一种船用离心泵空化初生及演化状态监测系统及监测方法

本发明涉及一种船用离心泵空化初生及演化状态监测系统及监测方法，属于信号时频特征处理。

背景技术：

1、空化是船用离心泵运行时经常发生的非期望流动现象，会引起船用供水系统性能下降、振动和噪声加剧、过流部件损坏等问题，准确检测出空化初生及其演化状态可以指导用户及时调整船用离心泵运行工况，确保运行的稳定性和安全性，并且延长泵的使用寿命。然而船舶运行过程中环境复杂，背景噪声容易掩盖信号中微弱的空化初生特征，舱段内部空间狭小，安装监测装置难度较大。因此，需要一种便携、操作简单的监测装置，选择传递路径可靠的信号，利用信号分解方法去除噪声分量，才能够实现空化初生及演化状态特征的有效提取和监测。mcsa(motor current signal analysis，电机电流信号分析)技术通过分析电机定子电流信号提取特征指标实现被驱动设备的故障诊断，该方法中电流信号传递路径少，不容易受到运行设备周围环境的干扰，已经成功应用于泵的故障诊断。但是电流信号中电网工频分量的能量较高，故障特征频率相对较微弱，容易受到电网工频的调制影响。

2、cn 201610906117.5公开了一种离心泵空化诊断的方法及其装置，其需分析三相电流和三相电压信号，数据量大且无法实现空化初生状态监测，是基于mcsa技术实现泵故障诊断的。cn 2016109150446公开了一种离心泵空化监测装置，cn 202210160954.3公开了一种离心泵空化状态识别方法，cn 2022109973044公开了一种强干扰下旋转机械特征频率提取方法，以上均是关于泵空化特征提取的。上述现有技术分析的信号容易受到外界环境干扰，且没有提供明确表征空化初生状态及演化特征的信号特征指标。

技术实现思路

1、技术问题：为解决背景技术中存在的上述问题，本发明的第一目的是提供一种船用离心泵空化初生及演化状态监测系统；本发明的第二目的是提供一种利用该船用离心泵空化初生及演化状态监测系统进行监测的方法。

2、技术方案：本发明所述一种船用离心泵空化初生及演化状态监测系统，包括电源模块，，所述监测系统还包括监测装置主机和信号采集单元；其中，所述监测装置主机包括信号处理单元、数据存储单元、触摸控制单元、显示单元；所述信号处理单元分别与信号采集单元、数据存储单元、显示单元连接，所述显示单元分别与信号处理单元、数据存储单元和触摸控制单元连接。

3、其中，所述信号采集单元包括一只霍尔电流传感器；所述霍尔电流传感器安装在离心泵的驱动电机任意一根火线上，用于采集离心泵单相电机定子电流信号。

4、其中，所述信号处理单元接收信号采集单元采集的电流信号，通过对电流信号进行特征分析，并将数据传输到数据存储单元和显示单元；所述数据存储单元用于存储数据；所述触摸控制单元为lcd触摸控制模块，用于用户输入离心泵的转速，为信号处理单元的算法提供已知参数；所述显示单元用于显示信号分析结果、历史数据、监测结果、用户建议和使用说明。

5、其中，所述驱动电机为三相异步电机。

6、本发明还包括一种船用离心泵空化初生及演化状态的监测方法，利用本发明所述监测系统，包括以下步骤：

7、s1、触摸控制单元进行参数设置：用户通过触摸控制单元设置离心泵的转速n；

8、s2、信号采集单元进行数据采集：通过信号采集单元获得离心泵单相电机定子电流信号；

9、s3、信号处理单元分解电机定子电流信号：信号处理单元利用ceemdan算法获得一系列imf分量(intrinsic mode function，内蕴模态分量)；

10、s4、信号处理单元重构电流信号与剔除噪声分量；

11、s5、信号处理单元进行空化初生特征提取与监测：通过信号处理单元绘制电流信号的时间和频率联合分布的谱图，获得一系列谐振频带f；挑选出与谐振频带f一致的imf分量重构电流信号；

12、s6、信号处理单元进行空化演化状态特征提取与监测；

13、s7、将步骤s6中所得的监测结果由信号处理单元发送至存储单元中存储；

14、s8、将步骤s6中所得的监测结果由信号处理单元发送至显示单元，向用户提供船用离心泵运行信息。

15、其中，步骤s2中，采集单元获得离心泵单相电机定子电流信号时采集频率为1khz～10khz。

16、其中，步骤s3中，所述信号处理单元利用ceemdan算法获得一系列imf分量，包括如下步骤：

17、(a1)对原始电机定子电流信号x添加m个高斯白噪声λ，通过式(1)得到xm：

18、xm＝x+ε0λm(m＝1,…m)                (1)，

19、其中，xm表示第m个添加白噪声的信号，x为电机定子电流信号，m表示白噪声信号的序列，m为白噪声信号的总数，ε0为白噪声幅值，λ为高斯白噪声的瞬时值；

20、m越大分解精度越高，但同时求解速度越慢，根据前期研究，本发明中m取值为200；ε0的值为电流信号标准差的k倍，k取值过大或过小都会降低分解精度，根据前期研究，本发明中k取值为0.2；

21、(a2)分别对步骤(a1)中m个添加高斯白噪声的电流信号进行emd分解，按照式(2)将m次分解所得的第一阶imf分量求平均值：

22、

23、其中，为ceemdan分解所得第1阶imf分量，为电流信号添加第m个高斯白噪声经过emd分解所得的第1阶imf分量，m表示白噪声信号的序列，m为白噪声信号的总数；

24、即ceemdan算法分解所得的第一阶imf分量的剩余分量r1通过式(3)计算：

25、

26、其中，r1为信号经ceemdan第1次分解后的剩余分量，x为电机定子电流信号，为ceemdan分解所得第1阶imf分量；下一次分解即在上一次的剩余分量基础上进行；

27、(a3)定义ei(·)为对信号进行emd分解所得的第i个imf分量；对高斯白噪声λ进行emd分解后，再与第i次ceemdan分解所得的剩余分量ri相加，即得ri+εiei(λm)，其中，ri为第i次ceemdan分解后所得的剩余分量，ei(λm)为第m个白噪声经emd分解所得第i个imf分量，εi为白噪声幅值；从而进一步进行emd分解得到新的第i+1阶imf分量，按照式(4)进行计算：

28、

29、其中，为第i+1次ceemdan分解所得imf分量，e1(ri+εiei(λm))为ri+εiei(λm)经emd分解所得第1阶imf分量，ri+εiei(λm)表示对第i次分解所得的剩余分量添加m个高斯白噪声，m表示白噪声信号的序列，m为白噪声信号的总数，i为imf分量的序列，λ为高斯白噪声的瞬时值，εi为白噪声幅值，ri为第i次ceemdan分解后所得的剩余分量，ei(λm)为第m个白噪声经emd分解所得第i个imf分量；

30、白噪声幅值由式(5)来确定：

31、εi＝kstd(ri)                         (5)，

32、其中，εi为白噪声幅值(即k倍剩余分量的标准差)，k为剩余分量标准差的倍数，ri为第i次分解后所得的剩余分量；

33、根据前期研究，本发明中k取值为0.2；

34、(a4)上述步骤(a1)～(a3)所述的ceemdan分解过程直到剩余分量为单调函数，即不满足emd分解条件时，则停止分解。

35、其中，步骤s4中，所述重构电流信号与剔除噪声分量包括如下步骤：

36、(b1)获得步骤s3中通过ceemdan分解所得各阶imf分量的参数：n、ai(j)、oi，其中，n为imf分量的长度，ai(j)为第i阶imf分量的瞬态幅值，oi为第i阶imf分量的极点数；

37、(b2)根据步骤(b1)得到的参数，按照式(6)计算第i阶imf分量的能量密度：

38、

39、其中，ei为第i阶imf分量的能量密度，j为imf分量幅值的序列，n为imf分量的长度，ai(j)为第i阶imf分量的瞬态幅值；

40、(b3)根据步骤(b 1)得到的参数，按照式(7)计算第i阶imf分量的平均周期：

41、

42、其中，为第i阶imf分量的平均周期，n为imf分量的长度，oi为第i阶imf分量的极点数；

43、(b4)根据步骤(b 2)和步骤(b 3)的结果，按照式(8)计算第i阶imf分量的信号功率：

44、

45、其中，pi为第i阶imf分量的信号功率，ei为第i阶imf分量的能量密度，为第i阶imf分量的平均周期；

46、(b5)按照式(9)计算噪声判定系数

47、

48、其中，ci为噪声判定系数，pi为第i阶imf分量的信号功率，i为imf分量的序列；

49、由于噪声imf的信号功率为定值，若ci≥1，则前i-1阶imf分量的信号功率为定值，可作为噪声分量去除，ceemdan分解最后一项所得的残差也应去除；

50、(b6)根据步骤(b5)将ceemdan分解所得imf中的噪声分量和步骤(a1)～(a3)ceemdan分解最后一项所得的残差剔除，将剩余imf量相加，重构成新的电流信号。

51、其中，步骤s5中，信号处理单元进行空化初生特征提取与监测包括如下步骤：

52、(c1)绘制电流信号的时间和频率联合分布的谱图，获得若干个谐振频带f，求若干个谐振频带f的平均频率；

53、(c2)选取与谐振频带f的平均频率一致的步骤(b6)中重构的电流信号中的imf分量进行特征提取；

54、(c3)将步骤(b6)中重构的电流信号的第3～9阶imf分量相加得到imf3-9，按照步骤(b1)～(b4)步骤求解imf3-9的信号功率p3-9，作为反映空化初生特征的指标；

55、(c4)所述监测系统用于监测空化初生状态前采集未发生空化时离心泵单相电机定子电流信号，按照步骤(b1)～(b4)计算正常工况的空化初生特征指标，即正常工况下采集电流信号经ceemdan分解后的第3～9阶imf分量信号功率，记为运行时实测离心泵单相电机定子电流信号的指标若满足则判断为空化初生；

56、(c5)离心泵运行过程中若特征指标显示空化初生，通过显示系统向用户预警空化即将发生。

57、其中，步骤s6中，空化演化状态特征提取与监测包括如下步骤：

58、(d1)根据用户输入的离心泵转速n，按照式(10)求解出空化演化状态的理论特征频率ft：

59、ft＝n/30                        (10)；

60、其中，ft为空化演化状态的理论特征频率，n为用户输入的离心泵转速；

61、(d2)分别求解各阶imf分量的平均频率，提取出平均频率最接近ft的分量，记为imfe(t)；

62、(d3)对imfe(t)进行hilbert变换，得到时间和频率联合域内的imf分量imfe(ω,t)，按照式(11)求解出imfe(t)的边际谱：

63、

64、其中，imfe(ω)为imfe(ω,t)在时间域内积分得到的边际谱，imfe(ω,t)为时间和频率联合域内的imf分量，t为信号采集时间；

65、(d4)获得imfe(t)的边际谱峰值作为反映空化演化状态特征指标；

66、(d5)所述监测系统用于监测空化演化状态前采集未发生空化的电流信号，按照步骤(d1)～(d4)计算正常工况的空化演化状态指标，记为运行时实测信号的空化演化状态特征指标，若满足则未发生空化；若满足则发生轻微空化；若满足则发生严重空化；若满足则发生断裂空化；

67、(d6)离心泵运行过程中若空化演化状态特征指标显示发生轻微空化，建议用户调整工况；若空化演化状态特征指标显示发生严重空化或断裂空化，建议用户停机。

68、本发明设计的监测系统安装在三相异步电机的任意一根火线上，采集离心泵单相电机定子电流信号，利用ceemdan算法(complete ensemble empirical modedecomposition with adaptive noise，具有自适应噪声的完全集成经验模式分解)分解离心泵单相电机定子电流信号，以离心泵空化流动特征为依据，提取出反映空化初生及演化状态特征的指标，从而准确检测早期空化，以及实时监测空化状态并为用户提供运行建议。

69、本发明为确保船用离心泵运行稳定可靠，设计一种便携、非侵入式、操作简单、价格低廉的监测系统，建立相应的算法分析离心泵单相电机定子电流信号，依据离心泵空化流动特征，提取出描述空化初生特征以及演化规律的信号时频特征指标，为用户提供运行建议。

70、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

71、(1)根据船用离心离心泵系统实际运行情况，用户仅需要输入离心泵转速，即可获得监测结果，简化了操作流程，提高了系统使用的灵活性和监测效率。

72、(2)监测系统软件界面相较于现有技术更加简单清晰，能够针对泵运行情况显示信号分析结果、历史数据、监测结果、用户建议和使用说明。

73、(3)相较于现有技术本发明提出的特征提取方法能够更加有效去除信号中的噪声干扰，不仅准确预测空化初生，还能全面监测空化全发展过程的演化状态，并且为用户及时提供信息调整泵运行工况，确保船用离心泵系统运行的安全性和可靠性。

74、(4)与现有技术相比，本发明将电流信号作为诊断依据，只需要1个霍尔电流传感器采集信号，大大简化了监测系统，也减少了数据处理工作量，被测电流信号不易被外界环境干扰，且不受测点位置和系统结构影响。

75、(5)本发明所提供的监测系统价格低廉、操作简单、便于携带和安装，采用非侵入式方法监测。