CN109236684A - 一种水泵汽蚀状态监测装置及方法 - Google Patents

一种水泵汽蚀状态监测装置及方法 Download PDF

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吴侃
董亮
代翠
谈明高
王勇
王凯
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戈志鹏
刘嘉伟
王莹
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Abstract

本文公开了一种水泵汽蚀状态监测装置及方法，属于流体机械物联网智能诊断技术领域，该装置包括水泵测试平台和套环式通讯装置；该方法由现场监测平台对水泵出口液载噪声信号进行监测；提出相对信噪系数对液载噪声信号进行去噪；对去噪后的频域信号进行小波分解；对去噪后的时域信号进行小波包分解；提取了汽蚀状态的特征值及阈值，从而得出汽蚀状态判断结果并写入现场数据库；将各现场数据库设置好地址信息共享到网络；由远程监测平台通过云端管理服务器中存储的IP地址、用户信息进行读写。本专利实现了水泵的实时监测、报警、记录、汽蚀状态判断、数据库管理等功能，对延长水泵的使用寿命，降低维护成本和安全隐患都有着重大意义。

Description

一种水泵汽蚀状态监测装置及方法
技术领域
本发明属于流体机械物联网智能诊断技术领域，特指涉及一种水泵汽蚀状态监测装置及方法。
背景技术
水泵广泛应用于国民经济的各个领域，也是众多工业生产***中的关键设备，一旦发生故障，轻则影响生产，重则造成设备停机、流程中断，导致严重的经济损失，甚至会威胁生命安全，而汽蚀则是水泵最容易发生的故障之一。汽蚀的发生会造成水泵过流部件破坏，影响泵运行稳定性；水力性能下降，影响泵运行效率；产生振动噪声，对人身体和精神状态造成危害。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种水泵汽蚀状态监测装置及方法，该装置通过利用传感器采集信号并通过采集卡将电信号转化为数字信号从而传递给应用装置，实现了远程PC端和手机客户端的水泵汽蚀状态监测，使用方便可靠，节省了人力成本，对泵企现代化水平和泵联网的技术发展也起到一定的促进作用，同时增加了***的普适性和灵活性，减小了设备体积和安装环境要求，降低了设备成本。
为达到以上目的，采用如下技术方案：
一种水泵汽蚀状态监测装置，包括信号采集装置、信号传输装置和应用装置；所述信号采集装置设置在水泵上，将采集到的信号传输给信号传输装置中的套环式通讯装置；所述套环式通讯装置将数据传输给应用装置。
进一步的，所述信号采集装置包括安装在水泵进口管路上的进口压力传感器及安装在出口管路上的出口压力传感器、水听器和流量计。
进一步的，所述信号传输装置包括套环式通讯装置；所述套环式通讯装置包括采集卡；所述采集卡的输入端子与进口压力传感器、出口压力传感器、水听器的信号线相连，用于采集传感器的电流信号并将其转换为数字信号。
进一步的，所述应用装置包括在现场用于监测的现场监测平台、总控室内用于监测的远程监测平台和手机客户端。
进一步的，所述套环式通讯装置还包括声光报警器、盖板、继电器开关、电源供应器、采集卡、壳体、上基座和下基座；所述上基座和下基座用于将套环式通讯装置固定在水泵的出口管路上；所述壳体通过螺钉与上基座相连；所述继电器开关、电源供应器、采集卡安装在壳体内；所述声光报警器安装在盖板上；所述继电器开关输入端子和采集卡的输出端子相连，继电器开关输出端子与声光报警器相连，用于控制其发出报警。
一种水泵汽蚀状态监测方法，包括步骤如下：
步骤一)通过在水泵上布置传感器采集初始电流信号；
步骤二)通过采集卡将步骤一)中采集到的初始电流信号转换成数字信号；
步骤三)通过将TCP通讯协议将步骤二)中的数字信号传输到现场监测平台；
步骤四)采用LabVIEW作为软件平台，编写上位机程序，接收步骤三)传来的数字信
号并进行预处理；
步骤五)采用MATLAB编程实现对步骤四)中预处理后的数据进行小波阈值去噪；采用
小波分析提取汽蚀发生特征信号并进行汽蚀状态判定；
步骤六)利用LabVIEW编写人机交互界面；由LabVIEW通过MATLAB Script节点方式实现对步骤四)中预处理后的数据以及步骤五)中MATLAB汽蚀状态判断算法程序的调用，将汽蚀状态判断结果实时显示在软件界面上；
步骤七)利用LabVIEW编写上位机程序，将步骤四)中预处理后的数据以及步骤五)中的汽蚀状态判断结果实时写入现场Access数据库并生成Execl报表；
步骤八)将现场监测平台通过4G插卡/光纤连接到互联网，把步骤七)中的现场Access数据库共享到网络，设置成固定的IP地址；由云端服务器进行数据库IP地址及用户信息密码存储；远程监测平台和手机客户端通过用户信息密码及IP地址读取现场监测平台上现场Access数据库中的预处理后的数据和汽蚀状态判断结果。
本发明的优点和积极效果在于：
1.将水泵在线监测、超限报警、汽蚀状态诊断、数据库管理为一体，提高水泵设备管理自动化水平，降低了维护成本和安全隐患。
2.采用套环式通讯装置，便于直接在管道上进行定位安装，大大减小了设备体积和安装环境要求，增加了***的普适性和灵活性。
3.采用虚拟仪器技术，节省了大量二次仪表，降低了设备成本。
4.采用传统扬程下降和新增小波变换、小波包变换汽蚀状态判断方法，提前了汽蚀状态判断时间，提高了判断精度，有利于设备维修维护，延长水泵的使用寿命。
5.采用数据库统筹管理，减小了存储空间的占用，加快了数据读写效率，规范了数据类型，为水泵行业的发展提供大量的工程应用数据。
6.实现了远程PC端和手机客户端的水泵汽蚀状态监测，使用方便可靠，节省了人力成本，对泵企现代化水平和泵联网的技术发展也起到一定的促进作用。
附图说明
图1为水泵测试平台示意图；
图2为套环式通讯装置拆解图；
图3为水泵汽蚀状态监测方法整体架构图；
图4为水泵汽蚀状态判断算法流程图；
图5为滤波前后对比图；
图6为6层小波分解的高频系数和低频系数提取图；
图7为小波包分解后系数的灰度图。
附图标记说明：
1-试验泵，2-出口压力传感器，3-水听器，4-套环式通讯装置，4-1-声光报警器，4-2-盖板，4-3-继电器开关，4-4-电源供应器，4-5-采集卡，4-6-壳体，4-7-上基座，4-8-下基座，5-三相异步电机，6-手机客户端，7-远程监测平台，8-出口闸阀，9-流量计，10-现场监测平台，11-水箱，12-进口压力传感器，13-进口闸阀。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种水泵汽蚀状态监测装置，包括信号采集装置、信号传输装置和应用装置；所述信号采集装置设置在水泵上，将采集到的信号传输给信号传输装置中的套环式通讯装置；所述套环式通讯装置将数据传输给应用装置。所述信号采集装置包括安装在水泵进口管路上的进口压力传感器12及安装在出口管路上的出口压力传感器2、水听器3和流量计9。所述信号传输装置包括套环式通讯装置；所述套环式通讯装置包括采集卡4-5；所述采集卡4-5的输入端子与进口压力传感器12、出口压力传感器2、水听器3的信号线相连，用于采集传感器的电流信号并将其转换为数字信号。将水泵在线监测、超限报警、汽蚀状态诊断、数据库管理为一体，提高水泵设备管理自动化水平，降低了维护成本和安全隐患。采用套环式通讯装置，减小了设备体积和安装环境要求，降低了设备成本，增加了***的普适性和灵活性。水泵的进口管道与出口管道上安装有进口闸阀13和出口闸阀8用来实现水泵的进水与出水。
优选的，所述应用装置包括在现场用于监测的现场监测平台10、总控室内用于监测的远程监测平台和手机客户端。所述套环式通讯装置还包括声光报警器4-1、盖板4-2、继电器开关4-3、电源供应器4-4、采集卡4-5、壳体4-6、上基座4-7和下基座4-8；所述上基座4-7和下基座4-8用于将套环式通讯装置固定在水泵的出口管路上；所述壳体4-6通过螺钉与上基座4-7相连；所述继电器开关4-3、电源供应器4-4、采集卡4-5安装在壳体4-6内；所述声光报警器4-1安装在盖板4-2上；所述继电器开关4-3输入端子和采集卡4-5的输出端子相连，继电器开关4-3输出端子与声光报警器4-1相连，用于控制其发出报警。
一种水泵汽蚀状态监测方法，如图3所示，包括步骤如下：
步骤一)通过在水泵上布置传感器采集初始电流信号；
步骤二)通过采集卡4-5将步骤一)中采集到的初始电流信号转换成数字信号；
步骤三)通过将TCP通讯协议将步骤二)中的数字信号传输到现场监测平台10；
步骤四)采用LabVIEW作为软件平台，编写上位机程序，接收步骤三)传来的数字信
号并进行预处理，实现在线监测和实时报警功能；
步骤五)采用MATLAB编程实现对步骤四)中预处理后的数据进行小波阈值去噪；采用
小波分析提取汽蚀发生特征信号并进行汽蚀状态判定；
步骤六)利用LabVIEW编写人机交互界面；由LabVIEW通过MATLAB Script节点方式实现对步骤四)中预处理后的数据以及步骤五)中MATLAB汽蚀状态判断算法程序的调用，将汽蚀状态判断结果实时显示在软件界面上，实现汽蚀诊断功能；
步骤七)利用LabVIEW编写上位机程序，将步骤四)中预处理后的数据以及步骤五)中的汽蚀状态判断结果实时写入现场Access数据库并生成Execl报表；
步骤八)将现场监测平台10通过4G插卡/光纤连接到互联网，把步骤七)中的现场Access数据库共享到网络，设置成固定的IP地址；由云端服务器进行数据库IP地址及用户信息密码存储；远程监测平台和手机客户端通过用户信息密码及IP地址读取现场监测平台10上现场Access数据库中的预处理后的数据和汽蚀状态判断结果。
进一步的，步骤五)中小波阈值去噪里提出汽蚀相对信噪系数CRSNR概念作为判断使用不同小波基函数、分解层数、阈值函数去噪效果的指标，汽蚀相对信噪系数CRSNR越大，证明去噪效果越好；所述汽蚀相对信噪系数CRSNR指的是实测发生汽蚀后液载噪声信噪比与发生汽蚀前液载噪声信号信噪比的比值；所述液载噪声指的是出口处水听器测得的声音信号。
所述现场监测平台10通过双绞线和采集卡4-5相连，将现场数据传输到现场监测平台10中开发好的上位机软件中进行处理；所述上位机软件功能包括对水泵进出口压力、噪声、水泵扬程、流量、汽蚀余量数据/曲线的在线监测，对监测的动态参数设置上下限实现超限报警，对水泵类型、型号、编号、进出口管径、电机额定转速等固定参数的设置与记录，对水泵进出口噪声的高速采集与预处理，对水泵汽蚀状态的特征提取与判断，采集数据写入Access数据库和生成Execl报表。
步骤五)中小波阈值去噪里提出汽蚀相对信噪系数CRSNR概念作为判断使用不同小波基函数、分解层数、阈值函数去噪效果的指标，汽蚀相对信噪系数CRSNR越大，证明去噪效果越好；所述汽蚀相对信噪系数CRSNR指的是实测发生汽蚀后液载噪声信噪比与发生汽蚀前液载噪声信号信噪比的比值；所述液载噪声指的是出口处水听器测得的声音信号。
步骤五)中采用小波分析对实测发生汽蚀后液载噪声的频域信号进行分析与特征提取；首先对实测发生汽蚀后液载噪声的时域信号进行短时傅里叶变换得到发生汽蚀后液载噪声的频域信号；随后利用db5小波基函数对所述发生汽蚀后液载噪声的频域信号进行6层小波分解与小波重构，得到其每层的高频系数和低频系数；以第6层低频系数的信号平均值上升超过20％作为汽蚀发生的判断标准。
步骤五)中采用小波包分析对实测发生汽蚀后液载噪声的时域信号进行分析与特征提取；首先利用db6小波基函数和Shannon熵标准对所述发生汽蚀后液载噪声的时域信号进行6层小波包分解与小波包重构；对其(5,1)节点处系数进行傅里叶变换得到其幅值谱；计算幅值谱的平均值，以其平均值上升超过25％作为汽蚀发生的判断标准。
步骤六)中采用LabVIEW编写人机交互界面的用户使用面板；由MATLAB编写汽蚀状态判断算法程序；由MATLAB Script节点方式实现LabVIEW对MATLAB的调用；所述汽蚀状态判断算法程序包括：
a.扬程下降超过3％；
b.去噪后液载噪声频域信号采用db5小波基函数6层小波分解的第6层低频系数信号平均值上升超过20％；
c.去噪后液载噪声时域信号采用db6小波基函数6层小波包分解(5,1)节点系数幅值谱平均值上升超过25％；
如图4所示，综合上述三种算法，只要其中任何一种算法中的情况发生，即判断汽蚀已经发生。
步骤八)中在现场监测平台10上设置有数据服务器，负责管理现场采集和存储的Access数据库，并向云端提供数据访问服务；可能同时存在多个数据服务器，每个服务器有固定的IP作为地址标识；在云端存在管理服务器，负责管理每个数据服务器的固定IP地址、用户信息，接收远程控制命令和向数据服务器发出控制命令；管理服务器中还可设置各用户对各现场数据服务器的读写权限，从而区分出一、二、三级管理员权限；远程监测平台和手机客户端由用户信息及IP地址通过云端获取相应的现场数据服务器上的数据。
实施例
具体实施水泵为一台比转速ns＝25的超低比转速离心泵，其额定工况为：流量Qd＝12.5m3/h、扬程Hd＝74m、转速nd＝2950r/min。
搭建水泵机组试验台。水泵进口管路上安装的进口压力传感器12型号MIK-P300；在水泵出口安装的出口压力传感器2型号MIK-P300、水听器3型号RHSA-10、流量计9型号LDG-MIK-DN80；用于采集各参数初始电流信号。
在出口管路上安装套环式通讯装置；包括上基座4-7和下基座4-8用于将套环式通讯装置固定在水泵的出口管路上；由螺钉将壳体4-6固定在基座4-7上；将继电器开关4-3型号JZX-22F5A、电源供应器4-4型号LRS-100-24、采集卡4-5型号Smacq-TCP2610安装在壳体4-6内；将声光报警器4-1型号AD16-22SM安装在盖板4-2上；将采集卡4-5型号Smacq-TCP2610的输入端子与进口压力传感器12型号MIK-P300、出口压力传感器2型号MIK-P300、水听器3型号RHSA-10的信号线相连，用于采集各传感器的电流信号并将其转换为数字信号；将继电器开关4-3型号为JZX-22F5A输入端子和采集卡4-5为型号Smacq-TCP2610的输出端子相连，继电器开关4-3型号为JZX-22F5A输出端子与声光报警器AD16-22SM4-1相连，用于控制其发出报警。
现场监测平台10通过双绞线和采集卡4-5型号为Smacq-TCP2610相连；通过TCP通讯协议将现场数据传输到现场监测平台10中开发好的上位机软件中进行处理。
采用LabVIEW作为软件平台，接收由各采集模块传来的数字信号并进行预处理，由数字信号上下限与传感器量程上下限建立对应线型关系进行转换，得到正确的测量值；
采用MATLAB编程实现对预处理后的额定流量Qd＝12.5m3/h和转速nd＝2950r/min下水泵发生汽蚀前后出口处水听器测得声音信号进行小波阈值去噪；采用汽蚀相对信噪系数CRSNR概念作为判断使用不同小波基函数、分解层数、阈值函数去噪效果的指标，汽蚀相对信噪系数CRSNR越大，证明去噪效果越好；对比后选用去噪效果最佳，汽蚀相对信噪系数CRSNR为0.7789的bior3.3小波，分解层数为3，rigrsure阈值选取规则，全局阈值软阈值函数，进行小波阈值去噪。
所述汽蚀相对信噪系数CRSNR公式为：CRSNR＝SNR汽蚀后/SNR汽蚀前，
其中：SNR汽蚀后为水泵发生汽蚀后的信噪比，SNR汽蚀前为水泵发生汽蚀前的信噪比。
信噪比公式为：
其中：s(n)为原始信号，为去噪信号，N为信号长度。
结合图5，滤波前后对比图如下：
通过MATLAB编程对上述经过去噪处理后的发生汽蚀后液载噪声的时域信号进行短时傅里叶变换得到发生汽蚀后液载噪声的频域信号；利用db5小波基函数，分解层数为6层，对此频域信号进行小波分解与小波重构，得到其6层的高频系数和低频系数；计算第6层低频系数的信号平均值为0.0128，以其上升20％，即0.0152作为汽蚀发生的阈值；一旦第6层低频系数的信号平均值超过此阈值，则判断发生汽蚀。
结合图6，其分解的6层的高频系数右列和低频系数左列如下：
通过MATLAB编程对上述经过去噪处理后的发生汽蚀后液载噪声的时域信号进行6层小波包变换与小波包重构，小波基函数为db6，熵标准为Shannon；对其分解后的(5,1)节点处系数进行傅里叶变换得到其幅值谱；计算幅值谱的平均值为21.5，以其平均值上升超过25％，即26.875作为汽蚀发生的阈值作为汽蚀发生的判断标准。
其原始波形右上角，小波包分解树结构左上角，(5,1)节点系数分析结果左下角，结合图7，小波包分解后系数的灰度图右下角如下：
通过MATLAB编程计算得到实时的水泵扬程H，以额定扬程下降3％为阈值，即71.78m作为阈值，一旦实测扬程低于此值，判断发生汽蚀。
所述扬程H计算公式为：
其中：Po为水泵出口压力，Pi为水泵进口压力，ρ为试验介质密度这里为水的密度，g为重力加速度g＝9.8N/kg，Δz为进出口高度差。
通过LabVIEW编写人机交互界面，对水泵进出口压力、噪声、水泵扬程、流量、汽蚀余量数据/曲线的在线监测，对监测的动态参数设置上下限实现超限报警，对水泵类型、型号、编号、进出口管径、电机额定转速等固定参数的设置与记录，对水泵进出口噪声的高速采集与预处理；由MATLAB Script节点方式实现对中MATLAB算法程序的调用；只要任何一种算法中的情况判断汽蚀已经发生，则将此时的监测数据和判断结果写入Access数据库并生成Execl报表。
所述汽蚀余量NASH计算公式为：
其中：ρ为试验介质密度这里为水的密度，g为重力加速度g＝9.8N/kg，Pi为水泵进口压力，Vi为泵进口流速，Pv为试验介质这里为水的饱和蒸气压。
将现场监测平台10通过光纤连接到互联网，把现场的Access数据库共享到网络，设置成固定的IP地址；在现场监测平台10上设置有数据服务器，负责管理现场采集和存储的Access数据库，并向云端提供数据访问服务；可能同时存在多个数据服务器，每个服务器有固定的IP作为地址标识；
在云端存在管理服务器，负责管理每个数据服务器的固定IP地址、用户信息，接收远程控制命令和向数据服务器发出控制命令；管理服务器中还可设置各用户对各现场数据服务器的读写权限，从而区分出一、二、三级管理员权限；一级权限为管理员，可以查看修改所有现场数据库及用户信息，二级权限为用户，可以查看其被授权的现场数据库；三级权限为子用户，可以查看其上级二级权限授予他可见的现场数据库；远程监测平台和手机客户端由用户信息及IP地址通过云端获取相应的现场数据服务器上的数据。
所述实施例为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
水泵上布置的用于初始信号采集的各类型传感器构成的感知装置，用做数据传输的高速采集卡、通讯协议构成的传输装置，以及由现场、远程监测平台和所编上位机软件构成的应用装置。所述采集装置包括在水泵进口管路上安装的进口压力传感器12；在水泵出口安装的出口压力传感器、水听器、流量计；所述传输装置包括用安装在出口管路上的套环式通讯装置；所述应用装置包括现场用于监测的现场监测平台10、总控室用于监测的远程监测平台和手机客户端。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水泵汽蚀状态监测装置，其特征在于，包括信号采集装置、信号传输装置和应用装置；所述信号采集装置设置在水泵上，将采集到的信号传输给信号传输装置中的套环式通讯装置；所述套环式通讯装置将数据传输给应用装置。
2.根据权利要求1所述的水泵汽蚀状态监测装置，其特征在于，所述信号采集装置包括安装在水泵进口管路上的进口压力传感器(12)及安装在出口管路上的出口压力传感器、水听器和流量计。
3.根据权利要求2所述的水泵汽蚀状态监测装置，其特征在于，所述信号传输装置还包括套环式通讯装置；所述套环式通讯装置包括采集卡(4-5)；所述采集卡(4-5)的输入端子与进口压力传感器(12)、出口压力传感器、水听器的信号线相连，用于采集传感器的电流信号并将采集到的电流信号转换为数字信号。
4.根据权利要求1所述的水泵汽蚀状态监测装置，其特征在于，所述应用装置包括在现场用于监测的现场监测平台(10)、总控室内用于监测的远程监测平台和手机客户端。
5.根据权利要求1所述的水泵汽蚀状态监测装置，其特征在于，所述套环式通讯装置还包括声光报警器(4-1)、盖板(4-2)、继电器开关(4-3)、电源供应器(4-4)、采集卡(4-5)、壳体(4-6)、上基座(4-7)和下基座(4-8)；所述上基座(4-7)和下基座(4-8)用于将套环式通讯装置固定在水泵的出口管路上；所述壳体(4-6)通过螺钉与上基座(4-7)相连；所述继电器开关(4-3)、电源供应器(4-4)、采集卡(4-5)安装在壳体(4-6)内；所述声光报警器(4-1)安装在盖板(4-2)上；所述继电器开关(4-3)输入端子和采集卡(4-5)的输出端子相连，继电器开关(4-3)输出端子与声光报警器(4-1)相连，用于控制其发出报警。
6.一种水泵汽蚀状态监测方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一)通过在水泵上布置传感器采集初始电流信号；
步骤二)通过采集卡(4-5)将步骤一)中采集到的初始电流信号转换成数字信号；
步骤三)通过将TCP通讯协议将步骤二)中的数字信号传输到现场监测平台(10)；
步骤四)采用LabVIEW作为软件平台，编写上位机程序，接收步骤三)传来的数字信号并进行预处理；
步骤五)采用MATLAB编程实现对步骤四)中预处理后的数据进行小波阈值去噪；采用小波分析提取汽蚀发生特征信号并进行汽蚀状态判定；
步骤六)利用LabVIEW编写人机交互界面；由LabVIEW通过MATLAB Script节点方式实现对步骤四)中预处理后的数据以及步骤五)中MATLAB汽蚀状态判断算法程序的调用，将汽蚀状态判断结果实时显示在软件界面上；
步骤七)利用LabVIEW编写上位机程序，将步骤四)中预处理后的数据以及步骤五)中的汽蚀状态判断结果实时写入现场Access数据库并生成Execl报表；
步骤八)将现场监测平台(10)通过4G插卡/光纤连接到互联网，把步骤七)中的现场Access数据库共享到网络，设置成固定的IP地址；由云端服务器进行数据库IP地址及用户信息密码存储；远程监测平台和手机客户端通过用户信息密码及IP地址读取现场监测平台(10)上现场Access数据库中的预处理后的数据和汽蚀状态判断结果。
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