孫治鵬，Josephus T.Maria，涂世明，鄭有勝，曾翰典

（天信儀表集團(tuán)有限公司，浙江 蒼南 325800）

0 引言

隨著天然氣能源比例不斷提高，氣體渦輪流量計(jì)在然氣貿(mào)易計(jì)量和過程監(jiān)控等領(lǐng)域用量也水漲船高。在使用過程中，由于介質(zhì)清潔度差、不規(guī)范操作、未定時(shí)維護(hù)和質(zhì)量缺陷等問題導(dǎo)致部件損壞，如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致計(jì)量的不準(zhǔn)確。目前一般是通過現(xiàn)場(chǎng)巡檢的方式對(duì)儀表顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)比判定儀表運(yùn)行狀態(tài)，如當(dāng)前的溫壓、流量等數(shù)據(jù)和參考?xì)v史值對(duì)比診斷，如發(fā)現(xiàn)偏差較大，則拆卸下來進(jìn)一步診斷。以上方法容易產(chǎn)生誤判斷，且現(xiàn)場(chǎng)管道拆裝成本大，特別在高壓的管道上。管道內(nèi)高壓可燃?xì)怏w操作存在危險(xiǎn)，停氣拆卸對(duì)用氣方產(chǎn)生影響，維護(hù)成本高，造成了資源浪費(fèi)。因此，通過對(duì)采用基于NI公司的采集系統(tǒng)和LabVIEW平臺(tái)虛擬軟件的診斷系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)在不拆表、不停機(jī)下快速精準(zhǔn)地在線診斷，具有重大的意義。

1 故障診斷系統(tǒng)的工作機(jī)理

機(jī)械設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，常見的故障有部件脫落、腐蝕、變形、老化、運(yùn)行異常等。這些故障的存在輕則性能衰退、功能喪失，重則影響企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失[1,2]。根據(jù)渦輪流量計(jì)的特性，這些故障主要表現(xiàn)在傳動(dòng)部件上：如阻力上升，異常振動(dòng)，葉輪缺損、變形、卡頓或卡死現(xiàn)象，因此可通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行診斷。

1.1 利用葉片轉(zhuǎn)速進(jìn)行診斷

氣體渦輪流量計(jì)的計(jì)量原理為管道內(nèi)的流體推動(dòng)渦輪葉片，一定條件下其旋轉(zhuǎn)角速度與工作條件下流體流速成正比，通過傳感器測(cè)量角速度計(jì)算可得到流量[3]。葉輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)的方法有霍爾式、光電式、電容式、電感式傳感器等[4]。通過LabVIEW計(jì)數(shù)器高速的采集每一個(gè)葉片的脈沖寬度進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析，便可診斷渦輪葉片的彎曲、缺損故障。另外，不管機(jī)械顯示還是電子顯示儀表出廠時(shí)都會(huì)進(jìn)行標(biāo)定，獲取固定的儀表系數(shù)。因此，葉片取得的高頻信號(hào)可以和其余部件取得的中低頻信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，獲取瞬時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較診斷。

1.2 利用振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行診斷

氣體渦輪流量計(jì)在管道運(yùn)行時(shí)，盡管相比其它如羅茨流量計(jì)運(yùn)行較穩(wěn)定，但不可避免地會(huì)發(fā)生輕微的振動(dòng)現(xiàn)象。一般情況下，這種振動(dòng)可分解為有一定規(guī)律的渦輪傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)引起的簡(jiǎn)諧振動(dòng)和管道上其它設(shè)備、外部噪聲等疊加組成[5]。因此，可利用振動(dòng)檢測(cè)模塊獲取振動(dòng)加速度、頻率、幅值等相關(guān)信息，再利用LabVIEW整理分析出振動(dòng)特性與根據(jù)不同口徑規(guī)格的流量計(jì)和不同流量下所呈現(xiàn)的振動(dòng)特性進(jìn)行比較，從而診斷設(shè)備故障點(diǎn)或?qū)\(yùn)行機(jī)械環(huán)境條件進(jìn)行判斷。

1.3 利用阻力曲線進(jìn)行診斷

實(shí)際的渦輪模型是不理想的，當(dāng)氣體流過渦輪葉片時(shí)，存在渦輪葉片各表面與介質(zhì)的粘性力、介質(zhì)的慣性力、軸承阻力、計(jì)數(shù)器等傳動(dòng)部件的阻力影響。盡管現(xiàn)有渦輪流量計(jì)在減少阻力影響小流量性能方面已做了很多措施，但其影響仍不可消除。因此，可以利用LabVIEW采集在管道關(guān)閉閥門狀態(tài)下的葉輪自旋下降的曲線，通過對(duì)曲線的斜率和出廠前的曲線或同型號(hào)規(guī)格的曲線對(duì)比，以此診斷其葉輪、軸承、計(jì)數(shù)器齒輪等傳動(dòng)部件是否故障。

1.4 利用壓損大小進(jìn)行診斷

圓形氣體管道的壓力損失與氣體介質(zhì)的密度ρ、管道內(nèi)氣體的流速ω、摩擦阻力系數(shù)λ和通徑等管道相關(guān)的系數(shù)K有關(guān)，其簡(jiǎn)化公式可表示為式（1）。氣體密度、溫度、壓力、流速等參數(shù)值可以從現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)量?jī)x表采集獲得。一般氣體的粘度對(duì)摩擦阻力系數(shù)影響很小，可以忽略不計(jì)，因此λ主要與管道相對(duì)粗糙度相關(guān)，且其出廠后幾乎不變化[6]。所以通過采集渦輪流量計(jì)兩端的壓差可以初步診斷其管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了變化，如葉輪卡死，嚴(yán)重臟污問題。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

渦輪診斷系統(tǒng)的硬件主要分為以下幾個(gè)部分：采集傳感器、轉(zhuǎn)換模塊或接口設(shè)備、數(shù)據(jù)采集板卡、微型計(jì)算機(jī)。各種傳感器通過采集渦輪流量計(jì)的運(yùn)行參數(shù)，如通過轉(zhuǎn)速傳感器采集葉片脈沖信號(hào)，振動(dòng)檢測(cè)傳感器獲得振動(dòng)信號(hào)，差壓傳感器采集壓力值等，轉(zhuǎn)換模塊和接口設(shè)備用于信號(hào)的處理放大，類型轉(zhuǎn)換。因?yàn)閿?shù)據(jù)處理需要較高的實(shí)時(shí)性，所以采用采集板卡對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。微型計(jì)算機(jī)采用NI的Compact RIO控制器，它是一款可靠的高性能工業(yè)級(jí)嵌入式控制器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，非常適用于需要波形采集，高速控制或信號(hào)處理，快速硬件算法開發(fā)，硬件可靠性任務(wù)或獨(dú)特定時(shí)和觸發(fā)的應(yīng)用[7,8]。系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the overall hardware structure of the system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

渦輪診斷系統(tǒng)的軟件是關(guān)鍵部分，它是基于LabVIEW設(shè)計(jì)平臺(tái)開發(fā)的。LabVIEW平臺(tái)與其它的程序開發(fā)環(huán)境相似都包含有完整的函數(shù)庫(kù)，不同的是它使用的是科學(xué)研究員、工程師、技術(shù)員所熟悉的框圖、圖標(biāo)、符號(hào)等來編寫的圖形化G語言，圖2、圖3為葉片轉(zhuǎn)速檢測(cè)采集模塊的圖形化編輯界面和顯示面板，十分得直觀和易于調(diào)試。LabVIEW可支持UNIX、Windows、Linux等多種版本操作系統(tǒng)，軟硬件的通用性極強(qiáng)，因此減少了編程人員的時(shí)間，大大提高了工作效率。

渦輪診斷系統(tǒng)的軟件根據(jù)功能分為數(shù)據(jù)采集軟件和處理分析軟件兩大部分，均采用模塊化編程思路。數(shù)據(jù)采集軟件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)響應(yīng)DAQ板卡的數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集的數(shù)據(jù)按分析軟件的需求指令進(jìn)行初步的處理和存儲(chǔ)工作。圖2為進(jìn)行葉片轉(zhuǎn)速檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集軟件的部分程序框圖，通過該程序模塊的采集和初步處理，可得到葉片間的時(shí)間戳、周期、角速度、角加速度等數(shù)據(jù)，如圖3為經(jīng)過該采集程序模塊處理后在顯示面板的調(diào)試結(jié)果，可以初步觀察到渦輪葉片角速度的變化，但最終的數(shù)據(jù)由分析軟件進(jìn)行處理。

圖2 葉片檢測(cè)采集模塊軟件部分程序框圖Fig.2 The block diagram of the software part of the blade detection and acquisition module

圖3 葉片轉(zhuǎn)速檢測(cè)采集模塊軟件的顯示面板Fig.3 The display panel of the blade speed detection and acquisition module software

處理分析軟件負(fù)責(zé)對(duì)采集整理后的數(shù)據(jù)按照不同的算法模型進(jìn)行排列、組合、變換處理并以圖形化顯示和控制，形成研究人員能直觀判斷的圖表、曲線、圖形等。圖4為渦輪診斷系統(tǒng)對(duì)以上采集的流量和振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT變換處理后的3D圖形，從該3D圖形中便可直觀地觀察到不同的相對(duì)流量下其相對(duì)頻率和相對(duì)幅度的關(guān)系。隨著流量的改變，各內(nèi)部部件和管道等外部振動(dòng)產(chǎn)生的頻率會(huì)反應(yīng)在圖形中，形成與相對(duì)流量頻率相關(guān)的山脈狀3D圖形，再進(jìn)行觀察便可初步診斷部件工作是否正常。

圖4 渦輪診斷系統(tǒng)FFT變換3D圖Fig.4 3D Diagram of FFT transformation of turbine diagnosis system

4 系統(tǒng)搭建與診斷試驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)搭建

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，搭建了一臺(tái)簡(jiǎn)易的渦輪診斷裝置如圖5，包括防護(hù)外殼、電源模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、采集板卡、通信模塊和微型計(jì)算機(jī)等。高速采集板卡采用NI9401為雙向數(shù)字模塊，具有兩組8個(gè)輸入或輸出端口可獨(dú)立配置DI/O，最大信號(hào)轉(zhuǎn)換頻率達(dá)30MHz，輸入延時(shí)小于100ns，可用于脈沖的高速計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。

圖5 簡(jiǎn)易渦輪診斷裝置樣機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.5 Prototype structure of simple turbine diagnostic device

對(duì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行了采集驗(yàn)證試驗(yàn)，通過系統(tǒng)采集的脈沖間隔與標(biāo)準(zhǔn)的脈沖進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)見表1。采樣精度在萬分之一以內(nèi)，完全滿足實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的要求。

表1 系統(tǒng)脈沖采集測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)Table 1 System pulse acquisition test comparison data

4.2 葉片缺損的診斷

渦輪流量計(jì)葉片由于受到慣性力矩的作用，其轉(zhuǎn)速不會(huì)瞬變，且正常的渦輪葉片加工一致性較好，其葉片上采集的角速度處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖6為利用搭建的渦輪診斷裝置采集流量計(jì)的診斷圖，通過該圖可以判斷其葉片處于不正常狀態(tài)，再結(jié)合診斷圖的流量關(guān)于脈沖數(shù)的變化與流量計(jì)的基礎(chǔ)信息可診斷出其中一個(gè)葉片受損，與實(shí)際的測(cè)試流量計(jì)相符。

圖6 渦輪診斷裝置流量計(jì)流量診斷圖Fig.6 Flowmeter diagnostic diagram of turbine diagnostic device

4.3 葉片不平衡診斷

利用搭建的渦輪診斷裝置分別對(duì)正常狀態(tài)的1號(hào)流量計(jì)和轉(zhuǎn)子卡頓的2號(hào)流量計(jì)進(jìn)行自旋曲線診斷。如圖7和圖8為兩臺(tái)相同型號(hào)規(guī)格的渦輪流量計(jì)在小流量下自由旋轉(zhuǎn)下降，由于自旋過程中受到阻力的不同，從圖中可以明顯觀察到正常流量計(jì)自旋時(shí)間長(zhǎng)且曲線光滑，2號(hào)流量計(jì)的曲線較陡且出現(xiàn)抖動(dòng)的表現(xiàn)。

圖7 正常流量計(jì)的自旋曲線圖Fig.7 Spin curve diagram of a normal flowmeter

圖8 轉(zhuǎn)子卡頓狀態(tài)的自旋曲線圖Fig.8 Spin curve diagram of rotor stuck state

4.4 渦輪阻力診斷

利用搭建的渦輪診斷裝置在不同的溫度和流量計(jì)的不同狀態(tài)下（例如軸承臟污、計(jì)數(shù)器故障）進(jìn)行阻力診斷測(cè)試，得到如圖9的自旋曲線圖。高溫下或無計(jì)數(shù)器狀態(tài)時(shí)，由于油的粘性力變小，阻力變小，Spin Time時(shí)間較長(zhǎng)，而低溫下或軸承臟污時(shí)阻力變大，Spin Time時(shí)間較短，測(cè)得的Spin Time時(shí)間曲線的總體趨勢(shì)與理論相一致。

圖9 不同狀態(tài)流量計(jì)在各溫度下的自旋時(shí)間曲線圖Fig.9 Spin time curves of flowmeters in different states at different temperatures

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該渦輪診斷系統(tǒng)應(yīng)國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)下屬分公司委托，在對(duì)其中兩個(gè)門站共6臺(tái)從DN50到DN400不同口徑的高壓氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和診斷分析，系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖如圖10。從應(yīng)用場(chǎng)景圖可知，該系統(tǒng)攜帶方便，接線安裝操作簡(jiǎn)單，只需提供220V市電接口給診斷系統(tǒng)和筆記本供電，并將高頻信號(hào)線接到渦輪流量計(jì)即可進(jìn)行診斷。

圖10 渦輪診斷系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖Fig.10 Field application diagram of turbine diagnostic system

通過閥門分別對(duì)以上6臺(tái)流量計(jì)進(jìn)行流量的控制和高頻信號(hào)采集操作，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)處理軟件進(jìn)行分析。經(jīng)過渦輪阻力分析和不同流量下的振動(dòng)頻譜分析，發(fā)現(xiàn)其中一臺(tái)DN100口徑的氣體渦輪流量計(jì)存在小流量卡頓現(xiàn)象且存在不正常的頻率點(diǎn)，故判定流量計(jì)異常概率較大。對(duì)其重新拆裝標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)整體線性偏負(fù)，標(biāo)定示值誤差曲線如圖11。通過拆修發(fā)現(xiàn)該表異常原因是使用較久無維護(hù)，內(nèi)部軸承臟污嚴(yán)重所致。通過該應(yīng)用結(jié)果表明，該渦輪診斷系統(tǒng)具備在不拆表、不停機(jī)下快速地在線診斷故障的能力。

圖11 示值誤差曲線Fig.11 Indication error curve

6 結(jié)語

通過對(duì)氣體渦輪流量計(jì)機(jī)械故障診斷機(jī)理的研究，采用NI公司的軟硬件平臺(tái)開發(fā)了診斷系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)在渦輪診斷中的幾種模擬測(cè)試的驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的應(yīng)用驗(yàn)證，論證了該系統(tǒng)在渦輪流量計(jì)故障診斷應(yīng)用的可行性，解決了渦輪在線診斷的難題，可有效降低維護(hù)成本和資源浪費(fèi)。采用LabVIEW平臺(tái)開發(fā)具有方便、快速、顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著制造成本昂貴，體積相對(duì)大，需外電源供電的特點(diǎn)。該技術(shù)方案適用于制作便攜式診斷設(shè)備，由人工攜帶到現(xiàn)場(chǎng)的方式進(jìn)行在線診斷，如需大批量配套組裝到渦輪流量計(jì)儀表上，一體化設(shè)計(jì)還需采用另外的技術(shù)方案解決。