CN203670182U - 基于声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置，将声发射采集单元中获取的离心泵内部的声发射信号，与运用压力传感器采集的泵进出口管道水压配置成输入信号一起连接至信号处理模块中的数据采集单元获取输入信号的采样段，通过特征提取单元对获取的采样段信号进行数字滤波与FFT处理，结合频谱分析来识别离心泵内部回流和空化状态。扬程计算单元和效率监控单元对采样获取的水压信号计算出离心泵小流量下扬程、效率。将获取的声发射信号和水压信号的采样片段通过诊断单元输出，从而深入分析离心泵的性能及故障诊断。本实用新型主要应用于提取和诊断由于离心泵小流量工况下叶轮入口二次流动、空化等引起的不稳定流动信息，指导离心泵运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置，特别是涉及一种检测离心泵空化状态及其故障运行的装置。
背景技术
离心泵广泛应用于航空航天，石油、化工、水利等重要的国民经济领域，具有结构简单、性能可靠和维修方便等优点。高速运转的离心泵在小流量，特别低进口压力工况下运行时，离心泵进口容易产生回流，回流漩涡中心的压力极低，并容易在吸水管路中出现低压区，而低压区会导致空化产生，泵的进口处会有周期性的空泡出现，正是由于空泡体积的不断变化，才改变了管路内流体的连续性，致使水泵流量不稳定，经常会出现与空泡相关的压力和流量脉动，严重时会诱发强烈的机械振动，消耗能量，从而降低离心泵的运行可靠性和工作性能。这类脉动通常伴随有噪音，有时甚至会引起水泵管道系统的共振，影响供水系统的安全运行。因此这种现象日益受到人们的关注。近年来，高频率的应用声发射(AE)技术在监测旋转机械状态一直在增长。与AE工作范围相关的典型频率是从20kHz到1MHz。识别空化的目前存在最常用的方法仍是基于观察扬程下降3%，其他检测泵故障诊断方法如振动分析和水听器观察已经存在，而声发射AE在这个方面的应用仍处于初级阶段。此外，关于AE应用于泵健康运行和空化监测的国内外文献较有限。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于声发射技术检测离心泵小流量工况内部不稳定流动特性的诊断装置，便于监测与有效避免离心泵在小流量工况下产生的回流，空化等流动不稳定性容易引起的离心泵工作不稳定，性能差等上述诸多问题，掌握离心泵小流量工况下的流动规律。
为了解决以上技术问题，本实用新型采用的具体技术方案如下：
基于声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置，由离心泵系统(1)、基于声发射技术和离心泵进出口管道流体引起的不稳定压强配置成的信号处理模块(2)、一个包含与所述离心泵小流量工况不稳定流动性能诊断相关的信号输出单元(3)组成；所述的离心泵系统(1)与信号处理模块(2)、信号输出单元(3)依次连接在一起；其特征在于：
所述离心泵系统(1)包含泵体和叶轮，并且将泵体和叶轮耦合到具有相同管径的入口管道和出口管道中；
所述的信号输出单元(3)包括诊断单元(15)；所述的诊断单元(15)包含离心泵不同流量下运行的标准扬程和效率参考模块，以及非空化状态泵频率参考模块；
所述信号处理模块(2)包括声发射信号采集单元(4)、用于检测水泵进口管道和泵出口管道的不稳定压强的两个压力传感器(5)、分别与声发射信号采集单元(4)和两个压力传感器(5)连接的数据采集单元(6)、与所述的数据采集单元(6)相连接的信号特征提取单元(7)、基于进口管道和出口管道压力差获得的水泵扬程的扬程计算单元(8)以及基于所述离心泵系统(1)的电动机提供的功率来监控泵效率的效率监控单元(9)；所述的两个压力传感器(5)安装高度相同，即到泵的基准面的垂直距离相同；
所述声发射信号采集单元(4)含有至少三个声发射传感器(10)；且多个声发射传感器获取的声发射信号连接至与数据采集单元(4)相连接的前置放大器(11)；所述的至少三个以上的声发射传感器(7)分别粘附固定于离心泵系统(1)中的进口管道上、离心泵出口管道上以及泵体上；
所述数据采集单元(6)包括用于对输入信号的信号采样单元(12)、用于将输入的模拟信号转换为数字信号的模数转换单元(13)以及数字滤波器(14)；所述的数字滤波器(14)分别与信号特征提取单元(7)、扬程计算单元(8)以及效率监控单元(9)连接；所述信号采样单元(12)的输入端分别与声发射信号采集单元(4)、压力传感器(5)相连，输出端通过数字滤波器(14)与诊断单元(15)连接；
所述的特征提取单元(7)采用FFT技术获取声发射信号的中心频率并可签名跟踪特征泵频率。特征提取单元的输出端(7)与所述的诊断单元(15)连接，所述的诊断单元(15)基于签名特征泵频率中的频率和幅值的变化来确定离心泵的不稳定流动特性，并输出诊断结果；
所述的扬程计算单元(8)以及效率监控单元(9)通过压力传感器的输出的两路水压信号计算出离心泵的扬程及效率，并输出至诊断单元(15)。
所述的信号处理模块(2)的进出口管道不稳定压强信号是由离心泵在小流量工况下其叶轮进口出现的二次流动，即回流引起的。
所述的进出口管道不稳定压强信号和声发射信号是由离心泵在小流量工况下空化发生所产生小空泡破裂引起的。
所述的离心泵内部的水压信号及其声发射信号，分别通过压力传感器(5)、声发射信号采集单元(4)获得。
所述的数据采集单元(6)的信号采样单元(12)获取声发射信号和水压信号的采样片段并通过经过模数转换单元(13)，将获取的声发射采样信号转换为数字信号，并通过数字滤波器(14)进行滤波后输入至特征提取单元(7)，同时将获取的水压采样信号转换为数字信号，并通过数字滤波器(14)进行滤波后分别输入至扬程计算单元(8)以及基于所述离心泵系统(1)的电动机提供的功率来监控泵效率的效率监控单元(9)，从而获得离心泵的扬程和效率并输出至诊断单元(15)。
所述的信号特征提取单元(7)采用FFT技术对声发射信号进行频谱分析并可签名跟踪特征泵频率并输出至诊断单元(15)。
所述的诊断单元(15)基于内部包含的非空化泵频率的标准模块与实际签名特征泵频率中的频率和幅值的变化来确定离心泵小流量工况下的不稳定流动特性。
所述的诊断单元(15)包含当前工况下计算得到的离心泵扬程和效率的标准参考模块，通过对比分析离心泵扬程、效率的变化趋势来判断离心泵内部不稳定流动的状态。
本实用新型的工作过程为：声发射传感器采集单元实时采集离心泵的声发射信号，两个压力传感器分别实时采集离心泵进口管道和出口管道的水压。三个声发射传感器输出的三路声发射信号分别输入前置放大器，前置放大器将输入的声发射信号进行放大分别输入数据采集单元；同时两个压力传感器输出的水压分别输入数据采集单元。数据采集单元对输入的三路声发射信号进行处理并采样，且对获得的声发射信号采样段进行模数转换、数字滤波后输出至特征提取单元；数据采集单元对输入的两路水压信号进行采集，并对获得的水压信号的数据采集段进行数模转换、数字滤波后分别输出至扬程计算单元及效率监控单元。特征提取单元采用FFT技术对获取的声发射信号的进行处理，获取声发射信号的中心频率并可签名跟踪特征泵频率。特征提取单元的输出端与所述的诊断单元连接，所述的诊断单元基于签名特征泵频率中的频率和幅值的特征，并与诊断单元包含的无空化泵频率参考模块来确定离心泵的不稳定流动特性，并输出相关的诊断结果。扬程计算单元和效率监控单元根据两路水压计算出离心泵的当前扬程和效率，并输出至诊断单元。并将所获取的当前工况下的计算扬程与效率和诊断单元包含的同工况下的离心泵参考扬程及效率进行对比，诊断出离心泵的回流或者空化引起的故障，并输出相关的信息。
本实用新型的具有有益效果。本实用新型根据声发射信号采集单元输入的声发射信号提取声发射特征、根据两个压力传感器输入的进出口水压获取离心泵扬程以及水泵扬程效率，并根据声发射特征和离心泵扬程、效率诊断离心泵的小流量工况下发生回流、空化等不稳定流动特性同时进行实时在线故障诊断，对于保障离心泵的经济和安全运行有重要价值。而且本实用新型对离心泵早期初生空化有自动诊断的效果，减少空化对离心泵运行带来的危害。
附图说明
图1是基于声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置原理图。
图2是声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置具体实施的框图。
图中：1离心泵系统，2信号处理模块，3信号输出单元，4声发射信号采集单元，5两个压力传感器，6数据采集单元，7信号特征提取单元，8扬程计算单元，9效率监控单元，10声发射传感器，11前置放大器，12信号采样单元，13模数转换单元，14数字滤波器，15诊断单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
如图1，基于声发射信号采集单元实时采集的离心泵进出口、泵体上的声发射信号经过放大再输入数据采集单元的信号采集单元获得声发射信号取样片段，并对获得的声发射取样片段进出数模转换、滤波后输出至特征提取单元和诊断单元。
基于压力传感器采集的离心泵进出口管道中流体的不稳定压强信号通过数据采集单元中的信号采样单元、模数转换单元以及数字滤波器最后输入至信号特征提取单元、扬程计算单元、以及效率监控单元中。特征提取单元对输入的离心泵进出口压强信号采用FFT技术进行处理，获得跟踪表征离心泵小流量工况下运行出现的一系列中心频率并输出至诊断单元。
本实用新型中的扬程计算单元是通过两压力传感器获取离心泵进出口压力后计算得出，离心泵的扬程的计算公式如下：
式中，
P1-进口压力，Pa；
P2-出口压力，Pa；
Z1,Z2-压力传感器中心到基准面的垂直距离；
V1,V2-进出口管路水流速度；
ρ-水的密度；
g-水的密度。
由于本实用新型中离心泵的进出口两个压力传感器的布置高度相同，因此，在一定的小流量工况下，V1=V2，Z1=Z2。从而可简化扬程的计算公式如下：
H=（P2-P1）/ρg
本实用新型中的效率计算单元是通过将电动机驱动的离心泵总效率定义为向流体输送的功率除以供给电动机马达的电功率：
式中，
P1-进口压力，Pa；
P2-出口压力，Pa；
Q-流量(m3/h)；
N-电功率；W。
通过两压力传感器实现对离心泵扬程和效率的监控，从扬程和效率的变化来判别离心泵小流量工况的运行状态。同时，通过声发射可以用来监控和检测泵何时发生故障。对典型的故障信号，基于特征提取单元的FFT技术获取声发射信号随时间测量和跟踪泵频率，获取泵跟踪频率并输出至诊断单元，主要结合频域信号并与离心泵扬程、效率变化趋势进行比较，可获得存在的频率或者信号幅度变化，从而可以表明离心泵发生空化空蚀破坏或者存在的潜在故障。
Claims (6)
1.基于声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置，由离心泵系统(1)、基于声发射技术和离心泵进出口管道流体引起的不稳定压强配置成的信号处理模块(2)、一个包含与所述离心泵小流量工况不稳定流动性能诊断相关的信号输出单元(3)组成；所述的离心泵系统(1)与信号处理模块(2)、信号输出单元(3)依次连接在一起；其特征在于：
所述离心泵系统(1)包含泵体和叶轮，并且将泵体和叶轮耦合到具有相同管径的入口管道和出口管道中；
所述的信号输出单元(3)包括诊断单元(15)；所述的诊断单元(15)包含离心泵不同流量下运行的标准扬程和效率参考模块，以及非空化状态泵频率参考模块；
所述信号处理模块(2)包括声发射信号采集单元(4)、用于检测水泵进口管道和泵出口管道的不稳定压强的两个压力传感器(5)、分别与声发射信号采集单元(4)和两个压力传感器(5)连接的数据采集单元(6)、与所述的数据采集单元(6)相连接的信号特征提取单元(7)、基于进口管道和出口管道压力差获得的水泵扬程的扬程计算单元(8)以及基于所述离心泵系统(1)的电动机提供的功率来监控泵效率的效率监控单元(9)；所述的两个压力传感器(5)安装高度相同，即到泵的基准面的垂直距离相同；
所述声发射信号采集单元(4)含有至少三个声发射传感器(10)；且多个声发射传感器获取的声发射信号连接至与数据采集单元(4)相连接的前置放大器(11)；所述的至少三个以上的声发射传感器(7)分别粘附固定于离心泵系统(1)中的进口管道上、离心泵出口管道上以及泵体上；
所述数据采集单元(6)包括用于对输入信号的信号采样单元(12)、用于将输入的模拟信号转换为数字信号的模数转换单元(13)以及数字滤波器(14)；所述的数字滤波器(14)分别与信号特征提取单元(7)、扬程计算单元(8)以及效率监控单元(9)连接；所述信号采样单元(12)的输入端分别与声发射信号采集单元(4)、压力传感器(5)相连，输出端通过数字滤波器(14)与诊断单元(15)连接；
所述的特征提取单元(7)采用FFT技术获取声发射信号的中心频率并可签名跟踪特征泵频率；
特征提取单元的输出端(7)与所述的诊断单元(15)连接，所述的诊断单元(15)基于签名特征泵频率中的频率和幅值的变化来确定离心泵的不稳定流动特性，并输出诊断结果；
所述的扬程计算单元(8)以及效率监控单元(9)通过压力传感器的输出的两路水压信号计算出离心泵的扬程及效率，并输出至诊断单元(15)。
2.根据权利要求1所述的基于声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置，其特征在于：所述的离心泵内部的水压信号及其声发射信号，分别通过压力传感器(5)、声发射信号采集单元(4)获得。
3.根据权利要求1所述的基于声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置，其特征在于：所述的数据采集单元(6)的信号采样单元(12)获取声发射信号和水压信号的采样片段并通过经过模数转换单元(13)，将获取的声发射采样信号转换为数字信号，并通过数字滤波器(14)进行滤波后输入至特征提取单元(7)，同时将获取的水压采样信号转换为数字信号，并通过数字滤波器(14)进行滤波后分别输入至扬程计算单元(8)以及基于所述离心泵系统(1)的电动机提供的功率来监控泵效率的效率监控单元(9)，从而获得离心泵的扬程和效率并输出至诊断单元(15)。
4.根据权利要求1所述的基于声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置，其特征在于：所述的信号特征提取单元(7)采用FFT技术对声发射信号进行频谱分析并可签名跟踪特征泵频率并输出至诊断单元(15)。
5.根据权利要求1所述的基于声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置，其特征在于：所述的诊断单元(15)基于内部包含的非空化泵频率的标准模块与实际签名特征泵频率中的频率和幅值的变化来确定离心泵小流量工况下的不稳定流动特性。
6.根据权利要求1所述的基于声发射技术检测离心泵小流量工况不稳定流动的装置，其特征在于：所述的诊断单元(15)包含当前工况下计算得到的离心泵扬程和效率的标准参考模块，通过对比分析离心泵扬程、效率的变化趋势来判断离心泵内部不稳定流动的状态。
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