您現(xiàn)在的位置：中國傳動(dòng)網(wǎng) > 技術(shù)頻道 > 應(yīng)用方案 > 基于凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀的水輪機(jī)空化聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)研究

基于凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀的水輪機(jī)空化聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)研究

時(shí)間：2014-06-17 16:13:14來源：劉忠，鄒淑云，謝志聰長沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

導(dǎo)語：?本文基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)出了集數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理于一體的用于水輪機(jī)空化聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測的綜合系統(tǒng)。凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀在完成高速聲發(fā)射信號(hào)采集方面發(fā)揮了重要的作用。

• 應(yīng)用領(lǐng)域

水輪機(jī)空化的聲發(fā)射信號(hào)檢測應(yīng)用

• 挑戰(zhàn)

水輪機(jī)的空化將嚴(yán)重影響水電機(jī)組的出力、降低轉(zhuǎn)輪和葉片的使用壽命?？栈^程中形成的沖擊振動(dòng)信號(hào)中含有豐富頻率成分的聲波信號(hào)。中低頻段容易受環(huán)境、水力、機(jī)械、電氣等噪聲的干擾，高頻段信號(hào)則不存在上述問題。近年來，高頻段的聲發(fā)射信號(hào)越來越多地用于水輪機(jī)空化狀態(tài)的檢測。但對所采用的傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置及后續(xù)分析處理提出了很高的要求。

• 解決方案

本文提出采用聲發(fā)射檢測技術(shù)用于水輪機(jī)空化的檢測與診斷，采用聲華聲發(fā)射傳感器及前置放大器、凌華科技PCI-9846高分辨率數(shù)字化儀、以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)建了以LabVIEW為平臺(tái)的水輪機(jī)空化聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)。通過拾取20kHz～1MHz高頻聲發(fā)射信號(hào)，對該信號(hào)進(jìn)行典型特征參數(shù)提取，確定這些參數(shù)的變化與空化狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)空化的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供技術(shù)依據(jù)與參考。

1 應(yīng)用背景

隨著我國能源政策的調(diào)整，水電在整個(gè)電網(wǎng)中的比重不斷增加，水電機(jī)組運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性日益受到重視。全面開展水電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，進(jìn)而實(shí)施水電機(jī)組的“狀態(tài)檢修”已成為水電機(jī)組運(yùn)行保障技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[1]。在水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的眾多技術(shù)中，振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但是對于水輪機(jī)的空化與空蝕的識(shí)別則顯得能力不足。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國水輪機(jī)的空化與空蝕已經(jīng)成為水輪機(jī)損傷的主要原因之一，它會(huì)造成水輪機(jī)過流部件破壞加劇、運(yùn)行不穩(wěn)定，進(jìn)而引起性能下降、運(yùn)行效益低、檢修費(fèi)用大?？瘴g損傷程度已成為決定是否進(jìn)行大修的關(guān)鍵參數(shù)。因此，進(jìn)行水輪機(jī)空化故障的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究，有助于判斷水輪機(jī)空化是否發(fā)生，有助于了解空化故障的發(fā)展趨勢，對于水輪發(fā)電機(jī)組的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義[2]。

2 面臨問題

通過數(shù)值計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、模型觀測試驗(yàn)等方法，人們對空化空蝕產(chǎn)生的機(jī)理和外部表現(xiàn)形式有了一定的了解，在利用空化空蝕信號(hào)特征進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方面取得了大量的研究成果[3]。通常采用的方法有流量-揚(yáng)程法、噪聲法、壓力脈動(dòng)法、圖像法等[4-7]。流量-揚(yáng)程法簡單方便，但是具有滯后性，無法診斷初始階段的空化；噪聲法利用振動(dòng)傳感器或聲壓計(jì)采集水輪機(jī)空化時(shí)產(chǎn)生的噪聲，壓力脈動(dòng)法通過測試并分析水輪機(jī)過流通道壓力脈動(dòng)來判斷是否發(fā)生空化，它們都容易受外界噪聲干擾，靈敏度不高，傳感器布置與安裝受測量對象和運(yùn)行環(huán)境限制；圖像法直觀，能實(shí)時(shí)監(jiān)測，但是對流體介質(zhì)的清潔程度、攝像裝置以及后續(xù)處理提出了極高的要求。所以，在實(shí)際的水輪機(jī)空化監(jiān)測應(yīng)用研究中，它們的效果并不理想。

水輪機(jī)產(chǎn)生空化時(shí)，空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波沖擊水輪機(jī)過流部件的壁面，使壁面原子的晶格發(fā)生位錯(cuò)變形，并最終以彈性波的形式釋放出猝發(fā)能量，從而產(chǎn)生頻率范圍在20kHz～1MHz的高頻聲發(fā)射信號(hào)聲發(fā)射波，并通過水力、機(jī)械系統(tǒng)傳播[8]。隨著聲測技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，通過測量和研究空化過程中氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)作為判斷空化是否發(fā)生及其發(fā)展程度的依據(jù)[9-11]，已受到越來越多的關(guān)注。通過對聲發(fā)射高頻信號(hào)的提取與分析，既能克服低頻信號(hào)的干擾，又有助于準(zhǔn)確地診斷水輪機(jī)發(fā)生空化的位置和嚴(yán)重程度等[2]。當(dāng)然，這也對采集高頻信號(hào)的傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、分析處理方法提出了更高的要求。

3 解決方案

本文擬以LabVIEW 軟件為開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)出一套集聲發(fā)射信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理于一體的、專門服務(wù)于水輪機(jī)空化狀態(tài)監(jiān)測的自動(dòng)化系統(tǒng)。聲發(fā)射傳感器收集到的聲發(fā)射信號(hào)前置放大器調(diào)理后經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入現(xiàn)場工控機(jī)系統(tǒng)。在LabVIEW 平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)空化狀態(tài)聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、狀態(tài)顯示等功能。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 水輪機(jī)空化聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖

3.1 硬件部分

(1) 聲發(fā)射傳感器

選用北京聲華公司生產(chǎn)的SR-150M聲發(fā)射傳感器，如圖2所示。該傳感器由壓電陶瓷材料制成，呈圓柱體，外表由不銹鋼材料所包裹，采用磁吸附的方式固定于被測閥門閥體之上，安裝使用方便簡單、靈敏度高。SR-150M聲發(fā)射傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍為60k~400kHz，中心頻率150kHz，峰值靈敏度：> 65dB。

考慮到水輪機(jī)不同位置處的空化聲信號(hào)特征可能會(huì)不同，將不同編號(hào)的傳感器分別安裝到幾個(gè)有代表性的位置，如：活動(dòng)導(dǎo)葉拐臂連桿上，轉(zhuǎn)輪室外與槳葉裙邊等高的位置，以及尾水管檢修進(jìn)人孔外等。

(2) 前置放大器

選用北京聲華公司生產(chǎn)的PAI前置放大器。放大倍數(shù)為40dB，帶通濾波范圍為10KHz~ 2MHz，單端輸入，工作電壓為28V直流電壓。

(3) 高速數(shù)據(jù)采集卡

選用凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀，如圖3所示。該高速數(shù)字化儀能夠提供高精度、低噪音及高動(dòng)態(tài)范圍性能，高密度且高精準(zhǔn)度，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。主要技術(shù)指標(biāo)有：4通道同步單端模擬輸入，最高采樣頻率為40MS/s，A/D分辨率為16位，輸入范圍為± 5 V 或 ± 1 V、帶512M BSDRAM可供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖2 聲華公司生產(chǎn)的SR-150M聲發(fā)射傳感器

圖3 凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀

(4) 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

選用的便攜式工控機(jī)CPU為INTEL E5200，內(nèi)存2G，14寸顯示器。

3.2 軟件部分

本文基于LabVIEW開發(fā)出的水輪機(jī)空化聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)軟件主界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)主界面

界面劃分為功能選擇區(qū)、時(shí)域波形顯示區(qū)、頻域波形顯示區(qū)、空化聲發(fā)射特征參數(shù)顯示區(qū)和趨勢分析顯示區(qū)等。它們共同完成如下功能：

(1) 數(shù)據(jù)采集

采用硬件模塊化的方式方便靈活地實(shí)現(xiàn)不同采樣通道數(shù)目和采樣頻率的高速數(shù)據(jù)采集。

該模塊使用了LabVIEW的NI Measurements模板中DAQmx 模塊的各函數(shù)，根據(jù)不同需要可進(jìn)行采集通道、采樣模式、采樣頻率、采樣頻段范圍、門檻值等設(shè)置。如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置界面

2) 信號(hào)處理

本模塊利用LabVIEW 的Signal Processing Suite專用軟件包、函數(shù)和子程序庫，對采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行處理和分析，主要包括數(shù)字濾波、時(shí)域分析、頻域分析、小波分析等。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的反復(fù)對比測試，選定波擊計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù)、能量計(jì)數(shù)、RMS值和中心頻率等5種參數(shù)作為空化聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)。其中，波擊計(jì)數(shù)(hits) 是一通道上一聲發(fā)射信號(hào)的探測與測量和所測得波擊個(gè)數(shù)，可以反映聲發(fā)射活動(dòng)的總量和頻度。事件計(jì)數(shù)是由一個(gè)或幾個(gè)波擊鑒別所得聲發(fā)射事件的個(gè)數(shù)。一般情況下一陣列中，一個(gè)或幾個(gè)波擊對應(yīng)一個(gè)事件。它不僅可以反映聲發(fā)射事件的總量，還可以反映聲發(fā)射事件的頻度。有效值電壓(RMS) 是采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的均方根值，以V表示。與聲發(fā)射的大小有關(guān)。測量簡便，不受門檻的影響。能量計(jì)數(shù)是事件信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積，可以反映事件的相對能量或強(qiáng)度，對門檻、工作頻率和傳播特性不甚敏感，可取代振鈴計(jì)數(shù)，也用于波源的類型鑒別。

(3) 狀態(tài)顯示

狀態(tài)監(jiān)測以數(shù)值監(jiān)測、圖形監(jiān)測、趨勢監(jiān)測等形式反映水輪機(jī)的空化狀態(tài)。數(shù)值形式包括：振鈴計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù)、能量、RMS值和中心頻率等。圖形形式包括：空化聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域圖、頻譜圖、聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢圖等。

(4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

為了便于數(shù)據(jù)讀取后進(jìn)行后處理和管理的方便，本系統(tǒng)把采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)文件的形式直接保存到指定路徑下。文件名以數(shù)據(jù)采集的具體時(shí)間組合命名。數(shù)據(jù)分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)兩種。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要有數(shù)據(jù)采集參數(shù)、聲發(fā)射信號(hào)原始波形等。歷史數(shù)據(jù)主要有按年、月、日等進(jìn)行分檔壓縮存儲(chǔ)的機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)的歷史數(shù)據(jù)和機(jī)組出現(xiàn)異常情況的歷史數(shù)據(jù)，包括提取出的振鈴計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù)、能量、RMS值和中心頻率等。這些數(shù)據(jù)既可用于歷史數(shù)據(jù)回放和故障分析，又可為水電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行提供依據(jù)。

4應(yīng)用實(shí)例

尾水管空腔空化是反擊式水輪機(jī)特有的一種漩渦空化，它發(fā)生在轉(zhuǎn)輪下方的空腔區(qū)域。尤其是反擊式水輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，在轉(zhuǎn)輪后會(huì)產(chǎn)生渦帶，渦帶中心形成負(fù)壓，形成空化。同時(shí)，渦帶會(huì)以低于水輪機(jī)轉(zhuǎn)頻的速度在尾水管中旋轉(zhuǎn)，周期性地撞擊尾水管壁，造成振動(dòng)和噪聲（其中就包括高頻成分的聲發(fā)射信號(hào)），也可能在尾水管進(jìn)口段邊壁引起空蝕。

本次試驗(yàn)選在某小型水電站的3#混流式水輪機(jī)上進(jìn)行。該機(jī)組容量為8000kW，額定流量16.5m3/s，設(shè)計(jì)水頭58 m。因投運(yùn)于20世紀(jì)90年代，且缺乏必要的優(yōu)化運(yùn)行方案和檢修措施，整個(gè)機(jī)組的穩(wěn)定性狀況較差，以往的檢修也證明了尾水管中存在空腔空化與空蝕的破壞。因此，將2套聲發(fā)射傳感器分別布置在緊靠尾水管檢修進(jìn)人孔處和距離進(jìn)人孔1.2m處，如圖6所示。

圖6 聲發(fā)射傳感器布置地點(diǎn)（某水電站尾水進(jìn)人孔）

分別記錄了從機(jī)組帶40%、70%、100%負(fù)荷時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)及其特征參數(shù)。因滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)機(jī)組狀態(tài)較平穩(wěn)，聲發(fā)射信號(hào)的各特征參數(shù)相對較小，可解釋為水流運(yùn)動(dòng)以及撞擊流道產(chǎn)生的噪聲。而在帶70%和40%負(fù)荷時(shí)，采集到的聲發(fā)射信號(hào)及其特征參數(shù)變化明顯，尤其是頻譜中113kHz附近的頻率成分隨著所帶負(fù)荷的減少而不斷增加，而且試驗(yàn)人員在現(xiàn)場的震感較100%負(fù)荷時(shí)越加明顯。表1列出了70%和40%負(fù)荷這兩種工況下的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)。

表1 不同工況下水輪機(jī)尾水空腔空化聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)對比

從表中可以看出，40%負(fù)荷下的各項(xiàng)參數(shù)均比70%負(fù)荷時(shí)大，有些參數(shù)的變化幅度較大，如事件計(jì)數(shù)、波擊計(jì)數(shù)、能量率等，說明前者的聲發(fā)射現(xiàn)象比后者劇烈。這與低負(fù)荷工況下水輪機(jī)流態(tài)惡化、振動(dòng)加劇、空腔空化嚴(yán)重的理論與實(shí)踐結(jié)果是一致的，也在一定程度上反映了本文中開發(fā)出的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、特征參數(shù)提取上的合理性。

因?yàn)樵囼?yàn)條件的限制，未能進(jìn)行更多工況下的聲發(fā)射信號(hào)采集，也由于整個(gè)行業(yè)內(nèi)缺乏有關(guān)聲發(fā)射特征選取的界定標(biāo)準(zhǔn)，所以有關(guān)聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與水輪機(jī)空化發(fā)展程度的對應(yīng)關(guān)系還有待進(jìn)一步的系統(tǒng)的研究。

5結(jié)論

本文基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)出了集數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理于一體的用于水輪機(jī)空化聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測的綜合系統(tǒng)。凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀在完成高速聲發(fā)射信號(hào)采集方面發(fā)揮了重要的作用。從在某水電站現(xiàn)場應(yīng)用的情況來看，采集并分析出的113kHz的高頻成分的變化，反映了該電站中的水輪機(jī)在低負(fù)荷工況下空腔空化的存在。該結(jié)論在一定程度上證明了本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上的合理性，以及在水輪機(jī)空化狀態(tài)監(jiān)測中的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉娟,潘羅平,桂中華,等. 國內(nèi)水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀. 大電機(jī)技術(shù),2010,(2): 45-49.

[2] 王輝斌,吳長利,鄒桂麗, 等.水輪機(jī)故障聲學(xué)診斷技術(shù)研究及其應(yīng)用探討.大電機(jī)技術(shù), 2010,(3): 45-50,54.

[3] Kumar P, Saini R P. Study of Cavitation in Hydro Turbines-A Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(1): 374-383.

[4]徐朝暉,徐東海,吳玉林,陳乃祥,陳仁. 水泵與水輪機(jī)空化狀態(tài)監(jiān)測與診斷的研究進(jìn)展. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2003, 34(1):139-142.

[5]M. Kaye. Cavitation Monitoring of Hydraulic Machines by Vibration Analysis. Southampton: University of Southampton, 2000.

[6] M. Dular, B. Bachert, B. Stoffel, B. Sirok, Relationship Between Cavitation Structures and Cavitation Damage, Wear, 2004,257 (11): 1176–1184.

[7] 蔣代君,陳次昌,張濤,伍超.水力機(jī)械表面空蝕程度的圖像分析.水力發(fā)電學(xué)報(bào),2009, 28(5): 221-224, 40.

[8] 張俊華，張偉，蒲中奇，林良有.軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)空化聲信號(hào)特征研究. 大電機(jī)技術(shù), 2006, (2):57-61.

[9] P. H. Hutton. Detecting Acoustic Emission in Presence of Hydraulic Noise. Non Destructive Testing, 1969, 2(2): 111-115.

[10] J. Z. Sikorska, D. Mba. Challenges and Obstacles in the Application of Acoustic Emission to Process Machinery. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 2008, 222(1): 2041-3009.

[11] 劉忠, 鄒淑云, 晉風(fēng)華, 謝志聰. 聲發(fā)射技術(shù)在水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用研究綜述, 水利水電技術(shù), 2011, 42(2): 49-51.

標(biāo)簽：

分享到：

上一篇：西門子工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在冶...

下一篇：機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)

中國傳動(dòng)網(wǎng)版權(quán)與免責(zé)聲明：凡本網(wǎng)注明[來源：中國傳動(dòng)網(wǎng)]的所有文字、圖片、音視和視頻文件，版權(quán)均為中國傳動(dòng)網(wǎng)(www.wangxinlc.cn)獨(dú)家所有。如需轉(zhuǎn)載請與0755-82949061聯(lián)系。任何媒體、網(wǎng)站或個(gè)人轉(zhuǎn)載使用時(shí)須注明來源“中國傳動(dòng)網(wǎng)”，違反者本網(wǎng)將追究其法律責(zé)任。

本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明其他來源的稿件，均來自互聯(lián)網(wǎng)或業(yè)內(nèi)投稿人士，版權(quán)屬于原版權(quán)人。轉(zhuǎn)載請保留稿件來源及作者，禁止擅自篡改，違者自負(fù)版權(quán)法律責(zé)任。

相關(guān)資訊

技術(shù)熱點(diǎn)