CN206159059U - 一种离心泵空化诊断装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种离心泵空化诊断装置，包括信号采集模块、信号调理模块、DSP信号处理模块、外接SD卡的存储模块、电源模块和LCD触摸显示模块，所述信号采集模块包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、压力传感器和温度传感器；本实用新型利用霍尔电流电压传感器测量的电机瞬态电流和电压，进行预处理和剔除电网工频信号后，再进行Hilbert‑Huang变换分析处理，得到能够反映离心泵空化发生程度的特征参数，与离心泵额定工况下正常运行时的参数进行对比，推算出当前空化发生程度，并及时发出相关警告。该实用新型中的测试方法，可以实现非侵入式监测离心泵运行，简化了传统监测方法并提高了实时性、准确性和可靠性。

Description

一种离心泵空化诊断装置

技术领域

本实用新型属于流体机械测试方法研究领域，具体涉及一种离心泵空化诊断装置。

背景技术

传统的离心泵空化监测方法需要安装压力脉动传感器、振动传感器等较多的装置，测试成本高，安装复杂，且大部分试验现场不具备测试条件。而20世纪70年代兴起的无传感器监测技术可以用于离心泵工况监测。该技术将驱动泵运行的异步电机作为转矩传感器，通过分析电机电信号的时频特征，来提取泵运行状态特征，实现工况监测和汽蚀诊断。该技术可大大降低传统监测方法的成本，简化安装并提高监测结果的准确性和可靠性。

本实用新型涉及的装置安装在异步电机上，采集电机三相定子电流和电压，利用Hilbert-Huang变换进行电信号时频联合分析，提取出泵运行状态特征，从而推算出泵内是否发生空化。

经检索，离心泵工况监测方法及装置的相关申报专利有：一种基于DSP嵌入式系统的水泵工况监测方法和装置，申请号CN201310176190.8。该发明并没有将采集到的电信号进行时频分析，因此仅能大致推算出泵的工况，具有一定局限性。检测离心泵低流量/气蚀的方法和装置，申请号CN200310103836.6。该发明利用傅里叶变换分析电流信号的频谱，然而傅里叶变换只适用于周期信号和平稳信号，在时域上没有分辨能力，而所需要分析的电流信号是非平稳的瞬变信号，傅里叶分析的结果几乎没有任何现实意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述问题提供一种离心泵空化诊断装置。本实用新型涉及的装置安装在异步电机上，采集电机三相定子电流和电压，利用Hilbert-Huang变换进行电信号时频联合分析，提取出泵运行状态特征，从而推算出泵内是否发生空化，可简化泵运行实时监测的步骤和装置，适应所有现场测试条件，提高监测结果的可靠性。本实用新型提供一种通过测量异步电机三相定子电压和电流的DSP(数字信号处理)嵌入式系统。

本实用新型的技术方案是：

一种离心泵空化诊断装置，包括信号采集模块、信号调理模块、DSP信号处理模块、存储模块、电源模块和触摸控制显示模块；

所述信号采集模块包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、压力传感器和温度传感器；

所述霍尔电压传感器一端通过所述传感器接口与触摸控制显示模块连接，另一端测量三相交流线电压，用于测量瞬态电压；

所述霍尔电流传感器一端通过所述传感器接口与触摸控制显示模块连接，另一端接在三相交流电其中一根火线上，用于测量瞬态电流；

所述压力传感器一端通过所述传感器接口与触摸控制显示模块连接相连，另一端测量水泵进口和出口的压力；

所述温度传感器一端通过所述传感器接口与触摸控制显示模块连接，另一端测量水泵进口和出口水温度；

所述信号采集模块采集的信号通过所述信号调理模块进行预处理后传输至DSP信号处理模块中进行分析处理，在DSP信号处理模块中写入程序用于信号分析；

所述存储模块与信号调理模块以及DSP信号处理模块相连，用于存储数据；所述触摸控

制显示模块与DSP信号处理模块相连用于显示监测结果。

上述方案中，还包括电源模块，所述电源模块分别与信号采集模块、信号调理模块以及触摸控制显示模块电连接，用于供电。

上述方案中，所述触摸控制显示模块为LCD触摸控制显示模块。

上述方案中，所述存储模块为外接SD卡的存储模块。

上述方案中，所述信号采集模块采集的信号通过所述信号调理模块进行预处理，转化成0-3V电压后传输至DSP信号处理模块中进行分析处理。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型通过测量分析电机电流、电压信号，不必接近运行设备即可实现泵的运行状态监测，安装使用方便灵活；

2.本实用新型方法价格十分低廉，同时泵的运行特征信息可以实时反映在电信号中，信息集成度高，另外水泵动态信息通过定、转子绕组的气隙磁场变化反映出来，信息传递路径少，抗干扰能力强，测量可靠性高；

3.本实用新型采用奇异值分解剔除电网工频信号，减少其对电流信号的调制影响，并利用Hilbert-Huang变换分析瞬态电信号，结果准确可靠。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式的离心泵空化诊断装置图；

图2为本实用新型一实施方式的的信号分析处理流程图；

图3为本实用新型一实施方式的工频信号剔除流程图；

图4为本实用新型一实施方式的Hilbert-Huang变换流程图。

图中，1、霍尔电压传感器；2、霍尔电流传感器；3、传感器接口；4、电机；5、触摸控制显示模块；6、压力传感器；7、温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。

图1所示为本实用新型实现所述离心泵空化诊断方法的装置的一种实施方式，所述装置包括信号采集模块、信号调理模块、DSP信号处理模块、外接SD卡的存储模块、电源模块和触摸控制显示模块5。

所述信号采集模块包括三个霍尔电压传感器1、三个闭环霍尔电流传感器2、压力传感器6和温度传感器7；

所述霍尔电压传感器1一端通过所述传感器接口3与触摸控制显示模块5连接，另一端测量三相交流线电压，用于测量电机三相瞬态电压；

所述霍尔电流传感器2一端通过所述传感器接口3与触摸控制显示模块5连接，另一端接在三相交流电其中一根火线上，用于测量电机三相瞬态电流；

所述压力传感器6一端通过所述传感器接口3与触摸控制显示模块5连接相连，另一端测量水泵进口和出口的压力；

所述温度传感器7一端通过所述传感器接口3与触摸控制显示模块5连接，另一端测量水泵进口和出口水温度；

所述信号采集模块采集的信号通过所述信号调理模块进行预处理，信号调理模块由抗混叠滤波电路，高频滤波和信号隔离电路构成，用于将信号转化为0-3V的电压信号后传输至DSP信号处理模块中进行分析处理，在DSP信号处理模块中写入程序用于信号分析；

所述外接SD卡的存储模块与信号调理模块以及DSP信号处理模块相连，用于存储数据；

所述电源模块为信号采集模块、信号调理模块以及触摸控制显示模块5供电；

所述触摸控制显示模块5与DSP信号处理模块相连用于显示监测结果。

所述触摸控制显示模块5为LCD触摸控制显示模块。

本实用新型采用霍尔电压传感器1和霍尔电流传感器2，对电机三相定子电压和电流信号进行测量，通过信号调理模块进行预处理，将信号存储至外接SD卡存储模块的数据缓冲区，用于分析处理。在DSP中写入信号处理程序，程序主要内容是电机输入功率、输出功率、电机、泵实际运行效率和系统能耗等参数的计算，以及基于Hilbert-Huang变换的电信号时频特征提取。通过将实时测量与计算的参数和事先测量与计算所得的正常工作的泵的基本参数进行对比，对离心泵空化发生的程度进行判断识别，当参数超出阈值时发出警告，并将测量结果显示在装置触摸控制显示模块5上。

如图2所示，一种根据所述装置的离心泵空化诊断的方法，包括以下步骤：

步骤S1、通过信号采集模块采集测量离心泵运行时驱动电机瞬态电流和电压信号、离心泵进、出口压力和温度，再通过信号调理模块转化成0-3V电压信号，用于分析计算；

步骤S2、计算出水泵和电机能耗及效率，通过以下公式进行计算：

电机输入功率

水泵输入功率与电机输出功率相等

电机效率

泵效率

式中：U为电机电压；I为电机电流；为电机功率因数；ρ为水的密度；g为重力加速度；Q为水泵进口流量；H为水泵扬程；为平均等温系数；为水的平均比热，J·(kg·K)^-1；p₁、p₂分别为泵进、出口截面压强，Pa；为水的平均比容；T₁、T₂分别为泵进、出口温度。

步骤S3、对瞬态电流信号进行分析，按照图3所示的步骤，利用奇异值分解剔除电流中的工频分量，

(1)将获得的离散电流信号序列A构造成N×M阶矩阵。假设待测信号是采样间隔为Δt的离散序列{x(n),m＝1,2,…}，其合理周期为T。按照累计误差小于Δt/2的原则确定截取周期的开始位置准连续地截取N行，从而避免截断误差积累问题。令M＝round(T/Δt)，m_k＝round(k T/Δt)，k＝1,2,…，则序列可构造成矩阵：

式中：A为电流信号构造的矩阵；U和V分别是N×N和M×M阶正交矩阵，令∑＝diag(σ₁,σ₂,…,σ_p)是按降序排列的对角矩阵，其对角元素为矩阵A的奇异值元素。

(2)对矩阵A进行SVD分解，得到一系列奇异值σ_i和对应的子矩阵A_i(由奇异值向量u_i和v_i组成)。每个向量u_i和v_i可构成一直角坐标系，因此矩阵A中的特征信息分量被分解到一系列的正交矢量u_i、v_i构成的子空间中。

(3)在电流信号分析中，由于电网频率分量是电流信号中的主要成分，因此对应第一子空间。能反映离心泵运行状态的特征频率则被分解到其余不同的子空间。电网频率分量可以表示为：

式中为分解后得到的第一分量，u₁，σ₁，为其中的构造矩阵。

(4)在电流信号A中去除电网频率分量即可得到遗留下来的其他频率分量，分量集合可表示为：

即可得到剔除电网工频分量的信号。

步骤S4、通过Hilbert-Huang变换分析电流信号，其步骤如图4所示；

(1)识别待分析信号s(t)局部极值点，分别为极大值和极小值；

(2)用三次样条插值把所有的极大值点连接起来，形成上包络线e_max(t)；对所有极小值点采用同样的办法形成下包络线e_min(t)。上下包络线应该包围s(t)中所有的数据。

(3)计算包络线的均值式中e_max(t)为上包络线的极值点，e_min(t)为下包络线的极值点，m(t)为上下包络线的均值。

(4)迭代计算本征模态分量IMF：h(t)＝s(t)-m(t)，h(t)为分解模态分量；若不存在IMF，则转步骤6。

(5)令m(t)作为新的s(t)，重复步骤(1)～(4)。

(6)分解结束。

(7)对所得各阶IMF分量进行Hilbert变换得到信号瞬时频率

s(t)表示信号瞬时频率，t表示时间，Re表示取实部，每个IMF分量的瞬时幅值为a_j(t)，瞬时频率为ω_j(t)。

Hilbert时频谱可记作：

H(ω,t)表示信号的Hilbert时频谱，a_j(t)为瞬时幅值，ω_i(t)为瞬时频率，Re表示取实部。

(8)对各个频率上的各瞬态时间对应的幅值求和，得出Hilbert边际谱

步骤S5、根据步骤S4所得的Hilbert时频谱和边际谱，计算出反映泵运行工况和空化发生的特征参数；

所述步骤S5具体通过以下公式求出反映泵运行工况和空化发生的特征参数：

一阶IMF分量有效值：

T表示周期，t表示时间，x(t)表示信号的瞬时值。

一阶IMF分量峭度指标：α₄表示峭度。

边际谱函数最大幅值：

步骤S6、将提取的信号特征参数与泵额定工况下正常运行时的特征参数进行对比，推算出空化发生的程度，若一阶IMF的有效值和峭度指标，以及边际谱能量最大值超出阈值，则立即发出发生空化的警告；若能耗超出阈值，则发出能耗过高的警告；若效率低于用户最低要求，则发出效率过低的警告。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种离心泵空化诊断装置，其特征在于，包括信号采集模块、信号调理模块、DSP信号处理模块、存储模块、电源模块和触摸控制显示模块(5)；

所述信号采集模块包括霍尔电压传感器(1)、霍尔电流传感器(2)、压力传感器(6)和温度传感器(7)；

所述霍尔电压传感器(1)一端通过所述传感器接口(3)与触摸控制显示模块(5)连接，另一端测量三相交流线电压，用于测量瞬态电压；

所述霍尔电流传感器(2)一端通过所述传感器接口(3)与触摸控制显示模块(5)连接，另一端接在三相交流电其中一根火线上，用于测量瞬态电流；

所述压力传感器(6)一端通过所述传感器接口(3)与触摸控制显示模块(5)连接相连，另一端测量水泵进口和出口的压力；

所述温度传感器(7)一端通过所述传感器接口(3)与触摸控制显示模块(5)连接，另一端测量水泵进口和出口水温度；

所述信号采集模块采集的信号通过所述信号调理模块进行预处理后传输至DSP信号处理模块中进行分析处理，在DSP信号处理模块中写入程序用于信号分析；

所述存储模块与信号调理模块以及DSP信号处理模块相连，用于存储数据；

所述触摸控制显示模块(5)与DSP信号处理模块相连用于显示监测结果。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块分别与信号采集模块、信号调理模块以及触摸控制显示模块(5)电连接，用于供电。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述触摸控制显示模块(5)为LCD触摸控制显示模块。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述存储模块为外接SD卡的存储模块。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号采集模块采集的信号通过所述信号调理模块进行预处理，转化成0-3V电压后传输至DSP信号处理模块中进行分析处理。