一种叶片泵流动不稳定性程度的监测方法和装置

摘要

一种叶片泵流动不稳定性程度的监测方法和装置，通过测量驱动电机的瞬时输入电压和电流，计算得到电机的瞬态输入功率，并将瞬态输入功率进行归一化，然后对得到的归一化的数据进行标准差计算，将标准差值作为衡量当前流动不稳定程度的物理量值，实现对泵流动不稳定性程度的监测。所述监测装置包括信号采集模块，信号调理模块，信号处理模块，上位机通讯模块和人机交互模块；信号采集模块根据人机交互模块的输采集参数的要求，通过信号采集模块和信号调理模块实现电机瞬态电压电流的采集，通过信号处理模块实现瞬态功率的计算，瞬态功率的归一化处理，归一化数据的标准差的计算，通过上位机通讯模块发布结果，人机交互模块显示结果。

说明书

技术领域

本发明涉及流体机械测试方法领域，特指一种叶片泵流动不稳定性程度的监测方法，以及实现这种方法的装置。

背景技术

叶片泵作为重要的能量转换和流体输送装置，广泛应用于国民经济的各部分以及航空航天等尖端技术领域。因此，降低其能耗，提高运行安全和可靠性，具有巨大的经济效益，对提高我国工业发展水平具有重要意义。泵的水力性能主要指流量扬程特性、效率特性等，与水泵的节能运行能力直接相关。近几年来，越来越多的研究表明泵内部流动的不稳定特性与泵的外特性是密切关联，是影响泵外特性的本质因素。

影响泵内部的流动不稳定性主要是动静干涉、进出口回流、汽蚀以及二次流等，这些不稳定特性的流动工况产生的交变轴向力和径向力是导致轴承烧伤和密封破坏的主要原因，这些故障轻则导致停工停产，重则会引起火灾等灾难性事故，这些与泵安全运行和可靠性息息相关。

因此及时准确地判断泵的运行时的不稳定程度是非常必要的。而在目前关于泵内部流动不稳定研究的文献资料，主要反映了流动不稳定产生的原因，以及当流动不稳定时对泵运行的影响，但关于对离心泵运行的不稳定程度的监测很少出现。

发明内容

当泵内部的流动不稳定性时，相应的其水力载荷也会产生一定的波动，并且这种波动的剧烈程度与流动不稳定的程度直接相关。因为电机输入功率的大小与电机负载几乎呈线性关系（特别是小负荷范围内），因此电机可以作为一种有效的载荷传感器。泵的水力载荷产生波动时，在电机轴上的负载转矩也会产生波动，同时在电机的输入功率上也会产生相应的波动。因此可通过量化输入功率波动程度来显示流动不稳定的程度。

本发明就是在此基础上，提供了一种离心泵流动不稳定性程度的监测方法，以及实现这种方法的装置来实现对泵运行时的流动不稳定程度的监测，以保证离心泵可靠、节能运行。技术方案：为解决以上技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种叶片泵流动不稳定性程度的监测方法，其特征在于：通过测量驱动电机的瞬时输入电压和电流，计算得到电机的瞬态输入功率，并将瞬态输入功率进行归一化，然后对得到的归一化的数据进行标准差计算，将标准差值作为衡量当前流动不稳定程度的物理量值，实现对泵流动不稳定性程度的监测。

一种叶片泵流动不稳定性程度的监测装置，其特征在于：包括信号采集模块，信号调理模块，信号处理模块，上位机通讯模块和人机交互模块；

信号采集模块根据人机交互模块的输采集参数的要求，通过信号采集模块和信号调理模块实现电机瞬态电压电流的采集，通过信号处理模块实现瞬态功率的计算，瞬态功率的归一化处理，归一化数据的标准差的计算，通过上位机通讯模块发布结果，人机交互模块显示结果。

信号采集模块包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，能对泵驱动电机的输入电压电流的动态信号进行测量。

信号处理模块根据已采集到的瞬态的三相电压V_Φ(t)，电流信号I_Φ(t)，按照下式对电机的电机瞬态输入功率P_tot(t)进行计算：

P_φ(t)＝V_φ(t)*I_φ(t)

P_tot(t)＝P_φa(t)+P_φb(t)+P_φc(t)

对计算得到的电机瞬态输入功率P_tot(t)通过与其滑动平均值相除进行归一化处理，然后对得到的归一化的数据，进行标准差计算。

有益效果：本发明通过量化在电机输入功率上产生相应的波动来实现流动不稳定性程度的监测，保证了离心泵可靠、节能运行。

附图说明

图1为本发明一种叶片泵流动不稳定性程度的监测装置的示意图

图2为本发明的装置安装及采集电路示意图。图3为信号调理电路图。图4

为信号处理流程图。

图5为归一化后的关死点工况结果的图示。

图6为归一化后的0.5倍最佳效率工况结果的图示。

图7为归一化后的最佳效率工况结果的图示。

图8为归一化后的1.2倍最佳效率工况结果的图示。

图9为测量结果的图示。

图中，1.水泵，2.电机，3.电机接线端，4.电机动力电源，5.霍尔电压传感器，6.霍尔电流传感器，7.DSP采集处理系统，8.人机交互模块，9.上位机，10.运算放大器，11.低通滤波器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种叶片泵流动不稳定性程度的监测装置包括信号采集模块，信号调理模块，信号处理模块，上位机通讯模块和人机交互模块。

如图2所示，将该装置安装与待监测的泵（1）的驱动电机（2）上，与电机的供电线路连接，通过嵌入在PCB电路板的霍尔电压传感器（5）与电机接线端（3）相接，将待测的动力线通过霍尔电流传感器（6），即可实现对相关电参数的测量。通过人机交互模块（8）输入监测时间间隔和电路采集频率，在水泵运行时，通过霍尔电压传感器（5）和霍尔电流传感器（6）即可以感受到被测量的电压和电流信息，并能将感受到的信息，按规律变换成为能够被采集系统采集的电信号，然后这些电信号被输入到DSP采集处理系统（7），采集的信号首先通过如图3所示的信号调理电路，经过运算放大器（10）及其相关电路对输入信号进行隔离和跟随，对输入信号就行调理以适应DSP采集电路，然后通过低通滤波器（11）进行抗混叠处理，消除高频干扰，最后通过DSP内部集成的A/D转换模块和数据缓冲区，对上述信号进行定时采样和存储。

在信号处理中，根据已采集到的瞬态的三相电压V_Φ(t)，电流信号I_Φ(t)，按照下式对电机的电机瞬态输入功率P_tot(t)进行计算：

P_φ(t)＝V_φ(t)*I_φ(t)

P_tot(t)＝P_φa(t)+P_φb(t)+P_φc(t)

然后结合图4所示的信号处理流程图，首先对计算得到的电机瞬态输入功率P_tot(t)，通过与其滑动平均值相除进行归一化处理。

如图5至图8所示，为进行相应处理后的结果，如图5至图8可以看出在最佳效率点其波动幅度要明显小于其他工况，而波动幅度较强的工况均出现在流动不稳定性程度较强的小流量工况，其中在关死点工况表现的更加明显。

然后计算各个样本的标准差，其所得结果如图9所示，所得的结果也符合泵内部流动规律，流动不稳定程度最低的点出现在最高效率点，在流动不稳定程度较高的小流量区域，其数值也相对较高。最后电机和水泵的运行数据通过人机交互模块显示，同时通过上位机通讯模块与上位机(9)进行通讯。