ВИБРАЦИОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА

Предлагаемая система относится к области неразрушающего контроля и технической диагностики.
В процессе эксплуатации элементы конструкции любого объекта подвергаются старению и физическому износу. Мероприятия, имеющие целью предотвратить разрушение объекта (ограничение срока эксплуатации, соблюдение правил эксплуатации, профилактический ремонт и т.д.), не всегда приводят к положительному результату. Не говоря уже о том, что указанные мероприятия и правила не всегда соблюдаются. Так или иначе, но объекты иногда разрушаются во время эксплуатации. Последствия, порой, бывают катастрофическими.
В целях предупреждения аварийных ситуаций, на некоторых объектах создаются системы диагностики, отслеживающие возникновение опасных дефектов в процессе эксплуатации объекта.
Так в RU 2193771 С2 7 G 01 N 29/04 Ермаков Б.С. и др. "Способ диагностики и контроля качества материала трубопроводов" предлагается система контроля за состоянием эксплуатируемого газопровода высокого давления. Для чего газопровод разбивается на участки длиной 500-2000 м., на концах которых стационарно устанавливаются генераторы вибрационных колебаний и измерительная аппаратура, отслеживающая прохождение волны вибрационных колебаний по трубопроводу. По характеру колебаний в трубопроводе определяется возникновение дефектов в материале трубопровода, способных привести к аварийному разрушению, выбросу газа, взрывам, пожару. Поскольку газопровод имеет многокилометровую длину и, зачастую, располагается в труднодоступном районе, управление системой предлагается осуществлять по радиоканалу с самолета, совершающего дежурные облеты трассы газопровода.
Аналогично, в RU 94978 С2 7 G 01 N 29/04 Дегтев Н.И. и др. "Способ контроля технического состояния пролетных строений" предлагается система контроля за появлением дефектов в конструкции пролета моста. Система имеет несколько групп угловых акселерометров, установленных в контрольных точках. В каждой контрольной точке устанавливается три угловых акселерометра, измерительные оси которых лежат в трех взаимно-перпендикулярных плоскостях. Вибрации в пролете создаются посредством воздействия на него динамической нагрузкой. Блок управления, на основе анализа распространения вибраций в трех взаимно-перпендикулярных направлениях, определяет наличие или отсутствие дефектов, способных привести к разрушению конструкции пролета моста.
В целях создания более простых и дешевых систем, пригодных для контроля за состоянием, как крупных, дорогостоящих объектов, так и менее крупных, не столь дорогих, предлагается "Вибрационная система контроля состояния объекта".
Система, показанная на фиг.1, имеет два или более одинаковых датчика вибраций - 1, блок сравнения - 2, пороговый элемент, с регулируемой величиной порога, - 3 и компенсаторы - 4.
Датчики системы устанавливаются на поверхности элемента конструкции, в месте возможного разрушения, которое определяется предварительно, на основе знаний об особенностях конструкции объекта, на основе опыта разрушений аналогичных конструкций, на основе инженерных расчетов на прочность, на основе исследований, нахождения с помощью приборов мест наиболее опасных механических напряжений.
Датчики улавливают вибрационные колебания, возникающие в материале
элемента конструкции в результате или функционирования объекта или воздействия независимого источника вибраций на объект.
Сигналы от датчиков через компенсаторы поступают в блок сравнения, который сравнивает их между собой в любом порядке (например, поочередно с сигналом какого-то датчика, сигналы всех остальных датчиков, или с сигналом эталонного датчика, который можно установить в любом месте, в том числе и вне пределов возможного возникновения трещин, или иным путем).
Результат сравнения поступает на вход порогового элемента ПЭ, который выдает сигнал "0", если результат сравнения не превысил установленную пороговую величину, или - фиксированный сигнал "1", если разница (сигнал рассогласования) между сигналами любых из установленных датчиков, превысила пороговою величину.
В исходном состоянии, когда контролируемый элемент конструкции исправен, выполняется балансировка сигналов датчиков. С помощью компенсатора сигнал датчика умножается на свой поправочный "весовой" коэффициент, в результате чего сигналы датчиков выравниваются. Блок сравнения отмечает достигнутый баланс нулевым сигналом. На выходе ПЭ появляется "0", что квалифицируется, как "норма".
Балансировку можно проводить не только в начале функционирования системы контроля, но и периодически, в процессе эксплуатации объекта. Однако, в каждом случае - при исправном состоянии контролируемого элемента конструкции. Поскольку совокупность весовых коэффициентов фиксирует соотношение сигналов датчиков на момент выполнения балансировки.
В качестве компенсатора можно использовать, например, многооборотный потенциометр. Или использовать усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. Или то и другое вместе. Или любое иное средство. Процесс балансировки контролируется с помощью блока сравнения по его выходному сигналу.
После выполнения балансировки объект включается в эксплуатацию.
Если в процессе эксплуатации, в контролируемой датчиками зоне, появятся трещины - предвестники разрушения, они изменят условия распространения вибрационных волн в зоне установки датчиков. Трещины пролегают случайным образом и в разной степени влияют на датчики. Меняется соотношение сигналов от датчиков. В результате нарушается баланс между сигналами датчиков и резко возрастает сигнал рассогласования на выходе блока сравнения. Пороговый элемент ПЭ фиксирует превышение установленного порога сигналом "1" на своем выходе, предупреждающим о появлении трещин, что квалифицируется, как начало процесса разрушения контролируемого элемента конструкции.
В случаях, когда объект сам является источником вибрационных колебаний, вибрации, создаваемые объектом, могут содержать колебания очень широкого диапазона. От низких до высоких частот. Появление трещин в зоне установки датчиков может проявиться, в виде существенных изменений колебаний, не на всех частотах. Избавиться от влияния неинформативных частот, которые создают ненужные помехи, можно с помощью фильтров - 5, (см. фиг.3). Фильтрами можно выделить информативные частоты и далее использовать только эти составляющие сигналов датчиков для последующих этапов обработки, таких, как балансировка, сравнение, сопоставление результатов сравнения с пороговой величиной. Определить информативные частоты можно экспериментальным путем или, если это возможно, на основе результатов, уже полученных кем-то ранее.
Возможен так же вариант системы, показанный на фиг.4. В этом варианте сигналы с вибрационных датчиков - 1 поступают на аналого-цифровые преобразователи - 6, которые преобразуют их из аналоговой в цифровую форму представления и далее подают в микроконтроллер - 7. Микроконтроллер решает все остальные задачи
системы. Если необходимо, выделяет информативные частоты, выполняет балансировку сигналов датчиков, сравнивает сигналы, результат сравнения сопоставляет с пороговой величиной, на выходе выдает сигнал "0", если результат сравнения сигналов не превысил пороговое значение или фиксированный сигнал "1", если результат превысил порог. Как и в предыдущих вариантах, сигнал "1" свидетельствует о появлении трещин и начале процесса разрушения.
Все варианты системы могут иметь в своем составе независимый генератор вибрационных колебаний любого вида, который может быть установлен на объекте в любом месте.
Использование того или иного варианта системы зависит от конкретного объекта и требований к системе (по стоимости, размерам блоков, условиям эксплуатации, надежности, качеству и т.д.)
Весьма заманчивым является вариант с цифровой обработкой информации. Поскольку дискретные компоненты совершенствуются и развиваются наиболее активно. В результате чего снижается их стоимость, растут возможности, улучшается качество.
Не исключено, что аналоговые варианты системы подойдут для простых ситуаций, когда не требуется устанавливать много датчиков и контролировать сразу несколько мест на объекте. Если, например, можно обойтись установкой двух датчиков в контролируемом месте, блок сравнения может быть реализован на одном операционном усилителе. На инвертирующий вход подается сигнал одного датчика, на прямой вход - сигнал другого. На выходе получим сигнал, пропорциональный разности входных сигналов. Для группы более двух датчиков, сложность аналогового блока сравнения значительно возрастает. Варианты исполнения могут быть разные. Например, с поочередным подключением датчиков на вход операционного усилителя. Но в этом случае надо иметь управляемый переключатель и управление для него. Возможен вариант с использованием группы операционных усилителей. С использованием сумматоров. А так же иные варианты.
Пороговый элемент ПЭ может быть так же реализован различным образом. Существует множество вариантов. В нашем случае можно, например, использовать компаратор, на один вход которого подать через диодный мостик сигнал с выхода блока сравнения, а на другой - пороговую величину с потенциометра, запитанного от источника питания. Фиксировать появление сигнала "1" с помощью триггера на выходе. Возможны иные решения.
Для сложного случая, с значительным количеством датчиков и контролируемых мест на объекте, вероятно, имеет смысл использовать цифровой вариант системы, организованный по типу распределенной системы сбора и обработки информации.
В заключение отметим, что, с помощью представленных вариантов системы, при соответствующей настройке ее компонентов и размещении датчиков на объекте, можно попытаться решать более широкие задачи обнаружения дефектов и контроля за состоянием объекта. Как для отдельных элементов конструкции, так и для объекта в целом.
Перечень фигур.
Фиг.1 - базовый вариант системы, включающий вибрационные датчики - 1, блок сравнения - 2, пороговый элемент - 3, компенсаторы - 4.
Фиг.2 - вариант системы с фильтрами - 5, предназначенными для выделения информативных частот сигналов датчиков.
Фиг.3 - вариант системы с преобразованием сигналов датчиков из аналоговой в цифровую форму представления, при помощи аналого-цифровых преобразователей - 6, и последующей обработкой информации на микроконтроллере - 7.