1. 狀態監測與故障診斷的基本知識
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一、振動感測器的基本知識
必要而且准確的信息是進行故障診斷的前提條件。由於所有振動信息的源頭均來自於感測器因此有必要了解一下振動感測器方面的基本知識。
1.振動感測器的構成及工作原理
振動感測器是將機械振動量轉換為成比例的模擬電氣量的機電轉換裝置。
感測器至少有機械量的接收和機電量的轉換二個單元構成。機械接收單元感受機械振動但只接收位移、速度、加速度中的一個量機電轉換單元將接收到的機械量轉換成模擬電氣量如電荷、電動勢、電阻、電感、電容等另外還配有檢測放大電路或放大器將模擬電氣量轉換、放大為後續分析儀器所需要的電壓信號振動監測中的所有振動信息均來自於此電壓信號。
2.振動感測器的類型
振動感測器的種類很多且有不同的分類方法。按工作原理的不同可分為電渦流式、磁電式電動式、壓電式按參考坐標的不同可分為相對式與絕對式慣性式按是否與被測物體接觸可分為接觸式與非接觸式按測量的振動參數的不同可分為位移、速度、加速度感測器以及由電渦流式感測器和慣性式感測器組合而成的復合式感測器等等。
在現場實際振動檢測中常用的感測器有磁電式速度感測器其中又以絕對式應用較多、壓電式加速度感測器和電渦流式位移感測器。其中加速度感測器應用最廣而大型旋轉機械轉子振動的測量幾乎都是渦流式感測器。
3.磁電式速度感測器
磁電式速度感測器的構造如下圖所示。
磁電式速度感測器的工作原理是感測器固定在被測物體上物體振動時固定在殼體7上的磁鋼5隨殼體與物體一起振動而由彈簧片2和線圈3組成的彈簧—質量元件與磁鋼的振動並不同步而是發生相對運動線圈切割磁鋼的磁力線而產生電動勢在磁通量及線圈參數均為常數的情況下電動勢的大小與線圈切割磁力線的相對速度成正比。此相對速度對相對式顯然是被測物體的相對振動速度對絕對式來說當感測器中的彈簧—質量元件的固有頻率遠小於被測物體的振動頻率時線圈的振動速度會遠小於磁鋼的振動速度線圈與磁鋼之間的相對速度接近於被測振動體相對於大地或慣性空間的絕對速度。總之可以認為磁電式速度感測器的輸出電壓與被測物體的振動速度成正比。
速度感測器通過積分電路可測得位移通過微分電路可測得加速度。
磁電式速度感測器的優點是靈敏度高輸出信號大輸出阻抗低電氣性能穩定性好不易受外部雜訊干擾不需外加電源安裝簡單使用方便對後續電路也無特殊要求缺點是動態頻響范圍有限尺寸和重量較大彈簧片容易發生疲勞損壞。速度感測器的構造特點決定了彈簧片為關鍵的矛盾點彈簧片厚彈簧—質量元件的固有頻率就增高所能測得的低頻范圍變窄彈簧片薄易損壞使用壽命短。
4.壓電式加速度感測器
某些晶體在受到沿一定方向的外力作用時其內部的晶格會發生變化產生極化現象同時在晶體的兩個表面上產生了極性相反的電荷當外力消除後又恢復到原來的不帶電狀態當作用力方向改變時所產生的電荷的極性也隨之改變晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比此現象稱為壓電效應。
壓電式加速度感測器就是根據壓電晶體受力後會在其兩個表面產生不同電荷的壓電效應來實現機電轉換的。
壓電式加速度感測器的構造如下圖所示。
其工作原理是壓電式加速度感測器的基座4固定或緊密接觸於被測物體與物體一起振動由壓緊彈簧1與慣性質量塊2組成的彈簧—質量元件與基座的振動並不同步、而是發生相對運動壓電晶體3受到質量塊因相對振動加速度產生的慣性力作用而產生電荷電荷量的大小與慣性力成正比。當感測器中的彈簧—質量元件的固有頻率遠大於被測物體的振動頻率時質量塊的振動位移會遠小於基座的振動位移質量塊與基座之間的相對振動接近於基座、即被測物體的振動。因此壓電式加速度感測器的輸出電壓與被測物體的振動加速度成正比。
加速度感測器通過積分電路可測得速度通過二次積分電路可測得位移。
壓電式加速度感測器的優點是體積小重量輕頻率響應范圍寬。適於測量高頻、沖擊信號例如齒輪、滾動軸承的振動測量耐溫、耐蝕性較好不易損壞在實際測量中應用最廣泛。由於壓電晶體產生的電荷量很小加速度感測器需要配置電荷放大器因此造成內阻抗高、電荷放大器前的連接電纜容易受到外部電磁干擾。現在許多加速度感測器把放大電路集成到感測器內抗干擾能力得到大幅度的提高。壓電式加速度感測器的頻響特性范圍下限由電荷放大器決定上限由感測器的固有頻率及安裝諧振頻率決定。即感測器與被測物體的接觸及固定狀況會**影響高頻測量的范圍其中鋼螺栓聯接固定方式的高頻測量范圍最高可達10000Hz磁鐵固定式為2000Hz手持式最低僅數百Hz。
5.電渦流式位移感測器
電渦流式位移感測器由探頭和前置放大器又稱測隙儀二部分組成探頭對著轉子被測表面但並不接觸留有一定的間隙用支架固定在軸承的瓦座上或機殼上通過延伸電纜與機殼外的前置放大器相連。
電渦流式位移感測器的構造如下圖所示。
電渦流式位移感測器的工作原理是感測器的頭部線圈與諧振電容、前置器內的石英振盪器構成高頻12MHz電流振盪迴路在頭部線圈周圍產生高頻交變磁場。當磁場范圍內出現金屬導體、如轉子時轉子表面會產生感應電流即電渦流。電渦流產生的感應磁場反作用於線圈的高頻磁場使線圈的阻抗或者說電感發生變化轉子與探頭之間的間隙δ越小電渦流就越大線圈的阻抗就越大、電感量就越小。在振盪器激勵電流參數、線圈參數、金屬轉子電導率和磁導率都為常數的情況下電感量是間隙δ的單值函數。測出電感量的變化即可知道轉子與探頭的間隙變化。由延伸電纜輸出的電感量變化信號為高頻載波信號經前置放大器內的檢波器放大、轉換後輸出的是直流電壓信號。該電壓與探頭和轉子之間的間隙δ成正比因此稱為間隙電壓。間隙電壓U又可分為直流分量Uo和變化分量Ua兩部分。直流分量對應於初始間隙又稱安裝間隙或平均間隙用於測量軸位移變化分量對應於振動間隙用於測量振動。測隙儀輸出的間隙電壓信號經後續儀表的進一步處理即可轉化成軸振動、軸位移、轉速、相位的數值以及狀態監測的各種圖譜。
電渦流式位移感測器是非接觸式感測器具有靈敏度高、線性范圍大、頻響范圍寬、具有零頻響應、探頭結構尺寸小、抗干擾能力強、適於遠距離傳送、易於校準標定等優點。與接觸式感測器速度感測器、加速度感測器都是接觸式相比電渦流式感測器能夠更准確地測量出轉子振動狀況的各種參數尤其適用於大型旋轉機械軸振動、軸位移、相位、軸心軌跡、軸心位置、差脹、等等的測量用途十分廣泛。
二、狀態監測與故障診斷的意義及發展現狀
1.狀態監測與故障診斷的定義通俗地說狀態監測與故障診斷就是給機器看病。
人不可能不生病機器在運行過程中出現故障也是不可避免的。人生了病需要求醫就診機器出了故障也要找“醫生”診斷病因。醫生對病人的診斷是基於體征檢查先看體溫再進行驗血、X光、心電圖、B超、甚至CT等基礎上的分析判斷對機器故障的診斷同樣也是基於狀態監測先看總振動值再求助於頻譜、波形、軸心軌跡、趨勢圖、波德圖、全息譜圖等基礎上的綜合性分析判斷。
狀態監測是指通過一定的途徑了解和掌握設備的運行狀態包括利用監測與分析儀器在線的或離線的採用各種檢測、監視、分析和判別方法對設備當前的運行狀態做出評估屬於正常、還是異常對異常狀態及時做出報警並為進一步進行的故障分析、性能評估等提供信息和數據。
故障是指機械設備喪失了原來所規定的性能或狀態。通常把設備在運行中所發生的'狀態異常、缺陷、性能惡化、以及事故前期的狀態統統稱為故障有時也把事故直接歸為故障。而故障診斷則是根據狀態監測所獲得的信息結合設備的工作原理、結構特點、運行參數、歷史狀況對可能發生的故障進行分析、預報對已經或正在發生的故障進行分析、判斷以確定故障的性質、類別、程度、部位及趨勢對維護設備的正常運行和合理檢修提供正確的技術支持。
2.狀態監測與故障診斷的意義
狀態監測與故障診斷技術的由來及發展與十分可觀的故障損失以及設備維修費密切相關而狀態監測與故障診斷的意義則是有效地遏制了故障損失和設備維修費用。具體可歸納如下幾個方面
1及時發現故障的早期徵兆以便採取相應的措施避免、減緩、減少重大事故的發生
2一旦發生故障能自動紀錄下故障過程的完整信息以便事後進行故障原因分析避免再次發生同類事故
3通過對設備異常運行狀態的分析揭示故障的原因、程度、部位為設備的在線調理、停機檢修提供科學依據延長運行周期降低維修費用
4可充分地了解設備性能為改進設計、製造與維修水平提供有力證據。
自上世紀七十年代以來國內外石化、化工、電力、鋼鐵等行業為了極大限度地提高經濟效益生產規模不斷擴大生產裝置向著大型化、高速化、自動化、連續化、單系列化發展裝置中的關鍵設備均無備機一旦出現故障停機將導致整個裝置停產所造成的經濟損失是十分巨大的。例如一個年加工原油500萬噸的煉油廠停產一天的經濟損失達二千多萬元一個年產30萬噸合成氨的化肥廠停產一天的經濟損失達二百五十萬元一台30萬千瓦的發電機組停產一天的經濟損失達二百萬元。由於大型轉動設備的檢修周期較長、備件價格昂貴一次故障停機的總經濟損失多數都在千萬元以上。
設備維修費在生產成本中所佔的比重很大對於工業發達的國家來說任何一家公司的維修費都是一個可觀的數字。國外研究表明維修費隨設備技術含量的提高而增加並且與維修體制密切相關。在日本由於較為重視狀態監測與故障診斷工作上世紀九十年代初工業裝置的維修費為年銷售額的610加上庫存的備品備件總維修費達銷售額的25在美國根據美國國家統計局發布的資料1980年美國工業設備的維修費達2460億美元幾乎佔了**和地方稅收總額7500億美元的三分之一而其中的750億美元是因不當維修包括缺乏正確的狀態監測與故障診斷給浪費了在我國的石化行業伴隨著維修體制的逐步改進、以及狀態監測與故障診斷工作的逐步開展和提高維修費所佔的比重呈逐步下降趨勢上世紀八十年代為年產值的20左右九十年代為15左右近年來為10左右、甚至略低。
維修體制的變革經歷了故障維修、預防性維修和預知性維修三個階段。
最初是故障維修又稱為事後維修“小車不倒只管推”設備什麼時候壞了、什麼時候修盲目、無計劃、設備損壞程度大、維修費用高。
長期以來大多數工廠沿用的是定期的預防性維修體制也稱計劃維修它是根據生產計劃和經驗規定在設備運行一確定時間後停下進行解體、檢查、修理、更換零部件。這種維修制度下無論設備有無毛病都要解體是一種過剩維修浪費人工、物料機器過多拆卸既容易降低原有精度又容易發生人為故障。因此預防性維修帶有很大的盲目性既不經濟又不合理。預知性維修是以狀態監測與故障診斷技術為基礎、以設備實際狀況為依據、根據生產需要制定出預知性維修計劃的維修體制。預知性維修要求不斷地測知表徵設備實際狀態的參數對測得參數進行分析、判斷做出是否發生故障以及故障類型、故障程度的評價推測機器狀態的發展趨勢估算出最佳的維修時機。預知性維修的目標是需要停車時才停車需要換件時才換件需要維修什麼項目如某處軸承、某根轉子、某處對中、某個齒輪、才維修什麼項目。顯然預知性維修比較先進、經濟。據日本資料介紹採用設備故障診斷技術故障停機時間可降低75每年設備維修費可減少2550。無怪國外有些專家認為把少量美元花費在狀態監測上比把上百萬美元花費在因設備嚴重損壞而引起強迫停機後的檢修上更有價值。從開展此項工作中嘗到甜頭的國內設備專家則說開展狀態監測與故障診斷工作是花小錢、省大錢購置監測儀器是花了一些錢但有效地降低了故障損失和設備維修費反而節省了大錢。
3.狀態監測與故障診斷的發展與現狀
狀態監測與故障診斷技術是近三十年來國內外發展較快的一門新興學科。
我國狀態監測與故障診斷技術起源於上世紀七十年代末。那時建國後首批從西方工業發達國家成套引進的13套大化肥裝置以及隨後不久引進的大化纖、大乙烯等裝置正處於建成後的試車、開車階段由於某些機組事故頻發促進了高校及科研單位對這項技術的理論研究和實際應用。國外某些大公司的監測與診斷部門也同時開展了一些服務與交流客觀上起到了一定的推動作用。79年起有些企業開始研究西方設備維修體制從中感受到狀態監測與預知性維修的重要意義。79年到83年一些受故障損失嚴重困擾的石化企業購置了國外先進的頻譜分析儀等狀態監測儀器進入了初步的實踐階段1983年原國家經委下達了《國營工業交通設備管理試行條例》明確提出“逐步採用現代故障診斷和狀態監測技術發展以狀態監測為基礎的預知性維修體制”
從而把故障診斷納入企業管理法規對發展故障診斷技術具有極為重要的意義。自1984年起石化企業逐步建立起以總公司、公司總廠、廠的三級狀態監測機構配置人員購置儀器培訓學**相互交流全面開展了狀態監測與故障診斷工作整體水平得到提高。九十年代起火力發電行業開始開展大型汽輪發電機組的在線狀態監測與故障診斷工作並且發展較為迅速。進入本世紀以來在鋼鐵、煉鋁、水力發電、風力發電、空分等行業內伴隨著技術先進的大型轉動設備的投入使用狀態監測與故障診斷技術也開始得到重視與應用並呈現出上升的趨勢。
狀態監測與故障診斷技術自身的發展過程大致可歸納為以下三個階段
①離線的FFT分析儀階段
上世紀八十年代初、中期通過磁帶記錄儀到現場記錄振動信號然後回實驗室輸入FFT快速傅里葉變換分析儀回放進行頻譜分析只有功率譜幅值譜及波形少數配置雙通道時才能看到軸心軌跡分析方法單一基本上只能查幅值、頻率。
②離線或在線的計算機輔助監測、診斷階段
上世紀八十年代末期至九十年代中期通過計算機完成信息採集、信號分析、資料庫管理、甚至給出診斷結論有各種圖譜分析方法多樣更加註重幅值、頻率、相位信息的全面、綜合利用還涌現出專家輔助診斷系統。
③網路化監測、診斷階段
上世紀九十年代末以來充分利用企業內部區域網和Internet網路做到資源共享、節省投資、遠程診斷所監測的參數不再局限於振動、軸位移、轉速進一步擴展到流量、壓力、溫度等工藝過程量對設備運行狀態的把握更加全面、准確實現了真正意義上的專家遠程診斷。
如今在對設備當前運行狀態的監測以及故障原因的診斷方面可以說國內外狀態監測與故障診斷產品無論是在線的、還是離線的的性能都達到了較為令人滿意的水平。然而用戶現場人員最關心的是設備當前故障的嚴重程度如何、今後的發展趨勢怎樣、還能否繼續運行下去、還能運行多久等問題恰恰在對故障程度的評估上以及故障趨勢的預報上各家產品都顯得欠缺。因此狀態預報是目前監測診斷技術中較為薄弱的環節。
2. 如何正確使用紅外線測溫儀
如何正確使用紅外線測溫儀
內容導讀：紅外測溫儀的測溫原理是將物體（如鋼水）發射的紅外線具有的輻射能轉變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體（如鋼水）本身的溫度相對應，根據轉變成電信號大小，可以確定物體（如鋼水）的溫度。
在使用紅外線測溫儀時，它在判斷上正確無誤
以前一般循著混合液「溢出點」砸水泥地面找「刺漏點」，往往事倍功半。勝利油田孤東三采中心技術人員利用紅外線測溫儀對溫度敏感的特性，實現了快速准確地找到管線刺漏點。
一般注聚井管線內輸往井口的是聚合物母液與污水的混合液，溫度40℃左右。從刺漏點出來的混合液沿地下孔隙度最大處運移，最長可轉移10多米，最後從最薄弱處溢出，即溢出點。混合液轉移過程中溫度逐漸降低，即溢出點溫度最低，而刺漏點溫度最高。
因此，實際找漏時，只要手持紅外測溫儀從溢出點沿著溫度升高的路徑移動，找到最高溫度點即找到了刺漏點。多次找漏試驗證明，這種方法省時省力，准確度100%，並可大大縮小砸水泥地面的范圍。今年採用紅外測溫儀找漏15井次，平均每井次縮短管線處理時間6小時，增加聚合物溶液注入量680立方米。
此外，利用紅外測溫儀還可以對站內控制櫃、配電盤等強電流的地方進行監測，准確及時地發現交流接觸器接線點處虛接、松動等異常情況，操作簡單安全，不影響設備的正常運行。
3. 故障診斷儀俗稱什麼，它是一種什麼
故障診斷儀，顧名思義，就是指能對一些設備（主要是機械設備）的故障做出及時判斷和提供診斷方案的一種儀器。很多設備，尤其是大型機械設備，價格都很昂
貴，出現故障後如果沒有得到及時的處理，對設備的使用壽命影響很大，甚至有時會讓設備直接損壞。因此，對設備出現的故障及時診斷並解決，是一件很重要的事
情。
4. 故障診斷儀器是啥
一般來說，具有數據流功能的故障診斷儀器可以分為原始專用型和通用型兩種。
1、工廠特有的故障診斷儀。它通常是由汽車製造商專門設計和製造的用於檢測和診斷由工廠生產的車輛的故障診斷儀器。一些大型汽車製造商，如梅賽德斯賓士、寶馬、奧迪、日產、福特等，都有獨創的專用故障診斷儀。原有的專用故障診斷儀僅適用於工廠生產的汽車的檢測和診斷，一般配備有專門的汽車維修站，提供良好的售後服務。
2、通用故障診斷設備。測試設備製造商通常設計和製造，以適應多種型號的檢測和診斷。它經常存儲幾十個甚至數百個不同品牌、不同型號的汽車電子控制系統測試數據、測試程序和故障代碼等信息，並用各種型號的檢測接頭，可以檢測各種診斷模型，因此，它可以由綜合維修公司使用。目前，國內維修公司採用的故障診斷設備最為常見，N300故障診斷儀和N600故障診斷儀在義大利生產。
5. 機械設備故障的診斷
機械故障診斷 需要進一步確定故障的性質，程度，類別，部位，原因，發展趨勢等，為預報，控制，調整，維護提供依據。主要包括信號檢測，特徵提取，狀態識別，診斷決策。 診斷技術發展幾十年來，產生了巨大的經濟效益，成為各國研究的熱點。從診斷技術的各分支技術來看，美國佔有領先地位。美國的一些公司，如Bently，HP等，他們的監測產品基本上代表了當今診斷技術的最高水平，不僅具有完善的監測功能，而且具有較強的診斷功能，在宇宙、軍事、化工等方面具有廣泛的應用。美國西屋公司的三套人工智慧診斷軟體（汽輪機TurbinAID，發電機GenAID，水化學ChemAID）對其所產機組的安全運行發揮了巨大的作用。還有美國通用電器公司研究的用於內燃電力機車故障排除的專家系統DELTA；美國NASA研製的用於動力系統診斷的專家系統；Delio Procts公司研製的用於汽車發動機冷卻系統雜訊原因診斷的專家系統ENGING COOLING ADCISOR等。近年來，由於微機特別是便攜機的迅速發展，基於便攜機的在線、離線監測與診斷系統日益普及，如美國生產的M6000系列產品，得到了廣泛的應用。 英國於70年代初成立了機器保健與狀態監測協會，到了80年代初在發展和推廣設備診斷技術方面作了大量的工作，起到了積極的促進作用。英國曼徹斯特大學創立的沃森工業維修公司和斯旺西大學的摩擦磨損研究中心在診斷技術研究方面都有很高的聲譽。英國原子能研究機構在核發電方面，利用雜訊分析對爐體進行監測，以及對鍋爐、壓力容器、管道得無損檢測等，起到了英國故障數據中心的作用。目前英國在摩擦磨損、汽車、飛機發動機監測和診斷方面仍具有領先的地位。 歐洲一些國家的診斷技術發展各具特色。如瑞典SPM公司的軸承監測技術，AGEMA公司的紅外熱像技術；挪威的船舶診斷技術；丹麥的BK公司的振動、雜訊監測技術等都是各有千秋。日本在鋼鐵、化工等民用工業中診斷技術佔有優勢。東京大學、東京工業大學、京都大學、早稻田大學等高等學校著重基礎性理論研究；而機械技術研究所、船舶技術研究所等國立研究機構重點研究機械基礎件的診斷研究；三菱重工等民辦企業在旋轉機械故障診斷方面開展了系統的工作，所研製的「機械保健系統」在汽輪發電機組故障監測和診斷方面已經起到了有效的作用。 我國診斷技術的發展始於70年代末，而真正的起步應該從1983年南京首屆設備診斷技術專題座談會開始。雖起步較晚，但經過近幾年的努力，加上政府有關部門多次組織外國診斷技術專家來華講學，已基本跟上了國外在此方面的步伐，在某些理論研究方面已和國外不相上下。目前我國在一些特定設備的診斷研究方面很有特色，形成了一批自己的監測診斷產品。全國各行業都很重視在關鍵設備上裝備故障診斷系統，特別是智能化的故障診斷專家系統，在電力系統、石化系統、冶金系統、以及高科技產業中的核動力電站、航空部門和載人航天工程等。工作比較集中的是大型旋轉機械故障診斷系統，已經開發了20種以上的機組故障診斷系統和十餘種可用來做現場故障診斷的攜帶型現場數據採集器。透平發電機、壓縮機的診斷技術已列入國家重點攻關項目並受到高度重視；而西安交通大學的「大型選轉機械計算機狀態監測與故障診斷系統」，哈爾濱工業大學的「機組振動微機監測和故障診斷系統」。東北大學設備診斷工程中心經過多年研究，研製成功了「軋鋼機狀態監測診斷系統」，「風機工作狀態監測診斷系統」，均取得了可喜的成果。 可用於機械狀態監測與故障診斷的信號有振動診斷、油樣分析、溫度監測和無損檢測探傷為主，其他技術或方法為輔的局面。這其中又以振動診斷涉及的領域最廣、理論基礎最為雄厚、研究得最為充分。目前，在振動信號的分析處理方面，除了經典的統計分析、時頻域分析、時序模型分析、參數辨識外，近來又發展了頻率細化技術、倒頻譜分析、共振解調分析、三維全息譜分析、軸心軌跡分析以及基於非平穩信號假設的短時傅里葉變換、Winger分布和小波變換等。而當代人工智慧的研究成果為機械故障診斷注入了新的活力，故障診斷的專家系統不僅在理論上得到了相當的發展，且己有成功的應用實例，作為人工智慧的一個重要分支，人工神經網路的研究己成為機械故障診斷領域的一個最新研究熱點。 隨著計算機技術、嵌入式技術以及新興的虛擬儀器技術的發展，故障診斷裝置和儀器己經由最初的模擬式監測儀表發展到現在的基於計算機的實時在線監測一與故障診斷系統和基於微機的攜帶型監測分析系統。這類系統一般具有強大的信號分析與數據管理功能，能全面記錄反映機器運行狀態變化的各種信息，實現故障的精確診斷。隨著網路技術的發展，遠程分布式監測診斷系統成為目前的一個研究開發熱點。