一种叶片泵振动状态监测装置及方法与流程

本发明属于数据采集技术领域，具体涉及叶片泵振动状态监测装置及方法。

背景技术：

叶片泵作为一种关键设备，广泛应用于石油化工、冶金、机械、电力以及国防工业部门。随着科学技术的迅速发展，现代工业生产的机械设备正朝着大型化、复杂化、高速化、自动化及大功率方向发展，设备的生产效率越来越高，机械结构也日趋复杂，设备中不同部分之间的相互关系、耦合也更加紧密。随之而来的问题是，一旦关键设备发生故障，不仅是设备受损、生产线停工，会造成巨大经济损失，还可能危及人身安全。

在旋转机械中，振动异常是产生故障的最早表征，一些轻微的机械缺陷或损坏就会引起泵的异常振动，设备状态的信息隐藏在转子振动信号中，包含了设备各种异常或故障的信息，振动参数是提取故障特征的重要指标，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。振动量如果超过允许范围，机械设备将产生较大的动载荷和噪声，从而影响其工作性能和使用寿命，对机械振动的研究已经成为整个行业重视的课题，通过监测这些旋转机械的振动幅度的变化，及时掌握设备的工作状态，最大程度上提高了设备运行的可靠性，给企业带来了极大的经济效益和社会效益。

而当下正是计算机技术、通信技术和智能控制技术高速发展的时期，自动控制领域日新月异，智能仪表、先进的控制系统等层出不穷。传统方法是将振动传感器、计算机、单片机等电子装置应用于水泵测试系统中，水泵监测振动状态的测试精度得到有了极大提高，尽管如此，这种测试系统仍存在着一些问题：

1、测试装置成本较高、操作相对复杂、工作环境复杂，灵活性和适应性较差；

2、各种仪器采用了不同的通讯接口、协议，连接线太多，必然加大计算机对信息的处理速度，程序编写的难度，同时计算机通信接口资源紧张，维护困难。

技术实现要素：

本发明针对传统监测系统仪器仪表众多、成本高、系统庞大且试验数据分析软件接口复杂、连接线太多等问题，提出了一种叶片泵振动状态监测装置及方法，该装置可用于工业现场，准确快速地对叶片泵振动状态进行监测，并判断空化状态；实现本发明的技术方案如下：

一种叶片泵振动状态监测装置，包括信号采集处理传输模块与android客户端，其中信号采集处理传输模块包括电源管理模块、信号采集模块、dsp微处理器模块和无线数据通讯模块，信号采集模块、dsp微处理器模块、无线数据通讯模块依次相连接之后，再与android客户端进行通信，电源管理模块对信号采集模块、dsp微处理器模块、无线数据通讯模块进行供电，信号采集模块采集振动信号传输给dsp微处理器模块，dsp微处理器模块将振动信号的均方根和峰值因子的变化与正常的数值变化对比，判断叶片泵运行状态，可在android客户端上显示与管理。

上述方案中，所述电源管理模块包括供电模块和充电模块，充电模块对锂电池进行充电，充电模块的电路对锂电池进行过压保护，锂电池提供2v以上电压，充电模块、供电模块中的外接供电电源的输入端均连接5v电压。

上述方案中，所述dsp微处理器模块将mese传感器模块的输入信号基于监测叶片泵振动状态进行滤波、变换、分析处理。

上述方案中，所述dsp微处理器模块还包括警报电路，当供电电压低于2v时，信号采集处理传输模块上的警报灯会亮起来。

上述方案中，所述信号采集处理传输模块上的还含有四个显示灯，分别对应四个不同的振动状态级别。

一种叶片泵振动状态监测方法，包括以下步骤：

步骤1)，mese传感器分别放置轴承座和泵脚处上采集振动信号，并将采集的振动信号储存在mese传感器对应的寄存器中；

步骤2)，dsp微处理器读取mese传感器相应寄存器的振动信号，对采集的信号通过汉宁窗做fft频谱分析，计算各个方向不同流量下振动信号的均方根和峰值因子，换算成q～trms和q～c泵特性曲线，并通过无线数据通讯模块发送至android客户端；

步骤3)，android客户端根据泵特性曲线对叶片泵的空化状态进行实时监测，由信号采集处理传输模块上设置的显示灯，判断叶片泵的振动状态级别，再进行相应的操作。

进一步，所述均方根表达式为其中xk为振动信号的测量值，k＝1,2,3,……n。

进一步，所述峰值因子表达式为其中x为试验测得的振动信号，trms表示x的均方根。

进一步，所述步骤3)具体为：android客户端根据泵特性曲线对叶片泵的空化状态进行实时监测，并由信号采集处理传输模块上设置四个显示灯表示四个不同的振动状态级别，当均方根trms<0.71，第一个显示灯亮，代表叶片泵运行状态优良；当均方根0.71<trms<1.8，第二个显示灯亮，代表叶片泵运行状态良好；当均方根1.8<trms<4.5，第三个显示灯亮，代表叶片泵运行状态合格，可以短期运行，当运行结束后，再对泵进行安全检查；当均方根trms>4.5，第四个显示灯亮，代表叶片泵运行状态不合格，应马上停止运行，对泵进行安全检查。

本发明的有益效果为：本发明结合振动信号采集处理分析和无线技术，形成了一种可直接安装在叶片泵测点上的监测装置，该装置可实现泵振动信号采集处理、运行状态分析及信息传输等功能，通过android客户端可显示分析处理结果，实现泵运行状态的实时监测，该装置有效解决了传统监测系统，布线安装不便，成本高的问题，具有较强的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明一种叶片泵振动状态监测装置的整体结构示意图；

图2是本发明一种叶片泵振动状态监测装置的内部结构示意图；

图3是一种叶片泵振动状态监测装置部位测点示意图；

图4是本发明监测装置中电源管理模块的供电模块电路图；

图5是本发明监测装置中电源管理模块的充电模块电路图；

图6是本发明监测装置中mese传感器所在电路示意图；

图7是本发明监测装置中无线数据通讯模块电路示意图；

图8是本发明监测装置中电源管理模块供电状态电路示意图；

图9是本发明监测装置中android客户端界面示意图；

图10是本发明监测装置中android客户端界面滑动按钮流程图；

图11是本发明监测装置中叶片泵振动状态监测的空蚀状态分析图；

图12是本发明监测装置中叶片泵的空化状态与正常状态的泵特性曲线对比图，图12(a)是叶片泵基座方向空化状态与正常状态的q～trms泵特性曲线对比图，图12(b)是叶片泵轴向方向空化状态与正常状态的q～trms泵特性曲线对比图，图12(c)是叶片泵基座方向空化状态与正常状态的q～c泵特性曲线对比图，图12(d)是叶片泵轴向方向空化状态与正常状态的q～c泵特性曲线对比图；

图13是本发明监测装置中android客户端界面实时监测振动状态级别流程图；

其中，1-信号采集处理传输模块；2-android客户端，3-悬架轴承座；4-托架轴承座；5-泵脚。

具体实施方式

本领域普通技术人员将了解，虽然下面的详细说明将参考图示实施例、附图进行实施，但本发明并不仅限于这些实施例，而是，本发明的范围是广泛的，且意在仅通过后附的权利要求限定本发明的范围。

如图1、2所示为叶片泵振动状态监测装置，包括信号采集处理传输模块1与android客户端2，其中信号采集处理传输模块1包括电源管理模块、信号采集模块、dsp微处理器模块、无线数据通讯模块；电源管理模块对信号采集模块、dsp微处理器模块、无线数据通讯模块进行供电，信号采集模块置于叶片泵的悬架轴承座3或托架轴承座4和泵脚5处(图3)。无线数据通讯模块采用nrf24l01，dsp微处理器模块采用stm32f407vet6单片机。将信号采集模块放置在叶片泵的悬架轴承座3或托架轴承座4和泵脚5处，采集叶片泵实时的振动信号，且该信号为模拟信号，由dsp微处理器模块对信号数据进行分析处理，判断叶片泵的实时信息，再将该信息通过无线数据通讯模块传送至android客户端，实现结果的显示与存储，从而对叶片泵的状态进行远程实时监测。

如图4、5所示，电源管理模块包括供电模块和充电模块，供电模块是由锂电池、5v外接供电电源、降压转换芯片tps62260、电阻、电容等组成，锂电池提供2v以上电压，供电模块的输出电压为2v以上，考虑各模块(信号采集模块、dsp微处理器模块、无线数据通讯模块)最低供电电压为1.8v，dsp微处理器模块中的警报电路，其作用是当供电模块的输出电压低于2v，警报灯闪烁起来，提醒需要外接电源对锂电池进行充电，此时才能满足mese传感器及a/d转换器的精度要求，实现dsp微处理器模块对数据的高效存储与运算，保证无线传输的高效运行；充电模块是由外接供电电源、锂电池、电源管理芯片bq24040、电池保护芯片s-8211ccu-i6t1u、电阻、电容等组成，其对锂电池进行充电，充电模块的电路起着稳压、过压保护的作用，保证锂电池正常充电；充电模块、供电模块中的外接供电电源的输入端均连接5v电压。

如图6所示，信号采集模块包括依次相连的mese传感器、调理电路、滤波电路、差动三运放仪表放大器，mese传感器用于采集振动信号，引脚xout、yout和zout分别表示水平方向、垂直方向和轴向，mese传感器测量倾斜感测应用中重力的静态加速度以及由运动、冲击或振动引起的动态加速度，并将其储存在mese传感器相应的寄存器中；由于mese传感器相应寄存器的模拟信号(信号已由电荷量转换为电压量，这种电压量非常微弱，通常只有毫伏级大小)，根据dsp微处理器的处理分析要求，采用同相并联式差动三运放仪表放大器，该放大器使用方便，其放大增益只需外接一只电阻就能达到适合进行a/d转换的电压范围；在mese传感器采集的振动信号中，存在一些噪声信号，为了将其滤除，需要在调理电路中加入滤波电路，基于运算放大器，采用有源滤波方式设计了一个低通滤波电路。

dsp微处理器模块包括警报电路、a/d转换器、振动状态电路。警报电路的作用是检测供电电压的大小，该警报电路是由分压电路和led灯组成的(图8)，利用dsp微处理器模块分析处理，以及显示电源管理模块输出电压是否满足mese传感器及a/d转换器对供电电源精度的要求；dsp微处理器模块的ad转换器功能将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号，转换采用的公式为d＝a/vef*(2ⁿ-1)，其中d为数字信号，a为模拟信号，vef表示参考电压，n表示模数转换adc的位数；dsp微处理器模块再进行数值分析处理，将处理结果传输给振动状态电路和无线数据通讯模块；振动状态电路中，设计四个显示灯分别对应四个不同的振动状态级别，利用dsp微处理器模块对采集的振动信号进行判别，根据数值大小判断振动状态级别，将实时振动状态级别转递给无线数据通讯模块。

如图7所示，无线数据通讯模块的发射信号主要通过dsp微处理器模块的ce、cs、sck等接口引脚来完成，当dsp微处理器模块请求发送数据时，置ce为高电平，此时的接收机地址(android客户端)和有效载荷数据作为主芯片的内部时钟，可用请求协议或dsp微处理器将传输速率调至1mbp/s；置ce为低电平可发出信号，将振动信号分析处理的结果通过无线数据通讯电路模块发送到android客户端。

如图10所示，android客户端，只有正确输入服务器的ip地址，成功完成网络连接之后，才能执行数据监测子界面的功能；完成网络连接之后，可以点击数据监测按钮，根据用户需求进入相应的子界面，包括均方根值的显示和峰值因子的显示，如图9所示：android客户端界面的实现主要是由安卓布局与组件间的协作来完成的，安卓客户端运行后，首先会显示登录界面，只有准确无误地输入账号密码，才能进入控制系统界面，通过线性布局，将登陆界面的文本编辑框及按钮放置在屏幕上。在屏幕中账号密码的提示是通过对软件中两个不同的文本空间的定义，通过对多个文本输入控件的定义来实现账号密码的输入，并定义一个注册新账号按钮及登陆按钮。屏幕中定义的每个控件都有不同的id值，这样有利于在主程序中对控件的调用。如果用户输入了正确的账号密码，通过点击“登陆”，即可进入控制中心界面，但如果不能输入正确的账号密码，则登陆失败；控制界面通过线性布局实现，主要包括峰值因子和振动烈度值(均方差)两个文本控件，在线和离线两个button控件。另外，在每个文本控件后还分别有一个显示数值的文本控件，此控件就是android客户端接收到来自无线数据通讯模块的数据，从而实现对峰值因子和振动烈度值的更新，达到实时更新显示叶片泵振动状态的目的。在线和离线代表两种工作模式，即在线表示正常工作，离线表示关闭系统，在一定程度上降低了功耗。在android客户端开发的程序设计中，指令的下发是通过点击事件监听函数实现的。首先需要对监听函数进行定义，按钮被按下时，程序就会跳转到该函数并执行相应的函数，对点击的事件作出响应。如图9所示，在水泵运行过程中，产生的振动信号频率较高，需要信号采集模块具有高采样率，为了有效解决信号采集模块高采样率与无线数据通讯模块低速无线传输之间的矛盾，采取定时采集、按时发送的方式，具体分析方式是1秒进行1000次中断，1次中断会采集1024个数据，求1000个数据的峰值和均方根，由dsp微处理器模块处理后，将处理结果通过无线数据通讯电路模块发送到android客户端。空化导致振动信号产生较大的峰值，原因主要是流体对空化面产生冲击、流体对表面的破损会产生大量的漩涡反复冲击，以及转子的失衡致使动静摩擦加重。均方根是信号处理中最常见的数据分析方法，主要分析信号的平均有效量，为更好地分析在各个流量下振动信号的稳定情况故采用均方根来表征信号的平均强度，更加形象地观察出信号在各个工况下的振动稳定性，均方根表达式：

其中，xk为振动信号的测量值，k＝1,2,3,……n。

正常情况下基座和轴向两个方向振动信号的均方根相对变化较小，由于空化的产生会产生大量的漩涡，漩涡会对基座方向和轴向方向上进行冲击，使振动均方根增加。

峰值因子(p/r)表示信号的峰值(peak)与均方根(rms)比值关系，峰值为信号的最大值减去信号的最小值，峰值因子表达式：

式中：x为试验测得的振动信号，trms表示x的均方根。

基座方向上：基座方向振动信号峰值比正常更大，而在基座方向上数据的均方根变化并不明显。轴向方向上：振动信号在轴向方向上由于空化的影响产生较大的振动，空化破坏流体进入叶轮的压力场和速度场时，会对叶片产生大量的激振力，并且空化加重流体对叶轮的摩擦，使轴向峰值因子较大。

一种叶片泵振动状态监测方法，包括如下步骤：

步骤1)，叶片泵振动信号采集：mese传感器分别放置悬架轴承座3或托架轴承座4和泵脚5处上采集振动信号，设置mese传感器x轴和y轴的带宽范围为0.5hz-1600hz，z轴的带宽范围为0.5hz-550hz，测量范围为-3g到3g，并将采集的振动信号储存在mese传感器对应的寄存器中。

步骤2)，dsp微处理器模块进行数据接收、分析处理：dsp微处理器直接读取mese传感器相应寄存器的振动信号，对采集的信号通过汉宁窗做fft频谱分析，计算各个方向(基座和轴向)不同流量下振动信号的均方根和峰值因子，换算成q～trms和q～c泵特性曲线，并通过无线数据通讯模块发送至android客户端，如图11；本实施例的试验泵为is-65-50-160型单级离心泵，其基本设计参数如下：流量q＝50m³/h，扬程h＝37m，额定转速n＝2900r/min，比转速ns＝81.5，叶片数z＝6。叶片泵的基座、轴向方向空化状态与正常状态的q～trms和q～c泵特性曲线图对比，如图12(a)、(b)、(c)、(d)所示。

步骤3)，android客户端根据泵特性曲线对叶片泵的空化状态进行实时监测，并由信号采集处理传输模块上设置四个显示灯分别对应四个不同的振动状态级别，当均方根trms<0.71，第一个显示灯亮，代表叶片泵运行状态优良；当均方根0.71<trms<1.8，第二个显示灯亮，代表叶片泵运行状态良好；当均方根1.8<trms<4.5，第三个显示灯亮，代表叶片泵运行状态合格，可以短期运行，当运行结束后，再对泵进行安全检查；当均方根trms>4.5，第四个显示灯亮，代表叶片泵运行状态不合格，应马上停止运行，对泵进行安全检查，如图13。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。