CN203705398U

CN203705398U - 基于超声波检测的水轮机异常预警系统

Info

Publication number: CN203705398U
Application number: CN201420080423.4U
Authority: CN
Inventors: 徐浩
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: China Three Gorges University CTGU
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2024-02-25

Abstract

基于超声波检测的水轮机异常预警系统，包括多个超声波传感器，每一个超声波传感器连接信号放大器，信号放大器连接带通滤波器，带通滤波器连接比较器，比较器连接单片机，所述单片机连接温湿度传感器，所述单片机连接声光报警模块、电源转换模块和电机驱动模块，所述单片机连接RS-232串口模块。本实用新型一种基于超声波检测的水轮机异常预警系统，对水轮机噪音能够进行三个超声波传感器立体监测，并能够通过单片机控制直流电机自动进行点位跟踪。

Description

基于超声波检测的水轮机异常预警系统

技术领域

本实用新型一种基于超声波检测的水轮机异常预警系统，涉及水轮机故障检测领域。

背景技术

水轮机是集水、机、油、电、气于一体的复杂的庞大的非线性动力系统，是水电机组中极为关键的设备，其健康状态将直接影响整个水轮机组的运行状态。水轮机在运行一段时间后常会出现叶片松动、裂纹、断裂、空化空蚀以及泥沙磨损，并导水轮机在运行中出现异常震动，其中空化空蚀导致水轮机震动产生的噪音频率分布在12KHz~23KHz。位于人耳可听到的声音频谱和超声波频谱之间，属于频率比较高的声音。其特点相对低频频率较低的声音，衰减幅度小，传播的更远。目前，基于声音对水轮机故障进行检测设备都是在线检测，其频率传感器为震动传感器，该传感器必须要固定安装在水轮机上。这种方式能过获得较好的震动信号，但是安装不方便。如果能够不用接触水轮机机设备，而在其10m范围内都能够对震动噪音进行检测，这将很好弥补水轮机在声音方面的故障预警。随着声音传感器技术的发展，对于声音检测的准确度和抗噪度的提高，通过声音传感器对水轮机进行检测将成为一个趋势。

发明内容

本实用新型提供一种基于超声波检测的水轮机异常预警系统，利用噪音频率较高的特点，采用超声波探头进行检测，主要检测20KHz~23KHz段的音频，来对水轮机进行故障预警。

本实用新型采取的技术方案为：基于超声波检测的水轮机异常预警系统，包括多个超声波传感器，每一个超声波传感器连接信号放大器，信号放大器连接带通滤波器，带通滤波器连接比较器，比较器连接单片机，所述单片机连接温湿度传感器，所述单片机连接声光报警模块、电源转换模块和电机驱动模块，所述单片机连接RS-232串口模块。

所述超声波传感器为三个，它们之间相距20cm。

所述超声波传感器为FUS-40BT/BR型超声波传感器。

所述电源转换模块包含：+5V电源变换电路和-5V电源变换电路。

本实用新型一种基于超声波检测的水轮机异常预警系统，对水轮机噪音能够进行三个超声波传感器立体监测，并能够通过单片机控制直流电机自动进行点位跟踪。在声源确定后中采集超声波强度，并结合距离确定震动强度。

附图说明

图1为本实用新型系统连接框图。

图2为本实用新型超声波传感器检测及信号处理电路。

图3为本实用新型单片机及其外围驱动电路。

图4为本实用新型电源转换模块电路图。

具体实施方式

如图1所示，基于超声波检测的水轮机异常预警系统，包括多个超声波传感器，每一个超声波传感器连接信号放大器，信号放大器连接带通滤波器，带通滤波器连接比较器，比较器连接单片机，所述单片机连接温湿度传感器，所述单片机连接声光报警模块、电源转换模块和电机驱动模块，所述单片机连接RS-232串口模块。所述电机驱动模块连接两个直流电机，直流电机和本实用新型系统装置安装在一起，用于控制超声波传感器的接受方向。

本实用新型通过超声波传感器，检测水轮机叶片空化空蚀发出超声波，通过检测超声波的强度来预报水轮机的震动程度。而且在系统中采用三个超声波传感器，各超声波传感器之间相距20cm，通过三个超声波传感器对超声波检测，通过相位法来来判断声源的位置，并采用两个步进电机自动对三个探头检测中心点进行位置调整，准确确定声源的位置。超声波传感器采用富士FUS-40BT/BR型传感器，在检测到信号后，信号先通过信号放大，然后再经过一个20KHz~25KHz的带通滤波电路，提高信号的质量，保证预警可靠性。

通过三个传感器对超声波检测，经过放大电路、滤波电路、比较电路产生方波，送到Atmega16单片机中。单片机以第一个超声波传感器作为基准，通过相位法来检测第二、第三超声波传感器的与第一个传感器的相位差，通过算法计算出声源到个传感器的距离，进而来判断声源的位置。并采用两个直流电机自动对三个探头检测中心点进行位置调整，准确确定声源的位置，从而确定线路放电的位置。在放电位置确定后，装置开始对超声波的强度开始进行测量，并结合声源到本装置的距离水轮机的噪音强度，从而进一步分析水轮机震动程度。

本实用新型系统结构示意图如图1所示，分为三个模块：

1）、超声波检测及信号处理模块；2）、单片机及其外围驱动模块； 3）、电源转换模块。

1.1、超声波检测及信号处理模块包含：超声波检测传感器电路、信号放大器、带通滤波器、比较器四个部分。

1.2、单片机及其外围驱动模块包含：Atmega16单片机、温湿度传感器sht11、声光报警电路、电机驱动电路、RS-232串口五部分。

1.3、电源转换模块包含：+5V电源变换电路和-5V电源变换电路两部分。

当电力设备污秽放电发出的超声波传到FUS-40BT/BR型超声波传感器中时，超声波传感器就会产生相应频率的微弱电流，由于声源到每个超声波传感器的距离是不同的，因此在波在空间走的时间不同，从而在三个超声波传感器中感应出电流信号的相位不同。该模块电路可以分为四个部分，如：

1）、超声波检测传感器电路：包括电阻R1、R2、R3、R13、R14、R15、R25、R26、R27，电容C1、C2、C7、C8、C13、C14和传感器LS1、LS2、LS3（FUS-40BT/BR）。该电路是给传感器施加电源激励，以LS1所在电路为例，5V电源通过电阻R1、R2接到FUS-40BT/BR的正极，再通过传感器负极接R3到地。当传感器感受到超声波后，产生震动是其内部的电容值发生变化，然后传感器两端形成电流的充放电，从而产生电流信号。电容C1与电阻R1组成简单50Hz电源滤波，减少纹波对信号的干扰。C2是隔直电容，用于将电流信号中的直流分量去除。

2）、信号放大电路：包括三片AD620仪表放大器UA1、UA2、UA3，电阻R4、R16、R28。该电路的主要功能是将微弱的电流信号转换成幅值很大的电压信号，放大倍数可以达到1000倍而不会失真。

3）、滤波电路：包括6片OP37A运算放大器UB1、UB2、UB3、UC1、UC2、UC3，电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R29、R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36，电容C3、C4、C5、C6、C9、C10、C11、C12、C15、C16、C17、C18。该电路是40kHz带通滤波器，主要滤除信号中干扰信号，提高信号的纯净度。通过滤波器出来的信号有两个去向，一个是直接通过端子A1、A2、A3送往单片机的PA2、PA3、PA4的AD引脚，另一个送至比较电路。

4）、比较电路：由三个LM393比较器UD1、UD2、UD3组成。每个比较器处理一路经放大滤波后的传感器信号，将信号整理成5V的方波信号。比较电路产生的方波信号通过out1、out2、out3端子送至单片机的PD2、PD3、PB2引脚，且分别为外部INT0、INT1、INT2中断口，然后由单片机进行数据处理。

图3是单片机及其外围驱动模块。单片机采用英特梅尔公司的Atmega16单片机，主要是用于采集传感器模拟信号、数字信号以及驱动声光报警电路和电机驱动电路。该模块电路主要分为五个部分：

1）、单片机主要有六个功能：

、通过PA2、PA3、PA4引脚对传感器放大滤波信号进行AD采集，采集精度为1/1024V,满量程为5V；

、通过PD2引脚的外部中断INT0接受out1的方波信号，以上升沿产生外部中断，在INT0中断函数中通过PD3、PB2引脚的外部中断INT1、INT2接受out2、out3信号上升沿，并通过内部计数来计算out2、out3信号相对于out1的相位差；

、通过引脚PA0、PA1产生高低电平来驱动蜂鸣器和LED灯；

、通过PC1、PC2来驱动温湿度传感器sht11来采集温湿度数据；功能5、通过PC4~PC7、PD4~PD5来驱动两个直流电机；

、通过PD0、PD1的USART串行通讯功能来与电脑进行通讯。

2）、温湿度传感器是sht11的2号引脚为数据DATA引脚、3号引脚为时钟CLK引脚，DATA用于与单片机进行数据交换，CLK用于与单片保持时钟同步。通过数字信号就可将温湿度信息上传到单片。，单片机会隔2分钟保存一次温湿度数据，通过将现有数据与历史数据做对比分析，来判断温湿度对磁场检测产生的影响。

3）、声光报警系统通过单片机控制LED灯和蜂鸣器来实现。声光报警电路包含有电阻R1、R2、R3、R4，D1红色LED，NPN三极管Q1、Q2，蜂鸣器BUZ1。当PA0、PA1引脚产生高电平时，驱动三极管Q1、Q2的基极，使三极管集电极和发射机导通，然后点亮LED灯和蜂鸣器。

4）、电机驱动电路包括电机驱动芯片L298，电容C1、C2，二极管D2~D9，两个直流电机motor1、motor2。L298的IN1~IN4引脚与单片机PC4~PC7引脚相连，ENA、ENB与单片机PD4、PD5相连。IN1、IN2用于控制电机motor1的转向，当IN1为高点平（逻辑1）INT2为低电平（逻辑0）时，电机正转，反之反转，INT3、INT4用于控制motor2的转向。ENA、ENA通过接受单片机的PWM驱动信号，可以控制两电机的转速。电容C1、C2是电源滤波与稳压。8个二极管是用于电机过流保护。

5）、RS232通讯是利用单片机的USART串行通讯功能与电脑进行数据交换。通过单片机的RXD（PD0）、TXD（PD1）连接无线串口模块、以无线方式通讯。

图4是电源变换模块，包含9V到+5V降压电路，9V到-5V变换电路。9V电源由锂电池提供，S1为开关，D1为方向二极管，防止电池接反烧毁电路。

1）、9V到+5V降压电路，包括稳压芯片7805，PNP三极管Q1，电容C1、C2，电阻R1，发光二极管D2组成。7805的1号引脚接9V电池，2号引脚接地、3号引脚为5V输出，三极管Q1的射极、集电极与7805的1号引脚相连，集电极与3号引脚相连，电容C1、C2为输入输出的电源滤波。电阻R1与LED灯D2为5V电源指示灯，提示使用者5V电源正常。

2）、9V到-5V电压变换电路，包括稳压芯片7905，电容C3、C4，电阻R2，发光二极管D3组成。7905的1号引脚接9V电池，2号引脚接地、3号引脚为-5V输出，电容C3、C4为输入输出的电源滤波。电阻R2与LED灯D3为-5V电源指示灯，提示使用者-5V电源正常。

Claims

1.基于超声波检测的水轮机异常预警系统，包括多个超声波传感器，其特征在于，每一个超声波传感器连接信号放大器，信号放大器连接带通滤波器，带通滤波器连接比较器，比较器连接单片机，所述单片机连接温湿度传感器，所述单片机连接声光报警模块、电源转换模块和电机驱动模块，所述单片机连接RS-232串口模块。

2.根据权利要求1所述基于超声波检测的水轮机异常预警系统，其特征在于，所述超声波传感器为三个，它们之间相距20cm。

3.根据权利要求1所述基于超声波检测的水轮机异常预警系统，其特征在于，所述超声波传感器为FUS-40BT/BR型超声波传感器。

4.根据权利要求1所述基于超声波检测的水轮机异常预警系统，其特征在于，所述电源转换模块包含：+5V电源变换电路和-5V电源变换电路。