Параметрические методы контроля

Контроль при выключенных объектах позволяет проверить работоспособность лишь отдельных элементов их схем. Многие из этих элементов подлежат индивидуальной проверке лишь при установке их в объект вместо отказавших (резисторы, конденсаторы, индуктивности, полупроводниковые и другие электронные устройства). При этом, как правило, проверяют основные паспортные параметры элементов с помощью обычной штатной измерительной аппаратуры. Для измерения сопротивлений, резисторов и потенциометров используют омметры, сопротивлений контактных переходов – микроомметры, сопротивлений изоляции проводов сети и электрических устройств – мегометры.

Для измерения индуктивностей и емкостей используют, как правило, компенсационные методы, применяют мостиковые схемы с магазинами образцовых индуктивностей и емкостей. Может использоваться также косвенный метод измерения с помощью схемы, собранной из ваттметра, амперметра и вольтметра.

Контроль работоспособности отдельных электронных ламп, полупроводниковых приборов производится с помощью специальных штатных испытательных пультов, обеспечивающих определение всех основных характеристик приборов.

Контроль по статическим характеристикам основан на том, что несоответствие любой из них допустимому диапазону значений в заданных условиях свидетельствует о неработоспособном состоянии объекта контроля.

Различают контроль работоспособности демонтированных с борта агрегатов и механизмов и контроль их на борту. В первом случае объекты контролируют, как правило, вне бортовой системы как отдельные агрегаты или в системе с лабораторным комплектом, предназначенным специально для проверки и настройки отдельных блоков бортовой системы. Во втором случае контролируют бортовую систему в целом. При этом не всегда имеется возможность или целесообразность оценить работоспособность каждого агрегата системы в отдельности. Глубина контроля работоспособности каждого агрегата на борту обычно меньше, чем в лабораторных условиях.

Перечень основных контролируемых выходных параметров и характеристик излагается ниже по группам авиационного оборудования.

В лабораторных условиях работоспособность электромашинных источников электроэнергии контролируют определением внешних (вольтамперных) и регулировочных характеристик при минимальной рабочей и максимальной частоте вращения для генераторов постоянного тока, при номинальной частоте вращения и расчетном (минимальном) значении cos𝝋нагрузки для генераторов переменного тока. Контролируется такжесопротивление изоляции обмоток машины. При наличии средств акустического контроля проверке подлежит состояние подшипников без разборки машины.

Состояние подшипников работающих электрических машин может быть проверено также путем анализа колебаний их выходного напряжения (для генератора) и потребляемого тока¹ (для электродвигателя). Сущность такого контроля заключается в следующем. Когда в подшипниках машины нет признаков износа или разрушений, то отсутствует скольжение их шариков относительно вала машины, т. е. частоты вращения внутренней и внешней обойм подшипника одинаковы. При появлении определенного износа рабочих дорожек обойм и шариков появляется радиальный люфт вала в подшипниках. Этот люфт проявляется¹ в случайных или периодических изменениях воздушного зазора между ротором и статором и, следовательно, в соответствующих изменениях магнитного потока в зазоре. В результате появляются новые составляющие в случайных колебаниях выходного напряжения (тока) машины. Методика и средства анализа этих параметрических колебаний подобны рассмотренным выше для случая акустических методов контроля.

Работоспособность бортовых аккумуляторных батарей в¹ лабораторных условиях контролируют определением их емкости и снятием внешних характеристик в заряженном состоянии. На борту работоспособность батарей проверяют по их напряжению при кратковременном включении определенной нагрузки.

Устройства регулирования (стабилизации) напряжения, частоты, распределения мощностей между генераторами, средства защиты систем электроснабжения контролируют в лаборатории на специальных электроэнергетических стендах или с помощью установок, имитирующих условия работы энергосистемы. Контролю подлежат все паспортные характеристики объектов.

На борту самолета генератор, его системы регулирования, защиты и управления проверяются как единое целое. Однако при этом попутно проверяется работоспособность и некоторых отдельных блоков системы. В процессе контроля задаются или имитируются определенные режимы работы, обеспечивающие проверку точности и устойчивости регулирования напряжения и частоты тока, срабатывания аппаратов защиты и правильности функционирования устройств управления системой.

Электромашинные преобразователи и трансформаторно-выпрямительные блоки контролируются по их выходным параметрам без нагрузки и при ее включении.

Работоспособность электромеханизмов в лабораторных условиях проверяется по их выходным характеристикам: осевому усилию на выходном штоке, механической характеристике, потребляемому току (мощности). На борту их, как правило, проверяют по шумовому действию и наличию перекладки приводимых ими исполнительных устройств. В некоторых случаях контролируют также (приближенно) потребляемые токи и скорости движения выходных валов.

Из оборудования систем запуска в лабораторных условиях проверяют работоспособность автоматических панелей запуска (АПЗ, АПД и др.) - выполнение программы выдачи сигналов управления. Работоспособность системы на борту контролируют в процессе непосредственных запусков авиадвигателей. При этом специальная измерительная аппаратура, как правило, не используется.

Приборы контроля режимов работы авиадвигателей подлежат обязательной периодической проверке в лаборатории с помощью специальной контрольно-измерительной аппаратуры. При этом контролируют точность их показаний во всем рабочем диапазоне измерений. Исключение представляют измерители температуры выходящих газов, для датчиков которых в лаборатории не всегда имеются источники высоких температур. На борту работоспособность приборов проверяется лишь субъективно экипажем и инженерно-техническим составом.

Для контроля работоспособности демонтированных блоков систем измерения количества и управления расходом топлива имеются специальные аппаратурные средства, которые контролируют емкости датчиков, точности расходомеров, измерительных схем топливомеров, программы работы системы управления выработкой топлива. На борту работоспособность проверяют с помощью встроенных средств контроля.

Пилотажно-навигационные приборы и системы являются весьма ответственными для обеспечения безопасности полетов, поэтому оценке их работоспособности уделяется особое внимание. Для всех этих приборов и систем в лаборатории периодически контролируют точность измерений на всех режимах работы с помощью специальной аппаратуры. При подготовках к полетам проверяется их работоспособность встроенными средствами контроля, упрощенными переносными установками, для навигационных автоматов задается решение контрольных навигационных задач. В гироскопических агрегатах обычно встраиваются «детекторы отказа», которые выдают сигнал отказа в случае завала гироузла. На повышенные погрешности приборов такие детекторы не реагируют.

На современных летательных аппаратах (ЛА) применяется двух,- трех- и четырехкратное резервирование наиболее ответственных агрегатов и участков схем бортовых систем. Так, на многих типах самолетов датчиками углов крена и тангажа являются три гировертикали МГВ, работающие параллельно и одновременно.

Выходной сигнал каждого канала измерения (т. е. канала углов крена и канала углов тангажа) является средним значением сигналов всех трех гировертикалей.

Для осреднения значений выходных сигналов датчиков могут использоваться кворум-элементы. Возможная структурная схема кворум-элемента при n однотипных датчиках измеряемого параметра показана на рис. 10.4.

Здесь на входы каждого из n сумматоров 1, 2, …,n подаются измеренные датчиками значения сигналов x₁, х₂ , …, х_n , и результат х осреднения этих сигналов получается на выходе сумматора С. На выходе каждого из сумматоров 1, 2, п получаются значения разности ε_i = х_i – х, которая поступает на усилитель У.

Рис. 10.4.Структурная схема кворум-элемента

Нетрудно доказать, что рассмотренная схема обеспечивает на выходе среднее значение измеренных сигналов. При равных коэффициентах усиления kимеет место равенство

.

При условии k≫1из этой зависимости следует:

Если все n датчиков сигнала работоспособны, то значения ε_i. находятся в пределах допусков. Если же один из датчиков переходит в неработоспособное состояние, то соответствующая разность ε_i превышает допустимые пределы. Параметр ε_i используется для сигнализации и отключения отказавшего датчика канала измерения.

Вполне обосновано допущение, что одновременно может отказать только один датчик, т. е. вероятность одновременного отказа двух и большего числа датчиков пренебрежимо мала. Поэтому после отказа и выключения i-го датчика кворум-элемент продолжает контроль работоспособности оставшихся

(п – 1)датчиков.

Работоспособность нескольких датчиков одного и того же типа и назначения можно контролировать до тех пор, пока из их начального числа п останется в схеме лишь два, а остальные будут отключены ввиду их отказов. С этого момента кворум-элемент контролирует работоспособность не каждого из датчиков, а системы из двух датчиков. При отказе любого из них выдается сигнал об отказе всей системы, поскольку кворум-элемент не может отличить неисправный элемент от работоспособного.

Кворум-элементы могут использоваться для контроля не только датчиков параметров, но и резервированных участков каналов передачи информации, положений выходных валов (штоков) исполнительных механизмов.

Современные автоматические бортовые системы управления полетом (САУ) представляют собой сложные, многоконтурные и резервированные комплексы, решающие ответственные задачи управления, навигации и контроля: навигационные вычисления, оптимальное автоматическое пилотирование, оптимизацию работы авиадвигателей, автоматический контроль работоспособности системы, автоматическое переключение на резервный режим работы при отказе основного рабочего. Контроль работоспособности этих систем в полетах, при подготовках к ним и при проведении профилактических работ имеет особо важное значение, поскольку от технического состояния указанных систем зависит безопасность и регулярность полетов.

Периодически блоки и вся САУ проходят глубокий контроль технического состояния в лабораторных условиях АТБ. С этой целью основные блоки демонтируют с борта ЛА и устанавливают на стенд с комплектом специальной контрольно-измерительной аппаратуры.

Контролю подлежат все статические характеристики каждого блока системы, ее реакции на эталонные тест-сигналы. Для более полного наземного контроля работоспособности систему сопрягают с аналоговой или цифроаналоговой моделью ЛА. С помощью специального информационно-логического измерительного комплекса для системы создают динамический режим типового автоматического полета, близкий к реальному. При этом могут быть учтены все основные случайные факторы, действующие на ЛА и систему управления в полете. В процессе такого контроля проверяются не только работоспособность, но и характеристики качества работы системы.

При подготовках к полетам производится автоматический контроль системы управления с помощью системы встроенного контроля, обеспечивающей выдачу информации об отказе отдельных съемных блоков САУ. В полете автоматически контролируются работоспособность системы с помощью встроенных средств, осуществляющих отклонение отказавших и включение резервных устройств системы, переключение с отказавшего включенного режима работы на работоспособный, выдача информации экипажу о необходимости переключений и отключений в системе.

Бортовые средства контроля САУ выполняются или в виде отдельных блоков, подключаемых в схему системы, или в виде рассредоточенных устройств, встроенных в схему и блоки системы. Для контроля работоспособности САУ одновременно могут применяться различные методы, выбор которых определяется особенностями резервирования, входных и выходных характеристик контролируемого участка или блока системы.

Контроль по допуску на параметр предполагает измерение внутренних х или выходных х_выхпараметров, определяющих работоспособность объекта в рассматриваемом режиме (рис. 10.5).

На устройствах сравнения определяются отклонения параметров Δх_вых и Δх от заданных значений х_вых0и х₀, полученные разности сравниваются с допусками Δх_вых0, Δх₀. Если имеют место неравенства: ‌|Δх_вых| - |Δх_вых0| >0; |Δх| - | Δх₀| >0, то в этом случае выдается сигнал отказа объекта контроля.

Контроль внутренних контуров с обратной связью заключается в следующем. В системах автоматического управления могут быть внутренние контуры W (р), времена переходных процессов в которых значительно меньше таковых для основного (внешнего) контура управления (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Схема контроля внутренних контуров с обратными связями

Поэтому можно считать, что независимо от характера изменения входного сигнала у системы во внутреннем контуре сигнал х должен быть практически всегда равным нулю. За критерий работоспособности такого внутреннего контура могут быть приняты расположение выходного сигнала x(t)в пределах допусков и длительность переходного процесса y(t), меньшая заданного допустимого значения.

На рис. 10.6 показана схема контроля работоспособности рассматриваемого устройства. На сравнивающем устройстве 1 выделяется погрешность Δх, которая сравнивается с допустимой погрешностью Δх₀ на устройстве 2. Устройство временной задержки УЗобеспечивает задержку t_з > t_mна заданное время t, в которое должно уложиться время t_пп переходного процесса.

Контроль сравнением выходных сигналов двух объектов применяется при наличии двух взаимно резервирующих объектов ОК. Выходные параметры х₁и х₂ объектов (рис, 10.7) сравниваются. Их разность затем сравнивается с допуском Δх₀₎. Если |Δх| - |Δх₀| > 0, то выдается сигнал отказа. Устройство временной задержки УЗне допускает выдачи сигнала отказа при кратковременных превышениях Δх допустимых значений в переходных режимах.

Рис. 10.7. Схема контроля двух объектов

Логический контроль может быть основан на сопоставлении знаков входных и выходных сигналов, на выделении определенных областей входных сигналов, в которых появляется (или исчезает) выходной сигнал для устройств с существенно нелинейными характеристиками.

На рис. 10.8,а показана структурная схема логического контроля, обеспечивающая сопоставление знаков входных у и выходных х сигналов объекта.

Логическое устройство ЛУ выдает сигнал об отказе, если появляется несоответствие между знаками входного и выходного сигналов, например:

z{(+x) • (–y) V (–x) • (+y)} = 1.

Здесь знак логического умножения изображается точкой •, а логического сложения – значком V.

В состав логических функций могут включаться выходные сигналы, их первые и вторые производные.

Рис. 10.8. Схема логического контроля

На рис. 10.8,б показан объект контроля с существенно нелинейной характеристикой х(у). Здесь логическое устройство выдает сигнал отказа (z=1) если появляются условия при |y| < |y₁| или |y| > |y₂|. В области |y₁| < у <|у₂|сигнал отказа отсутствует.

Метод логического контроля обеспечивает проверку и других самых разнообразных логических условий.

Контроль участков системы, имеющих двукратное и большее резервирование, способствует решению задачи повышения безопасности полетов. Кратность резервирования устройства

где т - число параллельно работающих устройств; п - минимальное число устройств, обеспечивающих нормальную работу системы.

Если m = 3, n= 1, то K = 2.

В соответствии с этим определением в современных бортовых системах могут быть участки схем с двукратным, трехкратным и более резервированием. Работоспособность таких резервированных устройств контролируется с помощью кворум-элементов (рис. 10.4). Кроме того, может быть использован метод контроля по допуску на параметр, если в схеме предусмотрена возможность поочередного отключения устройств из общего резервированного участка на время контроля его работоспособности.

Контроль сравнением с моделью объекта целесообразен для нерезервированных или однократно резервированных объектов. Структурная схема контроля нерезервированного объекта показана на рис. 10.9.

Для бортовых условий в качестве моделей объекта используются статические аналоговые устройства, представляющие собой упрощенные передаточные функции контролируемой части системы. Следовательно, контролирующие устройства имеют значительно большую надежность, чем реальные объекты контроля.

В качестве сравниваемых могут быть выходные параметры, их функциональные преобразования, динамические характеристики.

С целью повышения достоверности контроля в каналах управления рулями самолета может проверяться качество прохождения двух сигналов: высокочастотного, соответствующего стабилизации угловых движений самолета, и низкочастотного, присущего процессу стабилизации движения центра масс самолета.

Контроль по реакции на тест-сигнал (рис. 10.10) применяется для предполетной проверки работоспособности систем.

В этом случае на входы объекта контроля и устройства сравнения подается тест-сигнал y, формируемый в специальном устройстве. Сигнал x с выхода объекта контроля сравнивается с тест-сигналом. С устройства сравнения выдается сигнал отказа до тех пор, пока сигнал с выхода объекта контроля не скомпенсирует тест-сигнал. После этого сигнал отказа снимается.

Контроль динамических характеристик объектов значительно увеличивает объем информации об их работоспособности. Во многих случаях заключение о работоспособности объекта возможно лишь по результатам контроля как статических, так и динамических его характеристик. Более того, для определенных структурных схем объектов по статическим характеристикам вообще невозможно диагностирование, если не изменять эти схемы специальным образом на время процесса контроля.

В этом отношении характерна, например, структурная схема канала управления углом крена самолета с помощью САУ (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Схема канала управления элеронами самолета с выводами

контролируемых параметров:

ГП – управляющий золотник гидропривода; ЦГВ – центральная гировертикаль

Здесь на суммирующее устройство поступают сигналы текущего угла крена γ, заданного крена γ_Зположения выходного вала электродвигателя ЭД, управляющего золотником гидропривода ГП. Сигнал рассогласования s(t)усиливается магнитным МУи электронным ЭУусилителями и подается на вход электродвигателя. Угол поворота последнего пропорционален значению γ.В результате отклонения элеронов самолет изменяет угол крена γ.При этом от центральной гировертикали ЦГВна сумматор подается сигнал изменения угла γ, что вызывает появление сигнала ε противоположного знака и перемещение элеронов¹ к нейтральному положению. В момент достижения равенства γ = γ_з имеет место ε = 0.

Отсюда следует, что в статическом режиме ε = 0 как в полете, так и на земле при включенной для контроля САУ. Поэтому в полете параметры, обозначенные на рисунке х₁, х₂, х₃, х₄, х₅ в статическом режиме равны нулю. При контроле на земле в статическом режиме работы равны нулю параметры х₁, х₂, х₃. Неравенство их нулю свидетельствует об определенном виде отказа.

Указанные параметры могут быть проверены только в динамических режимах работы САУ. При этом, если контроль осуществляется на земле, динамический режим работы САУ задается подачей на вход системы ступенчатого возмущения γ_з. В результате в системе возникает переходный процесс, характер которого показан на рис. 10.12.

Рис. 10.12. Переходный процесс при подаче на вход

системы (рис. 10.10) ступенчатого сигнала

Весь переходный процесс длится в течение времени t (за это время рассогласование εвходит в пределы допустимых значений ± ε_д). Кривая α_dэд(t)характеризует изменения угла поворота или перемещения штока выходного вала электродвигателя ЭД.

Для определения признаков работоспособности элементов схемы необходимо измерить соответствующие параметры в определенные дискретные моменты времени t < t_ппи сравнить результаты измерений с областью допустимых значений.

В некоторых случаях следящих систем при наземном контроле оказывается целесообразным на время проверки разорвать цепь обратной связи. Тогда скорость перемещения исполнительного органа в установившемся режиме будет пропорциональна входному ступенчатому сигналу.

Как уже отмечалось выше, при контроле работоспособности ответственных систем управления (регулирования) в полете по условиям безопасности полетов нельзя на их входы подавать ступенчатые тестовые сигналы. Необходимо для этих целей использовать рабочие сигналы. Однако для систем управления с достаточно инерционным исполнительным приводом с целью непрерывного динамического контроля системы, исключая привод, может использоваться частотный метод.

Структурная схема, соответствующая этому методу, приведена на рис. 10.13.

Здесь на вход объекта контроля подается сигнал с частотой, которая выше частоты пропускания привода объекта. Анализатор частотных характеристик осуществляет непрерывную оценку амплитуды и фазы выходного сигнала, запас устойчивости системы.

Подобный метод непрерывного динамического контроля используется, например, в некоторых автопилотах.

Рис. 10.13. Схема контроля системы по частотным характеристикам

При подаче на вход динамической системы ступенчатого сигнала критериями качества системы и ее элементов могут служить: время регулирования (переходного процесса); величина перерегулирования; число перерегулирований; значения выходных параметров элементов системы в заданные моменты времени после включения ступенчатого входного сигнала. Первые три критерия являются интегральными, т. е. они характеризуют поведение системы в целом. Последний критерий характеризует работоспособность соответствующего элемента системы. Например, измеряя вход и выход элемента системы в момент u можно определить его динамический коэффициент усиления:

где и –значения входного и выходного параметров соответственно.

В этом случае признаком работоспособности элемента является принадлежность динамического коэффициента усиления к области допустимых значений.

В качестве интегральных критериев качества переходных процессов систем регулирования (управления) могут быть использованы функционалы сигнала ошибки. В общем случае функционал от переходной функции ошибки

Здесь функциональный преобразователь, т. е некоторая функция ошибки и времени. Конкретный вид этого преобразователя зависит от характера переходного процесса в системе, требований к чувствительности функционала к определенным видам отказов.

Для формирования признаков состояний динамической системы достаточно широкое применение находят следующие виды функционалов, являющиеся частными случаями (10.11).

Функционалы используются для оценки монотонных переходных процессов. Функционал служит мерой скородействия как монотонных, так и немонотонных переходных процессов. Функционал целесообразен, когда допустимая ошибка зависит от момента времени.

Контрольные вопросы

1. Дайте общую характеристику физическим и параметрическим методам контроля технического состояния объектов.

2. Какова сущность оптических и капиллярных методов контроля?

3. Как обеспечивается магнитный контроль технического состояния изделий?

4. Изложите содержание контроля методом вихревых токов.

5. Каково содержание, виды и средства тепловых методов контроля?

6.Каковы методика и средства акустических и вибрационных методов контроля?

7. Поясните методику и средство построения функции распределения сигналов шума.

8. Поясните принцип работы, структурную схему и область применения кворум-элемента.

9. Изложите принцип контроля по допуску на параметр.

10. Как контролируются изделия с наличием обратных связей?

11. Изложите принцип логического контроля работоспособности изделий.

12. Как осуществляется контроль динамических характеристик объектов?

Тема 3 (4 ч).ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О КОНТРОЛЕ КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛОВ И ДЕТАЛЕЙ.

Надежность и долговечность машин , механизмов, приборов, конструкций и т.д. обеспечивается в значительной степени тем, что материалы, детали этих устройств и сами устройства в целом подвергаются контролю на всех этапах изготовления и эксплуатации.

Контролем в технике называется проверка соответствия продукции установленным техническим требованиям. Эти требования ( например, определенные линейные размеры, твердость, балл зернистости, допустимый размер несплошностей и др.) записываются в специальном техническом паспорте каждого изделия.

Качество продукции – это совокупность ее свойств, обусловливающих пригодность продукции удовлетворять определенные потребности в связи с ее назначением.

Дефектом называют каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям. Дефекты разделяют на явные (обнаружение которых возможно предусмотренными правилами, методами и средствами контроля) и скрытые.

Их также разделяют на критические, которые делают использование продукции практически невозможным, значительные ( оказывающие существенное влияние на возможность и долговечность использования продукции) и малозначительные.

Дефекты разделяют также на устранимые ( устранение которых технически возможно и экономически целесообразно) и неустранимые.

Рассмотрим некоторые разновидности технического контроля. По этапам создания и использования продукции различают контроль проектирования ( проверка технической документации поставщика, поступающей к заказчику), операционный ( контроль продукции во время выполнения или после завершения технологической операции) и приемочный (контроль продукции, по результатам которого принимают решение о ее пригодности к использованию). В эксплуатационном контроле различают входной и текущий виды контроля. Например, перед вылетом ВС производится оперативный контроль.

По исполнителям контроль подразделяют на самоконтроль, контроль производственным мастером, контроль специальным отделом (ОТК) , ведомственный контроль, осуществляемый органами министерства или ведомства) и государственный надзор за качеством продукции ( например, Морской регистр). По полноте охвата различают сплошной контроль и выборочный. Сплошному контролю подвергают только продукцию ответственного назначения, в других случаях проводят выборочный контроль.

При выборочном контроле могут применяться разрушающие методы, нарушающие пригодность продукции к применению, например, механические испытания на разрыв, удар и т.д. Неразрушающие методы контроля не нарушают пригодность продукции к применению. Как правило, неразрушающими методами контролируют всю продукцию, что резко повышает ее эксплуатационную надежность. Важность перехода от выборочного контроля к сплошному возрастает с увеличением сложности контролируемого оборудования.