Патент на изобретение №2273830

(54) СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТЕЛА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам бесконтактного измерения асинхронных колебаний вращающихся тел, таких, например, как лопатки турбин. Способ заключается в том, что используют датчики, размещенные вокруг вращающегося тела, перед которыми проходят упомянутые части, каждый из которых измеряет колебания, создаваемые одной и той же частью вращающегося тела, преобразуют результаты измерений датчиков в спектры частот. При этом датчики распределяют в разном количестве в нескольких цепях, в частности количество датчиков в цепях определяется взаимно простыми числами. Получают спектр для каждой из цепей, сравнивают спектры цепей, выбирают спектральные линии, которые являются общими для всех спектров и принимают частоты выбранных линий в качестве частот колебаний. При этом сравнивают количество линий, которые являются общими для всех спектров, вплоть до частоты, равной [ppcm (Ni)]·Fr/2, где Fr – частота вращения вращающегося тела, a ppcm (Ni) – наименьшее общее кратное количества Ni датчиков всех цепей, с количеством линий, присутствующих в каждой из цепей вплоть до частоты, соответственно равной Ni·Fr/2. Технический результат – расширение полосы однозначного определения частот, посредством новой компоновки датчиков и соответствующей обработки выдаваемых ими результатов, уменьшение количества датчиков. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Задачей изобретения является измерение асинхронных колебаний вращающихся тел, таких как лопатки турбин, посредством датчиков, размещенных на окружающем корпусе или в другом фиксированном положении. Эти измерения проводят выборочно, поскольку датчики могут осуществлять измерения только при прохождении вращающихся тел перед ними, такие измерения называются неинтрузивными, так как они проводятся на некотором расстоянии, без контакта материала датчика с объектом измерений. Используемые датчики могут быть оптическими, индуктивными или емкостными. Использование неподвижных датчиков проще, чем прикрепление датчиков деформации к вращающимся телам для непосредственного измерения искажения их форм, что могло бы повлечь за собой использование сложных и дорогих вращающихся передающих средств или телеметрических средств. Неподвижные датчики также способны обеспечить лучшие данные, чем эквивалентные вращающиеся средства, которые подвергаются воздействию сложных, а значит – и создающих шум, условий.

Вместе с тем, использование неподвижных датчиков имеет недостаток, заключающийся в том, что измерять амплитуду колебаний можно только тогда, когда вращающееся тело проходит мимо датчика, что ограничивает измерения собственных частот. В самом деле, чтобы получить оценку без неоднозначности, измерение параметров некоторого периодического колебательною явления приходится проводить, по меньшей мере, дважды по его наивысшему периоду, что ограничивает правильные измерения полосой частот колебаний; колебания более высоких частот измеряются только с наложением спектров, которое вызывает появление излишних частот, не являющихся физически существующими, в результатах измерений.

Поэтому задача изобретения состоит в расширении полосы однозначно определяемых частот, чтобы уменьшить количество составляющих собственных частот, подверженных наложению спектров. Этого можно достичь, уменьшая промежутки времени между измерениями либо путем ускорения вращения вращающегося тела, либо путем увеличения количества датчиков, предназначенных для измерения и размещенных на одной и той же окружности таким образом, что колеблющееся тело последовательно проходит перед ними. Первое решение не всегда осуществимо на практике, а второе имеет ограничения из-за количества устанавливаемых датчиков. Вот почему предлагается усовершенствование принципа неинтрузивных измерений колебаний вращающихся тел, позволяющее отличить действительные частоты колебаний вращающихся тел от фиктивных частот, получаемых путем наложения спектров составляющих собственных частот, которые находятся выше предела однозначного обнаружения, и удалить эти фиктивные частоты из результатов измерений. Достоинством этого усовершенствования является уменьшение количества датчиков.

При усовершенствовании, предлагаемом в качестве этого изобретения, датчики размещают в разном количестве в нескольких цепях, получают спектр измеряемых частот для каждой из цепей, проводят сравнение спектров цепей, выбирают спектральные линии и принимают частоты выбранных линий в качестве искомых частот колебаний. Эта совокупность новой компоновки детекторов и соответствующей обработки выдаваемых ими результатов даст возможность заметно увеличить верхний предел полосы однозначного определения частот без необходимости весьма существенного увеличения количества датчиков.

Обработка результатов может содержать несколько стадий в соответствии с реальной ситуацией, к которой она относится.

Эти основные аспекты изобретения, а также другие, прояснятся с помощью нижеследующего подробного описания и чертежей, на которых:

фиг.1 изображает вариант осуществления изобретения,

фиг.2 и 3 – группы спектров частот, используемых для определения собственных частот колеблющейся системы.

На фиг.1 изображен круглый корпус в поперечном разрезе, на нем закреплены восемь датчиков, обозначенных позициями С1-С8, которые регистрируют колебания лопаток 2, установленных па роторе 3, вращающемся в корпусе 1. Датчики С1-С8 распределены по трем цепям А, В и С, одна из которых включает в себя диаметрально противоположные датчики С1 и С3, другая – датчики С1, С2 и С4, каждый из которых отстоит от соседних на 120°, а третья – датчики С1, С5, С6, С7 и С8, каждый из которых отстоит от соседних на 72°.

Количество датчиков в цепях согласно изобретению определяется взаимно простыми числами, а цепи преимущественно включают в себя общий датчик; количество цепей не оговаривается, и чем оно больше, тем лучше будут результаты. В самом деле, можно показать, что если верхний предел F_x полосы однозначного обнаружения частот лопаток 2 равен (Fr·N)/2 при наличии всего одной цепи датчиков, где Fr – частота вращения ротора 3, а N – общее количество датчиков цепи, то этот предел в данном случае, если количество датчиков в цепях определяется взаимно простыми числами, равен Fr·(ПNi)/2, где П обозначает операцию произведения, a Ni – количество датчиков в каждой из цепей А, В и С. В данном случае F_х=15Fr, а не 4Fr, как в случае, если бы восемь датчиков С1-С8 принадлежали единственной цепи; если бы использовались 10 датчиков в трех цепях, содержащих три, четыре и пять датчиков, то мы бы имели F_х=30Fr, а не 5Fr, как в случае, если бы десять датчиков принадлежали общей цепи. Следовательно, увеличение полосы однозначных частот является существенным, поскольку зависит от количества датчиков и цепей.

На фиг.1 показано, что выходные линии L1-L8 датчиков С1-С8 объединены для каждой из цепей А, В и С в группы, ведущие к измерительным устройствам 4, которые оценивают в соответствии со скоростью Fr вращения ротора 3 – моменты времени, когда каждый из датчиков С1-С8 измеряет колебания, создаваемые одной и той же лопаткой 2. Тогда спектральные анализаторы 5 могут выдавать – для каждой из лопаток 2 и каждой из цепей датчиков – спектр частот, оцениваемых с использованием преобразования Фурье или эквивалентного способа. И наконец, обрабатывающее устройство 6 используется для выделения частот колебаний лопаток 2 путем изучения спектров цепей А, В и С. Это устройство является важным элементом изобретения, и поэтому оно будет описано подробно.

Устройство включает в себя четыре обрабатывающих блока 7, 8, 9 и 10, которые выполняют некоторые операции сравнения на спектрах. Эти операции будут пояснены прежде всего посредством фиг.2, причем предполагается, что собственные частоты лопатки 2 составляют 1,10 Гц, 1,55 Гц, 3,78 Гц, 4,63 Гц и 9,15 Гц и имеют одну и ту же амплитуду. Верхний график на фиг.2 отображает спектр SO, который должен быть получен (при отсутствии наложения спектров частот), а следующие графики отображают спектры S2, S3 и S5, которые получаются с помощью трех цепей А, В и С, содержащих 2, 3 и 5 датчиков.

Первый блок 7 выполняет операцию пересечения спектров S2, S3 и S5, иными словами, он показывает линии, которые являются общими для них. Фактически, здесь есть всего пять линий собственных частот, так что зачастую может быть достаточно первого блока 7 для того, чтобы он сам выполнил требуемую обработку, но в некоторых случаях требуется более сложная обработка.

В общем случае, спектры содержат линии наложения частот f=±f_a·k·N·Fr (формула 1), где f_a – собственная частота, подлежащая обнаружению, k – положительное или отрицательное целое число, N – количество датчиков в цепи, a Fr – как и прежде, частота вращения ротора 3. Второй блок 8 подсчитывает количество линий, полученных в спектре пересечения в полосе, ограниченной частотой [ppcm (Ni)]·Fr/2 (формула 2), где ppcm (Ni) – наименьшее общее кратное количества датчиков в цепях А, В и С, иными словами, здесь получится (2х3х5)/2=15 Гц, если Fr=1 Гц. Если это количество линий, общих для всех спектров, отличается от количества линий, присутствующих в полосе однозначного обнаружения, по меньшей мере, одной из цепей А, В и С, ограниченной частотой F_x, вычисленной, как показано выше, и равной в данном случае 1 Гц, 1,5 Гц и 2,5 Гц, соответственно, то второй блок 8 вычисляет подмножества частот спектра пересечения, которые могут привести к появлению линий во всех оцениваемых спектрах; другие частоты спектра пересечения, определенные первым блоком 7, можно считать нежелательными и удалять.

На фиг.3 приведен пример, в котором спектры S01, S21, S31 и S51 имеют то же значение, что и спектры S0, S1, S2 и S5, рассмотренные прежде, но при этом собственные частоты, подлежащие обнаружению, составляют 1,3 и 5,3 Гц. Тогда пересечение спектров S21, S31 и S51 состоит из частот в точках 1,3 Гц, 4,7 Гц, 5,3 Гц и 11,3 Гц в то время, как спектр S21 включает в себя только одну линию (в точке 0,7 Гц) в зоне однозначного обнаружения. Тогда второй блок 8 вычисляет – для каждой из этих четырех частот спектра пересечения – частоты, которые должны появляться в спектрах S21, S31 и S51, применяя вышеупомянутую формулу 1, а потом определяет, какие частоты пересечения приводят к появлению всех действительно полученных линий спектров S21, S31 и S51. Здесь обнаруживается, что две пары частот в точках 1,3 Гц и 5,3 Гц, а также 4,7 Гц и 11,3 Гц удовлетворяют этому требованию. Тогда данные, поступающее из другого одного источника, оказываются достаточными для того, чтобы подтвердить одну из этих частот или удалить ее, а также для того, чтобы выбрать правильную группу частот колебаний.

В случае, показанном на фиг.2, где каждый из спектров S2, S3 и S5 включает в себя пять линий в полосе однозначного обнаружения – столько же, сколько линий в полосе, ограниченной формулой (2) в спектре пересечения SO, второму блоку 8 не приходится выполнять работу, пояснение которой приведено выше.

Два остальных блока 9 и 10 можно использовать для проведения измерений при изменяемой скорости вращения ротора 3. Третий блок 9 используется для того, чтобы для каждой цепи датчиков – А, В и С – выделить и исключить линии, изменение частоты которых несовместимо с изменениями скорости двигателя; оставшиеся линии отображают действительные частоты колебаний лопаток 2, поскольку они соответствуют случаю k=0 в формуле 1. Следовательно, третий блок 9 удаляет эти линии, связанные со слишком быстро изменяющимися частотами, после того как несколько спектров были проверены на изменение скоростей вращения.

Четвертый блок используют в тех случаях, когда собственные частоты имеют смещение, кратное частоте вращения Fr, и поэтому могут вызывать внезапное появление дополнительных линий, общих для всех оцениваемых спектров; но эти общие линии исчезают, как только изменяется частота вращения, их легко обнаружить, и четвертый блок с целью их идентификации определяет, имеют ли несколько последовательных спектров одно и то же количество линий, и удаляет лишние линии, которые не имеют “двойников” в других спектрах той же цепи.

Следовательно, способ в его наилучшем варианте осуществления предусматривает предварительное использование первого блока 7, который выдает частоты пересечения оцениваемых спектров, а затем второй блок 8 определяет, все ли частоты пересечения действительно являются собственными частотами, путем применения вышеуказанного критерия, и, если результат (определения) оказывается отрицательным, этот блок определяет возможные решения; если проводят измерения при изменяющейся скорости вращения, то используют третий блок 9, отдельно или после первого блока 7, а четвертый блок 10 – после первого блока 7.

Формула изобретения

1. Способ измерения частот колебаний частей вращающегося тела, заключающийся в том, что используют датчики, размещенные вокруг вращающегося тела, перед которыми проходят упомянутые части, каждый из которых измеряет колебания, создаваемые одной и той же частью вращающегося тела, преобразуют результаты измерений датчиков в спектры частот, при этом датчики распределяют в разном количестве в нескольких цепях, в частности количество датчиков в цепях определяется взаимно простыми числами, получают спектр для каждой из цепей, сравнивают спектры цепей, выбирают спектральные линии, которые являются общими для всех спектров, и принимают частоты выбранных линий в качестве частот колебаний, при этом сравнивают количество линий, которые являются общими для всех спектров, вплоть до частоты, равной [ppcm (Ni)]·Fr/2, где Fr – частота вращения вращающегося тела, a ppcm (Ni) – наименьшее общее кратное количества Ni датчиков всех цепей, с количеством линий, присутствующих в каждой из цепей, вплоть до частоты, соответственно равной Ni·Fr/2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает поиск групп общих частот, которые приводят к появлению линий, присутствующих в каждом из спектров, если множество линий, которые являются общими для всех спектров вплоть до частоты, равной [ppcm (Ni)]·Fr/2, не совпадает с множеством линий, по меньшей мере, одной из цепей вплоть до частоты, соответственно равной Ni·Fr/2.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что он включает в себя (9) изменение скорости вращения вращающегося тела и выбор линий путем удаления линий частоты, изменение которой несовместимо с изменениями скорости вращения вращающегося тела.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он включает изменение скорости вращения вращающегося тела и исключение линий, которые появляются только при смещении собственной частоты, кратной частоте вращения Fr вращающегося тела.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что цепи датчиков содержат общий датчик (С1).

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 13.04.2006

Извещение опубликовано: 20.12.2007 БИ: 35/2007