Акустический мониторинг промышленных механизмов и оборудования
До изобретения твердотельных жестких дисков многие пользователи компьютеров могли описать звук сбоев жесткого диска. Вместо спокойного жужжания раздавалось скрежетание или постукивание. Затем данные исчезли навсегда. Автомеханики привыкли слушать, как звучит машина, что помогает диагностировать проблемы на основе этих шумов.
Пока есть движущиеся части, промышленное оборудование будет шуметь. Даже самый дорогой комплект прецизионных подшипников преобразует некоторую механическую энергию в шум. В некоторых случаях шум очень слабый, а в других случаях шум на уровне неприятности, затрудняющий разговор в помещении или требующий от операторов использования средств защиты органов слуха. Но несмотря на все эти разговоры о самой громкости, больше всего беспокойства чаще всего вызывают изменения в выходном шуме. Машина, радостно жужжащая, даже на большой громкости, может быть вполне приемлемой в плане рабочих характеристик. Однако, как только этот шум изменяется по величине или тону или становится прерывистым, это часто является признаком предстоящих проблем.
Акустические датчики (микрофоны)
Самым основным акустическим датчиком является микрофон. Простейшие микрофоны состоят из ведомого элемента, прикрепленного к магниту. Когда звуковые волны перемещают ведомый элемент, магнит перемещается вперед и назад вокруг катушки. Как мы узнали из школьных уроков физики, изменяющееся магнитное поле вызывает ток в близлежащих проводах. Ток в этих проводах можно измерить, изменяя частоту в зависимости от звуковых тонов, которые заставляли ведомый элемент двигаться.
В этих базовых микрофонах любой звук, попадающий непосредственно на поверхность ведомого элемента (конуса), вызывает сильнейшее движение и, следовательно, наибольший ток. Это означает, что стандартные однонаправленные микрофоны должны быть направлены непосредственно на источник звука для достижения наилучших результатов. С другой стороны, всенаправленные микрофоны теоретически способны улавливать звуки одинаково во всех направлениях.
Что из этого лучше? Это зависит от приложения. Если источником шума является конкретный подозрительный компонент в известном месте, например, при проверке потенциально изношенного подшипника, может быть предпочтительнее однонаправленный микрофон. Причина этого в том, что однонаправленный микрофон усиливает только в одном направлении, а это означает, что перед ним будет более сильный сигнал, а по бокам меньше шума. Это помогает изолировать сигналы неисправности от фонового шума. Однако, если требуется общий мониторинг шума на большей территории, например, мониторинг уровня шума в помещении для обеспечения соответствия требованиям защиты здоровья и слуха, лучше проводить мониторинг во всех направлениях.
Активные и пассивные датчики
Некоторые датчики, такие как микрофоны, являются пассивными, поскольку они собирают только сигналы, генерируемые в другом месте. Есть также активные датчики, которые генерируют шум, а затем слушают, чтобы получить ответ. В частности, существуют ультразвуковые детекторы трещин, которые генерируют ультразвуковой сигнал и прослушивают вибрации в материале, чтобы определить, есть ли трещины, поскольку трещины вызывают искажение сигнала в определенных направлениях. Подобные ультразвуковые детекторы трещин особенно полезны для неразрушающего контроля литых деталей, сосудов под давлением и трубопроводов.
Микрофонные решетки
Еще один способ сузить проблемные места – использовать массивы микрофонов или микрофонные решетки. Эти массивы состоят из нескольких микрофонов, расположенных по известной схеме. Поскольку расстояние между микрофонами известно, хорошо построенная система сбора данных может отслеживать метки времени, когда шум поступает на каждый микрофон. Эти сигналы могут быть преобразованы в измерения расстояния, и, как только будет известно измерение расстояния от каждого микрофона, можно точно определить проблемное место. Это похоже на то, как сейсмометры определяют эпицентр землетрясений, они триангулируют положение.
Недостатки использования микрофонных решеток заключаются в том, что для анализа сигналов требуется много микрофонов в фиксированном расположении и мощные возможности обработки. Это ограничивает мобильность системы, и такие системы обычно устанавливаются полустационарно рядом с проблемным оборудованием или оборудованием, которое значительно выиграет от раннего обнаружения проблем. Некоторые интересные конструкции массивов, появившиеся в последнее время, основаны на меньшем количестве микрофонов, но имеют вращающуюся руку, обеспечивающую им более широкое поле зрения.
Обработка сигналов
Триангуляция для точного определения местоположения источников шума – лишь один из примеров того, как обработка сигналов может сократить время устранения неполадок. Этот метод особенно удобен для сложных сборок или большого количества движущихся частей в небольшом пространстве. Другой метод обработки сигналов заключается в анализе частот, излучаемых устройством, и сравнении их с другими соседними сигналами или эталонными фоновыми сигналами. В этом методе анализа данных образцы звука берутся и исследуются с точки зрения звуковых частот.
Звуковые частоты извлекаются с помощью преобразования Фурье. Не вдаваясь в математические подробности того, как это делается, простой способ описать это состоит в том, что случайный звук состоит из смеси сигналов разных частот. Вместо того, чтобы смотреть на синусоидальную волну, основанную на времени, которая скрывает эти скрытые сигналы, преобразование Фурье позволяет оператору просматривать сигнал с частотой на оси x вместо времени. Чем громче излучение на определенной частоте, тем выше положение по оси Y, что часто выражается в единицах усиления. Поскольку фабричные условия в целом шумны, время от времени требуется выборка фонового шума во время нормальной работы. После их сбора их можно вычесть из сигналов, в которых может присутствовать проблема. Это упрощает идентификацию сигналов, которые изменились и, таким образом, могут указывать на проблему.
Примеры акустического мониторинга
Хотя реализация надежного акустического мониторинга может быть дорогостоящей, она имеет некоторые преимущества. Рассмотрим следующие примеры.
Прецизионная обработка требует правильного сочетания станков, измерений и условий контроля. Однако состояние станков со временем меняется по мере износа режущих инструментов, что приводит к изменению геометрии деталей или времени резания. Один из способов смягчить эту проблему – использовать однонаправленный микрофон и прислушиваться к усилению «дребезжания», когда заготовка издает больше шума во время операций обработки. Как только этот сигнал обнаружен, можно запланировать техническое обслуживание для замены лезвия, биты или инструмента, вместо того, чтобы ждать, пока детали не выйдут из строя в процессе обеспечения качества.
Еще один пример. Шумный конвейер на руднике имеет несколько роликов и подшипников. Подшипники смазываются автоматически, но иногда смазочные отверстия забиваются мусором. Операторы могут слышать скрип подшипника только тогда, когда уже слишком поздно спасать подшипник из-за шума шахты. С помощью массива микрофонов и преобразования Фурье проблемные подшипники можно определить, когда шум еще незначителен.
А вот пример с насосом. Одним из врагов насоса является кавитация, когда давление падает достаточно низко, чтобы вызвать испарение жидкости. Пузырьки сильного испарения царапают лопасти крыльчаток, что приводит к их более быстрому износу. С помощью однонаправленного микрофона можно услышать испарение, а скорость насоса или давление потока отрегулировать для предотвращения кавитации.
Ультразвуковые датчики трещин часто используются в манометрах для контроля трубопроводов (МКТ). Скребок вставляется в трубопровод и продвигается по нему, отправляя ультразвуковые сигналы и собирая ответы по пути. МКТ восстанавливают и анализируют данные. На основе ответных сигналов можно определить тонкие участки износа или коррозии до того, как трубопровод начнет течь.
Акустический мониторинг будет по-прежнему развиваться как с точки зрения обеспечения здоровья и безопасности на производстве, так и как диагностический инструмент для профилактического обслуживания. По мере снижения цен на датчики и развития вычислительных алгоритмов все больше и больше профессионалов отрасли обращаются к акустическому мониторингу как к бесконтактному методу сбора данных о состоянии оборудования.
© digitrode.ru