диагностический виброметр

Формула изобретения

1. ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ВИБРОМЕТР, содержащий вибропреобразователь, усилитель, детектор, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок, блок индикации, вход которого соединен с выходом вычислительного блока, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и оперативности диагностирования и расширения функциональных возможностей путем оценки технического состояния механических систем, их узлов и элементов и оценки уровней вибрации и шума на рабочих местах, он снабжен микрофоном, первым, вторым и третьим ключами, интегратором, первым и вторым блоками фильтров и блоком управления, вибропреобразователь и микрофон соединены соответственно с первым и вторым входами первого ключа, выход которого через усилитель соединен с входом интегратора и первым входом второго ключа, выход интегратора соединен с вторым входом ключа, выход которого соединен с первым входом третьего ключа и информационным входом первого блока фильтров, второй вход третьего ключа соединен с выходом детектора, информационный вход которого соединен с выходом первого блока фильтров, выход третьего ключа соединен с информационным входом второго блока фильтров, выход которого подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, соединенного с информационными входами вычислительного блока, первый, второй, третий, четвертые и пятый выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами первого ключа, второго ключа, первого блока фильтров, детектора и третьего ключа, шестой, седьмой, восьмой, четвертые и девятые выходы блока управления соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертыми и пятыми управляющими входами вычислительного блока, первые и вторые управляющие выходы которого соединены соответственно с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и второго блока фильтров.

2. Виброметр по п.1, отличающийся тем, что блок управления содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый двухполюсные переключатели и первый, второй и третий многополюсные переключатели, выходы первого, второго, третьего, четвертого и пятого двухполюсных переключателей соединены соответственно с первым, вторым, седьмым, шестым и восьмым выходами блока управления, выходы первого, второго и третьего многополюсных переключателей соединены соответственно третьими, четвертыми и девятыми выходами блока управления, один из выходов третьего многополюсного переключателя соединен с входами первого и второго многополюсных переключателей и пятым выходом блока управления.

3. Виброметр по п.1, отличающийся тем, что детектор содержит блок выделения огибающей, n интеграторов и коммутатор, причем информационный вход детектора через блок выделения огибающей и каждый i-й интегратор соединен с i-м входом коммутатора, выход и управляющие входы которого соединены соответственно с выходом и управляющими входами детектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для оценки состояния механизмов машин, их узлов и элементов, а также для оценки уровней вибрации и шума на рабочих местах.

Известен диагностический вибратор [1], содержащий вибропреобразователь, согласующий усилитель, частотный анализатор, аналоговый мультиплексор, блок выделения огибающей, аналого-цифровой преобразователь, блок ввода информации в микроЭВМ, микроЭВМ, блок вывода информации из микроЭВМ, блок управления, блок промежуточный памяти, блок цифроаналоговых преобразователей, блок масштабных усилителей и блок индикации.

Оценка технического состояния механизмов машин при помощи известного виброметра производится с учетом взаимосвязи влияния локальных дефектов и дефектов изготовления и сборки элементов механизмов машин со спектральными характеристиками вибрации исследуемого механизма, что предполагает перед проведением диагностики технического состояния механизмов машин необходимо произвести "обучение" виброметра, которое осуществляется с использованием эталонного механизма с минимальными дефектами, что требует больших временных затрат на осуществление диагностики, а в промышленных условиях эксплуатации не всегда можно осуществить процесс "обучения".

Известен диагностический виброметр [2], содержащий вибропреобразователь, усилитель, частотный анализатор, детектор, аналого-цифровой преобразователь, блок адаптации, блок сравнения, вычислительный блок, блок дискриминантной функции, пороговый блок, синхронизатор, счетчик, блок совпадения, блок задержки и индикатор.

Известный виброметр реализует алгоритм диагностики вектора дефектов, составляющие которого определяют техническое состояние механизма машины. Виброметр позволяет производить диагностику дефектов механизмов машин различных по типу и размерам без изменения конструкции виброметра, изменяя только его программное обеспечение.

Недостатком известного виброметра является то, что он не способен осуществить функции:

спектрального анализа сигналов вибрации и шума для оценки спектра частот вибрации и шума, формируемых диагностируемых объектом для оценки его технического состояния;

определение среднеквадратичных и пиковых значений вибрации и шума по октавам и отношение пиковых значений в октавах к среднеквадратичным для оценки технического состояния диагностируемого объекта в целом;

резонансно-демодуляционного спектрального анализа вибрации для оценки технического состояния узлов и элементов диагностируемого объекта и выявления дефектов формирующих ударные импульсы;

определение уровней шума и вибрации на рабочих местах для оценки их соответствия санитарным нормам.

Выполнение указанных функций позволит определить вибрационные и шумовые характеристики диагностируемого объекта и по ним оценивать его техническое состояние.

Целью изобретения является повышение достоверности и оперативности диагностирования и расширение функциональных возможностей за счет оценки технического состояния механических систем их узлов и элементов и оценки уровней вибрации и шума на рабочих местах.

Указанная цель достигается тем, что диагностический виброметр, содержащий вибропреобразователь, усилитель, детектор, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок, информационные выходы которого соединены с блоком индикации, снабжен микрофоном, первым и вторым и третьим ключами, интегратором, первым и вторым блоками фильтров и блоком управления, причем вибропреобразователь и микрофон соединены соответственно с первым и вторым входами первого ключа, выход которого через усилитель соединен с входом интегратора и первым входом второго ключа, выход интегратора соединен с вторым входом второго ключа, выход которого соединен с первым входом третьего ключа и информационным входом первого блока фильтров, второй вход третьего ключа соединен с выходом детектора, информационный вход которого соединен с выходом первого блока фильтров, выход третьего ключа соединен с информационным входом второго блока фильтров, выход которого подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, соединенного выходами с информационными входами вычислительного блока, первый, второй, третьи, четвертые и пятый выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами первого ключа, второго ключа, первого блока фильтров, детектора и третьего ключа, шестой, седьмой, восьмой, четвертые и девятые выходы блока управления соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятыми управляющими входами вычислительного блока, первый и вторые управляющие выходы которого соединены соответственно с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и второго блока фильтров. При этом блок управления содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый двухполосные переключатели и первый, второй и третий многополюсные переключатели, причем выходы первого, второго, третьего, четвертого и пятого двухполюсных переключателей соединены соответственно с первым, вторым, седьмым, шестым и восьмым выходами блока управления, выходы первого, второго и третьего многополюсных переключателей соединены соответственно с третьими, четвертыми и девятыми выходами блока управления, один из выходов третьего многополюсного переключателя соединен с входами первого и второго многополюсных переключателей и пятым выходом блока управления.

Кроме этого, детектор содержит блок выделения огибающей, n интеграторов и коммутатор, причем информационный вход детектора через блок выделения огибающей и каждый i-тый интегратор соединен с i-тым входом коммутатора, выход и управляющие входы которого соединены соответственно с выходом и управляющими входами детектора.

На фиг.1 представлена функциональная схема диагностического виброметра; на фиг. 2 - функциональная схема блока фильтров; на фиг.3 - функциональная схема детектора; на фиг.4 - функциональная схема блока управления; на фиг.5 и 6 - блок-схема алгоритма работы вычислительного блока.

Диагностический виброметр содержит вибропреобразователь 1, микрофон 2, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого ключа 3. Выход ключа 3 соединен через усилитель 4 с входом интегратора 5 и первым входом второго ключа 6, выход интегратора 5 - с вторым входом второго ключа 6, выход которого соединен с первым входом третьего ключа 7 и информационным входом первого блока 8 фильтров.

Выход первого блока 8 фильтров соединен с информационным входом детектора 9, выход которого соединен с вторым входом третьего ключа 7, выход которого подключен к информационному входу второго блока 10 фильтров, а выход последнего - с аналого-цифровым преобразователем 11, выходы которого подключены к информационным входам вычислительного блока 12. Первый, второй, третьи, четвертые и пятый выходы блока 13 управления соединены соответственно с управляющими входами первого ключа 3, второго ключа 6, первого блока 8 фильтров, детектора 9 и третьего ключа 7. Четвертые, шестой, седьмой, восьмой и девятые выходы блока 13 управления соединены соответственно с четвертыми, первым, вторым, третьим и пятыми управляющими входами вычислительного блока 12, информационный выход которого соединен с блоком индикации 14.

Первый блок 8 фильтров состоит из m фильтров 15-15m, информационные входы которых соединены с информационными входом блока 8 фильтров, а выход каждого j-того фильтра соединен с j-тым входом коммутатора 16. Управляющие входы коммутатора 16 и его выход соединены соответственно с управляющими входами и выходами блока 8 фильтров.

Второй блок 10 фильтров аналогичен по структурной схеме первому блоку 8 фильтров, отличие состоит в том, что блок 10 фильтров содержит n фильтров и каждый i-тый фильтр соединен с i-тым входом коммутатора. По существу блоки 8 и 10 фильтров отличаются выполнением самих фильтров. В блоке 10 фильтры выполняют функции фильтра низких частот с различными частотами среза, а в блоке 8 фильтры выполняют функции полосовых фильтров, настроенных на различные частоты.

Детектор 9 содержит блок 17 выделения огибающей, вход которого соединен с входом детектора 9, а выход через каждый i-тый интегратор 18 соединен с i-тым входом коммутатора 19, управляющие входы и выход которого соединены соответственно с управляющими входами и выходами детектора.

Блок 13 управления содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый двухполюсные переключатели 20, 21, 22, 23 и 24, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, седьмым, шестым и восьмым выходами блока 13 управления.

Первый, второй и третий многополюсные переключатели 25, 26 и 27, выходы которых соединены соответственно с третьими, четвертыми и девятыми выходами блока 13 управления. Один из выходов третьего многополюсного переключателя 27 соединен с пятым выходом блока 13 управления и входом первого и второго многополюсных переключателей 25 и 26. Первый, второй, третий, четвертый и пятый двухполюсные переключатели 20, 21, 22, 23 и 24 и первый, второй и третий многополюсные переключатели 25, 26 и 27 соединены с "общим" проводом питания, а первый, второй, третий и четвертый и пятый двухполюсные переключатели 20, 21, 22, 23 и 24 и третий многополюсный переключатель 27 - с проводом питающего направления.

Вычислительный блок 12 может быть реализован на одном из известных микропроцессорных комплектах по известной схеме и содержит устройства ввода-вывода, через которые все внешние связи вычислительного блока 12 соединяются с шинами адреса данных управления, к которым также подключены собственно процессор, ПЗУ и ОЗУ.

Работа виброметра диагностического при диагностировании технического состояния механических систем заключаются в следующем.

Виброметр диагностический имеет восемь режимов работы, которые выбираются третьим многополюсным переключателем 27 блока 13 управления, это:

режим спектрального анализа;

режим резонансно-демодуляционного спектрального анализа;

режим определения среднеквадратичных значений по октавам;

режим выделения пиковых значений по октавам;

режим пикфактора (определение отношений пиковых значений к среднеквадратичным) по октавам;

режим измерения шума на рабочих местах;

режим измерения локальных вибраций;

режим измерения общих вибраций.

Кроме того, первым ключом 3, которым управляет первый двухплюсный переключатель 20 блока 13 управления, выбирается первичный преобразователь-вибропреобразователь 1 или микрофон 2. Вторым ключом 6, которым управляет второй двухполюсный переключатель 21 блока 13 управления, включается или выключается в цепь прохождения сигнала интегратор 5.

В режиме "спектральный анализ виброускорения" диагностируемого объекта третий многополюсный переключатель 27 блока 13 управления устанавливается в положение "спектральный анализ". Первый и второй двухполюсные переключатели 20 и 21 блока 13 управления устанавливаются соответственно в положение "вибропреобразователь" и "ускорение", при этом вибропреобразователь 1 соединяется через усилитель 4 при помощи первого, второго и третьего ключей 3, 6 и 7 с информационным входом второго блока 10 фильтров.

В режиме "спектральный анализ виброскорости" диагностируемого объекта третий многополюсный переключатель 27 блока 13 управления устанавливается в положение "Спектральный анализ". Первый и второй двухполюсные переключатели 20 и 21 блока 13 управления устанавливаются соответственно в положения "Вибропреобразователь" и "Скорость", при этом вибропреобразователь 1 соединяется через усилитель 4 и интегратор 4 при помощи первого, второго и третьего ключей 3, 6 и 7 с информационным входом второго блока 10 ключей.

В режиме "Спектральный анализ шума" диагностируемого объекта третий многополюсный переключатель 27 блока 13 управления устанавливается в положение "Спектральный анализ". Первый и второй двухполюсные переключатели 20 и 21 устанавливаются соответственно в положения "Микрофон" и "Скорость", при этом микрофон 2 соединяется через усилитель 4 и интегратор 5 при помощи первого, второго и третьего ключей 3, 6 и 7 с информационным входом второго блока 10 фильтров. В случае использования микрофоны 2 с предусилителем интегратор 5 при помощи второго двухполосного переключателя 21 и второго ключа 6 из цепи исключается, в этом случае микрофон 2 соединяется с информационным входом второго блока 10 фильтров только через усилитель 4.

Кодовая комбинация, соответствующая режиму "Спектральный анализ", с выходом третьего многопозиционного переключателя 27 подается на девятые выходы блока 13 управления и далее - на пятые управляющие входы вычислительного блока 12.

При нажатии кнопки "Выполнение команды" (ВК) двухполюсного переключателя 23 блока 13 управления сигнал с его выхода подается на шестой выход блока 13 управления и далее - на первый управляющий вход вычислительного блока 12, который осуществляет реализацию алгоритма, представленного на фиг.5 и 6.

Вначале вычислительный блок 13, опрашивая состояние входных сигналов на пятом управляющем входе, определяет, что установлен режим не резонансно-демодуляционного спектрального анализа, затем формирует на своих вторых управляющих выходах кодовую комбинацию сигналов, которые поступают на управляющие входы второго блока 10 фильтров и включают коммутатор 16 в первое состояние, подключая между входом и выходом второго блока 10 фильтров первый фильтр 15. Сигнал, поступающий с третьего ключа 7, фильтруется первым фильтром 15 второго блока 10 фильтров и поступает на информационный вход аналого-цифрового преобразователя.

Затем вычислительный блок 12 формирует на своем первом управляющем выходе сигнал, который запускает в работу аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, считывает цифровую информацию, поступающую с выходов АЦП 11, записывает ее в определенную область памяти и осуществляет 1-й спектральный анализ быстрым преобразованием Фурье (1-й БПФ). Затем, поочередно, аналогично предыдущему, производится запись цифровой информации и каждый i-тый БПФ при поочередном включении каждого i-того из n фильтров 15 второго блока 10.

По окончании записи вычислительный блок 12 определяет, что включен режим "спектральный анализ" и выводит на блок 14 индикации значение амплитуды сигнала на нулевой частоте. Для вывода значение следующей частоты и соответствующей ей амплитуды необходимо кратковременно нажать кнопку "Индикация" двухполюсного переключателя 22 блока 13 управления. Для непрерывного вывода значений частот и соответствующих им амплитуд кнопку "Индикация" двухполюсного переключателя 22 блока 13 необходимо удерживать в нажатом положении. На выходе двухполюсного переключателя 22, седьмом выходе блока 13 управления и втором управляющем входе вычислительного блока 12 формируется или кратковременный импульс, или непрерывный сигнал. При кратковременном импульсе вычислительный блок 12 выводит на блок 14 индикации следующее значение частоты и соответствующее ей значение амплитуды. При непрерывном сигнале вычислительный блок 12 выводит на блок 14 индикации поочередно значения частот и соответствующие им значения амплитуд.

По окончании вывода результатов спектрального анализа и последующем нажатии кнопки "ВК" блока 13 управления вычислительный блок 12 опрашивает свои пятые управляющие входы и определяет изменен ли режим работы третьим многополюсным переключателем 27 блока 13 управления или нет. Если режим работ не изменен, то вычислительный блок 12 вновь выводит на блок 14 индикации нулевую частоту и соответствующее ей значение амплитуды. Если режима работы изменен, то вычислительный блок 12 определяет на резонансно-демодуляционный спектральный анализ, изменен режим работы или нет. Если нет, то вычислительный блок 12 определяет, какой режим работы выбран третьим многополюсным переключателем 27 блока 13 управления.

При режиме работы "Среднеквадратичные значения" (СКЗ) вычислительный блок 12 из результатов всех n БПФ определяет СКЗ по октавам и по окончании вычислений выводит на блок 14 индикации значение частоты первой октавы и соответствующее ей СКЗ. Вывод информации на блок 14 индикации осуществляется при помощи кнопки "Индикация" блока 13 управления аналогично описанному.

По окончании вывода результатов СКЗ и последующем нажатии кнопки "ВК" блока 13 управления вычислительный блок 12 определяет изменен ли режим. Если режим работы не изменен, то результаты СКЗ могут быть выведены на блок 14 индикации многократно. При изменении режима работы на "пиковые значения" (пик 3н) вычислительный блок 12 определяет "пиковое" (максимальное) значение амплитуды в каждой октаве и аналогично описанному выше выводит эту информацию на блок 14 индикации. При изменении режима работы на "пикфактор" ("ПФ") вычислительный блок 12 определяет отношение пикового значения амплитуды в октавах к соответствующему СКЗ и аналогично описанному выводит эту информацию на блок 14 индикации.

При изменении режима работы на "измерение шума" (шум А") вычислительный блок 12 из значений СКЗ в октавах 6, 3, 125, 250, 500 и 8000 Гц, вычитает соответственно 26,6, 16,1, 8,6, 3,2 и 1,1 дБ, в октавах 1000, 2000 и 4000 Гц к значениям СКЗ прибавляет 0, 1,2 и 1 дБ, получает значения L_k, по выражению

L = 10 lg 10 определяет суммарный уровень звука (дБ) и аналогично описанному выше выводит на блок 14 индикации значение суммарного уровня звука, значения частот октав и соответствующие им значения СКЗ.

При измерении режима работы на "Измерение локальной вибрации ("лок.Вб") вычислительный блок 12 определяет корректированные СКЗ в заданных октавах, при этом значения СКЗ в октавах 8,0, 16, 31,5, 63, 125, 250, 500 и 1000 Гц умножаются соответственно на коэффициенты 1,0; 1,0; 0,5; 0,25; 0,125; 0,063; 0,0315; 0,016 и определяет интегральный уровень вибрации, при этом корректированные СКЗ в указанных октавах возводятся в квадрат, суммируются и из результата извлекается квадратный корень. По окончании вычислений вычислительный блок 12 выводит в блок 14 индикации аналогично описанному информацию об указанных октавных полосах и соответствующим им СКЗ, а также значение интегрального уровня вибрации.

При изменении режима работы на "измерение общей вибрации" ("общ.Вб.") вычислительный блок 12 определяет корректированные СКЗ в заданных октавах, при этом значения СКЗ в октавах 1, 2, 4, 8, 16, 31,5 и 63 Гц умножаются соответственно на коэффициенты 0,045, 0,16, 0,45, 0,9, 1,0, 1,0, 1,0 и определяет интегральный уровень вибрации, при этом извлекается квадратный корень из суммы квадратов корректированных СКЗ. По окончании вычислений вычислительный блок 12 выводит в блок 14 индикации аналогично описанному информацию о СКЗ по октавам, а также значение интегрального уровня вибрации.

При изменении режима работы на "резонансно-демодуляционный спектральный анализ" (РДСА), который устанавливается третьим многополосным переключателем 27 блока 13 управления, на входы первого и второго многополосные переключатели 25 и 26 подается сигнал, который позволяет переключением переключателя 25 выбрать частоту резонанса, а переключает 26 - диапазон РДСА.

Кроме того, формируется сигнал на пятом выходе блока 13 управления, который поступает на управляющий вход третьего ключа 7, переключая его в состояние, при котором выход детектора 9 соединяется с информационным входом второго блока 10 фильтров.

Цифровые кодовые сигналы с выходов первого и второго многополосных переключателей 25 и 26 поступают соответственно на третьи и четвертые выходы блока 13 управления. Сигналы с третьих выходов блока 13 управления подаются на управляющие входы первого блока 8 фильтров и далее - на коммутатор 16, который соединяет между входом и выходом блока 8 фильтр 15, соответствующий кодовой комбинации управляющего сигнала.

Сигналы с четвертых выходов блока 13 управления подаются на управляющие входы детектора 9 и на четвертые управляющие входы вычислительного блока 12. В детекторе 9 эти сигналы поступают на управляющие входы коммутатора 19, который соединяет выход интегратора 18 соответствующего кодовой комбинации управляющего сигнала с выходом детектора 9. Таким образом, формируется соединение выхода второго ключа 6 через второй блок 8 фильтров, детектор 9, третий ключ 7 с информационным входом второго блока 10 фильтров, при этом в первом блоке 8 фильтров выбирается фильтр на заданную резонансную частоту, а детекторе 9 установлена постоянная времени, соответствующая выбранному диапазону РДСА. При нажатии кнопки "ВК" блока 13 управления вычислительный блок 12, опрашивая свои четвертые и пятые управляющие входы, устанавливает, что режим изменен на РДСА и определяет диапазон РДСА. После этого вычислительный блок 12 формирует на своих вторых управляющих выходах цифровой сигнал, который подается на управляющий вход второго блока 10 фильтров и далее - на управляющие входы коммутатора 16, который соединяет с выходом второго блока 10 выход фильтра 15, соответствующего выбранному диапазону РДСА.

Затем формируется сигнал на первом управляющем выходе вычислительного блока 12, который поступает на управляющий вход АЦП 11, который включается и на своих выходах формирует цифровые сигналы, соответствующие входному сигналу. Вычислительный блок 12 записывает сигналы АЦП 11, затем производит спектральный анализ записанного сигнала БПФ, соответствующим выбранному диапазоне РДСА.

По окончании спектрального анализа вычислительный блок 12 выводит в блок 14 индикации аналогично описанному результаты спектрального анализа. По окончании вывода информации нажимается кнопка "ВК" четвертого двухпозиционного переключателя 23 и блока управления 13 и вычислительный блок 12 определяет изменен ли режим работы. Если режим работы не изменен, то вывод информации в блок 14 индикации повторяется, если режим работы изменен, то вычислительный блок 12 определен какой режим выбран и выполняет этот режим аналогично описанному согласно алгоритму, представленному на блок-схеме фиг.5 и 6.

Кроме этого, кнопкой "Сброс" двухполосного переключателя 24 блока 13 управления работа вычислительного блока 12 может быть прервана в любой момент времени и он будет установлен в исходное состояние, т.е. кнопкой "Сброс" может быть осуществлена инициализация.

Таким образом, диагностический виброметр, осуществляя анализ шума и вибрации механических систем в режимах спектральный анализ, определение СКЗ по октавам, определение пиковых значений по октавам, пикфактора по октавам, резонансно-демодуляционного анализа по диапазонам и оценивая создаваемые шум и вибрацию на рабочих местах позволяет повысить достоверность и оперативность диагностирования механических систем их узлов и элементов.