一种离心泵与电机运行状态的监测装置及监测方法与流程
本发明涉及泵、离心泵状态监测领域，具体地涉及一种离心泵与电机运行状态的监测装置及监测方法。
背景技术：
泵作为一种通用的能量转换和流体输送机械，被广泛应用于工业的各个领域。当离心泵运行在不合适的运行状态时会造成低效、流动不稳定甚至故障等。因此，为确保离心泵的安全可靠运行需对离心泵的运行状态实施监测。
目前常用的离心泵状态监测方法主要有振动信号监测法，压力脉动信号监测法。这两种监测方法需要在离心泵上安装振动传感器和压力脉动传感器，以及需要相应的电线、数据采集、传输、分析系统。这些传感器通常具有可靠性低、稳定性差、容易发生故障等特点。而且在有些情况下利用这些传感器进行状态监测很困难，如潜水泵上。
无传感器监测技术是一种相对较新的监测技术，不需要安装额外的加速度传感器。它将感应电动机作为转矩传感器，通过提取并分析电动机输出电流、电压等信号特征来检测电机负载或者电机本身的运行状态。与常规方法相比，无传感器具有以下几个特点：作为一种非侵入的方式，安装方便灵活，只需将嵌入式的霍尔元件集成在泵上就可实现监测；信息集成度高，电机及泵的全部动态信息都可反应在电机定子电流上；价格低廉，性价比高。
国内无传感器监测技术主要用来监测电动机本身的故障而极少用来监测电动机负载的特征。将泵与电机看成一个整体，在输送液体过程中，流体会在叶轮叶片上有个反作用力并形成扭转力矩，这种扭转力矩的特征最终通过转子轴系传递到电机的定子电流中，因此，通过分析电机定子电流特征可实现离心泵运行状态的监测。
发明人在实施本发明实施例的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺陷：关于离心泵与电机运行状态的监测虽可针对多种故障状态进行监测，但是需要监测包括振动、转速等多个变量，现阶段的装置以及监测的成本较大。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对离心泵状态监测问题提供一种离心泵与电机运行状态的监测装置及监测方法，具体技术方案如下：
本发明第一方面公开了一种离心泵与电机运行状态的监测装置，包括：
信号采集模块，包括第一采集单元和第二采集单元，所述第一采集单元用于采集所述电机的定子电流和所述电机的供电电压，所述第二采集单元用于采集所述离心泵的进口压力、进口温度、出口压力和出口温度；
信号调理模块，接收所述信号采集模块采集的物理量转换成电压信号；
信号处理模块，接收所述电压信号并进行分析运算，所述信号处理模块包括第一运算单元和第二运算单元，所述第一运算单元用于计算所述离心泵的效率，所述第二运算单元用于计算所述电机的定子电流的总谐波失真；
信号存储模块，用于存储所述信号处理模块的运算结果；
人机交互模块，分别与所述信号存储模块和所述信号采集模块相连，用于获取并显示所述信号存储模块的数据以及控制所述信号采集模块的采集过程。
进一步地，所述第一采集单元包括霍尔电流传感器和霍尔电压传感器，
所述霍尔电流传感器与所述信号调理模块相连，且所述霍尔传感器具有霍尔环，用于供所述电机的供电线穿过以测得所述电机的定子电流；
所述霍尔电压传感器与所述信号调理模块相连，且所述霍尔电压传感器用于采集所述电机的供电电压。
进一步地，所述第二采集单元包括第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度传感器和第二温度传感器，
所述第一压力传感器一端与所述离心泵相连，另一端与所述信号调理模块相连，所述第一压力传感器用于监测所述离心泵的进口压力；
所述第二压力传感器一端与所述离心泵相连，另一端与所述信号调理模块相连，所述第二压力传感器用于监测所述离心泵的出口压力；
所述第一温度传感器一端与所述离心泵相连，另一端与所述信号调理模块相连，所述第一温度传感器用于监测所述离心泵的进口温度；
所述第二温度传感器一端与所述离心泵相连，另一端与所述信号调理模块相连，所述第二温度传感器用于监测所述离心泵的出口温度。
进一步地，所述信号调理模块包括信号隔离电路、抗混叠滤波电路和高频滤波电路。
本发明第二方面提供一种离心泵与电机运行状态的监测方法，其特征在于，利用上述所述的监测装置，包括以下步骤：
步骤一、电机带动离心泵运行，通过信号采集模块采集所述电机的定子电流、所述电机的供电电压、所述离心泵的进口压力、所述离心泵的进口温度、所述离心泵的出口压力和所述离心泵的出口温度；
步骤二、信号调理模块将所述信号采集模块的采集数据转换为电压信号并传输至信号处理模块；
步骤三、所述信号处理模块根据所述信号调理模块的所述电压信号计算所述电机的效率、所述离心泵的效率和所述电机的定子电流的第一总谐波失真；
步骤四、根据所述第一总谐波失真值与所述离心泵在额定工况下正常运行时的第二总谐波失真值进行对比，推算所述离心泵偏离设计工况点的程度；
步骤五、通过信号存储单元记录各个工况点的所述电机的能耗、所述第一总谐波失真和所述离心泵的效率，并显示在人机交互模块用于判断所述离心泵与电机运行状态的变化情况。
进一步地，在所述步骤三中，所述电机的定子电流的第一总谐波失真计算过程包括：
s101、对所述电机的定子电流的电压信号进行归一化处理，
s102、将所述归一化处理的数据用奇异值分解剔除电流中的电网工频分量；
s103、对所述奇异值分解处理后的信号进行谐波分析，计算所述奇异值分解处理后的信号的第一总谐波失真值。
进一步地，所述s101中对所述电机的定子电流的电压信号进行归一化处理具体为，
将获得的离散电流信号构成一个列矩阵x，然后对x根据归一化处理公式作所述归一化处理以消除不同工况下对应的电流幅值不同带来的影响，得到xnorm；
所述归一化处理公式为：
其中，x为原始值，xmax为原始列矩阵中的最大值，xmin为原始列矩阵中最小值。
进一步地，所述s102中将所述归一化处理的数据用奇异值分解剔除电流中的电网工频分量包括：
s1021、将归一化后的电流信号序列{xk，k＝1,2,…}进行重构成n×m型矩阵a，
所述矩阵a中每一行的长度为电流信号的一个周期，其中m＝1,2,…；
s1022、将重构后的所述矩阵a进行所述奇异值分解，得到一系列的奇异值σi和对应的子矩阵ai，所述子矩阵ai由奇异值向量ui和vi组成；
s1023、电流信号分析中所述矩阵a的分解使得反映所述离心泵运行状态的特征分量和所述电网工频分量被分解到不同的子空间中，第一子空间对应着所述电网工频的电流分量，所述电网工频分量表示为矩阵
去除所述矩阵a中的所述矩阵
进一步地，所述第一总谐波失真的计算公式为：
式中，a1为基频幅值，a2为二次谐波的幅值，a3为三次谐波幅值，an为第n次谐波的幅值，thd为第一总谐波失真。
进一步地，所述电机的效率计算公式为：
式中，i为电机电流，u为电机电压，
所述离心泵的效率计算公式为：
式中，
相比于现存的技术，本发明的优点在于：
本发明借助于霍尔传感器来监测电机电压、电流信号，是一种非入侵式的监测方式，可在不接近运行设备的状态下监测离心泵的运行状态，且霍尔传感器的安装十分方便。
相对于其他监测方法，利用霍尔传感器测得定子电流实现离心泵运行状态的监测的方法价格更低，与离心泵运行状态相关的信息都会经过轴系系统传递到电机上，最终反映在电机的轴上，具有较高的信息集成度。
通过归一化处理，消除因工况不同对定子电流幅值产生的影响，有助于后面的谐波分析。借助于svd分解法消除了电网工频分量，可实现弱信号的提取。分析电流的总谐波失真值可反映离心泵转矩的波动程度，从而反映泵的运行状态的稳定程度，具有较高的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中实施方式离心泵与电机运行状态的监测装置示意图；
图2为本发明中实施方式的信号分析处理流程图；
图3为本发明中svd分解法消除电网工频的流程图；
图4为本发明中总谐波失真变化趋势示意图。
图中，1、第一压力传感器；2、第一温度传感器；3、第二压力传感器；4、第二温度传感器；5、电机；6、离心泵；7、霍尔电流传感器；8、霍尔电压传感器；9、人机交互模块；10-信号采集模块；11-信号调理模块；12-信号处理模块；13-信号存储模块；14-储罐。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本发明实施例提供一种离心泵的运行状态监测装置及监测方法，具体参见附图1-4作进一步说明。
实施例一：
如图1所示，一种离心泵与电机运行状态的监测装置，包括：
信号采集模块10，包括第一采集单元和第二采集单元，所述第一采集单元用于采集所述电机5的定子电流和所述电机5的供电电压，所述第二采集单元用于采集所述离心泵6的进口压力、进口温度、出口压力和出口温度；
信号调理模块11，接收所述信号采集模块10采集的物理量转换成电压信号，在可能的实施方式中，所述电压信号为0-5v；
信号处理模块12，接收所述电压信号并进行分析运算，所述信号处理模块12包括第一运算单元和第二运算单元，所述第一运算单元用于计算所述离心泵6的运行效率，所述第二运算单元用于计算所述电机5的定子电流的总谐波失真；
信号存储模块13，用于存储所述信号处理模块12的运算结果；
人机交互模块9，分别与所述信号存储模块13和所述信号采集模块10相连，用于获取并显示所述信号存储模块13的数据以及控制所述信号采集模块10的采集过程。
在一些实施例中，所述信号处理模块12中预设有已经写好的程序来处理和分析信号。具体的，所述信号处理模块12中写好的程序对所述信号调理模块11传递过来的定子电流对应信号先进行归一化处理，再进行奇异值(svd)分解，最后进行总谐波失真(thd)计算；所述信号处理模块12中还通过预设程序对所述信号调理模块11传递过来的压力和温度对应的信号进行运算得到所述离心泵6的运行效率。计算得到的thd值与离心泵6的运行效率都将存储至所述信号存储模块13。
在可能的实施方式中，所述第一运算单元基于matlab程序对信号调理模块11传送过来的数据进行奇异值分解除去电网工频对应的电流分量，从而计算所述离心泵6的运行效率。
在可能的实施方式中，所述第二运算单元基于labview程序计算所述电机5的定子电流的总谐波失真。
在一些实施例中，所述第一采集单元包括霍尔电流传感器7和霍尔电压传感器8，所述霍尔电流传感器7与所述信号调理模块11相连，且所述霍尔传感器具有霍尔环，用于供所述电机5的供电线穿过以测得所述电机5的定子电流；具体的，所述霍尔电流传感器7是将电机5的电线穿过霍尔电流传感器7，霍尔电流传感器7中即可因为霍尔效应产生感应电流从而测得所需电流，产生的感应电流输出一端与所述信号调理模块11相连。
在一些实施例中，所述霍尔电压传感器8与所述信号调理模块11相连，且所述霍尔电压传感器8用于采集所述电机5的供电电压。具体的，所述电机5采用三相异步电动机，所述霍尔电压传感器8的一个输入端接三相异步电动机的地线，另一个输入端接另外两相中一相即可测得电机5的瞬态电压，输出端与信号调理模块11相连。
在一些实施例中，所述第二采集单元包括第一压力传感器1、第二压力传感器3、第一温度传感器2和第二温度传感器4，
所述第一压力传感器1一端与所述离心泵6相连，另一端与所述信号调理模块11相连，所述第一压力传感器1用于监测所述离心泵6的进口压力；
所述第二压力传感器3一端与所述离心泵6相连，另一端与所述信号调理模块11相连，所述第二压力传感器3用于监测所述离心泵6的出口压力；
所述第一温度传感器2一端与所述离心泵6相连，另一端与所述信号调理模块11相连，所述第一温度传感器2用于监测所述离心泵6的进口温度；
所述第二温度传感器4一端与所述离心泵6相连，另一端与所述信号调理模块11相连，所述第二温度传感器4用于监测所述离心泵6的出口温度。
在一些实施例中，所述信号调理模块11包括信号隔离电路、抗混叠滤波电路和高频滤波电路。
在一些实施例中，所述监测装置还包括电源模块，所述电源模块除了给三相异步电动机供电外还分别与所述信号采集模块10、所述信号调理模块11、所述信号处理模块12及所述人机交互模块9相连。
在一些实施例中，所述人机交互模块9会按照时间顺序将所述离心泵6的运行效率和所述总谐波失真显示出来，即显示监测结果。
本发明中的装置中的霍尔电流传感器7、霍尔电压传感器8安装在电机5接线上，采集电机5的定子电流、电压。对采集到的定子电流信号进行归一化处理和奇异值分解以剔除电网工频分量后，计算定子电流的总谐波失真值，依据定子电流总谐波失真值(thd)来判断离心泵6的运行状态，其中奇异值分解能够提取能反应离心泵6转矩波动的弱电流信号。
实施例二：
一种离心泵与电机运行状态的监测方法，利用上述所述的监测装置，包括以下步骤：
步骤一、电机带动离心泵运行，通过信号采集模块采集所述电机的定子电流、所述电机的供电电压、所述离心泵的进口压力、所述离心泵的进口温度、所述离心泵的出口压力和所述离心泵的出口温度。
在一些实施例中，所述电机采用三相交流电源供电。
步骤二、信号调理模块将所述信号采集模块的采集数据转换为电压信号并传输至信号处理模块。具体的，所述信号调理模块把测得的相应的信号转换成0-5v的直流电压信号并传输至所述信号处理模块。
步骤三、所述信号处理模块根据所述信号调理模块的所述电压信号计算所述电机的运行效率、所述离心泵的运行效率和所述电机的定子电流的第一总谐波失真。
在一些实施例中，所述步骤三中，所述电机的定子电流的第一总谐波失真计算过程包括：
s101、对所述电机的定子电流的电压信号进行归一化处理，
s102、将所述归一化处理的数据用奇异值分解剔除电流中的电网工频分量；
s103、对所述奇异值分解处理后的信号进行谐波分析，计算所述奇异值分解处理后的信号的第一总谐波失真值。
在可能的实施方式中，所述信号处理模块基于matlab程序对信号调理模块传送过来的数据进行奇异值分解除去电网工频对应的电流分量。
在可能的实施方式中，所述信号处理模块基于labview程序计算所述电机的定子电流的总谐波失真。
在一些实施例中，所述信号调理模块包括信号隔离电路、抗混叠滤波电路和高频滤波电路。
步骤四、根据所述第一总谐波失真值与所述离心泵在额定工况下正常运行时的第二总谐波失真值进行对比，推算所述离心泵偏离设计工况点的程度。
步骤五、通过信号存储单元记录各个工况点的所述电机的能耗、所述第一总谐波失真和所述离心泵的运行效率，并显示在人机交互模块9用于判断所述离心泵与电机运行状态的变化情况。从而实现离心泵与电机运行状态的监测，为实现及时控制提供指导。
在一些实施例中，所述s101中对所述电机的定子电流的电压信号进行归一化处理具体为，将获得的离散电流信号构成一个列矩阵x，然后对x根据归一化处理公式作所述归一化处理以消除不同工况下对应的电流幅值不同带来的影响，得到xnorm；
所述归一化处理公式为：
其中，x为原始值，xmax为原始列矩阵中的最大值，xmin为原始列矩阵中最小值。
在一些实施例中，所述s102中将所述归一化处理的数据用奇异值分解剔除电流中的电网工频分量包括：
s1021、将归一化后的电流信号序列{xk，k＝1,2,…}进行重构成n×m型矩阵a，
所述矩阵a中每一行的长度为电流信号的一个周期，其中m＝1,2,…；优选的，因每隔0.0001秒采样一次，三相电的频率为50hz，所以每200个元素对应为电流信号的一个周期，因此这里m可以选取200个元素；
s1022、将重构后的所述矩阵a进行所述奇异值分解，得到一系列的奇异值σi和对应的子矩阵ai，所述子矩阵ai由奇异值向量ui和vi组成；由于每个向量ui和vi可构成一个直角坐标系，因此矩阵a的特征信息分量被分解到一系列的正交矢量ui和vi构成的子空间中；
s1023、电流信号分析中所述矩阵a的分解使得反映所述离心泵运行状态的特征分量和所述电网工频分量被分解到不同的子空间中，第一子空间对应着所述电网工频的电流分量(具体地，因在这些子空间中，第一子空间的幅值远超其他子空间，因此对应着电网工频的电流分量)，所述电网工频分量表示为矩阵
去除所述矩阵a中的所述矩阵
在一些实施例中，所述第一总谐波失真的计算公式为：
式中，a1为基频幅值，a2为二次谐波的幅值，a3为三次谐波幅值，an为第n次谐波的幅值，thd为第一总谐波失真。所述第一总谐波失真反映的是谐波总量与基频分量的比值，所述电机定子电流中的谐波主要是由于所述离心泵内流动不稳定产生的转矩波动导致，当所述离心泵内的流动不稳定程度增强时将导致谐波含量增加，最终导致thd值增大。
在一些实施例中，所述电机的输入功率由以下公式计算：
式中，i为电机电流，u为电机电压，
所述离心泵的输入功率与所述电机输出功率相等，即可用以下公式计算：
式中，ρ为水的密度，g为重力加速度，q为离心泵进口流量，h为离心泵扬程，
推算得出所述电机的运行效率计算公式为：
式中，i为电机电流，u为电机电压，
所述离心泵的运行效率计算公式为：
式中，
如图4所示，给出了一种总谐波失真和离心泵的运行效率随着离心泵进口流量变化趋势示意图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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