CN102076367A - 泵性能监控的应用 - Google Patents

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CN102076367A CN2009801247193A CN200980124719A CN102076367A CN 102076367 A CN102076367 A CN 102076367A CN 2009801247193 A CN2009801247193 A CN 2009801247193A CN 200980124719 A CN200980124719 A CN 200980124719A CN 102076367 A CN102076367 A CN 102076367A
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    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/14—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques

Abstract

本发明提供一种以一个或者多个如下模块为特征的处理器或者信号处理模块，这些模块被配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强或者声发射有关的信息的输入信号，并且也配置成提供包含与泵性能有关的信息的输出信号。与泵性能有关的信息可以包括与通过滑流测量的泵性能监控有关、与预测叶轮磨损有关、与泵叶轮空穴化监控有关、与通过声发射的泵监控有关、与泵泄漏检测有关、与泵效率监控有关以及与正移位泵监控有关的信息。

Description

泵性能监控的应用
相关申请的交叉引用
本申请要求对通过整体引用全部结合于此的以下临时专利申请的优先权：全部于2008年5月20日提交、申请号为61/054,566(CC-0967P)、申请号为61/054,575(CC-0969P)、申请号为61/054,592(CC-0967P)、申请号为61/054,600(CC-0979P)、申请号为61/054,608(CC-0980P)和申请号为61/054,732(CC-0982P)的申请；以及于2008年5月21日提交、申请号为61/054,901(CC-0984P)的申请。
技术领域
本发明涉及用于监控泵性能的技术；并且具体而言，本发明涉及用于至少部分地基于例如使用基于声纳和/或基于PVDF的传感器技术针对泵感测的不稳定压强或者声发射来监控泵性能的技术。
背景技术
已知用于监控泵性能的技术，这些技术包括监控泵的各种部件以及监控泵的效率。泵可以包括离心泵、囊式泵、活塞泵或者正移位泵以及其他泵。下文简述对泵性能而言重要的一些已知泵状况或者参数、用于监控泵性能的已知技术以及与已知技术有关的一些弊端：
例如，离心泵的滑移在确定泵的效率时是一个重要参数。滑移越大，有效效率就越低。在泵的叶轮和/或套管或者衬垫中的磨损可能增加滑移并且由此降低泵效率。
此外，业内在范围从处理清洁液体到沉重泥浆的应用中广泛使用离心泵。这些泵可能表现的一个典型问题是在泵的叶轮附近的空穴化。小气泡在叶轮的轮叶表面上的空穴化将侵蚀和凹陷叶轮。这将造成泵的性能下降并且如果引起空穴化的状况未被矫正则将可能引起叶轮故障。
另外，在本领域已知可以通过在泵上或者与泵有关的各种位置进行加速计测量来获得泵的健康状况的许多方面。可以按照从加速计获得的振动读数来确定内部轴承健康状况的细节，并且任何过度振动可以表明对内部部件的损坏。然而，这些测量经常仅在损坏已经出现之后才提供信息。通常，泵的磨损部件将可能引起泵中的振动并且也将可能产生声发射。将监控泵周围的空气传播声音的现有系统是可用的；然而，这些系统必须滤出仅来自感兴趣的泵的声发射。此外，在声发射变为空气传播之前，它们经常已经被大量衰减并且难以测量。
另外，在轴承和配对表面周围的泄漏如果未被快速识别和修复则在高压应用中可能成问题。通常，少量高压泄漏将具有关联的高频声发射。该声频将高于典型泵上存在的振动和其他声频。
另外，通常用于高粘度或者高压应用的一类泵为正移位泵。这些泵通过迫使流体从泵的入口压强部分进入排放口部分中来操作。存在这些泵的若干变化，尽管多数情况下运用阀或者密封机构以在泵的加压阶段期间隔离入口与排放口。
最终，可以将电动马达驱动的泵的总效率定义为向流体递送的功率(水马力)除以向马达递送的电功率：
Figure BPA00001280624100021
其中：
Q＝流速(立方米/秒)
P排放＝泵排放口压强(Pa)
P引入＝泵引入口压强(Pa)，并且
W＝电功率(瓦特)。
泵/马达效率将由于如下系统损耗而小于1，这些系统损耗可以包括流体泄漏(经过叶轮间隙)、摩擦、泵中的机械件(轴承、密封件等)和电动马达效率。
泵的操作者一般将想要针对给定的流量条件集在最高可能效率运行泵。然而，效率将随着泵的使用时间而：1)由于正常磨损而逐渐降低；或者2)由于机械故障或者损坏而骤然降低。在任一情况下，将存在如下最佳点，用于恢复损失的效率的维护行为在该最佳点将是有益的。操作者的困境在于决定何时进行维护，因为太早或者太晚完成维护可能显著影响操作者的总成本。
可以通过测量经过泵的流速、引入口和排放口压强(或者在引入口与排放口之间的DP)和供给电动马达的功率来计算如上文定义的泵效率。
鉴于前述，业内需要用于监控泵(包括离心泵、囊式泵、活塞泵或者正移位泵以及其他泵)性能的新技术。
发明内容
信号处理器模块
本发明在其最广泛意义上提供可以在一个或者多个前述应用中使用的用于监控泵性能的新颖和独特技术。
根据本发明的一些实施例，用于实施这些技术的装置可以采用如下处理器或者信号处理模块的形式，该处理器或者信号处理模块的特征在于一个或者多个如下模块，这些模块被配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强和/或声发射有关的信息的输入信号，并且也配置成提供包含与泵性能有关的信息的输出信号。
与泵性能有关的信息可以包括与(1)通过滑流测量的泵性能监控、(2)与预测叶轮磨损有关的监控、(3)泵叶轮空穴化监控、(4)通过声发射的泵监控、(5)与泵泄漏检测有关的监控、(6)泵效率监控以及(7)正移位泵监控有关的信息。
处理器或者信号处理模块可以结合以泵和一个或者多个基于PVDF和/或基于声纳的传感器为特征的一个或者多个泵系统来使用，以便至少部分地基于在泵上或者结合泵来感测的不稳定压强和/或声发射来监控泵性能(与下文描述的监控一致)：
基本泵系统
本发明的一些实施例可以采用如下泵系统的形式，该泵系统的特征在于：泵；一个或者多个传感器，包括基于PVDF和/或基于声纳的传感器，布置于泵上或者结合泵来布置，配置成响应于流过泵的介质所引起的不稳定压强和/或声发射，并且提供包含与不稳定压强和/或声发射有关的信息的信号；以及信号处理模块，配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强和/或声发射有关的信息的信号，并且也配置成提供包含与泵性能有关的信息的输出信号。
通过滑流测量的泵性能监控
本发明的一些实施例可以采用如下泵系统的形式，该泵系统的特征在于：泵，具有套管或者衬垫；基于声纳的传感器阵列，布置于套管或者衬垫上，并且配置成响应于流过泵的介质所引起的不稳定压强，包括叶轮顶端速率和流体速率所引起的不稳定压强，并且提供包含与不稳定压强有关的信息的信号；以及信号处理模块，可以配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强有关的信息的信号，并且也可以配置成提供包含与可以涉及泵性能的滑流测量有关的信息的输出信号。
根据本发明的一些实施例，信号处理模块可以被配置成至少部分地基于随着在基于声纳的阵列中的传感器之间的间距和在传感器之间的转变时间而改变的压强测量来实时确定叶轮顶端的速率和介质的流体速率。
使用基于声纳的技术的泵性能监控
本发明的一些实施例可以采用如下泵系统的形式，该泵系统的特征在于：泵，具有叶轮、套管、抽吸入口或者排放口；基于声纳的传感器阵列，布置于套管、抽吸入口或者排放口上，并且配置成响应于流过泵的介质所引起的不稳定压强，并且提供包含与不稳定压强有关的信息的信号；以及信号处理模块，可以配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强有关的信息的信号，并且也可以配置成提供包含与泵的部分的磨损有关的信息的输出信号，该磨损包括在叶轮的背部覆盖物或者孔眼中的磨损。
泵叶轮空穴化监控
本发明的一些实施例可以采用如下泵系统的形式，该泵系统的特征在于：泵，比如离心泵，具有泵体和叶轮，并且耦合到入口和出口管道；一个或者多个压电膜或者条形传感器(也称为PVDF)，结合泵体或者入口和出口管道来布置，并且配置成响应于流过泵的介质所引起的声发射，包括在泵内产生的空穴化过程所引起的小气泡的破裂，并且提供包含与声发射有关的信息的信号；以及信号处理模块，可以配置成接收包含与流过泵的介质所引起的声发射有关的信息的信号，并且也可以配置成提供包含与泵叶轮空穴化监控有关的信息的输出信号，该空穴化包括叶轮由空穴化过程所引起的磨损。
根据本发明的一些实施例，信号处理模块可以被配置成比较泵在启动时的声发射的特征频率与泵在以后时间由空穴化过程引起的声发射的关联特征频率。
通过声发射的泵监控
本发明的一些实施例可以采用如下泵系统的形式，该泵系统的特征在于：泵，具有入口和出口；一个或者多个基于PVDF的传感器，附接到泵的入口或者出口或者二者，并且配置成响应于流过泵的介质所引起的声发射，包括在泵内产生的空穴化过程所引起的小气泡的破裂，并且提供包含与声发射有关的信息的信号；以及信号处理模块，可以配置成接收包含与流过泵的介质所引起的声发射有关的信息的信号，并且也可以配置成提供包含与通过声发射的泵监控有关的信息的输出信号，包括与空穴化、轴承磨损、叶轮磨损或者套管衬垫损坏有关的信息。
根据本发明的一些实施例，信号处理模块可以被配置成随时间测量和跟踪签名特征泵频率，并且基于签名特征泵频率中的频率或者幅度变化来确定泵磨损或者潜在故障。
根据本发明的一些实施例，可以在声发射在泵的入口或者出口上行进于流体中之时监控它们。基于PVDF的传感器可以附接到管以内或者以外，可以用来监控来自泵的声发射，并且可以用来检测比如空穴化、轴承磨损、叶轮磨损和套管衬垫损坏这些情况。
用于泵泄漏检测的监控
本发明的一些实施例可以采用如下泵系统的形式，该泵系统的特征在于：泵，包括囊式泵或者活塞泵；基于声纳的传感器阵列，附接到泵的一个或者多个部分或者表面，包括泵的入口，并且配置成响应于流过泵的介质所引起的不稳定压强，包括在内阀中和在轴承周围的泄漏以及配对表面泄漏，并且提供包含与不稳定压强有关的信息的信号；以及信号处理模块，可以配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强有关的信息的信号，并且也可以配置成提供包含与泵泄漏检测有关的信息的输出信号，信息包括与在内阀中以及在轴承和配对表面周围的泄漏有关的信息。
根据本发明的一些实施例，信号处理模块可以被配置成校验频率信号的相干性并且确定可以用于泵泄漏检测的声发射方向。
根据本发明的一些实施例，基于声纳的阵列的声测量能力可以用来标识具体高频。此外，系统的阵列处理能力可以用来校验频率信号的相干性并且确定声发射方向。
泵效率监控
本发明的一些实施例可以采用如下泵系统的形式，该泵系统的特征在于：泵；基于声纳的传感器阵列，附接到泵的一个或者多个部分或者表面，包括泵的入口，并且配置成响应于流过泵的介质所引起的不稳定压强，并且提供包含与不稳定压强有关的信息的信号；以及信号处理模块，可以配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强有关的信息的信号，并且也可以配置成至少部分地基于经过泵的介质的流速来提供包含与泵效率监控泄漏检测有关的信息的输出信号。
根据本发明的一些实施例，信号处理模块可以被配置成至少部分地响应于包含与引入口和排放口压强以及电功率测量有关的信息的信号发送来提供输出信号。
根据本发明的一些实施例，提供一种用于使用基于声纳的流量计以测量泵送的介质的流速来监控泵性能的技术。基于声纳的流量计可以用来测量经过泵的流速。基于声纳的流速测量技术尤其有益于液浆流或者载有粒子的气流，其中由于该流的侵蚀特性，所以任何侵入式流量测量方法都将面临过度磨损和过早故障。使用基于声纳的流量计的本发明可以与压强和电功率测量组合使用从而实现持续和实时地监控泵效率。
正移位泵监控
本发明的一些实施例可以采用如下泵系统的形式，该泵系统的特征在于：正移位泵；基于声纳的传感器阵列，附接到泵的一个或者多个部分或者表面，并且配置成响应于流过泵的介质所引起的不稳定压强和声发射，并且提供包含与不稳定压强和声发射有关的信息的信号；以及信号处理模块，可以配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强和声发射有关的信息的信号，并且也可以配置成至少部分地基于泵随着泵送行程数目而改变的流速来提供包含与正移位泵监控有关的信息的输出信号。
根据本发明的一些实施例，与泵的流速有关的信息可以至少部分地基于不稳定压强，并且泵送行程数目至少部分地基于声发射。
方法
根据一些实施例，本发明也可以采用如下方法的形式，该方法包括以下步骤：接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强或者声发射有关的信息的输入信号；以及提供包括与泵性能有关的信息的输出信号。该方法也可以包括用于实施这里阐述的功能的其他步骤。
计算机可读存储介质
根据本发明的一些实施例，该装置也可以采用如下计算机可读存储介质的形式，该计算机可读存储介质具有用于进行前述方法的步骤的计算机可执行部件。
附图说明
附图包括未按比例绘制的图1-图7b如下：
图1a是根据本发明一些实施例的信号处理模块的框图。
图1b是根据本发明一些实施例的泵系统的框图。
图2a是根据本发明一些实施例的具有通过滑流测量的泵性能监控的泵系统的框图。
图2b是示出了与图2a中的泵系统有关的测量速率(有滑移)和理论速率的图。
图2c(i)、图2c(ii)和图2c(iii)是分别示出了用于图2a中的泵系统的叶轮中的入口速率、出口速率和理想速率分布的图。
图3a是根据本发明一些实施例的具有使用集成的基于声纳的技术的泵性能监控的泵系统的框图。
图3b是根据本发明一些实施例的具有使用外部的基于声纳的技术的泵性能监控的泵系统的框图。
图4a是根据本发明一些实施例的具有使用泵叶轮空穴化监控的泵性能监控的泵系统的框图。
图4b是示出了与图4a中的泵系统有关的泵启动时存在的特征频率的频率随时间的曲线图。
图4c是示出了与图4a中的泵系统有关的泵空穴化时存在的特征频率的频率随时间的曲线图。
图5是与通过声发射来监控的泵系统有关的用基于PVDF的传感器取得的泵签名的曲线图。
图6a是根据本发明一些实施例的具有基于声发射的泵泄漏检测的泵系统的框图。
图6b是与图6a中所示泵系统有关的声发射的泵签名的曲线图。
图7a是根据本发明一些实施例的例如通过测量泵随着泵送行程数目而产生的流量来监控的正移位泵系统的框图。
图7b是形成图7a中所示正移位泵系统一部分的活塞向内和向外行程的图。
具体实施方式
图1a：信号处理器模块
图1a示出了大体上表示为10的处理器或者信号处理模块，该处理器或者信号处理模块的特征在于一个或者多个如下模块，这些模块被配置成沿着线10a接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强和/或声发射有关的信息的输入信号，并且也配置成沿着线10b提供包含与泵性能有关的信息的输出信号。
与泵性能有关的信息可以包括与(1)通过滑流测量的泵性能监控、(2)与预测叶轮磨损有关的监控、(3)泵叶轮空穴化监控、(4)通过声发射的泵监控、(5)与泵泄漏检测有关的监控、(6)泵效率监控和(7)正移位泵监控(与这里示出和描述的监控一致)有关的信息。
可以使用硬件、软件、固件或者其组合来实施处理器或者信号处理模块10的功能。在一个典型软件实施方式中，处理器模块将包括一个或者多个基于微处理器的如下架构，这些架构具有微处理器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出设备以及连接它们的控制、数据和地址总线。本领域技术人员将能够对这样的基于微处理器的实施方式进行编程以执行这里描述的功能而无需过多实验。本发明的范围并不限于任何使用现在已知或者将来以后开发的技术的具体实施方式。
处理器或者信号处理模块10可以与以泵(包括离心泵、囊式泵、活塞泵或者正移位泵)和传感器(包括基于PVDF或者基于声纳的传感器)为特征的一个或者多个泵系统结合使用，以便至少部分地基于在泵上或者结合泵感测的不稳定压强和/或声发射来监控泵性能(与下文描述的监控一致)。
图1b：基本泵系统
本发明的一些实施例可以采用大体上表示为20的泵系统的形式，该泵系统的特征在于：泵22；一个或者多个传感器24，包括基于PVDF和/或基于声纳的传感器，布置于泵22上或者结合泵22来布置，配置成响应于流过泵22的介质所引起的不稳定压强和/或声发射，并且提供包含与不稳定压强和/或声发射有关的信息的信号；以及信号处理模块10(见图1a)，配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强和/或声发射有关的信息的信号，并且也配置成提供包含与泵性能有关的信息的输出信号。
本发明的范围旨在于包括本领域已知的泵(比如离心泵、囊式泵、活塞泵或者正移位泵)以及现在已知或者将来以后开发的其他类型或者种类的泵。
另外，本发明的范围旨在于包括本领域已知的传感器(比如用于感测声发射的基于PVDF的传感器或者用于感测不稳定压强的基于声纳的传感器)以及现在已知或者将来以后开发的用于感测声发射或者不稳定压强的其他类型或者种类的传感器。举例而言，传感器24可以整体上或者部分地采用通过整体引用全部结合于此的第7,165,464、7,134,320、7,363,800、7,367,240和7,343,820号美国专利中公开的传感器的形式。举例而言，在前述专利中公开的传感器可以被配置成感测介质的体积流量并且提供包含与基本上不受介质中的可变数量的夹带空气影响的体积流量有关的信息的信号。如本领域技术人员将理解的那样，基于PVDF的传感器由聚偏二氟乙烯(高度非反应性和纯热塑含氟聚合物)制成。本发明的范围也旨在于包括现在已知或者将来以后开发的其他类型或者种类的基于声纳的如下VF/GVF计量器，这些计量器执行基于声纳的VF/GVF计量器的与这样涉及实施本发明的功能相同的基本功能。
图2a-图2c(iii)：通过滑流测量的泵性能监控
图2a示出了根据本发明一些实施例的大体上表示为100的泵系统，该泵系统的特征在于泵102和基于声纳的传感器阵列104以及信号处理模块，比如模块10(图1a、图1b)。
泵具有套管或者衬垫102a。
基于声纳的传感器阵列104布置于套管或者衬垫102a上，并且被配置成响应于流过泵102的介质所引起的不稳定压强(包括叶轮顶端速率和流体速率所引起的不稳定压强)，并且提供包含与不稳定压强有关的信息的信号。
信号处理模块如模块10(图1a)可以被配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强有关的信息的信号，并且也可以被配置成提供包含与滑流测量有关的信息的输出信号。
根据本发明的一些实施例，信号处理模块如模块10(图1a、图1b)和基于声纳的传感器阵列104可以被配置成测量滑移和理想速率。该速率是实际叶轮顶端速率。流体本身通常将由于滑移而具有减小的速率。传感器阵列104可以如图所示在套管上安装于恰当位置以实时测量由叶轮顶端速率和流体速率二者所引起的不稳定压强。根据这些压强测量，信号处理模块如模块10(图1a)可以被配置成在已知道阵列104中的传感器之间的间距和在传感器之间的转变时间的情况下确定各速率。由于在叶轮上出现磨损，所以滑移将增加并且可以监控理想与滑移速率之差，而且可以在实时基础上确定磨损严重性。
本发明提出使用阵列传感器来测量滑移和理想速率。图2b、图2c(ii)和图2c(iii)示出了表示为V2的理想速率。该速率是实际叶轮顶端速率。流体本身将由于滑移而具有减小的速率。这在图2b中表示为V2’。
泵系统100或者泵102也可以包括本领域已知、并不形成主要发明的部分并且因此未在这里公开或者具体描述的一个或者多个元件、设备、装置或者装备。
本发明关于泵应用的范围并不限于处理的介质类型或者种类或者现在已知或者将来以后开发的泵送过程类型。
图3a、图3b：使用基于声纳的技术的泵性能监控
图3a和图3b示出了根据本发明一些实施例的大体上表示为200、200’的泵系统，该泵系统的特征在于：泵202和基于声纳的传感器阵列204、206以及信号处理模块如模块10(图1a、图1b)。使用类似标号来标识图3a、图3b中的类似部分。
泵202具有叶轮(见图4a)、套管208、抽吸入口210或者排放口212。
基于声纳的传感器阵列204、206布置于套管208、抽吸入口210或者排放口212上，并且可以被配置成响应于流过泵202的介质所引起的不稳定压强，并且提供包含与不稳定压强有关的信息的信号。声纳阵列210、212可以如图3a中所示集成到泵202或者如图3b中所示外部固定到泵202。
信号处理模块10(图1a、图1b)可以被配置成接收包含与流过泵202的介质所引起的不稳定压强有关的信息的信号，并且也可以被配置成提供包含与泵202的部分的磨损(包括叶轮后盖或者孔眼中的磨损)有关的信息的信号。
如本领域技术人员将理解的那样，在泵的排放口212和抽吸端210内的速率可以是用于确定泵性能并且预测磨损的良好指标。信号处理模块10(图1a、图1b)和基于声纳的计量器可以被配置成测量不稳定压强并且确定对流速率。将这一技术集成于泵套管208、排放口212和/或入口210内，可以确定如下流速，根据该流速可以获得泵性能。例如，如本领域技术人员将理解的那样，当高速率存在于叶轮内时，加速磨损将可能出现于叶轮的后盖上。取而代之，如果存在低速率，则由于泥浆再循环回到叶轮的孔眼所致的过度磨损将可能使孔眼磨损。
泵系统200或者泵202也可以包括本领域已知、并不形成主要发明的部分并且因此未在这里公开或者具体描述的一个或者多个元件、设备、装置或者装备。
图4a-图4c：泵叶轮空穴化监控
图4a示出了根据本发明一些实施例的大体上表示为400的泵系统，该泵系统的特征在于：离心泵402和一个或者多个基于PVDF的传感器404以及信号处理模块如模块10(图1a、图1b)。
离心泵402具有泵体和叶轮402b，并且可以耦合到入口和出口管道(例如见图7b中的入口和出口管道元件706a、706b)。
一个或者多个基于PVDF的传感器404可以结合泵体402a以及入口和出口管道来布置，并且被配置成响应于流过泵402的介质所引起的声发射(包括在泵402内产生的空穴化过程所引起的小气泡的破裂)，并且提供包含与声发射有关的信息的信号。
信号处理模块10(图1a、图1b)可以被配置成接收包含与流过泵的介质所引起的声发射有关的信息的信号，并且也可以被配置成提供包含与泵叶轮空穴化监控(包括空穴化过程所引起的叶轮磨损)有关的信息的输出信号。
根据本发明的一些实施例，信号处理模块10(图1a、图1b)可以被配置成比较泵402在启动时的声发射的特征频率与泵402在以后时间由空穴化过程引起的声发射的关联特征频率。
如本领域技术人员将理解的那样，在空穴化过程期间，产生的小气泡的破裂可能在泵402内产生声发射。这些声发射可以由一个或者多个基于PVDF的传感器404检测，并且用来标识空穴化何时出现于泵内。由于通向泵的入口和出口管道对于在泵内生成的声音可以充当波导，所以一个或者多个基于PVDF的传感器404可以位于多个位置：在泵体402a本身上或者沿着附接到泵的管道(未示出)。
图4b示出了通过使用附接到离心泵402的入口侧的基于PVDF的传感器404的泵空穴化检测。如图4b中的图表中所见，泵被启动并且快速达到稳态操作。图4c中的图表示范了在泵内出现的空穴化所引起的声发射。对线压强进行改变从而使泵开始空穴化(如图4c中的图表中的数据大约中间的改变所示)。在宽的声频范围内观测到声发射的剧变。
泵系统400或者泵402也可以包括本领域已知、并不形成主要发明的部分并且因此未在这里公开或者具体描述的一个或者多个元件、设备、装置或者装备。
图5：通过声发射的泵监控
根据这里描述的本发明，存在许多装备诊断数据分析技术可以用来监控和检测泵何时发生故障。一种这样的方法利用在泵的正常稳态操作期间取得的泵“签名”。根据这一类泵签名特征，可以随时间测量和跟踪泵频率。存在的频率或者信号幅度的变化可以表明泵磨损和潜在故障。图5示出了用基于PVDF的传感器取得的泵签名的例子。
根据本发明的一些实施例，可以在声发射在泵的入口或者出口上行进于流体中之时监控它们。基于PVDF的传感器可以附接到管以内或者以外，可以用来监控来自泵的声发射，并且可以用来检测比如空穴化、轴承磨损、叶轮磨损和套管衬垫损坏的情况。
使用这一类技术的本发明的一些实施例可以采用如下泵系统的形式，该泵系统的特征在于：泵，具有入口和出口；一个或者多个基于PVDF的传感器，附接到泵的入口或者出口或者二者，并且配置成响应于流过泵的介质所引起的声发射(包括在泵内产生的空穴化过程所引起的小气泡的破裂)，并且提供包含与声发射有关的信息的信号；以及信号处理模块，可以配置成接收包含与流过泵的介质所引起的声发射有关的信息的信号，并且也可以被配置成提供包含与通过声发射的泵监控有关的信息(包括与空穴化、轴承磨损、叶轮磨损或者套管衬垫损坏有关的信息)的输出信号。
根据本发明的一些实施例，信号处理模块如10(图1a、图1b)可以被配置成随时间测量和跟踪签名特征泵频率，并且基于签名特征泵频率的频率或者幅度变化来确定泵磨损或者潜在故障。
图6a、图6b：泵泄漏检测
图6a、图6b示出了根据本发明一些实施例的大体上表示为600的泵系统，该泵系统的特征在于：泵602和一个或者多个基于声纳的传感器阵列604以及信号处理模块如模块10(图1a、图1b)。
根据本发明的一些实施例，基于声纳的阵列604的声测量能力可以用来标识具体高频。此外，包括处理器或者信号处理模块10(图1a、图1b)的系统的阵列处理能力可以用来校验频率信号的相干性并且确定声发射方向。
如本领域技术人员将理解的那样，泵中的各种部件的许多配对表面经常导致泄漏。这些泄漏可能在检测之前长期存在并且导致高成本的修理和清理。与这里描述的一致，可以通过基于声纳的处理和根据本发明的技术来检测和监控这些泄漏的声发射。
此外，通过使用基于声纳的处理和根据本发明的技术，也可以在泵本身的各种部件内检测泄漏。比如在囊式泵和活塞泵中使用的内阀这样的内阀如果它们泄漏则可能极大地减小泵容量和效率。可以用这一系统检测来自这样的泄漏的声发射。
例如，在图6a中，泵可以例如包括囊式泵或者活塞泵。
在图6a中，基于声纳的传感器阵列604可以附接到泵602的一个或者多个部分或者表面(包括泵602的入口606)，并且配置成响应于流过泵的介质(包括在内阀中和在轴承周围的泄漏以及配对表面泄漏)所引起的不稳定压强，并且可以被配置成提供包含与不稳定压强有关的信息的信号。
信号处理模块10(图1a、图1b)可以被配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强有关的信息的信号，并且也可以被配置成提供包含与泵泄漏检测有关的信息(包括与在内阀中以及在轴承和配对表面周围的泄漏有关的信息)的输出信号。
泵系统600或者泵602也可以包括本领域已知、并不形成主要发明的部分并且因此未在这里公开或者具体描述的一个或者多个元件、设备、装置或者装备。
泵效率监控
根据本发明的一些实施例，提供一种用于使用基于声纳的流量计以测量泵送的介质的流速来监控泵性能的技术。
基于声纳的流量计(比如本领域已知的
Figure BPA00001280624100151
VF-100)可以用来测量经过泵的流速。基于声纳的流速测量技术尤其有益于液浆流或者载有粒子的气流，其中由于该流的侵蚀特性，所以任何侵入式流量测量方法将面临过度磨损和过早故障。本发明将基于声纳的流量计与压强和电功率测量组合使用实现持续和实时地监控泵效率。
使用这一技术的根据本发明的一些实施例可以采用如下泵系统的形式，该泵系统的特征在于：泵；基于声纳的传感器阵列，附接到泵的一个或者多个部分或者表面(包括泵的入口)，并且配置成响应于流过泵的介质所引起的不稳定压强，并且提供包含与不稳定压强有关的信息的信号；以及信号处理模块，可以被配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强有关的信息的信号，并且也可以被配置成至少部分地基于经过泵的介质的流速来提供包含与泵效率监控泄漏检测有关的信息的输出信号。
根据本发明的一些实施例，信号处理模块可以被配置成至少部分地基于对包含与引入口和排放口压强以及电功率测量有关的信息的信号发送的响应来提供输出信号。
图7a、图7b：正移位泵监控
图7a、图7b示出了根据本发明一些实施例的大体上表示为700的泵系统，该泵系统的特征在于：正移位泵702和一个或者多个基于声纳的传感器阵列704以及信号处理模块，比如模块10(图1a、图1b)。
如本领域技术人员将理解的那样，正移位泵通过迫使流体从泵的入口压强部分进入排放口部分中来操作。根据本发明的一些实施例，基于声纳的阵列可以提供用于监控这些类型的正移位泵的操作的若干机制。与这里关于离心泵描述的一致，可以通过测量泵702随着泵送行程数目而产生的流量来监控泵性能。这两个参数均可以由基于声纳的流量计量器测量。计量器在它的正常操作模式中可以给出材料流速，而对接收的声信号的分析可以用来跟踪泵送行程率。
也可以通过对来自泵的声发射的更具体分析来确定与泵的磨损速率有关的附加信息。可以根据多个泵部件(包括密封件、隔膜和阀)在操作期间发射的声签名来断定部件的情况。作为例子，在双阀活塞式泵中，各阀可以根据泵的阶段而闭合。在各阀闭合时，它将从闭合发射声信号并且可能在活塞压缩期间发射。阀闭合的声签名可以确定阀是否快速和完全闭合，或者它是否开始磨损从而引起更多泄漏并且需要额外时间来闭合。另外，如果阀在泵的压缩阶段期间未完全闭合，则可以检测到泄漏的声发射。
此外，在基于隔膜的正移位泵中，可以通过它的声发射来监控关键隔膜部件。可以将隔膜中的孔或者裂缝检测为高频声，而周期脉冲可以表明振荡的破缝。
使用这一技术的本发明的一些实施例可以采用如下泵系统的形式，该泵系统的特征在于：这样的正移位泵；基于声纳的传感器阵列，附接到泵的一个或者多个部分或者表面，并且配置成响应于流过泵的介质所引起的不稳定压强和声发射，并且提供包含与不稳定压强和声发射有关的信息的信号；以及信号处理模块，可以被配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强和声发射有关的信息的信号，并且也可以被配置成至少部分地基于泵随着泵送行程数目而改变的流速来提供包含与正移位泵监控有关的信息的输出信号。
根据本发明的一些实施例，与泵的流速有关的信息可以至少部分地基于不稳定压强，而泵送行程数目至少部分地基于声发射。
泵系统700或者泵702也可以包括本领域已知、并不形成主要发明的部分并且因此未在这里公开或者具体描述的一个或者多个元件、设备、装置或者装备。
计算机可读存储介质
根据本发明的一些实施例，该装置也可以采用如下计算机可读存储介质的形式，该计算机可读存储介质具有用于进行前述方法的步骤的计算机可执行部件。
关于其他工业设备或者装备的应用
举例而言，关于一种用于通过泵来泵送介质的泵系统及其部分描述本发明。然而，本发明的范围并不限于用于处理监控的流动介质的任何特定类型或者种类的系统或者设备。例如，设想使用现在已知或者将来以后开发的其他类型或者种类的系统或者工业设备或者装备的实施例并且本发明的范围旨在于包括这样的系统或者工业设备或者装备。
本发明的范围
尽管已经参照示例实施例描述本发明，但是本领域技术人员将理解可以进行各种改变并且等效实施例可以替换其要素而不脱离本发明的范围。此外，可以进行许多修改以使特定情形或者材料适应本发明的教导而不脱离其实质范围。因此，旨在于使本发明并不限于这里作为设想用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例。

Claims (48)

1.一种信号处理模块，包括：
一个或者多个模块，配置成接收包含与流过泵的介质所引起的不稳定压强和/或声发射有关的信息的输入信号，并且也配置成提供包含与所述泵的性能有关的信息的输出信号。
2.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述输出信号包含与滑流测量有关的信息。
3.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述输入信号包含从结合所述泵的套管来布置的基于声纳的阵列接收的与所述不稳定压强有关的信息。
4.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述不稳定压强由叶轮顶端的速率和所述介质的速率二者产生。
5.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中在叶轮顶端或者所述泵的套管或者衬垫或者二者中的磨损引起所述不稳定压强的改变。
6.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成至少部分地基于随着在基于声纳的阵列中的传感器之间的间距和在所述传感器之间的转变时间而变化的压强测量来实时确定叶轮顶端的速率和所述介质的速率。
7.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成至少部分地基于所述不稳定压强来测量所述泵的滑移和在所述泵的叶轮中的理想速率。
8.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成至少部分地基于所述不稳定压强来确定对流速率。
9.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成至少部分地基于所述不稳定压强来确定在所述泵的排放口和抽吸端中流动的所述介质的速率。
10.根据权利要求3所述的信号处理模块，其中所述基于声纳的阵列结合抽吸入口、排放口或者二者来布置。
11.根据权利要求3所述的信号处理模块，其中基于声纳的阵列集成于所述套管中或者外部固定到所述泵。
12.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述输出信号包含至少部分地基于不稳定压强的、与存在于所述泵的叶轮内的高速率有关的信息，所述高速率可能在所述叶轮的后盖上引起加速磨损。
13.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述输出信号包含至少部分地基于不稳定压强的、与存在于所述泵的叶轮内的低速率有关的信息，所述低速率可能在所述叶轮的孔眼上引起加速磨损，所述加速磨损包括由于泥浆再循环到所述孔眼所致的过度磨损。
14.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成至少部分地基于所述声发射来确定空穴化何时出现于所述泵中。
15.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述输入信号包含从结合所述泵来布置的一个或者多个基于PVDF的传感器接收的与所述声发射有关的信息。
16.根据权利要求15所述的信号处理模块，其中所述基于PVDF的传感器位于多个位置，所述位置包括在所述泵本身的本体上或者沿着附接到所述泵的管道。
17.根据权利要求15所述的信号处理模块，其中所述基于PVDF的传感器附接到包括离心泵的所述泵的入口侧。
18.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成监控在流动于所述泵中的所述介质中、包括在流动于所述泵的入口或者出口上的所述介质中行进的所述声发射。
19.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述输入信号包含从结合所述泵来布置的一个或者多个基于PVDF的传感器接收的与所述声发射有关的信息。
20.根据权利要求19所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个基于PVDF的传感器附接到结合所述泵来布置的管道以内或者以外。
21.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成至少部分地基于所述声发射来检测包括空穴化、轴承磨损、叶轮磨损和套管衬套损坏的情况。
22.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成确定用基于PVDF的传感器取得的在所述泵的正常稳态操作期间所述声发射的泵签名。
23.根据权利要求22所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成结合所述泵签名来确定可以表明泵磨损和潜在故障的频率或者幅度变化。
24.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成至少部分地基于所述声发射来检测泵泄漏情况，所述泵泄漏情况包括在轴承周围、配对表面周围、内阀周围的泄漏，所述内阀包括在囊式泵或活塞泵中使用的内阀。
25.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成至少部分地基于所述声发射来测量和标识与泵泄漏情况有关的一个或者多个具体高频。
26.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述信号处理模块被配置成校验频率信号的相干性并且确定声发射方向。
27.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成至少部分地基于测量经过所述泵的所述介质的流速、在所述泵的引入口和排放口的压强以及向驱动所述泵的电动马达提供的功率来监控泵效率。
28.根据权利要求27所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成持续和实时地监控所述泵效率。
29.根据权利要求1所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成测量所述介质随着正移位泵的泵送行程数目而改变的经过所述正移位泵的流速。
30.根据权利要求29所述的信号处理模块，其中所述介质的流速测量至少部分地基于所述不稳定压强，并且所述正移位泵的泵送行程数目测量至少部分地基于所述声发射。
31.根据权利要求29所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成至少部分地基于所述声发射来监控包括密封件、隔膜、阀在内的一个或者多个泵部件的情况。
32.根据权利要求29所述的信号处理模块，其中所述信号处理模块被配置成至少部分地基于所述声发射来监控双阀活塞式泵的包括阀闭合和活塞压缩的情况。
33.根据权利要求32所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成监控所述阀闭合的情况以检测阀是否快速和完全闭合，或者检测所述阀是否开始磨损，包括提供更多泄漏或者需要额外时间来闭合，或者检测所述阀是否在所述压缩阶段期间未完全闭合，其中可以检测到泵的泄漏声发射。
34.根据权利要求29所述的信号处理模块，其中所述一个或者多个模块被配置成至少部分地基于所述声发射来监控基于隔膜的正移位泵的情况，包括监控可以作为高频声被检测到的在隔膜中的孔或者裂缝，或者监控可以作为周期脉冲被检测到的在所述隔膜中振荡的破缝。
35.一种泵系统，包括：
泵；
一个或者多个传感器，包括基于PVDF和/或基于声纳的传感器，布置于所述泵上或者结合所述泵来布置，配置成响应于流过所述泵的介质所引起的不稳定压强和/或声发射，并且提供包含与所述不稳定压强和/或声发射有关的信息的信号；以及
信号处理模块，配置成接收包含与流过所述泵的所述介质所引起的所述不稳定压强和/或声发射有关的信息的所述信号，并且也配置成提供包含与所述泵的性能有关的信息的输出信号。
36.一种泵系统，包括：
泵，具有套管或者衬垫；
基于声纳的传感器阵列，布置于所述套管或者衬套上，并且配置成响应于流过所述泵的介质所引起的不稳定压强，包括叶轮顶端速率和流体速率所引起的所述不稳定压强，并且提供包含与所述不稳定压强有关的信息的信号；以及
信号处理模块，配置成接收包含与流过所述泵的所述介质所引起的所述不稳定压强有关的信息的所述信号，并且也配置成提供包含与涉及所述泵的性能的滑流测量有关的信息的输出信号。
37.根据权利要求36所述的泵系统，其中所述信号处理模块被配置成至少部分地基于随着在所述基于声纳的阵列中的传感器之间的间距和在所述传感器之间的转变时间而改变的压强测量来实时确定叶轮顶端的速率和所述介质的流体速率。
38.一种泵系统，包括：
泵，具有叶轮、套管、抽吸入口或者排放口；
基于声纳的传感器阵列，布置于所述套管、抽吸入口或者排放口上，并且配置成响应于流过所述泵的介质所引起的不稳定压强，并且提供包含与所述不稳定压强有关的信息的信号；以及
信号处理模块，配置成接收包含与流过所述泵的所述介质所引起的所述不稳定压强有关的信息的所述信号，并且也配置成提供包含与所述泵的部分的磨损有关的信息的输出信号，所述磨损包括在所述叶轮的后盖或者孔眼中的磨损。
39.一种泵系统，包括：
离心泵，具有泵体和叶轮，并且耦合到入口和出口管道；
一个或者多个基于PVDF的传感器，结合所述泵体或者入口和出口管道来布置，并且配置成响应于流过所述泵的介质所引起的声发射，包括在所述泵内产生的空穴化过程所引起的小气泡的破裂，并且提供包含与所述声发射有关的信息的信号；以及
信号处理模块，配置成接收包含与流过所述泵的所述介质所引起的所述声发射有关的信息的所述信号，并且也配置成提供包含与泵叶轮空穴化监控有关的信息的输出信号，所述空穴化包括所述叶轮由所述空穴化过程所引起的磨损。
40.根据权利要求39所述的泵系统，其中所述信号处理模块被配置成比较所述泵在启动时的所述声发射的特征频率与所述泵在以后时间由所述空穴化过程引起的所述声发射的关联特征频率。
41.一种泵系统，包括：
泵，具有入口和出口；
一个或者多个基于PVDF的传感器，附接到所述泵的所述入口或者所述出口或者二者，并且配置成响应于流过所述泵的介质所引起的声发射，包括在所述泵内产生的空穴化过程所引起的小气泡的破裂，并且提供包含与所述声发射有关的信息的信号；以及
信号处理模块，配置成接收包含与流过所述泵的所述介质所引起的所述声发射有关的信息的所述信号，并且也配置成提供包含与通过声发射的泵监控有关的信息的输出信号，所述信息包括与空穴化、轴承磨损、叶轮磨损或者套管衬垫损坏有关的信息。
42.根据权利要求41所述的泵系统，其中所述信号处理模块被配置成随时间测量和跟踪签名特征泵频率，并且至少部分地基于所述签名特征泵频率的频率或者幅度变化来确定泵磨损或者潜在故障。
43.一种泵系统，包括：
泵，包括囊式泵或者活塞泵；
基于声纳的传感器阵列，附接到所述泵的一个或者多个部分或者表面，包括所述泵的入口，并且配置成响应于流过所述泵的介质所引起的不稳定压强，包括在内阀中和在轴承周围的泄漏以及配对表面泄漏，并且提供包含与所述不稳定压强有关的信息的信号；以及
信号处理模块，配置成接收包含与流过所述泵的所述介质所引起的所述不稳定压强有关的信息的所述信号，并且也配置成提供包含与泵泄漏检测有关的信息的输出信号，所述信息包括与在内阀中以及在轴承和配对表面周围的泄漏有关的信息。
44.根据权利要求43所述的泵系统，其中所述信号处理模块被配置成校验频率信号的相干性，并且确定可以用于所述泵泄漏检测的声发射方向。
45.一种泵系统，包括：
泵；
基于声纳的传感器阵列，附接到所述泵的一个或者多个部分或者表面，包括所述泵的入口，并且配置成响应于流过所述泵的介质所引起的不稳定压强，并且提供包含与所述不稳定压强有关的信息的信号；以及
信号处理模块，配置成接收包含与流过所述泵的所述介质所引起的所述不稳定压强有关的信息的所述信号，并且也配置成至少部分地基于经过所述泵的所述介质的流速来提供包含与泵效率监控泄漏检测有关的信息的输出信号。
46.根据权利要求45所述的泵系统，其中所述信号处理模块被配置成至少部分地基于对包含与引入口和排放口压强以及电功率测量有关的信息的信号发送的响应来提供所述输出信号。
47.一种泵系统，包括：
正移位泵；
基于声纳的传感器阵列，附接到所述泵的一个或者多个部分或者表面，并且配置成响应于流过所述泵的介质所引起的不稳定压强和声发射，并且提供包含与所述不稳定压强和声发射有关的信息的信号；以及
信号处理模块，配置成接收包含与流过所述泵的所述介质所引起的所述不稳定压强和声发射有关的信息的所述信号，并且也配置成至少部分地基于所述泵随着泵送行程数目而改变的流速来提供包含与正移位泵监控有关的信息的输出信号。
48.根据权利要求47所述的泵系统，其中与所述泵的流速有关的所述信息至少部分地基于所述不稳定压强，并且所述泵送行程数目至少部分地基于所述声发射。
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