CN105317704A - 一种离心泵运行工况的判别装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离心泵运行工况的判别装置及方法，该装置包括通过管路依次连接的水箱、流量计、离心泵和控制阀；逆流热交换器置于水箱和控制阀之间；温度计置于水箱和流量计之间，进口压力传感器置于流量计和温度计之间，出口压力传感器置于离心泵和控制阀之间；电机与离心泵连接；振动加速度传感器一端固定在离心泵的外部，另一端与数据集成卡输入端连接，数据集成卡输出端与计算机连接。该方法包括步骤(1)实验回路的调整；(2)振动加速度传感器记录振动信号；(3)自回归方法对数据过滤处理；(4)支持向量机对数据进行分类，找到最小误差率的支持向量机；(5)找到离心泵运行工况点。

Description

一种离心泵运行工况的判别装置及方法

技术领域

本发明涉及一种泵类机械流动诱导振动相关的技术领域，尤其涉及到一种离心泵运行工况的判别装置及方法。

背景技术

泵是重要的能量转换装置和流体输送设备，其中离心泵应用最为广泛。离心泵不仅应用在石油、化工、水利等工农业领域，而且是航空、舰船、潜艇等高技术领域的关键设备。据统计，泵的耗电量占全国总的发电量的20％，而目前我国泵的实际使用效率却比发达国家约低20％，节能形势十分严峻，找到离心泵的工况点，从而对工况点进行调节，使得离心泵在最佳工况点工作有利于提高能源利用率。

通过检索分析，关于泵类工况监测的专利有：一种基于DSP嵌入式系统的水泵工况监测方法和装置，申请号：201310176190.8；水泵工况监控装置，申请号：201120047019.3，但目前这些专利中，主要集中在对除泵以外的装置系统进行分析从而得到离心泵的运行工况，还未见有关通过对分析离心泵自身振动信号来判别其运行工况的方法，这种间接测量的离心泵运行工况和实际离心泵的运行工况存在着比较大的误差，另外这种间接测量离心泵的运行工况还造成误差累计，影响着测量离心泵运行工况的精度。

本发明提出一种离心泵运行工况的判别装置及方法，该方法通过直接置于离心泵上的振动加速度传感器来测量离心泵自身振动信号通过数据处理及分类从而判断离心泵的运行工况，消除了对除泵以外的装置系统进行分析这种间接测量带来的误差及误差累计，为测试人员提供更精确的运行工况点，从而为调节离心泵到最佳工况点提供依据。

发明内容

本发明针对当前对离心泵运行工况点的测量存在较大的误差，以及还没出现通过对分析离心泵自身振动信号来判别其运行工况的技术，从而提出一种离心泵运行工况的判别装置与方法，该方法通过直接置于离心泵上的振动加速度传感器来测量离心泵自身振动信号通过数据处理及分类从而判断离心泵的运行工况，消除了间接测量带来的误差及误差累计，为测试人员提供更精确的运行工况点，从而为调节离心泵到最佳工况点提供依据。

一种离心泵运行工况的判别装置，包括通过管路依次连接的水箱、流量计、离心泵和控制阀；逆流热交换器置于水箱和控制阀之间；温度计置于水箱和流量计之间，进口压力传感器置于流量计和温度计之间，出口压力传感器置于离心泵和控制阀之间；电机与离心泵连接；振动加速度传感器一端固定在离心泵的外部，另一端与数据集成卡输入端连接，数据集成卡输出端与计算机连接。

该装置可以通过直接置于离心泵上的振动加速度传感器来测量离心泵自身振动信号从而判断离心泵的运行工况，消除了间接测量带来的误差及误差累计。

一种离心泵运行工况的判别方法，包括如下步骤：

步骤A)实验回路的安装和调整：流量计用来对离心泵的运行工况进行观测，进口压力传感器、出口压力传感器用来对离心泵的扬程进行监测，温度计用来监测工质的温度，逆流热交换器用来使工质保持恒温，控制阀用来调节离心泵的各个工况点，振动加速度传感器用来记录放大的振动信号，数据采集卡用来采集放大的振动信号，计算机用来处理放大的振动信号；

步骤B)调节流量，利用振动加速度传感器记录放大的振动信号：调节流量按一定的速率递变，设定每个流量工况稳态下的测量时间和采样率，利用步骤A中的数据集成卡采集振动加速度传感器在不同工况点下的放大的振动信号；

步骤C)对步骤B中数据集成卡采集的振动加速度传感器在不同工况点下的放大的振动信号使用自回归方法进行过滤：借助AIC准则确定自回归模型中的变量N，运用滞后函数将自回归模型中时间序列转换为时间单位，采用Yule-Walker法求解自回归模型方程组，得到不同工况点相对应的标签向量；

步骤D)使用支持向量机对步骤C中得到的标签向量进行分类，得到最小误差率的支持向量机：步骤C得到的标签向量的集合组成测量数据，该测量数据分为训练数据和测试数据，选用训练数据代入支持向量机中对训练数据进行分类，分类后的训练数据与测试数据进行比对，应用交叉验证方法寻找最佳的校正值、公差因子和最佳的内核函数，得到最小误差率的支持向量机；

步骤E)对比训练数据，找到工况点：利用步骤D得到的最小误差率的支持向量机对测试离心泵放大的振动信号得到的测试数据进行分类，然后与经最小误差率的支持向量机进行分类的训练数据进行比对，确定其运行工况点。

进一步的，步骤B中流量按1m³/h递增或递减。

进一步的，步骤B中测试时间为100s，采样率设置为50。

进一步的，步骤D中最佳校正值lg(γ)＝-5、公差因子lg(C)＝4和最佳的内核函数K(X_i，X_j)＝exp(-γ||X_i-X_j||²)。

本发明有益效果是：

1.采用单个振动加速度传感器对振动进行测量，从而实现对离心泵运行工况的判别，大大降低了测量的成本，同时又能保证离心泵内部流场不受影响，提高测量准确性。

2.使用自回归方法对信号进行过滤，剔除掉大量不相关的信息以减小工作量，同时基于Yule-Walker法能够方便地求解出对称方程组的优势，缩短了信号处理的时间。

3.在应用中支持向量机对数据进行分类的时候使用交叉验证寻找到最佳地较正值、公差因子和最佳的内核函数，同时插入一个二次引导确保交叉验证数据的可靠性。

4.利用找到最小误差率的支持向量机对测试数据进行比对，可以找到准确的离心泵运行工况点，节省工作时间和成本，提高了效率。

附图说明

图1为离心泵振动信号测量实验台的示意图。

图2为本发明原理流程图。

图3为交叉验证流程图。

图4为训练数据。

图5为测量数据。

附图标记如下所示：

1-电机；2-阀门；3-离心泵；4-出口压力传感器；5-流量计；6-进口压力传感器；7-逆流热交换器；8-温度计；9-水箱；10-振动加速度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

结合图1一种离心泵运行工况的判别装置，包括通过管路依次连接的水箱9、流量计5、离心泵3和控制阀2；逆流热交换器7置于水箱9和控制阀2之间；温度计8置于水箱9和流量计5之间，进口压力传感器6置于流量计5和温度计8之间，出口压力传感器4置于离心泵3和控制阀2之间；电机1与离心泵3连接；振动加速度传感器10一端固定在离心泵3的外部，另一端与数据集成卡输入端连接，数据集成卡输出端与计算机连接。

结合图2、图3、图4、图5为实现本发明对振动信号的采集和处理，得到离心泵3的运行工况点，一种离心泵运行工况的判别方法：

步骤A)实验回路的安装和调整：流量计5用来对离心泵3的运行工况进行观测，进口压力传感器6、出口压力传感器4用来对离心泵3的扬程进行监测，温度计8用来监测工质的温度，逆流热交换器7用来使工质保持恒温，控制阀2用来调节离心泵3的各个工况点，振动加速度传感器10用来记录放大的振动信号，数据采集卡用来采集放大的振动信号，计算机用来处理放大的振动信号；

步骤B)通过计算机设定每个流量工况稳态下的测量时间为100s和采样率50，控制阀2调节流量，利用步骤A中的数据集成卡采集振动加速度传感器10在不同工况点下的放大的振动信号；

步骤C)对步骤B中数据集成卡采集的振动加速度传感器10在不同工况点下的放大的振动信号使用自回归方法进行过滤：借助AIC准则AIC＝(2k-2L)/n确定自回归模型中的变量N，运用滞后函数将自回归模型中时间序列转换为时间单位，采用Yule-Walker法求解自回归模型方程组，得到不同工况点相对应的标签向量如： $X=\left(\begin{array}{ccc}{x}_{11}& \mathrm{\Λ}& x_{1k}\\ M& O& M\\ x_{l1}& \mathrm{\Λ}& x_{lk}\end{array}\right)Y=\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ M\\ y_l\end{array}\right);$

步骤D)使用支持向量机对步骤C中得到的标签向量进行分类，得到最小误差率的支持向量机：步骤C得到的标签向量的集合组成测量数据，该测量数据分为训练数据和测试数据，选用训练数据代入支持向量机中对训练数据进行分类，分类后的训练数据与测试数据进行比对，应用交叉验证方法寻找最佳的校正值、公差因子和最佳的内核函数，得到最小误差率的支持向量机；

步骤E)对比训练数据，找到工况点：利用步骤D得到的最小误差率的支持向量机对测试离心泵3放大的振动信号得到的测试数据进行分类，然后与经最小误差率的支持向量机进行分类的训练数据进行比对，确定其运行工况点。如图5所示，某一工况点下测得的数据处理后为0.999和0.001，对比图5的训练数据，寻找近似的一组数据0.997和0.003，因此对应的工况点是Q₀。此方法有些偏差，但是在实际应用过程中偏差值在可接受的范围内。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种离心泵运行工况的判别装置，其特征在于，包括通过管路依次连接的水箱(9)、流量计(5)、离心泵(3)和控制阀(2)；逆流热交换器(7)置于水箱(9)和控制阀(2)之间；温度计(8)置于水箱(9)和流量计(5)之间，进口压力传感器(6)置于流量计(5)和温度计(8)之间，出口压力传感器(4)置于离心泵(3)和控制阀(2)之间；电机(1)与离心泵(3)连接；振动加速度传感器(10)一端固定在离心泵(3)的外部，另一端与数据集成卡输入端连接，数据集成卡输出端与计算机连接。

2.一种离心泵运行工况的判别方法，包括以下几个步骤：

步骤A)实验回路的安装和调整：流量计(5)用来对离心泵(3)的运行工况进行观测，进口压力传感器(6)、出口压力传感器(4)用来对离心泵(3)的扬程进行监测，温度计(8)用来监测工质的温度，逆流热交换器(7)用来使工质保持恒温，控制阀(2)用来调节离心泵(3)的各个工况点，振动加速度传感器(10)用来记录放大的振动信号，数据采集卡用来采集放大的振动信号，计算机用来处理放大的振动信号；

步骤B)通过计算机设定每个流量工况稳态下的测量时间和采样率，控制阀(2)调节流量，利用步骤A中的数据集成卡采集振动加速度传感器(10)在不同工况点下的放大的振动信号；

步骤C)对步骤B中数据集成卡采集的振动加速度传感器(10)在不同工况点下的放大的振动信号使用自回归方法进行过滤：借助AIC准则确定自回归模型中的变量N，运用滞后函数将自回归模型中时间序列转换为时间单位，采用Yule-Walker法求解自回归模型方程组，得到不同工况点相对应的标签向量；

步骤D)使用支持向量机对步骤C中得到的标签向量进行分类，得到最小误差率的支持向量机：步骤C得到的标签向量的集合组成测量数据，该测量数据分为训练数据和测试数据，选用训练数据代入支持向量机中对训练数据进行分类，分类后的训练数据与测试数据进行比对，应用交叉验证方法寻找最佳的校正值、公差因子和最佳的内核函数，得到最小误差率的支持向量机；

步骤E)对比训练数据，找到工况点：利用步骤D得到的最小误差率的支持向量机对测试离心泵(3)放大的振动信号得到的测试数据进行分类，然后与经最小误差率的支持向量机进行分类的训练数据进行比对，确定其运行工况点。

3.根据权利要求2所述的一种离心泵运行工况的判别方法，其特征在于，步骤B中流量按1m³/h递增或递减。

4.根据权利要求2所述的一种离心泵运行工况的判别方法，其特征在于，步骤B中测试时间为100s，采样率设置为50。

5.根据权利要求2所述的一种离心泵运行工况的判别方法，其特征在于，步骤D中最佳校正值lg(γ)＝-5、公差因子lg(C)＝4和最佳的内核函数K(X_i，X_j)＝exp(-γ||X_i-X_j||²)。