一种离心泵空化监测装置的制作方法

本发明涉及一种监测装置，尤其是一种离心泵空化监测装置。

背景技术：

空化是指当液体中的压力降低到当前温度的临界汽化压力以下时，液体发生汽化形成空泡，这些空泡形成和发展的状态称为空化。离心泵中，空化现象的发生主要集中在叶轮叶片进口处，空化发生时液体的能量交换受到干扰和破坏，引起泵运行特性改变、振动噪声、材料侵蚀、结构破坏等一系列问题，严重时会使泵液流中断，不能正常工作。因此对离心泵内空化情况的掌握对泵的安全、稳定、高效运行具有重要意义，而基于超声波传感器监测离心泵空化状况是一种有效的方法。

现有监测离心泵空化初生的方法主要有噪声测量法、压力测量法、振动测量法和高速摄影法。由于空化发生发展的过程很短，而且在整个工作范围内都可能发生，因此空化很难预测。预防空化最好的办法就是建立空化监测系统，对其运行状态进行全程实时监测，及时发现并防止空化的发生和发展。国内外很多学者对空化的监测进行了大量的研究，但其研究对象大都集中在水轮机模型及其原型机，监测方法也主要以高速摄影法和振动法为主。

泵的空化性能检测方面，国内外方法很多，主要有振动法、电测法、压力脉动法、能量法和噪声法等。虽然已有在线检测系统投入工业应用，但由于空化信号提取难度大、检测灵敏度低、缺乏定量分析等不足，使得这些研究成果并没有得到大范围的推广。现有在线检测系统对空化发生的机理、影响因素以及破坏作用都未完全弄清楚，而且还不能准确检测到空化初生。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种更好的预测空化初生，对空化过程进行全程实时监测，从而根据监测结果能及时发现并防止空化发生和发展的离心泵空化监测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种离心泵空化监测装置，包括：

若干空化监测单元，该空化监测单元为超声波换能器，该超声波换能器包括有功率小于10w的发射端、及与发射端相配合的接收端，该接收端用于接收来自发射端方向的超声波信号、且将所接收到的超声波信号转化为声波模拟信号；

放大器，用于接收放大声波模拟信号；

A/D转换器，用于将放大后的初级模拟信号转换成声波数字信号；

微处理器，用于接收判断来自A/D转换器的声波数字信号、并输出相应的反馈信号；

输出单元，受控于微处理器、并显示所接收到的反馈信号。

本发明的有益效果是：使传统传感器的功能由以往的“信息检测”作用扩展到兼具“信息处理”的功能，发射端和接收端分别安于泵管路上，利用超声波接收端采集信号，并适当放大后交给具有A/D转换及数据处理能力的微处理器实现数字滤波、模糊识别及分辨率选择等，它能自动适应环境温度、安装差异等因素导致的信号变化，避免误报。之所以选用超声波换能器，是因为超声波对液体、固体的穿透本领很大，且当碰到杂质或分界面会产生显著反射，相应地超声波接收端接收到的信号就明显减弱，故反应敏感准确，降低误判。另外，相对于红外传感器的性能，超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。由于传统应用中，超声波是用于产生空化的触发器之一，常见的用途是，通过空化达到物件表面清洗的功能，因此，没人会想到、也得不到用超声波去监测流体中空化情况的启示。之所以本发明能使用超声波达到空化监测，是因为申请人通过理论分析和实际操作得到，超声波换能器的发射端的功率低于10w时，流体并不会因为超声波的存在而产生超声空化，因此，取一个合理功率范围就是能实现监测，而具体功率如何选取，取决于所安装管路的材质、厚度、流体成分、粘度等，只需要根据环境进行调整即可，并不影响本发明目的的实现。

微处理器内预设有常规管路内空化的阀值信号，还包括：计时单元，用于记录各空化监测单元感应到空泡时的时间、且与微处理器通过线路连接；对比单元，用于比较声波数字信号与阀值信号的能量大小、并将超过阀值信号能量的声波数字信号传输给微处理器。计时单元监测空泡流速变化，经对比单元与正常管路内液体存在气泡流动情况进行比较，从而监测空化发展情况。其中，计时单元主要通过各空化监测单元感应到空泡的时间差，相应的显示出空泡流速的变化，泵管路流量的变化同样间接反映空化的发展；对比单元将正常管路中空化的阀值与声波数字信号进行对比，从而更为深入地反映空化发展。

离心泵空化监测装置还包括有：灵敏度调节单元，用于调节所述阀值信号大小、且与微处理器通过线路连接。针对不同的泵管路，需要调节空泡的灵敏度阈值(即阀值信号)，控制监测空化产生范围。主要手段是液体中产生空泡的大小会直接引起比较器输出端低电平持续时间的改变，调节分频系数就能改变计数器的溢出时间，也就能调节空泡灵敏度阈值。

离心泵空化监测装置还包括有监测管道，各超声波换能器沿监测管道长度方向依次排布，且超声波换能器的发射端和接收端对应地安装于监测管道的周侧。由于管路表面情况各不一样，为了提高监测的精度和准确性，故使得离心泵空化监测装置自带有监测管道，只需要将监测管道串接于泵管路中即可。这样操作，可以避免因为不同管路材质和厚度增加阀值信号的调整难度，使得操作更加方便，准确性也更高。

进一步优选方案：发射端的功率为5w。既可以保证

附图说明

图1为本发明实施例的系统框图。

图2为本发明实施例的灵敏度调节单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本实施例包括微处理器1、若干空化监测单元、放大器31、A/D转换器32和输出单元(未画出)。空化监测单元为超声波换能器，该超声波换能器2包括有功率为5w的发射端21、及与发射端21相配合的接收端22，该接收端22用于接收来自发射端21方向的超声波信号、且将所接收到的超声波信号转化为声波模拟信号；放大器31用于接收放大声波模拟信号；A/D转换器32用于将放大后的初级模拟信号转换成声波数字信号；微处理器1用于接收判断来自A/D转换器32的声波数字信号、并输出相应的反馈信号。输出单元受控于微处理器1、并显示所接收到的反馈信号，该输出单元1可采用显示器或图谱打印机等其他任何能实现信息输出的设备。微处理器可以为单片机，可采用日本NEC8位高性能单片机NEC 78K0/Kx1+系列；或者其他任何具有计算处理功能的微机。

微处理器1内预设有常规管路内空化的阀值信号，本实施例还包括计时单元41和对比单元42，计时单元41用于记录各空化监测单元感应到空泡时的时间、且与微处理器1通过线路连接；对比单元42用于比较声波数字信号与阀值信号的能量大小、并将超过阀值信号能量的声波数字信号传输给微处理器1。计时单元41监测空泡流速变化，经对比单元42与正常管路内液体存在气泡流动情况进行比较，从而监测空化发展情况。其中，计时单元41主要通过各空化监测单元感应到空泡的时间差，相应的显示出空泡流速的变化，泵管路流量的变化同样间接反映空化的发展；对比单元42将正常管路中空化的阀值与声波数字信号进行对比，从而更为深入地反映空化发展。直流稳压电源为超声波换能器提供能量，根据本接收端的特点只需要约几十伏电压就够了，一般可以选择在安全电压以内，选取电路中的限流电阻，用以限定超声波能量，脉冲产生电路产生一定频率方波，供给波形变换与驱动电路，这里的脉冲频率应该与压电晶片的共振频率一致，当加到两端交流电压的频率与晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。接收用超声波换能器2中，接收端22的共振频率应该与发射端21一致，它接收来自穿过管壁、空气隙以及液体后衰减了的超声波信号，这个信号较微弱，经二极管双向限幅后送给高输入阻抗的比较器芯片，经与参考电压比较产生脉冲信号，以识别出液体中是否混有气泡。

本实施例还包括有灵敏度调节单元5，该灵敏度调节单元5用于调节阀值信号大小、且与微处理器1通过线路连接。针对不同的泵管路，需要调节空泡的灵敏度阈值(即阀值信号)，控制监测空化产生范围。主要手段是液体中产生空泡的大小会直接引起比较器输出端低电平持续时间的改变，调节分频系数就能改变计数器的溢出时间，也就能调节空泡灵敏度阈值。如图2所示，灵敏度调节单元5即灵敏度调节电路，灵敏度调节电路中时钟振荡51电路产生时钟信号，经可编程分频器后送到二进制加法脉冲计数器的时钟端，而超声波检测52电路检测到的超声波脉冲信号加在该脉冲计数器的“清零”端。液体中混入单个空泡的大小会直接引起比较器输出端低电平持续时间的改变，调节可编程分频器的分频系数就能改变加法计数器溢出时间，也就能调节气泡灵敏度阈值，控制监测空化初生产生的范围。有需要的时候还可以通过报警触发55电路进行报警。

为了提高监测精度和准确性，避免因为不同管路材质和厚度增加阀值信号的调整难度，本实施例还包括有监测管道6，各超声波换能器2沿监测管道长度方向依次排布，且超声波换能器2的发射端21和接收端22对应地安装于监测管道6的周侧。

本发明中，使超声波传感器的功能由以往的“信息检测”作用扩展到兼具“信息处理”的功能，此为其最大特点。另外，不同于其他检测方式，它属于无接触式检测，对实验的影响更小，增强实验结果的准确性。发射端21和接收端22分别安于泵管路上，利用超声波接收端22采集信号，并适当放大后交给具有A/D转换及数据处理能力的微处理器1实现数字滤波、模糊识别及分辨率选择等，它能自动适应环境温度、安装差异等因素导致的信号变化，避免误报。之所以选用超声波换能器，是因为超声波对液体、固体的穿透本领很大，且当碰到杂质或分界面会产生显著反射，相应地超声波接收端22接收到的信号就明显减弱，故反应敏感准确，降低误判。此外，通过利用内部定时器产生工作脉冲、扩展总线实现数据交换等技术，可以减少其他外围芯片使用量、减小体积、提高性价比、增强抗干扰能力，利用该方法可以提前预防离心泵的空化初生。