燃气轮机状态数据采集仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种燃气轮机状态数据采集仪，涉及燃气轮机的控制装置技术领域。所述采集仪包括数据处理模块、触摸屏、光耦电平转换模块、振动信号测量模块、高速AD模块、转速信号测量模块、比较器、温度信号测量模块、接口模块、电源模块以及存储模块。所述采集仪可对燃气轮机的温度、转速、振动量等数据进行实时采集，与上位机具备良好的通讯功能，操作简单，使用方便。
【专利说明】
燃气轮机状态数据采集仪
技术领域
[0001]本实用新型涉及燃气轮机的控制装置技术领域，尤其涉及一种燃气轮机状态数据采集仪。
【背景技术】
[0002]燃气轮机(GasTurbine)是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，只有压气机(Compressor)、燃烧室(Combustor)和燃气透平(Turbine)这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、起动快、少用或不用冷却水等一系列优点。压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高;压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气;然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。从透平中排出的乏气排至大气自然放热。这样，燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能，又把部分热能转变成机械能。
[0003]燃气轮机温度、振动、转速等环境参数的监控很是重要，燃气轮机工作环境参数的合理对于燃气轮机正常工作、减少故障、保持使用寿命有重要意义。而现有技术的燃气轮机大多注重在燃气轮机性能上改进，却很少注重其工作状况的有效监控、定量监控和系统监控，燃气轮机工作存在很大安全风险和经济风险。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种燃气轮机状态数据采集仪，所述采集仪可对燃气轮机的温度、转速、振动量等数据进行实时采集，与上位机具备良好的通讯功能，操作简单，使用方便。
[0005]为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是:一种燃气轮机状态数据采集仪，其特征在于:包括数据处理模块、触摸屏、光耦电平转换模块、振动信号测量模块、高速AD模块、转速信号测量模块、比较器、温度信号测量模块、接口模块、电源模块以及存储模块;所述触摸屏与所述数据处理模块双向连接，用于输入和显示数据；启动信号与所述光耦电平转换模块的信号输入端连接，所述光耦电平转换模块的输出端与所述数据处理模块的信号输入端连接，振动信号与所述振动信号测量模块的输入端连接，所述振动信号测量模块的输出端经所述高速AD模块与所述数据处理模块的信号输入端连接，用于将采集的振动信号进行相应变换后输出给数据处理模块进行计算和处理;转速信号与所述转速信号测量模块的信号输入端连接，所述转速信号测量模块的输出端经所述比较器后与所述数据处理模块的信号输入端连接，用于将采集的转速信号进行相应变换后输出给数据采集模块进行计算和处理;温度信号与所述温度信号测量模块的信号输入端连接，所述温度信号测量模块的输出端与所述数据处理模块的信号输入端连接，用于将采集的温度信号进行相应变换后输出给数据采集模块进行计算和处理;所述接口模块与所述数据处理模块的相应端口双向连接，用于实现所述数据采集仪与相应的外围设备连接;所述存储模块与所述数据采集模块的数据存储和读取端口连接，用于存储数据;所述电源模块与所述采集仪中需要供电的模块的电源输入端连接，用于提供工作电源。
[0006]进一步的技术方案在于:所述数据处理模块包括相互之间双向连接的FPGA和DSP。
[0007]进一步的技术方案在于:所述存储模块包括FLASH存储器和SDRAM存储器。
[0008]进一步的技术方案在于:所述接口模块包括与所述FPGA双向连接的CAN总线接口模块和USB接口模块以及与DSP连接的SATA接口模块。
[0009]进一步的技术方案在于:所述温度信号测量模块包括电感LI和L5，温度信号的一个输入端经电感LI与MAX31855的2脚连接，温度信号的另一个输入端经电感L5与所述MAX31855的3脚连接;MAX31855的I脚接地，2脚经电阻R72接地，3脚经电容C131接地，4脚接电源VCC，5脚-7脚接所述数据处理模块的相应端口，8脚悬空;所述温度测量模块的输入端设有滤波电容Cl 15。
[0010]进一步的技术方案在于:所述转速信号测量模块包括测速信号输入级电路和测速信号传输级电路。
[0011]进一步的技术方案在于:所述测速信号输入级电路的一个输入端分为两路，第一路与插头J6的一端连接，第二路经电阻R92后又分为两路，其中第一路与电容Clll的一端连接，第二路经电容C116后接地;所述测速信号输入级电路的另一个输入端分为两路，第一路经电阻RlOl接地，第二路与插头J6的另一端连接；电容Cl 11的另一端分为三路，第一路经二极管D6后分为三路，其中第一路经电容C123接电源，第二路经电阻RlOO接电源，第三路经稳压二极管D16后接地;第二路经二极管D2后分为三路，其中第一路经电容C124接电源，第二路经电阻R89接电源，第三路经稳压二极管D12后接地。
[0012]进一步的技术方案在于:所述测速信号传输级电路包括芯片U24，所述芯片U24使用UA747MJ，所述测速信号传输级电路的输入端经电阻R94后接所述U24的I脚，所述U24的2脚经电阻R95接地，3、5-10以及13-14脚悬空，所述U24的4脚接-15V电源，所述U24的11脚接+15V电源，滑动变阻器WRl的两端分别与所述U24的I脚以及12脚连接，所述U24的12脚经电阻R96与比较器U21-A的反相输入端连接，所述比较器U21-A的正相输入端经电阻R97接地，所述比较器U21-A的反相输入端上设有滤波电容C106和二极管D10，所述比较器U21-A的输出端为所述测速信号传输级电路的输出端。
[0013]进一步的技术方案在于:所述振动信号测量模块包括恒流源电路和振动传感器保护电路，所述恒流源电路的输入端经插头J4后分为三路第一路经电阻RT1、电容C104后接地，第二路经快速恢复二极管Dl后接+24V电源，所述快速恢复二极管Dl使用PH2955T，第三路依次经电容C105、电阻RT2后与比较器U12-5的正相输入端连接，所述电容C105的一端经电阻RT3后接地，所述电容Cl 05的另一端经电阻RT4后接地，所述比较器Ul 2_5的反相输入端的第一路经电阻RT5后接地，第二路经电阻RT6后接比较器U12-5输出端，所述比较器U12-5输出端为所述恒流源电路的输出端，且该输出端上设有滤波电容C101。
[0014]进一步的技术方案在于:所述振动传感器保护电路包括芯片U20，所述芯片U20使用LM339，所述芯片U20的I脚与7脚连接，+24电源经电阻R90后分为两路，第一路与芯片U20的5脚连接;第二路经电阻R91后又分为两路，其中，第一路与芯片U20的2脚连接，第二路经电阻R92后接地;芯片U20的3脚与6脚连接，且芯片U20的3脚为所述振动传感器保护电路的信号输入端;芯片U20的4脚接地;+24电源依次经电阻R93、发光二极管Dll后接+24电源的7脚;+芯片U20的8脚接+24电源。
[0015]采用上述技术方案所产生的有益效果在于:所述采集仪是基于信号采集板卡和计算机数字信号采集、分析的系统，能够准确的对整机振动、温度、转速故障进行分析和提取；所述采集仪具备良好的与上位机通讯功能以及操作简单快捷的人机交互界面;采集仪具备抗干扰能力强的特点，可作为特殊工作环境设备的故障检测仪器，为设备故障的检测、判断与分析提供可靠的数据。
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型的原理框图；
[0017]图2是本实用新型中温度信号测量模块的原理图；
[0018]图3是本实用新型中测速信号输入级电路的原理图；
[0019]图4是本实用新型中测速信号传输级电路的原理图；
[0020]图5是本实用新型中恒流源电路的原理图；
[0021 ]图6是本实用新型中振动传感器保护电路的原理图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0023]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
[0024]如图1所示，本实用新型公开了一种燃气轮机状态数据采集仪，包括数据处理模块、触摸屏、光耦电平转换模块、振动信号测量模块、高速AD模块、转速信号测量模块、比较器、温度信号测量模块、接口模块、电源模块以及存储模块;优选的，所述数据处理模块包括相互之间双向连接的FPGA和DSP;所述存储模块包括FLASH存储器和SDRAM存储器;所述接口模块包括与所述FPGA双向连接的CAN总线接口模块和USB接口模块以及与DSP连接的SATA接口丰旲块。
[0025]所述触摸屏与所述数据处理模块双向连接，用于输入和显示数据；启动信号与所述光耦电平转换模块的信号输入端连接，所述光耦电平转换模块的输出端与所述数据处理模块的信号输入端连接，振动信号与所述振动信号测量模块的输入端连接，所述振动信号测量模块的输出端经所述高速AD模块与所述数据处理模块的信号输入端连接，用于将采集的振动信号进行相应变换后输出给数据处理模块进行计算和处理;转速信号与所述转速信号测量模块的信号输入端连接，所述转速信号测量模块的输出端经所述比较器后与所述数据处理模块的信号输入端连接，用于将采集的转速信号进行相应变换后输出给数据采集模块进行计算和处理;温度信号与所述温度信号测量模块的信号输入端连接，所述温度信号测量模块的输出端与所述数据处理模块的信号输入端连接，用于将采集的温度信号进行相应变换后输出给数据采集模块进行计算和处理;所述接口模块与所述数据处理模块的相应端口双向连接，用于实现所述数据采集仪与相应的外围设备连接;所述存储模块与所述数据采集模块的数据存储和读取端口连接，用于存储数据;所述电源模块与所述采集仪中需要供电的模块的电源输入端连接，用于提供工作电源。
[0026]所述采集仪是基于信号采集板卡和计算机数字信号采集、分析的系统，能够准确的对整机振动、温度、转速故障进行分析和提取;所述采集仪具备良好的与上位机通讯功能以及操作简单快捷的人机交互界面;系统具备抗干扰能力强的特点，可作为特殊工作环境设备的故障检测仪器，为设备故障的检测、判断与分析提供可靠的数据。
[0027]如图2所示，所述温度信号测量模块包括电感LI和L5，温度信号的一个输入端经电感LI与MAX31855的2脚连接，温度信号的另一个输入端经电感L5与所述MAX31855的3脚连接;MAX31855的I脚接地，2脚经电阻R72接地，3脚经电容Cl 31接地，4脚接电源VCC，5脚-7脚接所述数据处理模块的相应端口，8脚悬空；所述温度测量模块的输入端设有滤波电容C115o
[0028]本申请中所述温度信号测量模块为一种K型热电偶测温电路，支持冷端补偿，可在氧化性及惰性气体环境中连续使用，短期使用温度上限可达1200°C，长期使用温度上限可达1000°(:。1(型热电偶AD采样电路采用MAXM的MAX31855冷端补偿热电偶至数字输出转换器。器件输出14位带符号数据，通过SPI兼容接口，以只读格式输出。
[0029]转测信号的测量选用测速电机，燃气轮机正常工作时测速电机输出的是一个峰-峰值为30V左右的交流信号，其转速和输出的信号频率成正比关系，因此只要采集该信号频率信息即可。为保证信号幅度满足后级电路的输入要求，转速信号测量电路在输入级设计了一个削峰电路。
[0030]如图3所示，所述测速信号输入级电路的一个输入端分为两路，第一路与插头J6的一端连接，第二路经电阻R92后又分为两路，其中第一路与电容Clll的一端连接，第二路经电容C116后接地;所述测速信号输入级电路的另一个输入端分为两路，第一路经电阻RlOl接地，第二路与插头J6的另一端连接；电容Cl 11的另一端分为三路，第一路经二极管D6后分为三路，其中第一路经电容C123接电源，第二路经电阻RlOO接电源，第三路经稳压二极管D16后接地;第二路经二极管D2后分为三路，其中第一路经电容C124接电源，第二路经电阻R89接电源，第三路经稳压二极管D12后接地。
[0031]为保证信号有效不失真的传输，传输级采用一级增益可调的运放电路对信号进行放大整形。由于信号经过运放处理，已经滤除直流分量，在比较级采用一过零比较器电路，得到标准TTL方波信号，如图4所示。
[0032]所述测速信号传输级电路包括芯片U24，所述芯片U24可以使用UA747MJ，所述测速信号传输级电路的输入端经电阻R94后接所述U24的I脚，所述U24的2脚经电阻R95接地，3、5-10以及13-14脚悬空，所述U24的4脚接-15V电源，所述U24的11脚接+15V电源，滑动变阻器WRl的两端分别与所述U24的I脚以及12脚连接，所述U24的12脚经电阻R96与比较器U21-A的反相输入端连接，所述比较器U21-A的正相输入端经电阻R97接地，所述比较器U21-A的反相输入端上设有滤波电容C106和二极管D10，所述比较器U21-A的输出端为所述测速信号传输级电路的输出端。
[0033]其中电阻R96为匹配电阻，调试中选择合适的阻值，可有效消除振铃;DlO为锗二极管，可将比较器反向输入端信号限制在_300mV以上，保护芯片不受损害。输出级经电平转换(5V转至3.3V)后，频率信号送至FPGA。
[0034]振动信号的采集采用内置IC压电加速度传感器，其特点是体积小，采用一体化设计，可以直接输出电压量，传输距离远，抗干扰能力强，适合复杂环境使用。该类型传感器正常工作需要外部提供一 30mA恒定电流，图5为恒流源电路，恒流源输出和信号的传输为同一根信号线。
[0035]所述恒流源电路的输入端经插头J4后分为三路第一路经电阻RTl、电容C104后接地，第二路经快速恢复二极管Dl后接+24V电源，所述快速恢复二极管Dl可以使用PH2955T，第三路依次经电容C105、电阻RT2后与比较器U12-5的正相输入端连接，所述电容C105的一端经电阻RT3后接地，所述电容C105的另一端经电阻RT4后接地，所述比较器U12-5的反相输入端的第一路经电阻RT5后接地，第二路经电阻RT6后接比较器U12-5输出端，所述比较器Ul 2-5输出端为所述恒流源电路的输出端，且该输出端上设有滤波电容Cl OI。
[0036]为保证传感器正常工作，同时保护传感器，该设计中做了振动传感器的保护电路，具有开路和短路的保护功能，电路原理图如图6所示:
[0037]所述振动传感器保护电路包括芯片U20，所述芯片U20可以使用LM339，所述芯片U20的I脚与7脚连接，+24电源经电阻R90后分为两路，第一路与芯片U20的5脚连接;第二路经电阻R91后又分为两路，其中，第一路与芯片U20的2脚连接，第二路经电阻R92后接地;芯片U20的3脚与6脚连接，且芯片U20的3脚为所述振动传感器保护电路的信号输入端；芯片U20的4脚接地;+24电源依次经电阻R93、发光二极管Dll后接+24电源的7脚;+芯片U20的8脚接+24电源。
[0038]数据处理部分主要由DSP和FPGA芯片组成，读取采集上来的数据，经FPGA送如SDRAM进行缓存，由外部指令控制将缓存数据经USB 口上传PC机或经DSP芯片处理后送入FLASH进行存储，并且预留SATA接口，以备大数据存储使用。
[0039]数据传输部分主要由USB接口电路和CAN总线接口电路组成。
[0040]外部传感器信号经过调理电路后进行A/D转换，FPGA将数据通过双SDRAM进行数据缓存，缓存数据有两条通路，一是经过USB接口，发送给PC机，PC机经行数据处理、显示和海量数据存储。第二条通路是经过FPGA将数据传输给DSP模块，由DSP将数据进行在线处理，处理后的数据存入FLASH芯片。通过DSP处理的优势在于方便灵活，可以在需要的时候随时将数据取出分析。
[0041 ] FLASH存储模块内的数据，既可以通过USB接口取出，也可以通过CAN总线进行长距离传输。通过USB接口经PC机处理数据的优势在于，数据可以实时显示，处理能力强，比较直观，并且可以将数据进行海量存储。
【主权项】
1.一种燃气轮机状态数据采集仪，其特征在于:包括数据处理模块、触摸屏、光耦电平转换模块、振动信号测量模块、高速AD模块、转速信号测量模块、比较器、温度信号测量模块、接口模块、电源模块以及存储模块;所述触摸屏与所述数据处理模块双向连接，用于输入和显示数据；启动信号与所述光耦电平转换模块的信号输入端连接，所述光耦电平转换模块的输出端与所述数据处理模块的信号输入端连接，振动信号与所述振动信号测量模块的输入端连接，所述振动信号测量模块的输出端经所述高速AD模块与所述数据处理模块的信号输入端连接，用于将采集的振动信号进行相应变换后输出给数据处理模块进行计算和处理;转速信号与所述转速信号测量模块的信号输入端连接，所述转速信号测量模块的输出端经所述比较器后与所述数据处理模块的信号输入端连接，用于将采集的转速信号进行相应变换后输出给数据采集模块进行计算和处理;温度信号与所述温度信号测量模块的信号输入端连接，所述温度信号测量模块的输出端与所述数据处理模块的信号输入端连接，用于将采集的温度信号进行相应变换后输出给数据采集模块进行计算和处理;所述接口模块与所述数据处理模块的相应端口双向连接，用于实现所述数据采集仪与相应的外围设备连接;所述存储模块与所述数据采集模块的数据存储和读取端口连接，用于存储数据;所述电源模块与所述采集仪中需要供电的模块的电源输入端连接，用于提供工作电源。2.如权利要求1所述的燃气轮机状态数据采集仪，其特征在于:所述数据处理模块包括相互之间双向连接的FPGA和DSP。3.如权利要求1所述的燃气轮机状态数据采集仪，其特征在于:所述存储模块包括FLASH存储器和SDRAM存储器。4.如权利要求2所述的燃气轮机状态数据采集仪，其特征在于:所述接口模块包括与所述FPGA双向连接的CAN总线接口模块和USB接口模块以及与DSP连接的SATA接口模块。5.如权利要求1所述的燃气轮机状态数据采集仪，其特征在于:所述温度信号测量模块包括电感LI和L5，温度信号的一个输入端经电感LI与MAX31855的2脚连接，温度信号的另一个输入端经电感L5与所述MAX31855的3脚连接;MAX31855的I脚接地，2脚经电阻R72接地，3脚经电容Cl 31接地，4脚接电源VCC，5脚-7脚接所述数据处理模块的相应端口，8脚悬空;所述温度测量模块的输入端设有滤波电容Cl 15。6.如权利要求1所述的燃气轮机状态数据采集仪，其特征在于:所述转速信号测量模块包括测速信号输入级电路和测速信号传输级电路。7.如权利要求6所述的燃气轮机状态数据采集仪，其特征在于:所述测速信号输入级电路的一个输入端分为两路，第一路与插头J6的一端连接，第二路经电阻R92后又分为两路，其中第一路与电容Cl 11的一端连接，第二路经电容Cl 16后接地;所述测速信号输入级电路的另一个输入端分为两路，第一路经电阻RlOl接地，第二路与插头J6的另一端连接；电容Cl 11的另一端分为三路，第一路经二极管D6后分为三路，其中第一路经电容C123接电源，第二路经电阻RlOO接电源，第三路经稳压二极管D16后接地;第二路经二极管D2后分为三路，其中第一路经电容C124接电源，第二路经电阻R89接电源，第三路经稳压二极管D12后接地。8.如权利要求6所述的燃气轮机状态数据采集仪，其特征在于:所述测速信号传输级电路包括芯片U24，所述芯片U24使用UA747MJ，所述测速信号传输级电路的输入端经电阻R94后接所述U24的I脚，所述U24的2脚经电阻R95接地，3、5-10以及13-14脚悬空，所述U24的4脚接-15V电源，所述U24的11脚接+15V电源，滑动变阻器WRl的两端分别与所述U24的I脚以及12脚连接，所述U24的12脚经电阻R96与比较器U21-A的反相输入端连接，所述比较器U21-A的正相输入端经电阻R97接地，所述比较器U21-A的反相输入端上设有滤波电容C106和二极管D10，所述比较器U21-A的输出端为所述测速信号传输级电路的输出端。9.如权利要求1所述的燃气轮机状态数据采集仪，其特征在于:所述振动信号测量模块包括恒流源电路和振动传感器保护电路，所述恒流源电路的输入端经插头J4后分为三路第一路经电阻RT1、电容C104后接地，第二路经快速恢复二极管Dl后接+24V电源，所述快速恢复二极管Dl使用PH2955T，第三路依次经电容C105、电阻RT2后与比较器U12-5的正相输入端连接，所述电容Cl 05的一端经电阻RT3后接地，所述电容Cl 05的另一端经电阻RT4后接地，所述比较器U12-5的反相输入端的第一路经电阻RT5后接地，第二路经电阻RT6后接比较器U12-5输出端，所述比较器U12-5输出端为所述恒流源电路的输出端，且该输出端上设有滤波电容ClOl。10.如权利要求9所述的燃气轮机状态数据采集仪，其特征在于:所述振动传感器保护电路包括芯片U20，所述芯片U20使用LM339，所述芯片U20的I脚与7脚连接，+24电源经电阻R90后分为两路，第一路与芯片U20的5脚连接;第二路经电阻R91后又分为两路，其中，第一路与芯片U20的2脚连接，第二路经电阻R92后接地;芯片U20的3脚与6脚连接，且芯片U20的3脚为所述振动传感器保护电路的信号输入端;芯片U20的4脚接地;+24电源依次经电阻R93、发光二极管Dll后接+24电源的7脚;+芯片U20的8脚接+24电源。
【文档编号】G01D21/02GK205426220SQ201620178387
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月9日
【发明人】魏忠林, 王天辉, 马立元, 高凤岐, 辛建光, 乔中涛, 杨叶舟, 张延生, 崔心翰, 井建辉, 卢慧卿
【申请人】中国人民解放军军械工程学院