1.3 Параметры диагностирования
Для определения работоспособности изделия, поиска дефектов и прогнозирования состояния оборудования необходимо измерять диагностические параметры. Измеряемые диагностические параметры выбирают из множества принципиально возможных параметров некоторого ограниченного количества для исследования информативности признаков, сформированных на этих параметрах. Основу логической процедуры диагноза составляет совокупность физических величин, при измерении которых определяются структурные параметры диагностирования объектов. С усложнением современного оборудования и повышением требований к его надежности увеличивается число контролируемых структурных параметров и необходимых измерительных средств.
Наибольший практический интерес представляют параметры назначения и надежности объектов, находящиеся в функциональной зависимости от измеряемых физических величин. Например, обнаружение дефекта в виде трещины и определение его параметров может быть выполнено с помощью измерения магнитной проницаемости, коэрцитивной силы и магнитной индукции ферромагнитного материала (магнитные методы исследования), теплопроводности и теплоемкости материала (тепловые методы исследования), модуля упругости, плотности и удельного волнового сопротивления материала (акустические методы исследования и т.д.).
Измерение физических параметров положено в основу различных методов и средств технического диагностирования, с помощью которых анализируют и оценивают техническое состояние объекта.
Для исследования технического состояния объекта применяют все известные виды электромагнитного излучения. Широкое применение получили многочисленные акустические, звуковые и вибрационные методы исследования, а также корпускулярные излучения (нейтронов, протонов, электронов, позитронов) и электростатические поля. Многие методы и средства диагностирования электрических и электронных аппаратов основаны на измерении электрических величин.
Для диагностирования объектов используют широкую номенклатуру испытательной техники, в том числе приборы для определения твердости и упругих констант материалов, исследования воздействия климатических факторов, машины для испытания материалов на растяжение и сжатие, изгиб, удар, срез, кручение и т.д.
Перспектива развития методов и средств технического диагностирования связана с оптимальным применением для измерений известных физических явлений и эффектов, а также с изучением новых возможностей, появляющихся в связи с развитием физики. Наиболее существенными и часто встречающимися в практике технического диагностирования оборудования являются следующие виды измерений: электрометрия, измерение вибрации, шума, механических свойств, состава вещества, размеров, сил, деформаций, давления, температуры, времени, массы, влажности, расхода и уровня.
Измерение электрических и магнитных величин. Основные методы измерения электрических величин - непосредственной оценки и сравнения (дифференциальный, нулевой, замещения, противопоставления, совпадения).
В зависимости от способа получения сигналов измерительной информации средства измерения электрических величин делятся на аналоговые и цифровые. Наиболее распространены измерения напряжения постоянного и переменного тока и силы постоянного и переменного тока.
Измерительные преобразователи (ИП) предназначены для линейного преобразования основных параметров электрических сетей постоянного и переменного тока (в частности, силы постоянного тока, силы переменного тока, напряжения постоянного тока, напряжения переменного тока, частоты, угла сдвига фаз и коэффициента мощности, активной и реактивной мощностей как однофазных, так и трехфазных цепей, а также сопротивления изоляции) в унифицированные сигналы: напряжения постоянного тока 0 – 10 В на нагрузке 2 кОм и выше и силу постоянного тока 0-5 мА на нагрузке до 2,5 кОм.
Электрическая цепь представляет собой соединенные источники электрической энергии и нагрузок, по которым протекает электрический ток. При определенных допущениях цепь можно рассматривать как состоящую из сосредоточенных линейных элементов – резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и т.п. Для оценки электрических свойств цепи необходимо измерять параметры ее компонентов. Параметром резистора является сопротивление, конденсатора – емкость, катушки индуктивности – индуктивность.
В зависимости от объекта измерений, требуемой точности результата, диапазона рабочих частот, допустимого напряжения на измеряемом объекте, применяют различные методы измерений. Наибольшее применение при измерении параметров линейных элементов получили метод вольтметра-амперметра, метод непосредственной оценки и мостовой метод.
Традиционно измерительные электромагнитные преобразователи подразделяются на преобразователи для измерения параметров статического магнитного поля и на преобразователи для измерения параметров переменного электромагнитного поля. Причем целый ряд преобразователей могут использоваться для измерения параметров как постоянных, так и переменных магнитных полей. Например, неподвижная катушка индуктивности может быть использована для измерений в переменных магнитных полях, а при перемещении этой катушки можно производить измерения в статических магнитных полях. Датчики Холла также могут применяться для измерения как постоянного, так и переменного магнитного поля. Фиксация изменения параметров магнитного поля может осуществляться в преобразователях четырьмя способами:
- в виде изменения параметров электрической цепи преобразователя (гальваномагнитные);
- в виде ЭДС электромагнитной индукции, наводимой в измерительной обмотке (индукционные);
- в виде изменения параметров магнитной цепи преобразователя (магнитомодуляционные);
комбинацией трех предыдущих способов (комбинированные).
К первой группе преобразователей относятся преобразователи Холла, магниторезистивные, гальваномагниторекомбинационные, магнитодиодные, магнитотриодные, на Z-элементах, в которых под действием магнитного поля происходит искривление траектории движения носителей заряда, изменение их концентрации и т. д., что проявляется в виде возникновения ЭДС Холла или изменения электрического сопротивления, и сверхпроводниковые. В сверхпроводниковых преобразователях под действием магнитного поля происходит осцилляция тока в джозефсоновском переходе, т.е. переходе между двумя сверхпроводниками, разделенными тонким изолирующим слоем. Выходным сигналом этих преобразователей является изменения параметров электрического тока или напряжения.
Ко второй группе относятся индукционные пассивные преобразователи и вихретоковые преобразователи без сердечника или с сердечником, предназначенным для концентрации магнитного поля. Магнитные параметры сердечника в рабочем диапазоне изменения магнитных полей считаются постоянными. Выходным сигналом пассивных индукционных преобразователей и трансформаторных вихретоковых преобразователей является ЭДС, наведенная в измерительной обмотке, а выходным сигналом параметрических вихретоковых преобразователей является внесенное комплексное сопротивление. С точки зрения теоретической электротехники наведенная в обмотке ЭДС и внесенное комплексное сопротивление эквивалентны.
К третьей группе относятся преобразователи, работа которых основана на фиксации изменения параметров магнитной цепи преобразователя, состоящей обычно из сердечника преобразователя и внешнего участка, образованного контролируемой областью. Кроме преобразователей, у которых изменение параметров магнитной цепи происходит под воздействием внешнего магнитного поля (феррозондовые преобразователи), к этой группе относятся преобразователи, параметры магнитной цепи которых изменяются в зависимости от изменения структуры, механических свойств, геометрических параметров, механических напряжений – магнитоупругие, магнитоанизотропные и другие. Выходным сигналом обычно является ЭДС в измерительной обмотке преобразователя или ЭДС специального измерительного датчика Холла или феррозонда.
Измерение температуры. Температура – физическая величина, определяемая как параметр состояния термодинамического равновесия микроскопических систем. Температура – величина экстенсивная, т.е. измеряемая косвенным образом в результате преобразования ее в какую-либо интенсивную (непосредственно измеряемую) величину, например, электрический ток. Методы измерения температуры принято делить на две большие группы – контактные и бесконтактные, которые в свою очередь подразделяются по физическим эффектам, положенным в основу принципа их действия. Для измерения температуры применяются контактные и бесконтактные методы. Контактное измерение температуры осуществляется с помощью жидкостных и манометрических термометров, термопар, термометров сопротивления, термоиндикаторов.
Действие термоиндикаторов основано на изменении агрегатного состояния, яркости цвета свечения некоторых веществ при нагреве. С их помощью можно быстро и экономично получить информацию о тепловом режиме объекта. Преимуществом термоиндикаторов является возможность запоминания распределения температур в процессе испытаний, простота и наглядность, экономичность.
Жидкокристаллические термоиндикаторы представляют собой органические соединения, одновременно обладающие свойствами жидкости (текучесть) и твердого кристаллического тела (анизотропия, двойное лучепреломление). При изменении температуры жидкий кристалл меняет свой цвет.
Плавящиеся термоиндикаторы существуют двух типов: плавкие покрытия и термосвидетели. Покрытия выпускают в виде термокарандашей (мелков), термолаков, термотаблеток (термопорошков). Изготовляются на основе воска, стеарина, парафина или соединений серы, цинка, свинца (для высоких температур). На поверхности изделия термокарандашом наносят риску, которая плавится при достижении заданной температуры. Действие термолаков аналогично. Термосвидетели представляют собой нанизанные на тугоплавкую проволоку пластинки из металлов, плавящихся при различных температурах.
Бесконтактные методы термометрии. Действие пирометров излучения основано на фотоэлектрической, визуальной и фотографической регистрации интенсивности теплового излучения нагретых тел, пропорционального их температуре. Пирометры обычно имеют объектив для фокусировки излучения на фотодетектор, светофильтры и блок электронной обработки сигнала. При контроле температуры объектов в труднодоступных полостях применяют волоконно-оптические световоды.
Тепловизоры применяют для визуализации изображений слабо нагретых тел и оценки их температуры в отдельных точках методами сканирующей пирометрии, т.е. путем последовательного просмотра (сканирования) объекта узкоканальной оптической системой с ИК - приемником и формирования видимого изображения с помощью систем, аналогичных телевизионным.
Время как диагностический параметр. Время, равно как и частота, в последнее время все шире используется в качестве диагностического параметра в различных технических средствах диагностики (ТСД). Как физическая величина, время проявляется в моментах и интервалах, количественными оценками которых являются соответственно дата момента времени и длительность интервала времени. В качестве диагностических параметров используются как однократные моменты времени – моменты времени единичных, неповторяющихся событий, так и многократные моменты времени – моменты потока событий.
Методы измерения времени – это совокупность приемов использования принципов хронометрии, мер времени и других хронометрических средств. Мера времени – средство измерения времени, предназначенное для воспроизведения интервалов времени заданной длительности или моментов времени заданных дат. Средства измерения времени в соответствии с двумя основными видами измеряемых временных диагностических параметров – моментов времени и интервалов времени – состоят из двух основных видов – средства определения дат моментов времени и средств измерения длительности интервалов времени.
Влагометрия. Влажность материала объектов техники и окружающей среды является одним из важных диагностических показателей. Влажность – физико-химическая количественная характеристика содержания воды как активного структурного компонента материалов, масел и других исследуемых объектов (ИО), которые могут находиться в различных фазовых состояниях и при различной степени диспергирования.
Основными методами измерения влажности твердых тел и жидкостей, а также влагонаполнения полостей элементов конструкций являются химические, физические и физико-химические методы.
Многочисленные методы измерения влажности и определения влагосодержания (заполнения микрополостей) подразделяют на прямые, в основе которых лежит разделение на влагу и «полностью обезвоженный» (сухой) остаток, и косвенные, когда влажность ИО определяется по изменению параметра того или иного физического свойства, функционально связанного с влажностью.
Электрофизические методы влагометрии основаны на зависимости свойств ИО – удельной электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и др. – от количества влаги в них. Наибольшее распространение получили кондуктометрический, диэлектрический, емкостный метод и метод полной проводимости. При реализации кондуктометрического метода оценка влажности осуществляется по результатам изменения электрического сопротивления (объемного или поверхностного) или проводимости ИО на постоянном токе или токе промышленной частоты.
Диэлектрический метод измерения влажности предполагает оценку влагосодержания по диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлектрических потерь влажных материалов в широком диапазоне частот – от звуковых до СВЧ.
Наиболее перспективными считаются следующие схемы емкостных влагомеров: резонансные, дифференциальные, с модуляцией параметров измерительного контура, на базе мостов с тесной индуктивной связью, двух- и многочастотные. СВЧ – методы определения отличаются высокой чувствительностью и точностью. Основные модификации этих методов: волноводный, резонаторный и метод измерений в свободном пространстве. В качестве информационного параметра используется амплитуда, фаза или угол поворота плоскости поляризации линейно-поляризованной плоской электромагнитной волны.
Среди оптических приборов для измерения влажности наибольший интерес представляют инфракрасные (ИК) фотометрические влагомеры, в основу действия которых положено измерение избирательного поглощения влагой инфракрасного излучения определенной длины волны либо отраженного поверхностью ИО, либо проходящего через вещество излучения.
Измерение параметров вибрации. Диагностирование состояния и оценка степени опасности повреждения на основе данных контроля вибрации – один из наиболее эффективных методов повышения надежности оборудования.
Выбор диагностических параметров вибрации зависит от типа исследуемого оборудования, амплитудного и частотного диапазонов измеряемых колебаний.
В низкочастотном диапазоне чаще измеряют параметры вибропереме-щения, в среднечастотном – виброскорости, а в высокочастотном – виброуско- рения. Однако такое деление является условным и часто возникает необходимость измерять виброперемещения в высокочастотном диапазоне, а виброускорения – в низкочастотном. В зависимости от спектрального состава, распределения уровней вибрации во всем диапазоне частот и во времени, а также от нормирования допустимого уровня измеряют амплитудные, средние или средние квадратические значения.
При измерении параметров вибрации используют два метода измерения: кинематический и динамический.
Кинематический метод заключается в том, что измеряют координаты точек объекта относительно вибрационной неподвижной системы координат. Измерительные преобразователи, основанные на этом методе измерения, называют преобразователями относительной вибрации.
Динамический метод основан на том, что параметры вибрации измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента, связанного с объектом через упругий подвес. Такие приборы называют преобразователями абсолютной вибрации, чаще сейсмическими системами.
Принципиальная схема простейшей сейсмической системы с одной степенью свободы представлена на рисунке 1. Сейсмическая масса m соединяется с основанием измерительного преобразователя (ИП) через пружину с коэффициентом жесткости с. Для гашения собственных колебаний параллельно пружине установлен демпфер с коэффициентом сопротивления h.
Измерительные преобразователи вибрации основаны на различных физических принципах преобразования механических колебаний в электрический сигнал, их можно условно разделить на подгруппы.
Преобразователи абсолютной вибрации - генераторные, индукционные, на основе эффекта Холла, параметрические, резистивные, пьезорезистивные, индуктивные, трансформаторные, магнитоупругие, емкостные, электронно-механические, вибрационно-частотные, предельно-контактные, импедансные.
Бесконтактные измерители относительной вибрации – магнитные, радиоволновые, электромагнитные, акустические, радиационные, оптические.
В бесконтактных измерителях реализуют кинематический метод измерения параметров относительной вибрации, используя оптические, радиоволновые и другие электромагнитные поля.
|
|
|
|
Е |
|
с |
h |
|
|
|
|
m |
|
х |
Рисунок 1. - Принципиальная схема сейсмической системы с одной степенью свободы
Преобразователи абсолютной вибрации в электрический сигнал делят на два класса: генераторные, преобразующие энергию механических колебаний в электрическую; параметрические, преобразующие механические колебания в изменение параметров электрических цепей, например, индуктивности, емкости, активного сопротивления, частоты или сдвига фаз и т.д.
Для вибродиагностики машин и механизмов используют в основном пьезоэлектрические и электродинамические преобразователи, относящиеся к генераторным, а также индуктивные, вихретоковые и емкостные, относящиеся к параметрическим.
К преимуществам электродинамических вибродатчиков следует отнести широкий амплитудный диапазон, низкое выходное сопротивление и возможность передачи сигналов по длинной линии связи.
Измерение шума. Акустический шум представляет собой случайный процесс. В простейшем случае измеряют полный уровень звукового давления акустического шума. Для измерения акустического шума применяют измерительные микрофоны. Наибольшее распространение получили измерительные микрофоны конденсаторной, пьезоэлектрической и электродинамической систем. С помощью микрофонов методом свободного звукового поля измеряют шумы электрических машин и трансформаторов. При этом микрофон располагают в контрольной точке поля или в точках поля, равномерно распределенных на измерительной поверхности. Контроль звукового поля проводят путем измерения зависимости звукового давления от расстояния до акустического центра источника и сравнения измеренной зависимости с теоретической.
Основные диагностические параметры электротехнического оборудования. Диагностическими параметрами электротехнического оборудования являются:
- электрические параметры: отклонения токов и напряжений от номинальных значений (по амплитуде, частоте, фазе), появление всякого рода искажений и потерь;
- параметры тепловых процессов, сопровождающих электромагнитные процессы при нарушениях нормальных режимов и старении конструкционных материалов (температуры в пазах ротора, стержнях статора, щеточно-контактного аппарата, температуры охлаждающих и изолирующих сред и др.);
- параметры химических процессов, проходящих в охлаждающих и изолирующих средах (наличие примесей в воде, масле, газа и влаги в трансформаторном масле и изоляции);
- световые эффекты, вызванные электромагнитными эффектами (свечение высоковольтных устройств);
- шумовые параметры (вибрации и др.), сопровождающие функционирование электротехнических устройств (генераторов, двигателей, трансформаторов).
Для диагностирования высоковольтного оборудования рекомендуются бесконтактные дистанционные методы измерения (тепловизионные, оптические и т.д.).
Хроматографический анализ растворенных газов является общепризнанным в мировой практике экономически выгодным и наиболее эффективным способом предупреждения повреждений маслонаполненного электрооборудования. Контроль растворенных газов является обязательной частью большинства программ обслуживания по состоянию.
Основным электротехническим оборудованием являются генераторы, двигатели, трансформаторы, сетевое оборудование. Рассматриваемые ниже методы и средства диагностики ориентированы на это оборудование, но могут применяться и для других агрегатов и устройств, работающих на подобных принципах преобразования электрической энергии.