基于凌华科技PCI-9846高速数字化仪的水轮机空化声发射信号监测系统研究(2)

界面划分为功能选择区、时域波形显示区、频域波形显示区、空化声发射特征参数显示区和趋势分析显示区等。它们共同完成如下功能：

(1) 数据采集

采用硬件模块化的方式方便灵活地实现不同采样通道数目和采样频率的高速数据采集。

该模块使用了LabVIEW的NI Measurements模板中DAQmx 模块的各函数，根据不同需要可进行采集通道、采样模式、采样频率、采样频段范围、门槛值等设置。如图5所示。

图5 数据采集参数设置界面

(2) 信号处理

本模块利用LabVIEW 的Signal Processing Suite专用软件包、函数和子程序库，对采集到的传感器信号进行处理和分析，主要包括数字滤波、时域分析、频域分析、小波分析等。

经实验室环境下的反复对比测试，选定波击计数、事件计数、能量计数、RMS值和中心频率等5种参数作为空化声发射信号的特征参数。其中，波击计数(hits) 是一通道上一声发射信号的探测与测量和所测得波击个数，可以反映声发射活动的总量和频度。事件计数是由一个或几个波击鉴别所得声发射事件的个数。一般情况下一阵列中，一个或几个波击对应一个事件。它不仅可以反映声发射事件的总量，还可以反映声发射事件的频度。有效值电压(RMS) 是采样时间内信号电平的均方根值，以V表示。与声发射的大小有关。测量简便，不受门槛的影响。能量计数是事件信号检波包络线下的面积，可以反映事件的相对能量或强度，对门槛、工作频率和传播特性不甚敏感，可取代振铃计数，也用于波源的类型鉴别。

(3) 状态显示

状态监测以数值监测、图形监测、趋势监测等形式反映水轮机的空化状态。数值形式包括：振铃计数、事件计数、能量、RMS值和中心频率等。图形形式包括：空化声发射信号时域图、频谱图、声发射信号特征参数随时间变化的趋势图等。

(4) 数据存储

为了便于数据读取后进行后处理和管理的方便，本系统把采集到的数据通过数据文件的形式直接保存到指定路径下。文件名以数据采集的具体时间组合命名。数据分为实时数据和历史数据两种。实时数据主要有数据采集参数、声发射信号原始波形等。历史数据主要有按年、月、日等进行分档压缩存储的机组正常运转的历史数据和机组出现异常情况的历史数据，包括提取出的振铃计数、事件计数、能量、RMS值和中心频率等。这些数据既可用于历史数据回放和故障分析， 又可为水电机组优化运行提供依据。

4应用实例

尾水管空腔空化是反击式水轮机特有的一种漩涡空化，它发生在转轮下方的空腔区域。尤其是反击式水轮机偏离设计工况运行时，在转轮后会产生涡带，涡带中心形成负压，形成空化。同时，涡带会以低于水轮机转频的速度在尾水管中旋转，周期性地撞击尾水管壁，造成振动和噪声(其中就包括高频成分的声发射信号)，也可能在尾水管进口段边壁引起空蚀。

本次试验选在某小型水电站的3#混流式水轮机上进行。该机组容量为8000kW，额定流量16.5m3/s，设计水头58 m。因投运于20世纪90年代，且缺乏必要的优化运行方案和检修措施，整个机组的稳定性状况较差，以往的检修也证明了尾水管中存在空腔空化与空蚀的破坏。因此，将2套声发射传感器分别布置在紧靠尾水管检修进人孔处和距离进人孔1.2m处，如图6所示。

图6 声发射传感器布置地点(某水电站尾水进人孔)

分别记录了从机组带40%、70%、100%负荷时的声发射信号及其特征参数。因满负荷运行时机组状态较平稳，声发射信号的各特征参数相对较小，可解释为水流运动以及撞击流道产生的噪声。而在带70%和40%负荷时，采集到的声发射信号及其特征参数变化明显，尤其是频谱中113kHz附近的频率成分随着所带负荷的减少而不断增加，而且试验人员在现场的震感较100%负荷时越加明显。表1列出了70%和40%负荷这两种工况下的声发射信号特征参数。

表1 不同工况下水轮机尾水空腔空化声发射信号特征参数对比

从表中可以看出，40%负荷下的各项参数均比70%负荷时大，有些参数的变化幅度较大，如事件计数、波击计数、能量率等，说明前者的声发射现象比后者剧烈。这与低负荷工况下水轮机流态恶化、振动加剧、空腔空化严重的理论与实践结果是一致的，也在一定程度上反映了本文中开发出的系统在数据采集、特征参数提取上的合理性。

因为试验条件的限制，未能进行更多工况下的声发射信号采集，也由于整个行业内缺乏有关声发射特征选取的界定标准，所以有关声发射信号特征参数与水轮机空化发展程度的对应关系还有待进一步的系统的研究。