CN108895018B - 一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的装置及方法。汽蚀检测模块安装于叶轮吸力面附近的导轨之上，并与叶轮一同旋转；在旋转轴端安装有旋转干扰检测模块，将旋转过程中产生的振动干扰信号传输到汽蚀补偿模块；同时汽蚀检测模块与旋转干扰模块均由超声波传感器与振动加速度传感器组成，通过相应的滤波与加权方法处理获得汽蚀信号；由电磁推动装置和相应磁极组成的汽蚀发展过程移动监测模块将根据微处理器接收的汽蚀准确信号来调节汽蚀检测模块的径向位置。本发明能够监测瞬时叶片处汽蚀，除去汽蚀信号中旋转干扰因素，在低、中和高三个不同频率段中获得准确的汽蚀信号，仅用一组传感器便可进行汽蚀区域追踪监测。
Description
技术领域
本发明涉及了一种监测离心泵的装置及方法，尤其是涉及了一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的装置及方法。
背景技术
离心泵汽蚀危害困扰着许多泵站的运行，许多泵站由于严重汽蚀所引起的强烈振动而无法运行。汽蚀时传递到危害叶轮及泵壳的冲击波，加上液体中微量溶解的氧对金属化学腐蚀的共同作用，在一定时间后，可使其表面出现斑痕及裂缝，甚至呈海绵状逐步脱落；发生汽蚀时，还会发出噪声，进而使泵体振动；同时由于蒸汽的生成使得液体的表观密度下降，于是液体实际流量、出口压力和效率都下降，严重时可导致完全不能输出液体。而汽蚀的发生及发展过程不易被监测，在传统行业中主要以噪声测量法、压力测量法、振动测量法和高速摄影法为主。除了单一传感器的测量方法之外也有提出过两种传感器相互结合的方法，当时以往的超声波传感器和振动加速度传感器相互结合并没有解决其在监测中频信号时的准确性问题，使得监测准确性在中频波段内大大下降。
在离心泵中，主要的汽蚀危害区域为叶轮叶片的吸力面处，并且离心泵叶片的汽蚀区位置和强度会随着泵进口流量的变化而变化，传统的离心泵汽蚀监测方法主要是监测叶轮进口处的振动频率来实现。这样的监测方法无法实时监测在叶片上汽蚀区的发展过程，若采用多组传感器在叶轮处进行监测既提高了监测成本，并且旋转振动对实时监测的干扰也十分严重。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的装置及方法，利用使用传感器组及中频信号加权算法、滤波补偿模块和汽蚀发展过程移动监测模块进行离心泵叶片汽蚀发展过程精确实时监测。
按照本发明的技术方案：
一、一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的装置：
装置包括支撑滑轨、汽蚀监测单元、旋转干扰监测单元、振动加速度传感器Ⅰ、超声波传感器Ⅰ、振动加速度传感器Ⅱ、超声波传感器Ⅱ；转轴端部连接有沿周向均匀布置于叶轮各叶片的叶片吸力面处的多个支撑滑轨，支撑滑轨沿叶轮径向延伸，汽蚀监测单元安装于支撑滑轨上并沿支撑滑轨滑动；汽蚀监测单元沿叶轮径向的内端面和外端面分别固定有磁极Ⅰ和磁极Ⅱ，汽蚀监测单元上安装有振动加速度传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅰ，振动加速度传感器Ⅰ用于接收中低频振动信号，超声波传感器Ⅰ用于接收中高频振动信号；支撑滑轨靠近转轴的端部作为内端并固定有旋转干扰监测单元，旋转干扰监测单元上安装有振动加速度传感器Ⅱ和超声波传感器Ⅱ，振动加速度传感器Ⅱ用于接收中低频振动干扰信号，超声波传感器Ⅱ用于接收中高频振动干扰信号；支撑滑轨远离转轴的端部作为外端并固定有电磁推进器Ⅰ，电磁推进器Ⅰ上固定有电磁铁Ⅰ，电磁铁Ⅰ与汽蚀监测单元上的磁极Ⅰ通过磁力相互作用；支撑滑轨靠近转轴的端部且位于旋转干扰监测单元外侧固定有电磁推进器Ⅱ，电磁推进器Ⅱ上固定有电磁铁Ⅱ，电磁铁Ⅱ与汽蚀监测单元上的磁极Ⅱ通过磁力相互作用。
所述的支撑滑轨开有条形槽，汽蚀监测单元嵌装于支撑滑轨的条形槽中，汽蚀监测单元上的磁极Ⅰ和磁极Ⅱ受支撑滑轨两端的电磁铁Ⅰ和电磁铁Ⅱ的磁力作用，调整汽蚀监测单元沿支撑滑轨条形槽移动并固定监测位置。
所述的汽蚀监测单元上的振动加速度传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅰ固定在汽蚀监测单元侧面，朝向叶轮周向方向。
所述的振动加速度传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅰ用于检测完整的汽蚀环境信号，振动加速度传感器Ⅱ和超声波传感器Ⅱ用于监测汽蚀监测单元上的振动加速度传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅰ在随叶轮一同转动时由于旋转和转轴振动而产生的干扰信号；汽蚀监测单元与旋转干扰监测单元接收到的汽蚀信号经滤波补偿处理后获得所需的是否发生汽蚀结果的准确汽蚀信号。
所述的振动加速度传感器Ⅰ、超声波传感器Ⅰ、振动加速度传感器Ⅱ、超声波传感器Ⅱ、电磁铁Ⅰ和电磁铁Ⅱ均连接到微处理器，微处理器接收到振动加速度传感器Ⅰ、超声波传感器Ⅰ、振动加速度传感器Ⅱ、超声波传感器Ⅱ所采集的信号后向电磁推进器Ⅰ和电磁推进器Ⅱ发送电压脉冲信号，使得电磁铁Ⅰ与电磁铁Ⅱ产生不同的磁力与磁极属性。
所述的转轴上套装有电滑环，振动加速度传感器Ⅰ、超声波传感器Ⅰ、振动加速度传感器Ⅱ、超声波传感器Ⅱ分别经振动加速度信号线、超声波信号线、振动加速度干扰信号线和超声波干扰信号线与电滑环的内圈连接，电滑环的外圈经过振动加速度信号输出线、振动加速度干扰信号输出线、超声波信号输出线和超声波干扰信号输出线连接到外部微处理器。
二、一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的方法：
包括汽蚀检测模块、旋转干扰检测模块、汽蚀信号滤波模块、汽蚀信号补偿模块、汽蚀判断模块、汽蚀发展时域监测模块和汽蚀发展过程移动监测模块；
1)由汽蚀检测模块和旋转干扰检测模块检测信号
主要由振动加速度传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅰ构成汽蚀检测模块，主要由振动加速度传感器Ⅱ和超声波传感器Ⅱ构成旋转干扰检测模块，汽蚀检测模块检测到叶片吸力面处完整的汽蚀环境信号，旋转干扰检测模块检测随叶轮一同转动时由于旋转和转轴振动对汽蚀监测单元产生的干扰信号；
2)由汽蚀滤波模块滤波信号
汽蚀滤波模块主要由低频滤波器、高频滤波器和中频信号加权处理器组成，振动加速度传感器Ⅰ和振动加速度传感器Ⅱ检测的信号通过高频滤波器过滤掉频率大于20KHZ的振动信号，得到频率小于20KHZ的中低频信号，获得了中低频汽蚀环境信号和中低频干扰信号；超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ检测的信号通过低频滤波器过滤掉频率小于1KHZ的振动信号，得到频率大于1KHZ的中高频信号；
振动加速度传感器Ⅰ、振动加速度传感器Ⅱ、超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ检测的信号各自经滤波分离处理，将振动加速度传感器Ⅰ和振动加速度传感器Ⅱ的中低频信号分离获得中频信号和低频信号，其中振动加速度传感器Ⅰ和振动加速度传感器Ⅱ的低频信号分别作为低频汽蚀环境信号和低频干扰信号，将超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ的中高频信号分离获得中频信号和高频信号，其中超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ的高频信号分别作为高频汽蚀环境信号和高频干扰信号，中频信号为频率大于1KHZ且频率小于20KHZ的信号；
由振动加速度传感器Ⅰ、振动加速度传感器Ⅱ、超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ获得的中频信号传输到中频信号加权处理器中，将振动加速度传感器Ⅰ与超声波传感器Ⅰ检测到的中频信号加权处理得到中频汽蚀环境信号，将振动加速度传感器Ⅱ与超声波传感器Ⅱ检测到的中频信号加权处理得到中频干扰信号；
2)由汽蚀信号补偿模块补偿信号
低频汽蚀环境信号和低频干扰信号两者组合、中频汽蚀环境信号和中频干扰信号两者组合、高频汽蚀环境信号和高频干扰信号两者组合分别输入到汽蚀信号补偿模块，除去汽蚀环境信号中所对应含有的干扰信号部分，获得汽蚀判断信号；
3)由汽蚀判断模块判断汽蚀发生
将滤波补偿后获得的高中低频三种不同频率段的汽蚀判断信号输入汽蚀判断模块，汽蚀判断模块中预设有汽蚀发生阈值。
当信号的振动频率值大于汽蚀发生阈值时，则认为发生了汽蚀，汽蚀发展时域监测模块计入汽蚀发生的时间和时间间隔及其时域信号；
否则，为认定为不发生汽蚀。
4)由汽蚀发展过程移动监测模块和微处理器控制汽蚀监测
汽蚀发展过程移动监测模块包括主要由电磁铁Ⅰ和电磁铁Ⅱ构成的电磁推动装置；
若汽蚀未发生时，控制汽蚀发展过程移动监测模块的电磁推动装置工作将汽蚀检测模块向叶轮入口端移动，再继续上述步骤进行监测；
若汽蚀发生时，控制汽蚀发展过程移动监测模块的电磁推动装置工作将汽蚀检测模块向叶轮出口端移动，再继续上述步骤进行监测。
所述4)中，每次检测到汽蚀发生时，汽蚀检测模块沿叶片吸力面向叶轮出口方向移动精度为20mm。
所述3)中，当高中低频三种不同频率段的汽蚀判断信号中任一一个信号的振动频率值大于汽蚀发生阈值时，则认为发生了汽蚀。
所述2)中，所述的汽蚀检测模块和旋转干扰检测模块所检测到的信号经振动信号放大器和模数转换器后输入到滤波器中。
由于离心泵在工作过程中在叶轮叶片的吸力面低压区处产生汽蚀现象，会在汽蚀区引起微射流冲击和冲击波冲击，冲击使叶轮遭到剥蚀并产生振动与噪声，同时其汽蚀区域还会随着泵进口流量的变化而变化。
本发明中，汽蚀检测模块安装于叶轮吸力面附近的导轨之上，并与叶轮一同旋转，以达到监测瞬时叶片处汽蚀的目的。在旋转轴端安装有旋转干扰检测模块，将旋转过程中产生的振动干扰信号传输到汽蚀补偿模块，以达到除去汽蚀信号中旋转干扰因素的目的。同时汽蚀检测模块与旋转干扰模块均由超声波传感器与振动加速度传感器组成，通过相应的滤波与加权方法以实现同时在低、中和高三个不同频率段中获得准确的汽蚀信号的目的。由电磁推动装置和相应磁极组成的汽蚀发展过程移动监测模块将根据微处理器接收的汽蚀准确信号来调节汽蚀检测模块的径向位置，以实现仅用一组传感器便可进行汽蚀区域追踪监测的目的。
本发明的技术效果在于：
本发明实现了利用传感器组及中频信号加权算法监测低、中、高三种波频的汽蚀信号，利用滤波补偿模块消除了旋转振动对实时监测的干扰，利用汽蚀发展过程移动监测模块仅通过一组传感器完成了对离心泵叶片汽蚀发展过程精确实时监测。
附图说明
图1是追踪监测过程系统框图；
图2是高、中、低频汽蚀信号滤波与补偿流程图；
图3是汽蚀发展过程移动监测模块信号处理流程图；
图4是本发明装置整体结构示意图；
图5是本发明装置局部放大示意图；
图6是本发明装置局部放大示意图；
图7是电滑环结构布置示意图。
图中：叶轮(1)、转轴(2)、支撑滑轨(3)、叶片吸力面(4)、汽蚀监测单元(5)、旋转干扰监测单元(6)、振动加速度传感器Ⅰ(7)、超声波传感器Ⅰ(8)、磁极Ⅰ(9)、振动加速度传感器Ⅱ(10)、超声波传感器Ⅱ(11)、电磁推进器Ⅱ(12)、电磁铁Ⅱ(13)、电磁推进器Ⅰ(14)、电磁铁Ⅰ(15)、磁极Ⅱ(16)；振动加速度信号线(17)、超声波信号线(18)、振动加速度干扰信号线(19)、超声波干扰信号线(20)、振动加速度信号输出线(21)、超声波信号输出线(22)、振动加速度干扰信号输出线(23)、超声波干扰信号输出线(24)、电滑环(25)；振动放大器(26)、模数转换器(27)、低频滤波器(28)、高频滤波器(29)、汽蚀信号补偿模块(30)、汽蚀发展时域监测模块(31)、汽蚀判断模块(32)、微处理器(33)、汽蚀发展过程移动监测模块(34)、电磁推动装置(35)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
如图4所示，本发明具体实施包括支撑滑轨3、汽蚀监测单元5、旋转干扰监测单元6、振动加速度传感器Ⅰ7、超声波传感器Ⅰ8、振动加速度传感器Ⅱ10、超声波传感器Ⅱ11；转轴2端部连接有沿周向均匀布置于叶轮1各叶片的叶片吸力面9处(即叶轮1发生汽蚀的低压汽蚀区)的多个支撑滑轨3，支撑滑轨3沿叶轮2径向延伸，其中支撑滑轨3均匀布置于叶轮1内部的叶片吸力面4附近，并且固定于转轴2上，汽蚀监测单元5安装于支撑滑轨3上并沿支撑滑轨3滑动。
如图5和图6所示，汽蚀监测单元5沿叶轮1径向的内端面和外端面分别固定有磁极Ⅰ9和磁极Ⅱ16，汽蚀监测单元5上安装有振动加速度传感器Ⅰ7和超声波传感器Ⅰ8，振动加速度传感器Ⅰ7用于接收中低频振动信号，超声波传感器Ⅰ8用于接收中高频振动信号，振动加速度传感器Ⅰ7和超声波传感器Ⅰ8用于检测完整的汽蚀环境信号。
如图5所示，支撑滑轨3靠近转轴2的端部作为内端并固定有旋转干扰监测单元6，旋转干扰监测单元6焊接于支撑滑轨3上，旋转干扰监测单元6上安装有振动加速度传感器Ⅱ10和超声波传感器Ⅱ11，振动加速度传感器Ⅱ10用于接收中低频振动干扰信号，超声波传感器Ⅱ11用于接收中高频振动干扰信号，振动加速度传感器Ⅱ10和超声波传感器Ⅱ11用于监测汽蚀监测单元5上的振动加速度传感器Ⅰ7和超声波传感器Ⅰ8在随叶轮1一同转动时由于旋转和转轴2振动而产生的干扰信号。
如图6所示，支撑滑轨3远离转轴2的端部作为外端并固定有电磁推进器Ⅰ14，电磁推进器Ⅰ14上固定有电磁铁Ⅰ15，电磁铁Ⅰ15与汽蚀监测单元5上的磁极Ⅰ9通过磁力相互作用；如图5所示，支撑滑轨3靠近转轴2的端部且位于旋转干扰监测单元6外侧固定有电磁推进器Ⅱ12，电磁推进器Ⅱ12上固定有电磁铁Ⅱ13，电磁铁Ⅱ13与汽蚀监测单元5上的磁极Ⅱ16通过磁力相互作用。
如图4所示，支撑滑轨3开有条形槽，汽蚀监测单元5嵌装于支撑滑轨3的条形槽中，汽蚀监测单元5上的磁极Ⅰ9和磁极Ⅱ16受支撑滑轨3两端的电磁铁Ⅰ15和电磁铁Ⅱ13的磁力作用，调整汽蚀监测单元5沿支撑滑轨3条形槽移动并固定监测位置。
汽蚀监测单元5上的振动加速度传感器Ⅰ7和超声波传感器Ⅰ8固定在汽蚀监测单元5侧面，朝向叶轮1周向方向。
振动加速度传感器Ⅰ7和超声波传感器Ⅰ8用于检测完整的汽蚀环境信号，振动加速度传感器Ⅱ10和超声波传感器Ⅱ11用于监测汽蚀监测单元5上的振动加速度传感器Ⅰ7和超声波传感器Ⅰ8在随叶轮1一同转动时由于旋转和转轴2振动而产生的干扰信号；汽蚀监测单元5与旋转干扰监测单元6接收到的汽蚀信号经滤波补偿处理后获得所需的是否发生汽蚀结果的准确汽蚀信号。
振动加速度传感器Ⅰ7、超声波传感器Ⅰ8、振动加速度传感器Ⅱ10、超声波传感器Ⅱ11、电磁铁Ⅰ15和电磁铁Ⅱ13均连接到微处理器33，微处理器33接收到振动加速度传感器Ⅰ7、超声波传感器Ⅰ8、振动加速度传感器Ⅱ10、超声波传感器Ⅱ11所采集的信号后向电磁推进器Ⅰ14和电磁推进器Ⅱ12发送电压脉冲信号，使得电磁铁Ⅰ15与电磁铁Ⅱ13产生不同的磁力与磁极属性。电磁铁Ⅰ15与电磁铁Ⅱ13分别对汽蚀监测单元5上的磁极Ⅰ9和磁极Ⅱ16作用不同的磁力，使得汽蚀监测单元5在支撑滑轨3上移动位置与固定位置。
具体实施中，支撑滑轨3的尺寸要与叶轮1内流道的尺寸大小相匹配，使得支撑滑轨3的布置不影响叶轮1原有的内流特性。转轴2的尺寸与叶轮1的尺寸大小相匹配。电滑环25、振动加速度信号线17、超声波信号线18、振动加速度干扰信号线19、超声波干扰信号线20、振动加速度信号输出线21、振动加速度干扰信号输出线22、超声波信号输出线23和超声波干扰信号输出线24的尺寸大小要与转轴2的尺寸大小相匹配。要保证汽蚀监测单元5能在支撑滑轨3上自由滑动，但同时要保证汽蚀监测单元5不能从支撑滑轨3上掉落。电磁推进器Ⅰ14和电磁推进器Ⅱ12尺寸大小要与支撑滑轨3的尺寸大小相配合，保证电磁推进器Ⅰ14和电磁推进器Ⅱ12能在支撑滑轨3上正常工作。电磁铁Ⅱ13的尺寸大小要与电磁推进器Ⅱ12的尺寸大小相匹配。电磁铁Ⅰ15尺寸大小要与电磁推进器Ⅰ14的尺寸大小相配合。振动加速度传感器Ⅰ7和超声波传感器Ⅰ8的尺寸要与汽蚀监测单元5相配合。振动加速度传感器Ⅱ10和超声波传感器Ⅱ11的尺寸要与旋转干扰监测单元6相配合。
如图7所示，转轴2上套装有电滑环25，整个监测装置的所有线路均布置于转轴2内，振动加速度传感器Ⅰ7、超声波传感器Ⅰ8、振动加速度传感器Ⅱ10、超声波传感器Ⅱ11分别经振动加速度信号线17、超声波信号线18、振动加速度干扰信号线19和超声波干扰信号线20与电滑环25的内圈连接，振动加速度信号线17、超声波信号线18、振动加速度干扰信号线19和超声波干扰信号线20通过电滑环25内圈与转轴2一同旋转，电滑环25的外圈经过振动加速度信号输出线21、振动加速度干扰信号输出线22、超声波信号输出线23和超声波干扰信号输出线24连接到外部微处理器33，将信号稳定传递给微处理器33。
电磁铁Ⅰ15和电磁铁Ⅱ13也经各自的连接线与电滑环25的内圈连接，电滑环25的外圈经过各自的输出线连接到外部微处理器33。
本发明电磁铁控制过程如下：
当汽蚀监测单元5所处位置监测到汽蚀发生时，微处理器33将发送给电磁推进器Ⅰ14幅值较小的电压脉冲信号和发送给电磁推进器Ⅱ12幅值较大的电压脉冲信号，电磁铁Ⅰ15产生较小的磁斥力，电磁铁Ⅱ13产生较大的磁斥力，在两个相斥磁力的作用下汽蚀监测单元5沿着支撑滑轨3向着叶轮1出口端推进一端距离，位于靠近支撑滑轨3外端处达到稳定保持不动，继续监测当前所在位置的汽蚀发生情况。若监测到汽蚀发生，汽蚀监测单元5不断继续向前推进。
当汽蚀监测单元5所处位置监测到汽蚀未发生时，微处理器33将发送给电磁推进器Ⅰ14幅值较大的电压脉冲信号和发送给电磁推进器Ⅱ12幅值较小的电压脉冲信号，电磁铁Ⅰ15产生较大的磁斥力，电磁铁Ⅱ13产生较小的磁斥力，电磁铁Ⅱ13产生较大的磁斥力，在两个相斥磁力的作用下汽蚀监测单元5沿着支撑滑轨3向着叶轮1中间端推进一端距离，位于靠近支撑滑轨3内端处达到稳定保持不动，以此循环监测以到达监测叶片汽蚀区域发展过程的目的。
如图1所示，本发明的具体实施监测工作过程如下：
具体实施包括汽蚀检测模块、旋转干扰检测模块、汽蚀信号滤波模块、汽蚀信号补偿模块30、汽蚀判断模块32、汽蚀发展时域监测模块31和汽蚀发展过程移动监测模块34。
1)由汽蚀检测模块和旋转干扰检测模块检测信号
主要由振动加速度传感器Ⅰ7和超声波传感器Ⅰ8构成汽蚀检测模块，主要由振动加速度传感器Ⅱ10和超声波传感器Ⅱ11构成旋转干扰检测模块，汽蚀检测模块和旋转干扰检测模块分别检测来自叶片吸力面和转轴旋转振动的信号，汽蚀检测模块检测到叶片吸力面4处完整的汽蚀环境信号，旋转干扰检测模块检测随叶轮1一同转动时由于旋转和转轴2振动对汽蚀监测单元5产生的干扰信号。
振动加速度传感器Ⅰ7与振动加速度传感器Ⅱ10在检测频率小于1KHZ的低频振动信号时其检测准确性最高；超声波传感器Ⅰ8与超声波传感器Ⅱ11在检测频率大于20KHZ的高频振动信号时其检测准确性最高。
2)由汽蚀滤波模块滤波信号
汽蚀滤波模块主要由低频滤波器28、高频滤波器29和中频信号加权处理器组成。如图2所示，振动加速度传感器Ⅰ7和振动加速度传感器Ⅱ10检测的信号通过高频滤波器29过滤掉频率大于20KHZ的振动信号，得到频率小于20KHZ的中低频信号，获得了中低频汽蚀环境信号和中低频干扰信号；超声波传感器Ⅰ8和超声波传感器Ⅱ11检测的信号通过低频滤波器28过滤掉频率小于1KHZ的振动信号，得到频率大于1KHZ的中高频信号。
振动加速度传感器Ⅰ7、振动加速度传感器Ⅱ10、超声波传感器Ⅰ8和超声波传感器Ⅱ11检测的信号各自经滤波分离处理，将振动加速度传感器Ⅰ7和振动加速度传感器Ⅱ10的中低频信号分离获得中频信号和低频信号，其中振动加速度传感器Ⅰ7和振动加速度传感器Ⅱ10的低频信号分别作为低频汽蚀环境信号和低频干扰信号，将超声波传感器Ⅰ8和超声波传感器Ⅱ11的中高频信号分离获得中频信号和高频信号，其中超声波传感器Ⅰ8和超声波传感器Ⅱ11的高频信号分别作为高频汽蚀环境信号和高频干扰信号，中频信号为频率大于1KHZ且频率小于20KHZ的信号。
由振动加速度传感器Ⅰ7、振动加速度传感器Ⅱ10、超声波传感器Ⅰ8和超声波传感器Ⅱ11获得的中频信号传输到中频信号加权处理器中，将振动加速度传感器Ⅰ7与超声波传感器Ⅰ8检测到的中频信号使用加权算法加权处理得到中频汽蚀环境信号，将振动加速度传感器Ⅱ10与超声波传感器Ⅱ11检测到的中频信号使用加权算法加权处理得到中频干扰信号；
图1中，汽蚀信号补偿模块30通过将检测信号波形图与干扰信号波形图进行叠加补偿，除去检测信号中所含有的干扰信号部分，以达到获得精准的低、中、高频汽蚀信号的目的。图2中，中频信号加权处理方法为：
式中：为加权处理后的中频信号；f1为振动加速度传感器中频信号；f2为超声波传感器中频信号；k1为中频频段振动加速度传感器准确性权重；k2为中频段超声波传感器准确性权重。
2)由汽蚀信号补偿模块30补偿信号
低频汽蚀环境信号和低频干扰信号两者组合、中频汽蚀环境信号和中频干扰信号两者组合、高频汽蚀环境信号和高频干扰信号两者组合分别输入到汽蚀信号补偿模块30，获得各个信号各自的波形图，通过将汽蚀环境信号的波形图与干扰信号的波形图进行叠加补偿，除去汽蚀环境信号中所对应含有的干扰信号部分，以达到获得精准的低、中、高频汽蚀信号的目的；获得汽蚀判断信号。
汽蚀检测模块和旋转干扰检测模块所检测到的信号经振动信号放大器26和模数转换器27后输入到滤波器中，即振动加速度传感器Ⅰ7、超声波传感器Ⅰ8、振动加速度传感器Ⅱ10和超声波传感器Ⅱ11检测的振动信号均要通过振动信号放大器26将检测到的微弱的信号放大便于分析与转换，模数转换器27将汽蚀振动信号转换成数字信号并传递给汽蚀滤波模块。
3)由汽蚀判断模块32判断汽蚀发生
将滤波补偿后获得的高中低频三种不同频率段的汽蚀判断信号输入汽蚀判断模块32，汽蚀判断模块32中预设有汽蚀发生阈值。
当高中低频三种不同频率段的汽蚀判断信号中任一一个信号的振动频率值大于各自预设的汽蚀发生阈值时，则认为发生了汽蚀，汽蚀发展时域监测模块31计入汽蚀发生的时间和时间间隔及其时域信号；汽蚀发展时域监测模块31由频率计时器组成，利用频率计时器较宽的正负脉冲宽度特性可以用于汽蚀发生阈值较大或较小的泵型监测。
否则，为认定为不发生汽蚀。
4)由汽蚀发展过程移动监测模块34和微处理器33控制汽蚀监测
汽蚀发展过程移动监测模块34包括主要由电磁铁Ⅰ15和电磁铁Ⅱ13构成的电磁推动装置35。
若汽蚀未发生时，控制汽蚀发展过程移动监测模块34的电磁推动装置35工作将汽蚀检测模块(即汽蚀监测单元5)向叶轮1入口端(即叶轮1内圈)移动，再继续上述步骤进行监测；
若汽蚀发生时，微处理器33接收来自汽蚀发展时域监测模块31的时域信号和来自汽蚀判断模块32的汽蚀发生的判断结果信号后根据时域信号利用振动信号的傅里叶变换计入汽蚀时的频域数据，微处理器33控制汽蚀发展过程移动监测模块34的电磁推动装置35工作将汽蚀检测模块(即汽蚀监测单元5)向叶轮1出口端(即叶轮1外圈)移动，再继续上述步骤进行监测。
具体实施中，微处理器33根据时域信号利用振动信号的傅里叶变换计入汽蚀时的频域数据：
式中：F(w)为频域；f(t)为时域函数；w为叶轮角速度的角频率，t表示时间，i表示复数的虚数单位。
图3中，频率计时器选用GFC-8010H型，与传统脉冲计时器相比其拥有更宽的脉冲宽度为1Hz～120MHz；更高的灵敏度：<15mVrms，更适合监测实时的流动时域特性。
每次检测到汽蚀发生时，汽蚀检测模块沿叶片吸力面4向叶轮1出口方向移动精度为20mm，可以调节每次移动的距离提高汽蚀发展过程的监测精度，以此循环监测以到达监测叶片汽蚀区域发展过程的目的。
具体实施例数据情况如下：
振动加速度传感器Ⅰ监测到汽蚀与干扰信号的低、中和高频率为500、2900和35000HZ；超声波传感器Ⅰ监测到汽蚀与干扰信号的低、中和高频率为300、3000和50000HZ；振动加速度传感器Ⅱ监测到旋转干扰信号的低、中和高频率为100、1500和21000HZ；超声波传感器Ⅱ监测到旋转干扰信号的低、中和高频率为50、1500和25000HZ。
经过高频滤波后，根据振动加速度传感器Ⅰ和振动加速度传感器Ⅱ进行信号补偿后的低频汽蚀信号为400HZ；经过低频滤波后，根据超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ进行信号补偿后的高频汽蚀信号为25000HZ；根据振动加速度传感器Ⅰ和振动加速度传感器Ⅱ得到振动加速度信号中频补偿为1400HZ；根据超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ得到超声波信号中频补偿为1500HZ。将振动加速度中频补偿信号与超声波中频补偿信号进行加权处理，得出中频加权信号1452HZ。汽蚀预设发生阀值低频为450HZ、中频为1400HZ和高频为22000HZ。结果为在中频段信号高于中频汽蚀发生阀值，判断为汽蚀发生。
由此可见，本发明能够实现监测低、中、高三种波频的汽蚀信号，消除了旋转振动对实时监测的干扰，完成了对离心泵叶片汽蚀发展过程精确实时监测，具有其突出显著的技术效果。
Claims (10)
1.一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的装置，其特征在于：包括支撑滑轨(3)、汽蚀监测单元(5)、旋转干扰监测单元(6)、振动加速度传感器Ⅰ(7)、超声波传感器Ⅰ(8)、振动加速度传感器Ⅱ(10)、超声波传感器Ⅱ(11)；转轴(2)端部连接有沿周向均匀布置于叶轮(1)各叶片的叶片吸力面(4)处的多个支撑滑轨(3)，支撑滑轨(3)沿叶轮(2)径向延伸，汽蚀监测单元(5)安装于支撑滑轨(3)上并沿支撑滑轨(3)滑动；汽蚀监测单元(5)沿叶轮(1)径向的内端面和外端面分别固定有磁极Ⅰ(9)和磁极Ⅱ(16)，汽蚀监测单元(5)上安装有振动加速度传感器Ⅰ(7)和超声波传感器Ⅰ(8)，振动加速度传感器Ⅰ(7)用于接收中低频振动信号，超声波传感器Ⅰ(8)用于接收中高频振动信号；支撑滑轨(3)靠近转轴(2)的端部作为内端并固定有旋转干扰监测单元(6)，旋转干扰监测单元(6)上安装有振动加速度传感器Ⅱ(10)和超声波传感器Ⅱ(11)，振动加速度传感器Ⅱ(10)用于接收中低频振动干扰信号，超声波传感器Ⅱ(11)用于接收中高频振动干扰信号；支撑滑轨(3)远离转轴(2)的端部作为外端并固定有电磁推进器Ⅰ(14)，电磁推进器Ⅰ(14)上固定有电磁铁Ⅰ(15)，电磁铁Ⅰ(15)与汽蚀监测单元(5)上的磁极Ⅰ(9)通过磁力相互作用；支撑滑轨(3)靠近转轴(2)的端部且位于旋转干扰监测单元(6)外侧固定有电磁推进器Ⅱ(12)，电磁推进器Ⅱ(12)上固定有电磁铁Ⅱ(13)，电磁铁Ⅱ(13)与汽蚀监测单元(5)上的磁极Ⅱ(16)通过磁力相互作用。
2.根据权利要求1所述的一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的装置，其特征在于：所述的支撑滑轨(3)开有条形槽，汽蚀监测单元(5)嵌装于支撑滑轨(3)的条形槽中，汽蚀监测单元(5)上的磁极Ⅰ(9)和磁极Ⅱ(16)受支撑滑轨(3)两端的电磁铁Ⅰ(15)和电磁铁Ⅱ(13)的磁力作用，调整汽蚀监测单元(5)沿支撑滑轨(3)条形槽移动并固定监测位置。
3.根据权利要求1所述的一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的装置，其特征在于：所述的汽蚀监测单元(5)上的振动加速度传感器Ⅰ(7)和超声波传感器Ⅰ(8)固定在汽蚀监测单元(5)侧面，朝向叶轮(1)周向方向。
4.根据权利要求1所述的一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的装置，其特征在于：所述的振动加速度传感器Ⅰ(7)和超声波传感器Ⅰ(8)用于检测完整的汽蚀环境信号，振动加速度传感器Ⅱ(10)和超声波传感器Ⅱ(11)用于监测汽蚀监测单元(5)上的振动加速度传感器Ⅰ(7)和超声波传感器Ⅰ(8) 在随叶轮(1)一同转动时由于旋转和转轴(2)振动而产生的干扰信号；汽蚀监测单元(5)与旋转干扰监测单元(6)接收到的汽蚀信号经滤波补偿处理后获得所需的是否发生汽蚀结果的准确汽蚀信号。
5.根据权利要求1所述的一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的装置，其特征在于：所述的振动加速度传感器Ⅰ(7)、超声波传感器Ⅰ(8)、振动加速度传感器Ⅱ(10)、超声波传感器Ⅱ(11)、电磁铁Ⅰ(15)和电磁铁Ⅱ(13)均连接到微处理器(33)，微处理器(33)接收到振动加速度传感器Ⅰ(7)、超声波传感器Ⅰ(8)、振动加速度传感器Ⅱ(10)、超声波传感器Ⅱ(11)所采集的信号后向电磁推进器Ⅰ(14)和电磁推进器Ⅱ(12)发送电压脉冲信号，使得电磁铁Ⅰ(15)与电磁铁Ⅱ(13)产生不同的磁力与磁极属性。
6.根据权利要求1所述的一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的装置，其特征在于：所述的转轴(2)上套装有电滑环(25)，振动加速度传感器Ⅰ(7)、超声波传感器Ⅰ(8)、振动加速度传感器Ⅱ(10)、超声波传感器Ⅱ(11)分别经振动加速度信号线(17)、超声波信号线(18)、振动加速度干扰信号线(19)和超声波干扰信号线(20)与电滑环(25)的内圈连接，电滑环(25)的外圈经过振动加速度信号输出线(21)、振动加速度干扰信号输出线(22)、超声波信号输出线(23)和超声波干扰信号输出线(24)连接到外部微处理器(33)。
7.应用于权利要求1-6任一所述装置的一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的方法，其特征在于：
包括汽蚀检测模块、旋转干扰检测模块、汽蚀滤波模块、汽蚀信号补偿模块(30)、汽蚀判断模块(32)、汽蚀发展时域监测模块(31)和汽蚀发展过程移动监测模块(34)；
1)由汽蚀检测模块和旋转干扰检测模块检测信号
主要由振动加速度传感器Ⅰ(7)和超声波传感器Ⅰ(8)构成汽蚀检测模块，主要由振动加速度传感器Ⅱ(10)和超声波传感器Ⅱ(11)构成旋转干扰检测模块，汽蚀检测模块检测到叶片吸力面(4)处完整的汽蚀环境信号，旋转干扰检测模块检测随叶轮(1)一同转动时由于旋转和转轴(2)振动对汽蚀监测单元(5)产生的干扰信号；
2)由汽蚀滤波模块滤波信号
汽蚀滤波模块主要由低频滤波器(28)、高频滤波器(29)和中频信号加权处理器组成，振动加速度传感器Ⅰ(7)和振动加速度传感器Ⅱ(10)检测的信号通过高频滤波器(29)过滤掉频率大于20KHZ的振动信号，得到频率小于20KHZ的中低频信号，获得了中低频汽蚀环境信号和中低频干扰信号；超声波传感器Ⅰ(8)和超声波传感器Ⅱ(11)检测的信号通过低频滤波器(28)过滤掉频率小于1KHZ的振动信号，得到频率大于1KHZ的中高频信号；
振动加速度传感器Ⅰ(7)、振动加速度传感器Ⅱ(10)、超声波传感器Ⅰ(8)和超声波传感器Ⅱ(11)检测的信号各自经滤波分离处理，将振动加速度传感器Ⅰ(7)和振动加速度传感器Ⅱ(10)的中低频信号分离获得中频信号和低频信号，其中振动加速度传感器Ⅰ(7)和振动加速度传感器Ⅱ(10)的低频信号分别作为低频汽蚀环境信号和低频干扰信号，将超声波传感器Ⅰ(8)和超声波传感器Ⅱ(11)的中高频信号分离获得中频信号和高频信号，其中超声波传感器Ⅰ(8)和超声波传感器Ⅱ(11)的高频信号分别作为高频汽蚀环境信号和高频干扰信号，中频信号为频率大于1KHZ且频率小于20KHZ的信号；
由振动加速度传感器Ⅰ(7)、振动加速度传感器Ⅱ(10)、超声波传感器Ⅰ(8)和超声波传感器Ⅱ(11)获得的中频信号传输到中频信号加权处理器中，将振动加速度传感器Ⅰ(7)与超声波传感器Ⅰ(8)检测到的中频信号加权处理得到中频汽蚀环境信号，将振动加速度传感器Ⅱ(10)与超声波传感器Ⅱ(11)检测到的中频信号加权处理得到中频干扰信号；
2)由汽蚀信号补偿模块(30)补偿信号
低频汽蚀环境信号和低频干扰信号两者组合、中频汽蚀环境信号和中频干扰信号两者组合、高频汽蚀环境信号和高频干扰信号两者组合分别输入到汽蚀信号补偿模块(30)，除去汽蚀环境信号中所对应含有的干扰信号部分，获得汽蚀判断信号；
3)由汽蚀判断模块(32)判断汽蚀发生
将滤波补偿后获得的高中低频三种不同频率段的汽蚀判断信号输入汽蚀判断模块(32)，汽蚀判断模块(32)中预设有汽蚀发生阈值；
当信号的振动频率值大于汽蚀发生阈值时，则认为发生了汽蚀，汽蚀发展时域监测模块(31)计入汽蚀发生的时间和时间间隔及其时域信号；
否则，为认定为不发生汽蚀；
4)由汽蚀发展过程移动监测模块(34)和微处理器(33)控制汽蚀监测
汽蚀发展过程移动监测模块(34)包括主要由电磁铁Ⅰ(15)和电磁铁Ⅱ(13)构成的电磁推动装置(35)；
若汽蚀未发生时，控制汽蚀发展过程移动监测模块(34)的电磁推动装置(35)工作将汽蚀检测模块向叶轮(1)入口端移动，再继续上述步骤进行监测；
若汽蚀发生时，控制汽蚀发展过程移动监测模块(34)的电磁推动装置(35) 工作将汽蚀检测模块向叶轮(1)出口端移动，再继续上述步骤进行监测。
8.根据权利要求7所述的一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的方法，其特征在于：所述4)中，每次检测到汽蚀发生时，汽蚀检测模块沿叶片吸力面(4)向叶轮(1)出口方向移动精度为20mm。
9.根据权利要求7所述的一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的方法，其特征在于：所述3)中，当高中低频三种不同频率段的汽蚀判断信号中任一一个信号的振动频率值大于汽蚀发生阈值时，则认为发生了汽蚀。
10.根据权利要求7所述的一种监测离心泵叶片汽蚀发展过程的方法，其特征在于：所述2)中，所述的汽蚀检测模块和旋转干扰检测模块所检测到的信号经振动信号放大器(26)和模数转换器(27)后输入到滤波器中。
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