Метод вибродиагностического исследования технического состояния аппарата аэрозольной терапии УЗОЛ-01-«4»

Целью вибродиагностического обследования является регистрация уровней виброскорости лекарственного раствора с течением времени и его частотного состава в контрольной точке (рис. 1) в зависимости от режима работы аппарата УЗОЛ-01-«4». Для определе- ния динамических характеристик ультразвуковых колебаний в лекарственном растворе достаточно одного акселерометра с высокой собственной частотой установленного в направлении струи орошения, так как распространение ультразвуковых волн плоское (рис. 1).

Рис. 1. Виброизмерительная система

В состав виброизмерительной системы входят: 1 – высокочувствительный пьезоэлектрический акселерометр 8309 фирмы «Bruel&Kjer»; 2 – предусилитель пита 2635; 3 – многоканальный синхронный регистратор «Атлант» фирмы «Вибро-Центр».

Источником вибрации вибрационного процесса в лекарственном растворе является колеблющийся наконечник вибратора оросителя, вызывающий кавитации в эксплуатационных режимах работы.

При определенных условиях работы аппарата могут возникать нестандартные ситуации, поэтому необходимо строго придерживаться мер безопасности, изложенных в техническом паспорте аппарата, и руководствоваться методическими рекомендациями «Диагностика и лечебно-профилактические мероприятия при воздействии ультразвука различных частот», разработанных ГУ НИИ и координации научных исследований.

Все приборы, используемые для виброди-агностического обследования, прошли механическую проверку на специальном калибровочном оборудовании и метрологически аттестованы в установленном порядке.

Акселерометр типа 8309 специально предназначен для измерения и анализа механических ударов с большими амплитудами. Типичными областями применения являются измерения ударов и измерения ударных волн на клапанах двигателей внутреннего сгорания. Очень прочная конструкция акселерометра благоприятствует его использованию в крайних условиях окружающей среды.

В качестве чувствительного элемента в акселерометре типа 8309 использован специальный пьезоэлектрический материал (рис. 2).

Рис. 2. Акселерометр типа 8309

Он отличается небольшими размерами и весом, что благоприятствует его использованию при измерении колебаний небольших и легких объектов. Интегральный малошумный кабель длиной 300 мм обеспечивает надежное соединение даже при измерении ударов с амплитудой до 100 000 д. Вместе с акселерометром поставляется также удлинительный кабель длиной 1,2 м, который можно соединять рядом с интегральным кабелем.

Преимуществом акселерометр а 8309 является высокая частота резонанса в поперечном направлении. Это очень важно при измерении комплексных у д аров, при котором т р удно определить поперечные движения испытуемого объекта.

Вместе с акселерометром 8309 используется предусилитель 2635, выпуска е мый фирмой Bruel&Kjer. При необходимо с ти сигнал можно ослаблять с помощью дополнительного кабеля, подключаемого между датчиком и предусилителем.

Надежное креплени е акселерометра типа 8309 является очень важным вопросом при измерении ударов с высокими амплитудами. Д л я этой цели акселерометр снабжен прочной интегральной шпилькой , рассчитанной на неискаженную передачу колебательного сигнала от объекта к чувствите л ьному элементу. Поверхность, на которой устанавливается акселерометр, должна быть ровной и гл а дкой.

В табл. 1 представ л ены технические характеристики акселерометра.

Таблица 1

Технические характеристики акселерометра

Чувствительность по заря д у	0,03–0,04 пКл/g
Диапазон частот: 5 % 10 %	1–36 000 Гц 1–60 000 Гц
Ударная стойкость	100 000 д
Поперечная чувствительность	5 %
Резонансная частота в поперечном направлении	28 кГ ц
Вес без интегрального кабеля	3 г
Вес с интегральным кабелем	5 г

Предусилитель сигнала 2635 ( р ис. 3) является высококачественным унив е рсальным усилителем заряда и формирователем сигнала, п р едназначенным для и змерений механических колебаний (вместе с пьезоэлектрическими вибродатчиками) и распростра н яющегося в воде звука (при работе с пьезоэлектрическими гидрофонами).

Прибор 2635 можно соединять с портативными магнитофонам и , самописцами уровня, электронными вольтметрами и частотными анализаторами. В качестве и сточника питания прибора 2635 можно использовать внутренние батареи или внешний источник п о стоянного тока. Следовательно, прибор 2635 эффективен как в полевых, так и в лабораторных условиях.

Рис. 3. Предусилитель сигнала 2635

Многоканальный синхронный регистратор и спектроанализатор АТЛАНТ (рис. 4) включен в Государственный реестр средств измерения под № 19989-00 и допущен к применению, предназначен:

– для синхронной регистрации, спектральной обработки и графического анализа сигналов с различных датчиков, имеющих выход по напряжению (по току). Количество синхронно регистрируемых сигналов может изменяться пользователем при работе с прибором в произвольной конфигурации от 1 до 8;

– решения практических проблем оперативной диагностики состояния аппарата «на месте измерения и регистрации» при помощи встроенных в компьютер экспертных систем, поиска дефектов различных узлов аппарата;

– создания и «ведения» баз данных по регистрированным сигналам, сосредоточенным в специальных директориях программы, соответствующих конкретным аппаратам. При помощи этой базы данных можно контролировать техническое состояние аппарата, выявлять тенденции изменения.

Рис. 4. Многоканальный синхронный регистратор и спектроанализатор АТЛАНТ

АТЛАНТ является универсальным прибором, обладает широкими возможностями и позволяет легко изменять параметры и свойства регистрации сигналов. При его помощи можно синхронно, т. е. одновременно регистрировать и просматривать на экране «временные» сигналы от многих датчиков.

Конструктивно многоканальный синхронный регистратор АТЛАНТ состоит:

– из блока регистрации и синхронизации сигналов. Он представляет собой небольшой модуль, в состав которого входят входные нормирующие усилители, перестраиваемые фильтры и плата быстродействующего синхронного АЦП;

– блока обработки и хранения сигналов. Он представляет собой переносной компьютер стандартной конфигурации. Единственным дополнительным требованием к компьютеру является наличие специальных протоколов обмена информацией через принтерный порт компьютера;

– вибродатчиков-пьезоакселерометров с комплектом соединительных проводов и магнитами быстрого крепления.

Основные технические параметры регистратора АТЛАНТ представлены в табл. 2.

АТЛАНТ создавался преимущественно как регистратор и анализатор вибросигналов, поэтому основное внимание в данной инструкции уделено регистрации и обработке сигналов с вибродатчиков-пьезоакселерометров.

Спектроанализатор АТЛАНТ, благодаря эффективному использованию свойств переносного компьютера, имеет гибкую конфигурацию, обладает большими вычислительными возможностями. Он позволяет пользователю:

– изменять конфигурацию прибора, основные параметры регистрации сигналов:

• •    тип и частотный диапазон применяемых датчиков,

• •    количество каналов регистрации и «Раскладку» датчиков по каналам,

• •    частоту синхронного опроса датчиков,

• •    длительность непрерывной регистрации сигналов;

• –    зарегистрированную с датчиков информацию для визуального контроля и экспресс-анализа просматривать на экране компьютера, который программно разбивается на нужное количество отдельных окон просмотра, и в широком диапазоне изменять параметры про-смотра-масштабирование и «временное» разрешение;

• –    всю информацию по контролируемым агрегатам, выполненным замерам и рассчитанным параметрам состояния хранить во внутренней базе данных прибора;

• –    исходные вибросигналы подвергать дополнительной обработке.

  Таблица 2

  Основные технические параметры регистратора АТЛАНТ

  Количество каналов регистрации аналоговых сигналов	8 (до 16*)
  Частота опроса каналов при регистрации сигналов	1–20 000 Гц
  Частотный диапазон поставляемых вибродатчиков	5–5000 Гц
  Длительность временных выборок сигналов	0,01 с – 2 ч
  Объем памяти для хранения сигналов	1000 МБ
  Частотное разрешение получаемых спектров	50–12 800 линий
  Разрешение цветного жидкокристаллического дисплея	600 × 800 точек
  Время работы от внутренних источников питания	2,5–4,0 ч
  Вес прибора в упаковке без датчиков	7,0 кг

  * – специальная версия поставки.

  
  

Это позволяет:

• •    осуществлять переходы между виброускорением, виброскоростью и виброперемещением,

• •    контролировать изменение параметров при пуске аппарата практически на любом интервале времени, определять критические резонансные частоты аппарата,

• •    учитывать влияние режимов работы аппарата, устранять тепловые расцентровки,

• •    выполнять специальные преобразования, такие, как расчет взаимных спектров, кепстров, вейвлет-анализ и т. д.

  – регистрировать любые электрические сигналы в диапазоне 0–5 В.

Измерения параметров вибрации проводится в контрольной точке, расположенной на металлическом кубе, жестко соединенном с акселерометром 8309 (см. рис. 1).

Пьезоэлектрический акселерометр нужно надёжно прикрепить к поверхности куба, подвергаемого вибродинамическому воздействию струи аппарата, в выбранной контрольной точке. Надёжность крепления и качество механической связи между акселерометром и кубом являются основными условиями получения точных и воспроизводимых результатов измерения и анализа параметров вибраций.

В связи с тем, что направление от гидродинамического воздействия струи орошения соответствовало одной из главных осей, регистрировалась компонента по x , совпадающее с главной (продольной) осью пьезоакселерометра 8309.

Регистрация колебаний велась в нескольких эксплуатационных режимах под воздействием гидродинамики струи.

Данная работа имела целью провести натурные экспериментальные исследования параметров виброактивности струи аппарата при создании динамического воздействия в экс- плуатационных режимах работы. В рамках этого исследования предполагалось также определить динамические характеристики струи в зависимости от времени.

Измерения параметров вибрации проводят в контрольной точке 1, расположенных на металлическом кубе в горизонтальном продольном направлении (см. рис. 1). В табл. 3 приведены характеристики различных режимов работы аппарата. Значения СКЗ ускорений для этих режимов работы аппарата приведены в табл. 4.

Таблица 3

Характеристики различных режимов работы аппарата

Контрольная точка Режим Запись	Виброускорение м/с2
	10		70		1,5	1,0
	8	9	10	11	12	13
КТ1 x	2,7	3,0	5,1	2,9	4,8	3,0

Амплитуды скорости и ускорения колебательного движения частиц в струе аппарата, а также амплитуды звукового давления в ультразвуковых волнах во много раз больше соответствующих величин для слышимых звуков. Благодаря большой амплитуде звукового давления, создаваемого мощным ультразвуковым излучателем, в жидкости возникает явление кавитации, которое характеризует частоту образования и схлопывания внутренних разрывов сплошности. Поэтому ультразвуковые колебания струи ускоряют процесс растворения, а также за счет образования свободных ионов повышают эффективность протекания химических процессов. Эффективность и акустическая активность в струйном измельчении изменяются в зависимости от параметров (амплитуды, частоты) акустического излучения оросителя.

Временная реализация вибрационного сигнала, получаемая непосредственно с датчика

Таблица 4

Значения СКЗ ускорений

Расстояние, мм	Мощность орошения, %	Мощность насоса, %	Номер записи «АТЛАНТ»	Примечание (рис.)
10	50	30	8	9 (а)
10	100	100	9	9 (б)
70	50	30	10	10 (а)
70	100	100	11	10 (б)
1,5	100	100	12	11 (а)
1,0	100	100	13	11 (б)

Atlant

13.03.2015 в 0:43:28

б)

13.03.2015 в 0:50:29

Рис. 5. Реализация вибрационного сигнала режим 12 (а), режим 13 (б)

а)

13.03.2015 в 0:43:28

б)

13.03.2015 в 0:50:29

Рис. 6. Низкочастотный спектр струйного воздействия запись 12 (а), запись 13 (б)

(рис. 5), является малоинформативной с точки зрения получения параметров, характеризующих процесс колебательного состояния струи аппарата. Причина заключается в том, что исходный сигнал представляет собой совокупность различных низко- и высокочастотных составляющих, характеризующих работу оросителя и насоса в эксплуатационных режимах работы. Наиболее распространенным методом обработки вибрационного сигнала в целях получения его параметров является применение преобразования Фурье, т. е. замена временной реализации вибрационного сигнала на его частотные составляющие.

На рис. 6 представлен низкочастотный спектр. В преобразовании Фурье базисные функции определены на всей временной оси и поэтому не могут выявлять появление спектральных составляющих сигнала в определенный момент времени.

В последнее время активно развивается направление, связанное с применением вейвлетов в задачах анализа вибрационных сигналов. Используя вейвлет-преобразование, можно выделить не только частотные составляющие сигнала (рис. 7), но и четко локализовать во времени появление отдельных спектральных составляющих (рис. 8).

Выполненные научные исследования направлены на применение новых знаний для достижения практических целей и решения конкретных задач: испытание аппарата аэрозольной терапии УЗОЛ-01-«4» неразрушающими вибрационными методами.

Atlant

13.03.2015 в 0:43:28

б)

13.03.2015 в 0:43:28

Рис. 7. Спектр струйного воздействия (а) и вейвлет преобразования (б) запись 12

13.03.2015 в 0:50:29

Атлант

б)

13.03.2015 в 0:50:29

Рис. 8. Спектр струйного воздействия (а) и вейвлет преобразования (б) запись 13

Согласно [1–4] определены динамические параметры колебаний и их частотный состав для аппарата от динамического воздействия в эксплуатационных режимах с использованием метрологически аттестованного оборудования аттестованными специалистами по неразрушающему контролю вибрационным методом [5, 6].

Результаты проводимого вибродиагно-стического исследования Фурье и вейвлет анализом динамического поведения струи аппарата аэрозольной терапии УЗОЛ-01-«4» позволяет сделать следующие выводы:

• 1.    На основе аппаратных средств фирмы Bruel&Kjer и регистратора АТЛАНТ разработана методика регистрации и анализа параметров частиц лекарственного раствора под

• 2.    Исследования показали, что акустическая активность струйного орошения изменяется в зависимости от степени заполнения струи, проходящей через ороситель.

• 3.    Наиболее информативными параметрами акустического мониторинга является амплитуда и частота акустического сигнала.

• 4.    Применение вейвлет преобразования позволяет исключить основной недостаток Фурье-анализа: невозможность получения независимости частотных составляющих с течением времени. На рис. 9 наглядно представляется, какие частоты преобладают во временной области.

• 5.    С использованием результатов прове-

• денного динамического исследования можно провести выбор оптимальных конструктивных и технологических параметров работы аппарата аэрозольной терапии УЗОЛ-01-«4»,
13.03.2015 в 0:43:28

воздействием вибрирующего источника, создающего ультразвуковую волну.

разработать эффективные методики аэрозольной терапии и контролировать методы создания лечебного раствора на базе инфракрасной спектроскопии.

а)

Atlant

б)

13.03.2015 в 0:50:29

Рис. 9. Вейвлет преобразование запись 12 (а), запись 13 (б).