一種離心泵空化診斷裝置的製作方法

2023-06-15 00:58:51

本實用新型屬於流體機械測試方法研究領域，具體涉及一種離心泵空化診斷裝置。

背景技術：

傳統的離心泵空化監測方法需要安裝壓力脈動傳感器、振動傳感器等較多的裝置，測試成本高，安裝複雜，且大部分試驗現場不具備測試條件。而20世紀70年代興起的無傳感器監測技術可以用於離心泵工況監測。該技術將驅動泵運行的異步電機作為轉矩傳感器，通過分析電機電信號的時頻特徵，來提取泵運行狀態特徵，實現工況監測和汽蝕診斷。該技術可大大降低傳統監測方法的成本，簡化安裝並提高監測結果的準確性和可靠性。

本實用新型涉及的裝置安裝在異步電機上，採集電機三相定子電流和電壓，利用Hilbert-Huang變換進行電信號時頻聯合分析，提取出泵運行狀態特徵，從而推算出泵內是否發生空化。

經檢索，離心泵工況監測方法及裝置的相關申報專利有：一種基於DSP嵌入式系統的水泵工況監測方法和裝置，申請號CN201310176190.8。該發明並沒有將採集到的電信號進行時頻分析，因此僅能大致推算出泵的工況，具有一定局限性。檢測離心泵低流量/氣蝕的方法和裝置，申請號CN200310103836.6。該發明利用傅立葉變換分析電流信號的頻譜，然而傅立葉變換隻適用於周期信號和平穩信號，在時域上沒有分辨能力，而所需要分析的電流信號是非平穩的瞬變信號，傅立葉分析的結果幾乎沒有任何現實意義。

技術實現要素：

本實用新型的目的是針對上述問題提供一種離心泵空化診斷裝置。本實用新型涉及的裝置安裝在異步電機上，採集電機三相定子電流和電壓，利用Hilbert-Huang變換進行電信號時頻聯合分析，提取出泵運行狀態特徵，從而推算出泵內是否發生空化，可簡化泵運行實時監測的步驟和裝置，適應所有現場測試條件，提高監測結果的可靠性。本實用新型提供一種通過測量異步電機三相定子電壓和電流的DSP(數位訊號處理)嵌入式系統。

本實用新型的技術方案是：

一種離心泵空化診斷裝置，包括信號採集模塊、信號調理模塊、DSP信號處理模塊、存儲模塊、電源模塊和觸摸控制顯示模塊；

所述信號採集模塊包括霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器；

所述霍爾電壓傳感器一端通過所述傳感器接口與觸摸控制顯示模塊連接，另一端測量三相交流線電壓，用於測量瞬態電壓；

所述霍爾電流傳感器一端通過所述傳感器接口與觸摸控制顯示模塊連接，另一端接在三相交流電其中一根火線上，用於測量瞬態電流；

所述壓力傳感器一端通過所述傳感器接口與觸摸控制顯示模塊連接相連，另一端測量水泵進口和出口的壓力；

所述溫度傳感器一端通過所述傳感器接口與觸摸控制顯示模塊連接，另一端測量水泵進口和出口水溫度；

所述信號採集模塊採集的信號通過所述信號調理模塊進行預處理後傳輸至DSP信號處理模塊中進行分析處理，在DSP信號處理模塊中寫入程序用於信號分析；

所述存儲模塊與信號調理模塊以及DSP信號處理模塊相連，用於存儲數據；所述觸摸控

制顯示模塊與DSP信號處理模塊相連用於顯示監測結果。

上述方案中，還包括電源模塊，所述電源模塊分別與信號採集模塊、信號調理模塊以及觸摸控制顯示模塊電連接，用於供電。

上述方案中，所述觸摸控制顯示模塊為LCD觸摸控制顯示模塊。

上述方案中，所述存儲模塊為外接SD卡的存儲模塊。

上述方案中，所述信號採集模塊採集的信號通過所述信號調理模塊進行預處理，轉化成0-3V電壓後傳輸至DSP信號處理模塊中進行分析處理。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：

1.本實用新型通過測量分析電機電流、電壓信號，不必接近運行設備即可實現泵的運行狀態監測，安裝使用方便靈活；

2.本實用新型方法價格十分低廉，同時泵的運行特徵信息可以實時反映在電信號中，信息集成度高，另外水泵動態信息通過定、轉子繞組的氣隙磁場變化反映出來，信息傳遞路徑少，抗幹擾能力強，測量可靠性高；

3.本實用新型採用奇異值分解剔除電網工頻信號，減少其對電流信號的調製影響，並利用Hilbert-Huang變換分析瞬態電信號，結果準確可靠。

附圖說明

圖1為本實用新型一實施方式的離心泵空化診斷裝置圖；

圖2為本實用新型一實施方式的的信號分析處理流程圖；

圖3為本實用新型一實施方式的工頻信號剔除流程圖；

圖4為本實用新型一實施方式的Hilbert-Huang變換流程圖。

圖中，1、霍爾電壓傳感器；2、霍爾電流傳感器；3、傳感器接口；4、電機；5、觸摸控制顯示模塊；6、壓力傳感器；7、溫度傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細說明，但本實用新型的保護範圍並不限於此。

圖1所示為本實用新型實現所述離心泵空化診斷方法的裝置的一種實施方式，所述裝置包括信號採集模塊、信號調理模塊、DSP信號處理模塊、外接SD卡的存儲模塊、電源模塊和觸摸控制顯示模塊5。

所述信號採集模塊包括三個霍爾電壓傳感器1、三個閉環霍爾電流傳感器2、壓力傳感器6和溫度傳感器7；

所述霍爾電壓傳感器1一端通過所述傳感器接口3與觸摸控制顯示模塊5連接，另一端測量三相交流線電壓，用於測量電機三相瞬態電壓；

所述霍爾電流傳感器2一端通過所述傳感器接口3與觸摸控制顯示模塊5連接，另一端接在三相交流電其中一根火線上，用於測量電機三相瞬態電流；

所述壓力傳感器6一端通過所述傳感器接口3與觸摸控制顯示模塊5連接相連，另一端測量水泵進口和出口的壓力；

所述溫度傳感器7一端通過所述傳感器接口3與觸摸控制顯示模塊5連接，另一端測量水泵進口和出口水溫度；

所述信號採集模塊採集的信號通過所述信號調理模塊進行預處理，信號調理模塊由抗混疊濾波電路，高頻濾波和信號隔離電路構成，用於將信號轉化為0-3V的電壓信號後傳輸至DSP信號處理模塊中進行分析處理，在DSP信號處理模塊中寫入程序用於信號分析；

所述外接SD卡的存儲模塊與信號調理模塊以及DSP信號處理模塊相連，用於存儲數據；

所述電源模塊為信號採集模塊、信號調理模塊以及觸摸控制顯示模塊5供電；

所述觸摸控制顯示模塊5與DSP信號處理模塊相連用於顯示監測結果。

所述觸摸控制顯示模塊5為LCD觸摸控制顯示模塊。

本實用新型採用霍爾電壓傳感器1和霍爾電流傳感器2，對電機三相定子電壓和電流信號進行測量，通過信號調理模塊進行預處理，將信號存儲至外接SD卡存儲模塊的數據緩衝區，用於分析處理。在DSP中寫入信號處理程序，程序主要內容是電機輸入功率、輸出功率、電機、泵實際運行效率和系統能耗等參數的計算，以及基於Hilbert-Huang變換的電信號時頻特徵提取。通過將實時測量與計算的參數和事先測量與計算所得的正常工作的泵的基本參數進行對比，對離心泵空化發生的程度進行判斷識別，當參數超出閾值時發出警告，並將測量結果顯示在裝置觸摸控制顯示模塊5上。

如圖2所示，一種根據所述裝置的離心泵空化診斷的方法，包括以下步驟：

步驟S1、通過信號採集模塊採集測量離心泵運行時驅動電機瞬態電流和電壓信號、離心泵進、出口壓力和溫度，再通過信號調理模塊轉化成0-3V電壓信號，用於分析計算；

步驟S2、計算出水泵和電機能耗及效率，通過以下公式進行計算：

電機輸入功率

水泵輸入功率與電機輸出功率相等

電機效率

泵效率

式中：U為電機電壓；I為電機電流；為電機功率因數；ρ為水的密度；g為重力加速度；Q為水泵進口流量；H為水泵揚程；為平均等溫係數；為水的平均比熱，J·(kg·K)-1；p1、p2分別為泵進、出口截面壓強，Pa；為水的平均比容；T1、T2分別為泵進、出口溫度。

步驟S3、對瞬態電流信號進行分析，按照圖3所示的步驟，利用奇異值分解剔除電流中的工頻分量，

(1)將獲得的離散電流信號序列A構造成N×M階矩陣。假設待測信號是採樣間隔為Δt的離散序列{x(n),m＝1,2,…}，其合理周期為T。按照累計誤差小於Δt/2的原則確定截取周期的開始位置準連續地截取N行，從而避免截斷誤差積累問題。令M＝round(T/Δt)，mk＝round(k T/Δt)，k＝1,2,…，則序列可構造成矩陣：

式中：A為電流信號構造的矩陣；U和V分別是N×N和M×M階正交矩陣，令∑＝diag(σ1,σ2,…,σp)是按降序排列的對角矩陣，其對角元素為矩陣A的奇異值元素。

(2)對矩陣A進行SVD分解，得到一系列奇異值σi和對應的子矩陣Ai(由奇異值向量ui和vi組成)。每個向量ui和vi可構成一直角坐標系，因此矩陣A中的特徵信息分量被分解到一系列的正交矢量ui、vi構成的子空間中。

(3)在電流信號分析中，由於電網頻率分量是電流信號中的主要成分，因此對應第一子空間。能反映離心泵運行狀態的特徵頻率則被分解到其餘不同的子空間。電網頻率分量可以表示為：

式中為分解後得到的第一分量，u1，σ1，為其中的構造矩陣。

(4)在電流信號A中去除電網頻率分量即可得到遺留下來的其他頻率分量，分量集合可表示為：

即可得到剔除電網工頻分量的信號。

步驟S4、通過Hilbert-Huang變換分析電流信號，其步驟如圖4所示；

(1)識別待分析信號s(t)局部極值點，分別為極大值和極小值；

(2)用三次樣條插值把所有的極大值點連接起來，形成上包絡線emax(t)；對所有極小值點採用同樣的辦法形成下包絡線emin(t)。上下包絡線應該包圍s(t)中所有的數據。

(3)計算包絡線的均值式中emax(t)為上包絡線的極值點，emin(t)為下包絡線的極值點，m(t)為上下包絡線的均值。

(4)迭代計算本徵模態分量IMF：h(t)＝s(t)-m(t)，h(t)為分解模態分量；若不存在IMF，則轉步驟6。

(5)令m(t)作為新的s(t)，重複步驟(1)～(4)。

(6)分解結束。

(7)對所得各階IMF分量進行Hilbert變換得到信號瞬時頻率

s(t)表示信號瞬時頻率，t表示時間，Re表示取實部，每個IMF分量的瞬時幅值為aj(t)，瞬時頻率為ωj(t)。

Hilbert時頻譜可記作：

H(ω,t)表示信號的Hilbert時頻譜，aj(t)為瞬時幅值，ωi(t)為瞬時頻率，Re表示取實部。

(8)對各個頻率上的各瞬態時間對應的幅值求和，得出Hilbert邊際譜

步驟S5、根據步驟S4所得的Hilbert時頻譜和邊際譜，計算出反映泵運行工況和空化發生的特徵參數；

所述步驟S5具體通過以下公式求出反映泵運行工況和空化發生的特徵參數：

一階IMF分量有效值：

T表示周期，t表示時間，x(t)表示信號的瞬時值。

一階IMF分量峭度指標：α4表示峭度。

邊際譜函數最大幅值：

步驟S6、將提取的信號特徵參數與泵額定工況下正常運行時的特徵參數進行對比，推算出空化發生的程度，若一階IMF的有效值和峭度指標，以及邊際譜能量最大值超出閾值，則立即發出發生空化的警告；若能耗超出閾值，則發出能耗過高的警告；若效率低於用戶最低要求，則發出效率過低的警告。

應當理解，雖然本說明書是按照各個實施例描述的，但並非每個實施例僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。

上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本實用新型的可行性實施例的具體說明，它們並非用以限制本實用新型的保護範圍，凡未脫離本實用新型技藝精神所作的等效實施例或變更均應包含在本實用新型的保護範圍之內。