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

1 应用背景

随着我国能源政策的调整，水电在整个电网中的比重不断增加，水电机组运行的安全性与经济性日益受到重视。全面开展水电机组的状态监测与故障诊断，进而实施水电机组的“状态检修”已成为水电机组运行保障技术发展的必然趋势[1]。在水电机组状态监测与故障诊断的众多技术中，振动监测技术已经相对成熟，但是对于水轮机的空化与空蚀的识别则显得能力不足。据统计，目前我国水轮机的空化与空蚀已经成为水轮机损伤的主要原因之一，它会造成水轮机过流部件破坏加剧、运行不稳定，进而引起性能下降、运行效益低、检修费用大。空蚀损伤程度已成为决定是否进行大修的关键参数。因此，进行水轮机空化故障的状态监测与故障诊断研究，有助于判断水轮机空化是否发生，有助于了解空化故障的发展趋势，对于水轮发电机组的安全、高效、稳定运行具有重要的意义[2]。

2 面临问题

通过数值计算、统计、模型观测试验等方法，人们对空化空蚀产生的机理和外部表现形式有了一定的了解，在利用空化空蚀信号特征进行状态监测与故障诊断方面取得了大量的研究成果[3]。通常采用的方法有流量-扬程法、噪声法、压力脉动法、图像法等[4-7]。流量-扬程法简单方便，但是具有滞后性，无法诊断初始阶段的空化;噪声法利用振动传感器或声压计采集水轮机空化时产生的噪声，压力脉动法通过测试并分析水轮机过流通道压力脉动来判断是否发生空化，它们都容易受外界噪声干扰，灵敏度不高，传感器布置与安装受测量对象和运行环境限制;图像法直观，能实时监测，但是对流体介质的清洁程度、摄像装置以及后续处理提出了极高的要求。所以，在实际的水轮机空化监测应用研究中，它们的效果并不理想。

水轮机产生空化时，空泡溃灭产生的冲击波冲击水轮机过流部件的壁面，使壁面原子的晶格发生位错变形，并最终以弹性波的形式释放出猝发能量，从而产生频率范围在20kHz～1MHz的高频声发射信号声发射波，并通过水力、机械系统传播[8]。随着声测技术和计算技术的不断发展，通过测量和研究空化过程中气泡溃灭时产生的声发射信号作为判断空化是否发生及其发展程度的依据[9-11]，已受到越来越多的关注。通过对声发射高频信号的提取与分析，既能克服低频信号的干扰，又有助于准确地诊断水轮机发生空化的位置和严重程度等[2]。当然，这也对采集高频信号的传感器、数据采集装置、分析处理方法提出了更高的要求。

3 解决方案

本文拟以LabVIEW 软件为开发平台设计出一套集声发射信号采集与数据处理于一体的、专门服务于水轮机空化状态监测的自动化系统。声发射传感器收集到的声发射信号前置放大器调理后经高速数据采集卡进入现场工控机系统。在LabVIEW 平台下实现水轮机空化状态声发射信号的数据采集、信号处理、状态显示等功能。整个系统的工作原理如图1所示。

图1 水轮机空化声发射信号监测系统工作原理图

3.1 硬件部分

(1) 声发射传感器

选用北京声华公司生产的SR-150M声发射传感器，如图2所示。该传感器由压电陶瓷材料制成，呈圆柱体，外表由不锈钢材料所包裹，采用磁吸附的方式固定于被测阀门阀体之上，安装使用方便简单、灵敏度高。SR-150M声发射传感器动态响应范围为60k~400kHz，中心频率150kHz，峰值灵敏度：> 65dB。

考虑到水轮机不同位置处的空化声信号特征可能会不同，将不同编号的传感器分别安装到几个有代表性的位置，如：活动导叶拐臂连杆上，转轮室外与桨叶裙边等高的位置，以及尾水管检修进人孔外等。

(2) 前置放大器

选用北京声华公司生产的PAI前置放大器。放大倍数为40dB，带通滤波范围为10KHz~ 2MHz，单端输入，工作电压为28V直流电压。

(3) 高速数据采集卡

选用凌华科技PCI-9846高速数字化仪，如图3所示。该高速数字化仪能够提供高精度、低噪音及高动态范围性能，高密度且高精准度，应用领域广泛。主要技术指标有：4通道同步单端模拟输入，最高采样频率为40MS/s，A/D分辨率为16位，输入范围为± 5 V 或 ± 1 V、带512M BSDRAM可供数据存储。

图2 声华公司生产的SR-150M声发射传感器

图3 凌华科技PCI-9846高速数字化仪

(4) 工业控制计算机

选用的便携式工控机CPU为INTEL E5200，内存2G，14寸显示器。

3.2 软件部分

本文基于LabVIEW开发出的水轮机空化声发射信号监测系统软件主界面如图4所示。

图4 监测系统主界面