CN103498790A - 基于光纤光栅传感的机泵群状态监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于光纤光栅传感的机泵群状态监测方法及装置，包括设置在机泵上的光纤光栅传感器组，光纤光栅传感器组通过光纤与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪的输出端与分析处理装置连接，分析处理装置还与报警装置连接；所述的光纤光栅传感器组包括光纤光栅温度传感器和光纤光栅振动传感器。本发明采用光纤光栅作为传感元件，在工作现场不使用电类设备，有效避免了电因素引起的危险，对现场环境的要求低，可在恶劣环境中使用；光纤不仅作为敏感元件，而且用做光信号的传输介质，使得信号低损耗远距离传输；光纤光栅振动解调仪自带补偿单元，能够补偿光源变化和线路损耗引起的输出信号损失，能够提高振动测量的精度。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术应用于机械设备的状态监测、维修和养护领域，涉及光纤传感技术用于机泵状态检测参数如振动、温度的检测方法和装置。
背景技术
石油、化工企业属于设备资产密集型行业，对设备依赖程度高，且化工装置具有如下特点：自动化水平高、生产连续性强，兼有高温、高压、易燃、易爆、易腐蚀、易中毒的特点，一旦设备发生问题，甚至泄漏，就会污染环境，损害人体，增加损耗，甚至会导致火灾、爆炸、人身伤亡等重大事故的发生；往往一台设备、一条管线、一块仪表、甚至一个电子元件发生故障，都会导致整套装置、乃至全厂停产，造成重大的经济损失，直接影响企业的经济效益。因此，确保生产装置长周期安全可靠运转、保证生产正常运行的唯一方法是升级企业设备管理的技术手段。化工企业一贯重视设备管理工作，并通过应用信息化技术来提升设备管理水平，对关键机组安装了在线监测系统，对主要设备采用巡检的方式进行管理，为巡检人员配备了简易巡检仪器，但企业设备管理系统普遍缺少设备状态信息的支撑，导致设备检修缺乏科学依据，造成设备维护成本高且效率低下。因而亟需通过实施机泵设备在线状态监测技术对企业重要机泵设备进行全面的状态监控以提升企业设备管理水平。企业的重要机泵设备不仅本身价值很高，且其维护费用占据了企业备件和检修费用的很大部分，对企业重要机泵设备实施在线状态监测可以最有效地实现设备状态受控，在无需依赖人员素质和积极性的情况下保证设备的高效运行，极大提升企业的设备管理水平。
振动是影响机泵安全运行的重要因素，振动以及由振动引起的摩擦温度变化是这些机泵群的“体温计”，直接反应了设备安全稳定运行状况。因此振动和温度是机泵群状态监测的关键参数。
目前对机泵状态监测主要采用有线或无线方式实现设备状态的自动监测、自动报警和智能辅助诊断，使用的是电磁类传感监测装置。如目前天津石化使用的北京海顿公司建设的机泵群在线监测系统主要由无线监测器、无线通信站以及智能监测分析系统构成，实现对设备状态的自动报警，并对设备故障进行早期诊断与趋势预测，为实现状态预知维修提供关于设备状态的标准量化的数据基础。该类系统有许多优点，使用效果明显，但也存在显著的缺点，如该系统的无线监测器使用电池供电，存在更换电池频繁、耐高温性能差、不能实现实时监测的功能等问题；对于一些特殊的机泵，如高温油泵，系统使用时故障率高，容易遗漏机组重要数据。
自1989年Morey首次提出将光纤光栅用作传感以来，光纤光栅传感器受到世界范围内的广泛重视，并且得到了迅速地发展。光纤光栅传感技术是一种新兴传感技术，与传统的电磁类传感器相比，它具有本质防爆、抗电磁干扰、耐腐蚀、高温，体积小、重量轻、灵活方便等诸多优点。因此，其研究和应用领域不断拓宽。在2000年后人们已开始研究该项技术在机械设备振动检测领域的应用，并取得了一定的研究成果，但这些研究和应用的光纤光栅加速度传感器都是单向的，而实际检测中，如机泵的监测，往往要求监测三个方向的加速度，这时如果使用传统的加速度传感器就至少需要三个，这不仅增加了检测成本，而且很多时候由于安装空间的限制，安装的多个传感器并不能安装在同一个监测点上，最终导致得到的数据不能真实地反应监测点不同方向上的加速度值。到目前为止，三维光纤加速度传感器的研究报道很少，特别是可用于机械设备振动监测的三维光纤光栅加速度传感器的研究未见报道，所以研究三维光纤加速度传感器具有创新性和重要的应用价值。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种基于光纤光栅传感的机泵群状态监测方法及装置，本装置无需供电，无电磁干扰，稳定性好，信号传输距离远，组网方便，可实现实时在线监测，能用于恶劣环境和易燃易爆场合，适用于多点多机泵（机泵群）运行状态（三向振动与表面温度）的集中监测与管理。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于光纤光栅传感的机泵群状态监测装置，其特征在于：它包括设置在机泵上的光纤光栅传感器组，光纤光栅传感器组通过光纤与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪的输出端与分析处理装置连接，分析处理装置还与报警装置连接；所述的光纤光栅传感器组包括光纤光栅温度传感器和光纤光栅振动传感器。
按上述方案，每个机泵上设置2个光纤光栅传感器组，每个光纤光栅传感器组包括3个光纤光栅振动传感器和1个光纤光栅温度传感器，分别固定在机泵的状态监测点上。
按上述方案，3个光纤光栅振动传感器两两相互垂直。
一种基于上述基于光纤光栅传感的机泵群状态监测装置实现的机泵群状态监测方法，其特征在于：
（1）分析处理装置通过光纤光栅解调仪实时监测光纤光栅温度传感器和光纤光栅振动传感器的信号，从而获得机泵上监测点的温度信号和振动信号；
（2）对温度信号分析提取温度场、绝对温度和相对温度信息，当绝对温度和相对温度植超过设定阈值时则发出信号给报警装置进行报警；
（3）对振动信号分析提取振动烈度、频谱、相位和相关图谱信息，当振动烈度超过设定阈值时则发出信号给报警装置进行报警；
（4）结合测点的温度场、绝对温度和相对温度信息以及振动烈度、频谱、相位和相关图谱信息，评价机泵的工作状态和运行质量。
按上述方法，评价机泵的工作状态和运行质量的具体步骤为：
a、根据泵的国家标准有关规定，按振动烈度和温度值将泵的工作状态分为优良、合格、不合格以及不允许 4个评定等级，并确定等级之间的临界值，即优良合格之间的振动烈度临界值ZA、合格不合格之间的振动烈度临界值ZB、不合格不允许之间的振动烈度临界值ZC，优良合格之间的温度临界值TA、合格不合格之间的温度临界值TB、不合格不允许之间的温度临界值TC；
b、当实测振动烈度值Z测≤ZA时，评定等级为优良；当ZA＜Z测≤ZB 时，评定等级为合格；当ZB＜Z测≤ZC时，评定等级为不合格；Z测＞ZC时，评定等级为不允许；另外，当振动烈度的增量大于报警值ZBJ的25%时，评定等级为不合格；
c、当实测温度值T测≤TA时，为优良状态；TA＜T测≤TB时，为合格状态；当TB＜T测≤TC时，为不合格状态；T测＞TC时，为不允许状态；另外，当温度增量大于报警值TBJ的25%时，评定等级为不合格；
d、当泵的工作状态评定等级为不合格或不允许时，根据振动频谱、相位和相关图谱监测到的信息分析故障类型和故障原因，确定故障位置。
按上述方法，每个机泵上设置一个光纤光栅传感器组，同时对多个机泵进行监测。
按上述方法，所述的振动信号采用空分复用技术组网进行采集，所述的温度信号采用波分复用技术组网进行采集。
本发明的有益效果为：
1、本发明的传感装置是采用光纤光栅作为传感元件，光信号作为调制信号，在工作现场不使用电类设备，有效地避免了电的因素引起的危险，因而可以用于易燃易爆的场合，且对现场环境的要求低，可在高油污、高灰尘等恶劣环境中使用；另外，光纤不仅作为敏感元件，而且用做光信号的传输介质，使得信号可低损耗，甚至无损耗远距离传输，可实现远程在线监测；光纤光栅振动解调仪自带补偿单元，能够补偿光源变化和线路损耗引起的输出信号损失，能够提高振动测量的精度。
2、本发明的传感装置复用性强，便于构成光纤传感网络，适合多点多机泵（机泵群）的振动监测，且成本较低，能有效地解决机泵群数量大，分布广的监测难题。
3、本发明的传感装置体积小，结构简单，便于制作和安装。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅传感器组结构及安装示意图。
图2为本发明的基于光纤光栅传感的机泵群状态监测装置连接图。
图中：1.机泵，2.安装基座，3.光纤光栅传感器组，3-X.X方向光纤光栅振动传感器，3-Y.Y方向光纤光栅振动传感器，3-Z.Z方向光纤光栅振动传感器，3-T.光纤光栅温度传感器，4.光纤，5.光纤光栅解调仪，6.分析处理装置，7.报警装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的光纤光栅传感器组结构及安装示意图，图2为本发明基于光纤光栅传感的机泵群状态监测装置连接图，基于光纤光栅传感的机泵群状态监测装置包括设置在机泵1上的光纤光栅传感器组3，光纤光栅传感器组通过光纤4与光纤光栅解调仪5连接，光纤光栅解调仪5的输出端与分析处理装置6连接，分析处理装置6还与报警装置7连接；所述的光纤光栅传感器组3包括光纤光栅温度传感器3-T和光纤光栅振动传感器。每个机泵1上设置一组光纤光栅传感器组3，每组光纤光栅传感器组3包括3个光纤光栅温度传感器（本实施例中为3个两两相互垂直的光纤光栅振动传感器，分别为X方向光纤光栅振动传感器3-X，Y方向光纤光栅振动传感器3-Y，Z方向光纤光栅振动传感器3-Z，从而获得机泵在三维方向上的振动分量）和1个光纤光栅振动传感器3-T，分别借助螺栓和安装基座2安装固定在机泵1的监测点上。
本发明还可以根据机泵状态监测点的形状和结构特点，合理设计监测传感器、安装基座的形状和尺寸，选定合适的安装方式（螺栓固定，胶粘贴，焊接等），确保安装可靠、有效。
本发明对于特殊的机泵（如高温油泵），制作传感器组时，应选用特种光纤（耐高温）制作光纤光栅传感元件，信号输出光缆（3～5米）采用了耐高温阻燃光缆，避免装置被高温破坏和引起火灾。
基于上述基于光纤光栅传感的机泵群状态监测装置实现的机泵群状态监测方法，具体步骤如下：分析处理装置通过光纤光栅解调仪实时监测光纤光栅温度传感器和光纤光栅振动传感器的信号，从而获得机泵上监测点的温度信号和振动信号；对温度信号分析提取温度场分布、绝对温升和/或相对温升信息，当绝对温升和/或相对温升信息超过阈值则发出信号给报警装置进行报警；对振动信号分析提取振动幅值、频率、相位和图谱信息，当振动幅值超过阈值则发出信号给报警装置进行报警；结合温度场分布、绝对温升和/或相对温升信息、振动幅值、频率、相位和图谱信息，评价机泵的工作状态和运行质量。
其中，评价机泵的工作状态和运行质量的具体步骤为：
（1）根据泵的国家标准有关规定，按振动烈度和温度值将泵的工作状态分为优良、合格、不合格以及不允许 4个评定等级，并确定等级之间的临界值，即优良合格之间的振动烈度临界值ZA、合格不合格之间的振动烈度临界值ZB、不合格不允许之间的振动烈度临界值ZC，优良合格之间的温度临界值TA、合格不合格之间的温度临界值TB、不合格不允许之间的温度临界值TC；
（2）当实测振动烈度值Z测≤ZA时，评定等级为优良；当ZA＜Z测≤ZB 时，评定等级为合格；当ZB＜Z测≤ZC时，评定等级为不合格；Z测＞ZC时，评定等级为不允许；另外，当振动烈度的增量大于报警值ZBJ的25%时，评定等级为不合格；振动烈度的增量为当前采样的实测振动烈度值与上一次采样的实测振动烈度值之差；
（3）当实测温度值T测≤TA时，为优良状态；TA＜T测≤TB时，为合格状态；当TB＜T测≤TC时，为不合格状态；T测＞TC时，为不允许状态；另外，当温度增量大于报警值TBJ的25%时，评定等级为不合格；
（4）当泵的工作状态评定等级为不合格或不允许时，根据振动频谱、相位和相关图谱监测到的信息分析故障类型和故障原因，确定故障位置（此步骤较为复杂，且为本领域技术人员常规技术手段，在此不展开说明）。
每个机泵上设置2组光纤光栅传感器组，多个光纤光栅传感器组通过多通道光纤光栅解调仪传输数据至分析处理装置，从而达到同时对多个机泵进行监测的目的。
本发明的分析处理装置可设定传感器的初始参数和标定系数，并根据机泵的结构参数和技术参数预设振动烈度和温度的报警阀值，并根据实际运行状态下积累历史技术数据，对报警阀值进行适当修正。记录并积累机泵正常运行状态及各种故障状态下的振动和温度特征信息，为分析和评价机泵工作状态和运行质量，制定科学维修方案提供依据。
当机泵正常工作时，机泵振动平稳，振动幅值较小，机泵关键部位的表面温度平稳，借助光纤光栅传感器组3实时监测机泵关键监测点三个方向的振动状态和温度变化情况，通过分析处理装置6显示振动波形和频谱，计算振动烈度值和温度值并记录下来；当机泵发生故障时，监测点的振动波形和频谱会发生变化，振动烈度值（即振动幅值）或温度值会增加，通过与正常工作状态下记录的结果进行对比，如果超出报警界限，则引发相应的报警。
本发明的监测装置用于多点多机泵（机泵群）振动状态监测时，其传感信号可采用光纤光栅复用技术组网。振动信号采用空分复用技术组网，温度信号可采用波分复用技术组网，形成的传感网络的任一节点与某台机泵某个测点的某类监测参数一一对应。
Claims (7)
1.一种基于光纤光栅传感的机泵群状态监测装置，其特征在于：它包括设置在机泵上的光纤光栅传感器组，光纤光栅传感器组通过光纤与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪的输出端与分析处理装置连接，分析处理装置还与报警装置连接；所述的光纤光栅传感器组包括光纤光栅温度传感器和光纤光栅振动传感器。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的机泵群状态监测装置，其特征在于：每个机泵上设置2个光纤光栅传感器组，每个光纤光栅传感器组包括3个光纤光栅振动传感器和1个光纤光栅温度传感器，分别固定在机泵的状态监测点上。
3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感的机泵群状态监测装置，其特征在于：3个光纤光栅振动传感器两两相互垂直。
4.一种基于权利要求1所述的基于光纤光栅传感的机泵群状态监测装置实现的机泵群状态监测方法，其特征在于：
（1）分析处理装置通过光纤光栅解调仪实时监测光纤光栅温度传感器和光纤光栅振动传感器的信号，从而获得机泵上监测点的温度信号和振动信号；
（2）对温度信号分析提取温度场、绝对温度和相对温度信息，当绝对温度和相对温度植超过设定阈值时则发出信号给报警装置进行报警；
（3）对振动信号分析提取振动烈度、频谱、相位和相关图谱信息，当振动烈度超过设定阈值时则发出信号给报警装置进行报警；
（4）结合测点的温度场、绝对温度和相对温度信息以及振动烈度、频谱、相位和相关图谱信息，评价机泵的工作状态和运行质量。
5.根据权利要求4所述的机泵群状态监测方法，其特征在于：评价机泵的工作状态和运行质量的具体步骤为：
a、根据泵的国家标准有关规定，按振动烈度和温度值将泵的工作状态分为优良、合格、不合格以及不允许 4个评定等级，并确定等级之间的临界值，即优良合格之间的振动烈度临界值ZA、合格不合格之间的振动烈度临界值ZB、不合格不允许之间的振动烈度临界值ZC，优良合格之间的温度临界值TA、合格不合格之间的温度临界值TB、不合格不允许之间的温度临界值TC；
b、当实测振动烈度值Z测≤ZA时，评定等级为优良；当ZA＜Z测≤ZB 时，评定等级为合格；当ZB＜Z测≤ZC时，评定等级为不合格；Z测＞ZC时，评定等级为不允许；另外，当振动烈度的增量大于报警值ZBJ的25%时，评定等级为不合格；
c、当实测温度值T测≤TA时，为优良状态；TA＜T测≤TB时，为合格状态；当TB＜T测≤TC时，为不合格状态；T测＞TC时，为不允许状态；另外，当温度增量大于报警值TBJ的25%时，评定等级为不合格；
d、当泵的工作状态评定等级为不合格或不允许时，根据振动频谱、相位和相关图谱监测到的信息分析故障类型和故障原因，确定故障位置。
6.根据权利要求4或5所述的机泵群状态监测方法，其特征在于：每个机泵上设置2个光纤光栅传感器组，同时对多个机泵进行监测，构成机泵群状态监测系统。
7.根据权利要求4或5所述的机泵群状态监测方法，其特征在于：所述的振动信号采用空分复用技术组网进行采集，所述的温度信号采用波分复用技术组网进行采集。
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