胡 邊,譚丕成,葉 源,萬 元,劉 宇

(1. 湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410004; 2. 國家電投集團(tuán)水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410004;3. 五凌電力有限公司近尾洲水電廠，湖南 衡陽 421127; 4. 湖南師范大學(xué)，湖南 長沙 410004)

0 引 言

燈泡貫流式水輪機(jī)組在中小型水電站中應(yīng)用廣泛，其運行狀態(tài)對于水電站的安全穩(wěn)定運行影響巨大。因此，需對水輪機(jī)組的運行狀態(tài)進(jìn)行實時檢測、分析，并對異常運行狀態(tài)做出故障診斷。目前關(guān)于水輪機(jī)組故障診斷絕大部分是基于機(jī)組振幅及擺度等振動型信號的測量與分析。傳統(tǒng)基于振動的診斷方法，其測量數(shù)據(jù)均來自于接觸式傳感器[1-4]，而此類傳感器難以采集水電機(jī)組某些內(nèi)部旋轉(zhuǎn)固件的狀態(tài)信息。例如，對于混流式水輪機(jī)，在應(yīng)力的累計損傷作用下，其葉片上產(chǎn)生的輕微裂紋信息[5-6]無法用傳統(tǒng)的接觸式振動傳感器采集。

因此，有必要采用新的信號采集方法，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測方式的不足。自20世紀(jì)70年代以來，基于聲學(xué)的特征信息提取技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，音頻信號分析在發(fā)電機(jī)組故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。Abbot等[7-8]給出了水泵水輪機(jī)噪聲量和機(jī)械空蝕損失的對應(yīng)關(guān)系；李繼孟等[9]利用頻移多尺度噪聲調(diào)諧隨機(jī)共振(SR)法，從風(fēng)電機(jī)組周圍噪聲中提取出有用的狀態(tài)檢測信息。上述基于聲學(xué)特性的故障診斷方法，在故障信號采集方式上均具有非接觸、在線、簡便易行等優(yōu)點[10]，為燈泡貫流式水輪機(jī)組故障信號采集提供了借鑒。

然而，水電機(jī)組工作環(huán)境惡劣，噪聲強(qiáng)度一般為90 dB以上，甚至達(dá)到140 dB[11]。因此，基于聲學(xué)特性的故障檢測分析，離不開穩(wěn)定可靠、大測量范圍的噪聲信號采集系統(tǒng)。目前市面上的噪聲采集系統(tǒng)大多基于單片機(jī)或DSP，其動態(tài)范圍及數(shù)據(jù)處理能力難以滿足故障診斷的需求。本文旨在設(shè)計一款寬動態(tài)范圍、高精密度的噪聲采集系統(tǒng)，其噪聲測量動態(tài)范圍為20～140 dB，分辨率達(dá)到0.5 dB，最大級線性誤差小于0.5 dB，以提高故障檢測的準(zhǔn)確性。

1 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

采集系統(tǒng)分為噪聲傳感器單元、調(diào)理電路單元、數(shù)據(jù)采集卡部分、上位機(jī)等，如圖1所示。根據(jù)水電廠現(xiàn)場燈泡貫流式機(jī)組的實際運作情況，分別從水輪機(jī)組的燈泡頭、燈泡體、配水環(huán)、變壓器采集噪聲信號，每部分各分配2個噪聲傳感器。系統(tǒng)采集的8路噪聲信號，經(jīng)調(diào)理電路放大、濾波處理以后，傳送給采集卡并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)光纖傳輸至終端PC機(jī)，為后續(xù)的故障特征提取與診斷做準(zhǔn)備。

圖1 噪聲采集系統(tǒng)框圖

1.2 噪聲傳感器選型及前置電路設(shè)計

按照設(shè)計要求，噪聲信號采集系統(tǒng)的動態(tài)測量范圍為20～140 dB，分辨率為0.5 dB，因此噪聲傳感器性能要求較高。本文選用衡陽衡儀電氣有限公司的HY205型號傳聲器作為噪聲傳感器。其主要技術(shù)參數(shù)為：1）頻率范圍：20 Hz～22 kHz；2）噪聲測量動態(tài)上限：146 dB；3）標(biāo)稱靈敏度：50 mV/Pa；4）電容量：（15±3）pF；5）本底噪聲<10 dB。因此，HY205型號傳聲器符合系統(tǒng)設(shè)計要求。該傳聲器內(nèi)置的JFET器件與信號輸出端之間采用共漏極接法。因駐極體式傳聲器的輸出阻抗很高，為保證輸出信號的可靠性，需配合外部電路，共同構(gòu)成前置電路完成輸入信號的初步調(diào)理。傳聲器的前置電路見圖2。

圖2 HY205傳聲器前置電路圖

外界噪聲信號經(jīng)傳聲器采集并轉(zhuǎn)換為輸入電信號，經(jīng)場效應(yīng)管JFET、運放OPA2171及外圍電路組成的前置電路處理后輸出?？烧{(diào)電位器RP1用于調(diào)節(jié)傳感器輸出信號和傳感器輸出阻抗；運放OPA2171及外圍電路組成電壓跟隨器，實現(xiàn)傳感器與后續(xù)放大電路的阻抗匹配，并輸出信號Vs。

1.3 信號采集電路關(guān)鍵參數(shù)

1.3.1 采集卡A/D轉(zhuǎn)換器分辨率計算與選型

調(diào)理電路的各項參數(shù)和傳聲器的輸出電壓緊密相關(guān)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]，結(jié)合聲壓級的相關(guān)知識給出傳聲器輸出電壓與輸入聲級之間的關(guān)系式，即

式中：u——傳聲器輸出電壓，V；

L——傳聲器輸入聲級（A計權(quán)），dB；

P0——參考聲壓，即人耳能聽到的最小聲壓，2×10-5Pa；

S——所選傳聲器的靈敏度，50 mV/Pa。

將系統(tǒng)輸入動態(tài)范圍20～140 dB分別代入式(1)，可得傳聲器輸出電壓范圍在10 μV～10 V。由式(1)及系統(tǒng)聲級分辨率0.5 dB可知，傳聲器的最小輸出電壓變化量在輸入信號為20 dB時取得，即

系統(tǒng)ADC的位數(shù)至少為25位（225-1=33 554 431>16 877 637），即若采用單級實現(xiàn)全量程放大，需要至少25位的ADC，這對采集卡的要求較高。為了解決這個問題，設(shè)計兩級分段組合放大電路，即將系統(tǒng)分為 L (20～80 dB)和 H (80～140 dB)兩路采集，以降低采集卡ADC位數(shù)的要求。

由式（2）可知，對于L級，傳聲器最小輸出電壓變化 ΔuLmin=0.592 5 μV；同時根據(jù)式（1）可知，當(dāng)輸入信號為80 dB時，傳聲器輸出電壓u80dB=10 mV，因此有

即ADC的位數(shù)至少為15位。

同理，對于H級，當(dāng)輸入信號為140 dB時，傳聲器輸出電壓u140dB=10 V，且

即ADC的位數(shù)至少為15位。

基于上述分析，系統(tǒng)采用北京中泰研創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的EM9118B數(shù)據(jù)采集卡，完成數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換功能。該產(chǎn)品具有4路16 bit的ADC采集通道，最高吞吐量達(dá)3.6 MB/s；每條通道并行采樣率最高可達(dá)450 kHz；模擬輸入電壓范圍在-10 V～10 V。性能滿足設(shè)計需求。

另外，此型號采集卡內(nèi)置以太網(wǎng)轉(zhuǎn)接口，輸出信號可以直接用網(wǎng)線傳輸，不僅能提高傳輸過程中信號的抗干擾能力，同時在多路信號匯總時可以直接借助路由器實現(xiàn)，且可以接與PC機(jī)的網(wǎng)口連接，可完成采集端信號至終端的數(shù)據(jù)傳輸。

1.3.2 調(diào)理電路設(shè)計

本系統(tǒng)選擇16 bit采集卡EM9118B完成噪聲信號采集，其參考電壓為5 V，因此它可識別的最小電壓為

在 L段，由 1.3.1分析知 ΔuLmin=0.592 5 μV，因此在L級ΔuLmin

當(dāng)輸入信號為80 dB時（代入式（1）可求出uinmax=10 mV），采集系統(tǒng)輸出最大值，即uomax=VREF=5 V。同時考慮到峰值因子k=3，因此最大放大倍數(shù)AuLmax為

為方便電路設(shè)計，取AuL=150。同理，對于H 級，AuHmin≈ 0.13、AuHmax≈ 0.17，取AuH= 0.15。

在電路設(shè)計中，放大電路由兩級電路實現(xiàn)。以L級放大電路為例，電路圖如圖3所示。其中，第一級為增益放大電路，第二級為電壓跟隨電路，實現(xiàn)阻抗匹配。第一級電路中，取R4=1 kΩ，R6=150 kΩ，放大倍數(shù)為150倍。

圖3 L級調(diào)理放大電路

同理，對于H級，只需修改對應(yīng)的阻值使放大倍數(shù)AuL=0.15即可。

1.3.3 低通濾波器電路

為了減少高頻信號（20 kHz以上信號）對水輪機(jī)組運行時產(chǎn)生的信號干擾，并考慮到濾波效果，本文設(shè)計了一個四階的巴特沃斯低通濾波器，其電路如圖4所示。

圖4 四階巴特沃斯濾波器

圖中，巴特沃斯低通濾波器截止頻率fc為20 kHz，且R11=R12=R21=R22=340 Ω，C11=22 nF，C12=20 nF，C21=22 nF，C22=3.3 nF。

2 系統(tǒng)實驗

2.1 信號采集電路仿真

1）調(diào)理電路放大倍數(shù)仿真

以H級調(diào)理電路為例，輸入頻率5 kHz、幅值0.7 V的正弦信號。雙通道示波器下A、B兩通道分別接調(diào)理電路的輸入輸出端，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 H級調(diào)理電路信號仿真圖

由圖知，輸入、輸出信號幅值分別為698.127 mV和106.156 mV，放大倍數(shù)約為0.152，接近設(shè)定值0.15。同理，分別利用不同信號強(qiáng)度的正弦信號對H、L級調(diào)理電路做仿真，測試結(jié)果見表1。

表1 調(diào)理電路放大倍數(shù)仿真

由表可知，對于輸入信號在20～80 dB的L級電路，放大倍數(shù)均在150左右，對于輸入信號在80～140 dB的H級電路，放大倍數(shù)均在0.15左右，符合設(shè)計預(yù)期。

2）濾波器幅頻特性仿真

借助波特測試儀，對設(shè)計的濾波器進(jìn)行幅頻特性測試，如圖6所示。

圖6 四階巴特沃斯濾波器幅頻特性圖

由圖可以看出，在通帶頻率范圍內(nèi)，濾波器保持著非常平穩(wěn)的增益（0 dB）。當(dāng)頻率衰減為-3 dB，對應(yīng)的截止頻率大概在20 kHz，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

2.2 測試平臺與現(xiàn)場測試

噪聲信號采集系統(tǒng)完成設(shè)計后，利用標(biāo)準(zhǔn)測試平臺進(jìn)行現(xiàn)場測試。其中，標(biāo)準(zhǔn)測試平臺由標(biāo)準(zhǔn)信號源（任意波形發(fā)生器）、可調(diào)式衰減器以及信號轉(zhuǎn)換頭等設(shè)備構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)信號源的幅值變化范圍為40～140 dB，以10 dB為步長調(diào)整；頻率范圍為20 Hz～20 kHz，測試頻點按照聲級計國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求[13]設(shè)置，分別為 20 Hz、31.5 Hz、63 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 kHz、2 kHz、4 kHz、8 kHz、16 kHz、20 kHz。圖7為信號采集系統(tǒng)性能測試平臺。利用標(biāo)準(zhǔn)源測試噪聲信號系統(tǒng)的級線性誤差，測試數(shù)據(jù)如表2所示。由表可知，系統(tǒng)的最大級線性誤差為0.3 dB，滿足小于0.5 dB的設(shè)計要求。

圖7 測試平臺

表2 噪聲信號采集系統(tǒng)級線性誤差 dB

圖8為某故障水輪機(jī)排水環(huán)處噪聲信號采集的現(xiàn)場。圖中采集箱內(nèi)部包含電源、調(diào)理電路板、數(shù)據(jù)采集卡等。采集箱與外界傳感器通過航空插頭連接，連接線為PVVP電纜線，能有效屏蔽外界干擾?，F(xiàn)場采集的噪聲信號經(jīng)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、PVVP電纜線等傳輸至PC機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、特征提取和故障診斷。圖9為采集的噪聲信號頻譜分析結(jié)果。

圖8 噪聲信號采集現(xiàn)場

圖9 采集噪聲的頻譜圖

由圖9可知，系統(tǒng)采集的水輪機(jī)噪聲信號能量大多集中1 kHz以下的低頻，高頻信號能量幾乎為零，與實際情況非常吻合，具有良好的可靠性，為故障特征提取和故障診斷奠定了良好基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

本文針對基于聲學(xué)特性的燈泡貫流式水輪機(jī)組的故障診斷需求，設(shè)計了一種水輪機(jī)組噪聲信號采集系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計、硬件電路設(shè)計等，并進(jìn)行了仿真驗證和現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)的噪聲測量范圍20～140 dB，最大級線性誤差為0.3 dB，為故障特征提取和故障診斷提供了可靠的數(shù)據(jù)。同時，設(shè)計的兩級分段組合放大電路，解決了傳統(tǒng)的單級調(diào)理電路不易實現(xiàn)全量程、大動態(tài)范圍信號放大的缺點，提升了系統(tǒng)性能指標(biāo)。