автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Разработка методов измерения параметров нестационарных электрических сигналов, соответствующих технологическим шумам оборудования

На правах рукописи

Слесарев Дмитрий Алексан

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, СООТВЕТСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ШУМАМ ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.11.05 - Приборы и методы измерения

-электрических и магнитных величин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Г

Москва - 1996

Работа выполнена на кафедре электротехники и интроскопии

Московского энергетического института, (технический университет^

Научный руководитель; к.т.н..доцент Г.П. Гаев

Официальные оппоненты: д.т.н. .профессор В.И.Диденко

к.т.н..доцент П.А.Тарасенхо

Ведущая организация: институт иашинояедения

им. A.A. Благонравола РАН

Защита состоится '/ ■> " 1996 г. в < ' на заседании

диссертационного совета К.053.16.10 в МЭИ по адресу: 111250, Красноказарменная ул., д. 14, в ауд.

Отзывы, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан 1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета / , ^

Ai-А

к.т.н., доцент I I Е.А. Бородкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. За последние десять-пятнадцать лет заметно вырос интерес пециапистов к проблемам динамических измерений, так как динамические юдели более полно отражают явления окружающего мира и позволяют писывать развитие физических процессов. Чаще всего в качестве носителя «формации используют электрический сигнал, поэтому при проведении инамических измерений, осуществляемых для изучения того или иного эизического процесса, особую актуальность приобретают вопросы разработки декватных методов измерения параметров и свойств соответствующих лектрических сигналов.

Однако в подавляющем большинстве случаев в литературе ассматриваются стационарные электрические сигналы, характеристики которых, частности, моменты низших порядков и автокорреляционные функции, не ависят от момента времени, для которого они вычисляются. Для реальных жзических процессов имеющих нестационарный характер, гипотеза о гационарности принципиально приводит к неточности результата, а при сследовании быстропротекающих процессов, интерес к которым в последнее ремя особенно возрос - к существенным ошибкам. Среди областей, в которых эзникают задачи, требующие измерения параметром нестационарных сигналов, зжное место занимает виброакустическая диагностика. В частности, как звестно, неустановившиеся режимы работы оборудования, например режимы ззгона и выбега роторных машин, несут значительно больше информации о его эстоянии, чем установившиеся, но для исследования этих режимов необходимы ^фективные методы измерения параметров и анализа нестационарных пектрических сигналов, описывающих вибрационное состояние оборудования.

В связи с этим в последние полтора десятилетия многие исследователи стивно занимались вопросами разработки методов анализа нестационарных тчалов, однако на сегодняшний день метрологические аспекты анализа зстационарных сигналов проработаны недостаточно, что существенно прудняет решение конкретных физических задач.

Наиболее распространенные и широко применяемые в настоящее время

методы измерения параметров и анализа нестационарных сигналов, такие, как метод Фурье-спектрограмм и синхронный анализ, обладают рядом недостатков, которые существенно ограничивают возможность их использования. Наиболее перспективным средством исследования свойств нестационарных сигналов можно назвать частотно-временные представления, в частности, распределение Вигнера, однако их применение сдерживается отсутствием методической проработки этого вопроса и некоторыми негативными свойствами самих частотно-временные представлений.

Цель настоящей работы составляло исследование и разработка эффективных методов измерения параметров нестационарных электрических сигналов, характеризующих технологические шумы оборудования, и разработка измерительно-вычислительного комплекса, реализующего эти методы.

Для достижения данной цели сформулированы следующие задачи:

- классификация типов нестационарных электрических сигналов и соответствующих методов их исследования; выбор модели нестационарного сигнала, характеризующего технологические шумы оборудования и постановка задачи оценивания его частотно-временных параметров;

- разработка приложения теории частотно-временных преобразований, е частности, сглаженного распределения Вигнера, как наиболее универсального метода исследования нестационарных сигналов, для решения задачи измерения параметров нестационарных электрических сигналов;

исследование метрологических характеристик метода измерения параметров нестационарных электрических сигналов, использующего сглаженное распределение Вигнера;

- разработка методики выбора параметров сглаженного распределения Вигнера, обеспечивающих максимальное частотное разрешение при фиксированном уровне интерференционных составляющих и погрешности оценки параметров сигнала;

- исследование метрологических характеристик традиционных методов измерения параметров нестационарных электрических сигналов, таких как Фурье-спектрограмма и синхронный анализ;

- исследование и разработка алгоритма цифрового синхронного анализа

^стационарных электрических сигналов, свободного от недостатков и »граничений, присущих аналоговой реализации этого метода, и оценка его метрологических характеристик;

- разработка методики выбора параметров алгоритма цифрового ¡инхронного анализа, обеспечивающего на основе учета свойств исследуемого :игнала более высокую точность оценки параметров сигнала;

разработка алгоритмического и аппаратурного обеспечения 1змерительно-вычислительного комплекса для анализа нестационарных 1лектрических сигналов, обеспечивающего решение задач виброакустической 1иагностики.

Методы исследования. Теоретический анализ поставленных задач доведен с использованием элементов теории вероятностей и математической :татистики, теории нестационарных сигналов, теории обобщенного |реобразования Фурье, аппарата частотно-временных представлений, методов еории цифровой обработки сигналов. Полученные выводы проверялись кспериментально.

Научная новизна работы заключается в следующем.

- Впервые рассмотрены теоретические аспекты применения сглаженного 'аспределения Вигнера для измерения параметров многокомпонентных 1естационарных электрических сигналов, характеризующих вибрационное остояние оборудования, и получены выражения, описывающие погрешности юлучаемых оценок.

Предложена новая методика выбора параметров сглаженного аспределения Вигнера, позволяющая с учетом свойств анализируемого сигнала I постановки измерительной задачи достичь существенно более высокого астотного разрешения, по сравнению с традиционными методами частотно-ременного анализа сигналов, в частности, методом Фурье-спектрограмм.

- Разработан новый алгоритм цифровой обработки нестационарных лектрических сигналов, обеспечивающий приведение сигнала к локально-тационарному виду путем использования наряду с дискретной оследовательностью исследуемого сигнала дополнительной дискретной юследовательности отсчетов опорного сигнала. Исследованы погрешности

получаемых с использованием разработанного алгоритма оценок лараметроЕ электрического сигнала.

- Впервые предложена методика выбора параметров цифровогс синхронного анализа, обеспечивающая более высокую точность оцен» параметров сигнала, чем при использовании традиционных методов синхронногс анализа.

Положения, выносимые на защиту: - Методика выбора параметров сглаженного распределения Вигнера позволяющая при заданном уровне интерференционных составляющих получить оценки амплитуды компонент нестационарного электрического сигнала < фиксированной погрешностью и максимальным частотным разрешением;

Выражение для погрешности оценки амплитуды компоненть нестационарного электрического сигнала по его сглаженному распределеник Вигнера;

- Алгоритм цифрового синхронного анализа нестационарных электрически) сигналов, использующий кусочно-линейную аппроксимацию закона изменени; частоты опорного сигнала и кусочно-линейную интерполяцию исследуемог« сигнала;

- Методика выбора параметров алгоритма цифрового синхронного анализа обеспечивающая, на основе учета свойств исследуемого сигнала более высокук точность оценки параметров сигнала;

- Выражение для погрешности оценки значения амплитуды компоненть нестационарного электрического сигнала, полученной с использованием метод, цифрового синхронного анализа сигналов.

Прастическая значимость заключается в разработке измерительно вычислительной системы, предназначенной для измерения параметра нестационарных электрических сигналов. Ее использование, в частности, дл) решения задач технической диагностики позволяет исследовать работ оборудования в переходных режимах. В результате применения этой системы н, машиностроительном заводе "Молния" получены данные, позволившие выявит! недоработку в конструкции барабана серийного сепаратора ОСР-О.8.

Достоверность результатов, изложенных в диссертации. Приведенные I

диссертационной работе научные данные обоснованы сопоставлением с результатами численного моделирования, а также с данными, полученными в результате эксперименте с реальными объектами, в частности с сепараторами ОСР-О.8, ОСРБ-О.З.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- российская с международным участием научно-техническая конференция "Нераэрушающий контроль в науке и индустрии 94" (Москва, 1994);

- научно-технический семинар "Динамика процессов в ЯЭУ" (Обнинск,

1994);

- 40-ой международный научный коллоквиум (Ильменау, ФРГ, 1995).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликовны в

5 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, -ттырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Эбъем дисертации составляет страниц машинописного текста, 2 7 рисунков, таблиц,ДУнаименования использованных источников и ^ страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе приведена общая классификация электрических сигналов и летодов их анализа, сформулирована измерительная задача, приведен обзор 1адач, решение которых требует измерения параметров нестационарных )лектрических сигналов.

По признаку зависимости статистических характеристик электрических ¡игналов от времени их классифицируют как стационарные и нестационарные ;игналы. Среди нестационарных сигналов, в частности, выделяют локапьно-ггационарные, однородно модулированные, сигналы с переменным во времени :редним, с переменной во времени частотной структурой. Одним из основных :пособов анализа стационарных электрических сигналов является частотный или :пектральный анализ, который предполагает полигармоническую модель сигнала. 1ри этом задача измерений обычно состоит в оценивании частоты и амплитуды

отдельных спектральных составляющих, которые в данном случае являюта информативными параметрами сигнала, а качество решения этой задач! определяются погрешностью оценок и частотным разрешением.

Отмечено, что при разработке методов анализа нестационарны; электрических сигналов обычно учитывают тип нестационарности сигнала I конкретную его модель. Так, для исследования локально-стационарных сигнало! используют Фурье-спектрограмму, сигналов с переменной частотной структурой синхронный анализ и т.д. Наиболее общий подход предполагает переход о' частотного к частотно-временному описанию, и связан с введением таки; понятий, как мгновенный спектр, мгновенная частота. Развитием этой концепци! в настоящее время стали частотно-временные представления, в частности распределение Вигнера, которые являются универсальным инструментом дл! исследования нестационарных электрических сигналов, поскольку не требую специальных предположений о типе нестационарности. Отмечено также, чт( цифровая реализация методов обработки сигналов позволяет адаптировав алгоритм с учетом свойств конкретного сигнала и достичь таким образом высоко! точности измерений.

Важную роль во многих приложениях играет полигармоническая модел! сигнала. Ее развитие для нестационарных сигналов приводит к обобщенно! квази-полигармонической модели, учитывающей возможные изменения о временем амплитуды ар(Х) и частоты отдельных составляющих элекгрическоп сигнала:

1

л(/)=Х°Д0со5(Я ,/2л-/г(>) Л+?„)+#■(/), (1)

р о

Щ) в данном случае есть частота основной (опорной) составляющей, порядок р-ой составляющей, (рро - начальная фаза р-ой компоненты, аддитивный "белый шум".

При исследовании многих физических процессов в качеств информативных пардметров выступают зависимости мгновенной частоты текущего значения амплитуды отдельных компонент соответствующег электрического сигнала от времени, и, таким образом, ставится задача измерени значений этих параметров. Как и в случае стационарных сигналов, качеств

юшения измерительной задачи определяется погрешностью оценки амплитуды сдельных компонент сигнала и частотным разрешением. Отмечено, что при юследовании реальных электрических сигналов должно быть дополнительно ценено влияние аддитивного шума.

К областям, в которых возникает задача измерения параметров и анализа ^стационарных сигналов, в частности, относятся медицинская и техническая |иагностика. В работе приводится обзор литературы по исследованию ^стационарных сигналов, получаемых при виброакустической диагностике чеханического оборудования, и используемых при этом методов. Отмечено, что, ю-первых, анализ работы оборудования в переходных режимах позволяет юлучать значительно больше информации о техническом состоянии ¡борудования, во-вторых, скорость развития некоторых неисправностей требует юследования вибрации уже в режиме разгона. Показано, что электрические :игналы, соответствующие виброакустическим шумам оборудования на 1ереходных режимах его работы, удовлетворяют модели, описываемой 1ыражением (1), а анализ таких сигналов предполагает решение поставленной 1ыше задачи измерения соответствующих параметров нестационарных сигналов.

Во второй главе рассмотрены вопросы использования частотно-временных 1нергетических распределений для измерения параметров нестационарных :игналов. Приведены общие свойства частотно-временных распределений, юдробно исследованы свойства сглаженного распределения Вигнера, получены шалитические выражения для методической погрешности оценок шформативных параметров нестационарного электрического сигнала по его ¡глаженному распределению Вигнера, предложена методика выбора параметров ¡глаженного распределения Вигнера, исследовано влияние аддитивного "белого иума" на получаемые оценки.

Частотно-временные распределения отражают распределение энергии :игнала в плоскости время-частота; в самом общем виде, используя федставления Коэна, частотно-временное распределение P(t,co) для ;ействительного сигнала s(t) можно записать как:

/•(/.«» )=-4- ' , JJj ццоч г) x(i - + di/(Iг <10 , (2)

/

где Ч^в, т) - ядро преобразования, аргумент Í - обозначает время, со - мгновеннук: частоту.

К наиболее общим свойствам частотно-временных распределений относится то, что интегрирование P(t,a>) по времени дает спектральнук плотность мощности сигнала \S(w)\2 , а интегрирование по частоте - мгновеннук: мощность |s(f;|2. Наибольшее распространение из них получило распределение Вигнера, свойства которого делают его особенно удобным для использования пру обработке электрических сигналов. В частности, распределение Вигнерг инвариантно относительно сдвигов по времени и сдвига по частоте. Ядре распределения Вигнера имеет простейший вид ЧХв,т)=1. Важным отличием распределения Вигнера от традиционных методов представления сигналов например таких, как Фурье-спектрограмма, является то, что линейное измерение частоты компоненты сигнала не приводит к "размыванию" распределения лс частоте и следовательно не снижает разрешающей способности распределения| что делает его особенно привлекательным для анализа нестационарных сигналов. К недостаткам обыкновенного распределения Вигнера относят наличие интрферанционных состсшлшощих. Они во.чиикакл на чшлигио вромшшок/ распределении исследуемого многокомпонентного сигнала, но не соответствуют каким-либо его компонентам и, таким образом, существенно затрудняют интерпретацию полученных результатов. Указанный недостаток удается преодолеть путем сглаживания энергетического распределения, осуществляемого, в частности, с использованием гауссова сглаживающего окна. В этом случае сглаженное распределение Вигнера (SWD) описывается выражением:

SWIHt.(,)) = ~- '.....-ff<-""|! -!),(,, + !)<• <l:t!u (3)

лет, (т2 2 2

где oí определяет длительность временного, а 02 - сглаживающего взвешивающего окна.

В работе показано, что при использовании сглаженного распределения Вигнера эффект подавления мешающих интерференционных составляющих достигается ценой некоторого снижения разрешающей способности. Получены

выражения для частотной разрешающей способности Э\ЛГО:

А/я«, * — ^\ + ст]о\а 3/4 , (4)

1

где а определяет скорость изменения частоты компоненты электрического сигнала, а также для уровня интерференционных составляющих:

(/,©) = 2а,я2 ехр[-сг2((Ы,-юг)2/4]О0,<у) , (5) где 0)1,0)2 и Эу.Эг определяют соответственно значения частоты и амплитуд компонент сигнала , сгг - длительность сглаживающего окна SWD в (3), £?(/, со) -некоторая функция аргументов í и со, максимальное значение амплитуды которой не превышает 1. Получено также выражение для методической погрешности оценки амплитуды компоненты сигнала, возникающей из-за изменения амплитуды компоненты со временем. Эта погрешность возрастает при увеличении как сг>, так и о~2 , и зависит от значений производных амплитуды компоненты по времени (более подробное описание дано в [6]). Таким образом, решение задачи оценивания параметров нестационарного сигнала требует выбора оптимальных в смысле поставленной измерительной задачи значений <т, и ст-<. На основании полученных выражений разработана методика выбора параметров сглаженного распределения Вигнера, обеспечивающих при максимальном частотном разрешении и фиксированном уровне интерференционных членов оценку амплитуды компонент нестационарного сигнала с заданной погрешностью. Для этого, исходя из максимального допустимого уровня интерференционных членов, рассчитывают значение параметра <т2, определяющее необходимую длительность сглаживающего окна, а затем находят максимальное значение ау, при котором выполняются условия на погрешности.

Алгоритм вычисления сглаженного распределения Вигнера по своей структуре подобен алгоритму вычисления преобразования Фурье, что позволяет использовать для расчета 8\ЛЮ алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ). В процессе вывода выражений для погрешностей и при построении цифровой реализации Б\Л/0 принимаются некоторые допущения относительно разложения зависимостей амплитуды и частоты составляющей сигнала в

степенной ряд и относительно длительности временного и сглаживающего окон. Для проверки корректности этих допущений и для дополнительного исследования своислв Ь\ЛШ было проведено численное моделирование, реэулыагы коюрого показали, что с применением дискретного БУЛЮ можно получить оценки параметров нестационарного сигнала с заданной точностью и разрешающей способностью, существенно более высокой, чем, например, с помощью Фурье-спектрограммы. Результаты исследования влияния "белого шума" на получаемые оценки показали, что сглаженное распределение Вигнера по сравнению с обыкновенным распределением Вигнера позволяет значительно ослабить это влияния и добиться снижения дисперсии оценки в 3,5 и более раз.

В третьей главе рассмотрены проблемы, связанные с использованием традиционных методов исследования нестационарных сигналов для измерения параметров сигналов. Проанализированы условия применимости метода Фурье-спектрограмм; описано использование синхронного анализа; указаны недостатки его традиционной реализации; предложен алгоритм цифрового синхронного анализа, свободный от этих недостатков; исследованы метрологические характеристики предложенного алгоритма и разработана методика выбора его параметров, приведены результаты численного моделирования.

Традиционно для исследования параметров нестационарных электрических сигналов, например, с помощью спектроанализаторов фирмы Вгие! & К]аег (типа 2133, 2143), используется метод Фурье-спектрограмм, фактически, характеризующих текущий спектр мощности сигнала. Заметим, что использование этого метода связано с предположением о принадлежности сигнала к покапьно-стационарному типу, поэтому изменение свойств сигнала, и в частности, его частотной структуры, за время анализа приводит к размыванию Фурье-спектрограммы, что снижает частотное разрешение и вносит погрешность в оценку параметров сигнала. По этой причине использование данного метода для исследования сигналов, соответствующих модели (1), становится неэффективным; например,_изменение за время анализа, соответствующее 10 полным периодам компоненты, ее частоты на 5% приводит к снижению разрешающей способности в 2 раза.

Для исследования электрических сигналов с переменной во времени

частотной структурой также широко используют синхронный анализ, для осуществления которого необходима дополнительная информация о изучаемом физичьским процессе в нидв опорного uMiHrt/iri. II виОроакуыическои дилшооика роль опорного сигнала обычно играет электрический сигнал от датчика оборотов вала. Традиционно для синхронизации процесса измерения с опорным сигналом используются умножители частоты или синхронные фильтры, которые работоспособны лишь в ограниченном диапазоне изменения частоты опорного сигнала; например, для широко распространенного прибора Vibroport 30 фирмы Schenk (ФРГ) при частотном разрешении 0.25 Гц максимально допустимое линейное изменение частоты составляет 6% за весь интервал измерения.

В работе предложен и исследован алгоритм цифрового синхронного анализа, использующий кусочно-линейную аппроксимацию закона изменения частоты опорного сигнала и кусочно-линейную интерполяцию измерительного сигнала, свободный от вышеперечисленных недостатков традиционной реализации. Алгоритм основан на равномерной по фазе опорного сигнала передискретизации измерительного сигнала. Полученную в результате этой процедуры новую дискретную последовательность измерительного сигнала обрабатывают с использованием традиционных спектральных методов (подробное изложение алгоритма дано в [3]). В работе получены аналитические выражения для методической погрешности оценки амплитуды '.компоненты сигнала, вызванной неидеальностью реализации алгоритма. В частности, погрешность, связанная с аппроксимацией закона изменения частоты опорного сигнала fjt), имеет вид:

КI * (¿У* Г - (аД)'Ф>1 + ^ Я «л ) . (в)

fr

где (~^")тах - максимальное значение отношения второй производной частоты

J г

опорного сигнала fr"(t) по времени к самой величине f^t), ар - амплитуда р-ой составляющей измерительного сигнала, Ф - определяет длительность анализирующего взвешивающего окна при вычислении дискретного преобразования Фурье для передискретизированной последовательности. Для

составляющей погрешности, связанной с интерполяциеи сигнала, справедливо выражение:

sin2 (я-

id

|Лар|<«р-(7)

.1d

J

{J w

¿J wax \

где V f ) - отношение ширины спектра исследуемого сигнала к частоте J d

дискретизации, ар - амплитуда р-ой составляющей измерительного сигнала. Анализ выражений (6) и (7) показывает, что увеличение частоты дискретизации и длительности взвешивающего окна позволяет повысить точность оценок. В работе также получено выражение для погрешности оценки амплитуды компоненты сигнала из-за изменения амплитуды компоненты со временем, из

которого следует, что величина____погрешности возрастает с увеличением

длительности анализирующего окна (поскольку нестационарность проявляется тем значительнее, чем больший отрезок сигнала анализируют) и зависит от значений производных амплитуды компоненты по времени. С другой стороны увеличение длительности взвешивающего окна необходимо для повышения разрешающей способности по частоте. Таким образом, решение задачи измерения параметров нестационарных сигналов требует некоторого компромисса между разрешающей способностью и погрешностью оценки амплитуды компоненты. Полученные выражения позволяют построить методику выбора параметров алгоритма (изложенную в частности в [5]) таким образом, чтобы найти оценки амплитуды компонент сигнала с заданной точностью и при максимальном частотном разрешении. При этом на основании выражений для погрешности находят интервал значений параметра взвешивающего окна Ф, при которых погрешность не превышает допустимой величины, и затем выбирают максимальное значение из этого интервала.

Для проверки эффективности использования алгоритма цифрового синхронного анализа для решения задачи оценивания параметров нестационарных электрических сигналов было проведено численное моделирование. Его результаты позволяют, в частности, заключить, что для

достижения удовлетворительной точности оценки параметров сигналов (с относительной погрешностью 3-5%) частота исходной дискретизации измерительного сигнала должна в 3-4 раза'превышать частоту Найквиста, при этом шаг передискретизации (по фазе опорного сигнала) выбирается в соответствии с требованиями измерительной задачи и его величина не оказывает влияния на точность оценок.

Четвертая глава посвящена разработке измерительно-вычислительной системы для измерения параметров нестационарных электрических сигналов, соответствующих технологическим шумам промышленного оборудования. В ней даны технические характеристики ее аппаратурных и программных элементов, описан разработанный на основе этой системы измерительно-вычислительный комплекс для вибродиагностики и балансировки роторов механического оборудования, приведены и проанализированы основные практические результаты, полученные при использовании комплекса в производстве.

В связи с тем что в настоящее время исследование нестационарных сигналов получает все более широкое распространение, ведущие мировые и европейские фирмы, выпускающие аппаратуру для спектральных измерений, вводят в свои новые приборы дополнительные функции, позволяющие осуществлять анализ изменений свойств электрических сигналов со временем. Например, спектроанализатор 2133 фирмы Вгие1&К]аег, лидирующей в этой области, обеспечивает накопление спектров и их псевдо-трехмерное отображение при реализации метода Фурье-спектрограмм. Прибор также позволяет проводить синхронный анализ, однако применение умножителя частоты заметно ограничивает возможности метода. Метод, использующий частотно-временные распределения (например, распределение Вигнера), пока еще не нашел своей реализации в серийно выпускаемой аппаратуре.

Разработанный измерительно-вычислительный комплекс состоит из модуля двухканального информационно-измерительного тракта, персональной ЭВМ типа РС АТ (286 - 486) и специализированного программного обеспечения. Информационно-измерительный тракт выполнен в виде стандартной платы расширения для РС АТ, встраиваемой в ЭВМ, и предназначен для усиления, частотной фильтрации, дискретизации и аналого-цифрового преобразования как

измерительного, так и опорного сигнала. Программное управление всеми узлами измерительного тракта обеспечивает полную автоматизацию процесса ввода и обработки измерительной информации. Программное обеспечение состоит из трех основных частей: процедур, обеспечивающих обмен информацией с модулем ввода сигнала; процедур пользовательского интерфейса и непосредственно вычислительных процедур. Комплекс позволяет использовать для исследования нестационарных электрических сигналов методы Фурье-спектрограмм, цифрового синхронного анализа и сглаженного распределения Вигнера, а также осуществлять традиционный спектральный анализ. Ниже приведены основные технические характеристики информационно-измерительного тракта:

общее число каналов - 8

частотный диапазон измерительного сигнала, Гц - 5 - 5000

максимальная амплитуда измерительного сигнала, В - 10

входное сопротивление измерительного канала, кОм - 2

диапазон частоты дискретизации, Гц - 100 - 25000

неравномерность АЧХ, дБ - 1

единица младшего разряда АЦП, мВ - 2.4

Предел приведенной инструментальной погрешности измерения амплитуды компоненты сигнала по методу синхронного анализа в рабочих условиях составляет (в %):

12 14

° 7м ' (8)

где N -длительность выборки при расчете ДПФ.

На базе данного комплекса разработан виброизмерительный комплекс ВИК (подробно описанный в [4]), внедренный на машиностроительном заводе "Молния", и предназначенный для балансировки и виброакустической диагностики состояния высокоскоростных молочных сепараторов. ВИК, в частности, обеспечивает измерение амплитуды и фазы оборотной составляющей соответственно с точностью ±10% и ±5°, а также частоты вращения ротора,

погрешность измерения которой составляет +0.1%. Комплекс также позволяет проводить анализ и измерение параметров нестационарных виброакутических сигналов, соответствующих режимам разгона и выбега ротора механизма.

Полученные с помощью этого комплекса практические данные подтверждают соответствие электрических сигналов, описывающих работу оборудования в переходных режимах, модели (1), что подчеркивает актуальность настоящей работы. Использование при обработке сигналов разработанных методов и алгоритмов измерения параметров нестационарных сигналов позволило достичь высокой разрешающей способности по частоте, что особенно важно на этапе доводки разрабатываемого промышленного оборудования. Проведенные с помощью комплекса исследования работы сепаратора в переходном режиме позволили выявить и устранить ряд недоработок в конструкции изделия.

Основные результаты.

1. Исследованы метрологические характеристики традиционных частотно-временных методов анализа нестационарных электрических сигналов, а также универсальных методов, использующих распределение Вигнера: Показано, что сглаженное распределение Вигнера позволяет обеспечить максимальное-частотное разрешение при фиксированном уровне интерференционных составляющих. Получены аналитические выражения для частотного разрешения, уровня интерференционных составляющих и методической погрешности при оценивании амплитуды компонент сигнала на основе сглаженного распределения Вигнера.

2. Исследовано влияние аддитивного шума на точность получаемых оценок; установлено, что сглаженное распределение по сравнению с обыкновенным распределением Вигнера позволяет при соответствующем выборе его параметров в 3.5 и более раз снизить это влияние.

3. Разработана методика выбора параметров сглаженного распределения Вигнера, позволяющая при максимальном частотном разрешении и фиксированном уровне интерференционных составляющих получить оценку амплитуды компоненты нестационарного сигнала с заданной погрешностью; при

этом частотное разрешение для сигнала с линейно-меняющейся частотой может в 5 и более раз превышать частотное разрешение Фурье-спектрограммы.

4. Разработан алгоритм цифрового синхронного анализа нестационарных электрических сигналов, использующий кусочно-линейную аппроксимацию закона изменения частоты опорного сигнала и кусочно-линейную интерполяцию измерительного сигнала, свободный от присущих традиционной реализации ограничений по диапазону и скорости изменения частоты опорного сигнала.

5. Получены аналитические выражения, описывающие методическую погрешность оценки амплитуды компоненты нестационарного сигнала, вычисляемой с применением разработанного алгоритма.

6. Разработана методика вычисления длительности вторичной выборки и интервала первдискрвтизации для алгоритма цифрового синхронного анализа, обеспечивающая на основе учета свойств исследуемого сигнала заданную точность оценивания амплитуды компонент сигнала при максимальном частотном разрешении.

7. Разработана, создана и внедрена измерительно-вычислительная система для анализа параметров нестационарных электрических сигналов, реализующая как традиционные методы (метод Фурье-спектрограмм, цифровой синхронный анализ), так и универсальный метод анализа нестационарных сигналов, использующий сглаженное распределение. Випнера. В результате практического применение системы в производственных условиях получены данные, позволившие улучшить конструкцию механического изделия.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1.Гаев Г.П., Слесарев Д.А. Использование цифровой синхронной обработки при вибродиагностике оборудования на переходных режимах его работы. // Материалы семинара и заседания секции "Динамика процессов в ЯЭУ", сентябрь 1994г. - Обнинск 1994 - с. 36-37.

2.Слесарев Д.А. Методы обработки виброакустических сигналов оборудования в переходных режимах.// Материалы российской с международным участием научно-технической конференции "Неразрушающий контроль в науке и

индустрии 94" - 1994г. - Москва 1994 - с. 128-129.

З.Гаев Г.П., Слесарев Д.А. Метод цифровой синхронной обработки сигналов вибрации оборудования.// Измерительная техника. - 1995. - N2 2. - с. 37-

4.Слесарев Д.А., Смирнов А.Б. Виброизмерительный комплекс для балансировки роторных машин.11 Вестник МЭИ -1995. - №5. - с. 34-47.

5.Слесарев Д.А., Гаев Г.П. Алгоритм цифровой синхронной обработки сигналов, оптимальной для одной модели сигнала, (нем. яз.)// 40-ой Международный научный коллоквиум 18-21 сентября 1995. - Ильменау. (40. Internationales wissenschaftliches Kolloquium, 18-21 September 1995. - Ilmenau -1995. - S.468-472.)

8.Слесарев ДА, Шадо Х.-П. Оптимально сглаженное распределение Вигнера в применении к одной модели сигнала, (нем. яз.)// 40-ой Международный научный коллоквиум 18-21 сентября 1995. - Ильменау. (40. Internationales wissenschaftliches Kolloquium, 18-21 September 1995. - Ilmenau - 1995. - S.490-495.)

38.

Тираж гш Заказ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.