Современное состояние технических средств анализа вибрации

А.В. Барков, к.ф.-м.н., Н.А. Баркова, к.т.н., П.П. Якобсон

Ассоциация ВАСТ,
Россия, 198207, C-Петербург, пр. Стачек, д. 140


Copyright (с) 2003 А.В. Барков, Н.А. Баркова, П.П. Якобсон, все права защищены.
Копирование, перепечатка и распространение допускается только с разрешения автора.

В статье приводятся общие требования к средствам анализа сигнала вибрации, рассматривается современное состояние и перспективы развития анализирующей аппаратуры для вибрационной диагностики вращающегося оборудования.

1. Общие требования

Общая структура систем измерения и анализа вибрации, будь то технические средства вибрационного контроля и защиты, вибрационного мониторинга или диагностики, включает в себя первичные измерительные преобразователи, согласующие устройства, линии связи, собственно средства анализа, базу данных (в простейшем случае - пороговые устройства) и средства (программы) обработки информации (см. рис. 1).
 
Рис.1. Структурная схема системы измерения и анализа вибрации:
ИП - измерительные преобразователи,
УС – устройства согласования,
АН – анализатор,
БД – база данных,
СОИ – средства обработки информации.

В зависимости от задач, решаемых с помощью приборов или систем измерения и анализа вибрации, к ним предъявляются различные технические требования. Существующие технические средства можно классифицировать следующим образом:

    • средства допускового контроля и аварийной защиты
    • индикаторы состояния объектов контроля
    • средства вибрационного мониторинга
    • средства вибрационной диагностики
    • исследовательские приборы и системы

Все средства измерения и анализа вибрации используют измерительные вибропреобразователи, причем чаще других применяются пьезоэлектрические преобразователи виброускорения (акселерометры), оптические (лазерные) преобразователи виброскорости и токовихревые преобразователи относительного виброперемещения (проксиметры). Кроме них для обеспечения синхронных видов анализа вибрации часто используются либо оптические или токовихревые датчики оборотов, либо датчики тока (напряжения) синхронных электрических машин, в том числе генераторов электроэнергии. Основные технические требования к измерительным вибропреобразователям в этой статье не рассматриваются [1], а конкретные требования к датчикам оборотов в определяющей степени зависят от решаемых задач.

Для связи вибропреобразователя со средствами анализа используются линии проводной или беспроводной связи и согласующие устройства. В простейшем случае это предварительные усилители сигнала. Так, для пьезоакселерометров в зависимости от характеристик линии связи могут использоваться предварительные усилители напряжения, заряда или тока, причем достаточно часто для обеспечения высокой помехоустойчивости средств (особенно многоканальных) измерения и анализа вибрации предварительные усилители встраиваются в один корпус с акселерометром. В более сложных случаях согласующее устройство может выполнять функции предварительной фильтрации сигнала, в том числе антиалайзинговой, коммутации линий связи, преобразования сигнала в цифровую форму, а также ряд других.

Большинство требований предъявляется не к отдельным элементам устройств измерения и анализа вибрации, а к приборам или системам в целом. Чаще всего эти требования могут определять:

  • основные виды анализа и контролируемые параметры вибрации
  • динамический и частотный диапазоны измерения и анализа
  • линейность отдельных операций и параметров прибора (системы)
  • скорость выполнения операций анализа и время принятия решений
  • количество параллельных каналов измерения и анализа
  • помехоустойчивость и надежность
  • ресурс и ремонтопригодность

Собственно анализатор является основой любого средства измерения и анализа вибрации, и может существовать как независимое устройство. В последнем случае могут предъявляться требования к характеристикам входных и выходных сигналов.

2. Простейшие средства измерения и анализа вибрации

Простейшими по глубине анализа техническими средствами являются приборы и системы допускового контроля и аварийной защиты. Их обязательной функцией является измерение величины виброскорости или вибросмещения в стандартной полосе частот, например от 2 до 1000 или от 10 до 1000Гц [2, 3]. Для этого в составе прибора используется широкополосный фильтр со стандартной амплитудно-частотной характеристикой. Широкая полоса частот фильтра позволяет обеспечить быструю реакцию выходного сигнала на скачок вибрации контролируемого оборудования, удовлетворив тем самым требования к системам аварийной защиты по скорости их срабатывания. Кроме требований к форме АЧХ и скорости срабатывания к устройствам виброзащиты предъявляются высокие требования по помехоустойчивости и надежности с целью снижения вероятности ложного срабатывания устройства до значений, устанавливаемых технической документацией.

На рис. 2 приведен вид простейшего прибора (виброметра) для допускового контроля вибрации производства фирмы «Виконт» и простейшего устройства аварийной защиты (сигнализации) по сигналу вибрации производства фирмы ВАСТ.
Рис. 2. Простейшие виброметр (а) и система виброзащиты (б).

К сожалению, многие виброметры, разработанные на основе аналоговой измерительной техники, имеют низкую стабильность АЧХ и надежность, а ряд систем виброзащиты не обеспечивает современных требований по вероятности ложного срабатывания.

Стандартами по безопасности труда в промышленности регламентирован допусковый контроль вибрации оборудования и помещений, который может производиться в нескольких полосах частот от 0,8 до 80 Гц. Или от 8 до 1000 Гц (для ручного инструмента). Для этой цели в ряде средств вибрационного контроля предусмотрены возможности частотного анализа вибрации, например, в октавных или третьоктавных полосах частот. В промышленной безопасности производится одновременно контроль, как вибрации, так и акустического шума, поэтому некоторые приборы допускового контроля могут иметь взаимозаменяемые или параллельные каналы измерения, как вибрации, так и шума.

Иногда встречаются и виброметры с несколькими преобразователями вибрации на входе, позволяющие работать с трехмерными измерительными преобразователями вибрации или группой преобразователей.

Не отличаются сложностью анализа вибрации и приборы, выполняющие функции индикаторов состояния. Задачей такого прибора является раннее обнаружение признаков одного (или группы) возможных дефектов контролируемого оборудования. Из всего множества дефектов выбираются такие, которые, с одной стороны, просто и эффективно обнаруживаются по сигналу вибрации, а, с другой стороны, присутствуют в любой из цепочек дефектов, быстро развивающихся в предаварийном состоянии контролируемого оборудования.

Практически единственным успешно применяемым в вибрационной диагностике классом приборов такого типа можно назвать индикаторы состояния подшипников качения по ультразвуковой вибрации неподвижных элементов этих подшипников, возбуждаемых ударными импульсами при контакте тел качения с неподвижным кольцом подшипника. Индикаторы состояния подшипников обычно измеряют ультразвуковую вибрацию в достаточно широкой полосе частот. Центральная частота этой полосы в разных приборах может быть разной, начиная от 20 – 30кГц и заканчивая значениями выше 100кГц. Контролируется обычно среднеквадратичное значение ультразвуковой вибрации (мощность ударных импульсов) и величина пикфактора или крестфактора (форма одиночных ударных импульсов).

Простота измерений и доступность получаемой информации позволяет использовать эти приборы обслуживающему персоналу без специальной подготовки, а при обнаружении нештатной ситуации вызывать специалистов для проведения более сложного исследования вибрации. Поскольку индикаторы состояния дают одинаковую информацию при появлении, как неопасного одиночного дефекта, так и предаварийной цепочки быстроразвивающихся дефектов, проводить контроль состояния подшипников с их помощью следует достаточно часто, не реже одного раза в течение 3 – 5 суток. Один из вариантов индикатора состояния подшипников производства фирмы Меткатом приведен на рис. 3.
Рис.3 Индикатор состояния подшипников ИРП-12

В последние годы все чаще стали появляться приборы и системы, объединяющие функции допускового контроля оборудования по низкочастотной вибрации и индикатора состояния подшипников качения по ультразвуковой вибрации. Примером может служить система аварийной защиты, дополнительной функцией которой является контроль состояния подшипников качения по ультразвуковой вибрации, см. рис. 2 (б).

3. Стационарные системы мониторинга и диагностики

Более сложные виды анализа могут использоваться в средствах вибрационного мониторинга. Основным назначением средств вибрационного мониторинга является обнаружение необратимых изменений вибрации оборудования и прогнозирование скорости их развития. К дополнительной задаче, которая может решаться средствами мониторинга, можно отнести определение причин обнаруженных изменений. Эта задача решается экспертом, анализирующим результаты мониторинга, в том числе с применением специальных экспертных программ.

Средства вибрационного мониторинга объединяются в системы защитного или прогнозирующего мониторинга. Чаще других используются системы защитного мониторинга, анализирующие информацию о многих структурных и рабочих параметрах объекта мониторинга. В таких системах обычно проводится лишь простейший анализ вибрации, с помощью стандартных контроллеров. Лишь в некоторых случаях кроме величины вибрации в стандартной полосе частот выполняется спектральный анализ вибрации в полосе частот до 1-2кГц, причем, требования к качеству такого анализа обычно гораздо ниже, чем к надежности технических средств. Структура выходных данных вибрационных каналов в системах защитного мониторинга, как правило, определяется стандартами на системы автоматического контроля и управления.

Основу систем «прогнозирующего» вибрационного мониторинга вращающегося оборудования, которые чаще всего содержат только каналы измерения и анализа вибрации, составляет ее спектральный анализ. К средствам спектрального анализа таких систем предъявляются весьма высокие требования. Верхняя частота спектрального анализа может ограничиваться типовыми значениями ~ 1000 – 2000 Гц, но достаточно часто она увеличивается до значений ~ 20 кГц и более, в зависимости от конструктивных особенностей и частоты вращения объекта мониторинга. С учетом этого выбираются и типы измерительных преобразователей вибрации. Требования к динамическому диапазону без учета его увеличения при спектральном анализе сигналов находятся на уровне ~106 , и достигаются использованием АЦП с разрядностью не менее 20 или совместным использованием АЦП меньшей разрядности и усилителя с регулируемым коэффициентом усилителя. Наконец линейность измерительного и анализирующего тракта должна быть не хуже 0,1%. Не менее жесткие требования предъявляются и к помехоустойчивости систем, достигаемой, в частности, использованием дифференциальных измерительных преобразователей, преобразователей с встроенными усилителями и т.п.

Спектральный анализ вибрации вращающегося оборудования позволяет выявить более половины из возможных развитых дефектов и на этой основе не пропустить ни одной цепочки дефектов, быстро развивающихся непосредственно перед аварией контролируемого оборудования. Именно поэтому системы вибрационного мониторинга являются эффективным средством предупреждения аварий, а использование в их составе экспертной диагностической программы позволяет выявить причины необходимой остановки оборудования и быстро их устранить.

Но тот факт, что далеко не все дефекты оборудования могут быть обнаружены задолго до отказа, не позволяет давать реальный прогноз его безаварийной работы на длительное время, достаточное для практического использования переносных систем мониторинга с периодичностью измерений более 5-10 дней. Поэтому абсолютное большинство эффективных систем вибрационного мониторинга устанавливается на оборудовании штатно и проводит измерения вибрации через короткие интервалы времени.

Стационарное исполнение систем вибрационного мониторинга существенным образом меняет требования к средствам анализа вибрации. Во-первых, отсутствие жестких требований к габаритам анализатора и потребляемой мощности дает возможность широкого использования виртуальных анализаторов на базе персональных компьютеров. Компьютерный анализ сигналов дает возможность оперативно проводить практически любой вид анализа, поэтому многие стационарные системы при необходимости анализируют вибрацию и в установившихся, и в переходных режимах работы оборудования, в том числе во время его пуска и выбега.

Использование синхронных и многомерных видов анализа вибрации позволяет повысить эффективность экспертных систем диагностики и осуществлять прогноз вибрационного состояния оборудования. Единственным ограничивающим диагностические возможности фактором в стационарных системах мониторинга становится конечное количество точек контроля вибрации, в каждой из которых стационарно устанавливается измерительный преобразователь.

Для расширения диагностических возможностей мониторинга стационарные системы часто комплектуются дополнительным переносным каналом измерения вибрации в любой точке оборудования, где на время измерения может быть установлен измерительный преобразователь. Для этого существуют либо простейшие сборщики данных, либо переносные анализаторы вибрации.

Получив дополнительные данные, эксперт (или диагностическая программа) может решить задачу обнаружения не части, а большинства дефектов, и прогнозировать их развитие на время, гораздо большее, чем 5 – 10 дней. Тогда встает вопрос о том, зачем нужна стационарная система мониторинга, когда экономически выгоднее иметь переносную систему диагностики с возможностью прогноза состояния оборудования на срок между диагностическими измерениями, который может быть доведен до 2 – 3 месяцев.

Как показывает практика, стационарная система мониторинга нужна в первую очередь для многорежимного ответственного оборудования, управляемого обслуживающим персоналом. Именно ошибки персонала чаще всего являются причиной лавинообразного роста дефектов управляемого оборудования, которые необходимо обнаруживать практически мгновенно (за 2 – 3 оборота ротора) для своевременного предотвращения аварии.

Естественно, что для обнаружения опасных ошибок обслуживающего персонала не требуется контролировать вибрацию в большом числе точек контроля. В то же время анализ вибрации во всех выбранных точках контроля необходимо вести параллельно, как в любой системе аварийной защиты. Диагностическую информацию во всех точках контроля вибрации, в том числе и в точках, используемых для аварийной защиты, можно снимать последовательно, с большими интервалами времени между измерениями.

Таким образом, структура систем вибрационной защиты мониторинга и диагностики приобретает вид, показанный на рис. 4.

Рис. 4 Структура стационарной системы вибрационной защиты,
мониторинга и диагностики вращающегося оборудования:
ИП – измерительные преобразователи,
ДО – датчик оборотов,
БЗ – блоки защиты,
АС – аварийная сигнализация,
УС – устройства согласования,
АН – анализатор,
АН0 – портативный анализатор,
БД – база данных,
СОИ – средства обработки информации.

Несколько иначе строится стационарная система мониторинга и диагностики однорежимного оборудования, которая используется для контроля состояния вращающегося оборудования, недоступного для работы с переносными системами диагностики. Во-первых, основной акцент в таких системах делается на глубокую диагностику, которая не требует измерений через короткие интервалы времени, как следствие все измерения и анализ вибрации проводятся последовательно одним анализатором, что значительно удешевляет систему. Во-вторых, задачи мониторинга и диагностики решаются независимо. Для этого простейшие мониторинговые измерения вибрации выполняются достаточно часто, с интервалами от 5 до 30 минут, а сложные диагностические измерения проводятся с интервалами несколько часов (дней), и эти интервалы зависят от реального состояния объекта (узла), определяемого по предыдущим измерениям.

Структура такой стационарной системы мониторинга и диагностики аналогична структуре системы, приведенной на рис. 1.

Виртуальный анализатор вибрации, входящий в состав любой стационарной системы вибрационного мониторинга и диагностики, должен выполнять основные виды анализа сигналов, необходимые для прогнозирующего мониторинга и глубокой диагностики оборудования. Кроме этого, опытные операторы должны иметь возможность выполнять специальные виды анализа для уточнения, как причин необратимых изменений вибрации, так и вида (глубины) обнаруженных дефектов.

К основным видам анализа при вибрационном мониторинге оборудования в типовых режимах работы можно отнести:

  • измерение уровня вибрации в стандартных полосах частот
  • широкополосный, например третьоктавный, анализ вибрации
  • узкополосный спектральный анализ низко- и среднечастотной вибрации
  • статистический анализ результатов периодических измерений
  • контроль формы колебаний высокооборотного вала в подшипниках скольжения («орбиты» вала).

К основным видам анализа при глубокой диагностике вращающегося оборудования можно отнести:

  • узкополосный спектральный анализ вибрации в расширенных диапазонах частот
  • узкополосный спектральный анализ огибающей высокочастотной случайной вибрации, предварительно выделенной полосовым фильтром
  • статистический групповой анализ результатов измерений диагностических параметров.

К дополнительным видам анализа, как для мониторинга, так и для диагностики, можно отнести:

  • синхронный спектральный анализ вибрации в переходных режимах работы
  • взаимный спектральный анализ вибрации (взаимные фазовые спектры)
  • анализ собственных колебаний, возбуждаемых тестовыми возмущениями
  • анализ формы колебаний корпуса с определением амплитуд и фаз колебаний в точках контроля на частоте вращения машины (для балансировки роторов)
  • анализ контролируемых параметров собственно стационарной системы мониторинга и диагностики для определения ее работоспособности и правильности получаемых результатов.

Конструктивно виртуальный анализатор сигналов вибрации обычно состоит из компьютера и двух последовательных устройств на его входе. Первое обеспечивает поддержку измерительных преобразователей и содержит источник их питания, согласующие усилители, управляемые компьютером, и антилайзинговые фильтры. Второе устройство преобразует аналоговый сигнал в цифровую последовательность и передает ее в память компьютера. Кроме преобразователей вибрации часто используются и датчики оборотов (углового положения вала). Оба вида устройств выпускаются многими специализированными фирмами.

Перечисленные устройства могут быть внешними, тогда передача данных идет через стандартный интерфейс связи, например USB порт. Из-за ограничений по скорости передачи информации чаще используются встраиваемые в компьютер устройства, питающиеся от общего источника и передающие информацию непосредственно на шину компьютера.

Для различных экспертных программ, поставляемых некоторыми приборостроительными и экспертными диагностическими фирмами, могут потребоваться и другие виды анализа сигналов вибрации, а также других процессов, протекающих в диагностируемом оборудовании.

4. Портативные системы мониторинга и диагностики

Наряду со стационарными системами широкое применение находят и портативные переносные системы мониторинга и диагностики, оснащенные экспертными или автоматическими диагностическими программами. Эти системы можно разделить на два основных класса – расширенные системы мониторинга, в том числе и с экспертными программами, рассчитанные на то, что диагностику выполняет подготовленный эксперт, и системы массового диагностического обслуживания с программами автоматической диагностики и прогноза состояния типового вращающегося оборудования.

В состав такой системы входят портативный прибор (приборы), обеспечивающий измерение и анализ вибрации в тяжелых промышленных условиях, компьютер с программой мониторинга, содержащей базу данных и выполняющий ряд операций анализа сигналов и обработки результатов анализа, а также экспертная или автоматическая программа диагностики, обрабатывающая полученную диагностическую информацию.

Кроме этого в состав системы часто входят приборы (программы) для сервисных работ, выполняемых с оборудованием по результатам диагностики, например для его балансировки и (или) центровки.

Важным показателем системы является граница разделения функций анализа сигналов между прибором и программой мониторинга. Иногда встречаются приборы (сборщики данных), не выполняющие функций анализа, а только собирающие временные сигналы вибрации. Поскольку качество записи сигнала на месте измерения вибрации в таких приборах проверить невозможно, они не получили широкого распространения. Чаще всего используются сборщики данных – анализаторы, которые проводят на месте операции анализа во временной и в частотной областях, а статистический анализ вибрации и результатов измерений выполняется программами мониторинга и диагностики. Существуют и приборы, которые на месте проводят операции мониторинга, а иногда и диагностики, и дают предварительный анализ состояния объекта контроля, но, как правило, достоверность результатов оценки состояния, выполненной непосредственно в приборе, оказывается существенно ниже, чем результатов диагностики по всей базе данных измерений аналогичного оборудования. Такой анализ выполняется в компьютере расширенной диагностической программой.

Поскольку объемы и (или) скорости вычислений в портативных приборах несколько ниже, чем в компьютерах, анализирующие возможности реальных приборов ниже, чем виртуальных. Для устранения возникающих в портативных системах ограничений, многие современные приборы могут работать с персональным компьютером в режиме «on-line», перекладывая на компьютер наиболее сложные виды анализа сигналов. Более того, часть приборов имеет возможность подключения на вход коммутатора сигналов от группы датчиков вибрации и оборотов, т.е. позволяет собрать на время проведения различных испытаний портативную стационарную систему мониторинга и диагностики.

Такая возможность имеет особое значение в «квазистационарных» системах мониторинга и диагностики оборудования с недоступными для периодического измерения вибрации точками ее контроля. В этом случае измерительные преобразователи могут встраиваться в объект контроля, а линии связи выводятся в доступное для подключения прибора место (коммутационный блок). Именно таким способом можно поэтапно создавать стационарные системы мониторинга и диагностики на предприятиях, ограничиваясь на первом этапе стационарной установкой только измерительных преобразователей.

Минимума затрат на мониторинг и диагностику большого количества удаленного друг от друга оборудования можно достичь, если измерения проводят несколько операторов, оснащенных портативными приборами, а результаты измерений собираются в одном компьютере с программным обеспечением для мониторинга и диагностики. Для успешного решения этой задачи в некоторые приборы встраиваются средства поддержки типовых электронных линий связи, по которым автоматически передаются результаты измерений и принимаются результаты мониторинга диагностики, а также задания на выполнение следующих измерений.

Один из портативных приборов - виброанализатор СД-12М, удовлетворяющий перечисленным требованиям, приведен на рис. 5. Там же показан общий вид портативной стационарной (стендовой) системы на базе этого анализатора.
Рис. 5. Виброанализатор СД-12М (а)
и портативная стационарная система вибрационного
мониторинга и диагностики на его основе (б)

Существует минимум операций анализа, которые должен выполнять портативный прибор на месте измерения вибрации. Это перечисленные ранее основные виды анализа вибрации для решения задач мониторинга и глубокой диагностики. Следует отметить, что практически все основные виды анализа для мониторинга могут быть выполнены расчетным путем по результатам измерения узкополосных спектров вибрации во всем рабочем диапазоне частот от 0,5 – 1Гц до 25-30кГц. Для определения по ним величины вибрации в стандартных полосах частот, а также «орбит» вала не требуется больших вычислительных мощностей, т.е. они могут быть рассчитаны непосредственно в приборе и практически в реальном времени.

Что касается обязательных диагностических измерений спектров огибающей высокочастотной случайной вибрации, то такой вид анализа в реальном времени выполняют лишь некоторые из выпускаемых портативных приборов. Это связано с тем фактом, что операции фильтрации высокочастотной вибрации и формирования огибающей в реальном времени может выполнять либо мощный стандартный процессор, либо специализированный сигнальный процессор.

Мощные процессоры в портативных приборах не используются из-за ограничений по питанию, а современные сигнальные процессоры устанавливаются далеко не во все портативные анализаторы. Для обработки предварительно накопленного для построения спектра огибающей массива выборочных значений сигнала в несколько Мб с помощью процессоров, устанавливаемых в портативные приборы, необходимо время, которое может в несколько раз превышать время накопления этого массива. Это несколько ограничивает возможность использования цифровых приборов, созданных на базе одноплатных компьютеров промышленного исполнения, например распространенных приборов фирмы DI (рис. 6), широко используемых многими экспертами различных стран.
Рис. 6 Цифровой сборщик данных – анализатор DI-225
на основе одноплатного промышленного компьютера.

Что касается одной из основных операций – статистического анализа результатов измерения вибрации, то он может выполняться после передачи данных в компьютер, так как не используется для контроля качества выполненных измерений непосредственно на месте их проведения.

Среди портативных сборщиков-анализаторов вибрации, выполняющих указанные основные виды анализа, предпочтение отдается тем, которые без ухудшения массо-габаритных, энергетических и стоимостных показателей выполняют и многие из перечисленных ранее дополнительных видов анализа. При этом особое внимание уделяется вопросу совместимости выходных данных анализатора с наиболее эффективными программами мониторинга и диагностики.

Ряд фирм выпускает виртуальные портативные анализаторы вибрации, для чего используются элементы персонального компьютера типа Notebook, объединяемые общими шиной и источником питания повышенной мощности с платой поддержки измерительных преобразователей и платой АЦП, в едином корпусе. Примеры таких анализаторов приведены на рис. 7.
Рис. 7 Виртуальные портативные анализаторы
фирмы CSI (а) и PredictDLI (б)

Наряду с очевидными преимуществами такие анализаторы имеют ряд недостатков, к которым следует отнести повышенные массо-габаритные показатели, я также ограниченные надежность и длительность непрерывной работы без подзарядки аккумуляторов. Кроме того, постоянное развитие портативных средств вычислительной техники определяет быстрое моральное старение подобных анализаторов.

Важным показателем портативного анализатора является стабильность во времени его характеристик, обеспечивающих основные виды анализа, предусмотренные международными стандартами по вибрационному мониторингу [1, 2, 3]. Прежде всего это относится к измерению величин виброскорости и вибросмещения в полосах частот 2-1000Гц и 10-1000Гц. В большинстве существующих анализаторов для этого используются электронные интеграторы сигналов с преобразователем виброускорения и электронные фильтры, характеристики которых не обладают хорошей стабильностью как во времени, так и при изменении внешних условий, например температуры. Учитывая это, ряд производителей перешел на цифровые методы интегрирования и фильтрации, но при этом далеко не все смогли сохранить высокий динамический диапазон измерений, уложившись в минимальные границы, задаваемые стандартами. В то же время в задачах расширенного мониторинга и диагностики требуется и расширенный динамический диапазон стандартных измерений (не менее 60 дБ), который обеспечивает далеко не каждый из цифровых портативных анализаторов вибрации.

5. Исследовательские приборы и системы

Среди задач вибрационного мониторинга и диагностики встречаются и такие, решение которых требует проведения специальных исследований, для которых может не хватать возможностей типовых анализирующих приборов. Поэтому ряд приборостроительных фирм выпускает технические средства для расширенного анализа сигналов, которые предусматривают предварительную запись этих сигналов в память прибора с последующим его многократным анализом различными методами.

Отличительными особенностями исследовательских приборов и систем являются:

  • возможность запоминания больших массивов информации, в том числе и измеряемых сигналов, без искажений и потерь информации
  • многоканальность с возможностью параллельной записи и анализа сигналов с выхода измерительных преобразователей разных физических процессов
  • возможность проведения большинства существующих видов анализа сигналов

Большинство из таких приборов и систем строятся на базе виртуальных анализаторов, т.е. компьютеров с входными устройствами, поддерживающими различные виды измерительных преобразователей. Количество параллельных каналов измерения в различных приборах и системах может меняться от двух до нескольких десятков. Верхняя граница частотного диапазона таких каналов определяется тремя основными факторами – частотным диапазоном измерительных преобразователей, ограничениями по питанию системы и по ее стоимости. Типовое число параллельных каналов измерения вибрации во всем диапазоне частот, от ~0,5Гц до ~30кГц, используемом при решении диагностических задач, составляет 4?8. При снижении верхней границы частотного диапазона измеряемых сигналов в 4 раза количество параллельных каналов измерений может быть увеличено приблизительно вдвое.

Если передача цифровой информации с устройств поддержки измерительных преобразователей идет через внешние каналы связи, например через USB-порт, количество параллельных каналов в исследовательских системах снижается. Однако, скорости передачи информации в компьютер непрерывно растут, и в ближайшем будущем, вероятно, они перестанут определять количество параллельных каналов измерения различных процессов в исследовательских виртуальных системах.

Таким образом, технические исследовательские системы измерения и анализа вибрации на базе виртуального анализатора могут иметь три основных конструктивных варианта. Первый представляет собой две платы, встраиваемые в стандартный компьютер, одна из которых имеет несколько линейных аналоговых входов с управляемыми усилителями и антиалайзинговыми фильтрами, а вторая – многовходовый аналого-цифровой преобразователь, передающий данные в память компьютера по общей шине. Кроме компьютера с платами, который чаще всего является Portable компьютером, в систему могут входить внешний коммутатор с количеством входов, определяемым числом точек контроля в исследуемом оборудовании, и сами измерительные преобразователи с источниками питания и согласующими устройствами (рис. 8, а).

Второй вариант представляет собой компьютер и внешнее устройство со своим источником питания, которое выполняет перечисленные выше функции поддержки первичных преобразователей, коммутации сигналов, их согласование, в том числе и антиалайзинговую фильтрацию, собственно АЦП преобразование и передачу цифровой информации по стандартному интерфейсу (рис. 8, б).
Рис. 8 а, б Многовходовые виртуальные анализаторы на базе компьютера
производства фирмы ВАСТ и производства фирмы Мера

Во втором варианте систем чаще других используются компьютеры типа Notebook, что позволяет в некоторое время использовать систему в полевых условиях без внешнего источника питания.

И третьим вариантом можно считать виброанализатор, конструктивно объединяющий Notebook и входное устройство в корпусе одного прибора, см. рис. 7.

Как правило, большинство исследовательских виртуальных анализаторов имеет небольшое число параллельных каналов измерения (до 4-х аналоговых и столько же цифровых), что позволяет производить запись сигналов во всем рабочем диапазоне частот. Существует, однако, ряд исследовательских задач, например анализ режимов пуска и останова крупных машин, когда количество параллельных измерительных каналов должно быть много больше, но частотный диапазон измеряемых сигналов может быть существенно сокращен. Для решения таких задач можно использовать специальные многовходовые устройства параллельного приема сигналов с передачей цифровой информации по стандартному интерфейсу, чаще всего через USB-порт компьютера.

Исследовательские системы на базе виртуальных анализаторов вибрации и других процессов, как правило, имеют широкие возможности для анализа сигналов в рамках функциональной и тестовой диагностики оборудования, а также для модального анализа механических систем и конструкций. В то же время не меньший интерес представляют анализирующие приборы, даже в тех случаях, когда их возможности ниже, чем у виртуальных анализаторов.

Причиной такого интереса является не только возможность работы в автономном режиме и в тяжелых промышленных условиях. Не менее важной особенностью является то, что производители таких приборов активно развивают и совершенствуют программное обеспечение для мониторинга и диагностики различного оборудования, которое, как правило, совместимо только с ограниченной номенклатурой технических средств. А эффективность решения практических задач мониторинга и диагностики зависит от возможностей всей совокупности имеющихся у пользователя технических средств и программного обеспечения.
Рис. 9 Анализатор с многоканальной приставкой
для параллельного измерения низкочастотной
вибрации производства фирмы Диамех

Учитывая вышеизложенное, определенный интерес представляют технические средства, расширяющие возможности параллельного анализа с помощью промышленных анализаторов вибрации. К ним относятся, например, многовходовые приставки, см. рис. 9. Но наибольший интерес проявляется к портативным стационарным системам, собираемым на основе промышленного анализатора (см. рис. 6), который может передавать в компьютер, как результат анализа сигнала с любого из преобразователей, подключенных к входному коммутатору, так и, при необходимости, сам сигнал.

Литература:

  1. ГОСТ ИСО 2954-97. Вибрация машин с возвратно-поступательным и вращательным движением. Требования к средствам измерений.
  2. ГОСТ ИСО 10816-1-97. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 1. Общие требования.
  3. ГОСТ ИСО 10816-3-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 3. Промышленные машины номинальной мощностью более 15 кВт и номинальной скоростью от 120 до 15000 мин-1.
  4. Технические средства диагностирования: Справочник / Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.:Машиностроение, 1995.
  5. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. СПб: Изд. центр СПбГМТУ, 2000.
  6. Рендалл Р.Б. Частотный анализ. Глоструп: Изд-во Брюль и Къер, 1989.
  7. Барков А.В., Баркова Н.А. Интеллектуальные системы мониторинга и диагностики машин по вибрации. Сборник трудов семинара «Современные проблемы вибрационной диагностики и виброзащиты энергетических установок». СПб.: Изд-во ПЭИПК, 1999, с. 115-156.
  8. Баркова Н.А. Введение в виброакустическую диагностику роторных машин и оборудования: Учебное пособие. СПб.: Изд. Центр СПбГМТУ, 2003.
  9. Barkov A.V., Barkova N.A., Mitchell J.S. Condition Assessment and Life Prediction of Rolling Element Bearings, Sound and Vibration, June - part 1 and September - part 2, 1995.
  10. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования / Александров А.А., Барков А.В., Баркова Н.А., Шафранский В.А. - Л.: Судостроение, 1986.

Copyright (с) 2003, А.В. Барков, Н.А. Баркова, П.П. Якобсон, все права защищены.
Копирование, перепечатка и распространение допускается только с разрешения автора.

Вернуться на Статьи, публикации, описания