1. ŹRÓDŁA INFORMACJI DIAGNOSTYCZNEJ

1.1.

Przemiany energetyczne i źródła informacji

diagnostycznej

 

W

najogólniejszym

ujęciu

celem

badań

diagnostycznych

jest

określenie

stanu

obiektu

technicznego lub procesu w chwili uznanej za ważną.

Określenie to jest potrzebne, aby przez porównanie stanu

rzeczywistego — chwilowego — ze stanem wzorcowym

wydać orzeczenie o zdatności lub niezdatności obiektu

technicznego (albo o przebiegu procesu), a także

dokonać prognozy przyszłych stanów obiektu.

1

1.1.1. Diagnostyczne aspekty kategorii „stan

systemu technicznego"

 

Pod pojęciem stanu systemu należy rozumieć

określony zbiór zachodzących w systemie procesów, a

także jego strukturę. Każdy stan systemu może być

wyrażony

przez

zbiór

wartości

liczbowych

charakteryzujących jego strukturę oraz intensywność

oddzielnych procesów zachodzących w systemie.

Zmiennymi są nie wielkości fizyczne jako takie, a procesy

i struktura charakteryzowane tymi wielkościami. Stan

systemu jest to więc zbiór wartości liczbowych

zmiennych opisujących system w danym momencie.

2

Z różnych punktów widzenia, według różnych

kryteriów, można systemy techniczne rozpatrywać w

różnych aspektach: strukturalnych, funkcjonalnych i

innych,

a

także

na

różnych

poziomach

hierarchicznych struktury materii. Pełny opis stanu

systemu

powinien

składać

się

z

kompleksu

charakterystyk ukazujących wszystkie poziomy i aspekty

istnienia systemu. Im bardziej złożony byłby system, tym

bardziej złożony byłby ten kompleks, włączałby ogromną

ilość wskaźników.

Ze względu na to, że albo nie są znane wszystkie

procesy zachodzące nawet w poszczególnych zespołach

systemu technicznego, albo nie ma metody pomiaru

odpowiednich

wskaźników,

czy

też

wreszcie

poszczególne aspekty istnienia systemu nie są

interesujące dla dokonującego opisu, kompleksy te są

niepełne.

3

Każdy wiec opis systemu, obejmujący tylko część

wskaźników stanu, jest modelem rzeczywistości, obok

którego mogą istnieć niezależne, inne opisy stanu tej

rzeczywistości. Zgodnie z tym stwierdzeniem, każdy opis

stanu systemu, w tym także opis tworzony dla celów

diagnostycznych,

będzie

modelem

tego

stanu

budowanym

na

podstawie

przyjętych

kryteriów

modelowania. Ze względu na to, że kryteriów tych może

być bardzo wiele, należy zgodzić się z istnieniem wielu

niezależnych

modeli,

w

tym

także

modeli

diagnostycznych. Oznacza to, że w każdym przypadku

tworzenia modelu diagnostycznego należy określić, jaki

aspekt strukturalny, funkcjonalny lub inny będzie

diagnozowany.

4

Przejście systemu od stanu do stanu wyrażone zmianą

wartości opisujących stan wskaźników, wywołane

wpływem

czynników

wewnętrznych

lub

pozasystemowych może odbywać się w sposób ciągły

lub, w szczególnych przypadkach, dyskretny.

5

6

Przejścia dyskretne, a więc nieciągłość zmian wartości

wskaźników opisujących stan, powodowane są przez

rozładowanie skumulowanych stopniowo w systemie

zmian nie ujmowanych wielkościami użytymi do opisu

jego stanu. Kumulacja ta odbywa się niejako poza

modelem. W każdym innym przypadku zmiany są ciągłe.

W ten sposób następuje zderzenie między ciągłym

charakterem zmian a dyskretnym charakterem ich

obserwacji.

W

wielu

przypadkach

modeli

diagnostycznych ciągła obserwacja zmian stanu nie jest

potrzebna. W innych jest ona technicznie niemożliwa.

7

Z tego względu obserwacja ciągła jest zamieniana na

obserwację dyskretną, której wyniki rejestrowane są po

upływie wybranych przedziałów czasowych. Wprowadza

to trudny do wyznaczenia błąd uśrednienia w czasie,

który powoduje, że modele diagnostyczne rejestrują stan

systemu nie rejestrując dróg do niego prowadzących.

Modele diagnostyczne nie opisują więc zjawisk

zachodzących w systemie, a tylko ich skutki odbijające

się w wartościach wielkości fizycznych wchodzących w

skład modelu.

8

Z zagadnieniem dyskretyzacji zmian systemu, a więc

kwestią uśredniania w czasie wiąże się także kwestia

dyskretyzacji

przestrzennej,

tzn.

uśredniania

na

powierzchni lub w objętości. Ta forma dyskretyzacji

wynika z tego, że różnie jest lokalizowana aparatura

diagnostyczna w stosunku do całego systemu. Im

większa jest powierzchnia lub objętość, z której pochodzi

informacja diagnostyczna, tym większe jest uśrednienie

wyniku pomiaru diagnostycznego. Powoduje to, że

uśredniony obraz systemu uzyskiwany w modelu

diagnostycznym może nie uwzględniać lokalnego stanu

elementów systemu, co z kolei stwarza problem

wiarygodności modelu diagnostycznego.

9

Sugeruje to wniosek, że system techniczny może być

diagnozowany na różnych poziomach hierarchicznych

jego struktury, od całości, przez zespoły i elementy, do

mikroobjętości materiałów. W każdym przypadku poziomu

hierarchicznego inaczej będą objawiać się zjawiska

elementarne powodujące zmianę stanu, inne będą

warunki pomiaru modelowych wielkości fizycznych,

inaczej wobec tego należy formułować cele opisu stanu

systemu, a więc zmieniać kryteria modelowania

diagnostycznego.

Jeśli przyjąć, że najczęściej spotykanym celem

diagnozowania systemów technicznych jest ujawnianie

ich parametrów trwałościowych i niezawodnościowych, to

niektóre aspekty modelowania diagnostycznego można

ująć następująco:

10

Dla

modelowania

diagnostycznego

trwałości

i

niezawodności systemów technicznych wyróżnia się dwa

stany systemu: stan zdatności i stan niezdatności.

Między nimi znajduje się stan przejściowy, pośredni,

zwany stanem granicznym. Kryteriami kwalifikującymi

system do jednego z tych stanów są najczęściej wartości

wskaźników obrazujących możliwości eksploatacyjne, a

więc cechy funkcjonalne systemu. Jeśli w modelu

diagnostycznym

występuje

jednoznaczna

wartość

kryterialna, nieokreśloność systemu równa jest zeru.

11

Pewne trudności w zakwalifikowaniu systemu do

któregoś ze stanów występują wtedy, kiedy stan

oceniany jest wielokryterialnie przy różnej intensywności

zmian poszczególnych wielkości fizycznych, których

wartości stanowią kryteria stanu. Najtrudniejszym

zadaniem jest zwykle wyznaczenie kryteriów stanu

granicznego złożonych systemów technicznych, co

powoduje, że modelowanie diagnostyczne stanów

granicznych jest najbardziej złożonym zabiegiem w logice

diagnostyki.

12

1.1.2. Przemiany energetyczne w systemach

technicznych

 

Każdy przypadek zmiany stanu systemu jest reakcją

obiektu materialnego na wymuszenia spowodowane

bezpośrednim

lub

pośrednim

oddziaływaniem

energetycznym. Reakcja ta może być natychmiastowa

lub też może być odłożona w czasie do chwili, kiedy

warunki, w jakich istnieje system, pozwolą na jej

ujawnienie. Diagnostyka jest więc badaniem reakcji

obiektu na oddziaływania energetyczne wywołujące

zmianę jego stanu. Energia oddziałująca na system,

zmieniając jego stan, zmienia się sama. Ilościowa lub

jakościowa zmiana samej energii może być źródłem

informacji o stanie systemu, podobnie jak zmiana w

systemie wywołana przez oddziaływanie energetyczne.

13

Pozwala to na korzystanie z energii jako nośnika

informacji wtedy, kiedy jest ona immanentnie związana z

istnieniem obiektu, a także wtedy, kiedy jest ona

doprowadzona z zewnątrz wyłącznie po to, aby na jej

podstawie określić stan systemu.

Można więc wyróżnić dwa przypadki korzystania z

przemian

energetycznych

jako

źródła

informacji

diagnostycznej.

W pierwszym — przemiana energetyczna jest

przyczyną lub skutkiem zmian systemu.

W drugim — energia nie bierze udziału w zmianach

stanu systemu, jest jego identyfikatorem.

14

Rzeczywista zmiana stanu obiektu wywołana jest

przez inną postać energii niż ta, której przemianę

wykorzystuje

się

do

celów

diagnostycznych.

Wykorzystywana diagnostycznie przemiana energetyczna

wywołana jest stanem obiektu, a jej charakterystyka jest

związana ze strukturą i właściwościami badanego

obiektu. Niezależnie jednak od tego, każda diagnozowana

przemiana energetyczna mieści się w jednym z

następujących wariantów modelowych:

15

A. Przedmiotem badań są zmiany wielkości fizycznych

opisujących energię emitowaną poza system,

informacja diagnostyczna zawarta jest w wartościach

tych wielkości lub w intensywności ich zmian. Można

w tym modelu wyróżnić dwa przypadki wynikające z

różnic w sposobie diagnozowania energii; albo jest to

energia o znanych ilościowych i jakościowych

parametrach, albo wartości te są nieznane, badany

jest jedynie uwidaczniający się w emisji energii

skutek przemian wewnętrznych w systemie.

16

Model ten obejmuje następujące przemiany:
* zmiany ilościowe strumienia energii bez zmiany jej

jakości;

zmiany

te

mogą

być

wywoływane

kumulowaniem się lub rozpraszaniem energii w
systemie; w przypadku, kiedy energia doprowadzona
jest celowo, pomiar charakterystyk energii „na wejściu"
do systemu i „na wyjściu" z systemu opiera się na tych
samych zasadach fizycznych, w drugim przypadku
pomiar obejmuje tylko parametry ilościowe na wyjściu;

* zmiany

jakościowe

strumienia

energii

bez

transformacji jej postaci; w pierwszym przypadku
obejmują one np. zmiany widma energetycznego, w
drugim np. zmiany amplitudy i częstości drgań;

* zmiany charakterystyk jakościowych wynikających

ze zmiany postaci energii, np. energii cieplnej na
energię świetlną, energii mechanicznej na cieplną itp.

17

B. Przyczyną przemiany jest energia, lecz objawy jej

oddziaływania systemem uwidaczniają się w
przemianach

materiałowych

—

informacja

diagnostyczna zawarta jest w wartościach wielkości
fizycznych charakteryzujących ilość lub jakość
materii. Także i tu można wyróżnić dwa przypadki.
Pierwszy, kiedy energia doprowadzana jest w postaci
określonego strumienia, i drugi, kiedy nośnikiem
energii jest ciało materialne, najczęściej jeden z
elementów systemu. W wyniku oddziaływań nośnika
energii z pozostałymi elementami systemu następuje
przekazanie energii i pojawiają się skutki mogące
stanowić informację diagnostyczną (np. ubytek
materiału w wyniku zmęczenia stykowego, tarcia
itp.). Skutki te mogą być zlokalizowane w materiale
elementu systemu, albo w materiale nośnika energii.

18

W pierwszym przypadku przemiany energetyczne

mogą polegać:

 na zmianie stanu energetycznego obiektu, przy czym

stan wzbudzenia powinien uwidaczniać się w

oddziaływaniu obiektu z otaczającą go materią;

 na zmianie charakterystyk jakościowych materiału, z

jakiego wykonany jest obiekt;

 na zmianie ilości materii w wybranych fragmentach

przestrzeni zajmowanej przez obiekt, przy czym

zmiana ilości materii (wzrost i ubytek) powinny się

bilansować.

19

W drugim przypadku, kiedy energia nie jest

doprowadzana, jak poprzednio, w postaci strumienia, lecz

razem z określonym nośnikiem, występuje zespół

przemian energetycznych w warunkach styku (kontaktu)

przez granicę rozdziału między oddziałującymi ze sobą

elementami. Struktura strefy styku określa warunki

oddziaływań energetycznych między elementami systemu

i w znacznym stopniu decyduje o ich skutkach.

Doprowadzanie energii łącznie z jej materialnym

nośnikiem powoduje, że jednocześnie doprowadzana jest

energia w różnych postaciach (mechanicznej, cieplnej,

chemicznej itp.).

20

C. Przyczyną przemiany jest wyzwolenie się energii

skumulowanej w systemie, następujące pod

wpływem zmienionych warunków jego istnienia.

Informacja

diagnostyczna

zawarta

jest

w

intensywności emisji energii oraz w przestrzennej

lokalizacji źródła emisji i może dotyczyć zarówno

zmian warunków, jak i właściwości obiektu.

21

Można

zatem

stwierdzić,

że

w

badaniach

diagnostycznych rejestrowane są przede wszystkim

skutki przemian energetycznych zachodzących w

systemie niezależnie od tego, czy przemiana jest

pierwotna czy wtórna wobec stanu systemu. Dla

diagnostyki, która nie poszukuje związków przyczynowo-

skutkowych między stanami systemu, ważna jest

przemiana pozwalająca na zarejestrowanie różnicy

między stanami, tzn. taka, która umożliwia uzyskanie

sygnału diagnostycznego na podstawie pomiaru wielkości

fizycznej charakteryzującej energię lub materię.

22

1.1.3. Źródła i wartość informacji diagnostycznej

 

Z poprzednich stwierdzeń wynika, że aby określić stan

systemu lub procesu, należy dokonać pomiaru wartości

wybranych do opisania tego stanu wielkości fizycznych.

Należy przeto rozważyć kwestie:

– jakie wielkości fizyczne mogą być stosowane w

pomiarach diagnostycznych,

– gdzie można lokalizować pomiar, i
– jakie są warunki skuteczności informacyjnej

pomiaru.

23

Najważniejszym

warunkiem

przyjęcia

wielkości

fizycznej jako podstawy do orzeczenia diagnostycznego

jest interpretowalność fizyczna zależności między zmianą

stanu systemu a zmianą wartości tej wielkości. Oznacza

to, że wielkość fizyczna musi opisywać przemianę

zachodzącą w systemie lub właściwości systemu po jej

zajściu. Wynika to z tego, że chociaż diagnostyka nie bada

związków między stanami systemu, to między stanem a

opisującą go wielkością fizyczną musi istnieć relacja

wynikania (implikacji): „jeśli system znajduje się w stanie

A, to wielkość fizyczna przyjmie wartość a". Z tego

względu,

przystępując

do

wyboru

modelu

diagnostycznego, należy udowodnić hipotezę o związku

między przemianą zachodzącą w obiekcie a możliwością

jej opisu przez wybraną wielkość fizyczną. Najczęściej

dowód ten przeprowadza się przez badania poznawcze i

to określa ich miejsce w procedurze modelowania

diagnostycznego.

24

Najwyższą jednak wartość diagnostyczną mają

wielkości fizyczne, których konkretne wartości występują

ze stanem systemu w relacji równoważności („wartość a

wielkości fizycznej występuje wtedy i tylko wtedy, gdy

system znajduje się w stanie A"). Inaczej mówiąc, zmiana

wartości wielkości fizycznej zachodzi wtedy i tylko wtedy,

gdy następuje zmiana stanu systemu.

Konkretna

wartość

wielkości

fizycznej

może

charakteryzować koniunkcyjne stany systemu (stan A i

stan B), ale diagnostyczne wykorzystanie takiej wielkości

fizycznej wymaga zastosowania innej wielkości fizycznej,

której pomiar pozwoli na rozdzielenie koniunkcji.

Żadna konkretna wartość wielkości fizycznej nie może

charakteryzować alternatywnych stanów systemu (stan A

lub stan B).

25

Jeśli poza determinantami logicznymi występuje

ograniczenie swobody wyboru techniki pomiarowej, to

należy przyjąć, że przewidywane zmiany wielkości

fizycznej muszą być większe niż czułość proponowanego

układu pomiarowego.

Przedstawione zasady stosuje się do przypadków, w

których do opisu stanu systemu stosuje się jedną

wielkość fizyczną (czyli symptom stanu). Znacznie

większe

trudności

występują

w

przypadkach

diagnozowania systemów złożonych, wielofunkcyjnych, w

których założono konieczność jednoczesnej realizacji

wielu zadań. W takich przypadkach opis stanu musi

obejmować wyznaczenie konkretnych wartości wielu

wielkości fizycznych (wielu symptomów stanu). Poza

trudnościami natury technicznej pojawiają się kwestie

interpretacyjne, zwłaszcza kiedy diagnoza poprzedza

decyzję eksploatacyjną.

26

Zakwalifikowanie obiektu do jednego ze stanów

(zdatności lub niezdatności) może wtedy wynikać z

przyjęcia jednego z alternatywnych założeń: zmiana

stanu polega na przekroczeniu przez wszystkie wielkości

fizyczne wartości kryterialnych dla danego stanu albo

wystarczy przekroczenie takiej wartości przez jedną

wielkość fizyczną. Drugie założenie sprowadza diagnozę

do klasycznej sytuacji diagnozy na podstawie jednej

wielkości fizycznej. Przyjęcie pierwszego założenia

powoduje konieczność rozwiązania złożonego zadania o

synchroniczności lub diachroniczności pomiaru tych

wielkości.

27

Rozpatrzmy

teraz

kwestię

lokalizacji

pomiaru

diagnostycznego. Ze stwierdzeń dotyczących przemian

energetycznych wynika, że zarówno w przypadku

diagnostyki systemu technicznego, jak i diagnostyki

procesu, pomiar może być dokonywany na obiekcie i poza

nim. W przypadku systemu pomiar polega na określeniu

ilościowych

lub

jakościowych

zmian

składników

materialnych systemu. Sprawą decyzji jest przyjęcie

podsystemu lub elementu systemu jako podstawy do

orzekania diagnostycznego o całości.

28

W przypadku procesu, badaniom podlega chwilowy

zakres przemiany mierzony bezpośrednio w strefie, w

której

proces

ten

jest

realizowany.

Warunkiem

zasadniczym skuteczności informacyjnej takiego pomiaru

jest wybór miejsca pomiaru wobec całej objętości, w jakiej

zachodzi proces, dla zapewnienia reprezentatywności

pomiaru oraz zachowania nieingerencji technicznych

środków pomiaru w przebieg procesu.

29

Zlokalizowanie pomiaru poza obiektem, zarówno w

odniesieniu do systemu, jak i procesu, może odbywać się

albo przez pomiar wielkości fizycznej zmieniającej się wraz

ze zmianą energii wyemitowanej poza obiekt lub poza

strefę, w której zachodzi proces, albo przez pomiar

wielkości charakteryzującej materię wyniesioną poza

system lub wyodrębnioną ze strefy procesu. Z różnicy

między

pomiarem

parametrów

energetycznych

a

pomiarem parametrów materiałowych w przypadku

pomiaru poza obiektem wynika różnica w „czasie

martwym diagnozy".

30

Czas martwy diagnozy jest to przedział czasu między

chwilą zaistnienia stanu a chwilą jego zidentyfikowania.

Jest to czas, w którym stan systemu lub procesu nie jest

rozpoznawany. Na jego rozmiar ma wpływ decyzja o

częstości dokonywania pomiaru, a także pewne

obiektywne uwarunkowania wynikające z istoty przemian

energetycznych i zmian materiałowych oraz możliwości

ich rejestrowania w układach pomiarowych.

31

W badaniach diagnostycznych decydujące znaczenie

dla skuteczności procedury ma pomiar przyjętych do

oceny stanu systemu wielkości fizycznych. W każdym

przypadku pomiar służy weryfikacji hipotezy o stanie

systemu. W ogólnym ujęciu hipoteza ta ma postać zdania

warunkowego: „Jeśli system znajduje się w stanie A, to

może być opisany zbiorem wielkości fizycznych X

i

(i =

1,...,n), dla których wyznaczone zostały dopuszczalne

granice zmienności. Po ich przekroczeniu system znajdzie

się w stanie B". Pomiar więc ma dostarczyć

przekonujących

argumentów

rozstrzygających

o

prawdziwości tej hipotezy, a jego wartość informacyjna

oceniana być może na podstawie stwierdzenia, w jakim

zakresie wpływa ona na eliminowanie nieokreśloności

stanu systemu.