一种离心泵与电机运行状态的监测装置及监测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种离心泵与电机运行状态的监测装置。监测装置包括信号采集模块，信号调理模块、信号处理模块、信号储存模块、人机交互模块；信号采集模块采集电机的定子电流和电机的供电电压、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；信号处理模块接收电压信号并进行分析运算，信号存储模块用于存储信号处理模块的运算结果；人机交互模块用于获取并显示信号存储模块的数据以及控制信号采集模块的采集过程。总谐波失真和运行效率的参考对应可知道离心泵运行状态及对应特征，可确保工况监测的准确性的同时分析系统能耗情况。

A Monitoring Device and Method for the Operation State of Centrifugal Pump and Motor

The invention discloses a monitoring device for the operation state of a centrifugal pump and a motor. The monitoring device includes signal acquisition module, signal conditioning module, signal processing module, signal storage module and human-computer interaction module; signal acquisition module collects motor stator current and motor supply voltage, centrifugal pump inlet pressure, inlet temperature, outlet pressure and outlet temperature; signal conditioning module receives the physical quantity collected by signal acquisition module and converts it into voltage signal. The signal processing module receives the voltage signal and carries on the analysis operation, the signal storage module is used to store the operation result of the signal processing module, and the human-computer interaction module is used to obtain and display the data of the signal storage module and the acquisition process of the control signal acquisition module. The reference correspondence of total harmonic distortion and operation efficiency can know the operation status and corresponding characteristics of centrifugal pumps, ensure the accuracy of working condition monitoring and analyze the energy consumption of the system at the same time.

【技术实现步骤摘要】
一种离心泵与电机运行状态的监测装置及监测方法
本专利技术涉及泵、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。
技术介绍
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。专利技术人在实施本专利技术实施例的过程中，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。
技术实现思路
本专利技术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：本专利技术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。本专利技术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中的所述矩阵得到所述离心泵运行状态的频率分量。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，为电机功率因数，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，为等温系数；为水的平均比热，p1为离心泵进口截面压强、p2为离心泵出口截面压强a，为水的比容，T1为泵进口处的液体温度，T2为泵出口处的液体温度；所述离心泵的效率计算公式为：式中，为等温系数；为水的平均比热，p1为离心泵进口截面压强、p2为离心泵出口截面压强a，为水的比容，T1为泵进口处的液体温度，T2为泵出口处的液体温度。相比于现存的技术，本专利技术的优点在于：本专利技术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，可在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离心泵与电机运行状态的监测装置，其特征在于，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运行效率，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。

【技术特征摘要】
1.一种离心泵与电机运行状态的监测装置，其特征在于，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运行效率，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。2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，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。5.一种离心泵与电机运行状态的监测方法，其特征在于，利用权利要求1-4任意一项所述的监测装置，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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆寅，龚波，袁寿其，韩岳江，董健，
申请(专利权)人：江苏大学镇江流体工程装备技术研究院，江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32