CN111751105B - 基于振动数据功率谱的调节阀气蚀诊断方法 - Google Patents

基于振动数据功率谱的调节阀气蚀诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于振动数据功率谱密度的调节阀气蚀诊断方法，用于诊断调节阀气蚀是否发生以及评估严重程度。本方法是从调节阀阀后管道的特定位置采集振动加速度数据，从振动数据的功率谱密度数据中提取出几个特征参数，通过分析判断特征参数，判断该调节阀此时是否发生了气蚀以及气蚀的严重程度。

Description

基于振动数据功率谱的调节阀气蚀诊断方法
技术领域
本发明涉及调节阀气蚀诊断技术领域，具体涉及基于振动数据功率谱的调节阀气蚀诊断方法。
背景技术
调节阀作为过层控制系统中的重要执行部件，它是是否安全稳定可靠地运行为重点关注问题，其中，气蚀是调节阀内一种常见的现象。
气蚀分为两个过程，分别是闪蒸和气蚀；闪蒸是不可压缩流体流经调节阀时，从缩流断面直至阀出口的静压降低到等于或低于该流体在阀入口温度下的饱和蒸汽压时，部分液体汽化使阀后形成汽液两相的现象；气蚀为不可压缩流体经调节阀时，从缩流断面直至阀出口的静压降低到等于或低于该流体在阀入口温度下的饱和蒸汽压时，部分液体汽化成气泡，继而静压又恢复到该饱和蒸汽压时，气泡爆裂恢复成液相的现象。这种气泡产生和破裂的全过程称为气蚀，气蚀作用对材料的侵蚀称为气蚀。
气蚀对阀芯产生严重的冲刷破坏，冲刷发生在流速最大处，通常在阀芯和阀座环接触线或附近。由于气泡破裂，释放能量，它会对阀造成噪声损坏，发出类似流沙流过阀门的爆裂声，而且释放的能量冲刷阀芯表面，并涉及下游管道。它不仅可以影响阀门的特性曲线，而且将导致严重的噪声、振动、爆破冲刷和调节阀内部件的破坏等。在这种情况下，调节阀的使用寿命缩短，工作可靠型下降，进而引起工艺系统和装置生产率的大幅下降。因此在实际工况中，不可避免的要考虑到气蚀的影响并且力求避免。
实际情况中，一般没有实验条件允许一个调节阀进行完整的气蚀实验，来确定调节阀在什么时候发生了哪种程度的气蚀。本发明通过分析处理调节阀后固定位置的振动信号，来直接判断调节阀是否发生气蚀及评估气蚀严重程度，这种方法方便快捷，环境要求低。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供基于振动数据功率谱的调节阀气蚀诊断方法，用于诊断调节阀气蚀是否发生以及评估其严重程度。
本发明的技术方案如下：
基于振动数据功率谱的调节阀气蚀诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：使用采样频率大于10kHz的振动加速度传感器，使用快干胶固定于待测调节阀阀后六倍于管道公称通径的管道正上方位置，待工况稳定后，设置信号采集装置以固定采样频率采集固定时间段内的振动加速度数据；
步骤二：先对采集的振动加速度数据做快速傅里叶变换获得数据集D，然后将数据集D与其自身的复共轭相乘，获得对应工况振动加速度数据的功率谱密度数据和功率谱密度图；
步骤三:从功率谱密度数据中提取相应的参数指标用于判断气蚀程度；
所得功率谱频率范围为0Hz-5kHz，将其分为低频块A(50Hz-2.5kHz)，高频块B(2.5kHz-5kHz),直流分量块M(0-50Hz)；
将低频块A分为10块区域，分别是A1(50-250Hz)，A2(250Hz-500Hz)，A3(500Hz-750Hz)，A4(750Hz-1000Hz)，A5(1000Hz-1250Hz)，A6(1250Hz-1500Hz)，A7(1500Hz-1750Hz)，A8(1750Hz-2000Hz)，A9(2000Hz-2250Hz)，A10(2250Hz-2500Hz)；
A1max,A2max,A3max,A4max,A5max,A6max,A7max,A8max,A9max,A10max分别是A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10中的最大值；
同样将高频块B分为10块区域，分别是B1(2500Hz-2750Hz)，B2(2750Hz-3000Hz)，B3(3000Hz-3250Hz)，B4(3250Hz-3500Hz)，B5(3500Hz-3750Hz)，B6(3750Hz-4000Hz)，B7(4000Hz-4250Hz)，B8(4250Hz-4500Hz)，B9(4500Hz-4750Hz)，B10(4750Hz-5000Hz)；
B1max,B2max,B3max,B4max,B5max,B6max,B7max,B8max,B9max,B10max分别是B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10中的最大值；
步骤四：设定参数Amax为低频块A区域中幅值最大的数值，Bmax为高频块B区域中幅值最大的数值，
Figure GDA0003693004420000031
设定参数NA、NB分别为低频块A和高频块B的有效幅值个数。有效幅值定义，以低频块A举例，将A1max,A2max,A3max,A4max,A5max,A6max,A7max,A8max,A9max,A10max进行数值大小排序，从大到小分别记为a10,a9…an…a2,a1，将a10记为第一个有效幅值，若满足
Figure GDA0003693004420000032
则an-1也记为有效幅值；
设定参数L为直流分量块M的幅值，大于104时记为1，小于104时记为0；
设定参数Max为Amax、Bmax、L中的最大值；
步骤五：设定气蚀的四个等级：等级一：无气蚀；等级二：气蚀初始；等级三：气蚀加剧；等级四：闪蒸；
步骤六：当NA+NB>7并且C>1时为等级四：闪蒸；当NA+NB>7、C>1均为假且L＝1时为等级三：气蚀加剧；当NA+NB>7、C>1、L＝1均为假且C<1、Max>30为真时为等级二：气蚀初始；当NA+NB>7、C>1、L＝1、C<1、Max>30均为假时，为等级一：无气蚀。
本发明的有益效果：本发明提供了一种新的气蚀诊断方法，该方法基于气蚀振动信号的频域分析，方便快捷容易实现，诊断准确率高，并摆脱了传统气蚀诊断方法过于依赖诊断设备的缺点。
附图说明
图1为本发明无气蚀时典型的振动数据功率谱密度图；
图2为本发明气蚀初始时典型的振动数据功率谱密度图；
图3为本发明气蚀加剧时典型的振动数据功率谱密度图；
图4为本发明闪蒸时典型的振动数据功率谱密度图；
图5为本发明振动数据功率谱密度特征参数判断流程。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
如图1-5所示，基于振动数据功率谱的调节阀气蚀诊断方法，是依靠已有的调节阀测试管路和信号采集装置，从特定位置的振动加速度数据的功率谱密度提取出几个参数指标，设计了一种用于判断调节阀是否发生气蚀及评估气蚀严重程度的方法。具体包括以下步骤：
步骤一：使用采样频率大于10kHz的振动加速度传感器，使用快干胶固定于待测调节阀阀后六倍于管道公称通径的管道正上方位置。待工况稳定后，设置信号采集装置以10k采样频率采集20s的振动加速度数据。
步骤二：先对采集的振动加速度数据做快速傅里叶变换获得数据集D，然后将数据集D与其自身的复共轭相乘。获得对应工况振动加速度数据的功率谱密度数据和功率谱密度图。无气蚀时典型的振动数据功率谱密度图如图1；气蚀初始时典型的振动数据功率谱密度图如图2；气蚀加剧时典型的振动数据功率谱密度图如图3；闪蒸时典型的振动数据功率谱密度图如图4；
步骤三:这一步是从功率谱密度数据中提取几个参数指标用于判断气蚀程度。
所得功率谱频率范围为0Hz-5kHz，将其分为低频块A(50Hz-2.5kHz)，高频块B(2.5kHz-5kHz),直流分量块M(0-50Hz)。
将低频块A分为10块区域，分别是A1(50-250Hz)，A2(250Hz-500Hz)，A3(500Hz-750Hz)，A4(750Hz-1000Hz)，A5(1000Hz-1250Hz)，A6(1250Hz-1500Hz)，A7(1500Hz-1750Hz)，A8(1750Hz-2000Hz)，A9(2000Hz-2250Hz)，A10(2250Hz-2500Hz)。
A1max,A2max,A3max,A4max,A5max,A6max,A7max,A8max,A9max,A10max分别是A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10中的最大值。
同样将高频块B分为10块区域，分别是B1(2500Hz-2750Hz)，B2(2750Hz-3000Hz)，B3(3000Hz-3250Hz)，B4(3250Hz-3500Hz)，B5(3500Hz-3750Hz)，B6(3750Hz-4000Hz)，B7(4000Hz-4250Hz)，B8(4250Hz-4500Hz)，B9(4500Hz-4750Hz)，B10(4750Hz-5000Hz)。
B1max,B2max,B3max,B4max,B5max,B6max,B7max,B8max,B9max,B10max分别是B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10中的最大值。
步骤四：设定参数Amax为低频块A区域中幅值最大的数值，Bmax为高频块B区域中幅值最大的数值，
Figure GDA0003693004420000051
设定参数NA、NB分别为低频块A和高频块B的有效幅值个数。有效幅值定义，以低频块A举例，将A1max,A2max,A3max,A4max,A5max,A6max,A7max,A8max,A9max,A10max进行数值大小排序，从大到小分别记为a10,a9…an…a2,a1，将a10记为第一个有效幅值，若满足
Figure GDA0003693004420000052
则an-1也记为有效幅值。
设定参数L为直流分量块M的幅值，大于104时记为1，小于104时记为0。
设定参数Max为Amax、Bmax、L中的最大值。
步骤五：设定气蚀的四个等级：等级一：无气蚀；等级二：气蚀初始；等级三：气蚀加剧；等级四：闪蒸。
步骤六：具体判断流程参照图5，文字描述如下：NA+NB>7并且C>1时为等级四：闪蒸；当NA+NB>7、C>1均为假且L＝1时为等级三：气蚀加剧；当NA+NB>7、C>1、L＝1均为假且C<1、Max>30为真时为等级二：气蚀初始；当NA+NB>7、C>1、L＝1、C<1、Max>30均为假时，为等级一：无气蚀。

Claims (1)

1.基于振动数据功率谱的调节阀气蚀诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：使用采样频率大于10kHz的振动加速度传感器，使用快干胶固定于待测调节阀阀后六倍于管道公称通径的管道正上方位置；待工况稳定后，设置信号采集装置以固定采样频率采集固定时间段内的振动加速度数据；
步骤二：先对采集的振动加速度数据做快速傅里叶变换获得数据集D，然后将数据集D与其自身的复共轭相乘；获得对应工况振动加速度数据的功率谱密度数据和功率谱密度图；
步骤三：从功率谱密度数据中提取相应的参数指标用于判断气蚀程度；
所得功率谱频率范围为0hz-5khz，将其分为低频块A(50Hz-2.5kHz)，高频块B(2.5kHz-5kHz)，直流分量块M(0-50Hz)；
将低频块A分为10块区域，分别是A1(50-250Hz)，A2(250Hz-500Hz)，A3(500Hz-750Hz)，A4(750Hz-1000Hz)，A5(1000Hz-1250Hz)，A6(1250Hz-1500Hz)，A7(1500Hz-1750Hz)，A8(1750Hz-2000Hz)，A9(2000Hz-2250Hz)，A10(2250Hz-2500Hz)；
A1max，A2max，A3max，A4max，A5max，A6max，A7max，A8max，A9max，A10max分别是A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10中的最大值；
同样将高频块B分为10块区域，分别是B1(2500Hz-2750Hz)，B2(2750Hz-3000Hz)，B3(3000Hz-3250Hz)，B4(3250Hz-3500Hz)，B5(3500Hz-3750Hz)，B6(3750Hz-4000Hz)，B7(4000Hz-4250Hz)，B8(4250Hz-4500Hz)，B9(4500Hz-4750Hz)，B10(4750Hz-5000Hz)；
B1max，B2max，B3max，B4max，B5max，B6max，B7max，B8max，B9max，B10max分别是B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10中的最大值；
步骤四：设定参数Amax为低频块A区域中幅值最大的数值，Bmax为高频块B区域中幅值最大的数值，
Figure FDA0003693004410000021
设定参数NA、NB分别为低频块A和高频块B的有效幅值个数，有效幅值定义，以低频块A举例，将A1max，A2max，A3max，A4max，A5max，A6max，A7max，A8max，A9max，A10max进行数值大小排序，从大到小分别记为a10，a9…an…a2，a1，将a10记为第一个有效幅值，若满足
Figure FDA0003693004410000022
则an-1也记为有效幅值；
设定参数L为直流分量块M的幅值，大于104时记为1，小于104时记为0；
设定参数Max为Amax、Bmax、L中的最大值；
步骤五：设定气蚀的四个等级：等级一：无气蚀；等级二：气蚀初始；等级三：气蚀加剧；等级四：闪蒸；
步骤六：根据参数NA、NB、C、L及Max来进行气蚀等级判断。
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Assignee: FOSHAN DOUQI TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2024980000081

Denomination of invention: A Diagnosis Method for Control Valve Cavitation Based on Vibration Data Power Spectrum

Granted publication date: 20220805

License type: Common License

Record date: 20240104