CN208043235U - 一种汽轮机轴系振动采集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种汽轮机轴系振动采集系统属于汽轮机轴领域；包括键相信号传感器连接键相信号调理电路，键相信号调理电路与脉冲计数器连接，脉冲计数器通过SPI总线与ARM控制器连接，脉冲计数器还与多通道同步数模转换器连接；多通道同步数模转换器分别连接每个振动信号调理电路和ARM控制器，一个振动信号调理电路与一个振动信号传感器组对应连接；振动信号传感器组包括测量相互垂直，且均垂直于轴向的两个方向的振动信号的振动信号传感器，ARM控制器通过FSMC的接口连接SRAM，ARM控制器通过并行通用IO连接FPGA模块，ARM控制器通过通信模块连接服务器；本实用新型结构简单，体积小巧，便于携带，后期维持简单便捷，成本低。
Description
技术领域
本实用新型属于汽轮机轴领域，具体涉及一种汽轮机轴系振动采集系统。
背景技术
汽轮机轴系振动采集是指采集汽轮机主轴各个部位的振动信号(位移)，并发送至相关分析装置。振动信号的同步和触发都是由同一个键相信号决定的，键相信号是指轴上有一个齿槽，轴每转动一周这个信号就会触发一次。一般的，要求无论转速如何，每旋转一周(两个键相信号之间)需要采集固定的2的整数次幂个点(通常为128个)，即整周期采样。
目前汽轮机振动分析方式是就地采集、就地分析，汽轮机轴系振动分析装置布置在现场与数据采集装置较近的地方。而传统的汽轮机振动系统体积庞大，结构复杂，使用不便利，携带不方便，而且后期维护成本极高。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种汽轮机轴系振动采集系统硬件设备。
本实用新型的目的是这样实现的：
一种汽轮机轴系振动采集系统，包括键相信号传感器、键相信号调理电路、至少一个振动信号传感器组、至少一个振动信号调理电路、脉冲计数器、多通道同步数模转换器、ARM控制器、SRAM、FPGA模块、通信模块和服务器；所述键相信号传感器连接键相信号调理电路，所述键相信号调理电路与脉冲计数器连接，所述脉冲计数器通过SPI总线与ARM控制器连接，所述脉冲计数器还与多通道同步数模转换器连接；所述多通道同步数模转换器分别连接每个振动信号调理电路和ARM控制器，所述一个振动信号调理电路与一个振动信号传感器组对应连接；所述振动信号传感器组包括测量相互垂直，且均垂直于轴向的两个方向的振动信号的振动信号传感器，所述ARM控制器通过FSMC的接口连接SRAM，所述ARM控制器通过并行通用IO连接FPGA模块，所述ARM控制器通过通信模块连接服务器。
进一步地，所述一种汽轮机轴系振动采集系统，所述键相信号调理电路包括电压钳位及隔离电路、比例运算电路、一阶RC低通滤波电路A和施密特触发器；所述电压钳位及隔离电路依次连接比例运算电路、一阶RC低通滤波电路A和施密特触发器。
进一步地，所述一种汽轮机轴系振动采集系统，所述振动信号调理电路包括ESD保护电路、一阶RC低通滤波电路、比例放大电路和有源交流耦合电路；所述ESD保护电路依次连接一阶RC低通滤波电路、比例放大电路和有源交流耦合电路。
有益效果：
本实用新型提供了一种汽轮机轴系振动采集系统的硬件设备，采用键相信号传感器连接键相信号调理电路，键相信号调理电路与脉冲计数器连接，脉冲计数器通过SPI总线与ARM控制器连接，脉冲计数器还与多通道同步数模转换器连接；多通道同步数模转换器分别连接每个振动信号调理电路和ARM控制器，一个振动信号调理电路与一个振动信号传感器组对应连接；振动信号传感器组包括测量相互垂直，且均垂直于轴向的两个方向的振动信号的振动信号传感器，ARM控制器通过FSMC的接口连接SRAM，ARM控制器通过并行通用IO连接FPGA模块，ARM控制器通过通信模块连接服务器；实现了一种汽轮机轴系振动采集系统的硬件设备，本实用新型结构简单，体积小巧，便于携带，后期维持简单便捷，成本低。
附图说明
图1是一种汽轮机轴系振动采集系统结构简图。
图2是键相信号调理电路结构简图。
图3是振动信号调理电路结构简图。
图4是电压钳位及隔离电路图。
图5是比例运算电路图。
图6是一阶RC低通滤波电路图。
图7是ESD保护电路图。
图8是比例放大电路图。
图9是有源交流耦合电路图。
图中：1键相信号传感器、2键相信号调理电路、201电压钳位及隔离电路、202比例运算电路、203一阶RC低通滤波电路、204施密特触发器、3振动信号传感器组、4振动信号调理电路、401ESD保护电路、402一阶RC低通滤波电路、403比例放大电路、404有源交流耦合电路、5脉冲计数器、6多通道同步数模转换器、7ARM控制器、8SRAM、9FPGA模块、10通信模块、11服务器。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步详细描述。
一种汽轮机轴系振动采集系统，如图1所示，包括键相信号传感器1、键相信号调理电路2、至少一个振动信号传感器组3、一个振动信号传感器组3中包括X方向传感器和Y方向传感器、至少一个振动信号调理电路4、脉冲计数器5、多通道同步数模转换器6、ARM控制器7、SRAM8、FPGA模块9、通信模块10和服务器11；所述键相信号传感器1连接键相信号调理电路2，所述键相信号调理电路2与脉冲计数器5连接，所述脉冲计数器5通过SPI总线与ARM控制器7连接，所述脉冲计数器5还与多通道同步数模转换器6连接；所述多通道同步数模转换器6分别连接每个振动信号调理电路4和ARM控制器7，所述一个振动信号调理电路4与一个振动信号传感器组3对应连接；所述振动信号传感器组3包括测量相互垂直，且均垂直于轴向的两个方向的振动信号的振动信号传感器，所述ARM控制器7通过FSMC的接口连接SRAM8，所述ARM控制器7通过并行通用IO连接FPGA模块9，所述ARM控制器7通过通信模块10连接服务器11。
所述键相信号传感器1将采集的原始键相信号输入键相信号调理电路2；键相信号传感器1输出的原始键相信号存在干扰和非标准等问题，因此首先输入键相信号调理电路2，其中的键相信号传感器1是一种电涡流距离传感器，-24VDC供电，100kHz，2cm量程，配套前置器将位移信号转化为-24V～0V的线性电压输出；能够以输出电压量的方式来表征传感器探头与金属表面即汽轮机轴上的键相盘的距离，由于键相盘上存在齿槽，因此汽轮机每次旋转至齿槽处时，金属表面于探头距离就会发生突变，即汽轮机每旋转一周键相信号传感器1就会输出一个脉冲。
所述一个振动信号传感器组3与一个振动信号调理电路4对应连接，所述振动信号传感器组3中包括测量相互垂直，且均垂直于轴向的两个方向的振动信号的振动信号传感器；其中的振动信号传感器也是一种电涡流距离传感器，-24VDC供电，100kHz，2cm量程，配套前置器将位移信号转化为-24V～0V的线性电压输出；但它监测的位置和功能与键相信号传感器1不同，它是安装在转轴的关键部位即监测点附近，不断高速测量探头与轴的距离，这些距离构成的时间序列即为汽轮机轴系在该点的振动原始信号，对于每一组监测点，本实用新型测量相互垂直且均垂直于轴向的两个方向的振动，即在三维坐标系中，若轴为Z方向，本实用新型测量轴沿X和Y方向的振动。
所述脉冲计数器5检测键相信号调理电路2所输出的脉冲信号，脉冲信号的到来表征一个新的汽轮机旋转周期的开始即0相位点，脉冲计数器5具有1kHz的最大计数频率，脉冲输入为标准TTL方波脉冲输入，可利用SPI总线读取当前脉冲数，另含有一个TTL输出，每当脉冲到来时，此输出同步输出一个信号给多通道同步数模转换器6。本实用新型用一个STM32F407芯片实现；脉冲计数器5能够记录总的脉冲数量即汽轮机旋转的总周数并在脉冲到来时输出触发信号给多通道同步数模转换器6用以采样同步，该信号同时也输出至ARM控制器7，因此所述脉冲计数器5通过SPI总线与ARM控制器7连接通讯，传输计数信息并接收配置指令；所述脉冲计数器5还与多通道同步数模转换器6连接。
所述多通道同步数模转换器6与各振动信号调理电路4及ARM控制器7连接，根据脉冲计数器5的触发信号和ARM控制器7的控制命令设定的采样率，对所有的经振动信号调理电路4调理的振动信号进行数模转换，不断将表征振动值的模拟电压量转化为数字量，并将转化的数字量传输至ARM控制器7；其通过并行接口与ARM控制器7连接，工作开始和结束由ARM控制器7控制，多通道同步数模转换器6由多个芯片采用“菊花链”技术组成，其中每个芯片均具有8通道同步三角积分型数模转换器，100kHz以上采样率、16位精度，5V供电，其具体型号为ANALOG DEVICES公司AD7761产品；ARM控制器7型号为STM32F437。
所述ARM控制器7还与SRAM8连接，ARM控制器7在接收到来自多通道同步数模转换器6的数据后，利用FSMC的接口方式将其写入SRAM8中，当数据量达到预设值后(基于脉冲计数器5的计数结果，即采集汽轮机旋转特定周数的全部数据)，控制多通道同步数模转换器6停止工作；在此过程中，脉冲计数器5产生的各个脉冲的时刻也被存储并写入SRAM8中。
所述FPGA模块9通过并行通用IO与ARM控制器7连接并通讯，通过ARM控制器7调用SRAM8中存储的数据；在此过程中，ARM控制器7事实上是一个桥梁作用；FPGA模块9型号为Aletra EP4CE22E22C6，SRAM8是静态随机存取存储器，支持FSMC通讯方式，16M存储空间，20MHz通讯频率。
所述通信模块10与ARM控制器7及服务器11连接，所述通信模块10基于标准以太网通讯技术，完成数据缓存、网络协议转换和数据发送；通过VPN将数据按照ARM控制器7给出的策略发送至服务器11；
所述服务器11通过通信模块10向ARM控制器7发送控制策略。
具体地，所述一种汽轮机轴系振动采集系统，如图2所示，所述键相信号调理电路2包括电压钳位及隔离电路201、比例运算电路202、一阶RC低通滤波电路203和施密特触发器204；所述电压钳位及隔离电路201依次连接比例运算电路202、一阶RC低通滤波电路203和施密特触发器204。
所述电压钳位及隔离电路201包括二极管D3和D4，电阻R5，光耦继电器；连接关系如图4所示。所述比例运算电路202包括电阻R1、R2、R3和R4，电容C1，二极管D2和D2，运算放大器U1，连接关系如图5所示。所述一阶RC低通滤波电路203包括电阻R6和电容C，连接关系如图6所述。
所述电压钳位及隔离电路201中的瞬态抑制二极管和线性光耦将输入电压范围限制在安全范围内，同时让键相信号与所述系统隔离；通过比例运算电路202将信号调理至0-5V标准信号；通过一阶RC低通滤波电路203滤除极低频和高频噪声，通带范围可以为0.1Hz-1KHz；通过施密特触发器204构成的滞回比较器将键相信号处理为TTL逻辑电平信号，同时滤除毛刺干扰；施密特触发器204采用集成施密特触发器芯片，其阈值电压分别为：上限电压3V，下限电压2V，响应频率100kHz。
具体地，所述一种汽轮机轴系振动采集系统，如图3所示，所述振动信号调理电路4包括ESD保护电路401、一阶RC低通滤波电路402、比例放大电路403和有源交流耦合电路404；所述ESD保护电路401依次连接一阶RC低通滤波电路402、比例放大电路403和有源交流耦合电路404。
所述ESD保护电路401包括二极管D5、D6、D7、D8、D9、D10和D11，连接关系如图7所示。所述一阶RC低通滤波电路402和一阶RC低通滤波电路203一样。所述比例放大电路403包括电容C3、电阻R8、R9和R10，运算放大器U3和U4,连接关系如图8所示。所述有源交流耦合电路404包括电容C5和C4，电阻R11和R12，运算放大器U5，连接关系如图9所示。
每一个汽轮机轴系振动监测点都有一组(XY两个)振动信号传感器，对于每一组信号，分别进入各自的信号调理电路，这些信号调理电路的结构是相同的，但参数可能不同，每一个调理电路接收来自XY两个传感器的振动信号并分别按照完全相同的方式对这两个信号进行独立且并行的调理：
所述ESD保护电路401用于降低电磁干扰和电网浪涌对系统产生的影响和可能带来的损坏风险；一阶RC低通滤波电路402滤除高频噪声，截止频率为500Hz；有源交流耦合电路404滤除冗余直流分量，冗余直流分量是指对数据分析没有意义的直流分量(表征探头与轴的静态距离)，同时起到隔离缓冲的作用；比例放大电路403将信号调理至多通道同步数模转换器6的量程范围，所述比例放大电路403基于运算放大器。
所述脉冲计数器5能够记录总的脉冲数量，并在脉冲到来时输出触发信号给多通道同步数模转换器6进行采样同步。
在ARM控制器7将加密后的数据和发送策略发送至通信模块10后，所述系统中的脉冲计数器5、多通道同步数模转换器6、ARM控制器7、SRAM8、FPGA模块9均进入休眠状态，休眠时间为根据采集频率确定的休眠时间，休眠完成后，在ARM控制器7控制下重新开启脉冲计数器5、多通道同步数模转换器6、ARM控制器7、SRAM8、FPGA模块9。而传感器和信号调理电路都是一直不断工作的，其他的工作过程是循环执行的。
通过以上的实施方式的描述可知，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
虽然通过实施例描绘了本实用新型，本领域普通技术人员知道，本实用新型有许多变形和变化而不脱离本实用新型的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本实用新型的精神。
Claims (3)
1.一种汽轮机轴系振动采集系统，其特征在于，包括键相信号传感器(1)、键相信号调理电路(2)、至少一个振动信号传感器组(3)、至少一个振动信号调理电路(4)、脉冲计数器(5)、多通道同步数模转换器(6)、ARM控制器(7)、SRAM(8)、FPGA模块(9)、通信模块(10)和服务器(11)；所述键相信号传感器(1)连接键相信号调理电路(2)，所述键相信号调理电路(2)与脉冲计数器(5)连接，所述脉冲计数器(5)通过SPI总线与ARM控制器(7)连接，所述脉冲计数器(5)还与多通道同步数模转换器(6)连接；所述多通道同步数模转换器(6)分别连接每个振动信号调理电路(4)和ARM控制器(7)，所述一个振动信号调理电路(4)与一个振动信号传感器组(3)对应连接；所述振动信号传感器组(3)包括测量相互垂直，且均垂直于轴向的两个方向的振动信号的振动信号传感器，所述ARM控制器(7)通过FSMC的接口连接SRAM(8)，所述ARM控制器(7)通过并行通用IO连接FPGA模块(9)，所述ARM控制器(7)通过通信模块(10)连接服务器(11)。
2.根据权利要求1所述一种汽轮机轴系振动采集系统，其特征在于，所述键相信号调理电路(2)包括电压钳位及隔离电路(201)、比例运算电路(202)、一阶RC低通滤波电路(203)和施密特触发器(204)；所述电压钳位及隔离电路(201)依次连接比例运算电路(202)、一阶RC低通滤波电路(203)和施密特触发器(204)。
3.根据权利要求1所述一种汽轮机轴系振动采集系统，其特征在于，所述振动信号调理电路(4)包括ESD保护电路(401)、一阶RC低通滤波电路(402)、比例放大电路(403)和有源交流耦合电路(404)；所述ESD保护电路(401)依次连接一阶RC低通滤波电路(402)、比例放大电路(403)和有源交流耦合电路(404)。
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| CN201820605547.8U CN208043235U (zh) | 2018-04-25 | 2018-04-25 | 一种汽轮机轴系振动采集系统 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN108387309A (zh) * | 2018-04-25 | 2018-08-10 | 哈尔滨电气股份有限公司 | 一种汽轮机轴系振动数据采集、预处理及远程发送系统 |
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2018
- 2018-04-25 CN CN201820605547.8U patent/CN208043235U/zh active Active
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| CN108387309A (zh) * | 2018-04-25 | 2018-08-10 | 哈尔滨电气股份有限公司 | 一种汽轮机轴系振动数据采集、预处理及远程发送系统 |
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