CN110529200B - 一种嵌入式汽轮机叶片健康监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种嵌入式汽轮机叶片健康监测系统，包括电涡流传感器，电涡流传感器安装于汽轮机缸壁上，电涡流传感器通过三同轴电缆与采集模块箱连接，采集模块箱通过BNC线缆与处理模块箱连接；电涡流传感器将采集到的汽轮机叶片的信息转换成电信号通过三同轴电缆传输至采集模块箱中的采集模块中；采集模块将电信号转换成相应脉冲信号通过BNC线缆传至处理模块箱中的处理模块，处理模块对脉冲信号进行处理，得到相应的电压数据，并对电压数据进行计算，得到汽轮机叶片中相应的间隙、振动和温度数据；之后将上述数据传输给总控模块，总控模块接收到处理模块传输的数据后，对数据进行甄别和预警，并通过DEH总线将数据传出。
Description
技术领域
本发明属于汽轮机叶片监测领域，特别是关于一种基于嵌入式的多参数共同测量的综合叶片健康监测系统。
背景技术
目前汽轮机领域对于汽轮机运行监测的主要方法是对叶片振动进行监测。通过分析提取振动信号的时域和频域特征，测得叶片的振动数据，实现汽轮机运行状态的监测和故障诊断。基于振动监测的预警保护系统已经成为大型汽轮发电机组的标准配置，振动信号分析诊断系统在许多机组上实际应用。但是这种保护系统只测量了叶片振动这一个参数信息，具有一定的局限性，无法同时对多个参数进行测量，无法对叶片进行整体的评估。目前的叶片健康监测系统都需要再配备一台计算机来接收并处理数据，安全性和抗干扰性低，安装麻烦。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，本发明主要解决的技术问题是：(1)克服现有技术中只测量叶片振动信息的缺点，同时测量叶片间隙、振动、温度等多个参数信息，且温度、间隙、振动数据可以相互补偿修正。(2)使用了嵌入式技术，安全性、稳定性和抗干扰性提高，模块体积减小，安装更加便捷，无需再增加计算机来进行监控。(3)拓展性强，测量模块数量没有具体要求，可使用多个测量模块来同步测量叶片相关信息和传输数据，使测量数据更准确。为此本发明提供一种嵌入式汽轮机叶片健康监测系统，通过可同时测量汽轮机叶片间隙、振动和温度参数的电涡流传感器，实现对汽轮机叶片的间隙、振动、温度参数的实时同步采集和处理。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种嵌入式汽轮机叶片健康监测系统，包括电涡流传感器，所述电涡流传感器安装于汽轮机缸壁上用于采集汽轮机叶片信息，电涡流传感器通过三同轴电缆与采集模块箱连接，采集模块箱通过BNC线缆与处理模块箱连接，所述采集模块箱内设置有采集模块，所述处理模块箱内设置有处理模块和总控模块；电涡流传感器将采集到的汽轮机叶片的信息转换成电信号通过三同轴电缆传输至采集模块箱中的采集模块中；采集模块将电信号转换成相应脉冲信号通过BNC线缆传至处理模块箱中的处理模块，所述处理模块对脉冲信号进行处理，得到相应的电压数据，并对电压数据进行计算，得到汽轮机叶片中相应的间隙、振动和温度数据；之后将上述数据传输给总控模块，总控模块接收到处理模块传输的数据后，对数据进行甄别和预警，并通过DEH总线将数据传出。
进一步的，所述处理模块内设置有高速存储卡，处理模块将处理后得到的汽轮机叶片中相应的间隙、振动和温度数据存入高速存储卡中。
进一步的，所述采集模块包括两类，第一类采集模块中包括第一AD采集芯片、第一MCU和第一通讯转换芯片，第一AD采集芯片将采集到的信号传输至第一MCU中，第一MCU对信号处理后通过第一通讯转换芯片将数据传出；第二类采集模块中包括第二AD采集芯片、FPGA、第二MCU和第二通讯转换芯片，第二AD采集芯片将采集到的信号传输至FPGA中，FPGA对信号处理后通过FSMC通讯总线传输至第二MCU；第二MCU通过第二通讯转换芯片将数据传出。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)突破现有叶片监测系统只采集叶片振动信息现状，本发明采用了一种新型电涡流传感器，能采集和监控叶片振动、间隙、温度等多个信息，并可以相互补偿提高精度。
(2)与其他监控系统采用的传感器不同，本发明采用了电涡流传感器，可以在水蒸气环境下进行测量，改善了现有叶片监控系统无法在水蒸气环境下稳定监控以及传感器易失灵的问题。
(3)本发明将所有采集模块接入同一块背板上，并使用相同的晶振时钟，实现实时同步采集处理，多个采集模块实时监控叶片的各个信息。
(4)本发明使用了CAN通讯协议，可在不影响原有采集模块和处理模块的基础上添加新的采集模块和处理模块，拓展性强，采集模块和处理模块的数量没有限制。
(5)本发明使用嵌入式的技术，处理程序直接写入模块中，结构简单，体积小巧，无需再使用计算机，避免了计算机被侵入的危险以及计算机本身系统的影响，稳定性、安全性和抗干扰能力增强，系统体积减小，安装便捷。
附图说明
图1是本发明监测系统的总体框架结构示意图。
图2是本发明系统工作的总体流程图。
图3是本发明中处理模块组的工作流程框架示意图。
图4是本发明中第一类采集模块的工作流程框架示意图。
图5是本发明中第二类采集模块中的工作流程框架示意图。
图6是电涡流传感器与采集模块和处理模块工作流程图，每支传感器可以使用多个采集模块同时采集数据。
图7是漏电阻和漏电容的大致温度曲线。
图8是间隙值与电压关系大致曲线。
图9是间隙和振动变化电压与温度关系大致曲线。
图10是漏电容和漏电阻的两端电压值与温度的关系图。
附图标记：1-汽轮机叶片，2-汽轮机缸壁，3-电涡流传感器，4-采集模块箱，5-采集模块，6-处理模块箱，7-处理模块，8-总控模块，9-三同轴电缆，10-BNC线，11-DEH总线，12-高速存储卡，13-CAN通讯总线，14-十六位精度AD采集芯片，15-MCU，16-通讯转换芯片，17-二十四位精度AD采集芯片，18-FPGA，19-FSMC通讯总线，20-MCU
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种嵌入式汽轮机叶片健康监测系统，采用的技术方案是：电涡流传感器3采集汽轮机叶片1相关参数信息，采集模块5同步收集电涡流传感器采集的信息并传给处理模块7，处理模块7对相关数据进行处理，处理后的数据通过通讯总线传出，见图1和图2，具体包括下述内容：
第一步是确定叶片健康监测系统的总体框架。
系统总体方案框图主要由汽轮机叶片1、汽轮机缸壁2、电涡流传感器3、采集模块箱4、处理模块箱6组成。
第二步是确定嵌入式模块数据同步传输方式和程序架构。
数据收集模块和数据处理模块使用了嵌入式技术，多个采集模块一起插在背板上，背板上设有晶振时钟，使得各模块可以同步采集并上传数据；同时处理模块也使用此设计方法。总控模块通过通讯总线与所有处理模块进行通讯，将接受到的数据再通过通讯总线传出。主要过程为：电涡流传感器3采集汽轮机叶片1相关信息，转换成电信号通过三同轴电缆9传输给采集模块箱4中的采集模块5中；采集模块5将电信号转换成相应脉冲通过BNC线缆10传到处理模块箱6中的处理模块7，处理模块7对脉冲进行处理，得到相应的电压数据，再对电压数据进行计算，得到相应的间隙、振动和温度数据；与此同时，处理模块7还将处理后的数据存入模块内的高速存储卡12中，并通过CAN通讯总线13将数据传入总控模块8中，见图3，总控模块8接收到各处理模块7的数据后，对数据进行分析处理，根据所设定的参数来预警，并通过DEH总线11将所测得数据传出。
见图4和图5，本实施例中，采集模块5存在两类，第一类采集模块中十六位精度AD采集芯片14采集信号，将信号传入MCU 15中，MCU 15对信号处理后，通过通讯转换芯片16将数据传出。第二类采集模块中二十四位精度AD采集芯片17采集信号，将信号传入FPGA18中，FPGA 18对信号处理后，通过FSMC通讯总线19传给MCU 20，MCU 20通过通讯转换芯片16将数据传出。
第三步是根据以上所述，确定汽轮机叶片相关参数的测量及处理方法。
与目前汽轮机监测领域所用的传感器不同，本发明所用的电涡流传感器3可以同时测量叶片间隙、温度和振动，见图6。
间隙测量基本原理为：电涡流传感器利用电磁感应原理，前置器输送高频振荡电流进入电涡流探头线圈，在线圈中形成交变磁场，当被测金属进入交变磁场，其表面产生交变电流，所产生交变磁场与原磁场反向，使得高频振荡电流的幅值、相位发生改变。当被测物体与电涡流探头表面的距离d发生变化时，传感器的品质因子Q值、阻抗Z及电感L发生变化，从而引起电压幅值U发生变化。这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及探头端部到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能稳定，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率σ、磁导率ξ、尺寸因子τ、探头端部与金属导体表面的距离d、电流强度I和频率ω参数来描述。线圈特征阻抗函数可表示为如式(1)所示。
Z＝F(d,τ,ξ,σ,I,ω) (1)
一般情况下，可以控制τ，ξ，σ，I，ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离d的单值函数，通过前置处理电路将特征阻抗Z转化为输出电压信号U，进而通过输出电压信号U表示叶尖间隙值d。
振动测量的基本原理是：利用叶尖定时传感器监测叶片经过每个传感器的时间点(即叶片定时到达信号)，同时从转子轴系上采集转速同步信号，经过对比以上两种信号，计算分析叶片的振动情况。由转速同步信号结合实际被测叶轮情况生成同步角基准信号，其作用是与叶片定时到达信号作对比。如果在无叶片振动或弯曲情况下，同一叶片的角基准信号和定时到达信号无时间差，此时叶片的到达时间点被称为“理想到达时间点”；而存在叶片振动或叶片弯曲的情况下，角基准信号和定时到达信号将出现时间差，从而叶片相对于原来位置将产生周向偏移(即叶片振动位移)。在旋转机械实际运行过程中，叶片由于受到来自转轴的不平衡振动、外界气流激振力等影响，自身会发生振动。导致动叶尖到达叶尖定时传感器的时间与转轴上感光片通过转速同步传感器的时间不一致，两者之间相差一个时间差Δt(单位：s)。如图7所示。假设该时刻转速同步传感器测得的转速为ν(t)(单位:r/min)；l为叶片长度(m)。则根据相关数学几何知识可求取此时叶尖在Δt时间内经过的弧长h(单位：m)。
h＝πl·v(t)·Δt/30
将弧长h近似为动叶尖振动位移y(单为：m),则基于叶尖定时原理得到的动叶尖振动位移为：
y＝πl·v(t)·Δt/30
温度测量基本原理为：阻抗温度漂移主要是指电阻部分随温度的变化，如图8所示。检测线圈接入振荡回路中，随着间隙变化，检测线圈的等效电感是不同的，振荡信号频率也随着间隙变化，即感抗也会随着频率变化而变化，但变化幅度比较小，且只与间隙有关，温度只是影响线圈阻抗的电阻部分。因此，在阻抗温度漂移分析中忽略频率变化对阻抗的影响是合理的，即认为传感器的振荡频率是不变的。线圈阻抗温度漂移主要表现为线圈电阻的温度漂移。电路中的漏电容和漏电阻随着温度变化影响较大，通过测得不同温度下漏电容和漏电阻的电压值，可以得到漏电容和漏电阻的电压值随着温度变化的温度曲线。通过这一温度曲线，我们可以在测得漏电容和漏电阻的电压值后得出此时的温度值。
在测得温度、间隙和振动数据后，可以通过标定所得到的温度与间隙以及振动的关系，来对测得间隙和振动数据进行相应的动态补偿，从而提高测量精度。进行这一动态补偿的前提是这三个数据必须要同步进行采集和传输。为此，本发明将所有采集模块接在同一个背板之上，并统一使用背板上的晶振时钟，保证采集的同步性；处理模块也使用了相同的设计，并通过通讯总线将数据发送给总控模块，总控模块对数据进行相关的处理。
具体的监测过程如下：
S1、传感器进行静态标定。通过改变传感器与叶片顶部的间隙，从而测试不同间隙值所对应的输出电压幅值，绘制出相应的间隙随电压变化的曲线，如图9所示，得出间隙值的计算公式。同理，通过改变温度，得出不同温度下，漏电容和漏电阻的两端电压值与温度的关系，如图10所示，得出温度值的计算公式。
S2、系统运转流程如下：如图1所示，电涡流传感器3采集汽轮机叶片1相关信息，转换成电信号通过三同轴电缆9传输给采集模块箱4中的采集模块5中；采集模块5将电信号转换成相应脉冲通过BNC线缆10传到处理模块箱6中的处理模块7，处理模块7对脉冲进行处理，得到相应的电压数据，再对电压数据进行计算，得到相应的间隙、振动和温度数据；如图3所示，之后将数据存储到存储卡12中，通过CAN通讯总线13将数据传输给总控模块8。总控模块8接收到各采集模块传输的数据后，对数据进行甄别，进行预警，通过DEH总线11将数据传出。
S3、采集模块处理流程：一个传感器可以接多个采集模块同步采集数据。16位AD采集芯片14接收传感器数据，将数据传给MCU 15，MCU 15对数据进行处理，通过转换芯片16将数据传出。24位AD采集芯片17采集传感器数据，之后将数据传给FPGA 18，FPGA 18处理处理数据后，通过FSMC总线19将数据传给MCU 20，MCU 20通过转换芯片16传出数据。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种嵌入式汽轮机叶片健康监测系统，包括电涡流传感器，其特征在于，所述电涡流传感器安装于汽轮机缸壁上用于采集汽轮机叶片信息，电涡流传感器通过三同轴电缆与采集模块箱连接，采集模块箱通过BNC线缆与处理模块箱连接，所述采集模块箱内设置有采集模块，所述处理模块箱内设置有处理模块和总控模块；电涡流传感器将采集到的汽轮机叶片的信息转换成电信号通过三同轴电缆传输至采集模块箱中的采集模块中；采集模块将电信号转换成相应脉冲信号通过BNC线缆传至处理模块箱中的处理模块，所述处理模块对脉冲信号进行处理，得到相应的电压数据，并对电压数据进行计算，得到汽轮机叶片中相应的间隙、振动和温度数据；之后将上述数据传输给总控模块，总控模块接收到处理模块传输的数据后，对数据进行甄别和预警，并通过DEH总线将数据传出，所述处理模块内设置有高速存储卡，处理模块将处理后得到的汽轮机叶片中相应的间隙、振动和温度数据存入高速存储卡中；所述采集模块包括两类，第一类采集模块中包括第一AD采集芯片、第一MCU和第一通讯转换芯片，第一AD采集芯片将采集到的信号传输至第一MCU中，第一MCU对信号处理后通过第一通讯转换芯片将数据传出；第二类采集模块中包括第二AD采集芯片、FPGA、第二MCU和第二通讯转换芯片，第二AD采集芯片将采集到的信号传输至FPGA中，FPGA对信号处理后通过FSMC通讯总线传输至第二MCU；第二MCU通过第二通讯转换芯片将数据传出；在测得温度、间隙和振动数据后，通过标定所得到的温度与间隙以及振动的关系，来对测得间隙和振动数据进行相应的动态补偿，以提高测量精度；动态补偿的前提是温度、间隙和振动数据同步进行采集和传输；将所有采集模块接在同一个背板之上，并统一使用背板上的晶振时钟，保证采集的同步性；处理模块也使用了相同的设计；
所述健康监测系统的监测过程如下：
S1、电涡流传感器进行静态标定；通过改变电涡流传感器与叶片顶部的间隙，测试不同间隙值所对应的输出电压幅值，绘制出相应的间隙随电压变化的曲线，得出间隙值的计算公式；同理，通过改变温度，得出不同温度下，漏电容和漏电阻的两端电压值与温度的关系，得出温度值的计算公式；
S2、电涡流传感器采集汽轮机叶片相关信息，转换成电信号通过三同轴电缆传输给采集模块箱中的采集模块中；采集模块将电信号转换成相应脉冲通过BNC线缆传到处理模块箱中的处理模块，处理模块对脉冲进行处理，得到相应的电压数据，再对电压数据进行计算，得到相应的间隙、振动和温度数据；之后将数据存储到存储卡中，通过CAN通讯总线将数据传输给总控模块；总控模块接收到各采集模块传输的数据后，对数据进行甄别，进行预警，通过DEH总线将数据传出；
S3、采集模块处理流程如下：一个传感器能够接若干个采集模块同步采集数据；16位AD采集芯片接收传感器数据，将数据传给MCU，MCU对数据进行处理，通过转换芯片将数据传出；24位AD采集芯片采集传感器数据，之后将数据传给FPGA，FPGA处理数据后，通过FSMC总线将数据传给MCU，MCU通过转换芯片传出数据。
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