СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА
METHOD AND DEVICE FOR DETECTION AND MEASUREMENT OF FREQUENCY DISTURBANCES OF ROTOR ROTATION SPEED

Настоящее изобретение касается систем детектирования и измерения частотных возмущений скорости вращения ротора авиационного двигателя и, в целом, возмущений режима работы любого двигателя.
В настоящее время детектирование и измерение низкочастотных изменений или возмущений вращения ротора осуществляют в два этапа:
- этап получения и записи аналоговых сигналов, поступающих из ближнего датчика, установленного на окружности зубчатого колеса, называемого акустическим колесом, являющегося коаксиальным и неподвижно соединенным с ротором;
- этап анализа сигнала с задержкой по времени относительно сигналов записи и обработки результатов анализа.
Эта система анализа не является удовлетворительной, когда требуется получить результаты в реальном времени, в частности, когда эти результаты касаются роторов авиационных двигателей и предназначены для передачи в систему обеспечения безопасности полета.
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа, который позволит детектировать в реальном времени возмущения скорости ротора авиационного двигателя.
Поставленная задача согласно настоящему изобретению решена путем создания способа детектирования изменения режима двигателя, характеризующегося тем, что в реальном времени осуществляют следующие операции:
измеряют сигналы, отражающие прохождение зубцов акустического колеса или эквивалентного средства, неподвижно соединенного с ротором, в течение определенного промежутка времени,
произведенные измерения дискретизируют, оцифровывают и вводят в память для получения исходного цифрового вектора,
из исходного вектора выделяют сигнал детектирования по известной частоте возмущения,
сигнал детектирования сравнивают с заранее определенным пороговым значением,
в случае превышения этого значения выдают сообщение аварийной сигнализации.
Таким образом, становится возможным сразу отреагировать на появление в режиме работы двигателя известной частоты возмущения, такого как возмущение более низкой частоты, чем частота вращения ротора, например временно изменяя режим двигателя, чтобы, по возможности, сразу препятствовать развитию возмущения.
Предпочтительно для выделения сигнала детектирования частоты возмущения осуществляют следующие операции:
исходный вектор фильтруют и получают фильтрованный вектор,
детектируют пики чередования сигналов,
пики датируют, рассчитывают временные интервалы, разделяющие смежные пики, на основании этих интервалов устанавливают изменение режима во времени,
упомянутое изменение фильтруют по известной частоте возмущения.
Предпочтительно вышеупомянутые векторы локализуют относительно временного базиса определенного размера на основании режима, характеристик средств измерения и известной частоты возмущения.
Векторные операции, применяемые к векторам, содержат только суммы, разности, сдвиги координат.
Этот способ позволяет избежать сложных расчетов, производимых в реальном времени.
Предпочтительно сигналы дискретизируют по частоте, по меньшей мере, в два раза превышающей частоты переходных возмущений, которые могут иметь место, чтобы сохранить возможность анализировать также возмущения на частотах, превышающих частоту вращения ротора.
Объектом настоящего изобретения является также система детектирования колебаний режима ротора, содержащая средства измерения, содержащие датчик, выдающий в режиме реального времени сигналы, отражающие скорость вращения ротора, характеризующаяся тем, что содержит средства обработки сигналов, содержащие вычислительный блок, рассчитывающий в режиме реального времени скорость вращения для того, чтобы, в случае необходимости, мгновенно выдавать сообщение о возмущении режима.
Предпочтительно вычислительный блок выдает сообщение об анормальном появлении возмущения на частоте, более низкой, чем частота вращения ротора.
Предпочтительно средства измерения содержат акустическое колесо, неподвижно соединенное с ротором, выдающее сигналы, отражающие прохождение зубцов акустического колеса, при этом средства обработки дискретизируют упомянутые сигналы перед их оцифровкой и введением в запоминающее устройство в оцифрованном виде.
Предпочтительно средства обработки дискретизируют сигналы по частоте, по меньшей мере, в два раза превышающей максимальную частоту возможных переходных возмущений, что позволяет также анализировать возмущения с частотой, более высокой, чем частота вращения ротора.
Система детектирования в соответствии с настоящим изобретением позволяет, в частности, реализовать вышеуказанный способ.
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания примера выполнения системы детектирования низкочастотных изменений скорости вращения ротора со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - изображает схему ротора и его средства детектирования, входящие в состав системы детектирования, согласно изобретению;
фиг.2 - временную диаграмму сигналов, выдаваемых средствами детектирования, согласно изобретению;
фиг.3 - блок-схему системы детектирования, согласно изобретению;
фиг.4 - блок-схему последовательности операций способа обработки сигналов для детектирования возмущения режима, согласно изобретению;
фиг.5 - схему структуры и порядка расчетов модуля фильтрования, согласно изобретению;
фиг.6 - временную диаграмму, иллюстрирующую эффект фильтрования, согласно изобретению;
фиг.7 - схему структуры и порядка расчетов модуля детектирования пиков, согласно изобретению;
фиг.8 - временную диаграмму, иллюстрирующую эффект вышеуказанного фильтрования, согласно изобретению;
фиг.9 - схему производства расчетов изменений скорости вращения ротора, согласно изобретению;
фиг.10 - диаграмму фильтровального габарита для фильтрования возмущения, согласно изобретению;
фиг.11 - временную диаграмму изменения скорости вращения ротора, полученную при помощи системы детектирования в соответствии с настоящим изобретением, с добавлением диаграммы результата применения фильтрования возмущения.
Средство 1 (фиг.1) измерения изменений или возмущений по частоте F скорости вращения или режима R ротора 2 или другой вращающейся оси в основном состоит из акустического колеса 3 и датчика 4.
Акустическое колесо является зубчатым колесом, размещенным на той же оси, что и ротор 2, и приводится во вращение этим ротором. В качестве датчика 4 можно использовать катушку индуктивности, а зубцы 6 колеса 3 выполнять из магнитного материала.
Однако можно использовать и любое другое средство, выполненное с возможностью формирования пиковых сигналов по долям оборотов ротора 2. В зависимости от технологии этого средства некоторые операции фильтрования, описанные ниже, можно не осуществлять.
Магнитные материалы возбуждают катушку при прохождении зубцов перед датчиком и генерируют, таким образом, сигналы вращения (не показаны), отражающие это прохождение и служащие для измерения скорости вращения ротора 2.
Сигналы вращения формируются схемой 7 формирования, выдающей аналоговый сигнал 5 измерения, который имеет приблизительно форму псевдопериодического треугольного сигнала, по существу, воспроизводящего форму зубцов 6.
Обычно сигнал 5 регистрируется средством 50 аналоговой записи, таким как устройство записи на магнитной ленте, для последующего анализа сигнала.
Колесо 3 содержит n зубцов, при этом один из них больше, чем остальные n-1 зубцы, чтобы сигнал 5 содержал более ярко выраженные чередующиеся импульсы 8, отражающие пики оборотов вращения ротора 2.
На фиг.2 показана форма некоторых чередующихся импульсов сигнала 5. Он содержит положительные и отрицательные импульсы, при этом вершины 9 или пики двух положительных импульсов разделены временным интервалом или периодом ΔТ затухающих колебаний.
Отмечается также, что сигнал 5 может содержать паразитные и переходные шумы 9', как правило, возникающие при переходных «высокочастотных» возмущениях, то есть на частотах, превышающих частоту вращения ротора 2. Они могут стать причиной ложного детектирования периода ΔТ.
Как показано на фиг.3, средства 1 измерения являются частью системы 10 детектирования в реальном времени изменений режима R.
Эти изменения являются флуктуациями, называемыми «низкочастотными», на известной частоте F, то есть более низкой, чем частота вращения ротора 2.
Система 10 дополнительно содержит средства обработки, состоящие из аналого-цифрового преобразователя АЦП 15 и из устройства 11 обработки цифровых сигналов. Устройство обработки может быть, например, микропроцессором.
Преобразователь 15 и устройство 11 соединены между собой шиной 30 передачи цифровых данных.
Устройство 11 содержит вычислительный блок 12 и оперативное запоминающее устройство ОЗУ 13 (RAM - random access memory), связанное с блоком 12 для введения в память и обработки оцифрованных данных, выходящих из АЦП 15.
Блок 12 соединен также с электронной схемой ЦОС 16 (digital signal processing или схема цифровой обработки сигналов) обработки сигнала и сигнализации. В данном случае сигнализация состоит в передаче сообщения в режиме реального времени по информационной шине 30 в систему обеспечения безопасности (не показана).
АЦП 15 оцифровывает сигналы 5, дискретизируя их по выбранной частоте Fe, по меньшей мере, равной 2,56/ΔТ, с применением теоремы Шеннона.
Эта частота является достаточной, чтобы получить дискретизированные и оцифрованные данные, позволяющие правильно проанализировать «низкие частоты», присутствующие в сигналах 5, поступающих от средств 1 измерения.
Однако частоту Fе можно также выбирать большей, чем вышеуказанная, чтобы она была достаточной для возможности анализа паразитных переходных шумов 9', возникающих при переходных возмущениях.
Вычислительный блок 12 содержит модуль 21 хранения оцифрованных данных, модуль 23 фильтрования, модуль 25 детектирования вершин или пиков и модуль 27 датирования.
Модуль 21 накапливает оцифрованные данные и размещает их в столбец значений согласно порядку дискретизации, при этом значения маркируются параллельным ему столбцом индексов i. Модуль 23 фильтрования фильтрует данные вплоть до устранения переходных шумов 9'. Модуль 25 детектирует вершины или пики, то есть максимальные значения выборок, соответствующие прохождениям зубьев 6 перед датчиком 4. Модуль 27 датирования датирует эти прохождения и выделяет из них разделяющие их временные интервалы ΔТ.
ОЗУ 13 структурно содержит четыре запоминающих устройства 22, 24, 26, 14, каждое из которых содержит таблицу и запоминает цифровые данные, полученные в результате дискретизации сигнала 5 и последовательных обработок модулями 21, 23, 25 и 27.
На фиг.4, 6 и 9 показан пример каждой из таблиц вышеуказанных запоминающих устройств 22, 24, 26, 14.
Столбцы значений и индексов образуют исходный вектор значений, пронумерованных от 1 до N, и базисный вектор, выполняющий роль временной метки, при этом каждый индекс или строка I соответствует временной координате исходного вектора. ОЗУ 13 содержит другие «производные» векторы, описанные в документе ниже, обозначенные той же меткой.
Как было указано выше, Fe выбирают, по меньшей мере, равной 2,56/ΔТ, то есть 2,56·n·R, при этом Те должно быть меньше 1/2,56·n·R, а продолжительность анализа Т должна, по меньшей мере, превышать 1/F, что определяет размер N векторов в ОЗУ 13.
Но для того, чтобы определить среднее значение из k анализов, предпочтительно чтобы Т слегка превышало k/F.
Кроме того, время Т, равное 1/Fe, разделяет последовательные значения с индексом i и i+1, что будет подробнее пояснено ниже.
Отсюда следует, что размер N памяти ЗУ 22, 24, 26, 14 должен быть, по меньшей мере, равен Т/Те, то есть 2,56·n·R/F или, что еще лучше, 2,56·k·n·R/F. Таким образом, он зависит от числа n зубьев 6 акустического колеса 3, от режима R и от частоты возмущения F.
Далее со ссылками на фиг.4-9 следует описание работы системы 10.
Во время вращения ротора 2 окружность колеса 3 проходит перед датчиком 4, в результате чего формируется аналоговый сигнал 5.
Сигнал 5 дискретизируют и преобразуют в цифровые данные в преобразователе 15, который передает их в вычислительный блок 12 устройства 11 через шину 30.
На этапе 101 (фиг.4) модуль 21 хранения блока 12 вводит значения этих данных одновременно с индексами I в два первых столбца таблицы запоминающего устройства 22 (фиг.5), а именно в столбец А «индекс» или временная метка и столбец В «выборка», соответствующий значению данной, соответствующей индексу i.
Столбец В «выборка» представляет собой исходный вектор данных с N временных координат. Ввод данных в таблицу прекращается, когда вся таблица оказывается заполненной, при этом i равен N.
Обработку, суть которой будет пояснена ниже, можно производить очень быстро, поэтому следующий этап 101 можно осуществлять без каких-либо проблем. В случае необходимости можно удвоить число таблиц и использовать их поочередно, чтобы не потерять ни одной дискретизированной данной.
После этого вычислительный блок 12 производит векторные операции на исходном векторе и на векторах, производных от этого вектора, полученных в результате последовательных векторных операций, содержащих исключительно сдвиги, суммы и разности, во временном пространстве размером N в порядке, который будет описан ниже.
Блок 12 запускает модуль 23 фильтрования, который во время этапа 102 считывает таблицу запоминающего устройства 22, дополняет ее, заполняя таблицу запоминающего устройства 24:
1) столбцом С «1-й сдвиг», который является вектором, полученным путем смещения на одну строку строк i - i+1, данных исходного вектора, что является операцией сдвига временных координат исходного вектора во временном пространстве размером N;
2) столбцом D «1-е среднее значение», полученным путем вычисления для каждой из строк i суммы В+С значений данных в строке i двух предыдущих столбцов В и С, поделенной на два для получения среднего значения (хотя это деление и не является обязательным);
3) Модуль 23 повторяет р раз эти две операции до получения столбца «р + 1-й сдвиг» (не показан) и столбца Н «р + 1-е среднее значение».
На фиг.6 показано фильтрование L3 первоначального сигнала 5, обозначенного Lo, полученное при помощи этого вычисления, если р+1=3. Переходные шумы 9' пропали.
В конце фильтрования блок 12 запускает модуль 25 для осуществления этапа 103 детектирования пиков.
Для этого модуль 25 считывает таблицу запоминающего устройства 24, дополняет ее таблицей запоминающего устройства 26, последовательно столбцами или векторами I «р+1-е среднее значение >0?», J «чередующийся импульс >0», первыми столбцами К «сдвиг» и L «разность», столбцом М «разность >0?», вторыми столбцами Р «сдвиг» и Q «разность» и, наконец, столбцом S «разность пиков <0», как показано на фиг.7.
В частности, модуль 25:
1) вводит в строки i столбца I «р+1-е среднее значение >0?» 1 или 0 следующим образом:
- если строка i последнего столбца Н таблицы запоминающего устройства 22 содержит положительное среднее значение, в строку i столбца I вводят 1,
- если нет, в строку i столбца I вводят 0;
2) вычисляет столбец J «чередующийся импульс >0», осуществляя произведение строки i на строку i двух предыдущих столбцов H·I, что позволяет получить значения цифровых данных сигнала АР, производного от предыдущего отфильтрованного сигнала L3. Как показано на фиг.8, из этого нового сигнала АР удалены его псевдочередующиеся импульсы AN;
3) на основании столбца J «чередующийся импульс >0» формирует первые столбцы К «сдвиг» и L «разность», равную J-K, подобно тому, как модуль 23 создал ранее столбцы С «1-й сдвиг» и D «1-е среднее значение», только в этом случае суммы или средние значения заменены на разности;
4) проверяет знак вышеуказанных разностей J-K строки i столбца L «разность» и вводит в строку i столбца М «разность >0?» 1, если разность является положительной, если нет - модуль вводит 0;
5) на основании столбца М «разность >0?» формирует вторые столбцы Р «сдвиг» и Q «разность» так же, как и вышеуказанные столбцы К «сдвиг» и L «разность», на основании столбца J «разность >0»;
6) наконец, формирует столбец S «разность пиков <0», вводя в его строки i 1, если в соответствующие строки столбца L «разность» введены -1, если нет - модуль вводит 0. Этот последний столбец S содержит цифровые данные бинарного сигнала, одновременного с сигналом АР, содержащие почти везде только 0, за исключением 1 или импульсов 9" напротив пиков 9 положительных чередующихся импульсов (фиг.8).
В конце детектирования пиков вычислительный блок 12 запускает модуль 27 для осуществления этапа 104 датирования.
Этот последний модуль использует последний столбец S «разность пиков <0», созданный во время этапа 103, и столбец А «индекс i» таблицы запоминающего устройства 22 для формирования таблицы запоминающего устройства 14 (фиг.9), будет пояснена ниже.
Во время этапа 104 модуль 27 вычисляет и заполняет последовательно столбцы U, W, X, Y, Z таблицы запоминающего устройства 14.
В первый столбец U вводятся индексы l, k, j,…, соответствующие не нулевым строкам столбца S.
После этого модуль 27:
1) вычисляет произведение индекса l, j или k на время Те дискретизации и вводит его во второй столбец W напротив соответствующего индекса;
2) сдвигает на одну строку этот второй столбец W и вводит его в третий столбец Х;
3) вычисляет разность W-X между этими двумя столбцами W и Х, чтобы получить в четвертом столбце Y временные интервалы ΔТ между пиками 9" при помощи способа сдвига и разности, примененного ранее;
4) по формуле R(t) = 60/(n· ΔТ) рассчитывает пятый столбец Z, который позволяет построить кривую R(t) изменения режима вращения в зависимости от времени t, показанную в верхней части фиг.11.
На фиг.11 показаны переходные шумы или изменения V режима вращения ротора 2.
Эти переходные шумы V могут быть отфильтрованы на выходе модуля 27 (путем вычисления средних значений, как было показано выше) опционным модулем 28 для устранения высокочастотных составляющих кривой R(t), которые не соответствуют физическим явлениям. Эти ВЧ-составляющие можно устранить путем фильтрования, в частности при помощи полосового фильтра, путем усреднения или при помощи других методов сглаживания.
После этого переходные шумы V могут быть проанализированы в режиме реального времени в схеме ЦОС 16, которая позволяет устранить псевдонепрерывную составляющую кривой режима R и характеризовать частоты F возмущения ротора 2 путем применения FFT (Fast Fourier Transform или быстрое преобразование Фурье) в последнем сформированном столбце.
c
c
В данном случае заранее известно значение частоты F возмущения, схема ЦОС 16 содержит цифровой полосовой фильтр 35, отрегулированный на F и на граничные частоты f1 и f2, показанные на фиг.10.
После фильтрования во время этапа 105 получают сигнал 40' детектирования частотного спектра, показывающий режим R ротора.
Во временной области сигнал 40' детектирования выглядит в виде 40 без псевдонепрерывной составляющей, показанной в нижней части на фиг.11.
Если во время этапа 106 тестирования, осуществляемого на выходе вышеуказанного полосового фильтра схемой ЦОС 16, сигнал 40 или 40' детектирования превышает заранее определенное пороговое значение SO по амплитуде, включается сигнал аварийной сигнализации.
В этом случае схема 16 может на этапе 107 мгновенно направить сообщение (30') о ненормальном появлении возмущения заранее определенной частоты (F) режима вращения ротора (2) через шину 30 в систему обеспечения безопасности (не показана).