CC BY
33
УДК 621.31: 658.588.2:53.082.4 ББК 32.873
А.В. БЫЧКОВ, Л.А. СЛАВУТСКИЙ
ВОЗМОЖНОСТИ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ИМПУЛЬСНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ ПРИ БЕСКОНТАКТНОМ ВИБРОКОНТРОЛЕ ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
Ключевые слова: виброконтроль, электрооборудование, ультразвук, импульсные измерения, корреляционная обработка, спектральный анализ.
Показана возможность использования импульсного ультразвукового (УЗ) зондирования для задач вибродиагностики силового электрооборудования. Представлена и описана схема измерительной установки, а также алгоритм корреляционной обработки импульсных УЗ сигналов при активном, с использованием импульсного зондирования, вибрационном контроле. Проведены оценки пределов применимости бесконтактного ультразвукового способа измерения уровня вибраций. Предлагается алгоритм корреляционной и спектральной обработки сигналов при использовании эталонных линейно-частотно-модулированных импульсов. На его основе показана возможность использования импульсных ультразвуковых измерений для активного вибрационного контроля. На примере широко распространенной в ультразвуковых измерениях несущей частоты акустических сигналов 40 кГц представлены примеры обработки импульсных УЗ сигналов при рассеянии на объекте с частотой вибраций 100 Гц и 10 кГц. Показано, что алгоритмы корреляционной и спектральной обработки импульсных сигналов должны отличаться для контроля высокочастотных (единицы и десятки кГц) и низкочастотных (единицы и десятки Гц) вибраций. Для контроля низкочастотных вибраций предложен новый алгоритм обработки сигнала, который основан на анализе изменения формы взаимной корреляционной функции фазомодулиро-ванного принимаемого УЗ и эталонного сигнала. Предлагаемый подход позволяет создавать для виброконтроля электрооборудования адаптивные алгоритмы зондирования и обработки сигналов. Это дает практическую возможность измерения вибраций в диапазоне от единиц герц до десятков килогерц.
Контроль уровня вибраций (вращающихся электрических машин, трансформаторов, аппаратов) занимает значительное место в диагностике и мониторинге состояния электрооборудования. Вибродиагностика позволяет выявить разные типы дефектов и нештатных режимов работы оборудования: электродинамические воздействия при перегрузке оборудования; расслоение магнитопроводов и распрессовка обмоток; механические ослабления элементов конструкции; несоосность, изгибы валов генераторов и турбин; небаланс масс ротора; дефекты подшипников и т.д. [1, 6, 8-10, 17, 18, 20]. Вибродиагностирование проводится с помощью методов неразрушающего контроля. Для разных способов получения вибросигналов используются различные типы датчиков, которые являются основополагающей составляющей частью аппаратуры вибрационного контроля [11, 14-16]. Существует два принципа измерения: динамический и кинематический [4].
Динамический принцип измерения реализуется в датчиках инерционного действия. При этом измеряются абсолютные значения параметров вибрации исследуемых объектов. Как правило, это контактные датчики, которые нахо-
дятся в непосредственном соприкосновении с механизмом. Данный тип преобразователей делят на два класса: генераторные и параметрические [4]. Первые преобразуют колебания в электрический сигнал. Вторые под воздействием колебаний изменяют электрические параметры цепей: индуктивности, емкости, сопротивления. Наибольшее распространение среди контактных датчиков получили пьезоэлектрические датчики [12, 13]. Одним из основных факторов, ограничивающих применение пьезоэлектрических датчиков, является температура, при которой они эксплуатируются. При превышении определённого предела температуры пьезоэлектрический элемент теряет свои свойства или выходит из строя. Кроме того, пьезоэлектрические элементы датчиков чаще всего не обеспечивают необходимую чувствительность в широкой полосе частот. Прежде всего это относится к низкочастотным колебаниям [13].
Кинематический принцип измерения используется в бесконтактных датчиках. Они подразделяются на группы, согласно физическим принципам, используемым для их работы: магнитные, радиоволновые, оптические, электромагнитные, акустические [3, 16]. Наибольшей чувствительностью и селективностью обладают оптические (лазерные) методы виброконтроля, имеющие, однако, ограничения по условиям применения [19].
Акустические (в том числе ультразвуковые) методы вибрационного контроля чаще всего основаны на пассивных измерениях уровня шума оборудования в разных условиях и режимах [8]. Такие измерения не обладают селективностью - не дают непосредственной информации о месте и амплитуде вибраций. Необходимы сравнительный анализ структуры шумовых сигналов и априорная информация об источнике шума (например, износ подшипников) [4, 8].
Перечисленные методы диагностики и контроля могут использоваться комплексно и дополнять друг друга [8].
В настоящей работе предлагаются схема измерений и алгоритм корреляционной обработки импульсных ультразвуковых (УЗ) сигналов при активном (при помощи импульсного зондирования) вибрационном контроле.
Методика виброконтроля. Структурная схема измерений и моделирования УЗ системы вибрационного контроля показана на рис. 1.
Отражение ультразвука происходит от вибрирующей с частотой /у поверхности. В генераторе (Г) формируются пакеты УЗ импульсов с частотой 40 кГц. Акустическая волна излучается ультразвуковым преобразователем (УЗП), отражается от стенки и принимается вторым преобразователем. Электрический сигнал с выхода приёмного УЗП подается на смеситель (С), на второй вход которого подается линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) эталонный сигнал. В интеграторе (И) вычисляется взаимная корреляционная функция (ВКФ) принимаемого частотно(фазово)-модулированного сигнала с эталонным ЛЧМ сигналом. Спектральная обработка производится в спектральном анализаторе (СА). Цифровая система формирования и обработки сигналов может быть реализована на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Соответствующие программно-аппаратные средства апробированы ранее в УЗ уровнемере [5] и при контроле газовых потоков [2]. Обработка сигналов по предлагаемому алгоритму может проводиться как цифровыми, так и аналоговыми средствами.
Рис. 1. Схема измерений и обработки сигналов
Моделирование и обработка сигналов. В простейшем случае лучевого приближения и гармонического закона колебаний отражающей поверхности сигнал в приемном УЗП может быть описан следующей формулой:
с/ч • ( ( 2(L " 5 • sin(rnvt)) ^ S(t) = A(t) • sin ш| t - —-v v " I , (1)
где A(t) - временная огибающая УЗ импульса; ю - циклическая частота исходного сигнала; raV - циклическая частота колебаний поверхности raV = 2%fV; c - скорость звука; L - расстояние вдоль луча до поверхности; 5 - проекция амплитуды колебаний поверхности на направление луча.
Непрерывный УЗ сигнал с постоянной амплитудой A0 и начальной фазой можно разложить в ряд по гармоническим составляющим:
S (t) = A0 cos (ю t + a sin(®V t )) = A0[/ 0 (a)cos(®t )-- / (a) cos( (ю - a>V) t)+/ (a) cos ((ю + ю V) t) + (2)
+12 (a) cos ((ю - 2ю V) t)+12 (a) cos((ю + 2o>V) t) -...], где a - глубина фазовой модуляции, определяется скоростью звука, амплитудой вибраций и углом отражения; /„(a)- функции Бесселя порядка n, которые хорошо известны в теории специальных функций и табулированы в большинстве справочников.
Из (2) следует, что в спектре модулированного по фазе сигнала присутствуют боковые составляющие на частотах ra±nraV с амплитудами /„(a), где n = 1, 2, ....
На рис. 2 показана взаимная корреляционная функция (ВКФ) сигнала в приемном УЗП и ЛЧМ сигнала (а), а также спектр этой функции (б). Длительность излучаемого и эталонного сигнала 10 мс.
Частота колебаний отражающей поверхности - 1 кГц. ВКФ имеет ярко выраженную модуляцию, и, как следствие, ее спектр в области основной частоты имеет боковые пики. Соотношение амплитуд в спектре рис. 2, б соответствует заданной амплитуде вибраций 1 мм.
Корреляционная обработка, предшествующая получению спектра сигнала, позволяет повысить точность определения амплитуды и частоты вибраций за счет подавления шумовых помех в приемном тракте. Однако диапазон частот при виброконтроле в данном случае ограничен соотношением периода
c
вибраций и длительности УЗ импульса. Точность измерений быстро понижается с уменьшением частоты вибраций и длительности зондирующих импульсов. Для контроля низкочастотных вибраций алгоритм измерений должен строиться на других принципах.
40 /5кГц
б
Рис. 2. ВКФ приемного сигнала и ЛЧМ сигнала эталона (а) и её спектральная плотность (б).
Девиация частоты эталонного сигнала - 40±2 кГц
Минимальная длительность импульсов, возбуждаемых резонансными УЗП, соответствует десяткам периодов несущей УЗ волны. Для частоты 40 кГц длительность импульса составляет порядка 1 мс [2]. В этом случае для частоты вибраций /у«1 кГц выделить характерные биения ВКФ (см. рис. 2) и оценить с необходимой точностью ее спектр затруднительно. Однако оценить фазовые сдвиги в отраженном от вибрирующей поверхности сигнале можно по искажению формы ВКФ, в частности, по изменению положения ее центра тяжести (рис. 3) [2]:
1г • Ж'(г) йг
/ Ж '(г) йг
где Ж '(г) - огибающая мощности ВКФ.
мс
б
Рис. 3. ВКФ приемного сигнала и ЛЧМ эталонного сигнала и её центр тяжести (пунктир): при минимальной (а) и максимальной (б) частотной расстройке.
Длительность - 1 мс, девиация частоты эталонного сигнала - 40±0,2 кГц
Такой подход, при вычислении ВКФ с эталонным ЛЧМ сигналом обладает высокой чувствительностью к частотно-фазовой модуляции сигнала в приемном УЗП и позволяет оценить изменение фазы даже при частотах вибраций в единицы Гц (искажение ВКФ зависит от амплитуды вибраций).
На рис. 3 показаны изменение формы ВКФ и смещения ее «центра тяжести» при длительности импульса 1 мс, частоте вибраций 100 Гц и амплитуде 1 мм. Изменение формы ВКФ позволяет получить информацию о фазе колебаний поверхности в каждый момент времени. Соответственно, при низких частотах вибраций измерение их частоты и амплитуды может производиться дискретно, при помощи периодического импульсного зондирования.
На рис. 4 приведены результаты моделирования временного положения «центра тяжести» ВКФ при плавном временном изменении фазы колебаний отражающей поверхности и спектр этой зависимости. Параметры вибраций и УЗ сигналов соответствуют рис. 3.
При низких частотах вибраций зависимость (рис. 4, а) может быть восстановлена по дискретным измерениям, частота которых соответствует частоте зондирующих УЗ импульсов. В остальном анализ параметров вибраций может производиться аналогично вибрациям на высоких частотах (см. рис. 2).
а
/,Гц
б
Рис. 4. Зависимость положения «центра тяжести» ВКФ от времени (а) и спектр этой зависимости (б)
Выводы. Предлагаемая методика вибрационного контроля основана на корреляционной и спектральной обработке импульсных УЗ сигналов. Активное зондирование вибрирующей поверхности предполагает возможность изменения угла отражения и длительности зондирующих импульсов. Это потенциально позволяет контролировать вибрации в диапазоне частот от единиц герц до десятков килогерц. Чувствительность измерений зависит от соотношения между частотой и амплитудой вибраций: в высокочастотной области этого диапазона (fv > 10 кГц) высокая скорость колебаний отражающей поверхности позволяет регистрировать вибрации амплитудой от единиц микрон [7]. Для повышения точности измерений амплитуды и частоты вибраций импульсный режим позволяет создавать адаптивные алгоритмы зондирования и обработки УЗ сигналов.
Литература
1. Быстрицкий Г.Ф., Кудрин Б.И. Выбор и эксплуатация силовых трансформаторов. М.: Академия, 2003. 176 с.
2. Бычкова И.Ю., Бычков А.В., Славутский Л.А. Цифровая фазовая модуляция и корреляционная обработка ультразвуковых сигналов для импульсных измерений в неоднородной среде // Приборы и техника эксперимента. 2018. № 3. С. 114-119.
3. Журавлев О.А., Шапошников Ю.Н., Ивченко А.В. Лазерная виброметрия механических конструкций. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006. 72 с.
4. Костюков В.Н. Основы виброакустической диагностики и мониторинга машин. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. 360 с.
5. КостюковА.С., Славутский Л.А. Разрешающая способность ультразвукового уровнемера с цифровой обработкой ЛЧМ сигнала // Вестник Чувашского университета. 2008. № 2. С. 272-275.
6. Матюшкова О.Ю., Тэттэр В.Ю. Современные методы виброакустического диагностирования // Омский научный вестник. 2013. С. 294-299.
7. Николаев А.А., Славутский Л.А. Дистанционный контроль ультразвуковых магнитост-рикционных преобразователей противонакипных устройств // Вестник Чувашского университета. 2008. № 2. С. 228-232.
8. Русов В.А. Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам. Пермь: ДимРус, 2012. 200 с.
9. Русов В.А. Обзор вибрационных методов и технических средств, предназначенных для диагностики подшипников качения // Главный энергетик. 2009. № 1. С. 56-59.
10. Русов В.А. Общий обзор отечественных приборов вибрационного контроля // Главный энергетик. 2009. № 7. С. 16-19.
11. ФрайденДж. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2005. 592 с.
12. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера, 2006. 632 с.
13. Янич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи. Т. 7. Пьезоэлектрическое приборостроение. Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2010. 304 с.
14. Bartoletti С., Desiderio M., Carlo D.Di., Fazio G., Muzi F., Sacerdoti G., Salvatori F. Vibro-acoustic techniques to diagnose power transformers. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, no. 19, pp. 221-229.
15. Ben-Yosef N., Ginio О., WeitzA. Measurement and analysis of mechanical vibrations by means of optical heterodyning techniques. Journal of physics E: Scient. Instruments, 1974, no. 7, p. 218.
16. Cristallia C., Paoneb N., Rodríguezc R.M. Mechanical fault detection of electric motors by laser vibrometer and accelerometer measurements. Mechanical Systems and Signal Processing, 2006, no. 20, pp. 1350-1361.
17. Kang P., Birtwhistle D. Condition monitoring of power transformer on-load tap-changers. IEE Proceedings - Generation, Transmission and Distribution, 2001, no. 148, pp. 301-306.
18. RivasE., Burgos J.C., Garcia-Prada J.C. Condition Assessment of Power OLTC by Vibration Analysis Using Wavelet Transform. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, no. 24, pp. 687-694.
19. Sapozhnikov O.A., MorozovA.V., CathignolD. Piezoelectric transducer surface vibration characterization using acoustic holography and laser vibrometry. Proc. IEEE Int. Ultrasonics and UFFC 50th Anniv. Joint Conf., 2004, vol. 1, pp. 161-164.
20. TavnerP.J. Review of condition monitoring of rotating electrical machines. IET Electric Power Applications, 2008, no. 2, pp. 215-247.
БЫЧКОВ АНАТОЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - аспирант кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
СЛАВУТСКИЙ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ - доктор физико-математических наук, профессор кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
A. BYCHKOV, L. SLAVUTSKII CAPABILITIES OF CORRELATION PROCESSING OF PULSE ULTRASONIC SIGNALS FOR NONCONTACT VIBRATION CONTROL OF ELECTRIC POWER INDUSTRY EQUIPMENT Key words: vibration control, electric power equipment, ultrasound, pulse measurement, correlation processing, spectral analysis.
The possibility of using pulsed ultrasonic probing for the vibration diagnostics of electric power equipment is shown. The scheme of the measuring device is presented and described. The algorithm of correlation processing of pulsed ultrasonic signals with active vibration
control is presented. The limits of applicability of a non-contact ultrasonic method for measuring the level of vibrations are estimated. An algorithm for correlation and spectral processing of signals using reference linear chirp pulses is proposed. Based on this, the possibility of using pulsed ultrasonic measurements for active vibration control is shown. Examples ofprocessing pulsed ultrasonic signals in the case of scattering at an object with a vibration frequency of 100 Hz and 10 kHz are presented based on the carrier frequency of acoustic signals of 40 kHz, widely used in ultrasonic measurements. It is shown that the algorithms for correlation and spectral processing of pulsed signals should differ for controlling high-frequency (units and dozens of kHz) and low-frequency (units and dozens of Hz) vibrations. To control low-frequency vibrations, a new algorithm for signal processing is proposed. It is based on the analysis of changing the shape of the cross-correlation function of the phase-modulated received signal and the reference signal. The proposed approach makes it possible to create adaptive probing and signal processing algorithms for vibration control of electric power equipment. This gives a practical possibility to measuring vibrations in the range from units of hertz to dozens of kilohertz.
References
1. Bystritskii G.F., Kudrin B.I. Vybor i ekspluatatsiya silovykh transformatorov [Selection and operation of power transformers]. Moscow, Akademiya Publ., 2003, 176 p.
2. Bychkova I.Yu., Bychkov A.V., Slavutskii L.A. Tsifrovaya fazovaya modulyatsiya i korre-lyatsionnaya obrabotka ul'trazvukovykh signalov dlya impul'snykh izmerenii v neodnorodnoi srede [Digital phase modulation and correlation processing of ultrasound signals for pulsed measurements in an inhomogeneous medium]. Pribory i tekhnika eksperimenta [General experimental techniques], 2018, no. 3, pp. 114-119.
3. Zhuravlev O.A., Shaposhnikov Yu.N., Ivchenko A.V. Lazernaya vibrometriya mekhaniches-kikh konstruktsii [Laser vibrometry of mechanical structure]. Samara, Samara State Aerospace University Publ., 2006, 72 p.
4. Kostyukov V.N. Osnovy vibroakusticheskoi diagnostiki i monitoringa mashin [Fundamentals of machinery vibroacoustic analysis and monitoring]. Omsk, Omsk State Technical University Publ., 2011, 360 p.
5. Kostyukov A.S., Slavutskii L.A. Razreshayushchaya sposobnost' ul'trazvukovogo urovne-mera s tsifrovoi obrabotkoi LChM signala [Resolution of ultrasonic levelmeters with digital processing of linear chirp signal]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2008, no. 2, pp. 272-275.
6. Matyushkova O.Yu., Tetter V.Yu. Sovremennye metody vibroakusticheskogo diagnosticro-vaniya [Modern methods of vibroacoustic diagnostics]. Omskii nauchnyi vestnik, 2013, pp. 294-299.
7. Nikolaev A.A., Slavutskii L.A. Distantsionnyi kontrol' ul'trazvukovykh magnitostriktsionnykh preobrazovatelei protivonakipnykh ustroistv [Remote control of ultrasonic magtetostrictive transducers for scale distortion devices]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2008, no. 2, pp. 228-232.
8. Rusov V.A. Diagnostika defektov vrashchayushchegosya oborudovaniyapo vibratsionnym signa-lam [Diagnosis of defects in rotating equipment by vibration signals]. Perm, DimRus Publ., 2012, 200 p.
9. Rusov V.A. Obzor vibratsionnykh metodov i tekhnicheskikh sredstv, prednaznachennykh dlya diagnostiki podshipnikov kacheniya [Overview of vibration methods and technical means intended for the diagnosis of rolling bearings]. Glavnyi energetic [Chief power engineer], 2009, no. 1, pp. 56-59.
10. Rusov V.A. Obshchii obzor otechestvennykh priborov vibratsionnogo kontrolya [General overview of domestic vibration control devices]. Glavnyi energetic [Chief power engineer], 2009, no. 7, pp. 16-19.
11. Fraiden Dzh. Sovremennye datchiki. Spravochnik. [Modern sensors. Handbook]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2005, 592 p.
12. Sharapov V.M., Musienko M.P., Sharapova E.V. P'ezoelektricheskie datchiki [Piezoelectric sensors]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2006, 632 p.
13. Yanich V.V. P'ezoelektricheskie vibroizmeritel'nye preobrazovateli. T. 7. P'ezoelektriches-koe priborostroenie [Piezoelectric vibration measuring converters. Vol. 7. Piezo-electric instrument making]. Rostov, 2010, 304 p.
14. Bartoletti Q, Desiderio M., Carlo D.Di., Fazio G., Muzi F., Sacerdoti G., Salvatori F. Vibro-acoustic techniques to diagnose power transformers. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, no. 19, pp. 221-229.
15. Ben-Yosef N., Ginio O., Weitz A. Measurement and analysis of mechanical vibrations by means of optical heterodyning techniques. Journal of physics E: Scient. Instruments, 1974, no. 7, p. 218.
16. Cristallia C., Paoneb N., Rodriguezc R.M. Mechanical fault detection of electric motors by laser vibrometer and accelerometer measurements. Mechanical Systems and Signal Processing, 2006, no. 20, pp. 1350-1361.
17. Kang P., Birtwhistle D. Condition monitoring of power transformer on-load tap-changers. IEE Proceedings - Generation, Transmission and Distribution, 2001, no. 148, pp. 301-306.
18. Rivas E., Burgos J.C., Garcia-Prada J.C. Condition Assessment of Power OLTC by Vibration Analysis Using Wavelet Transform. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, no. 24, pp. 687-694.
19. Sapozhnikov O.A., Morozov A.V., Cathignol D. Piezoelectric transducer surface vibration characterization using acoustic holography and laser vibrometry. Proc. IEEE Int. Ultrasonics and UFFC 50th Anniv. Joint Conf., 2004, vol. 1, pp. 161-164.
20. Tavner P.J. Review of condition monitoring of rotating electrical machines. IET Electric Power Applications, 2008, no. 2, pp. 215-247.
BYCHKOV ANATOLY - Post-Graduate Student of Department of Electrical and Electronic Apparatuses Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
SLAVUTSKII LEONID - Doctor of Physics and Mathematical Sciences, Professor of Automation and Management in Technical Systems Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
Формат цитирования: Бычков А.В., Славутский Л.А. Возможности корреляционной обработки импульсных ультразвуковых сигналов при бесконтактном виброконтроле оборудования электроэнергетики // Вестник Чувашского университета. - 2018. - № 3. - С. 24-32.
