[发明专利]一种离心泵空化诊断的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于流体机械测试方法研究领域，具体涉及一种离心泵空化诊断的方法及其装置。

背景技术

传统的离心泵空化监测方法需要安装压力脉动传感器、振动传感器等较多的装置，测试成本高，安装复杂，且大部分试验现场不具备测试条件。而20世纪70年代兴起的无传感器监测技术可以用于离心泵工况监测。该技术将驱动泵运行的异步电机作为转矩传感器，通过分析电机电信号的时频特征，来提取泵运行状态特征，实现工况监测和汽蚀诊断。该技术可大大降低传统监测方法的成本，简化安装并提高监测结果的准确性和可靠性。

本发明涉及的装置安装在异步电机上，采集电机三相定子电流和电压，利用Hilbert-Huang变换进行电信号时频联合分析，提取出泵运行状态特征，从而推算出泵内是否发生空化。

经检索，离心泵工况监测方法及装置的相关申报专利有：一种基于DSP嵌入式系统的水泵工况监测方法和装置，申请号CN201310176190.8。该发明并没有将采集到的电信号进行时频分析，因此仅能大致推算出泵的工况，具有一定局限性。检测离心泵低流量/气蚀的方法和装置，申请号CN200310103836.6。该发明利用傅里叶变换分析电流信号的频谱，然而傅里叶变换只适用于周期信号和平稳信号，在时域上没有分辨能力，而所需要分析的电流信号是非平稳的瞬变信号，傅里叶分析的结果几乎没有任何现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种离心泵空化诊断的方法及其装置。本发明涉及的装置安装在异步电机上，采集电机三相定子电流和电压，利用Hilbert-Huang变换进行电信号时频联合分析，提取出泵运行状态特征，从而推算出泵内是否发生空化，可简化泵运行实时监测的步骤和装置，适应所有现场测试条件，提高监测结果的可靠性。本发明提供一种通过测量异步电机三相定子电压和电流的DSP(数字信号处理)嵌入式系统。

本发明的技术方案是：一种离心泵空化诊断的方法，包括以下步骤：

步骤S1、通过信号采集模块采集测量离心泵运行时驱动电机瞬态电流和电压信号、离心泵进、出口压力和温度，再通过信号调理模块转化成0-3V电压信号，用于分析计算；

步骤S2、计算出水泵和电机能耗及效率；

步骤S3、对瞬态电流信号进行分析，利用奇异值分解剔除电流中的工频分量；

步骤S4、通过Hilbert-Huang变换分析电流信号；

步骤S5、根据步骤S4所得的Hilbert时频谱和边际谱，计算出反映泵运行工况和空化发生的特征参数；

步骤S6、将提取的信号特征参数与泵额定工况下正常运行时的特征参数进行对比，推算出空化发生的程度，若一阶IMF的有效值和峭度指标，以及边际谱能量最大值超出阈值，则立即发出发生空化的警告；若能耗超出阈值，则发出能耗过高的警告；若效率低于用户最低要求，则发出效率过低的警告。

上述方案中，所述步骤S2中通过以下公式进行计算：

电机输入功率

水泵输入功率与电机输出功率相等

电机效率

泵效率

式中：U为电机电压；I为电机电流；为电机功率因数；ρ为水的密度；g为重力加速度；Q为水泵进口流量；H为水泵扬程；为平均等温系数；为水的平均比热，J·(kg·K)^-1；p₁、p₂分别为泵进、出口截面压强，Pa；为水的平均比容；T₁、T₂分别为泵进、出口温度。

上述方案中，所述步骤S3具体步骤为：

(1)将获得的离散电流信号序列A构造成N×M阶矩阵，假设待测信号是采样间隔为Δt的离散序列{x(n),m＝1,2,…}，其合理周期为T，按照累计误差小于Δt/2的原则确定截取周期的开始位置准连续地截取N行，从而避免截断误差积累问题，令M＝round(T/Δt)，m_k＝round(k T/Δt)，k＝1,2,…，则序列可构造成矩阵：

(2)对矩阵A进行SVD分解，得到一系列奇异值σ_i和对应的子矩阵A_i(由奇异值向量u_i和v_i组成)，每个向量u_i和v_i可构成一直角坐标系，因此矩阵A中的特征信息分量被分解到一系列的正交矢量u_i、v_i构成的子空间中，