基于聲學(xué)特性的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 邊,譚丕成,葉 源,萬(wàn) 元,劉 宇

(1. 湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2. 國(guó)家電投集團(tuán)水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004;3. 五凌電力有限公司近尾洲水電廠，湖南 衡陽(yáng) 421127; 4. 湖南師范大學(xué)，湖南 長(zhǎng)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(yùn)行狀態(tài)對(duì)于水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響巨大。因此，需對(duì)水輪機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析，并對(duì)異常運(yùn)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(dòng)型信號(hào)的測(cè)量與分析。傳統(tǒng)基于振動(dòng)的診斷方法，其測(cè)量數(shù)據(jù)均來(lái)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(duì)于混流式水輪機(jī)，在應(yīng)力的累計(jì)損傷作用下，其葉片上產(chǎn)生的輕微裂紋信息[5-6]無(wú)法用傳統(tǒng)的接觸式振動(dòng)傳感器采集。

因此，有必要采用新的信號(hào)采集方法，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)方式的不足。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，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(hào)分析在發(fā)電機(jī)組故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)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(duì)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(cè)信息。上述基于聲學(xué)特性的故障診斷方法，在故障信號(hào)采集方式上均具有非接觸、在線、簡(jiǎn)便易行等優(yōu)點(diǎn)[10]，為燈泡貫流式水輪機(jī)組故障信號(hào)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(cè)分析，離不開穩(wěn)定可靠、大測(cè)量范圍的噪聲信號(hào)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(dòng)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(jì)一款寬動(dòng)態(tài)范圍、高精密度的噪聲采集系統(tǒng)，其噪聲測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍為20～140 dB，分辨率達(dá)到0.5 dB，最大級(jí)線性誤差小于0.5 dB，以提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(chǎng)燈泡貫流式機(jī)組的實(shí)際運(yùn)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(hào)，每部分各分配2個(gè)噪聲傳感器。系統(tǒng)采集的8路噪聲信號(hào)，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(hào)，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(jì)

按照設(shè)計(jì)要求，噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)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(yáng)衡儀電氣有限公司的HY205型號(hào)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(cè)量動(dòng)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(hào)傳聲器符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。該傳聲器內(nèi)置的JFET器件與信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)經(jīng)傳聲器采集并轉(zhuǎn)換為輸入電信號(hào)，經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管JFET、運(yùn)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(hào)和傳感器輸出阻抗；運(yùn)放OPA2171及外圍電路組成電壓跟隨器，實(shí)現(xiàn)傳感器與后續(xù)放大電路的阻抗匹配，并輸出信號(hào)Vs。

1.3 信號(hào)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(jì)算與選型

調(diào)理電路的各項(xiàng)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(jí)的相關(guān)知識(shí)給出傳聲器輸出電壓與輸入聲級(jí)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(jí)（A計(jì)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(dòng)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(jí)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(hào)為20 dB時(shí)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(jí)實(shí)現(xiàn)全量程放大，需要至少25位的ADC，這對(duì)采集卡的要求較高。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)兩級(jí)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(duì)于L級(jí)，傳聲器最小輸出電壓變化 ΔuLmin=0.592 5 μV；同時(shí)根據(jù)式（1）可知，當(dāng)輸入信號(hào)為80 dB時(shí)，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(duì)于H級(jí)，當(dāng)輸入信號(hào)為140 dB時(shí)，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(jì)需求。

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

1.3.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇16 bit采集卡EM9118B完成噪聲信號(hào)采集，其參考電壓為5 V，因此它可識(shí)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(jí)ΔuLmin

當(dāng)輸入信號(hào)為80 dB時(shí)（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(shí)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(jì)，取AuL=150。同理，對(duì)于H 級(jí)，AuHmin≈ 0.13、AuHmax≈ 0.17，取AuH= 0.15。

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

圖3 L級(jí)調(diào)理放大電路

同理，對(duì)于H級(jí)，只需修改對(duì)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(hào)（20 kHz以上信號(hào)）對(duì)水輪機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)干擾，并考慮到濾波效果，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(shí)驗(yàn)

2.1 信號(hào)采集電路仿真

1）調(diào)理電路放大倍數(shù)仿真

以H級(jí)調(diào)理電路為例，輸入頻率5 kHz、幅值0.7 V的正弦信號(hào)。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(jí)調(diào)理電路信號(hào)仿真圖

由圖知，輸入、輸出信號(hào)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(hào)強(qiáng)度的正弦信號(hào)對(duì)H、L級(jí)調(diào)理電路做仿真，測(cè)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(duì)于輸入信號(hào)在20～80 dB的L級(jí)電路，放大倍數(shù)均在150左右，對(duì)于輸入信號(hào)在80～140 dB的H級(jí)電路，放大倍數(shù)均在0.15左右，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

2）濾波器幅頻特性仿真

借助波特測(cè)試儀，對(duì)設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行幅頻特性測(cè)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(duì)應(yīng)的截止頻率大概在20 kHz，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 測(cè)試平臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后，利用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。其中，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源（任意波形發(fā)生器）、可調(diào)式衰減器以及信號(hào)轉(zhuǎn)換頭等設(shè)備構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的幅值變化范圍為40～140 dB，以10 dB為步長(zhǎng)調(diào)整；頻率范圍為20 Hz～20 kHz，測(cè)試頻點(diǎn)按照聲級(jí)計(jì)國(guó)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(hào)采集系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)。利用標(biāo)準(zhǔn)源測(cè)試噪聲信號(hào)系統(tǒng)的級(jí)線性誤差，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。由表可知，系統(tǒng)的最大級(jí)線性誤差為0.3 dB，滿足小于0.5 dB的設(shè)計(jì)要求。

圖7 測(cè)試平臺(tái)

表2 噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)級(jí)線性誤差 dB

圖8為某故障水輪機(jī)排水環(huán)處噪聲信號(hào)采集的現(xiàn)場(chǎng)。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(guò)航空插頭連接，連接線為PVVP電纜線，能有效屏蔽外界干擾。現(xiàn)場(chǎng)采集的噪聲信號(hào)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(hào)頻譜分析結(jié)果。

圖8 噪聲信號(hào)采集現(xiàn)場(chǎng)

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(hào)能量大多集中1 kHz以下的低頻，高頻信號(hào)能量幾乎為零，與實(shí)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(yǔ)

本文針對(duì)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(jì)了一種水輪機(jī)組噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該系統(tǒng)的噪聲測(cè)量范圍20～140 dB，最大級(jí)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(shí)，設(shè)計(jì)的兩級(jí)分段組合放大電路，解決了傳統(tǒng)的單級(jí)調(diào)理電路不易實(shí)現(xiàn)全量程、大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)放大的缺點(diǎn)，提升了系統(tǒng)性能指標(biāo)。