Rys Podstawowy system do pomiarów i analizy procesów WA

Transkrypt

1 4.. PODSAWOWY SYSEM POMIAROWO-ANALIZUJĄCY Pmiary wielkści dynamicznych w mechanice i wibrakustyce są nie d wybrażenia i przeprwadzenia bez użycia metd knwersji elektrycznej i elektrnicznej [60, 6]. Znaczy t, że każdą mierzna wielkść mechaniczną przekształcamy w równważny sygnał elektryczny za pmcy dpwiednich przetwrników, a następnie dpier pddajemy wzmacnianiu, przetwarzaniu, analizie. Wiadm, że te same funkcje pmiarw-analizujące mgą spełniać przyrządy różnej knstrukcji i zasadzie działania; analgwej, cyfrwej, hybrydwej itd. Dynamika rynku przyrządów jest tak duża, że mija się z celem pisywanie pszczególnych typów przyrządów i ich specyfiki działania. Analizując więc system pmiarwy d badań WA, musimy zwrócić większą uwagę na zasady jeg rganizacji i działania, które ulegają niewielkim zmianm, związanym jedynie z pstępem wiedzy, który jest jeszcze dść pwlny. Knstrukcja przyrządów natmiast dzwierciedla pstęp w technlgii, który jest relatywnie znacznie szybszy. Mówiąc najgólniej rganizacji systemu pmiarweg d badań WA, trzeba g widzieć w kategriach: źródł-drga przetwarzania-dbirnik (rys. 4.). Źródł t ruch drganiwy lub falwy w gazie, cieczy lub ciele stałym, który chcemy identyfikwać. Drga przetwarzania zaczyna się na przetwrniku wielkści WA na elektryczną, pprzez układ dpaswania, a kńczy się na właściwym prcesrze wypracwującym kreślne infrmacje bserwwanym plu WA. Wreszcie dbirnik t na gół człwiek wspmagany przez cały arsenał śrdków rejestracji, wizualizacji i indykacji. Rys. 4.. Pdstawwy system d pmiarów i analizy prcesów WA

2 Omówimy bardziej szczegółw pszczególne elementy systemu, zwracając uwagę na strnę funkcjnalną i zasadę działania, a nie na szybk zmieniające się szczegóły knstrukcyjne PRZEWORNIKI DŹWIĘKU I DRGAŃ Generalnie przetwrniki dzielimy na generacyjne i parametryczne [6, r. ]. Pierwsze, zwane również aktywnymi, bez zewnętrzneg zasilania elektryczneg przekształcają energię zjawiska w prprcjnalny prąd lub napięcie elektryczne. Przetwrniki parametryczne lub inaczej pasywne zmieniają swe parametry (pjemnść, prnść, strumień magnetyczny) w takt zmian pla zjawiskweg. Dstarczna z zewnątrz d przetwrnika energia elektryczna przekształca te zmiany parametru na równważny prąd lub napięcie elektryczne. a sama zasada działania leży u pdstaw generacyjnych przetwrników ciśnienia dźwięku i drgań, gdyż mr = = u ( e( A F( A (4.) p( S mr ˇ ( - drgania p( S - ciśnienie dźwięku gdzie e( jest. napięciem elektrycznym współzmienniczym z mierzna wielkścią, A - stała przetwrnika, F( - siłą działającą ze strny pala WA na przetwrnik. Siła ta jest siłą bezwładnści elementu ruchmeg przetwrnika drgań B=-m p ˇ( lub siłą ciśnienia dźwięku p(, działającą na membranę pwierzchni S. Elementem, który na skutek przyłżenia siły (naprężenia) generuje napięcie (a właściwie ładunek q(), jest materiał piezelektryczny (kwars, tytanian baru, PZ itd.). Element piezelektryczny bciążny masą bezwładną służy więc jak przetwrnik drgań, zaś napędzany ruchem membrany służy jak mikrfn (rys. 4.).

3 q(=ce(=camˇ(=bqˇ( q(=ce(=casp( Rys. 4.. Zasada działania piezelektryczneg przetwrnika drgań i mikrfnu (C - pjemnść wewnętrzna) Piezelektryczny przetwrnik drgań jest, jak widać, wrażliwy na przyspieszenie drgań i stąd jeg ppularna nazwa czujnik przyspieszeń. Jest n najbardziej rzpwszechninym typem przetwrnika: d miniaturwych masie całkwitej 0,7 g i czułści Bq = pc/(m s - ), d dużych, ciężkich, stswanych w pmiarach drgań budwli masie całkwitej 0,5 kg i czułści Bq = 000 pc/(m s - ). Są t dane duńskiej firmy Brˇe-Kjaer [6], lecz inne firmy mają pdbne typszeregi. Czułść przetwrnika pdana jest tu w pikkulmbach (na m s - ) i mże być łatw przeliczna na m V/(m s - ), jeśli znamy pjemnść przetwrnika C (zwykle jest na rzędu 000 pf). Przyjmując więc C = 000 pf, mamy Bq Be =, c przy Bq = 0 pc/(m s - ) daje Be = 0 m V/(m s - ) C Piezelektryczne przetwrniki drgań maja wiele zalet eksplatacyjnych: mała waga, dprnść na wstrząsy, warunki atmsferyczne itp. Sygnały generwana przez nie mżna łatw całkwać prstymi bwdami elektrycznymi, trzymując prprcjnalnść d prędkści drgań v( i przemieszczeń u(. Dla innych typów czujników nie jest t takie prste. Mikrfn piezelektryczny, z racji grszych własnści, wiernści przenszeń dźwięku nie zdbył takiej ppularnści, a d celów pmiarwych stsuje się głównie mikrfny pjemnściwe, rzadziej elektretwe. Są t przetwrniki parametryczne parte na zmianie pjemnści bwdu pmiarweg, zwykle kndensatra płaskieg. Pjemnść takieg kndensatra C = A /d + d(; gdzie d jest pierwtną, a d( zmienna dległścią między płytkami, wymuszną ciśnieniem p(. Są ne pd napięciem plaryzacji U lub psiadają trwały ładunek elektryczny jak w flii elektretwej (rys. 4.3).

4 Rys Szkic zasady działania mikrfnu pjemnściweg zwykłeg i elektretweg Na prniku R dłży się ddatkwe napięcie e(, w związku z tym całkwity ładunek na kndensatrze i napięcie zmienne będzie q = C [U + e(] = q + q( (4.) q q q e ( = U + d + d( = d(, A A A qd A O = U Jeśli częstść drgań własnych membrany znajduje się pza użytecznym pasmem pmiarwym, t wychylenie membrany jest prprcjnalne d siły: d( S p(. Mżemy więc napisać q e( = d( = kp( (4.3) A gdzie: wymiar stałej k wynsi m V/Pa. Mikrfny elektretwe różnią się tym, że flia elektretwa jest samistnym źródłem ładunku q. Nie mają jednak tak dużej wytrzymałści mechanicznej i dają niższe częstści własne membrany. ak więc użyteczne pasm częsttliwści graniczne tu jest d góry wartścią kilkunastu kilherzów, pdczas gdy flie metalwe dają mikrfny z górną granicą częsttliwści rzędu kilkudziesięciu kilherzów. Istnieje jeszcze wiele typów przetwrników drgań i dźwięku: elektrdynamiczne, prądów wirwych, magnetyczne i najnwsze laserwe. Służą ne jednak d pmiarów specjalistycznych, więc nie będziemy się nimi zajmwali, a zaintereswanych prblematyą dsyłamy d literatury [63, 64].

5 4... UKłADY DOPASOWUJĄCE Bezpśrednie sprzężenie przetwrnika z prcesrem (rys. 4.) jest niemżliwe z dwu pwdów. P pierwsze przetwrniki parametryczne, np. mikrfn kndensatrwy, tensmetryczny, prwy, wymagają zasilania napięciem stałym lub zmiennym. W drugim przypadku prócz bwdu zasilania przetwrnika niezbędny jest jeszcze bwód d e m d u a c j i dla uzyskania właściweg sygnału przetwrnika, którym jest zmdulwany zasileniwy sygnał nśny. P drugie przetwrniki dla sprzęgnięcia z resztą systemu muszą mieć mżnść dpaswania infrmacyjneg. Znaczy t, że układ dpaswania, prócz wzmcnienia sygnału, musi zapewnić minimum przepływu energii sygnału, a maksimum przekazywania jeg zawartści infrmacyjnej. Przepływ ten musi być jednkierunkwy z wyjścia przetwrnika d wejścia następneg układu. Prblem ten ilustruje rys. 4.4, gdzie pkazan prces przekazywania Rys Sprzężenie dwu układów przekazywania infrmacji sygnałów napięcia Ewy paśmie Ω wy impedancji wyjścia Z wy na wejście następneg układu parametrach Ω we raz Z we. Jak widać z rysunku pprawne dwzrwanie na pięcia wyjścia E wy ( na wejściu następneg układu mże nastąpić przy równści pasma bu układów Ω wy = Ω we raz równści napięć E wy ( E we (. Aby t mgł nastąpić E = E wtedy Z wy << Z we (4.4) + Z wy we ( Ewy, Z wy we ak więc prnść wyjściwa musi być bardz mała (rzędu mów), zaś prnść wejściwa każdeg układu musi być bardz duża (rzędu megamów). akie sprzężenie infrmacyjne musi zachdzić między każdym z układów na rys. 4.. Brak takieg dpaswania w trze pmiarwym prwadzi d zniekształceń liniwych, a nawet nieliniwych, a w knsekwencji d dużych błędów.

6 4..3. MAGAZYN DANYCH W wielu przypadkach badań nawet labratryjnych, niemżliwe jest przetwrzenie i analiza sygnałów w czasie rzeczywistym - "n line". Z drugiej strny w trakcie badań terenwych analiza prcesu wibrakustyczneg jest prawie niemżliwa. Wtedy niedzwne jest magazynwanie infrmacji w pstaci analgweg lub cyfrweg zapisu fragmentu prcesu wystarczająceg d późniejszej analizy i przetwarzania. Wielka pmcą w takich przypadkach jest magnetfn pmiarwy, umżliwiający zapis jedn- lub wielkanałwy w zakresie częsttliwści 0,0 khz i więcej. Mżna tu wykrzystać magnetfny przenśne bateryjne firmy NAGRA-Kudelski lub Brˇe-Kjaer z zapisem bezpśrednim d celów akustycznych (0 Hz ;0 khz) lub z zapisem FM (mdulacja częsttliwści) d celów drganiwych (d 0 Hz). Większść z nich psiada przełączane prędkści zapisu i dtwarzania tak, że w labratrium mżna zmieniać częsttliwść nagraneg prcesu w zależnści d celu dalszej analizy. Pstęp w budwie scalnych pamięci cyfrwych i miniaturyzacji mechanicznych nśników umżliwił bezpśrednie zastswanie pamięci stałych d zbierania danych pmiarwych. Nazwy tych pamięci (Data Lgger) są różnrdne, np. SMAR f-my IRD, SNAPSHO f-my Bently Nevada. Umżliwiają ne zapamiętanie kilkuset fragmentów prcesu drganiweg, z pełna identyfikacją miejsca i klicznści pmiaru, d późniejszeg.kmputerweg przetwrzenia infrmacji i przechwywania w pamięci maswej kmputerów, na dyskach elastycznych lub twardych. Ostatni ntuję się nawet włączanie pamięci dyskwych jak elementu przyrządów pmiarwych PROCESOR SYGNAŁÓW. Właściwe przetwarzanie infrmacji zawartej w sygnale dbywa się dpier w blku nazwanym na rys. 4. prcesrem, czyli przetwarzaczem sygnału i infrmacji w nim zawartej. Mże t być jedn urządzenie lub zestaw kilku, zaś ich zasada pracy mże być analgwa, cyfrwa lub mieszana - hybrydwa. W większści zaś nwczesnych przyrządów, p analgwym układzie dpaswania, przechdzi się na przetwarzanie cyfrwe. Aby zaś przejść d sygnału analgweg, ciągłeg w swej istcie, d jeg reprezentacji cyfrwej, trzeba dknać,jeg dysk dyskretyzacji w dziedzinie czasu i amplitudy. Dyskretyzacja w dziedzinie amplitudy zwie się kwantwaniem i plega na rzpięciu całeg zakresu zmiennści amplitudy prcesu na binarną ilść przedziałów amplitudwych. Dzieje się t w przetwrniku analgw-cyfrwym (ADC - analna-digital cnverter), któreg dynamika pisywana jest w ptęgach dwójki, np (śmibitwe), c znacza, że amplitudę u( dwzrwujemy przy idealnym dpaswaniu na 56 pdprzedziałów u = u(/56. Dynamika takieg. dwzrwania, 0 = 0 lg 8 = 48 db, jest w wielu przypadkach przemysłwych wystarczająca, zaś w labratrium stsuje się craz częściej przyrządy przetwrnikach 6 bitwych, czyli dynamice 96 db.

7 Rys. 4.5 Ilustracja pracy trójbitweg przetwrnika analgw - bitweg Przetwrnik analgw cyfrwy musi również wyknać dyskretyzację w dziedzinie czasu, czyli próbkwanie. Plega na, najczęściej, na równmiernym pdziale si czasu na dcinki t i = t, tak że d dalszeg przetwarzania pdawane są klejne wartści prcesu (próbki) u (n, n =,,....a wartść jest następnie prównywana z pisaną już drabinką superprzedziałów amplitudwych kwantwania i przyprządkwania najbliższej tak jak rys Jeśli chdzi dwzrwanie zmiennści prcesu w dziedzinie amplitudy, t z rysunku widać, że im więcej bitwy przetwrnik, tym lepiej i jedynym graniczeniem są tu kszty. W dziedzinie czasu graniczeniem częstści próbkwania fs = / t sa również kszty, lecz d dłu graniczeniem jest częstść Nyquista f NY, tak że zawsze musi być fs > f NY, zwykle fs =,6-3 f NY. Częsttliwść ta wynika z twierdzenia Shanna (65, ~ 8), które mówi, że d dwzrwania prcesu dlnpasmweg częstści górnej fg wystarcza pbranie próbek z częstścią Nyquista f NY = f g. Mając cyfrwa lub analgwą pstać sygnału mżemy ja przetwrzyć na cały szereg charakterystyk i estymat prcesu: czaswych, częstściwych i amplitudwych. Najczęstsze rle, jakie spełnia prcesr, mgą być przedstawine w skrócie następując: Pmiar liczbwych estymat amplitudy sygnału, amplitudy szczytwej û, skutecznej u ~ i średniej u N uˆ = E u~ = u = E [ max u( ] = u( t t m N ) 0 < t < (4.5) { E [ u ( ]} t t u( = = 0 0 u( u dt ( dt gdzie: t m czasy wystąpienia maksimów prcesów. W zależnści d stacjnarnści bserwwaneg prcesu amplitudy te mierzy się z czasem bserwacji krótkim (szybk - far dla prcesów stacjnarnych raz długim (wln - slty) dla

8 prcesów szybkzmiennych. Nrmw ten czas uśrednia wyników ustalny jest za pmcą stałej rzładwania bwdów uśredniających miernika RC =. I tak dla bserwacji fest mamy = 5 m*s, zaś dla bserwacji slw mamy = 000 m*s. We wszystkich pmiarach hałaswych i niektórych drganiwych amplitudy te należy następnie przetwrzyć na pzimy w db wg wzru uθ L = 0lg, db u 0 gdzie θ jest czasem ewlucji, w którym bserwujemy zmiennść amplitudy prcesu, gdyż gólnie u = u ( t,θ ), t - czas dynamiczny. W nwczesnych pmiarach hałaswych mierzymy pzim ekwiwalentny na charakterystyce A, tak więc u(θ) = p A (θ). Więc prcesr musi wym;;zyć pzim ekwiwalentny zgdnie z (3.) L eq = 0lg θ p ( θ ) A p θ 0 0 d = 0lg (4.6) N 0,L A ( θi ) θ θ i0 (4.7) θ i= gdzie θ - czas bserwacji ewlucji hałasu, θ i - interwały czaswe w θ L A (θ i )- pzim intensywnści w db(a) w czasie θ i. Analizy widmwe prcesu. Klejna funkcja, jaką pełni prcesr, t wszelkieg typu analizy widmwe, własne bądź wzajemne między prcesami. W zależnści d ptrzeb i spsbu przetwarzania sygnałów mżna uzyskać widma stałej szerkści pasma analizy f = cnst lub stałej względnej szerkści pasma, f/f = cnst; np. ktawwe bądź tercjwe widma prcesów. Przy zagadnieniach identyfikacji drgań i hałasu znacznie częściej używa się gęstści widmwej mcy; własnej G uu (f) lub wzajemnej G uv (f), a także funkcji kherencji między prcesami u( i v(, czyli γ (f). Zagadnienia te będą jeszcze przedmitem drębnych rzważań w następnym punkcie. 3 Envelper (detektr bwiedni), czyli układ d wyznaczania detekcji bwiedni amplitudy; spsób jeg działania party jest na wzrze (4.5). Pnieważ jednak należy tu uwzględnić dwa czasy: t - dynamiczny, θ - ewlucji prcesu, i średniwanie bieżące, napiszmy.t jeszcze raz t+ t u θ ) = u t (, θ ( (4.8) t t dt Jeśli teraz czas średniwania p czasie dynamicznym t będzie krótki, np. rzędu 0 ms, t trzymana bwiednia prcesu (rys. 4.6) będzie szybkzmienna i mcna będzie d niej zastswać wszystkie prcedury analizy sygnałów. Jeśli natmiast t będzie rzędu sekundy, np. slw na mierniku pzimu dźwięku, t w tym ustawieniu detektra bwiedni mżemy śledzić ewlucje charakterystyki statycznej rzkładu amplitud, np. ciśnienia dźwięku u(t, 4 Analizy amplitudwe. Chdzi tu przede wszystkim wyznaczenie estymaty funkcji prawdpdbieństwa rzkładu amplitud P(U) i gęstści rzkładu amplitud p(u) (patrz punkt.4.4). Aprksymacja aparaturwa gęstści rzkładu amplitud

9 Rys Bieżące średniwanie dynamicznej składwej mdułu sygnału jak spsób detekcji bwiedni Rys Przykład wyznaczania prcentweg pzimu ekspzycji L a% z histgramu pzimu hałasu nsi nazwę histgramu i najczęściej ptrzebny jest n przy statystycznym pisie zagrżenia hałasweg śrdwiska. Idzie t, aby w ustalnym prcesie całkwiteg czasu ekspzycji (np. 8 h) hałas nie przekraczał żądanej liczby decybeli. Na przykład zarząd dróg USA ustalił, że hałas autstrady przy pełnym ruchu dziennym nie mże dać większeg zagrżenia niż L a% = L 0% < 70 db(a). Znaczy t, że tylk 0% czasu hałas mże przekrczyć intensywnść 70 db(a). Mając histgram pzimu hałasu (rys. 4.7) i planimetrujęc jeg pwierzchnie mżna łatw wyznaczyć zadany pzim L, i prównać z zadaną wartścią. 5. Analiza pdbieństwa prcesów. Plega na badaniu współzależnści między prcesami generwanymi współbieżnie. D estymat wzajemnych w dziedzinie czasu i częsttliwści, które są tu bardz pmcne, trzeba zaliczyć przede wszystkim funkcje krelacji (patrz.4.) K uv (τ), funkcję kherencji γ uv (f) raz funkcje różnych rzędów między trzema i większa liczba prcesów, plikrelacje i plikherencje, kherencje zwyczajne cząstkwe [].

10 D celów specjalnych zwłaszcza w diagnstyce WA maszyn istnieje specjalne prcesry wyknujące uśrednianie synchrniczne sygnałów, wizualizację ruchu p rbicie, np. czpa wału, wizualizację ewlucji estymat sygnałów, prgnzy ewlucji symptmu itp. u jednak nie będziemy się nimi zajmwać dsyłając zaintereswanych d najnwszych katalgów firm diagnstycznych IRO-Mechanalysis, Bently-Nevada itd UKLAD OBSERWACJI I REJESRACJI Infrmacje przetwrzne przez prcesr maja charakter liczbwy lub funkcyjny. W związku z tym d bserwacji i rejestracji używane są następujące układy: Wskaźnik (indykatr) analgwy lub cyfrwy d dczytu danych alfanumerycznych., Oscylskp d bserwacji bieżących zmian prcesu lub jeg estymat funkcyjnych. 3 Oscylskp z pamięcią lub scylgraf pętlicwy d rejestracji ftgraficznej prcesu lub jeg estymat funkcyjnych. 4 Rejestratr pzimu d zapisu zmian estymat funkcyjnych i ewlucji w czasie B'. 5 Rejestratr X-Y sterwany napięciem w bu kierunkach d zapisu kształtu estymat widmwych, np. krelacji. 6 Mnitr jak wizualna kńcówka prcesra d bieżącej prezentacji infrmacji alfanumerycznych, wykresów itd. 7 Drukarka i plter jak śrdek utrwalania infrmacji z mnitra. 8 Pamięć cyfrwa jak śrdek rejestracji i bezpśredniej transmisji d kmputera. Na zakńczenie mawiania pdstawweg systemu d analizy prcesów WA trzeba pwiedzieć, że pstęp w te,j dziedzinie,jest tak duży, że nie spsób g garnąć I syntetycznie, zaś największa ewlucję wnisł tu przetwarzanie cyfrwe sygnałów. Umżliwia n wielwymiarwe przetwarzanie sygnałów na gół w czasie rzeczywistym. Nie spsób.więc wyczerpując te zagadnienia pisać, trzeba je śledzić na bieżąc.