способ автоматической бесконтактной диагностики электротехнических устройств

Формула изобретения

Способ автоматической бесконтактной диагностики электротехнических устройств, содержащих индуцирующие периодически изменяющееся магнитное поле рассеяния элементы, состоящий в измерении магнитной индукции поля рассеяния электротехнического устройства (объекта контроля), разложении выходного сигнала измерителя-преобразователя в спектр и сравнении с заранее заданным значением, отличающийся тем, что на конструкцию объекта контроля механически закрепляют маркирующие магнитный поток его поля рассеяния, источники магнитного поля так, чтобы их взаимное расположение образовывало охватывающую все множество предварительно определенных для диагностируемого объекта точек измерения пространственную область маркированного магнитного потока, обеспечивают угловую стабилизацию оси чувствительности измерителя-преобразователя относительно объекта контроля, размещают измеритель-преобразователь в области маркированного магнитного потока и по величине и соотношению амплитуды спектральных составляющих сигнала измерителя-преобразователя, соответствующих частотам колебаний в используемых источниках магнитного поля, судят о текущем положении измерителя-преобразователя относительно объекта контроля, вычисляют по заранее известным зависимостям необходимое перемещение к первой точке измерений, перемещают измеритель-преобразователь в данную точку, в которой по результатам анализа характеристик спектра сигнала делают вывод о состоянии контролируемых параметров объекта контроля, затем для уточнения полученной информации осуществляют переход к следующим точкам измерений по соответствующему ситуационному алгоритму.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области технической диагностики и может быть использовано для автоматизированного бесконтактного диагностирования технического состояния электротехнических устройств различных типов, индуцирующих периодически изменяющееся магнитное поле рассеяния.

Известен способ контроля исправности полупроводниковых приборов, реализованный в устройстве для контроля полупроводниковых приборов [1], сущность которого заключается в подключении к контролируемому полупроводниковому прибору с помощью щупов устройства контроля с последующей оценкой реакции полупроводникового элемента на стимулирующее воздействие (прямоугольные импульсы в противофазе, следующие от специального генератора).

Наиболее существенным недостатком указанного способа является необходимость перевода оборудования в режим проверки, что требует выключения аппаратуры из технологического процесса на время ее проведения. Таким образом, проверка снижает эффективность использования контролируемых приборов.

Известен способ контроля блоков питания, содержащих силовой трансформатор, заключающий в том, что вблизи силового трансформатора размещают измеритель-преобразователь параметров магнитного поля, ориентируют его ось чувствительности относительно оси обмоток трансформатора и по динамике изменения сигнала, поступающего с измерителя-преобразователя, судят о величине напряжения в первичной обмотке и величине тока нагрузки во вторичной обмотке трансформатора [2].

Основным недостатком данного способа, влияющим на достоверность получаемых результатов, является неоднозначность положения измерителя-преобразователя относительно силового трансформатора.

Ближайшим по технической сущности аналогом, выбранным за прототип, является способ экспресс-диагностики выпрямительных элементов блоков питания (А. С. СССР 17181591, 1989), заключающийся в том, что формируют сигнал, пропорциональный напряженности магнитного поля рассеяния силового трансформатора блока питания, выделяют информативный параметр и сравнивают его с эталонным значением, по результату сравнения проводят диагностику объекта контроля, при этом формируют опорные сигналы гармоник напряжения, питающего первичную обмотку трансформатора блока питания, разлагают сигнал, пропорциональный напряженности магнитного поля рассеяния в спектр, в качестве информативного параметра используют спектр амплитуд и фаз сигнала измерителя-преобразователя, а в качестве эталонного-спектр амплитуд и фаз опорных сигналов.

Способ, выбранный в качестве прототипа, также имеет недостаточно высокую достоверность. Это обусловлено тем, что спектр сигнала измерителя-преобразователя определяется не только техническим состоянием блока питания, но и взаимным расположением его оси чувствительности и обмоток силового трансформатора. Изменение взаимного положения этих устройств вызывает искажение спектра сигнала, что влияет на результаты диагностирования и соответственно ухудшает достоверность контроля.

Характеристики магнитного поля рассеяния, окружающего блока питания, определяются не только абсолютными значениями протекающих по элементам схемы токов, но и формой проводников, конструктивным исполнением элементов схемы, материалами из которых изготовлен блок и другими обстоятельствами. Следовательно, использование рассматриваемого способа для диагностирования однотипных, имеющих отличия в конструктивном исполнении устройств, потребует изменения взаимного расположения электротехнического устройства - объекта контроля (ОК) и измерителя-преобразователя магнитного поля рассеяния (ИП). Указанное обстоятельство ограничивает область применения выбранного за прототип способа технического диагностирования требования к однотипности конструкции объекта контроля.

Существенным недостатком также является невысокая информативность результатов контроля, поскольку рассматриваемый способ позволяет измерять только четыре параметра, характеризующих технические состояния ОК. В то же время, из характеристик магнитного поля рассеяния трансформаторно-выпрямительного блока может быть получена дополнительная информация о других, не менее важных параметрах технического состояния ОК, таких как:

появлении короткозамкнутых витков в индукционных элементах схемы;

замыкании между пластинами магнитопровода силового трансформатора;

обрыве или коротком замыкании элементов схемы;

обрыве питающего напряжения, перегрузке по току и другое.

Задача, решаемая предлагаемым способом, состоит в том, чтобы определить техническое состояние РК, излучающего периодически изменяющееся магнитное поле рассеяния, по результатам измерения параметров этого поля.

Целью изобретения является увеличение количества типов диагностируемых объектов и числа контролируемых параметров, а также повышение достоверности результатов контроля.

Поставленная цель достигается тем, что на конструкцию объекта контроля механически закрепляют маркирующие магнитный поток поля рассеяния объекта контроля источники магнитного поля так, чтобы их взаимное расположение образовывало охватывающую все множество предварительно определенных для диагностируемого объекта точек измерения пространственной области маркированного магнитного потока, обеспечивают угловую стабилизацию оси чувствительности измерителя-преобразователя относительно объекта контроля, размещают измеритель-преобразователь в области маркированного магнитного потока и по величине и соотношению амплитуд спектральных составляющих сигнала измерителя-преобразователя, соответствующих частотам колебаний в используемых источниках магнитного поля, судят о текущем положении измерителя-преобразователя относительно объекта контроля, вычисляют по заранее известным зависимостям необходимое перемещение к первой точке измерений, перемещают измеритель-преобразователь в данную точку, в которой по результатам анализа характеристик спектра сигнала делают вывод о состоянии контролируемых параметров объекта контроля, затем для уточнения полученной информации осуществляют переход к следующим точкам измерений по соответствующему ситуационному алгоритму.

Предлагаемый способ автоматической бесконтактной диагностики электротехнических устройств позволяет увеличить количество типов диагностируемых устройств, число контролируемых параметров и повысить достоверность получаемых результатов.

Использование способа дает положительный эффект, состоящий в:

сокращении трудозатрат при переходе к проведению технического обслуживания контролируемых устройств по их фактическому техническому состоянию за счет сокращения объема работ и упразднения системы календарных обслуживаний;

повышении производительности оборудования за счет сокращения времени простоя, как при поиске и устранении неисправностей, так и при проведении контроля технического состояния;

повышении достоверности результатов контроля за счет применения высокоточной системы измерения и обработки результатов совместно с получением информации о состоянии объекта контроля в ряде точек измерения его магнитного поля рассеяния (МПР);

увеличении числа типов диагностируемых устройств за счет распространения области применения предлагаемого способа на все электротехнические устройства, излучающие периодически изменяющееся магнитное поле рассеяния;

увеличение числа контролируемых параметров технического состояния ОК за счет повышения количества точек измерения параметров его МПР.

Сущность изобретения пояснена на чертежах. На фиг. 1 показано взаимное расположение ИП, ОК, и области маркированного магнитного потока, охватывающей точки измерения; на фиг. 2 - функциональная схема устройства "Автоматизированный измерительно-диагностический комплекс" (АИДК), реализующего заявляемый способ; на фиг. 3. - структурная схема устройства перемещения; на фиг. 4 - структурная схема возможной реализации блока анализатора спектра, его функции в АИДК осуществляет анализатор спектра вычислительный; на фиг. 5 и 6 - возможные варианты взаиморасположения источников магнитного поля, которые обеспечивают двухкоординатное перемещение ИП, причем каждой точке измерения (1,2,3,4,5... N) соответствует только одна пара значений магнитных координат . Под манитной координатой будем понимать значение амплитуды колебаний создаваемого источника магнитного поля, маркирующего магнитный поток ОК вектора, измеряемое на выходе ИП в любой из точек пространства вокруг ОК.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом, ИП (фиг. 1) помещен в область маркированного магнитного потока поля рассеяния ОК и его ось чувствительности ориентирована так, чтобы соответствовать заранее заданному положению. ИП подключен к анализатору спектра АС (фиг. 2) и установлен на рабочей платформе устройства перемещения УП. На конструкции ОК закреплены источники магнитного поля ИМП, таким образом, чтобы полученный маркированный магнитный поток ОК образовал бы область, охватывающую все априорно известное количество необходимых для диагностирования точек измерения. Пример такого расположения приведен на фиг. 5 и 6. Выход блока анализатора спектра подключен к порту ввода информации микроЭВМ. МикроЭВМ связана каналами связи с накопителем на магнитных дисках НГМД, пультом оператора ПО и устройством отображения УО, а через порт управления внешними устройствами с устройством перемещения УП.

Принцип действия заявляемого способа состоит в следующем. При функционировании любых электротехнических устройств возникает пространственно-временное распределение токов в объеме конструкции этих устройств. Динамика изменения токов, существующих в элементах ОК, величина амплитуд, фаз и геометрические места их протекания связаны с характеристиками элементов, образующих электрические цепи ОК. Магнитное поле рассеяния, таким образом, представляет собой суперпозицию магнитных полей, создаваемых всеми имеющими место при функционировании электротехнического устройства токами. Следовательно, характеристики магнитного поля рассеяния зависят от рабочих характеристик элементов ОК. Изменение характеристик ОК (сопротивления, напряжения питания, тока нагрузки, пробоя на корпус и др.) отражается на картине магнитного поля рассеяния (МПР) и регистрируется в виде отклонения характеристик динамики результирующего вектора магнитной индукции, измерение которого осуществляется с помощью ИП МПР ОК. Напряжение на выходе ИП:



где - результирующий вектор магнитный индукции МПР ОК; - вектор, совпадающий с направлением оси чувствительности ИП.

Полученный с выхода ИП сигнал подвергается анализу путем разложения его в спектр и сравнения характеристик спектральных составляющих, с использованием различных математических процедур. Результаты анализа получают в виде числовых характеристик, значения которых соответствуют текущим значениям параметров контролируемого устройства.

Отметим, что из-за влияния на результат измерений положения оси чувствительности ИП, для автоматического контроля текущего технического состояния ОК необходимо выяснить картину МПР, задаться магнитными координатами точек измерения, обеспечить угловую стабилизацию ИП относительно ОК.

Основные принципы технического диагностирования ряда электротехнических устройств с использованием заявляемого способа проверены экспериментально, для чего авторами создан "Автоматизированный измерительно-диагностический комплекс".

АИДК является одним из примеров реализации заявляемого способа, его структурная схема приведена на фиг. 2. Устройство содержит ИП, который подключен к анализатору спектра АС (фиг. 3) и закреплен на рабочей платформе устройства перемещения УП. Выход блока анализатора спектра подключен к порту ввода информации микроЭВМ. МикроЭВМ связана каналами связи с накопителем на магнитных дисках НГМД, пультом оператора ПО и устройством отображения УО, а через порт управления внешними устройствами с устройством перемещения УП. Источники магнитного поля ИМП являются отдельным устройством и размещены на конструкции ОК.

Устройство работает следующим образом. Данные об ОК поступают в ОЗУ микроЭВМ из НГМД, после чего осуществляется обработка значений амплитуд спектральных составляющих сигнала ИП для определения текущего местоположения ИП относительно ОК. Текущее местоположение ИП рассчитывается путем выделения из массива значений амплитуд спектральных составляющих сигнала ИП тех значений, которые соответствуют частотам источников магнитного поля, маркирующих магнитный поток ОК, и вычисления требуемых приращений магнитных координат для перемещения ИК к первой точке измерений. Затем осуществляется пересчет требуемых приращений магнитных координат в линейные. По ним микроЭВМ вырабатывает соответствующие сигналы управления устройством перемещения УП. Повторяя операции, микроЭВМ производит перемещение ИП в точку измерений с требуемой точностью. В точке измерений сигнал МП преобразуется в спектр, представленный массивом амплитуд спектральных составляющих, который поступает из анализатора спектра и микроЭВМ. Затем по известному алгоритму рассчитывают набор числовых характеристик, соответствующий наблюдаемым в данной точке параметрам ОК. В том случае, если информация недостаточно достоверна, либо не полна, ИП по соответствующему ситуации алгоритму перемещают к следующей точке измерений МПР ОК. Информация о результатах контроля и числовых характеристиках технического состояния ОК может быть запрошена с пульта оператора ПО, а сообщения переданы на устройство отображения информации УО.

Одним из примеров выполнения устройства перемещения может быть устройство, структурная схема которого приведена на фиг. 3. В приведенной схеме согласующее устройство (СУ), блок питания привода (БПП), электропривод (ЭП1, ЭП2), образуют силовую часть устройства перемещения. Механическая часть устройства перемещения включает в себя двухкоординатное устройство передвижения рабочего органа (УПРО1, УПРО2), установленную на нем рабочую платформу (РП), обеспечивающую крепление на этой платформе ИП. Конструкция платформы и устройств передвижения известна и может быть легко реализовано аналогично двухкоординатному графопостроителю. Управление устройством перемещения осуществляется по известному принципу широтно-импульсной модуляции, путем формирования на выходе микроЭВМ кодовых импульсов различной продолжительности.

Возможный вариант реализации блока анализатора спектра представляет собой аппаратную реализацию структурной схемы, приведенной на фиг. 5. Устройства, приведенные на схеме реализуют следующие функции. Широкополосный усилитель (ШУ) усиливает сигнал, поступающий с выхода измерителя-преобразователя и посылает его на входы узкополосных усилителей (УУ), число которых определяется широтой исследуемого спектра и шагом дискретности частот, несущих информацию о различных параметрах состояния ОК. Коммутирующее устройство (КУ) представляет собой набор электронных ключей, соединяющих по командам, вырабытываемым преобразователем аналог-код (ПАК), выходы УУ со входом ПАК. ПАК реализует преобразование амплитуды аналоговых сигналов в код, после чего формирует команду "Опрос", по которой происходит подключение к его входу следующего УУ, и посылается запрос на прерывание в микроЭВМ. Обмен информацией между ПАК и микроЭВМ может быть осуществлен любым другим широкоизвестным способом, поэтому пояснение алгоритма обмена представляется нецелесообразным.

Возможен и другой вариант реализации блока анализатора спектра, использующий принципы временной свертки сигнала, дискретного преобразования Фурье и последующего расчета числовых значений амплитуд спектральных составляющих. В такой последовательности преобразуют сигналы выпускаемые серийно анализаторы спектра вычислительные, например, С4-73 и С4-73/1 марки Е32.745.705. Они также могут быть использованы для реализации предлагаемого способа диагностирования.

Упомянутые выше источники магнитного поля ИМП (Фиг.2) представляют собой индуктивные элементы произвольной формы. Параметры этих источников должны обеспечивать создание переменного магнитного поля на частотах не кратных тем, которые несут информацию о техническом состоянии ОК. Разработка электрической схемы питания источников магнитного поля является рядовой инженерной задачей, пояснение возможных решений которой представляется излишним.

Таким образом, рассматривая заявляемый способ автоматической бесконтактной диагностики электротехнических устройств, излучающих периодически изменяющееся магнитное поле рассеяния, можно утверждать, что в заявляемом объекте появляется новое техническое свойство, состоящее в возможности получения полной и достоверной информации о техническом состоянии различных электротехнических устройств из характеристик магнитного поля рассеяния их окружающего в автоматическом режиме работы средств диагностирования. Это свойство не принадлежит ни одному из известных объектов.

Предлагаемый способ позволяет разработать группу устройств как универсального, так и узкоспециального профиля для контроля и диагностики технического состояния электротехнических установок в процессе их функционирования на штатную нагрузку. Наиболее эффективным представляется использование таких устройств для диагностирования фактического технического состояния установок, обеспечивающих непрерывный технологический процесс, остановка которого для технического обслуживания и устранения неисправностей связана со значительными материальными и финансовыми потерями.

Таким образом, реализация заявляемого способа дает положительный эффект, состоящий в:

сокращении трудозатрат при переходе к проведению технического обслуживания контролируемых устройств по их фактическому техническому состоянию за счет сокращения объема работ и упразднения системы календарных обслуживаний;

повышении производительности оборудования за счет сокращения времени простоя, как при поиске и устранении неисправностей, так и при проведении контроля технического состояния;

повышении достоверности результатов контроля за счет применения высокоточной системы измерения и обработки результатов совместно с получением информации о состоянии объекта контроля в ряде точек измерения его магнитного поля рассеяния;

увеличении числа диагностируемых устройств за счет распространения области применения предлагаемого способа на все электротехнические устройства, излучающие периодически изменяющееся магнитное поле рассеяния.

увеличение числа контролируемых параметров технического состояния ОК за счет повышение количества точек измерения параметров его МПР.