсp, H_iср, …}. Полученные значения используются для формирования значения i-ого индикатора

о наличие дефекта в данной анализируемой области эталонной характеристики вибрации ПК:

, если дефект обнаружен,

, если нет, т.е.

, если H_icp≥H_i0+ΔH_iп=H_iп,

, если H_iср<H_i0+ΔH_iп=H_iп, где H_iср - текущее среднее значение корректирующего коэффициента i-ого уровня разложения, H_i0 - эталонное значение корректирующего коэффициента i-ого уровня разложения, ΔH_iп и H_iп - величина приращения и пороговое значение для корректирующего коэффициента i-ого уровня разложения, определяющие появление дефекта.

Сигнал с датчика тока 11 поступает в блок измерения тока 12, режим работы которого задается блок задания частоты дискретизации (f_0T) 4, который формирует матрицу строку результатов текущих измерений I={I₁, I₂, I₃, …}, поступающую на вход второго блока вейвлет преобразования 13, который реализует разложение поступающего сигнала на детализирующие и аппроксимирующие коэффициенты

, где L₁, L₂ и L₃, - матрицы строки первого, второго и третьего уровней разложения измеряемого сигнала I на аппроксимирующие коэффициенты; H₁, H₂ и H₃ - матрицы первого, второго и третьего уровней разложения на детализирующие коэффициенты. На выходе блока вейвлет преобразования 13 формируются текущие значения соответствующих коэффициентов вейвлет разложения L_im и H_im. Результаты вейвлет разложения поступают на вход второго коммутатора режимов 14. Коммутатор режимов 14 в зависимости от сигнала, поступающего от блока задания режима аттестации ПК 7, передает информацию или в блок формирования эталонной характеристики тока ПК 15 или в блок сравнения 16. Режим формирования эталонной характеристики тока ПК выполняется с целью создания опорной характеристики для ПК и выполняется для нового ПК или ПК после капитального ремонта, токовые характеристики которого можно принять за эталонные. При этом в блоке 15 формируется эталонная характеристика тока данного ПК (амплитуда тока I_э.пк и длительность переходного процесса t_э.пк), который используется для анализа состояния ПК в процессе дальнейшей эксплуатации, который поступает на второй вход блока сравнения значений тока 16. Измерение длительности переходного процесса и его эталонного значения осуществляется на уровне 70% от значения амплитуды эталоного тока (I_э.пк). Определнение характеристик пускового тока (амплитуда тока I_пк и длительность переходного процесса t_пк) осуществляется блоком сравнения значений тока 16. Из блока 9 задания пороговых значений но третий вход блока 16 поступают пороговые значения амплитуды тока (I_п.пк) и длительности переходного процесса (t_п.пк), после чего в блоке 16 осуществляется сравнение. Результат сравнения используются для формирования значения i-ого индикатора

о наличие дефекта в данной анализируемой области эталонной характеристики тока ПК:

, если амплитуда тока или длительность переходного процесса превышают пороговые значения ((I_пк>I_п.пк) ИЛИ (t_пк>t_п.пк)),

, если длительность переходного процесса и амплитуда тока остаются меньше пороговых значений ((I_пк≤I_п.пк) И (I_пк≤I_п.пк)).

В качестве блоков вейвлет-преобразования 5 и 13 используются микроконтроллеры для встроенных применений, имеющие память программ и память данных, реализующие скользящий алгоритм, в качестве блоков формирования эталонных характеристик вибрации и тока потребления 8 и 15 - микроконтроллеры, оснащенные энергонезависимой памятью данных, в качестве блоков сравнения 10 и 16 контроллеры, выполняющие анализ рабочих и эталонных характеристик и реализующие алгоритмы принятия решения.

Реальность и достоверность полученных результатов подтверждается ранее проведенными теоретическими исследованиями а также практическими результатами, полученными авторами.

Вибрационный анализ на основе вейвлет преобразования.

Для контроля деградационных процессов деталей машин и элементов конструкций оборудования нашел распространение метод поверхностной активации (МПА) разработанный в МГТУ им. Н.Э. Баумана, ГНЦ РФ Физико-энергетического института (г. Обнинск) и других научно-исследовательских институтах [Постников В.И. Исследование и контроль износа машин МПА. - М.: Атомиздат, 1973. - 167 с.

13. Соковиков В.В., Константинов И.О. Мониторинг малых скоростей изнашивания и коррозии методом радиоиндикаторов. - Обнинск: ГНЦ РФ ФЭИ, 2000.- 28 с]. Для контроля технического состояния узлов машинного оборудования и трубопроводов нагнетателей используется вибрационный метод. Дефект какого-либо узла, который подвергается механическому воздействию со стороны движущихся частей или потока пульсирующего газа, характеризуется индивидуальным “вибрационным портретом” [Науменко А.П. Современные методы и средства real-time мониторинга технического состояния поршневых машин/ Компрессорная техника и пневматика. №8, - М., 2010, с. 27-34].

Вибрационный портрет представляет набор частотных диапазонов, отражающих рабочие частоты отдельных элементов электросиловых установок (ЭУ). Например, в работе [Сапрыкин С.А. Вибродиагностирование оборудования автомобильных газонаполнительных компрессорных стаций. Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2006. №32. С. 44-49.] приведены результаты вибрационных обследований 245 компрессорных установок (КУ). Для КУ 2ГМ4-1,3/12-250 определены диагностические диапазоны частот (см. табл. 1):

Распределение диагностических частот для точек контроля КУ 2ГМ4-1,3/12-250 показано на фиг. 2. Группировка диагностических частот произведена в логарифмической шкале по основанию два (log2) в расчете на реализацию решетки фильтров с помощью вейвлет преобразования.

Из фигуры видно, что диагностические частоты располагаются в восьми диапазонах: от 16 Гц до 4094 Гц. Что соответствует пяти уровням вейвлет разложения. Регистрируя уровень сигнала на данных частотах можно обнаружить появление дефекта по изменению его значения по отношению к опорному (уровню сигнала новой ЭУ со штатными характеристиками).

Для измерения значения мощности сигнала на заданной частоте будем использовать вейвлет преобразование Добеши. Рассмотрим данный вопрос на примере приведенных выше данных для КУ. Частоты вибрационного «портрета» ЭУ (см. фиг. 2) находятся в восьми диапазонах. Для анализа сигналов в этих диапазонах применим восемь уровней разложения вейвлет фильтра.

Исследования частотных характеристик вейвлет фильтра Добеши позволили выявить зависимость срезовых и центральных частот вейвлет-фильтров различных уровней от частоты дискретизации сигнала (см. фиг. 4). На графике представлены частотные зависимости для фильтров высоких частот первого H₁, второго H₂, третьего H₃, четвертого H₄, пятого H₅, шестого H₆, седьмого H₇ и восьмого H₈ уровня и низких частот восьмого уровня L₈.

По оси ординат откладывается амплитуда обработанного сигнала. Как можно видеть срезовые частоты (точки пересечения двух соседних кривых) находятся на отметках частот кратных частоте дискретизации на два в степени уровня фильтра. Средние частоты каждого из фильтров также находятся на отметках кратных частоте дискретизации. Например, центральная частота фильтра первого уровня разложения равна одной трети частоты дискретизации входного сигнала - f_д/3 (см. фиг. 3). Полученные частотные соотношения приведены в табл. 2. Частоты представлены в зависимости от частоты дискретизации измеряемого сигнала. Максимальная частота характеризующая наличие дефекта равна 3000 Гц, следовательно частота дискретизации должна быть как минимум в 3 раза выше, т.е. 9 кГц.

Таким образом, результатом разложения входного сигнала на восемь уровней на выходе вейвлет-преобразования получаем множество векторов разложения сигнала:

,

где L₁ и H₁ - матрицы первого уровня разложения измеряемого сигнала X на аппроксимирующие (L₁=Ψ{X↓2}) и детализирующие (H₁=φ{X↓2}) коэффициенты соответственно; L₂ и H₂ - матрицы второго уровня разложения на аппроксимирующие (L₂=Ψ{L₁↓2}) и детализирующие (H₂=φ{L₁↓2}) коэффициенты соответственно; и т.д. L₈ и H₈ - матрицы последнего (8-ого) уровня разложения (L₈=Ψ{L₇↓2} и H₈=φ{L₇↓2}).

При реализации алгоритма скользящего вейвлет преобразования [8] матрицы строки H_i (i=1, …, 8) и матрица L₈ представляют собой последовательность сигналов на выходе соответствующих фильтров, значение которых говорит о наличии сигнала на частоте соответствующей частотной характеристике вейвлет фильтра. Измеряя значения на выходе фильтров можно установить величину сигнала нормального (штатного) режима работы КУ и по ее изменению зарегистрировать изменение (нарушение) штатного режима (появление дефекта).

Задача обнаружения связана с вопросами реализации измерительного канала и алгоритма идентификации по результатам измерений.

Значение неопределенности результата измерения информативного параметра (значение сигнала на заданной диагностической частоте) определяется погрешностью измерительного канала, погрешностью реализации измерительного алгоритма и носит случайный характер.

Предположим, что погрешность результата измерения распределена по нормальному закону. Тогда вероятность того, что результат измерения превышает допустимое отклонение информативного параметра (вероятность нарушения штатного режима работы), например, для мощности, будет определяться как

,

где

- значение результата измерения значения сигнала на соответствующей частоте, G_iH - номинальное значение сигнала, ΔG_i - значение порога обнаружения дефекта, σ_Gi - неопределенность результатов измерений. Откуда можно определить

значение измеряемой величины, соответствующее заданной вероятности нарушения штатного режима потребления энергии.

Таким образом, регистрируя превышение результата измерения заданного порога можно идентифицировать нарушение штатного режима работы ЭУ с заданной вероятностью.

Однако, значение сигнала в заданном диапазоне частот не является детерминированной величиной, носит случайный характер. На фиг. 4 показаны характеристики измеряемой величины (мощность спектра в диапазоне частот f=1024-4096 Гц) и результатов измерения пороговых значений (неопределенность результата измерений).

На рисунке G_н - значение нормы информативного параметра, G_д - допустимое значение, превышение которого говорит об аварийном режиме; G_п - предельное значение, превышение которого говорит об аварии;

и

- результаты измерения соответствующих значений.

Вероятность наступления аварийной ситуации (появления дефекта)

.

В рассматриваемом случае вероятность обнаружения аварийной ситуации при контроле, если в качестве порога используется G_д, будет равна 0,5, а вероятность не обнаружения аварийной ситуации (не обнаружения дефекта) - 0,5.

Такая ситуация при диагностике дефектов является не желательной так как вероятность идентификации аварийной ситуации достаточно низкая. Если для увеличения вероятности обнаружения дефекта качестве порога используется G_п, вероятность обнаружения будет определяться как

, а вероятность не обнаружения дефекта в этом случае будет

Очевидно, что в последнем случае значение вероятности обнаружения значительно больше значения вероятности не обнаружения ρ_2a+>>ρ_2а- и определяется значением порога G_п и параметрами закона распределения плотности вероятностей погрешности результатов измерений ρ(G∗) - неопределенностью результатов измерений.

Выбор порогового значения является важным моментом, он связан с определением минимального (оптимального) приращения информативного параметра контролируемой установки. Назначив ΔG и задав требуемую вероятность обнаружения аварийной ситуации ρ_2a+ можно определить требования по точности к системе контроля данного параметра -

.

При восстановлении сигнала преобразования осуществляются в обратном порядке. При этом используются обратные базисные функции. В каждом преобразовании восстановления сначала после каждого значения входного отсчета вставляется нулевой отсчет. Затем полученные сигналы поступают на фильтры синтеза и полученные вектора суммируются:

.

Процесс продолжается до нулевого уровня: X^∗=Ψ^-1{L₁↑2}+φ^-1{H₁↑2}.

Процесс восстановления можно записать как

.

Применение вейвлета Добеши показало, что, если преобразования выполнены в полном объеме, сигнал восстанавливается с точностью вычислительных операций, т.е. при большой разрядной сетке практически равен нулю Δ=X^∗-X≈0.

Применение математического аппарата вейвлет анализа для выявления диагностических признаков позволяет выделить из спектра частоты соответствующие дефектам шатунных и роликовых подшипников, обнаружить увеличение зазоров цилиндр-поршень и разрушение компрессорных колец первой, второй, третьей и четвертой ступеней.

Анализ значения пускового тока на основе вейвлет преобразования.

Датчик Холла стандартно используется для измерения значения тока. Его метрологические характеристики, определяемые неопределенностью результатов измерений, могут быть аппроксимированы нормальным законом с соответствующими характеристиками, полученными на этапе аттестации.

Погрешность результата измерения значения тока определяется погрешностями реализации блока измерения тока 12 (измерительного алгоритма и измерительного канала) - Δ_I=ΔI±gσ_I. Так как неопределенность результата измерения распределена по нормальному закону. Вероятность того, что результат измерения I∗ превышает допустимое отклонение I_доп=I_ш+Δ_Iд (вероятность нарушения штатного режима работы) будет определяться как

.

Откуда можно определить значение измеряемой величины, соответствующее заданной вероятности нарушения штатного режима работы ПК. Например, для вероятности p(I∗(t)>I_ш(t)+Δ_Iд(t))≥0.95, значение результата измерения потребляемой энергии I∗(t)≥I_ш(t)+Δ_Iд(t)+2σ_I или для вероятности p(S_i(t)>I_ш(t)+Δ_Iд(t))≥0.90, I∗(t)≥I_ш(t)+Δ_Iд(t)+1,6σ_I.

Регистрируя превышение результата измерения заданного порога можно идентифицировать появление дефекта ПК с требуемой вероятностью, предъявляя к метрологическим характеристикам блока измерения тока 12 определенные требования.

Значение тока в общем случае не является величиной постоянной. Оно изменяется во времени - I(t) (Например, процесс старения, вызывающий постепенное увеличение нагрузки).

Определим пороговое значение тока - I_пор, превышение которого говорит о наступлении аварии; и соответственно для измеряемого тока: среднее значение -

, допустимое значение -

, значение сигнала, превышение которого соответствует аварии -

. (см. фиг. 5)

Вероятность обнаружения аварийной ситуации по результатам измерений, если в качестве порога используется I_доп, будет

,

вероятность не обнаружения аварийной ситуации в этом случае будет

.

Такая ситуация, как правило, в системах контроля и диагностики аварий не является допустимой. Однако, для решения задачи идентификации дефектов на ранней стадии развития, для увеличения вероятности обнаружения возможно увеличение требований к метрологическим характеристикам блока измерения тока 12 - уменьшение погрешности от случайной составляющей (плотность распределения результатов измерений ρ_2I∗ - кривая 2 на фиг. 5). А также изменение порога контроля в сторону увеличения в плоть до I_пор.

Вероятность обнаружения аварийной ситуации в этом случае будет

,

а вероятность не обнаружения будет

.

При этом значение вероятности обнаружения дефекта значительно больше значения вероятности не обнаружения p_3авар+>>Р_3авар- и определяется значением I_пор и параметрами закона распределения плотности вероятностей погрешности результатов измерений ρ_I∗(I∗) - неопределенностью результатов измерений.

Таким образом, выбор порогового значения является важным моментом, он связан с определением минимального (оптимального) приращения значения тока потребления характерного для данной ПК - I_пор=I_доп+Δ_Iд. Назначив Δ_Iд и задав требуемую вероятность обнаружения аварийной ситуации (1) можно определить требования по точности к блоку измерения тока 12 - σ_I∗ (Например, для вероятности

значение неопределенности результатов измерения должно быть σ_I∗≤Δ_Iд/3.

Однако, возможна вероятность принятия ошибочных решений: считать, что нарушение режима потребления имеет место, в то время как его не было; и наоборот, не обнаружить нарушение, когда оно есть. Очевидно, что значение вероятностей ошибочных решений зависят от законов распределения вероятностей результатов измерений ρ_I∗(I∗) и случайной составляющей значений пускового тока ПК и определяется устанавливаемым значением Δ_Iд. Имея априорную информацию о ПК и используя результаты метрологического анализа датчика (оценку неопределенности результат измерений) можно определить значение порога, обеспечивающее минимум вероятности ошибки обнаружения дефекта ПК.

Зависимость тока потребления электроприводом компрессора от времени представлена на фиг 6. При включении электропривода наблюдается переходный процесс - резкий скачкообразный рост тока с последующим затуханием и выходом в рабочий режим (I_р - ток рабочего режима). Отклонение максимального значения амплитуды переходного процесса (I_пк) и его длительности (t_пK) от нормальных (опорных) значений говорит о типе возможного дефекта и скорости его изменения. В качестве эталонных значений (I_э._пк и t_э.пк) принимаются характеристики нового компрессора или компрессора после капитального ремонта. Длительность переходного процесса определяется на уроне 70% от опорного токового значения (I_э.пк) значения.

Длительность переходного процесса при включении мала и составляет доли секунды, что затрудняет синхронизацию для измерения длительности напрямую. В связи с чем предлагается использовать вейвлет-преобразование Добеши, при котором переходный процесс будем принимать за локальный сигнал (ЛС), а его амплитуду и длительность (I_пк и I_пк) за параметры локального сигнала. Для надежного выделения ЛС необходимо соблюдение некоторого условия. Частота дискретизации должна выбираться таким образом, чтобы на ЛС приходилось 10-15 отсчетов. Таким образом при длительности ЛС t_пк, частота дискретизации должна быть не ниже (10/t_пк).

Вейвлет-преобразование измерительного сигнала I, подразумевает разложение сигнала на детализирующие и аппроксимирующие коэффициенты

,

где L₁, L₂ и L₃ - матрицы строки первого, второго и третьего уровней разложения измеряемого сигнала I на аппроксимирующие коэффициенты; H₁, H₂ и H₃ - матрицы первого, второго и третьего уровней разложения на детализирующие коэффициенты.

Разложение осуществляется посредством свертки исходного сигнала с вейвлет-фильтрами (Ψ для аппроксимирующих коэффициентов и φ для детализирующих коэффициентов) с последующим прореживанием. Первый уровень разложения получается согласно формулам: L₁={(I×Ψ)↓2} и H₁={(I×φ)↓2}. Все последующие для свертки используют аппроксимирующий коэффициент предыдущего уровня: L₁={(L_i-1×xΨ)↓2} и H_i={(L_i-1×φ)↓2}.

Восстановление сигнала является сверткой коэффициентов разложения с обратными вейвлет-фильтрами (Ψ^-l для аппроксимирующих коэффициентов и φ^-1 для детализирующих коэффициентов). Только перед сверткой коэффициенты разложения дополняются нулевыми значениями, для достижения длительности сигнала соответствующей предыдущему уровню разложения:

. Исходный сигнал получается согласно формуле:

.

Для выделения ЛС с заданными частотными параметрами, при условии работы с вейвлетом Добеши 7го порядка, необходимо осуществлять восстановление только по третьему детализирующему коэффициенту H₃.

В результате восстановления в полученном сигнале на фоне нулевого уровня постоянных значений будут присутствовать только ЛС соответствующие переходному процессу при включении тока потребления электропривода компрессора. Сопоставление длительности переходного процесса t_пк с длительностью ЛС измерение необходимо производить на уровне (0,7I_э.пк-I_р). Максимальное значение амплитуды ЛС I_л.с соответствует значению I_пк: I_пкI_л.с+I_р.

Как следует из вышеизложенного, достигается технический результат заключающийся в повышении достоверности и точности ранней диагностики дефектов поршневого компрессора.

Claims (1)

1. Устройство диагностики состояния поршневого компрессора, включающее два датчика, причем датчик вибрации связан с блоком измерения вибрации, блок задания пороговых значений, блок формирования эталонной характеристики вибрации и блок индикации, отличающееся тем, что устройство дополнительно включает блок задания частоты дискретизации, выходы которого соединены со вторым входом блока измерения вибрации и первым входом блока измерения тока, блок измерения вибрации связан с первым блоком вейвлет преобразования, выход которого соединен с первым входом первого коммутатора, второй вход которого соединен с блоком задания режима аттестации ПК, первый выход коммутатора соединен с блоком формирования эталонной характеристики вибрации ПК, а второй - с первым входом первого блока сравнения, второй вход первого блока сравнения соединен с выходом блока формирования эталонной характеристики вибрации ПК, третий вход первого блока сравнения соединен с блоком задания пороговых значений и периода усреднения, выход первого блока сравнения соединен с первым входом блока индикации, при этом второй датчик, является датчиком тока, выход которого соединен с блоком измерения тока, второй блок вейвлет преобразования, вход которого соединен с выходом блока измерения тока, а выход - с первым входом второго коммутатора, второй вход которого соединен с блоком задания режима аттестации ПК, первый выход коммутатора соединен с блоком формирования эталонной характеристики тока ПК, а второй - с первым входом второго блока сравнения тока, второй вход второго блока сравнения тока соединен с выходом блока формирования эталонной характеристики тока ПК, третий вход второго блока сравнения тока соединен с блоком задания пороговых значений тока, выход второго блока сравнения тока соединен со вторым входом блока индикации.

   

Images