Главная → Примеры внедрения → Цифровой регистратор-анализатор динамических параметров энергетических машин

Цифровой регистратор-анализатор динамических параметров энергетических машин

Потапов И. А., Ноздрин С. Ю., Каринский В. И., Шатохин А. Г.

В статье описан опыт применения многоканального цифрового регистратора-анализатора MIC-300M в качестве инструмента для исследований длительных и кратковременных процессов. Описаны возможности анализа временных, спектральных, корреляционных и статистических характеристик широкого класса сигналов. Дано сравнение функциональных возможностей прибора с известными серийными системами и приборами цифровой обработки и анализа динамических сигналов.


Автоматизированная обработка и анализ динамических параметров в ходе и после завершения модельных и натурных испытаний является заключительным этапом на всех стадиях технологической цепи создания, доводки, серийного производства и эксплуатации энергетических машин.

В настоящее время в отраслевых НИИ и на предприятиях общего машиностроения, авиационного машиностроения, энергетики, транспорта при испытании двигателей и энергетических установок используются специализированные отечественные и импортные приборы и системы измерения, регистрации, обработки и анализа экспериментальных данных, в том числе более 120 приборов MIC-300М.

Объектами исследований являются как длительные, так и кратковременные процессы, представляемые в информационно-измерительных системах (ИИС) как статические и динамические параметры исследуемых физических процессов.

Одной из актуальных задач современной измерительной техники (ИТ) остаётся высокоточная, надёжная регистрация, обработка и анализ стаитко-динамических параметров энергетических машин (вибраций, пульсаций давлений, динамических деформаций, акустических колебаний, зазоров, оборотов роторов и др.) в диапазонах частот 0 - 30 кГц, 0 - 100 кГц, 0 - 200 кГц.

Комплексное решение указанной задачи стало возможным благодаря применению современной цифровой электроники, появлению и развитию технологий виртуальных приборов, реализации оптимальных методов и адаптивных алгоритмов обработки сигналов, цифровой обработке сигналов (ЦОС), а также использования двухмерного (2D) и трёхмерного (3D) пространства для представления исходных данных, результатов обработки и анализа.

В работах [ 1, 2 ] отечественный серийный прибор MIC-300М разработки НПП "Мера" представлен как современный, мобильный, высокопроизводительный цифровой регистратор динамических параметров авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). Более чем трёхлетний опыт эксплуатации в стендовых условиях подтвердил все заявленные технические и метрологические характеристики прибора в классе регистратора сигналов. Одновременно указанный опыт позволил выявить и зафиксировать его характеристики в классе анализатора сигналов.

Прибор MIC-300M представляет пример удачного совмещения, без ущерба для надёжности, функций полноценного современного цифрового регистратора динамических параметров энергетических машин и анализатора сигналов в темпе испытаний (т.е. в ходе регистрации), и, кроме того, зарегистрированных экспериментальных данных, являясь фактически прибором нового класса - цифровым регистратором-анализатором сигналов (динамических параметров энергетических машин).

Итак, MIC-300M в качестве анализатора сигналов обеспечивает обработку поступающей на его входы (1…24) измерительной информации непрерывно, в темпе эксперимента, одновременно по всем каналам во временной и в частотной области.

Отображение результатов обработки производится на встроенном ЖК дисплее, на индикаторе перегрузок по входам (эквалайзере) и одновременно, в случае необходимости, на подключаемом внешнем дисплее, рисунок 1. 

Рис. 1. Работа MIC-300M в составе стендовой системы в режиме регистрации

Функции экспресс-анализа (анализа в реальном масштабе времени), см. таблицу 1, вычисляются программой регистрации и экспресс-обработки динамических параметров "MR-300".

Важным достоинством "MR-300" является возможность вывода на встроенный и внешний дисплеи требуемого сочетания указанных выше функций (по выбору оператора) из временной и частотной области. Экспресс-анализ возможен в режимах: "ПРОСМОТР", "ЗАПИСЬ" и "ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ". 

Подробная, полная обработка и анализ зарегистрированных на MIC-300M экспериментальных данных осуществляется путём перехода в режиме "СТОП" "Регистратора" от программы "MR-300" к установленному тут же, на MIC-300M, пакету обработки сигналов "WinПОС" - "Анализатора", см. таблицу 2.

Из рисунка 2 видно, что полную обработку и анализ зарегистрированных данных можно производить без выключения любого MIC-300M из состава стендовой ИИС, подключив, в случае необходимости, принтер к указанному прибору. Результаты обработки можно распечатать на принтере и/или сохранить в файлах на жестком диске прибора. Одновременно с обработкой зарегистрированных экспериментальных данных прибор может быть включен в режим перезаписи указанных данных с жесткого диска прибора на внешний жесткий диск большой ёмкости или DVD-накопитель.

Рис. 2. Работа MIC-300M в составе стендовой системы в режиме обработки

В режиме "Анализатор" MIC-300M обеспечивает измерение, обработку и анализ временных, спектральных, корреляционных и статистических характеристик широкого класса сигналов: случайных стационарных эргодических и нестационарных, детерминированных, включая периодические и однократные, редкоповторяющихся.

Предусмотрено вычисление текущих значений параметров сигналов и усреднения во временной и в частотной области. Имеется весовая обработка сигналов во временной и в частотной области.

Наличие от 2 до 24 синхронных каналов (межканальный сдвиг по фазе Δφ≤1º на рабочей частоте 28,8 кГц) позволяет измерять взаимные характеристики сигналов.

Прибор обеспечивает также измерение передаточных характеристик электрических цепей и систем в диапазоне частот 0 Гц - 28,8 кГц (с октября 2005 года НПП "МЕРА" начинает продажи многоканального прибора MIC-300M с частотой опроса F_S до 214 кГц/канал, полоса анализа до 100,5 кГц).

В таблице 2 представлен перечень алгоритмов обработки - функций ЦОС пакета WinПОС. В работах [ 3, 4 ] приведены математические выражения перечисленных алгоритмов обработки сигналов, вычислительные процедуры и методические рекомендации по практическому применению указанных алгоритмов.

С точки зрения обработки и анализа динамических параметров энергетических машин представляет интерес набор определяемых характеристик зарегистрированных сигналов во временной области, в частотной области и в амплитудной области.

Пакет обработки сигналов WinПОС включает в свой состав:

• во временной области:
• параметры зарегистрированных входных сигналов;
• рекурсивная фильтрация;
• нерекурсивная фильтрация;
• огибающая методом пик-детектора;
• корреляционная функция;
• взаимная корреляционная функция;
• в частотной области:
  • автоспектр;
  • третьоктавный спектр мощности;
  • взаимный спектр;
  • комплексный спектр;
  • функция когерентности;
  • передаточная функция;
  • преобразование спектра;
• в амплитудной области:
  • вероятностные характеристики;
  • плотность распределения вероятности.

Обработка и анализ зарегистрированных экспериментальных данных - замеров х₁(t), х₂(t),...,х_n(t) обычно начинается во временной области. Условно их можно разделить на непрерывные и импульсные процессы. WinПОС обеспечивает просмотр с автоматической фиксацией максимумов (ПИК, ПИК-ПИК, СКЗ) процессов практически любой длительности. Объем обрабатываемых непрерывных процессов может составлять от 0,1 сек. до 60 мин. и более (до 2 Gb), длительность импульсных процессов - от 0,1 сек. до 0,00001 сек.

При анализе непрерывных процессов определяются квазистационарные участки g₁(t) на установившихся режимах работы ГТД и нестационарные участки g₂(t) на переходных режимах (например, набор оборотов, сброс оборотов). Выделяется полный кадр, либо выбранный участок на временной оси, либо отфильтрованный участок с использованием требуемых типов указанных выше фильтров (ФНЧ, ФВЧ, ПФ), либо огибающая выбранного участка процесса. С помощью курсоров фиксируются заданные параметры процесса, прежде всего максимальные амплитуды с привязкой к режиму и единому времени (СЕВ), рисунок 3.  

Рис. 3.  Результат обработки во временной и частотной области

При анализе импульсных процессов выделяются участки кадра g₃(t) на временной оси, содержащие исследуемые импульсы. С помощью курсоров определяются амплитуды, положения фронтов τ_i и сдвиги Δ = τ₂ - τ₁ [ сек ] между фронтами, рисунок 4.  

Рис. 4. Обработка импульсных процессов

После получения значений основных параметров, например, амплитудных значений исследуемых процессов во временной области, обработка перемещается в частотную область. Обычно, в первую очередь вычисляются автоспектры выделенных участков сигналов g₁(t) и g₂(t).

На рисунке 5 представлено окно настройки параметров автоспектра. Указанный набор параметров характерен для стандартных алгоритмов ЦОС. Однако в WinПОС предложен расширенный ряд параметра "Число точек БПФ", включающий значения N: 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192, 16384, 32768, 65536, 131072, 262144 действительных чисел.  

Рис. 5. Окно настройки алгоритма "Автоспектр"

В результате, даже при максимальном рабочем диапазоне частот регистратора-анализатора MIC-300M ΔF = 0 - 28,8 кГц (частота дискретизации F_s = 64 кГц), может быть получено высокое абсолютное разрешение по частоте Δf = F_s / N . Так, при N = 262144, без использования известного в ЦОС режима "ZOOM", Δfmin = 0,244 Гц при минимальной длительности выборки исходного сигнала Т ≈ 4,1 сек. (T = Δt * N, где Δt = 1 / FS).

После вычисления автоспектров, при необходимости, WinПОС позволяет определить взаимные характеристики исследуемых сигналов, в частности функции когерентности, спектры сдвигов фаз. Затем, оперативно возможно вернуться во временную область для осуществления фильтрации, выделения огибающих сигналов и определения корреляционных зависимостей.

После вычисления автоспектров, при необходимости, WinПОС позволяет определить взаимные характеристики исследуемых сигналов, в частности функции когерентности, спектры сдвигов фаз. Затем, оперативно возможно вернуться во временную область для осуществления фильтрации, выделения огибающих сигналов и определения корреляционных зависимостей.

На любом этапе обработки и анализа предоставляется возможность переместить действия в амплитудную область для определения вероятностных характеристик.

Таким образом, WinПОС обеспечивает определение основного набора функциональных возможностей (ОНФВ) цифровой обработки сигналов (ЦОС) [ 5 ], включающего измерение:

• параметров формы сигнала;
• линейного спектра;
• спектра мощности;
• взаимного спектра;
• передаточной функции;
• функции когерентности;
• когерентного спектра мощности;
• корреляционной функции;
• взаимной корреляционной функции;
• гистограммы;
• плотности вероятности;
• функции распределения.

В таблице 3 кратко представлены известные серийные системы и приборы цифровой обработки и анализа динамических сигналов. По выполняемым функциям ЦОС указанные системы и приборы весьма близки, хотя у каждого из них имеются специфические свойства. Видно, что MIC-300M в режиме "Анализатор" адекватно занимает место в представленном ряду.

Таким образом, серийный отечественный прибор MIC-300M совмещает в себе функции полноценного цифрового регистратора динамических параметров энергетических машин и функции современного цифрового анализатора динамических сигналов. Это подтверждается его успешным использованием, начиная с 2001 года, в указанных выше качествах на предприятиях авиационного двигателестроения и энергетического машиностроения. 

ЛИТЕРАТУРА

1. ПОТАПОВ И.А., КАРИНСКИЙ В.И., КУЗНЕЦОВ Е.А., ШАТОХИН А.Г. "Регистратор динамических параметров авиационных газотурбинных двигателей". Контрольно-измерительные приборы и системы, №4, 2003, стр. 29-31,ЭЛИКС, Москва.
2. ХОРИКОВ А.А., ШАТОХИН А.Г. "Обобщение опыта исследования динамической нагруженности элементов ГТД по результатам спектрального анализа пульсаций потока". Авиационно-космическая техника и технология, сборник научных трудов, выпуск 31, 2002, стр. 82, Харьков, ХАИ.
3. WinПОС. Пакет обработки сигналов. Руководство пользователя. Издание второе, 2005, НПП "МЕРА", г. Королев.
4. WinПОС. Пакет обработки сигналов. Руководство программиста. Издание второе, 2005, НПП "МЕРА", г. Королев.
5. КРАСНОЩЕКОВ И.П., ЧУПРАКОВ Б.А., КАГАН А.Д. "Комплект цифровых анализаторов сигналов в реальном масштабе времени". Техника средств связи, серия "Радиоизмерительная техника", выпуск 3, г. Горький, 1990, стр. 87-98.