专利名称：用于检测泵的汽蚀的方法和系统以及频率转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测泵的汽蚀的方法和系统，尤其涉及一种方法和系统，利用这
种方法和系统可以在不进行附加测量的情况下检测用频率转换器进行控制的泵的汽蚀。
背景技术：
与泵有关的已知问题是它们发生汽蚀的趋向。汽蚀是指这样的情形在这种情形 中，泵的吸入压下降到要进行泵浦的液体开始汽化的值之下，即下降到液体的蒸汽压之下。 该现象产生气泡，这些气泡一旦进入泵中较高压强的区域就会发生突然的溃灭。从气相回 到液相的突然变化引起突然的压强变化，这引起听得见的噪声，并且可能损坏泵的机械部 件。 对汽蚀或汽蚀可能性的检测是与泵浦过程相关的重要方面。如果能够检测到汽蚀 或汽蚀的风险，那么就会大大减小泵的机械磨损，并且可以在较大的工作区内对泵进行安 全地操作。 泵(诸如离心泵)经常利用具有频率转换器的变速驱动器来进行控制，所述频率 转换器向马达提供受控电压。所述马达的轴被连接到泵，从而为泵的运转提供机械功率。
检测汽蚀的已知出版物包括美国专利6，757，665，其中提出利用独立的电流变 换器来观察使泵转动的马达的定子电流的频谱。该方法基于这样的测量的值对这些值，泵 接近汽蚀或正发生汽蚀时出现一些已知特征。该方法没有考虑工作点或泵浦过程本身。
用于检测汽蚀的另一种方法是基于模型的方案。在这种方法中，从马达和泵的电 学或机械参数开始，为所述系统形成系统模型。模型的输入为例如马达电流、电压和频率。 如在美国专利6，918，307中所提出的，所述泵模型对所产生的体积流率(volumetric flow rate)和它所能传送的压头(head)进行估计。如果同时测量体积流率和压力差(压头)， 则可以为这两个量确定误差变量。基于所述误差变量，能够确定泵行为中的异常，并且能够 诊断可能的故障。该方法的缺点是有附加测量，用来产生所述误差变量。该测量要求有附 加变换器(transducer)，这就因安装、维护和布线的成本而产生进一步的花费。所述变换器 对于整个系统的可靠性来说也是潜在的危险，因为该变换器是机械部件，会在可能较苛刻 的状态下工作。 一个变换器的故障会使得不可能检测到汽蚀。此外，该变换器难以更换，可 能会导致泵浦过程中的较长的停工。 美国专利6， 663， 349公开了一种用于检测泵的汽蚀或汽蚀可能性的方法。在这种 方法中，根据从传感器获得的值来确定所需净正吸上压头(NPSHK， net positive suction head required)禾口有效净正吸上压头(NPSHA， net positive suction head available)。 比较所述所需净正吸上压头和有效净正吸上压头，并基于该比较来确定汽蚀的可能性。与 该方法有关的问题也是要求有附加的测量传感器或变换器。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和用于实现所述方法以便解决上述问题的系统。本发明的目的通过以独立权利要求中的声明为特征的方法和系统来实现。本发明的优选实 施例在从属权利要求中公开。 本发明基于这样的思想即基于从驱动泵的频率转换器直接获得的估计值来形成 一个或多个指标，这些指标涉及泵中泵汽蚀或倒流的可能性。具体说，这些指标由马达所产 生的估计扭矩和马达估计转速形成。汽蚀的检测也要求有一些与泵浦过程和所使用的泵相 关的参数。
本发明的方法和设备的优点是在不需要任何附加测量的情况下，能够可靠地检 测汽蚀、接近汽蚀或倒流情形。因此，本发明消除了对测量过程变量的传感器的需求。
根据本发明的优选实施例，同时使用多个指标来执行汽蚀或汽蚀可能性的检测， 这些指标均基于来自频率转换器的估计值。多于一个指标的使用使得所述检测更可靠，而 基本上不会有任何额外的成本。 本发明也涉及一种频率转换器，它用来执行本发明所述的方法。
下面将参考附图通过优选实施例来更加详细地描述本发明，在附图中，
图1示出频率转换器驱动的泵系统；
图2是本发明的框图； 图3a和图3b是与确定泵的工作点有关的曲线图；
图4和5示出与本发明有关的测量结果；
图6示出与过程变量相关的泵； 图7示出扭矩和转速估计的AC RMS水平与体积流的函数关系；以及
图8示出所测量的和所估计的压力比与体积流的函数关系。
具体实施例方式
图1示出由频率转换器驱动的泵的基本结构。频率转换器2经由三相线缆连接到 供应网络(supplying network) 1。频率转换器还被连接到马达3，而马达3转而机械连接 到泵4。频率转换器以期望的方式控制马达和泵的转动。频率转换器还经由接口 5连接到 自动化系统。自动化系统可以是更高级别的控制器，控制泵所关联的过程。因此，自动化接 口给出泵的操作指令，由频率转换器设法实现泵的操作。在图1中，省略了对系统的所有测 量，以无传感器的方式对马达以及泵浦过程进行控制。 图2是呈现本发明中执行的过程的框图。在本发明中，频率转换器提供扭矩估计 Trat和转速估计nest。现代的频率转换器配备有控制系统，所述控制系统使用电马达模型。 在其它值之中，这些马达模型使用并产生估计产生的马达扭矩和转速。 一些控制方案也将 扭矩作为参考值，使得能够进行直接的扭矩控制。 根据本发明，对泵进行控制的频率转换器提供马达的扭矩估计Lst和转速估计 rid。由于马达机械地连接到泵，因此所述估计也描述泵操作。如上所述，这些值在频率转 换器的控制系统中是随时可用的。 此外，在本方法中，根据所提供的估计形成一个或多个特征，这些特征指示泵的汽 蚀或汽蚀的可能性和/或泵的倒流(reverse flow)。下面将详细说明从所述估计可以获得的特征。 当形成了一个或多个指示特征时，检测用频率转换器控制的泵的汽蚀或汽蚀可能性。在检测汽蚀或不检测汽蚀的情况下也可以检测倒流。在图2的判定框21中执行检测。判定框21接收基于估计的扭矩和转速计算出的一个或多个特征作为输入。在图2中，所输入的特征的数目为4。 根据本发明实施例，通过将所述扭矩估计的交变分量(AC)的RMS值与所述扭矩估计的交变分量的标称RMS值进行比较来形成指示汽蚀或汽蚀可能性和/或倒流的特征。图2示出该指示特征，作为特征1。该特征的计算始于在框22中对估计的扭矩Lst进行带通滤波。所述带通滤波器的通带为例如从0至ljlOHz，如图2所示。因此，带通滤波后的值T^包括所述估计的低频交变分量内容，但不包括DC分量。所述AC分量Ta。被进一步给送到框23，框23计算AC分量的有效值或RMS值Tae,fflS。 估计的扭矩的AC分量可以按下面所述来计算。同时，也对DC分量进行计算，其在所述方法中的使用将在下面进行详细说明。通过例如具有极低截止频率的高通滤波器可以从x(x为任何变量(诸如扭矩)的一般表示)的样本数据中去除DC分量。可选择地，可以根据样本数据[x。. . . xn—J计算平均值，该值对应着取样时的DC分量值
画n-i
然后得到变量X的AC分量
Xac — [X0. Xn—丄]_Xdc， est
所述AC分量的有效值或RMS值可以用RMS值(方均根)的一般公式来计算 —旦计算出AC分量的RMS值，将其与所述AC分量的RMS值的标称值Tae,N相比较。可以在使用本发明之前检测并存储AC分量的RMS的标称或典型值，或者，可以在泵肯定工作在标称工作点的情况下使用本方法期间检测并存储所述AC分量的RMS的标称或典型值。
在图2的框24中执行标称RMS值和计算出的RMS值之间的比较，所述比较以所测RMS值和标称RMS值之比的形式表示。图4示出测量结果，指示了该计算出的比随着有效净正吸上压头与所需净正吸上压头之比(NPSHA/NPSHK)的变化，其中，在本说明书中NPSH/NPSH^被称作压比(pressure ratio)。 为了避免汽蚀，所述压比应该至少大于1，因为NPS&表示这种情形其中由泵产生的压头下降了 3%。如图4所示，当所述压比下降时，比率Ta。,，/X。,w开始指数式增长。利用传感器来测量所测量的数据点和所述压比，以示出本方法对指示汽蚀的可用性。使用不同的体积流来测量数据点，如图4中的图例所示。在图4中也画出了指数拟合曲线。
当泵接近汽蚀时，比率Tad/X,w增力口，这是因为当汽蚀开始或者倒流发生时，泵的工作状态变得不连续。这一点可以从泵的轴中看到，扭矩波纹(AC分量)增加了。换言之，泵所需要的功率发生振荡。结果是，与标称情况相比，低频AC分量的RMS值增加。因此，可以基于图2所示的特征1来确定汽蚀或倒流。 根据本发明的另一个实施例，通过将转速估计的交变分量的RMS值与转速估计的交变分量的标称值进行比较形成指示特征。所述转速估计可以像所述扭矩估计那样用来以相似的方式估计汽蚀或倒流。参考图2，估计速度r^t被给送到带通滤波器25。估计的AC
分量nae被进一步给送到RMS框26，该框计算所述交变分量的RMS值nae,KMS。在框27中，将
所述交变分量的RMS值或有效值与转速的AC分量的标称RMS值nae,N进行比较。该比较结
果在图2被表示为特征2，该特征可以用来检测泵的汽蚀或泵中的倒流。 从图2可以看到，对估计的转速和估计的扭矩进行相似的处理。如上所述，当泵的
工作不正常时，扭矩波动。相似地，所述转速波动或振荡，这可以表现为交变分量的RMS值更高。 对于估计扭矩和估计速度来说，用于获得指示不正常泵工作的数学计算是相似的，所以省略了针对估计速度的计算。 确定了扭矩和转速的交变分量的两个标称值的标称工作点可以是例如这种情形其中，所述压比在1. 5以上。在压比在1. 5以上的工作点中，AC分量比起接近汽蚀情形或倒流情形中的AC分量小得多。必须确定所述标称值，因为RMS水平很大程度上取决于应用，因此，每个泵以及每个安装都有其自己的特点，所测的RMS值比较起来没有任何绝对限制。
图5示出估计的转速的交变分量的RMS值与转速的交变分量的标称值之间的比率随压比变化的测量结果。所述测量结果与图4中的结果来自同一个泵。如图5所示，随着所述压比接近1，所计算的比率增加。这意味着，当泵接近汽蚀情形或倒流情形时，转速就开始振荡。因此，如图2所示的特征2可以用来检测汽蚀或汽蚀可能性。
图7示出扭矩估计和转速估计两者的AC RMS水平随体积流变化的测量结果。图7也具有竖线，示出泵的制造商所推荐的最小体积流，以及曲线，示出泵的效率随体积流的变化。在产生了图7的测试中，通过位于压力端的阀来减小泵的流，从而将过程导向倒流情形。可见，随着体积流减小到最小流，所述估计的AC水平开始增加。同时，泵的效率也降低。从图7可以看到，所产生的估计的AC水平能够对所泵液体的倒流所产生的汽蚀给出清楚的指示。 根据本发明实施例，通过利用泵模型根据扭矩估计和转速估计的直流分量计算泵中的估计体积流来形成指示特征。在计算出估计体积流之后，将其与最小可允许体积流进行比较。该比较的结果被用作指示特征，用于检测所泵介质的汽蚀或倒流的可能性。特别是，该比较用于确定倒流的可能性。 在图2中，与最小流相关的特征被标记为特征4。在框28和29中对由频率转换器产生的扭矩估计Trat和转速估计r^st进行低通滤波以获得所述扭矩估计的直流分量Td。,^和转速估计的直流分量nd。^t。因此，所述直流分量(DC)是指低通滤波后的值，即是指扭矩估计和转速估计所具有的水平。可选择地，所述估计的DC值可以通过确定其平均值来计算。 在计算出所述估计值的DC值之后，将所述DC值Td^st和nd。_t给送到包含泵模型的框30，所述泵模型根据输入的估计来计算估计体积流Qest。所述泵模型合并可以存储与泵相关的数据的数据库之类。所存储的数据包括泵的Q-P图或从所述图中选出的数据点。Q-P图的例子示于图3b中，其中，对于泵的不同直径画出了泵的功率(P)与体积流(Q)。 一旦传送给泵的功率已知，则泵模型中包括的曲线图能够估计体积流。 利用下述公式根据转速和扭矩的估计DC水平来计算传送给泵的估计功率Pd_st :
7
<formula>formula see original document page 8</formula> 由于Q-P图通常只对一个转速是已知的，所以，必须使用相似定律(affinitylaws)对其进行转换，以与当前转速相对应
<formula>formula see original document page 8</formula> 户;其中，下标n。m是指所给出的图所对应的标称速度。可选择地，可以将相似定律运
用到由泵消耗的功率pd_st，从而减少数学计算的数目。 当估计体积流(Lt与由泵的制造商提供的并且存储在泵模型中的最小可允许体积
流Qmin比较时，可以容易地确定泵是否工作在其标称工作区内。最小可允许流Qmin依赖于泵的转速。所以，在进行比较时应该使用相似定律来计算最小可允许体积流以考虑工作速度。
如果体积流在标称体积流的30-70%以下，则一般会发生倒流。倒流导致与汽蚀相似的压强
突然变化以及流的不连续性。因此，估计体积流可以用作指示泵中汽蚀或倒流情形的可能性的特征。 根据本发明实施例，根据所需净正吸上压头(NPSH》和有效净正吸上压头(NPSHA)的比较形成指示汽蚀或倒流情形的可能性的另一个特征，其中，基于估计扭矩、估计转速和系统参数来计算所述所需净正吸上压头和有效净正吸上压头。它们之间的比被称作压比。
如图2所示，在框31中基于估计体积流Qest来执行压比的计算，用于确定估计体积流的过程如上所述。当确定了估计体积流时，可以从为所考虑的泵提供的曲线图上读取NPSHK。在图3a中示出这种曲线图，其中，画出了 NPSHK随体积流的变化(Q_NPSHK曲线)。如图3b，提供了针对不同泵尺寸的曲线。 由于只为标称转速提供了所述曲线，所以，必须再次使用相似定律以获得所考虑的转速的NPSHK : <formula>formula see original document page 8</formula>
在与其它相似变换相比时，由泵要求的吸上压头(suction head)具有最小值，并且利用相似变换获得的值不能低于最小值。如果由泵产生的体积流如此低，以至于没有出现在制造商的Q-NPSH^曲线上，则必须考虑该情形是这种情形其中所述估计的AC水平可能由于由倒流形成的汽蚀的原因而增加了。相应地，如果由泵产生的体积流是如此之高，以至于它没有出现在制造商的Q_NPSHK曲线上，则可能出现汽蚀，使所述估计的AC水平增加。
为了计算所述压比，要确定有效净正吸上压头。可以使用下式来估计NPSHA : P(r側p)g 2g 其中，Hs为泵的吸上压头，p。为环境压强，pv为所泵浦的液体的蒸发压，Pf为吸入端压强损失的估计，v。为容器顶部的流率，g为万有引力常数。Temp为流体温度，而P为流体密度。
图6示出泵61和具有要泵浦液体的容器62，所述液体的液面在距泵61为Hs的高度处。可以将由上述方程所需要的所有数据都提供给泵模型。所述数据也应该给定可能的变化范围。由于所述方程要求的数据不能非常精确，所以，NPS&可以用下式来进行可靠的估计 鹏& = & + "o一^一 & 其中，常数k表示吸入端的流阻，变量按最坏情形来给出。所以为了计算压比，需要 參来自频率转换器的转速和扭矩的估计r^t、T^
參表示所考虑泵的操作和压强要求的曲线(Q-P和Q-NPSH》
參用于确定蒸发压Pv和密度P的被泵浦流体的特性
參泵的吸上压头Hs 參液体处于加压容器内时的环境压强p。
參吸入端的流动损失的估计k 在所列的参数中，静压头Hs是最重要的一个。 —旦计算出所述压比，就可以用其作为特征来指示被泵浦的液体的汽蚀可能性、汽蚀或倒流。如上所述，所述压比应该至少在1以上。然而，需要的压比取决于所使用的泵。需要的压比可以基于泵的工作原理(径流式或轴流式)或者反映泵的类型的称作抽吸比速(suction specific speed)的变量Nss来确定，其中所述抽吸比速定义为
W'、厄 JV =-- 其中，N、Q分别为泵特性的最佳效率点处的泵的转速[min—"和体积流[m3/h]。如果泵的标称吸入速度较小(通常为径流式泵)，则可以使用1.5的压比。与抽吸比速相关(通常是轴流式泵)，所述压比的值可以高达4，这意味着，有效吸上压头必须至少是所需吸上压头的4倍。 一旦知道泵的类型，估计压比就对泵浦过程的工作点给出清楚的指示。在图2中该估计压比被示为特征3。 图8示出测量和估计的压比与体积流的函数关系。可以看到，尽管在体积流估计中存在误差，但是压比的估计值与其测量值是相对应的。 在图2中，四个指示特征被给送到判定框21。然而，所述判定框可以接收任何数目的指示特征，包括一个、两个、三个或所示的四个特征。框21包括一组规则、模糊逻辑或用于做出决定并将其输出的相似手段。所述判定可以具有数字的形式，该数字指示液体的汽蚀或倒流的可能性或严重性。例如，框21的输出33可以是从1到10的整数，其中输出中的1描述操作在标称工作区内，即，输入到判定框的所有特征提供在标称状态中工作的指示。当一些指示开始显示汽蚀或汽蚀可能性有小的迹象时，框21的输出33开始增长，当所有的指示示出有汽蚀或倒流的迹象时，框21输出10。 对本领域技术人员来说很清楚，所述判定框可以以不同的方式工作。可以将所述判定框的输出33引导到上部控制系统以进行进一步的操作，包括例如改变工作状态或发出警报。参考图l，可以经由接口 5将所述判定框的输出33引导到上部控制系统。
判定框21、泵模型30和所存储的用于操作的参数优选在对泵进行控制的频率转
9换器中实现。因此，本发明的方法优选是例如通过软件完全在频率转换器中执行。所要求的计算和所存储的数据也可以放在所述上部控制系统中，由此所述频率转换器只向上部控制系统提供估计转速和扭矩，可能还有泵的压头和流率。 对于本领域技术人员来说，很明显，当技术进步时，本发明概念可以用各种方式来实现。本发明及其实施例不限于上述例子，可以在权利要求书的范围内有所改变。
权利要求
一种基于利用频率转换器控制的泵的方法，其特征在于，所述方法包括步骤利用频率转换器(2)控制所述泵(4)，所述频率转换器(2)给送被连接以驱动所述泵的马达(3)，从所述频率转换器提供所述马达的扭矩估计(Test)和/或转速估计(nest)，使用所提供的估计(Test、nest)形成指示所述泵(4)的汽蚀或汽蚀可能性和/或所述泵(4)的倒流的一个或多个特征(特征1、特征2、特征3、特征4)，以及从所形成的一个或多个特征(特征1、特征2、特征3、特征4)检测所述泵的汽蚀或汽蚀可能性和/或所述泵的倒流。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将所述扭矩估计的交变分量的RMS值 (Ta"KMS)与所述扭矩估计的交变分量的标称RMS值(Ta。,N)进行比较来形成指示特征(特征1) 。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将所述转速估计的交变分量的RMS值 (na"KMS)与所述转速估计的交变分量的标称RMS值(na。,N)进行比较来形成指示特征(特征2) 。
4. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，通过下述步骤形成指示特征(特征4): 使用泵模型根据所述扭矩估计的直流分量(Td。_t)和所述转速估计的直流分量(nd。,J来计算估计体积流(Qrat)，以及将所述估计体积流(Qrat)与转换到当前转速的可允许最小体积流(Qmin)进行比较。
5. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，通过下述步骤形成指示特征(特征3): 使用泵模型根据所述扭矩估计的直流分量(Td^st)和所述转速估计值的直流分量(nd。,est)来计算所需净正吸上压头(NPSHK)，根据所述系统参数来计算有效净正吸上压头(NPSHA)，以及 将有效净正吸上压头(NPSHA)与所需净正吸上压头(NPSHK)进行比较。
6. 根据权利要求1到5中任一个所述的方法，其特征在于，所述扭矩估计的交变分量的 RMS值(Tae,KMS)和所述转速估计的交变分量的RMS值(nae,fflS)的计算包括步骤从所述估计中分离出低频交变分量，以获得分离的交变分量值(Ta。、na。)， 根据所述分离的交变分量值计算RMS值。
7. 根据权利要求1到6中任一个所述的方法，其特征在于，所述扭矩和转速估计的直流 分量通过低通滤波或通过分别计算所述扭矩估计和转速估计的平均值来确定。
8. 根据权利要求1到7中任一个所述的方法，其特征在于，所述估计体积流(Qest)的计 算包括步骤根据所述扭矩估计的直流分量(Td_st)和所述转速估计的直流分量(nd_st)计算所述 泵的估计功耗(P^t,J，以及基于所述估计功耗(Pest,d。)根据所给定的泵参数来确定估计体积流(Qest)。
9. 根据权利要求1到8中任一个所述的方法，其特征在于，所需净正吸上压头(NPSHK) 的计算包括步骤根据所述扭矩估计的直流分量(Td_st)和所述转速估计的直流分量(nd_st)计算所述 泵的估计功耗(Pest,J，基于所述估计功耗(Prat,d。)根据所给定的泵参数来确定估计体积流((Lt)，以及基于所述估计体积流(Qest)根据所给定的泵参数来确定估计的所需净正吸上压头 (NPSHK)。
10. —种基于利用频率转换器控制的泵的系统，其特征在于，所述系统包括对所述泵(4)进行控制的频率转换器(2)，所述频率转换器(2)给送被连接以驱动所述 泵的马达(3)，用于从所述频率转换器提供所述马达的扭矩估计(Trat)和/或转速估计(r^st)的装置， 用于使用所提供的估计(Test、 nest)形成一个或多个特征(特征1、特征2、特征3、特征4)的装置，所述特征指示所述泵(4)的汽蚀或汽蚀可能性和/或所述泵(4)的倒流，以及 用于从所形成的一个或多个特征(特征1、特征2、特征3、特征4)检测所述泵的汽蚀或汽蚀可能性和/或所述泵的倒流的装置。
11. 根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统被合并在频率转换器中。
12. —种频率转换器，其特征在于，所述频率转换器用来执行根据权利要求1到9所述 的方法。
全文摘要
一种基于利用频率转换器控制的泵的方法和系统。所述方法包括步骤利用频率转换器(2)控制所述泵(4)；所述频率转换器(2)给送被连接以驱动所述泵的马达(3)；从频率转换器提供马达的扭矩估计(Test)和/或转速估计(nest)；使用所提供的估计(Test、nest)形成指示所述泵(4)的汽蚀或汽蚀可能性和/或所述泵(4)的倒流的一个或多个特征(特征1、特征2、特征3、特征4)；以及从所形成的一个或多个特征(特征1、特征2、特征3、特征4)检测所述泵的汽蚀或汽蚀可能性和/或所述泵的倒流。
文档编号G01N3/56GK101750258SQ20091025363
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月7日 优先权日2008年12月9日
发明者泰罗·阿霍宁, 耶罗·阿霍拉 申请人:Abb公司