СПОСОБ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
METHOD OF CONTROL AND DIAGNOSTICS OF COMPLEX OBJECT STATE

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для бесконтактного автоматизированного контроля и диагностики состояния сложных объектов, функционирование которых состоит из периодически повторяющихся циклов. К таким объектам можно отнести объекты на различных физических принципах функционирования, содержащие: вращающиеся узлы; элементы, совершающие возвратно-поступательное движение; функциональные узлы, работа которых сопровождается пульсациями или вибрациями; биологические объекты, в которых происходят сложные колебательные электрические процессы, регистрируемые при электроэнцефалографии, электрокардиографии и т.д.; электротехнические устройства, питаемые переменным током и т.п.
Определение технического состояния или физиологического состояния (для биологических объектов) представляет собой достаточно сложную задачу, без решения которой невозможно осуществить диагностику объекта и прогнозирование возникновения нештатных (аномальных, патологических) ситуаций. Процесс контроля и диагностирования состояния объекта обычно реализуется с помощью специальных измерителей-преобразователей (датчиков), фиксирующих изменение во времени выбранного информационного параметра и вырабатывающих соответствующий электрический сигнал. На основании анализа этого сигнала делают вывод о состоянии объекта. Чем сложнее объект и процессы в нем происходящие, тем сложнее регистрируемый сигнал, в том числе и для нормального состояния объекта. Еще более сложной является задача фиксации появления малых изменений сигнала, связанных с незначительным изменением состояния объекта, которые в дальнейшем могут явиться «предвестниками» возникновения существенных дефектов или патологий.
Известен способ диагностики состояния объекта на основании анализа спектра сигнала от датчика некоторого параметра состояния [1]. Объектами контроля здесь могут быть различные электрические машины, в частности, в качестве примера - асинхронный двигатель. Информационными параметрами диагностического контроля технического состояния в работающем асинхронном двигателе рассматриваются высшие гармонические спектральные составляющие сигнала датчика магнитного поля рассеяния в лобовой части обмотки статора, на изменения амплитуд которых оказывает существенное влияние появление неисправностей в виде межвитковых или межфазовых замыканий.
Недостатком этого способа является сложный вид спектра сигнала, содержащий большое число составляющих частот даже в том случае, когда объект находится в нормальном рабочем состоянии. Кроме того, в большинстве технических ситуаций спектр непрерывно меняется во времени. Это приводит к тому, что различить спектры сигнала для двух моментов времени (либо двух технических состояний объекта) достаточно сложно.
Известен способ контроля блоков питания, содержащих силовой трансформатор [2], заключающийся в измерении напряжения на первичной обмотке трансформатора блока питания и силы тока нагрузки в его вторичной обмотке, основанный на регистрации особым образом ориентированного относительно трансформатора магниточувствительного датчика временной зависимости магнитного поля рассеяния трансформатора блока питания.
Недостатком устройства, реализующего указанный способ, является необходимость ориентации особым образом оси чувствительности датчика, а также отсутствие возможности диагностирования состояния блока питания по результатам измерений.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому изобретению является способ визуального контроля параметров энергопотребления и диагностики технического состояния электрооборудования переменного тока [3], выбранный за прототип. Согласно этому способу сигнал информационного параметра состояния электрооборудования переменного тока, снимаемый с помощью магниточувствительного датчика, подключенного по схеме трансформатора тока к токоподводящим электрическую энергию проводам, преобразуют с помощью интегрирующего или дифференцирующего звеньев, т.е. создают из сигнала его искаженный заведомо известным методом «образ», названный «репликой». Затем информационный сигнал с выхода датчика подают на горизонтальные (вертикальные) отклоняющие пластины осциллографа, а сигнал-реплику с выхода интегрирующего (дифференцирующего) звена - на противоположные вертикальные (горизонтальные) отклоняющие пластины осциллографа. О режимах работы и техническом состоянии контролируемого электрооборудования судят на основании сравнения полученной на экране осциллографа фигуры Лиссажу для негармонических сигналов (характеристической кривой) с набором (банком) эталонных характеристических кривых дефектных состояний объекта.
На фиг. 1 представлены графические иллюстрации способа, выбранного за прототип, применительно к достаточно распространенному функциональному устройству - однофазному трансформаторно-выпрямительному преобразователю, содержащему мостовую схему выпрямления. На фиг. 1а представлены формы выходного сигнала магниточувствительного датчика, размещенного на токоподводящем проводе, питающем первичную обмотку трансформатора (кривые формы тока первичной обмотки), соответствующие двум техническим ситуациям - «преобразователь исправен» и «обрыв диода схемы выпрямления». Из фиг. 1а видно, что формы токов первичной обмотки отличаются незначительно, несмотря на то, что в схеме выпрямления имеет место явная неисправность - обрыв диода.
На фиг. 1б представлены соответствующие этим ситуациям характеристические кривые. Как следует из представленной иллюстрации, формы кривых существенно отличаются друг от друга, что позволяет однозначно различать технические ситуации и идентифицировать неисправность.
Однако в том случае, когда анализируется сигнал, содержащий большое число высокочастотных составляющих, получаемая характеристическая кривая (фигура Лиссажу) имеет достаточно сложную форму, затрудняющую однозначную и достоверную идентификацию состояния контролируемого объекта (фиг. 1в).
Целью предлагаемого изобретения является расширение технологических возможностей диагностики технического состояния на основе контроля параметров функционирования сложных объектов за счет повышения точности и достоверности результатов измерений, а также высокочувствительного алгоритма их обработки.
Как известно, неисправность (патология) в объекте (техническом, биологическом) представляет собой внезапное прекращение этим объектом процесса исполнения своего функционального назначения. Вместе с тем, у любой неисправности есть предшествующий ее окончательному проявлению период функционирования объекта, когда он работает с прогрессирующе ухудшающимися показателями. Например, в электроустановке ухудшение характеристик функциональных элементов, входящих в ее состав, приводит к изменению потребляемого тока как по величине, так и по форме. Для кривой же тока сложной формы, содержащей большое число высокочастотных составляющих, это изменение может происходить на небольшом интервале времени внутри периода кривой тока. В этой связи изменение кривой именно на этом интервале несет наиболее полную информацию об изменениях, происходящих в элементах объекта. Поэтому для повышения точности и достоверности результатов измерений представляется целесообразным анализировать информацию о состоянии объекта, преобразуя в характеристическую кривую не весь период кривой тока, а только выделенный интервал, на котором происходят наиболее существенные изменения. Кроме того, в анализируемой кривой тока таких интервалов может быть несколько, поэтому целесообразно иметь возможность формирования характеристических кривых на различных интервалах кривой тока внутри ее периода изменения.
Сущность изобретения состоит в том, что для контроля и диагностики состояния сложных объектов, характеризующихся сложной формой кривой, описывающей процесс их функционирования, из сигнала информационного параметра (выходного сигнала датчика) стробоскопическим методом (с использованием стробирующего импульса определенной длительности) внутри периода кривой изменения информационного параметра выделяют область, наиболее полно отражающую проявление выявляемого дефекта. Для этой области формируют текущую характеристическую кривую, которую сравнивают с предварительно созданным банком эталонных характеристических кривых дефектных состояний объекта (в том числе и для данной области). Кроме того, с целью расширения перечня выявляемых дефектов, обеспечивающих применение способа для диагностики дефектов различных элементов (узлов) объекта, осуществляют сканирование сигнала информационного параметра, т.е. выделяемую область перемещают в пределах периода сигнала информационного параметра, изменяя время задержки стробирующего импульса, а также его длительность.
По изменению кинетики информационного параметра на выделенном интервале за несколько периодов процесса функционирования объекта можно судить либо об исправности этого элемента, либо о появлении в нем дефекта, а по динамике развития дефекта прогнозировать изменение ситуации в объекте в целом.
В связи с тем, что на общее состояние объекта оказывают влияние все функциональные элементы и узлы, входящие в его состав, предусмотрена возможность как изменения длительности интервала времени сканирования информационного параметра, так и временной сдвиг этого интервала внутри периода кривой, описывающей процесс функционирования объекта. Это позволит определить интервал информационного параметра сигнала, наиболее информативный по отношению к выявляемому дефекту и диагностировать тот функциональный элемент (узел) объекта, в котором начинаются дефектные изменения.
Для обеспечения точности и достоверности результатов измерения информационного параметра интервал времени измерения (определяется длительностью стробирующего импульса) должен быть строго сфазирован с периодом кривой, описывающей процесс функционирования объекта. Интервал времени сканирования, а также величина временного сдвига стробирующего импульса относительно начала периода кривой изменения информационного параметра задаются оператором.
Как отмечалось выше, появление дефекта в функциональном элементе объекта на начальном этапе сопровождается малыми изменениями информационного параметра, фиксируемого датчиком. Использование предлагаемого способа позволяет регистрировать именно малые изменения кинетики измерительного сигнала датчика информационного параметра [4].
Для полноценного анализа ситуации необходимо использовать предварительно созданный банк эталонных характеристических кривых, соответствующих различным состояниям функциональных элементов (узлов) и данного объекта в целом.
1
2
2
1
1
2
На фиг. 2 и 3 представлены электрические сигналы и соответствующие характеристические кривые, поясняющие сущность заявляемого способа. Так, на фиг. 2 изображена периодическая кривая (Т - ее период) электрического сигнала, в интервалах периодов которой стробирующими импульсами (через постоянные отрезки времени τ) выделяется фрагмент кривой - интервал времени измерения τ, в котором происходит изменение, связанное с изменением ситуации (технической, биологической и т.п.) в контролируемом объекте. На фиг. 2 и 3 под выделенными фрагментами сигнала помещены характеристические кривые, позволяющие определить и идентифицировать изменения в состоянии (развитие дефекта) в функциональных элементах (узлах) объекта. Благодаря тому, что на устройстве отображения информации (например, мониторе компьютера) формируется характеристическая кривая одной и той же части кривой информационного параметра, она оказывается стабильной (подобно изображению в стробоскопическом осциллографе) в разных периодах изменения сигнала. На фиг. 3 изображены фрагменты сигналов информационного параметра, отражающего процесс функционирования объекта, в интервале периода которых стробирующими импульсами различной длительности (τ) с различным временным сдвигом относительно начала периода кривых (τ) выделяются различные фрагменты кривых, а ниже приведены характеристические кривые, соответствующие этим фрагментам. Эпюры на фиг. 3 иллюстрируют возможность выделения в периоде кривой, описывающей процесс функционирования объекта, необходимого интервала времени, связанного с изменением состояния объекта, путем изменения величины временного сдвига или длительности стробируюшего импульса (τ и τ).
1
2
На фиг. 4 представлена структурная схема устройства, реализующего заявленный способ. Датчик 2, производящий измерение информационного параметра (например, магниточувствительный измерительный преобразователь напряженности внешнего магнитного поля объекта) размещается на объекте контроля 1 (например, на датчиках, используемых при снятии электрокардиограмм человека) либо вблизи объекта контроля (например, при реализации бесконтактного неразрушающего контроля, основанного на измерении электромагнитных, акустических или иных видов колебаний). Выход датчика подключен ко входу блока формирования выходного сигнала 3, выход которого подключен ко входу блока формирования выделенной части сигнала 6. Кроме того, выход датчика подключен ко входу блока формирования синхроимпульса 4, выход которого подключен ко входу блока формирования стробирующего импульса 7. Выход блока формирования стробирующего импульса подключен ко второму входу блока формирования выделенной части сигнала 6, а его выход подключен ко входу блока формирования характеристической кривой 5. Его выход соединен с вычислительным устройством (например, компьютером), содержащим блок сравнения 8, блок эталонных характеристических кривых 10 и блок вывода информации 9. Сформированную информацию воспринимает и обрабатывает оператор 11. Он же управляет работой устройства (задает временные интервалы τ и τ).
2
1
Устройство работает следующим образом. Сигнал информационного параметра с выхода датчика 2 поступает на входы блока формирования выходного сигнала 3 и блока формирования синхроимпульса 4. Датчик может быть либо включен в электрическую схему объекта (например, в цепь токоподводящего провода), либо иным приспособлением (устройством) подключен к объекту (например, с помощью электродов электроэнцефалографа при снятии электроэнцефалограмм, электродов электрокардиографа при снятии электрокардиограмм и т.п.); датчик может осуществлять также бесконтактные измерения, путем регистрации параметров, например, электромагнитного (или иного) излучения, сопровождающего работу объекта. Блок формирования выходного сигнала 3 осуществляет выделение требуемого временного интервала из сигнала информационного параметра с выхода датчика 2. В блоке формирования синхроимпульса 4 осуществляется «жесткая» привязка выходного импульса блока к начальной («нулевой») фазе выделенного в блоке формирования выходного сигнала временного интервала. Выходные импульсы блока формирования синхроимпульса 4 поступают на вход блока формирования стробирующего импульса 7. В этом блоке происходит формирование стробирующего импульса, при этом оператором 11 задаются его длительность (τ) и величина временного сдвига (τ) относительно начальной («нулевой») фазы выделенного временного интервала, после чего эти полностью синхронизированные с сигналом датчика импульсы поступают на вход блока формирования выделенной части сигнала 6. В этом блоке стробирующим импульсом выделяется фрагмент периода (периодов) выделенного временного интервала, поступившего из блока формирования выходного сигнала 3. Далее выделенный фрагмент (группа фрагментов) поступает на вход блока формирования характеристической кривой (фигуры Лиссажу для негармонических сигналов) 5. Получение характеристической кривой осуществляется с использованием самого сигнала (выделенного фрагмента) и его искаженного заведомо известным методом (например, интегрированием либо дифференцированием и др.) образа (реплики) [3]. Полученная характеристическая кривая (группа кривых) поступает в блок сравнения 8 вычислительного устройства, где производится ее сопоставление с набором эталонных характеристических кривых, размещенных в блоке эталонных характеристических кривых 10, соответствующих различным состояниям объекта. Результаты сравнения представляются в блоке вывода информации 9. Информацию с этого блока считывает оператор 11.
Предлагаемый способ позволяет существенно повысить точность и достоверность результатов контроля параметров и диагностики состояния контролируемых объектов, а также реализовать возможность проведения углубленного анализа и расширения перечня диагностируемых дефектов (в том числе, на ранних стадиях появления) в сложных объектах, процесс функционирования которых состоит из периодически повторяющихся циклов.
Источники информации
1. Гаджиев Г.А. и др. Исследование магнитных полей рассеяния в электрических машинах для их диагностики в условиях работы. «Электротехника», №6, 2000, С. 22-27.
2. Сукиязов А.Г., Просянников Б.Н. Авт. свид. СССР №1335885. Способ контроля блоков питания, содержащих силовой трансформатор, 1987.
3. Сукиязов А.Г., Вербов В.Ф. и др. Патент РФ №2378656. Способ визуального контроля параметров энергопотребления и диагностики технического состояния электрооборудования переменного тока, 2010. (прототип)
4. Сукиязов А.Г., Нестеров В.В., Просянников Б.Н. О возможности реализации непрерывной диагностики технического состояния электрических машин переменного тока. «Вестник РГУПС», №1, 2009, С. 125-129.