CN109632078A - 一种可变结构柔性振动变送器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可变结构柔性振动变送器及其控制方法，其特征在于：该变送器在柔性印刷电路板上集成实现了全部硬件结构，其物理外形可以根据被测设备外形而改变，并且该变送器还可以自送检测被测设备特性以自适应地优化硬件结构；该变送器包含振动信号传感矩阵、智能数据处理、无线通信和显示报警功能单元，智能数据处理单元根据数据处理结果，自动改变传感矩阵、数据通信和显示报功能单元的组合；该变送器提供了一种通用的可变结构传感器，针对不同的被测设备无需重新单独开发，可以在一定程度上消除振动变送器的特异性。

Description

一种可变结构柔性振动变送器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种变送器及其控制方法，特别是涉及一种可变结构柔性振动变送器及其控制方法。

背景技术

在氟化工过程中，压缩机和泵等关键设备一旦出现故障，轻则停产检修，重则造成重大安全事故。目前，我国对氟化工设备缺乏有效的监测预防体系，对设备的监测存在数据完整性缺失、监测数据不准确、诊断结果不可靠和设备故障不能及时有效预防等问题。并且，氟化工过程中存在有毒、强腐蚀和易燃易爆等物质，在对设备的监测时不适合采用破坏式的安装方式。当前，只能通过定期检测的方式降低氟化工设备的故障率，并且，越到设备寿命后期检测越频繁，在增加人力成本的同时也使得检测人员人身安全受到挑战。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可变结构柔性振动变送器，所述变送器能够根据被测设备的外形，在不破坏被测设备的结构的情况下安装到被测设备表面，对设备的运行情况进行实时监测，对设备安全状况进行实时判断，并将监测数据通过无线方式实时传输至上位机；所述变送器在实时监测过程中，可自动检测被测设备特性，自动改变自身结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

变送器包含可编程电源、振动信号传感矩阵、智能数据处理单元、无线通信单元和显示报警单元；

所述振动信号传感矩阵的输出作为智能数据处理单元的输入，智能数据处理单元将数据处理的结果输出至无线通信单元的输入，变送器通过无线通信单元完成与另一个或多个独立所述变送器之间的连接以及与上位机之间的连接；可编程电源由智能数据处理单元控制，分别对智能数据处理单元、无线通信单元、显示报警单元和振动信号传感矩阵中的每个振动信号传感器进行供电；

所述可编程电源、振动信号传感矩阵、智能数据处理单元和无线通信单元的硬件资源均焊接于柔性印刷电路板上；

所述可编程电源包含电池模块和在线可编程电压调节模块，所述电源模块使用电池供电并作为在线可编程电压调节模块的电源输入，在线可编程电压调节模块由数据处理单元进行配置；

所述振动信号传感矩阵包含±1g、±2g、±5g和±10g的四个量程的加速度传感器，每个传感器包含片上振动信号检测、片上振动信号调理与片上振动信号转换，振动信号检测完成对被测设备加速度信号的测量，振动信号调理完成对所得加速度信号的放大和滤波，振动信号转换完成对所得加速度信号的模数转换，最终将数字信号输出至智能数据处理单元；

所述智能数据处理单元包含数据转换、数据分析和处理结果显示，数据转换包含可编程低通滤波器、积分运算和FFT，得到被测设备运转时的时频域特征，与内置的专家库进行比较，得到被测设备当前运行状况，将运行状况通过LED灯和蜂鸣器展现出来；使用硬件描述语言将所述智能数据处理单元在FPGA内由门电路直接实现；

所述变送器使用硬件化编程，通过以下步骤改变硬件结构：

a.上电之后，首先进行硬件初始化，所述振动信号传感矩阵中所有加速度传感器均处于工作状态，并将采集到的加速度信号输出到智能数据处理单元；

b.智能数据处理单元对从振动信号传感矩阵接收到的每一路数据均进行低通滤波、积分运算和FFT，得到被测设备运转时的振动加速度、速度和位移以及频谱特征；

c.根据被测设备振动加速度、速度和位移参数，结合频谱特征，由专家系统给出当前振动情况下需要测量的加速度、速度和位移的范围的上下限，再依据所述变送器包含的振动传感器测量范围的上下限，要求变送器包含的振动传感器测量范围的上下限包含专家系统给出的所需测量范围上下限且与专家系统给出的测量范围的上下限误差最小的传感器，即为有效传感器；

d.确定了有效传感器后，对有效传感器的数据进行实时处理，处理步骤包括低通滤波、积分运算和FFT，得到被测设备的振动加速度、速度和位移以及振动信号的基波及各次谐波，并与专家系统给出的阈值进行实时比较，根据比较结果得到被测设备运行情况及安全状况，并确定所需传感器的工作模式，并通过配置可编程电源，对有效振动传感器供电，从而降低所述变送器功耗；工作模式包括休眠，低功耗采样，正常采样，全速采样；通过无线通信单元将所测加速度、速度、位移、频谱数据和运行情况发送至上位机，并通过显示报警单元对被测设备安全状况进行现场显示及报警；如果当前有效传感器测得的振动加速度、速度和位移大小超过专家系统给出的阈值，则根据步骤c重新确定有效传感器，否则一直执行步骤d；得到所述变送器硬件结构。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种通用的可变结构振动变送器，针对不同的被测设备无需重新单独开发，一定程度上消除振动变送器的特异性；该可变结构振动变送器焊接于柔性印刷电路板，可以方便、全贴合地安装到设备表面，减少设备表面对于变送器安装的影响，避免人工测量时不同时段数据的不一致性；变送器端的高级信号处理技术降低了检测人员的检测负担以及入门门槛；无线通信的方式使得检测人员可以随时随地检查设备的运行情况及健康状况，降低人工成本，减少重复劳动。

附图说明

图1.本发明的结构框图以及可能的硬件结构组合示例；

图2.本发明的控制硬件结构改变的方法的流程图；

图3.本发明的安装示意图以及不同安装位置示例，其中，100为固定变送器所用的强力胶，200为所述变送器，300为被测设备，(a)为安装位置正视图示意，(b)为安装位置侧视图示意。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做说明。

如图1和图2所示，本发明为一种可变结构柔性振动变送器及其控制方法，所述可变结构变送器在柔性印刷电路板上集成实现了全部硬件结构，具体包含可编程电源、振动信号传感矩阵与智能数据处理，以无线自组网的形式完成数据通信与共享；所述可变结构柔性振动变送器的物理外形可以根据被测设备外形而改变，并且，该变送器可以根据设备的特性智能改变硬件结构。

所述可编程电源包含电池供电模块和在线可编程电压调节模块，电池模块用于给在线可编程电压调节模块供电，在线可编程电压调节模块用于根据振动信号处理单元的要求产生不同的供电电压，对变送器的各功能单元分别进行供电，并且，当其中任何一个元件更换后，可以根据新的元件的供电需求产生相应电压。

所述振动信号检测矩阵中的传感器均使用MEMS技术制成，通过检测被测设备在振动过程中表现出来的加速度实现对振动信号的检测；所述振动信号传感矩阵包含±1g、±2g、±5g和±10g四个量程的加速度传感器；所述传感器可检测加速度信号并对加速度信号进行放大、滤波和模数变换，将数字信号输出至智能数据处理单元；为了保证所检测振动信号在空间的正交性，使用单片集成三轴振动加速度传感器完成振动加信号的检测。

所述智能数据处理单元使用FPGA完成，对从振动信号检测矩阵接收到的信号进行实时处理，化简处理结果，然后，一方面通过显示报警单元进行显示及报警，另一方面，通过无线模块将实时数据和处理、化简结果发送至上位机和移动终端进行显示及报警；处理过程包括数字低通滤波、积分运算和FFT，通过积分运算得到被测设备的振动速度和振动位移等参数，通过FFT得到设备的频谱特征；FPGA内集成了硬件级的专家库，通过将数据处理的结果和专家库进行对比，得到被测设备当前运行状态，并参考ISO-10816标准将被测设备运行状态化简为正常、需要检查和告警三个结果，利用LED灯闪烁和蜂鸣器鸣叫来通知检测人员被测设备当前状态，当设备正常运行时，LED灯为绿色常亮，蜂鸣器不响，当设备需要检查时，LED灯以0.5Hz的频率闪烁黄色，蜂鸣器以0.5Hz的频率鸣叫，当设备告警时，LED灯以2Hz频率闪烁红色，蜂鸣器以2Hz频率鸣叫。FPGA本身具有内部存储，无需外部存储，降低了变送器结构的复杂度，提高变送器的集成度。使用硬件描述语言将所述智能数据处理单元在FPGA内由门电路直接实现，从而提高所述变送器的实时性。

所述无线自组网及数据通信共享使用ZigBee协议完成。所述变送器可以自动寻找附近的其他节点并完成无线网络的组建，该网络中分一个主节点和其余子节点，子节点数量可以为零，主节点和子节点的选取根据当前各节点剩余电量的多少来选择，各子节点将检测到的振动信号的处理结果发送到主节点，主节点将自身振动信号处理的结果与子节点发送过来的结果进行汇总比较，判断各节点数据的有效性并生成最终的处理结果，根据处理结果提醒检测人员对设备进行相应的操作。

所述变送器使用硬件化编程，通过以下步骤改变硬件结构：

a.上电之后，首先进行硬件初始化，所述振动信号传感矩阵中所有加速度传感器均处于工作状态，并将采集到的加速度信号输出到智能数据处理单元；

b.智能数据处理单元对从振动信号传感矩阵接收到的每一路数据均进行低通滤波、积分运算和FFT，得到被测设备运转时的振动加速度、速度和位移以及频谱特征；

c.根据被测设备振动加速度、速度和位移参数，结合频谱特征，由专家系统给出当前振动情况下需要测量的加速度、速度和位移的范围的上下限，再依据所述变送器包含的振动传感器测量范围的上下限，要求变送器包含的振动传感器测量范围的上下限包含专家系统给出的所需测量范围上下限且与专家系统给出的测量范围的上下限误差最小的传感器，即为有效传感器；

d.确定了有效传感器后，对有效传感器的数据进行实时处理，处理步骤包括低通滤波、积分运算和FFT，得到被测设备的振动加速度、速度和位移以及振动信号的基波及各次谐波，并与专家系统给出的阈值进行实时比较，根据比较结果得到被测设备运行情况及安全状况，并确定所需传感器的工作模式，并通过配置可编程电源，对有效振动传感器供电，从而降低所述变送器功耗；工作模式包括休眠，低功耗采样，正常采样，全速采样；通过无线通信单元将所测加速度、速度、位移、频谱数据和运行情况发送至上位机，并通过显示报警单元对被测设备安全状况进行现场显示及报警；如果当前有效传感器测得的振动加速度、速度和位移大小超过专家系统给出的阈值，则根据步骤c重新确定有效传感器，否则一直执行步骤d；得到所述变送器硬件结构。

Claims (5)

1.一种可变结构柔性振动变送器，其特征在于：

变送器包含可编程电源、振动信号传感矩阵、智能数据处理单元、无线通信单元和显示报警单元；

所述振动信号传感矩阵的输出作为智能数据处理单元的输入，智能数据处理单元将数据处理的结果输出至无线通信单元的输入，变送器通过无线通信单元完成与另一个或多个独立所述变送器之间的连接以及与上位机之间的连接；可编程电源由智能数据处理单元控制，分别对智能数据处理单元、无线通信单元、显示报警单元和振动信号传感矩阵中的每个振动信号传感器进行供电；

所述可编程电源、振动信号传感矩阵、智能数据处理单元和无线通信单元的硬件资源均焊接于柔性印刷电路板上。

2.根据权利要求1所述可变结构柔性振动变送器，其特征在于：所述可编程电源包含电池模块和在线可编程电压调节模块，所述电源模块使用电池供电并作为在线可编程电压调节模块的电源输入，在线可编程电压调节模块由数据处理单元进行配置。

3.根据权利要求1所述可变结构柔性振动变送器，其特征在于：所述振动信号传感矩阵包含±1g、±2g、±5g和±10g的四个量程的加速度传感器，每个传感器包含片上振动信号检测、片上振动信号调理与片上振动信号转换，振动信号检测完成对被测设备加速度信号的测量，振动信号调理完成对所得加速度信号的放大和滤波，振动信号转换完成对所得加速度信号的模数转换，最终将数字信号输出至智能数据处理单元。

4.根据权利要求1所述可变结构柔性振动变送器及其控制方法，其特征在于：所述智能数据处理单元包含数据转换、数据分析和处理结果显示，数据转换包含可编程低通滤波器、积分运算和FFT，得到被测设备运转时的时频域特征，与内置的专家库进行比较，得到被测设备当前运行状况，将运行状况通过LED灯和蜂鸣器展现出来；使用硬件描述语言将所述智能数据处理单元在FPGA内由门电路直接实现。

5.根据权利要求1所述可变结构柔性振动变送器及其控制方法，其特征在于：使用硬件化编程，通过以下步骤改变硬件结构：

a.上电之后，首先进行硬件初始化，所述振动信号传感矩阵中所有加速度传感器均处于工作状态，并将采集到的加速度信号输出到智能数据处理单元；

b.智能数据处理单元对从振动信号传感矩阵接收到的每一路数据均进行低通滤波、积分运算和FFT，得到被测设备运转时的振动加速度、速度和位移以及频谱特征；

c.根据被测设备振动加速度、速度和位移参数，结合频谱特征，由专家系统给出当前振动情况下需要测量的加速度、速度和位移的范围的上下限，再依据所述变送器包含的振动传感器测量范围的上下限，要求变送器包含的振动传感器测量范围的上下限包含专家系统给出的所需测量范围上下限且与专家系统给出的测量范围的上下限误差最小的传感器，即为有效传感器；

d.确定了有效传感器后，对有效传感器的数据进行实时处理，处理步骤包括低通滤波、积分运算和FFT，得到被测设备的振动加速度、速度和位移以及振动信号的基波及各次谐波，并与专家系统给出的阈值进行实时比较，根据比较结果得到被测设备运行情况及安全状况，并确定所需传感器的工作模式，并通过配置可编程电源，对有效振动传感器供电，从而降低所述变送器功耗；工作模式包括休眠，低功耗采样，正常采样，全速采样；通过无线通信单元将所测加速度、速度、位移、频谱数据和运行情况发送至上位机，并通过显示报警单元对被测设备安全状况进行现场显示及报警；如果当前有效传感器测得的振动加速度、速度和位移大小超过专家系统给出的阈值，则根据步骤c重新确定有效传感器，否则一直执行步骤d；得到所述变送器硬件结构。