Использование гистограммы частотных сдвигов для диагностического анализа сигналов

Группа сотрудников исследовательского центра ABB в городе Краков, Польша, предложила метод анализа сигналов, основанный на построении гистограммы распределения частотных сдвигов между характерными пиками в спектре сигнала. Метод можно использовать вместо или наряду с анализом спектра сигналов вибрации, акустической эмиссии или потребляемого тока для диагностики состояния оборудования. Работа авторов была представлена на прошедшем в 2015 году IEEE International Symposium on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives.

Суть метода состоит в следующем. В спектре записанного сигнала выделяются характерные гармоники по простому превышению амплитудой гармоники граничного значения, которое задаётся пользователем. Далее выполняется итеративный перебор всех характерных гармоник в порядке возрастания частоты. В каждой итерации для рассматриваемой гармоники рассчитывается разница и условный вес между рассматриваемой гармоникой и всеми остальными гармониками, чья частота меньше рассматриваемой. Условный вес показывает, насколько амплитуда одной грамоники отличается от другой, для его расчёта могут использоваться разные формулы. В самом простом подходе условный вес определяется простой разницей амплитуд гармоник. После расчёта разницы частот и условных весов строится гистограмма распределения весов по частотным сдвигам. При наличии в спектре исходного сигнала характерных пиковых гармоник дефектов, гистограмма частотных сдвигов также будет содержать характерные пики, по характеристикам которых можно выполнять диагностику оборудования.

Работа метода была проверена на трёх типах сигналов: вибрации, акустической эмиссии и потребляемого тока. Во всех случаях сигналы записывались на двигателе, имеющем дефектный подшипник.

Осциллограмма и спектр сигнала вибрации показаны ниже.

Гистограмма частотных сдвигов, рассчитанная по вибрации, показана ниже.

Анализ осциллограммы показывает, что она содержит распределения пиков двух типов: первый тип содержит частоты, кратные 121.77 Гц. Второй тип содержит боковые гармоники шагом 24.96 Гц основной частоты вращения. На изображении ниже в явном виде показаны пики обоих типов.

Аналогичные данные были получены при анализе сигналов акустической эмиссии и потребляемого тока. Спектры и гистограммы сигналов показаны ниже.

Таким образом, в гистограмме всех трёх сигналов присутствуют характерные пики, указывающие на развивающийся дефект, что позволяет использовать предложенный метод для диагностики.

Как указано в заключении исследования, преимуществами метода являются слабая подверженность зашумлённости спектра и отсутствие необходимости знать заранее характерные частоты характерных гармоник дефекта. Вместе с тем, отмечают исследователи, метод работает хуже на нестационарных сигналах. Также, при большой степени развития дефекта метод не будет давать существенных преимуществ по сравнению с классическим подходом с анализом спектра. Оба метода будут одинаково эффективны.

Больше новостей и аналитики из мира онлайн-диагностики электрооборудования читайте на нашем Телеграм-канале "ЗВЕЗДА"