专利名称：气蚀现象探测的制作方法
技术领域：
本发明涉及在流体机械中气蚀现象的探测。特别的，本发明涉及用于抽吸流体
(例如超临界流体)或液体的泵中的气蚀现象的探测。
背景技术：
当泵运行时可能发生的气蚀现象是个难以解决的现象，以至于使泵中的压力下降 到所抽吸液体的蒸汽压力以下。蒸汽化液体的气泡就形成了。当气泡破裂时，会对泵造成 损害。在剧烈的气蚀现象中，人能听到破裂气泡的声音。不管怎样，对剧烈和/或损害性气 蚀现象的发生进行探测是有好处的，这样可控制泵的运行条件(在某些应用中，少量的气 蚀现象是允许的)。 JP11-037979公开了 一种在诸如泵的流体机械中探测气蚀现象的系统。 JP11-037979通过比较来自泵的连续的声音波形周期而操作。每个波形周期分解成多个系 数。通过求得连续声音波形的点积(dot product)，在逐项的基础上比较连续声音波形周期 的系数。如果连续声音波形的周期十分地相似，则判断气蚀现象没有发生；如果连续声音波 形的周期完全不同，则判断气蚀现象正在发生。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供
传感器； 高通滤波器，用于对来自传感器的信号进行高通滤波； 参考接收器，用于接收临界值； 比较器，用于比较高通滤波信号和临界值。 根据本发明的其它方面，提供声传感器和探测气蚀现象的方法。
与一些现有技术的气蚀现象探测方法相比，本发明的一个好处是需要较少的信号 处理过程。本发明一些实施例的另一个好处是在兆赫兹(MHz)的范围内探测气蚀现象，使 得气蚀现象(或者剧烈的气蚀现象的开始)的确定更具可靠性。 本发明的一个实施例中，传感器信号与来自传感器信号的低通滤波形式相比较。 该实施例的一个好处是较少地依赖于传感器信号的稳定，并且因而，这个实施例更能接受 传感器与被监控泵的声音耦合的不确定性。
图la显示泵和电机的透视图；图lb显示能看到压电衬垫的泵与电机的视图。
如2显示图lb中压电衬垫的视图。 图3显示系统的示意图，该系统用于探测气蚀现象的开始，并在探测到气蚀现象 时减小电机的速度。 图4显示来自泵的声音波形的示例(i)泵在没有气蚀现象的情况下运行和(ii)在气蚀现象开始时。 图5显示基于图3的系统示意图，但是对来自传感器信号的不同滤波形式进行了 比较。 图6显示传感器的透视图，该传感器可被压靠泵的外壳以测量来自泵的声信号。
图7显示已压入声传感器的泵的部分的剖面图。
具体实施例方式
图la和lb显示泵100通过压电衬垫102连结在入口管道101上。电机110具有 轴111，驱动泵100的推进器112。 图2显示压电衬垫102的更详细的视图。在该实施例中，压电衬垫102为环形并 具有两个平面。 一个平面用于形成对于泵100的流体密封；另一个平面用于形成对于入口 管道101的流体密封。 在该实施例中，压电衬垫102包括聚合物压电材料，如PVDF (聚偏二氟乙烯)，具有 厚度50iim。导线201a、201b分别地连接衬垫102的各自的平面。压电衬垫102可由单层 薄膜、一系列薄片层形成，或者可具有结构化的或图案化的电极。当压电衬垫102被夹在泵 IOO和入口管道IOI之间时，压电衬垫会将来自泵的声信号转变为电信号。因此，压电衬垫 102可用于探测来自泵100的声信号。 在另一个实施例中，可在衬垫102和/或导线201a、201b的周围设置静电屏蔽以 减少外部电信号的影响。 在再一个实施例中，陶瓷压电材料或混合的聚合物_陶瓷复合材料可代替聚合物 压电材料使用。如果使用陶瓷压电材料，那么需要给陶瓷涂上诸如橡胶的聚合物以在陶瓷 压电材料被夹在泵100与入口管道101之间时防止陶瓷的开裂。 使用聚合物压电材料的好处是，聚合物的厚度比起陶瓷压电材料的厚度可以更容 易地减小。相对薄的材料通常比较厚的材料更适合于探测高频声信号；这是因为薄的材料 比高频声信号的波长要小。例如，50 ii m厚的PVDF层的上限频率响应约20兆赫兹，因而不 能有效地用于感应具有比约20兆赫兹更高频率的声信号。在低于20兆赫兹的频率处，厚 50 ii m的PVDF层的厚度明显小于声音如在水中的波长。而且，较薄的材料具有更高的响应 频率(当材料的厚度变得等于声音波长的一半时，发生初次响应)，因此，可能探测到更高 频率的信号。 图3显示系统的示意图，该系统可用于探测气蚀现象的开始，并在探测到气蚀现 象的情况下减小电机的速度。图3显示压电衬垫102的电信号通过放大器301被放大，并 且然后通过高通滤波器302过滤。(在另一个实施例中，可优选地，过滤并且然后放大来自 压电衬垫102的信号。)该实施例中，高通滤波器302减弱具有低于1兆赫兹频率的信号。 虽然在代替的实施例中可使用数字滤波器，在该实施例中，高通滤波器302为二阶的(也就 是每八度音衰减增加12dB)模拟滤波器。 高通滤波器302的输出端连接到探测器303。在该实施例中，探测器303为包络 探测器(envelope detector)，并将来自高通滤波器302的信号转变为电压，该电压表示来 自高通滤波器302的信号的强度。在其它的实施例中，探测器303可以包括振幅传感器或 RMS(均方根)探测器。
探测器303的输出端连接到比较器304。比较器304对比来自探测器303的电压 与从参考输入端305接收的参考信号。在该实施例中，比较器304从探测到的电压中减去 参考信号。在另一个实施例中，比较器304可将探测到的电压除以参考信号以形成比率。
在该实施例中，比较器304的输出端连接到控制电机110速度的电机控制器306。 在比较器304指示过量的气蚀现象的情况下，电机控制器305减小电机110的速度以减少 气蚀现象。在另一个实施例中，其他方法可用于减小气蚀现象。例如，可以增加泵100的输 入端处的压头。 图4显示来自泵100的声音波形的示例，并显示了声音波形的振幅与频率的关系。 曲线401 (实线)显示当泵在没有明显的气蚀现象的情况下运行时的声音波形的振幅相对 于频率的关系。曲线402(虚线)显示在剧烈的气蚀现象开始时声音波形的振幅相对于频 率的关系。 从图4中可以看出，在气蚀过程中，声音波形的振幅在千赫兹频率下稍微地增加， 而在兆赫兹频率下明显地增加。现有技术的气蚀现象探测器一般地试图探测具有数百千赫 兹(KHz)频率的气蚀现象。通过适当地改变高通滤波器302的截止(cutoff)频率，本发明 的实施例可探测具有至少为0. 5兆赫兹、至少为1兆赫兹、至少为2兆赫兹、至少为4兆赫 兹或至少为8兆赫兹的频率的气蚀现象。 图5显示基于图3的系统示意图，但是对来自压电衬垫102的信号的不同滤波形 式进行了比较。图5显示来自放大器301的输出信号由带通滤波器501(代替高通滤波器 302)进行过滤。在该实施例中，带通滤波器501减弱了位于1兆赫兹至5兆赫兹通带之外 的频率。来自放大器301的输出也由低通滤波器502进行过滤，由探测器503进行探测，并 用作到比较器304的参考输入。在该实施例中，低通滤波器502具有1千赫兹的截止频率， 并且因而减弱高于1千赫兹的频率。在代替的实施例中，低通滤波器502的截止频率可替 换为最大10千赫兹、100千赫兹或1兆赫兹。 如本领域技术人员所知，带通滤波器501在概念上可视为1兆赫兹的高通滤波器 与5兆赫兹的低通滤波器串联(虽然，带通滤波器501实际上是由单独的带通滤波器实现， 而不是将高通和低通滤波器连在一起)。这样，图5包含了与图3的高通滤波器302功能 相等的高通滤波器。在一些实施例中，压电衬垫102的高频率响应可用于限定带通滤波器 501的低通滤波器。 图5的系统将1兆赫兹到5兆赫兹频率范围内泵100放出的声音能量与低于1千 赫兹的声音能量进行比较。如果1兆赫兹至5兆赫兹范围内有超出的能量，则认为泵100 存在过多的气蚀现象，电机控制器305用于相应地减小电机IIO(即泵100的)的速度。
图5的系统与图3系统相比的好处是，图5的系统更能接受压电衬垫102与泵100 之间声音耦合的瑕疵，并且更能接受由超声波从泵100内部的气蚀表面传播到泵100外表 的距离所造成的耦合瑕疵。图3的系统不能计算差的声音耦合(差的声音耦合会导致错误 地认为气蚀现象没有发生)。相反地，图5的系统将1兆赫兹至5兆赫兹频带内的能量相 对于低于1千赫兹的频率范围的能量进行标准化。这样，如果压电衬垫102不能很好地耦 合到泵100， 1兆赫兹至5兆赫兹频带内的信号和低于1千赫兹的频率范围内的信号都将减 小。因此，图5的系统至少能部分地弥补声音耦合的瑕疵。 图6显示传感器600的透视图，该传感器可被压靠泵的外壳以测量来自泵的声信号。该传感器600可在泵的试运转过程中使用，以确定用于泵的不包括过量气蚀现象的运 行条件。 一旦确定了运行条件，传感器600比所谓的压电衬垫102更容易从泵上移开。另 一方面，压电衬垫102的好处是允许对泵100进行连续的实时监测。 如图所示，传感器600包含嵌在泵外壳上的声音耦合器601。在该实施例中，声音 耦合器601由橡胶形成，并将声音能量耦合到三个PVDF层602a、602b、602c中。在该实施 例中，这三个PVDF层602中的每一个大致是平的。三个PVDF层的作用是将传感器600的 输出电压提高约三倍，同时减小传感器600的高频限制(与使用PVDF单层比较；比起单层， 高频限制的减少是由于三个PVDF层的增加厚度)。在该实施例中，弹性耦合器601的肖氏 硬度优选为在10至20的范围中，而在其他的实施例中，肖氏硬度可小于10或大于20。
在该实施例中，传感器600还具有金属柄603，作为把手部分，允许使用者握住传 感器600的声音耦合器601，靠着泵的外侧或靠着固定到泵的管道。导线604被使用以连接 传感器600到电路(没有显示)。 在另一个实施例中，声传感器(没有示出)可以固定或粘结(例如使用粘合剂) 靠着泵的外侧。在这样的实施例中，可以不需要声音耦合器601和/或金属柄603。
图7显示已经嵌入声传感器701的泵700 (泵700的大部分用虚线表示)的部分 的剖面图。声传感器701嵌在泵700的外壳703的凹槽702中。这个实施例的好处是声传 感器701接近可能发生气蚀现象的流体。相反地，图1的实施例要求声信号从泵100的内 部传送到压电衬垫102。 如本领域技术人员所知，本发明可用于减少诸如离心泵或轴流泵的泵中的气蚀现 象，或在其他流体机械中的气蚀现象。 在某些条件下，减小电噪音的影响是有利的。来自声传感器的电信号特别地要求 显著地放大，并且因而存在着无意中采集到偏离的电信号的危险。虽然与上述与图2有关 的讨论中记载的静电屏蔽可以是足够的，但在其它实施例中，可以执行校对步骤。在这样的 实施例中，声信号在已知的没有气蚀现象发生的条件下进行测量(例如，当电机110静止 时)。例如，如果在没有气蚀的条件下检测到具有频率为2兆赫兹的信号，那么电动配置的 陷波滤波器可用于抑制该额外的2兆赫兹信号，以避免电机110运行时气蚀现象的虚假警 报。 在一些实施例中，例如，当声传感器适用于运行中且不能停止的工厂机器时，不便 于停止驱动泵的电机。在这种情况下，从泵的主体上分离声传感器更加方便，从而提供其中 气蚀现象没有发生的"标准"信号。替换地，声传感器可被允许悬挂在空气中；该传感器仍 可获得背景电信号(特别是泵处在电噪音的环境中)，并且背景的电噪音可用作标准化信号。 在一些实施例中，如果压电衬垫102的信号足够强，则不需要使用放大器301。
这里公开了一种用于在诸如泵100的流体机械中探测气蚀现象的装置和方法。在 一个实施例中，压电衬垫102用作传感器感应气蚀现象。在一些实施例中，高通滤波器302、 501用于在约兆赫兹的范围内探测超声信号。如果兆赫兹范围内的能量过多，那么判断气蚀 现象正在发生，则电机110的速度应与判断正在发生的气蚀现象的程度成比例地减小。在 另一个实施例(图5)中，在兆赫兹范围内的能量相对于在千赫兹范围内的能量被标准化。 其他传感器600、701也被公开。
本申请摘要中的公开内容以及GB0714695.4的全部内容(本申请要求其优先权)， 在此通过引用而结合。
权利要求
一种用于探测气蚀现象的系统，包括声传感器(102；602；701)；高通滤波器(302)，用于过滤来自所述声传感器(102)的信号；第一探测器(303)，用于提供表示来自所述声传感器的高通滤波信号中的能量的信号；参考接收器(305)，用于接收参考值信号；比较器(304)，用于比较来自所述第一探测器(303)的信号与参考值信号，并在来自所述第一探测器的信号超过所述参考值信号时提供指示。
2. 根据权利要求1所述的系统，包括放大器(301)，用于放大来自所述声传感器 (102)的信号。
3. 根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述高通滤波器(302)的截止频率大于或等 于0. 5兆赫兹、1兆赫兹、2兆赫兹和4兆赫兹中的一个。
4. 根据上述任一项权利要求所述的系统，其中，所述高通滤波器(302)形成包括低通 滤波器的带通滤波器(502)的部分。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中，所述低通滤波器包括所述声传感器的高响应频率。
6. 根据权利要求4或5所述的系统，其中，所述带通滤波器(502)的低通滤波器部分的 截止频率为5兆赫兹或20兆赫兹。
7. 根据上述任一项权利要求所述的系统，包括低通滤波器(502)，用于过滤来自所述声传感器(102)的信号；以及 第二探测器(503)，用于提供表示来自所述声传感器的低通滤波信号的能量的信号， 其中，所述参考接收器(305)被设置以接收来自所述第二探测器(503)的信号作为参 考值信号。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中，所述低通滤波器(502)的截止频率最多为lkNz、 10千赫兹、100千赫兹和1兆赫兹中的一个。
9. 根据上述任一项权利要求所述的系统，包括控制器(306)，其中，在所述比较器 (304)显示来自所述第一探测器(303)的信号超过所述参考值信号的情况下，该控制器能 够被操作以控制流体机械(100 ;700)的运行条件以减少气蚀现象。
10. 根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器包括电机控制器(306)，并且其中， 在来自所述第一探测器(303)的信号超过所述参考值信号的情况下，该电机控制器能够被 操作以减小电机(110)的速度。
11. 根据权利要求IO所述的系统，包括电机(110)。
12. 根据权利要求ll所述的系统，包括连接到所述电机(110)的泵(100 ;700)，其中， 所述声传感器(102 ;602 ;701)相对于所述泵设置以感应在所述泵(100)中正在发生的气 蚀现象。
13. 根据上述任一项权利要求所述的系统，其中，所述声传感器(102)包括含有压电材 料的垫圈(102)。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中，该压电材料包括聚合物压电材料。
15. 根据权利要求14所述的系统，其中，该垫圈包括聚偏二氟乙烯。
16. 根据权利要求13-15任一项所述的系统，其中，该垫圈位于所述泵(100)的入口 (101)处。
17. 根据权利要求1-12任一项所述的系统，其中，所述声传感器(102)包括声学橡胶耦 合器(601)、一个或多个聚合物压电层(602a，602b，602c)和把手部分(603)。
18. 根据权利要求17所述的系统，其中，所述声学橡胶耦合器(601)包括具有肖氏硬度 范围在10-20范围内的橡胶。
19. 根据权利要求l-12任一项所述的系统，其中，所述声传感器(701)设置在所述泵 (700)的外壳(703)中的凹槽(702)中。
20. —种声传感器(102)，包括含有聚合物压电材料的垫圈。
21. —种声传感器，包括声耦合器(601)、一个或多个聚合物压电层(602)和把手部分 (603)。
22. —种泵(700)，具有设置在该泵的外壳中的凹槽(702)中的声传感器(701)。
23. —种探测流体机械中气蚀现象的方法，包括以下步骤 从声传感器接收信号，该声传感器声学地耦合到所述流体机械； 在兆赫兹范围内高通滤波来自所述声传感器的所述信号； 提供表示来自声传感器的高通滤波信号的能量的信号；比较所述表示能量的信号与参考值信号，并且如果所述表示能量的信号超过所述参考 值信号则提供指示。
24. —种在此公开的或如在任一个附图中显示的系统。
25. —种在此公开的或如在任一个附图中显示的方法。
全文摘要
本发明公开一种用于在诸如泵(100)的流体机械中探测气蚀现象的装置和方法。在一个实施例中，压电衬垫(102)用作传感器感应气蚀现象。高通滤波器(302)、(501)用于在约兆赫兹的范围内探测超声信号。如果在兆赫兹范围内的能量过多，那么判断气蚀现象正在发生，并且电机(110)的速度可以与判断正在发生的气蚀现象的程度成比例地减小。在另一个实施例(图5)中，在兆赫兹范围内的能量相对于千赫兹范围内的能量被标准化。其它传感器(600，701)也被公开。
文档编号G01N29/14GK101796405SQ200880100815
公开日2010年8月4日 申请日期2008年7月25日 优先权日2007年7月27日
发明者巴伊拉姆·泽奇尔 申请人:贸易及工业部部长