本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)備故障檢測與診斷，具體涉及一種離心泵多傳感器數(shù)據(jù)融合汽蝕監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、離心泵汽蝕監(jiān)測技術(shù)是確保泵設(shè)備長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是在化工、石油、電力等行業(yè)中，離心泵因汽蝕引發(fā)的故障會導(dǎo)致設(shè)備損壞、效率降低，甚至停機(jī)事故。汽蝕發(fā)生時，流體中產(chǎn)生的氣泡破裂會引發(fā)劇烈的振動、噪聲及壓力波動，這些現(xiàn)象往往對泵的穩(wěn)定性造成影響，且早期汽蝕征兆不易通過單一監(jiān)測手段及時捕捉?，F(xiàn)有的離心泵汽蝕監(jiān)測方法多依賴于單一的傳感器，如壓力傳感器或振動傳感器，導(dǎo)致汽蝕的監(jiān)測精度和實時性不足，難以在汽蝕初期進(jìn)行有效預(yù)警和控制。

2、為了克服傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足，近年來，基于多種傳感器數(shù)據(jù)融合的汽蝕監(jiān)測技術(shù)逐漸受到關(guān)注。利用聲發(fā)射、振動、壓力波動、功率和噪聲等多種傳感器信號，通過數(shù)據(jù)融合和趨勢預(yù)測，可以更為精準(zhǔn)地監(jiān)測和識別汽蝕現(xiàn)象。然而，當(dāng)前的技術(shù)仍面臨數(shù)據(jù)融合算法復(fù)雜、噪聲干擾大、特征提取不夠有效等問題，無法滿足在復(fù)雜工況下對汽蝕的實時、準(zhǔn)確識別和預(yù)警需求。因此，開發(fā)一種基于多模式傳感器融合的汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)更高效、精準(zhǔn)的早期診斷與智能反饋，成為了行業(yè)中的迫切需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供離心泵多傳感器數(shù)據(jù)融合汽蝕監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過結(jié)合聲發(fā)射、振動、壓力、功率和噪聲等多種傳感器數(shù)據(jù)，并結(jié)合物理約束進(jìn)行特征提取和數(shù)據(jù)融合，有效提高了汽蝕監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實時性。此外，本發(fā)明的趨勢預(yù)測和智能反饋機(jī)制能夠在檢測到汽蝕征兆時自動調(diào)整泵的運行參數(shù)，減少汽蝕對泵性能的影響，延長設(shè)備使用壽命。本發(fā)明顯著提高離心泵設(shè)備的故障預(yù)警能力，為相關(guān)行業(yè)中的泵設(shè)備提供更加智能化、可靠的安全保障。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：

3、一種離心泵多傳感器數(shù)據(jù)融合汽蝕監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集單元、信號預(yù)處理單元、數(shù)據(jù)融合單元、雙向數(shù)據(jù)分析與運行狀態(tài)反饋單元、顯示與報警終端單元；數(shù)據(jù)采集單元包括聲發(fā)射傳感器、振動傳感器、壓力傳感器、功率監(jiān)測傳感器、噪聲傳感器，用于監(jiān)測汽蝕現(xiàn)象的不同特征；信號預(yù)處理單元對各類傳感器采集到的信號進(jìn)行預(yù)處理；數(shù)據(jù)融合單元通過將流體力學(xué)模型、功率消耗模型與傳感器實時采集的信號結(jié)合，識別汽蝕的典型特征；采用多傳感器信號融合和聲場、振動場、流體動力場耦合分析；雙向數(shù)據(jù)分析與運行狀態(tài)反饋單元包含實時反饋機(jī)制和反向反饋機(jī)制，通過實時監(jiān)測泵的運行數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整運行參數(shù)，優(yōu)化泵的工作狀態(tài)；顯示與報警終端單元負(fù)責(zé)實時展示離心泵的汽蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)，并向操作人員發(fā)出預(yù)警信號。

4、聲發(fā)射傳感器安裝在泵殼外部，用于檢測氣泡形成與破裂所產(chǎn)生的聲波信號；振動傳感器安裝在泵體或泵支撐結(jié)構(gòu)上，用于檢測汽蝕引起的振動變化；壓力傳感器安裝在泵的入口或葉輪后部，實時監(jiān)測泵內(nèi)部的壓力波動；功率監(jiān)測傳感器安裝在泵的電機(jī)，用于實時采集泵的功率消耗數(shù)據(jù)；噪聲傳感器安裝在泵的周圍環(huán)境中，捕捉與汽蝕現(xiàn)象相關(guān)的噪聲信號。

5、信號的預(yù)處理包括：噪聲識別與分類：對采集的原始信號進(jìn)行分析，識別出信號中的噪聲源，包括電磁干擾和機(jī)械振動噪聲、傳感器本身的電子噪聲以及因傳感器安裝位置或工況變化而引起的背景噪聲；帶通濾波處理：當(dāng)汽蝕信號集中在特定頻帶時，使用帶通濾波器保留這一頻帶內(nèi)的信號，同時去除其他頻段的噪聲；自適應(yīng)濾波處理：對于非平穩(wěn)噪聲，采用自適應(yīng)濾波，通過實時分析信號的特征，不斷調(diào)整濾波參數(shù)，以去除各種類型的噪聲；濾波后信號的驗證與調(diào)整：完成濾波后對處理后的信號進(jìn)行驗證，確保去噪效果符合預(yù)期；驗證過程包括對比濾波前后的信號波形，檢查是否存在過度平滑、信號失真或重要信息丟失的情況；如果濾波效果不理想，根據(jù)具體情況調(diào)整濾波器參數(shù)或選擇其他合適的濾波方法。

6、數(shù)據(jù)融合單元識別汽蝕的典型特征：當(dāng)泵入口和出口之間的壓差超過設(shè)定的臨界值時，表明泵內(nèi)存在較大壓力波動，汽蝕已經(jīng)開始或即將發(fā)生，此時根據(jù)流體力學(xué)模型推算出汽蝕的發(fā)生概率，并提前發(fā)出預(yù)警信號。

7、數(shù)據(jù)融合單元識別汽蝕的典型特征：實時監(jiān)測泵的輸入功率與流量，結(jié)合功率消耗模型進(jìn)行動態(tài)計算，當(dāng)功率波動幅度超過預(yù)設(shè)閾值時識別出汽蝕的發(fā)生，功率計算公式如下：

8、pinput＝η·q·δp????(1)

9、式中：pinput為泵的輸入效率；η為泵的效率；q為泵的流量；δp為泵入口與出口之間的壓差。

10、聲場分析：通過頻譜分析從聲發(fā)射信號中提取出汽蝕的特征頻率，并與流體力學(xué)模型對比，確認(rèn)汽蝕的發(fā)生；從聲發(fā)射信號中提取汽蝕特征頻率，采用頻譜分析來識別汽蝕的特征頻率：

11、

12、式中：s(f)為頻譜幅度；x(t)為時間域信號；f為頻率；t為信號采集時間；

13、振動場分析：實時監(jiān)測振動傳感器數(shù)據(jù)，對振動頻率和振幅進(jìn)行分析，結(jié)合泵內(nèi)壓力與功率數(shù)據(jù)，進(jìn)一步判斷汽蝕的發(fā)生；通過快速傅里葉變換提取的振動信號頻率分量為δfvib，則振動信號的變化量表示為：

14、δfvib＝fvib(t)-fvib(t-1)????(3)

15、式中：fvib(t)是當(dāng)前時刻的振動頻率，δfvib是振幅振動的頻率，變化較大的振動頻率指示汽蝕的發(fā)生；

16、流體動力場分析：通過壓力傳感器監(jiān)測泵內(nèi)部的局部壓力變化，并結(jié)合流體力學(xué)模型計算流體流速和壓力變化，通過對壓力波動的監(jiān)測和分析，實時判斷汽蝕的風(fēng)險，并發(fā)出預(yù)警信號，壓力波動分析通過以下公式表示：

17、δp(t)＝pin(t)-pout(t)????(4)

18、式中：δp(t)為泵入口和出口壓力差；pin(t)為泵入口壓力；pout(t)為泵出口壓力；根據(jù)流體力學(xué)模型，氣泡的動態(tài)行為和壓力變化滿足以下關(guān)系：

19、

20、式中：pbubble為氣泡內(nèi)部壓力；patm為大氣壓力；σ為表面張力；rbubble為氣泡半徑。

21、多場耦合分析與數(shù)據(jù)融合：采用加權(quán)平均法對聲場、振動場與流體動力場的貢獻(xiàn)進(jìn)行加權(quán)融合，并在多傳感器融合時結(jié)合加權(quán)平均方法來調(diào)整不同物理場的比重：

22、afinal＝ω1aae+ω2avib+ω3afluid????(6)

23、式中，ω1、ω2、ω3分別為聲場、振動場和流體動力場的權(quán)重系數(shù)，且滿足：

24、ω1+ω2+ω3＝1????(7)

25、權(quán)重系數(shù)根據(jù)每個物理場對汽蝕判斷的重要性和貢獻(xiàn)程度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

26、實時反饋機(jī)制：通過多傳感器數(shù)據(jù)融合與分析檢測到潛在的汽蝕風(fēng)險時，實時反饋機(jī)制立即啟動，包括流量調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)；

27、流量調(diào)節(jié)：將泵的流量調(diào)整到安全范圍內(nèi)，使得液體流速不會導(dǎo)致泵內(nèi)部局部壓力過低，保障泵在穩(wěn)定狀態(tài)下運行：

28、qadjusted＝qcurrent-δq????(8)

29、式中：qadjusted為調(diào)節(jié)后的流量；qcurrent為當(dāng)前流量；δq為流量調(diào)整量；

30、壓力調(diào)節(jié)：通過適時提高泵的出口壓力，降低汽蝕的發(fā)生概率：

31、pout,adjusted＝pout,current+δp????(9)

32、式中：pout,adjusted為調(diào)整后的出口壓力；pout,current為當(dāng)前出口壓力；δp為壓力調(diào)節(jié)器。

33、反向反饋機(jī)制：當(dāng)汽蝕現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)生，啟動反向反饋機(jī)制，包括調(diào)整泵的負(fù)載、調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速；

34、調(diào)整泵的負(fù)載：根據(jù)實時監(jiān)測的負(fù)載數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到汽蝕風(fēng)險時，自動調(diào)節(jié)泵的負(fù)載，避免泵在高負(fù)載下繼續(xù)工作，通過減少負(fù)載，降低泵的工作強(qiáng)度，減輕汽蝕的影響：

35、ladjusted＝lcurrent-δl????(10)

36、式中：ladjusted為調(diào)節(jié)后的負(fù)載；lcurrent為當(dāng)前負(fù)載；δl為負(fù)載調(diào)整量；

37、調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速：檢測到汽蝕時，通過降低泵的轉(zhuǎn)速來減輕汽蝕的強(qiáng)度：

38、nadjusted＝ncurrent-δn????(11)

39、式中：nadjusted為調(diào)整后的轉(zhuǎn)速；ncurrent為當(dāng)前轉(zhuǎn)速；δn為轉(zhuǎn)速調(diào)整量。

40、顯示與報警終端單元具有以下功能：數(shù)據(jù)實時顯示、汽蝕診斷結(jié)果反饋、報警、數(shù)據(jù)存儲與回放。

41、本發(fā)明所取得的有益效果為：

42、本發(fā)明通過融合聲發(fā)射、振動、壓力波動、功率和噪聲等多種傳感器數(shù)據(jù)，顯著提升了汽蝕早期診斷的精度和實時性。通過多傳感器協(xié)同工作，能夠全面捕捉汽蝕發(fā)生過程中的各類特征信號，克服了傳統(tǒng)單一監(jiān)測方法的局限性，從而在汽蝕的初期階段就能及時識別并進(jìn)行預(yù)警，優(yōu)化泵的運行狀態(tài)，提升泵的運行安全性和可靠性，延長設(shè)備使用壽命，避免了因汽蝕引發(fā)的設(shè)備故障和停機(jī)事故。

43、本發(fā)明結(jié)合物理模型約束，如流體力學(xué)模型和功率消耗模型，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析和融合，減少了誤判和漏判的可能性。通過對聲場、振動場和流體動力場耦合分析，能夠更全面地反映汽蝕過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，提升了汽蝕識別的準(zhǔn)確性。

44、本發(fā)明還具備實時反饋機(jī)制，能夠根據(jù)汽蝕風(fēng)險自動調(diào)整泵的流量、壓力等運行參數(shù)，有效避免汽蝕的發(fā)生或減緩其影響，從而延長泵設(shè)備的使用壽命，降低運行成本，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，具有廣泛的應(yīng)用前景。