Патент на изобретение №2315968

(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ИМПУЛЬСНОГО ТИПА НА КОМПОНЕНТ УСТАНОВКИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способу и устройству для обнаружения механических воздействий импульсного типа на компонент установки. Сущность: существующий в компоненте установки шум промышленных помех непрерывно определяется датчиком, размещенным на компоненте установки, и преобразуется им в измеренный сигнал. Измеренный сигнал подвергается преобразованию Фурье. Из множества определенных таким способом спектров абсолютных величин формируется функция оценки, которая указывает на появление импульсного механического воздействия на компонент установки. Устройство включает датчик, размещенный на компоненте установки, подключенный к датчику аналого-цифровой преобразователь для преобразования в цифровую форму измеренных сигналов с датчика и подачи измеренных сигналов на вычислитель для осуществления вычислительных этапов. Технический результат: усовершенствование способа и устройства. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для обнаружения механических воздействий импульсного типа на компонент установки.

Во многих случаях на практике требуется постоянно контролировать надлежащий рабочий режим компонента установки, например, трубопровода в установке химического производства или проточной установке, чтобы своевременно распознавать помехи и предотвращать серьезные последствия. Для реализации такого контроля из уровня техники известно множество способов.

В ЕР 0756466 В1, например, предложено осуществлять контроль колебаний лопаток турбин с помощью микроволнового излучения, которое направляется на лопатки турбины. Из модуляции отраженного от лопаток турбины микроволнового излучения можно сделать вывод о колебательном состоянии турбины.

В способе, известном из DE 19857552 А1, поломка вала турбины определяется на основе измерения частот вращения на концах вала.

В DE 19843615 С2 предложено диагностику состояния двигателя внутреннего сгорания осуществлять с помощью анализа спектра частот измеренных сигналов, которые формируются с помощью звукового датчика, размещенного в зоне подвода воздуха или в зоне выпуска отработанного газа.

В DE 19727114 C2 для контроля установки вместо звука, передаваемого путем воздушного проведения, определяются возникающие в ее корпусе звуковые сигналы. И в этом известном способе анализируются частотные спектры, полученные из измеренных сигналов датчика звуковых колебаний в корпусе.

В способе, раскрытом в DE 19545008 С2, в процессе работы установки анализируется частотный спектр измеренного сигнала, полученного датчиком контроля, например датчиком ускорения, и сравнивается с эталонным частотным спектром.

Чтобы иметь возможность обнаруживать проникновение инородных тел в газовую турбину, согласно US 4888948 на входе турбины размещается датчик, с помощью которого определяется индуцированный инородными телами электрический заряд.

Особую проблему представляют вовлеченные в поток и попадающие на компоненты установки свободные (несвязанные) тела, которые обуславливают импульсное, кратковременное воздействие и надежное обнаружение которых соответственно является проблематичным.

Подобные проблемы могут возникать, например, в газовых турбинах, камера сгорания которых для защиты от перегрева облицована керамическими кафельными плитками. Эти керамические кафельные плитки находятся под высоким динамическим напряжением вследствие возникающих в камере сгорания колебаний смены давления. При этом куски кафельных плиток могут выламываться из соответствующих креплений, уноситься потоком отработанного газа и соударяться с первым рядом направляющих лопаток газовой турбины. Это может привести к повреждению покрытия направляющих лопаток и к разрушению расположенных под ним направляющих лопаток. Кроме того, существует опасность того, что вследствие выламывания кусков уже поврежденная кафельная плитка полностью высвободится из креплений и может привести к обширному повреждению газовой турбины. В этом случае появление маленького несвязанного куска или отдельной плитки сигнализирует о предстоящем полном отрыве плитки или нескольких плиток, так что своевременное отключение газовой турбины и своевременная замена поврежденных кафельных плиток предотвратит серьезный ущерб.

Для контроля подобных соударений с компонентами установок из WO 01/75272 А2 в принципе известно, что с помощью соответствующих датчиков можно обнаруживать соударение за счет возникающего при этом звука в теле конструкции. Однако при этом, особенно в газовых турбинах, возникает проблема, состоящая в том, что нормальные производственные шумы (в процессе работы) настолько высоки, что даже сформированная в датчике вследствие соударения целой кафельной плитки с направляющей лопаткой газовой турбины сигнальная составляющая меньше, чем фон, обусловленный нормальными шумами в процессе работы, так что, в частности, появление тел меньшего размера за счет контроля только амплитуды звукового сигнала в корпусе конструкции не возможно обнаружить. Поэтому для улучшения отношения сигнал/шум в указанном документе предложено подвергать полученный с датчика измеренный сигнал полосовой или высокочастотной фильтрации, чтобы таким образом исключить звуковые сигналы в корпусе конструкции, обусловленные обычным режимом работы турбины.

Таким образом, в основе изобретения лежит задача создать способ обнаружения импульсного механического воздействия на компонент установки, усовершенствованный по сравнению со способами, известными из предшествующего уровня техники. Кроме того, в основе изобретения лежит задача создания устройства для осуществления данного способа.

Первая указанная задача в соответствии с изобретением решается способом с признаками пункта 1 формулы изобретения. В способе для обнаружения импульсного механического воздействия на компонент установки существующий в компоненте установки шум промышленных помех непрерывно определяется датчиком, размещенным на компоненте установки, и преобразуется им в электрический сигнал. В соответствии с изобретением предусмотрены следующие этапы:

а) в следующие во времени друг за другом, предпочтительно перекрывающиеся временные интервалы при заданных частотах определяется абсолютная величина частотного спектра измеренного сигнала,

b) для каждого временного интервала и для каждой из заданных частот определяется отклонение абсолютной величины от среднего значения абсолютной величины,

с) из отклонений, определенных для каждой из заданных частот, для каждого временного интервала выводится функция оценки (весовая функция),

d) весовая функция сравнивается с пороговым значением и превышение порогового значения принимается в качестве указания на наличие импульсной сигнальной составляющей, свидетельствующей о механическом воздействии.

Изобретение основывается на идее, что возникновение переходных явлений (импульсного звука в корпусе конструкции, сформированного за счет столкновения) в частотном спектре непосредственно воспринятого датчиком измеренного сигнала различить легче, чем в собственно измеренном сигнале. Так как, кроме того, текущий частотный спектр сравнивается с определенным частотным спектром для множества частот, статистические выбросы в значительной степени подавляются, и чувствительность способа соответственно повышается.

Таким способом обеспечивается возможность надежного обнаружения даже мелких обломков, так что, например, в случае контроля газовой турбины большой ущерб может быть предотвращен благодаря тому, что начало полного отрыва кафельных плиток, о котором сигнализирует начальное выламывание мелких обломков, распознается, и поврежденные кафельные плитки могут быть заменены еще перед тем, как они полностью выломаются и смогут привести к серьезным последствиям для газовой турбины.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения среднее значение абсолютной величины для каждой из заданных частот определяется из абсолютных величин, полученных на различных временных интервалах, посредством скользящего во времени формирования среднего значения. Тем самым обеспечивается согласование используемого для сравнения частотного спектра с медленно меняющейся во времени производственной ситуацией, например, в случае появления гудения газовой турбины.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения для каждой из заданных частот для множества следующих друг за другом временных интервалов определяется стандартное отклонение абсолютной величины от среднего значения абсолютной величины, и с помощью него определяется нормированное отклонение абсолютной величины от среднего значения абсолютной величины. Из этого отклонения затем для каждого временного интервала определяется текущее значение параметра путем формирования суммы квадратичных значений каждого нормированного отклонения по каждой из заданных частот, которая служит в качестве функции оценки (весовой функции).

В частности, по нескольким временным интервалам формируется скользящее среднее значение параметра, и весовая функция определяется из разности между средним значением параметра и текущим значением параметра. Тем самым заметно повышается чувствительность способа, то есть отношение полезного сигнала к фону.

Вторая из указанных задач в соответствии с изобретением решается устройством с признаками пункта 6 формулы изобретения, преимущества которого, а также преимущества, обеспечиваемые вариантами согласно зависимым пунктам формулы изобретения, логически вытекают из соответствующих преимуществ, обеспечиваемых согласно пунктам формулы изобретения, относящимся к способу.

Изобретение поясняется ниже со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

Фиг.1 – схематичное представление примера выполнения устройства согласно изобретению,

Фиг.2 – диаграмма, иллюстрирующая промышленную помеху, определенную датчиком в отсутствие постороннего воздействия, в зависимости от времени,

Фиг.3 – диаграмма, иллюстрирующая измеренный датчиком сигнал, обусловленный импульсным механическим воздействием при неработающей турбине, также в зависимости от времени,

Фиг.4 – диаграмма, иллюстрирующая суперпозицию измеренных сигналов по фиг.3 нормального шума промышленных помех согласно фиг.2 в зависимости от времени,

Фиг.5 – спектр нормального шума промышленных помех газовой турбины;

Фиг.6 – временные изменения спектра на трехмерной диаграмме;

Фиг.7 – упрощенная диаграмма, на которой измеренный сигнал изображен с более высоким разрешением по времени,

Фиг.8 – диаграмма, на которой полученная из измеренного сигнала путем быстрого преобразования Фурье величина частотного спектра на заданной частоте представлена в зависимости от времени,

Фиг.9 – диаграмма, на которой скользящее по времени среднее значение абсолютных величин спектра на заданной частоте представлено в зависимости от времени,

Фиг.10 – изменение во времени весовой функции, полученной путем анализа сигнала согласно изобретению.

Согласно фиг.1 на компоненте 2 установки, например газовой турбине, размещено множество датчиков 4, в частности пьезоэлектрических датчиков ускорения, которые непрерывно измеряют шум промышленных помех, существующий в компоненте 2 установки и проявляющийся в форме звука, распространяющегося в корпусе. Датчики 4 преобразуют сигналы звука, распространяющегося в корпусе, в электрический измеренный сигнал, который усиливается в усилителе 6 и далее подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, который подключен к цифровому ЗУ 10. Соответствующий имеющийся усиленный измеренный сигнал М преобразуется в цифровую форму, сохраняется промежуточным образом и подается затем для дальнейшей обработки в вычислитель 12, в котором реализован соответствующий изобретению алгоритм оценки.

Вычислитель 12 содержит для каждого канала процессор для реализации процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ) полученных от АЦП 8 данных, а также кольцевое ЗУ для запоминания числа N спектров, полученных посредством преобразования Фурье. Из определенных в вычислителе дискретных продуктов преобразования Фурье для каждого канала в соответствии с реализованным в вычислителе 12 и поясненном более подробно ниже алгоритмом определяется весовая функция K(t), зависящая от времени, которая в устройстве 14 сравнения сравнивается с заданным пороговым значением K₀. Превышение порогового значения К₀ служит указанием наличия импульсной сигнальной составляющей, обусловленной переходным механическим воздействием, и генерирует соответствующий сигнал запуска S. Сигнал запуска S подается на регистратор 16 переходных процессов, в котором определенные вычислителем 12 данные записываются для временного окна и подаются на вычислитель 18 оценки, чтобы иметь возможность с его помощью осуществить последующий анализ.

На фиг.2 представлен полученный от датчика 4 усиленный измеренный сигнал (сигнал фона М₀) для интервала времени примерно 6,5 с. Из данного представления можно видеть, что нормальный шум промышленной помехи достигает амплитуды сигнала от 50 до 100 g.

На фиг.3 представлен в зависимости от времени измеренный сигнал (полезный сигнал М₁), возникающий при соударении облицовочной плитки с направляющей лопаткой газовой турбины при неподвижном роторе, то есть в отсутствие обычно имеющегося шума промышленных помех. Из диаграммы можно видеть, что амплитуда этого полезного сигнала М₁ заметно ниже, чем амплитуда фонового сигнала М₀ согласно фиг.2.

На фиг.4 показан измеренный сигнал М₁ при наложении фонового сигнала М₀ и полезного сигнала М₁. Из этой диаграммы видно, что контроль амплитуды измеренного сигнала М недостаточен для надежного обнаружения факта соударения.

На фиг.5 представлен типовой частотный спектр А(f) проявляющихся в газовой турбине шумов промышленных помех. Из диаграммы можно видеть, что в частотном спектре А(f) наряду с основным шумом проявляются значительные спектральные линии (TLA1-f₁,…), которые соответствуют зависящим от числа оборотов основным частотам f₁ направляющих лопаток или их кратным гармоникам f_2,3.

Из трехмерной диаграммы согласно фиг.6 можно видеть, что частотный спектр А(f) со своей стороны подвержен колебаниям и изменяется во времени. Иными словами, не только амплитуда шумов промышленной помехи от газовой турбины, но и их конкретный состав претерпевает временные колебания, которые затрудняют обнаружение частотных составляющих полезного сигнала.

На фиг.7 с помощью отображающего предложенный принцип графического представления поясняется первый этап реализуемого вычислителем 12 способа. Оцифрованный с высокой тактовой частотой измеренный сигнал М (на чертеже для наглядности представлен в аналоговом виде) накапливается на временном интервале t, и накопленный таким образом отрезок подвергается дискретному преобразованию Фурье. Спустя временной интервал t этот отрезок актуализируется, и на перекрывающемся временном интервале t той же длины вновь осуществляется преобразование Фурье. В типовом случае t=50 мс, а t=6 мс.

На фиг.8 представлено изменение во времени абсолютной величины А при заданной частоте f_i. Из чертежа можно видеть, что абсолютная величина А(t_i) при заданной частоте F_i изменяется во времени. Нанесенный на фиг.8 временной интервал t является временным отрезком, в котором актуализируется быстрое преобразование Фурье. Согласно изобретению затем для множества N заданных частот F_i или частотных диапазонов на следующих друг за другом временных отрезках t для перекрывающихся во времени временных интервалов t определяется соответствующая абсолютная величина А(t,f_i) при t=t₀₊kt, причем k – натуральное число.

Полученная таким способом текущая абсолютная величина А(t,f_i) согласно фиг.9 вычитается из сформированного для этой частоты f_i среднего значения абсолютной величины . Среднее значение абсолютной величины может представлять собой постоянное во времени жестко заданное среднее значение, как показано на чертеже пунктиром. Однако особенно предпочтительно в качестве среднего значения вычислить скользящее во времени среднее значение, которое вычисляется из множества n предшествующих абсолютных величин. Тем самым можно скомпенсировать медленые изменения шума промышленной помехи от газовой турбины, например, возникшее гудение.

Вычисленное таким путем разностное значение

затем делится на стандартное отклонение

где является нормированным отклонением абсолютной величины А от среднего значения .

Для определения стандартного отклонения s(f_i) оцениваются абсолютные величины А для n заданных спектров. Иными словами, стандартное отклонение s(f_i) постоянно актуализируется с помощью n предшествующих измерений. В качестве альтернативы стандартное отклонение s(f_i) для каждой частоты F_i определяется один раз в одной «калибровке» и сохраняется в качестве константы, специфической для частоты.

В предпочтительном варианте осуществления нормированное отклонение определяется дополнительно в частотном диапазоне f_i-L, f_i-L+1,…, f_i+L, окружающем частоту f_i, состоящем из 2L+1 частот, и определяется среднее нормированное отклонение согласно уравнению:

Этот дополнительный вычислительный этап приводит к снижению высоты и ширины колебаний нормированного отклонения в областях, где имеются только фоновые сигналы. Составляющие полезного сигнала за счет усреднения в диапазоне частот заметно не изменяются, так как они всегда возникают концентрированно на смежных спектральных линиях. За счет этой меры отношение сигнал/фон дополнительно улучшается на величину от 10 до 15 дБ.

Определенное таким образом нормированное отклонение или возводится в квадрат и суммируется по всем дискретным частотам f_i:

или

Из этой суммы S(t) выводится теперь параметрическое значение К(t) путем взятия корня:

Это выражение является весовой функцией для появления соударения. Альтернативой этому в качестве весовой функции может быть образована разность между параметрическим значением К(t)и скользящим по времени средним значением этого параметрического значения K(t):

которая будет служить в качестве характеристического показателя появления соударения.

Весовая функция К(t), полученная таким способом с помощью усредненного нормированного отклонения (уравнение (b)), представлена на фиг.10 в зависимости от времени t. Ввиду большой временной шкалы (t<<1 с) на показанном изображении получается непрерывное изменение. На чертеже можно видеть, что весовая функция при t=4,2 c имеет значительный максимум, так что появление импульсного события может быть распознано с высокой надежностью. Соответствующее пороговое значение К₀ может устанавливаться незначительно выше уровня шумов. Обеспечиваемое соответствующим изобретению способом отношение полезного сигнала к шуму составляет в показанном примере 25-30 дБ.

Перечень ссылочных позиций

2 компонент установки

4 датчик

6 предварительный усилитель

8 мультиплексор

10 АЦП

12 вычислитель

14 сравнивающее устройство

16 регистратор переходных процессов

18 вычислитель оценки

М измеренный сигнал

М₀ фоновый сигнал

М₁ полезный сигнал

К параметрическое значение

t временной отрезок

t временной шаг

f_i частота

среднее значение абсолютной величины

Формула изобретения

1. Способ обнаружения импульсного механического воздействия на компонент (2) установки, при котором существующий в компоненте (2) установки шум промышленных помех непрерывно определяется датчиком (4), размещенным на компоненте (2) установки, и преобразуется им в измеренный сигнал М, отличающийся тем, что в нем предусмотрены следующие этапы:

а) в следующих во времени друг за другом временных интервалах (t) при заданных частотах (f_i) определяют абсолютную величину А частотного спектра измеренного сигнала,

b) для каждого временного интервала (t) и для каждой из заданных частот (f_i) определяют отклонение абсолютной величины А от среднего значения абсолютной величины,

c) из отклонений, определенных для каждой из заданных частот (f_i), для каждого временного интервала выводят единственную, общую для всех частот (f_i) функцию оценки (К), причем каждое отклонение вносит вклад в функцию оценки (К),

d) сравнивают функцию оценки (К) с пороговым значением (К₀) и превышение порогового значения (К₀) принимают в качестве указания на наличие импульсной сигнальной составляющей (полезного сигнала M₁), свидетельствующей о механическом воздействии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что следующие друг за другом временные интервалы (t) перекрываются.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что среднее значение абсолютной величины определяют для каждой из заданных частот из определенных для различных временных интервалов (t) абсолютных величин (А) путем формирования скользящего во времени среднего значения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что e) для каждой из заданных частот (f_i) для множества следующих друг за другом временных интервалов (t) определяют стандартное отклонение абсолютных величин от среднего значения абсолютной величины и с помощью него определяют нормированное отклонение абсолютных величин от среднего значения абсолютной

величины, и f) из этого отклонения затем для каждого временного интервала (t) определяют текущее параметрическое значение путем формирования суммы квадратичных значений каждого нормированного отклонения по каждой из заданных частот, из которого

g) выводят функцию оценки (К).

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что e) для каждой из заданных частот (f_i) для множества следующих друг за другом временных интервалов (t) определяют стандартное отклонение абсолютных величин от среднего значения абсолютной величины и с помощью него определяют нормированное отклонение абсолютных величин от среднего значения абсолютной величины, и

f) из этого отклонения затем для каждого временного интервала (t) определяют текущее параметрическое значение путем формирования суммы квадратичных значений каждого нормированного отклонения по каждой из заданных частот, из которого

g) выводят функцию оценки (К).

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что e) для каждой из заданных частот (f_i) для множества следующих друг за другом временных интервалов (t) определяют стандартное отклонение абсолютных величин от среднего значения абсолютной величины и с помощью него определяют нормированное отклонение абсолютных величин от среднего значения абсолютной величины, и

f) из этого отклонения затем для каждого временного интервала (t) определяют текущее параметрическое значение путем формирования суммы квадратичных значений каждого нормированного отклонения по каждой из заданных частот, из которого

g) выводят функцию оценки (К).

7. Способ по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что по нескольким временным интервалам формируют скользящее среднее параметрическое значение, и функцию оценки определяют из разности между средним параметрическим значением и текущим параметрическим значением.

8. Устройство для обнаружения импульсного механического воздействия на компонент (2) установки, содержащее, по меньшей мере, один датчик (4), размещенный на компоненте установки, для непрерывного определения и измерения шума промышленных помех, имеющегося в компоненте (2) установки, а также подключенный к датчику (датчикам) (4) аналого-цифровой преобразователь (10) для преобразования в цифровую форму измеренных сигналов с датчика и подачи преобразованных в цифровую форму измеренных сигналов на вычислитель (12) для осуществления следующих вычислительных этапов: а) определение абсолютной величины (А) частотного спектра измеренного сигнала (М) в следующих во времени друг за другом временных интервалах (t) при заданных частотах (f_i), b) определение отклонения абсолютных величин от среднего значения абсолютной величины для каждого временного интервала (t) и для каждой из заданных частот (f_i),

c) выведение единственной, общей для всех частот (f_i) функции оценки (К) из отклонений, определенных для каждой из заданных частот (f_i), для каждого временного интервала (t), причем каждое отклонение вносит вклад в функцию оценки (К),

d) сравнение функции оценки (К) с пороговым значением (К₀) и выдача предупредительного сигнала (S) при превышении порогового значения (К₀).

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что следующие друг за другом временные интервалы (t) перекрываются.

10. Устройство по п.8 или 9, отличающееся тем, что среднее значение абсолютной величины определяется для каждой из заданных частот (f_i) путем формирования скользящего во времени среднего значения абсолютной величины из определенных для различных временных интервалов (t) абсолютных величин (А).

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в вычислителе (12) реализован алгоритм для e) определения стандартного отклонения абсолютных величин (А) от среднего значения абсолютной величины для каждой из заданных частот (f_i) для множества следующих друг за другом временных интервалов (t) и определения нормированного отклонения абсолютных величин (А) от среднего значения абсолютной величины путем деления отклонения на стандартное отклонение, f) определения текущего параметрического значения для каждого временного интервала путем формирования суммы квадратичных значений каждого нормированного отклонения по каждой из заданных частот, и для g) формирования функции оценки (К) из текущего параметрического значения.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в вычислителе (12) реализован алгоритм для е) определения стандартного отклонения абсолютных величин (А) от среднего значения абсолютной величины для каждой из заданных частот (f_i) для множества следующих друг за другом временных интервалов (t) и определения нормированного отклонения абсолютных величин (А) от среднего значения абсолютной величины путем деления отклонения на стандартное отклонение, f) определения текущего параметрического значения для каждого временного интервала путем формирования суммы квадратичных значений каждого нормированного отклонения по каждой из заданных частот, и для g) формирования функции оценки (К) из текущего параметрического значения.

13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в вычислителе (12) реализован алгоритм для е) определения стандартного отклонения абсолютных величин (А) от среднего значения абсолютной величины для каждой из заданных частот (f_i) для множества следующих друг за другом временных интервалов (t) и определения нормированного отклонения абсолютных величин (А) от среднего значения абсолютной величины путем деления отклонения на стандартное отклонение,

f) определения текущего параметрического значения для каждого временного интервала путем формирования суммы квадратичных значений каждого нормированного отклонения по каждой из заданных частот, и для g) формирования функции оценки (К) из текущего параметрического значения.

14. Устройство по любому из пп.11-13, отличающееся тем, что реализованный в нем алгоритм формирует по нескольким временным интервалам скользящее среднее параметрическое значение и из разности между средним параметрическим значением и текущим параметрическим значением формирует функцию оценки (К).

РИСУНКИ