专利名称：基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水泵故障诊断设备领域，具体涉及ー种基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置。
背景技术：
空化故障一直是水泵较难解决的问题之一。当水泵运行时，在过流部件的某一局部区域，其附近压カ由于水流速、流动损失等原因下降到当时水温所对应的汽化压カ时，水在该处便会发生空化效应。空化效应所产生的空化泡随流体流动到高压区时会急剧溃灭，产生压カ脉动,对过流部件的过流表面形成高频冲蚀,产生强烈的振动和噪声,使水泵的性能下降，影响设备的安全经济运行。因此，对水泵空化故障的在线检测和故障诊断是十分重要的。但是，目前还没有实用有效的检测诊断技术能够实现对水泵空化故障的早期在线监测诊断，往往是通过工作人员凭自身经验或通过辅助仪器显示的參数曲线来判断，具有检测结果不准确、检测效率低下、检测设备集成度低、检测操作步骤繁琐的缺点。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种检测结果准确可靠、检测快速高率、操作简单方便、结构简单紧凑、成本低廉、使用寿命长的基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置。为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为一种基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，包括用于采集水泵声发射信号的声发射信号采集单元、用于检测水泵进ロ侧水压和出口侧水压的两个压カ传感器、数据采集単元和用于根据所述声发射信号和水压诊断水泵空化故障并输出诊断结果的诊断处理単元，所述声发射信号采集单元、压カ传感器分别通过数据采集単元与诊断处理单元相连，所述诊断处理单元包括用于根据输入的声发射信号提取声发射特征的特征提取単元、用于根据输入的两路水压获取水泵扬程的扬程计算单元和用于根据声发射特征和水泵扬程诊断水泵空化故障的诊断单元，所述特征提取单元、扬程计算单元分别与诊断単元的输入端相连。作为上述技术方案的进ー步改进所述声发射信号采集单元包括多个声发射传感器，且至少一个声发射传感器粘附固定于水泵进ロ侧的泵体上、至少ー个声发射传感器粘附固定于水泵出口侧的泵体上。所述声发射信号采集单元还包括用于对声发射传感器输出的声发射信号进行放大过滤的前置放大器，所述声发射传感器分别通过前置放大器与数据采集単元相连。所述两个压カ传感器中的一个压カ传感器设于水泵进ロ侧的管道中，另ー个压カ传感器设于水泵出口侧的管道中，且所述两个压力传感器的布置高度相同。所述诊断处理单元还包括用于对输入的声发射信号和水压进行滤波的数字滤波模块，所述数据采集单元分别通过数字滤波模块与特征提取単元、扬程计算单元相连。所述数据采集单元包括用于对输入信号进行加窗取样的信号采样单元和用于将输入的模拟信号转换为数字信号的模数转换单元，所述信号采样单元的输入端分别与声发射信号采集单元、压カ传感器相连，所述信号采样单元的输出端通过模数转换单元与诊断处理单元相连。所述特征提取单元包括用于根据声发射信号的信号能量构建特征矢量的特征矢量生成模块，所述诊断处理单元还用于根据水泵エ况提供对应标准矢量的标准矢量存储单元，所述特征矢量生成模块的输出端、标准矢量存储单元的输出端分别与所述诊断单元相连，所述诊断単元根据所述扬程计算单元输出的水泵扬程查询所述标准矢量存储单元获取水泵当前エ况对应的标准矢量，并根据所述特征矢量生成模块输出的特征矢量与所述标准矢量诊断水泵空化故障并输出诊断結果。所述特征提取单元还包括用于提取声发射信号事件计数的事件计数获取模块，所 述事件计数获取模块的输出端与所述诊断単元相连，所述诊断単元根据所述事件计数获取模块输出的事件计数诊断水泵空化故障并输出诊断結果。所述特征提取单元还包括用于提取声发射信号振铃计数的振铃计数获取模块，所述振铃计数获取模块的输出端与所述诊断単元相连，所述诊断単元根据所述振铃计数获取模块输出的振铃计数诊断水泵空化故障并输出诊断結果。所述特征提取单元还包括用于提取声发射信号中心频率的中心频率获取模块，所述中心频率获取模块的输出端与所述诊断単元相连，所述诊断単元根据所述中心频率获取模块输出的中心频率诊断水泵空化故障并输出诊断結果。本实用新型具有下述优点I、本实用新型的诊断处理单元根据声发射信号采集单元输入的声发射信号提取声发射特征、根据两个压カ传感器输入的两路水压获取水泵扬程，井根据声发射特征和水泵扬程诊断水泵空化故障的诊断单元，能够实现对水泵不同エ况下空化故障的实时在线检測，对水泵的声发射信号和压カ信号进行实时获取、信号分析、特征提取并进行故障判断，对于预防故障的发生、保障水泵安全经济运行有重要价值；而且本实用新型针对水泵不同扬程エ况状态下声发射信号所具备的不同特征，完成对水泵空化故障的自动判断，能早期获得故障诊断結果，对水泵空化进行及时处理、減少水泵空化带来的经济损失，水泵实时检测性能高，具有检测结果准确可靠、检测精确度高、检测快速高效、操作简单方便、结构简单紧凑、成本低廉、使用寿命长的优点。2、本实用新型的声发射信号采集单元进ー步包括多个声发射传感器，声发射信号捕捉能力好；而且至少ー个声发射传感器粘附固定于水泵进ロ侧的泵体上、至少ー个声发射传感器粘附固定于水泵出口侧的泵体上，发射传感器安装方便，只需简单粘贴在待测物体上即可，而且声发射信号捕捉的强度较好，从而能够提高检测的精确度。3、本实用新型的声发射信号采集单元进ー步包括用于对声发射传感器输出的声发射信号进行放大过滤的前置放大器，诊断处理单元进ー步包括用于对输入的声发射信号和水压进行滤波的数字滤波模块，通过前置放大器的硬件滤波功能和数字滤波模块的数字滤波双重滤波，能够有效去除噪声干扰，提高装置的抗干扰性。4、本实用新型的特征提取単元进ー步包括特征矢量生成模块，诊断处理单元还用于根据水泵エ况提供对应标准矢量的标准矢量存储单元，诊断单元根据扬程计算单元输出的水泵扬程查询标准矢量存储单元获取水泵当前エ况对应的标准矢量，井根据特征矢量生成模块输出的特征矢量与标准矢量诊断水泵空化故障并输出诊断結果，诊断准确度高，诊断方式简单高效。5、本实用新型的特征提取単元进ー步包括事件计数获取模块、振铃计数获取模块和中心频率获取模块，诊断单元还能够根据事件计数、振铃计数和中心频率诊断水泵空化故障，诊断手段多祥，检测更加准确可靠，适用范围更广。
图I为本实用新型实施例的框架结构示意图。图2为本实用新型实施例的诊断处理单元的框架结构示意图。图3为本实用新型实施例的实际应用结构示意图。图4为本实用新型实施例信号处理流程示意图。图例说明1、声发射信号采集单元；11、前置放大器；2、压カ传感器；3、数据采集単元；31、信号采样单元；32、模数转换单元；4、诊断处理单元；40、数字滤波模块；41、特征提取单元；411、特征矢量生成模块；412、事件计数获取模块；413、振铃计数获取模块；414、中心频率获取模块；42、扬程计算单元；43、诊断单元；44、标准矢量存储单元。
具体实施方式
如图I所示，本实施例基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置包括用于采集水泵声发射信号的声发射信号采集单元I、用于检测水泵进ロ侧水压和出ロ侧水压的两个压力传感器2、数据采集単元3和用于根据声发射信号和水压诊断水泵空化故障并输出诊断结果的诊断处理单元4，声发射信号采集单元I、压カ传感器2分别通过数据采集単元3与诊断处理单元4相连，诊断处理单元4包括用于根据输入的声发射信号提取声发射特征的特征提取単元41、用于根据输入的两路水压获取水泵扬程的扬程计算单元42和用于根据声发射特征和水泵扬程诊断水泵空化故障的诊断单元43，特征提取単元41、扬程计算单元42分别与诊断単元43的输入端相连。由于水泵内空化效应产生的声发射信号较难捕捉，衰减较强，因此本实用新型声发射信号采集单元I通过采用多个声发射传感器来增强声发射信号的捕捉能力，在后续处理过程中，对于输入的多路声发射信号的处理，可以根据需要选择将多路声发射信号叠加或者选择其中一路信号质量较好的声发射信号。经过实验证明，水泵进ロ侧的泵体、水泵出ロ侧的泵体和水泵叶轮外部的泵体三个部位采集声发射信号相对强度更大，但是水泵叶轮外部的泵体往往形状不规则，难以固定声发射传感器，因此本实施例中为了简化处理，声发射信号采集单元I包括两个声发射传感器，一个声发射传感器通过粘附的方式粘附固定于水泵进ロ侧的泵体上、另ー个声发射传感器通过粘附的方式粘附固定于水泵出口侧的泵体上。数据采集単元3包括用于对输入信号进行加窗取样的信号采样单元31和用于将输入的模拟信号转换为数字信号的模数转换单元32，信号采样单元31的输入端分别与声发射信号采集单元I、压カ传感器2相连，信号采样单元31的输出端通过模数转换单元32与诊断处理单元4相连。如图2所示，特征提取単元41包括用于根据声发射信号的信号能量构建特征矢量的特征矢量生成模块411，诊断处理单元4还用于根据水泵エ况提供对应标准矢量的标准矢量存储单元44，特征矢量生成模块411的输出端、标准矢量存储单元44的输出端分别与诊断单元43相连，诊断单元43根据扬程计算单元42输出的水泵扬程查询标准矢量存储单兀44获取水泵当前エ况对应的标准矢量，并根据特征矢量生成模块411输出的特征矢量与标准矢量诊断水泵空化故障并输出诊断結果。本实施例中，诊断处理单元4还包括用于对输入的声发射信号和水压进行滤波的数字滤波模块40，数据采集単元3分别通过数字滤波模块40与特征提取単元41、扬程计算单元42相连。如图3所示，两个压力传感器2中的一个压カ传感器2设于水泵进ロ侧的管道中，另ー个压カ传感器2设于水泵出口侧的管道中，且两个压カ传感器2的布置高度相同，两个压カ传感器2的布置高度相同能够简化扬程计算单元42的扬程计算，从而能够简化诊断处理单元4的运算处理，能够节省诊断处理单元4的运算资源、降低诊断处理单元4的功耗。本实施例中，声发射传感器的型号均为SR-150M，其输出信号为模拟电压信号，其动态响应范围为50 400kHz，共振频率150kHz，最大灵敏度为65dB ;声发射信号采集单元I还包括用于对声发射传感器输出的声发射信号进行放大过滤的前置放大器11，声发射传感器分别通过前置放大器11与数据采集単元3相连，前置放大器11为放大滤波电路，带宽为IOK 2MHz，增益为40db ;压力传感器2的型号均为HP-BPS308，测量范围为-0. I 0. 6MPa，电源电压24V，精度0.5% F. S，输出信号为4 20mA模拟电流信号，通过串联ー个250 Q电阻输出得到I 5V模拟电压信号；数据采集単元3具体选用凌华科技PCI-9846H多功能数据采集箱，PCI-9846H多功能数据采集箱提供4个采样通道，每个采样通道的采样频率最高可达到40M，而且还具有16位A/D高分辨率精度，A/D量程±5V，从而实现信号采样单元31的采样功能和模数转换单元32的信号模数转换功能；诊断处理单元4基于安装有信号分析与故障诊断系统的计算机实现，信号分析与故障诊断系统基于LABVIEW软件开发平台开发，将采集来的信号进行处理分析、提取特征，得出的水泵空化故障诊断结果并以数字、图像、声音等形式输出给操作人员。水泵扬程是指单位重量液体流经泵后所获得的有效能量，是水泵的重要工作性能參数之一，扬程计算单元42是在获得水泵进出口压カ后计算得出。本实施例中，扬程计算単元42根据输入的两路水压获取水泵扬程的计算公式如下H = QP2-P1)/pg+ {Z2-Z1) + (V22 -V11) Hg式中，P1为进ロ压力，P2为出ロ压力，Zp Z2为压カ传感器中心到基准面的垂直距离，V1. V2为进出口管路水流速度，P为水密度，g为重力加速度。由于本实施例中水泵进出口管径相同，两个压力传感器2的布置高度相同，因此V1 = V2, Z1 = Z2。因此，水泵扬程的计算公式可以进一歩简化为H = (P2-P1)Zp go对于声发射信号而言，一段时间内的声发射信号能量为= I2Wゐ，其中
E(t)为某时刻的累积能量，x(t)为声发射信号，t2分别为事件触发和结束时间。本实施例中，特征矢量生成模块411根据声发射信号的信号能量构建声发射多维矢量特征的步骤如下1)取不同频段的信号方差作为该频段能量值的反映，根据水泵声发射信号的频谱特点，划分为5个频段0k 50kHz、50 IOOkHzUOO 150kHz、150 200kHz以及大于200kHz，并由全频段组成ー个5维矢量；2)为了消除信号强度随频率变化差异较大的问题，对不同频段的信号进行加权归ー化处理得到最終的声发射多维矢量特征，作为判断水泵空化程度的特征矢量输出至诊断单元43。本实施例中，加权归ー化处理时的加权系数kn的数学表达式为
权利要求1.一种基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，其特征在于包括用于采集水泵声发射信号的声发射信号采集单元(I)、用于检测水泵进口侧水压和出口侧水压的两个压力传感器(2)、数据采集单元(3)和用于根据所述声发射信号和水压诊断水泵空化故障并输出诊断结果的诊断处理单元(4)，所述声发射信号采集单元(I)、压力传感器(2)分别通过数据采集单元(3)与诊断处理单元(4)相连，所述诊断处理单元(4)包括用于根据输入的声发射信号提取声发射特征的特征提取单元(41)、用于根据输入的两路水压获取水泵扬程的扬程计算单元(42)和用于根据声发射特征和水泵扬程诊断水泵空化故障的诊断单元(43)，所述特征提取单元(41)、扬程计算单元(42)分别与诊断单元(43)的输入端相连。
2.根据权利要求I所述的基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，其特征在于所述声发射信号采集单元(I)包括多个声发射传感器，且至少一个声发射传感器粘附固定于水泵进口侧的泵体上、至少一个声发射传感器粘附固定于水泵出口侧的泵体上。
3.根据权利要求2所述的基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，其特征在于所述声发射信号采集单元(I)还包括用于对声发射传感器输出的声发射信号进行放大过滤的前置放大器(11)，所述声发射传感器分别通过前置放大器(11)与数据采集单元(3)相连。
4.根据权利要求I所述的基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，其特征在于所述两个压力传感器(2)中的一个压力传感器(2)设于水泵进口侧的管道中，另一个压力传感器(2)设于水泵出口侧的管道中，且所述两个压力传感器(2)的布置高度相同。
5.根据权利要求I所述的基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，其特征在于所述诊断处理单元(4)还包括用于对输入的声发射信号和水压进行滤波的数字滤波模块(40)，所述数据采集单元(3)分别通过数字滤波模块(40)与特征提取单元(41)、扬程计算单元(42)相连。
6.根据权利要求I所述的基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，其特征在于所述数据采集单元(3)包括用于对输入信号进行加窗取样的信号采样单元(31)和用于将输入的模拟信号转换为数字信号的模数转换单元(32)，所述信号采样单元(31)的输入端分别与声发射信号采集单元(I)、压力传感器(2)相连，所述信号采样单元(31)的输出端通过模数转换单元(32)与诊断处理单元(4)相连。
7.根据权利要求I 6中任意一项所述的基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，其特征在于所述特征提取单元(41)包括用于根据声发射信号的信号能量构建特征矢量的特征矢量生成模块(411)，所述诊断处理单元(4)还用于根据水泵工况提供对应标准矢量的标准矢量存储单元(44),所述特征矢量生成模块(411)的输出端、标准矢量存储单元(44)的输出端分别与所述诊断单元(43)相连，所述诊断单元(43)根据所述扬程计算单元(42)输出的水泵扬程查询所述标准矢量存储单元(44)获取水泵当前工况对应的标准矢量，并根据所述特征矢量生成模块(411)输出的特征矢量与所述标准矢量诊断水泵空化故障并输出诊断结果。
8.根据权利要求7所述的基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，其特征在于所述特征提取单元(41)还包括用于提取声发射信号事件计数的事件计数获取模块(412)，所述事件计数获取模块(412)的输出端与所述诊断单元(43)相连，所述诊断单元(43)根据所述事件计数获取模块(412)输出的事件计数诊断水泵空化故障并输出诊断结果。
9.根据权利要求8所述的基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，其特征在于所述特征提取单元(41)还包括用于提取声发射信号振铃计数的振铃计数获取模块(413)，所述振铃计数获取模块(413)的输出端与所述诊断单元(43)相连，所述诊断单元(43)根据所述振铃计数获取模块(413)输出的振铃计数诊断水泵空化故障并输出诊断结果。
10.根据权利要求9所述的基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，其特征在于所述特征提取单元(41)还包括用于提取声发射信号中心频率的中心频率获取模块(414)，所述中心频率获取模块(414)的输出端与所述诊断单元(43)相连，所述诊断单元(43)根据所述中心频率获取模块(414)输出的中心频率诊断水泵空化故障并输出诊断结果。
专利摘要本实用新型公开了一种基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置，包括声发射信号采集单元、两个压力传感器、数据采集单元和诊断处理单元，声发射信号采集单元、压力传感器分别通过数据采集单元与诊断处理单元相连，诊断处理单元包括用于根据输入的声发射信号提取声发射特征的特征提取单元、用于根据输入的两路水压获取水泵扬程的扬程计算单元和用于根据声发射特征和水泵扬程诊断水泵空化故障的诊断单元，特征提取单元、扬程计算单元分别与诊断单元的输入端相连。本实用新型具有检测结果准确可靠、检测快速高率、操作简单方便、结构简单紧凑、成本低廉、使用寿命长的优点。
文档编号F04B51/00GK202402268SQ201120544318
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者刘忠, 李录平, 谢志聪 申请人:长沙理工大学