CN113063552A - 一种机械密封状态监测采集装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种机械密封状态监测采集装置，属于电路电子技术的领域，包括高频采集板，用于根据控制处理模块发送的第一采集命令，控制声信号采集装置采集声信号，并将声信号进行放大、模数转换、降噪和滤波后发送至控制处理模块；低频采集板，用于根据控制处理模块发送的第二采集命令，控制传感器模块采集被测设备的监测信息，并将监测信息发送至控制处理模块；控制处理模块，用于发送第一采集命令和第二采集命令，用于计算声信号的功率谱，提取特征信息，并将特征信息和/或监测信息发送至传输模块；传输模块，用于将特征信息和/或监测信息传输至服务器。与相关技术相比，本申请具有便于获取机械密封的各项参数的效果。
Description
技术领域
本申请涉及电路电子技术的领域，尤其是涉及一种机械密封状态监测采集装置。
背景技术
机械密封是指由至少一对垂直于旋转轴线端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下以及辅助密封的配合下保持结合且相对滑动所构成的防止流体泄漏的装置。机械密封的使用性能对机器设备的安全性、可靠性和耐久性有重要的影响，一旦机械密封性能失效，则机器设备会出现故障和停产等故障，甚至产生安全事故、环境污染等事件，带来重大经济损失。
机械密封在长时间的应用过程中，会由于磨损、安装不适配等原因，对机械密封性能产生影响，而机械密封结构紧凑，使用者难以直接掌握设备的密封性能，需要对机械密封结构进行拆卸，才能进行检测与机械密封性能相关的各项参数。但是拆卸和安装设备的过程中，容易损坏设备，且费时费力，从而不便于获取机械密封的各项参数。
发明内容
为了便于获取机械密封的各项参数，本申请提供一种机械密封状态监测采集装置。
本申请提供的一种机械密封状态监测采集装置采用如下的技术方案：
一种机械密封状态监测采集装置，包括声信号采集装置、传感器模块、高频采集板、低频采集板、控制处理模块和传输模块，所述声信号采集装置与高频采集板通信，所述传感器模块与低频采集板通信，所述高频采集板和低频采集板均与控制处理模块通信，所述控制处理模块分别与传输模块、声发射采集装置和传感器模块通信；
所述高频采集板，用于根据所述控制处理模块发送的第一采集命令，控制所述声信号采集装置采集被测设备的声信号，并将所述声信号进行放大、模数转换、降噪和滤波后发送至控制处理模块；
所述低频采集板，用于根据所述控制处理模块发送的第二采集命令，控制所述传感器模块采集被测设备的监测信息，并将所述监测信息进行放大和模数转换后发送至控制处理模块；
所述控制处理模块，用于发送第一采集命令和第二采集命令，用于计算所述声信号的功率谱，根据所述功率谱提取特征信息，并将所述特征信息和/或监测信息发送至传输模块；
所述传输模块，用于将所述特征信息和/或监测信息传输至服务器；
其中，所述特征信息包括功率谱的最大峰值、最大峰值对应的频率值以及声信号的能量。
通过采用上述技术方案，声信号采集装置采集到声信号后发送至高频采集板进行放大、模数转换、降噪和滤波，控制处理模块再对高频采集板发送的声信号进行处理提取出特征信息，从而能够实现声信号等高频信号的采集，低频采集板将传感器模块采集到的监测信息进行放大和模数转换，传输模块将特征信息和监测信息一并发送至服务器，从而无需将机械密封结构进行拆卸，就能采集到声信号及监测信息，便于获取机械密封的各项参数。
可选的，所述控制处理模块包括中央处理器和图形处理器；
所述图形处理器，设置有信号处理算法，用于基于所述信号处理算法，对所述中央处理器发送的声信号进行处理计算得到特征信息，并将所述特征信息发送至中央处理器；
所述中央处理器，用于将接收到的所述声信号发送至图形处理器，接收所述特征信息和监测信息，并控制所述传输模块将特征信息和/或监测信息传输至服务器，还用于发出第一采集命令和第二采集命令。
通过采用上述技术方案，中央处理器对声信号采集装置、传感器模块和传输模块的工作状态进行控制，并作为中转站将声信号转发给图像处理器进行处理，图像处理器具有高速运行的特点，将声信号进行处理后得到的特征信息发送给中央处理器，中央处理器通过传输模块将特征信息和监测信息发送至服务器，能够提高获取特征信息的速度，从而便于实现特征信息和/或监测信息的获取。
可选的，所述信号处理算法包括FFT变换算法、信号功率谱计算分析算法和特征提取算法。
通过采用上述技术方案，结合FFT变换算法、信号功率谱计算分析算法和特征提取算法，便于获取特征信息。
所述自动增益控制电路，用于对所述声信号进行放大；
所述第一模数转换电路，用于将放大的声信号转换成数字量，并发送给FPGA芯片；
所述FPGA芯片，设置有自动增益控制算法、信号降噪算法和带通滤波算法，用于控制所述自动增益控制电路的放大倍数，对数字量的声信号进行降噪和滤波，并将降噪和滤波后的声信号发送至控制处理模块，用于根据接收的所述第一采集命令控制声信号采集装置采集声信号。
通过采用上述技术方案，结合FPGA实现自动增益控制、降噪和滤波，从而便于实现声信号的采集。
可选的，所述高频采集板还包括缓存子模块，所述缓存子模块与FPGA芯片通信，用于将降噪和滤波后的声信号进行缓存。
通过采用上述技术方案，缓存子模块将声信号进行本地缓存，以能够在与上位机的通讯中断恢复后，能够将缓存的数据进行传输，实现断点续传。
可选的，所述低频采集板包括控制器、放大电路和第二模数转换电路；
所述放大电路，用于将所述监测信息进行放大；
所述第二模数转换电路，用于将放大的监测信息转换成数字量后发送至控制器；
所述控制器，用于根据接收的第二采集命令控制传感器模块采集监测信息，将接收的所述监测信息发送至控制处理模块。
通过采用上述技术方案，结合放大电路和第二模数转换电路，实现对监测信息的放大和模数转换。
可选的，所述中央处理器还包括检测单元，所述机械密封状态监测采集装置还包括指示模块；
所述检测单元，用于根据中央处理器发送的第一采集命令和接收的声发射信息的有无，判断声信号的采集状态，用于根据中央处理器发送的第二采集命令和接收的监测信息的有无，判断监测信息的采集状态，所述采集状态包括失败和成功；
所述指示模块，用于对所述声信号的采集状态和监测信息的采集状态进行指示。
通过采用上述技术方案，检测单元对声信号和监测信息的采集状态进行判断，指示模块对采集状态进行指示，便于监测人员查看信号采集是否正常。
可选的，所述传输模块包括ZigBee传输子模块、4G传输子模块和千兆网传输子模块。
通过采用上述技术方案，传输模块提供多种传输方式，提高传输适应性。
可选的，所述声信号采集装置包括声发射传感器。
可选的，所述传感器模块包括温度传感器和压力传感器。
附图说明
图1是一种机械密封状态监测采集装置的结构示意图。
图2是高频采集板的结构示意图。
图3是低频采集板的结构示意图。
图4是控制处理模块、传输模块和指示模块连接关系的结构示意图。
附图标记说明：10、声信号采集装置；20、传感器模块；30、高频采集板；301、FPGA芯片；302、第一模数转换电路；303、自动增益控制电路；304、缓存子模块；40、低频采集板；401、控制器；402、第二模数转换电路；403、放大电路；50、控制处理模块；501、中央处理器；5011、检测单元；502、图像处理器；60、传输模块；601、千兆网传输子模块；602、4G传输子模块；603、ZigBee传输子模块；70、指示模块。
具体实施方式
以下结合附图1-图4对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种机械密封状态监测采集装置，参照图1，包括声信号采集装置、传感器模块、高频采集板、低频采集板、控制处理模块和传输模块，声信号采集装置与高频采集板通信，传感器模块与低频采集板通信，高频采集板和低频采集板均与控制处理模块通信，控制处理模块分别与传输模块、声发射采集装置和传感器模块通信；
高频采集板，用于根据控制处理模块发送的第一采集命令，控制声信号采集装置采集被测设备的声信号，并将声信号进行放大、模数转换、降噪和滤波后发送至控制处理模块；
低频采集板，用于根据控制处理模块发送的第二采集命令，控制传感器模块采集被测设备的监测信息，并将监测信息进行放大和模数转换后发送至控制处理模块；
控制处理模块，用于发送第一采集命令和第二采集命令，用于计算接收的声信号的功率谱，根据功率谱提取特征信息，并将特征信息和/或监测信息发送至传输模块；
传输模块，用于将特征信息和/或监测信息传输至服务器；
其中，特征信息包括功率谱的最大峰值、最大峰值对应的频率值以及声信号的能量。
控制处理模块将第一采集命令发送至高频采集板，高频采集板接收到第一采集命令后控制声发射采集装置采集声信号，同理，低频采集板接收到第二采集命令后控制传感器模块采集监测信息。控制处理模块的信号处理间隔1~10s，且不低于1s。
高频采集板、低频采集板与被测设备的距离不超过10米，机械密封状态监测采集装置的总功耗不高于20W。
作为声信号采集装置的一种实施方式，声信号采集装置包括声发射传感器，声发射传感器设置为多个，多个声发射传感器设置于被测设备周围的不同位置处，从而能够提高声信号采集的准确性。声发射传感器的采样频率为2Mbps左右。
参照图2，作为高频采集板的一种实施方式，高频采集板包括自动增益控制电路、第一模数转换电路和FPGA芯片，自动增益控制电路的信号输入端与声信号采集装置的信号输出端连接，自动增益控制电路的信号输出端与第一模数转换电路的信号输入端连接，第一模数转换电路的信号输出端与FPGA芯片的信号输入端连接；
自动增益控制电路，用于对声信号进行放大；
第一模数转换电路，用于将放大的声信号转换成数字量，并发送给FPGA芯片；
FPGA芯片，设置有自动增益控制算法、信号降噪算法和带通滤波算法，用于控制自动增益控制电路的放大倍数，对数字量的声信号进行降噪和滤波，并将降噪和滤波后的声信号发送至控制处理模块，用于根据接收的第一采集命令控制声信号采集装置采集声信号。
声发射采集装置采集的声信号经自动增益控制电路放大后进入第一模数转换电路转换成数字量，再发送至FPGA芯片进行降噪和滤波处理。
当声信号采集装置包括多个声发射传感器时，一个自动增益控制电路和一个第一模数转换电路组成一个高频采集通道，高频采集通道和声发射传感器一一对应，高频采集通道的信号输入端与声发射传感器的信号输出端连接，高频采集通道的信号输出端与FPGA芯片的信号输入端连接，一个FPGA芯片对应多个高频采集通道。
需要说明的是，自动增益控制算法、信号降噪算法和带通滤波算法为常见的算法，本发明创造未对自动增益控制算法、信号降噪算法和带通滤波算法进行改进。
参照图2，作为高频采集板的进一步实施方式，高频采集板还包括缓存子模块，缓存子模块与FPGA芯片通信，用于将降噪和滤波后的声信号进行缓存。
缓存子模块的缓存时间可以是1小时、2小时等，即可以进行设定。
作为传感器模块的一种实施方式，传感器模块包括温度传感器和压力传感器，且不限于这两种传感器。
参照图3，作为低频采集板的一种实施方式，低频采集板包括控制器、放大电路和第二模数转换电路，放大电路和第二模数转换电路一一对应构成一个低频采集通道，放大电路的信号输入端为低频采集通道的信号输入端，放大电路的信号输出端与第二模数转换电路的信号输入端连接，第二模数转换电路的信号输出端为低频采集通道的信号输出端，低频采集通道的信号输入端用于与对应的传感器的信号输出端连接，低频采集通道的信号输出端与控制器的监测信息输入端连接。
放大电路，用于将监测信息进行放大；
第二模数转换电路，用于将放大的监测信息转换成数字量后发送至控制器；
控制器，用于根据接收的第二采集命令控制传感器模块采集监测信息，将接收的监测信息发送至控制处理模块。
需要说明的是，控制器包括嵌入式控制器和单片机等MCU中的任一种。
进一步，低频采集板具有缓存功能，能够将采集的监测信息进行本地缓存，以在通讯故障恢复后，能够进行断点续传。
参照图1和图4，作为控制处理模块的一种实施方式，控制处理模块包括中央处理器（CPU）和图像处理器（GPU）；
图形处理器，信号输入端与图像处理器的信号输出端连接，信号输出端与图像处理器的特征信息输入端连接，设置有信号处理算法，用于基于信号处理算法，对中央处理器发送的声信号进行处理计算得到特征信息，并将特征信息发送至中央处理器；
中央处理器，用于将接收到的声信号发送至图形处理器，接收特征信息和监测信息，并控制传输模块将特征信息和/或监测信息传输至服务器，还用于发出第一采集命令和第二采集命令。
作为信号处理算法的一种实施方式，信号处理算法包括FFT变换算法、信号功率谱计算分析算法和特征提取算法。
中央处理器和图形处理器都包括存储子模块，存储子模块在掉电时，能够将中央处理器和图像处理器各自的信息进行保持，且保持时间包括1小时、2小时等任意时间长度，且存储子模块的存储容量超过16G。
参照图4，作为中央处理器的进一步实施方式，中央处理器还包括检测单元；
检测单元，用于根据中央处理器发送的第一采集命令和接收的声发射信息的有无，判断声信号的采集状态，用于根据中央处理器发送的第二采集命令和接收的监测信息的有无，判断监测信息的采集状态，采集状态包括失败和成功。
发出第一采集命令，但未接收到对应的声信号，则声信号采集失败，否则采集成功；发出第二采集命令，但未接收到对应的监测信息，则监测信息采集失败，否则成功。
参照图4，作为机械密封状态监测采集装置的一种实施方式，还包括指示模块，指示模块与中央处理器进行通信，用于对声信号的采集状态和监测信息的采集状态进行指示。如以指示灯为例，一个采集通道对应一变色指示灯，若采集成功，则变色指示灯为绿色，否则为红色。
在其他实施方式中，可以用显示屏来代替指示灯，在显示屏上显示“失败”、“成功”或其他意思相似的词。
参照图4，作为传输模块的进一步实施方式，传输模块包括ZigBee传输子模块、4G传输子模块和千兆网传输子模块。多种传输方式中任选一种，即可实现信息的传输，且若有一种传输方式损坏，则可选用其它的传输方式，能够提高信号传输的灵活性。
当选择ZigBee传输子模块、4G传输子模块和千兆网传输子模块中任一个模块进行传输时，指示模块也会进行指示。以指示灯为例，当选择ZigBee传输子模块进行传输时，ZigBee对应的指示灯发出亮光。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种机械密封状态监测采集装置，其特征在于：包括声信号采集装置、传感器模块、高频采集板、低频采集板、控制处理模块和传输模块，所述声信号采集装置与高频采集板通信，所述传感器模块与低频采集板通信，所述高频采集板和低频采集板均与控制处理模块通信，所述控制处理模块分别与传输模块、声发射采集装置和传感器模块通信；
所述高频采集板，用于根据所述控制处理模块发送的第一采集命令，控制所述声信号采集装置采集被测设备的声信号，并将所述声信号进行放大、模数转换、降噪和滤波后发送至控制处理模块；
所述低频采集板，用于根据所述控制处理模块发送的第二采集命令，控制所述传感器模块采集被测设备的监测信息，并将所述监测信息进行放大和模数转换后发送至控制处理模块；
所述控制处理模块，用于发送第一采集命令和第二采集命令，用于计算所述声信号的功率谱，根据所述功率谱提取特征信息，并将所述特征信息和/或监测信息发送至传输模块；
所述传输模块，用于将所述特征信息和/或监测信息传输至服务器；
其中，所述特征信息包括功率谱的最大峰值、最大峰值对应的频率值以及声信号的能量。
2.根据权利要求1所述的机械密封状态监测采集装置，其特征在于：所述控制处理模块包括中央处理器和图形处理器；
所述图形处理器，设置有信号处理算法，用于基于所述信号处理算法，对所述中央处理器发送的声信号进行处理计算得到特征信息，并将所述特征信息发送至中央处理器；
所述中央处理器，用于将接收到的所述声信号发送至图形处理器，接收所述特征信息和监测信息，并控制所述传输模块将特征信息和/或监测信息传输至服务器，还用于发出第一采集命令和第二采集命令。
3.根据权利要求2所述的机械密封状态监测采集装置，其特征在于：所述信号处理算法包括FFT变换算法、信号功率谱计算分析算法和特征提取算法。
4.根据权利要求1所述的机械密封状态监测采集装置，其特征在于：所述高频采集板包括自动增益控制电路、第一模数转换电路和FPGA芯片；
所述自动增益控制电路，用于对所述声信号进行放大；
所述第一模数转换电路，用于将放大的声信号转换成数字量，并发送给FPGA芯片；
所述FPGA芯片，设置有自动增益控制算法、信号降噪算法和带通滤波算法，用于控制所述自动增益控制电路的放大倍数，对数字量的声信号进行降噪和滤波，并将降噪和滤波后的声信号发送至控制处理模块，用于根据接收的所述第一采集命令控制声信号采集装置采集声信号。
5.根据权利要求4所述的机械密封状态监测采集装置，其特征在于：所述高频采集板还包括缓存子模块，所述缓存子模块与FPGA芯片通信，用于将降噪和滤波后的声信号进行缓存。
6.根据权利要求1所述的机械密封状态监测采集装置，其特征在于：所述低频采集板包括控制器、放大电路和第二模数转换电路；
所述放大电路，用于将所述监测信息进行放大；
所述第二模数转换电路，用于将放大的监测信息转换成数字量后发送至控制器；
所述控制器，用于根据接收的第二采集命令控制传感器模块采集监测信息，将接收的所述监测信息发送至控制处理模块。
7.根据权利要求2所述的机械密封状态监测采集装置，其特征在于：所述中央处理器还包括检测单元，所述机械密封状态监测采集装置还包括指示模块；
所述检测单元，用于根据中央处理器发送的第一采集命令和接收的声发射信息的有无，判断声信号的采集状态，用于根据中央处理器发送的第二采集命令和接收的监测信息的有无，判断监测信息的采集状态，所述采集状态包括失败和成功；
所述指示模块，用于对所述声信号的采集状态和监测信息的采集状态进行指示。
8.根据权利要求1至7任一项所述的机械密封状态监测采集装置，其特征在于：所述传输模块包括ZigBee传输子模块、4G传输子模块和千兆网传输子模块。
9.根据权利要求1至7任一项所述的机械密封状态监测采集装置，其特征在于：所述声信号采集装置包括声发射传感器。
10.根据权利要求1至7任一项所述的机械密封状态监测采集装置，其特征在于：所述传感器模块包括温度传感器和压力传感器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210702 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |