（信号与信息处理专业论文）便携式潜油电泵机组转速测量仪的研究与实现.pdf

摘要 该论文基于高速s o c 单片机c 8 0 5 1 f ，设计了一种便携式的潜油电泵机组转速测量 仪，用于潜油电泵机组工作时的转速测量。该论文主要完成了以下几个方面的工作。 l 、通过研究振动法测速的基本原理，结合潜油电泵机组的工作特点，根据采集到的 ( 潜油) 电机工作时振动信号，提出了采用c h i 印z 变换提高测速精度的数据处理方法， 并对c 1 1 i 印z 作了原理分析。 2 、通过搭建试验平台，设计光电测速电路与振动测试电路同时测量电机转速，验证 振动测试算法的正确性与测量精度。 3 、开发了以单片机c 8 0 5 1 f 0 0 5 为核心的数据采集系统，系统充分利用了c 8 0 5 1 f 0 0 5 的1 2 位高速a d 采集模块，实现了三维振动信号的采集；同时，上位机采用v b 编写人 机交互界面，实现了潜油电泵机组转速的自动测量，同时能够方便的对测速仪进行监控， 并且可以对振动信号进行各种复杂的谱分析，由此大大减轻了工作人员的工作量，大大 提高了工作效率，增强了工业现场自动化水平。 通过工业现场测试表明，系统软硬件设计合理，振动数据采集分析功能齐全，具有 较好的测量分析精度，操作简单方便，结构轻巧，能够满足现场各种振动数据采集分析 的要求。 关键字：潜油电泵机组，c 8 0 5 1 f ，振动信号，c h i 巾一z r e s e a r c ha n dr e a l 娩a t i o no fp o r t a b i ee i e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m pu n i t s s p e e dm e a s h r i 棘gl 珏s 量| 糕l 鞋e n 量 l i ux i a o h u a ( s i g l l a la n di n f o 肌a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t c db yp r o l i ug a 谶g 兔 a b s t r a c t i nm i sp a p e rap o r t a b l es u b m e r s i b l eo i lp u 】m pu n i ts p e e dm e a s 嘶n gi n s t l l j 【m e n ti s d c s i g n e dt 0 、鞫呔两f 也es ub _ 越e f s 主b l ee l e 撕cp u m pu 蛾ts p e e d 擞e a s u r e m e n t 。i tb a s e do n l l i 曲- s p e e ds o cm i c r o c o n t l - 0 l l e rc 8 0 51f t h ef o l i o 谢n gs e v e r a la s p e c t 、r kh a sb e e n c o 糕l p l e 据di n 也i sp 簪p 慌 1 ad 嗣晚p r o c e s s i n gm e t 】di sp r o p o s e dt ou s e 也ec h i 单一z 锨m s f o r m a t i o nt oi m p v e 也e p e e i s i o n ，壤u g h 搬es 掘d yo f 乏h eb a s i cw o f kp 蛀比呈p l e so fs u b 嫩e 懿i b l ee l e e l r 主ep u 燃pu n i t c h a r a c t e r i s t i c s ，a n da c c o r d i n gt om e ( 8 u b m e r s i b l e ) e l e c t r i cp 啪pv i b r a t i o ns i g m l sw h e n “ 啪呔e d 。a “主th a s 礅a d e 也ep 赡撼i p l e 溅a l y s i s 幻e h i p - zi 觳强sp 印睨 2 t h el i g h te l e c t r i c a lm e a s u r e m e n te l e c t r i cc n u i t 觚dv i b r a t i o nt e s tc i r c u i ti sd e s i g l l e d 也u 曲侥es 绻趣粥s 绝s tp l 鑫稻濉，攮越e r 专ov e r i 每氆ea c e u 怒e yo fv 主b r a 蛀。慧童e s 童a 量g s 锄dm e a s u r e m e m a c c u r a c y 3 。am 论f o e o n 秘埝l 王e fc 8 0 5l 0 0 5i s 出s i 雕di 堇l 也i sp 印e ra s 也ee o 愆d a 专aa 鹎u i s 主鼍主o n s y s t e m t h es y s t e mm a d em i lu s eo fc 8 0 51f 0 0 512h i 曲一s p e e d da c q u i s i t i o nm o d u l e ，a n d c o 试dm a k ea 氆聪e d i m 髓s i o 嫩lv 洳隧i o 堇l s i 辨采s e o l | e e 矗醒p c 髑ev b耄o 印曩r e m a n - m a c h i n ei m e r a c t i o nc o n t a c ts u r f a c e ，a n dr e a j i z es u b m e r s i b l ep u m ps p e e da u t o m a t i c 融e 豁毽怼m e 蹴魏嫩i sc a s e ，i tc 强f 瑟港馘e 壤ec o 黔d u c 专o fe o 缎l ，a 谢搬ev 主b 蹦i o ns i 辨a l se 嬲 b ec o m p l e xs p e c t l 谢a n a i y s i s ，w h i c hg r e a t l yr e d u c e dt l l e 、o r k l o a do ft 1 1 es t a 域铲e a t l y 赫p v 遗gl ke f 嚣e i e 魏e ya 致de 惑越羚e d 攮el e v e lo fi 瑟d u 鲥a 耋a 援埝鑫专i 艟 i tc a nb es h o w e dt h a tt h es y s t e mi sv e r yr e a s o r l a b l eo ns o r w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g l l 程妁毯曲瞧ei 砖珏s 蕊藤鑫e l 莲t o 璐，鳐d 矗酝sb e l 妞v 两缄i o nd 8 轭l 勰q 迸s i 专i o 芏l 雒d 麟越y s i s f u n c t i o n a la n dh a sab e t t e rm e a s u r e m e n to fp r e c i s i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n ，c o m p a c ts t m c t u r c ， 鞠di tc a 鼓搬e 躞谯es c e 蘸eo fv a 砖。轻sv 沩糙蛀。建褫糠y s i so f 纛蹴e o l l e c t i o n 托唾落瓣越懿s 。 k e yw o r d s ：s u b m e r s i b l eo i lp 哪pu n i t ，c 8 0 5lf ，v i b r a t i o ns i g n a l ，c h i 砷- z 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所 取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以 标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人 或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学健或学历证书而使用过 的材料。与我一间工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的 说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：8 年6 月中冒 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限 于其印刷舨和电子舨) ，使用方式包括但不限于：保髯学位论文，按规定向 国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论 文，允许学位论文被查阅、借阅和复翻，将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后熬使用授权同上。 学位论文作者签名：邀虹一 指导教师签名：丕谗 指导教师签名：2 型尹么 嚣期：加9 降钿年日 同期：刎年石月6 日 中国石油大学( 华东) 顾十学位论文 第1 章前言 1 1 课题的来源及意义 本课题来源于与胜利采油厂的合作开发项目。在采油厂电泵队的潜油电泵机组自动 测试系统中，机组转速的测量一直是一个难题。本课题目的是研究并实现潜油电泵机组 转速的测量。 潜油电泵机组是油田开发中的一种重要采油设备，在油田开发中发挥着重要的作用 【1 】【2 】【3 1 。从八十年代开始，潜油电泵采油技术的应用在世界范围内迅速扩大，其配套的 工艺技术也迅速发展，各方面技术更加完善，使其适应性有了很大提高，应用也更加广 泛。据不完全统计，目前全世界原油产量的近三分之一是由各种形式的潜油电泵开采的， 潜油电泵井的数量更是数以万计。我国从1 9 6 4 年开始研制潜油电泵，八十年代初在大 庆油田和胜利油田投产应用和逐渐推广。目前，已经形成了设计、制造、现场应用等比 较完备的潜油电泵体系【4 】。仅就大庆油田而言，潜油电泵井数最多时占总井数1 2 万口 的1 6 ，其采油量却占油田总产量5 6 0 0 万吨的4 0 以上。 随着潜油电泵应用的增多，监测潜油电泵井的生产状况就非常重要1 5 j 。同时潜油电 泵的检泵对正常的石油生产也非常的重要。在潜油电泵井检泵时，需模拟潜油电泵抽油 时的工作情况进行分层性能测试，测试出潜油电泵井各种动态数据和资料，用此资料分 析潜油电泵井的生产状况是比较可靠的。在电泵机组测试实验报告的报表及实验曲线 中，所有数据都必须是额定转速下的数据。而一台潜油电泵用不同的潜油电机驱动，或 在不同的工况下，其转速是不同的，并且一般都与额定转速有较大差距。在潜油电机和 潜油电泵性能测试中，转速是一个需要准确测量的重要参数，其测量精度将影响到其他 测量参数的精度。但是由于潜油电泵机组结构和工作环境的特殊性轴不外露且浸在 油中，传统的常用的同轴测速方法已经不再适用，潜油电泵转速测量具有一定的技术难 度，需要利用其他的信息间接的得到电泵的转速。因此，研究潜油电泵的测速方法具有 重要的理论和技术意义。 本课题的合作方胜利采油厂电泵队的试验车间负责对潜油电泵的性能测试，研 制一套符合对方需要的潜油电泵测速装置具有重要的实际意义。试验车间有两口试验 井，井场的现场环境不适合重新大量布线，因此所设计研发的仪器须具备便携功能，以 便同时满足两口试验井的测试工作。具有便携性的转速测量仪不但可以提高潜油电泵井 的管理水平和自动化程度，而且在实际应用中可以节约大量的人力、物力，对于目前各 第l 章前言 采油厂控制成本、节能增效方面是很有益处的。 综上所述，研制一套便携式转速测量仪对潜油电泵机组的测试系统具有非常重要的 理论、技术和实际意义。 1 2 潜油电泵的测速概述 1 2 1 潜油电泵系统的结构和原理 潜油电泵机组【6 】【7 1 是一种无杆井下机械采油设备，其作用就是把井下的液体抽送到 地面，是油田开发的重要机械采油设备。潜油电泵系统由地面设备、电力传输和井下机 组三大部分组成。 变压器 头 泵 器 器 图1 1 潜油电泵机组管柱示意图 f i 9 1 - 1 e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pu n i tt u b i n gs k e t c h 地面设备包括变压器、控制柜( 变频柜) 、接线盒等。电力传输由动力电缆、引接 电缆等组成。井下机组由潜油电机、保护器、分离器( 或吸入口) 和多级离心泵组成。 根据需要，一般井下还要安装扶正器、单流阀、泄流阀、传感器等装置。其基本组成见 图1 1 。【8 】 潜油电泵是井下工作的多级离心泵，每一级都由一个转动的叶轮和固定的导轮组成。 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 叶轮的型号决定泵的排量，级数次定泵的扬程和电动机所需要的功率。其工作原理与地 面离心泵相同。但其直径小，级数多，长度大。单节泵的长度限制在6 7 5 m 之内，以 利级装和运移。多个单节泵可以根据扬程的需要串联起来使用。 潜油电机【9 】【1 0 1 是潜油电泵的动力源，它是交流异步机，基本结构和普通交流异步机 相同，但是有细而长的结构，有特殊的冷却油路。如胜利泵业的s l p 系列潜油电机是三 相鼠笼式异步电动机，工作电压为1 4 0 v 3 6 0 0 v ，工作电流为1 4 1 0 4 a ，大功率电机可 采用多节串联连接方式。 潜油电泵机组以电能为动力源，电网电压首先经过变压器改变电压后，输送到控制 柜中，经过变频器变换至所需的电源频率后，输入到升压变压器，将电压提升到电机所 需电压。通过潜油电缆将电能传输给潜油电机，潜油电机将电能转换为机械能，带动潜 油泵高速旋转，潜油泵中的每级叶轮、导壳使井液压力逐步提高，在潜油泵出口处达到 潜油泵要求的举升扬程，井液通过油管被举升至地面，再通过地面管线传输至地面集输 系统。潜油电泵机组具有排量范围大，扬程高，占用空间面积小，使用寿命长，便于管 理等特点，广泛用于停喷后的高产油井、高含水井、深井及定向井中，是油田实现高产 稳产的重要手段。 1 2 2 测速方法概述 转速是各类旋转机械和电机运行中的一个重要的物理量，在各种技术测试和监控中 需要对其进行精确的测量。随着技术的发展，各种不同的转速测量方法不断的涌现。不 同的测速方法，一般测量原理或者测量工具存在差异。不同的测速方法的测量的精度可 能不同，当然其适应的工作情况也不同。 转速测量方法可以分为两类，一类是直接法，即直接观测机械或者电机的机械运动， 测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速；另一类是间接法，即测量 由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到转速。 同时从测速仪是否与转轴接触又可分为接触式，非接触式。目前国内外常用的测速方法 有光电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁 测速法、闪光测速法和振动测速法。下面分别对各个方法进行分析和介绍： 1 光电码盘测速法 这是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。光电码 盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光 源照射在码盘上，则可利用光敏元件来接受光，接收到光的次数就是码盘的编码数。【】 3 第l 章前言 若编码数为，测量时间为r ，测量到的脉冲数为，则转速刀：兰6 0 。 f ， 2 霍尔元件测速法 利用霍尔开关元件测转速的。霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大 器、施密特触发器和输出电路。输出电平与t t l 电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘， 圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电 机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间 的脉冲数，即可确定旋转体的转速【l l 】。 3 离心式测速法 离心式转速表是利用物体旋转时产生的离心力来测量转速的。当离心式转速表的转 轴随被测物体转动时，离心器上的重物在惯性离心力作用下离开轴心，并通过传动系统 带动指针回转。当指针上的弹簧反作用力矩和惯性离心力矩相平衡时，指针停止在偏转 后所指示的刻度值处，即为被测转速值。这就是离心式转速表的原理。测转速时，转速 表的端头要插入电机转轴的中心孔内，转速表的轴要与电机的轴保持同心，否则易响准 确读数【1 2 1 。 4 测速发电机测转速 利用直流发电机的电枢电动势e 与发电机的转速成正比的这一关系测量转速。测转 速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出 矿e = e 砌，在输出端接一个刻度以转速为单位的电压表，即可读出转速【1 3 】。 5 闪光测速法 利用可调脉冲频率的专用电源施加于闪光灯上，将闪光灯的灯光照到电机转动部分， 当调整脉冲频率使黑色扇形片静止不动时，此时脉冲的频率是与电机转动的转速是同步 的。若脉冲频率为厂，则电机的转速为万= 6 0 厂( r m i n ) 【1 4 1 。 6 漏磁测速法 利用异步电动机的转子在旋转磁场中由切割磁力线产生感应电流的频率即为电动 机转子频率和电动机定子电压频率的差频。此差频乘以6 0 就得到异步电动机的转差， 由电网频率也乘以6 0 得到电动机的同步转速，由同步转速减去转差就得到电动机的转 速【1 4 j 。 7 振动测速法 通过测得壳体的振动位移、速度或者加速度，经过适当的滤波，就可以在一定时间 4 中国石油人学( 华东) 硕一 二学位论文 内累计位移或加速度的换向次数，换向次数除以时间即为电机转动频率( 频率法) ，或 测定振动波的周期( 周期法) ，从而测得电机转速。 在这七种测速方法中，霍尔元件测速法和光电码盘测速法的测速方法基本类似，都 是在转轴上装一个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过磁( 霍尔元件) 或光( 光电 码盘) 转换为电脉冲，从而通过计算电脉冲的个数来测速。离心式转速表测速法和测速 发电机测速法所用的都是现成的测速仪表，容易得到，但转速表或测速仪都要与电机同 轴连接。闪光测速法目前实际应用不广泛，主要是光源的问题。漏磁测速法和振动测速 法主要是通过间接测量的方法测得转速，可以不必与电机接触就可以得到转速的测量方 法，漏磁测速法只适用于异步电动机。 1 2 3 潜油电泵的测速方法 潜油电泵机组的转子是一个特殊的超细长轴，各部件都是采用小直径高强度的连轴 器连接起来的，在旋转过程中，转子处于完全封闭的状态，封闭体内电机的转速对评价 电机本身和整机性能都极为重要，是一项重要的被测项目。同时，由于机组结构复杂， 激励源多，噪声干扰严重，这些因素都给潜油电泵测速工作带来困难【”】。 测量封闭体内电机或者机械的转速，传统的接触式或非接触式直接测速方法已经无 能为力，必须采用间接测量法【1 6 】。间接测量法有两种基本方法：漏磁检测技术和振动检 测技术。由于封闭体一般都有一定的厚度，电磁屏蔽作用很强，漏磁法测转速效果不好； 目前，振动检测技术是一种易于实现而又可靠的方法。因为振动信号中携带着机械设备 内部运行状态的大量信息，对于潜油电泵机组来说，人们可以通过对这些信息进行采集 和分析，根据得到的信号特征进行转速的测量。随着信号分析技术的发展，通过分析振 动信号的频率成分、幅值大小、相位差别、波形形状、能量分布状况，可以从振动信号 中寻找规律，进而测的准确的转速有了更多的依据【1 引。 现场调研发现，胜利采油厂将配套安装后的完整机组下入几十米深的模拟试验井 中，进行机组性能( 如功率、频率、流量、压力、转速、电压和电流等) 检查的测试。 试验井的深度不深，潜油电泵的振动信号可以沿试验油管和法兰盘传递上来，可见在地 面井口上测量的得到的振动信号包含了潜油电泵井中的振动信息。所以，选用合适的振 动测试仪表对潜油电泵的振动信号进行采集和分析是可行的。同时采用振动法进行机组 测速，基本上不会对试验现场有其他的环境要求和影响，也不需要改变机组性能测试的 流程。可见胜利采油厂潜油电泵机组测试系统中潜油电泵机组转速的自动测量方案，是 能够实现的。 5 第1 章前言 1 3 振动检测技术的发展 振动检测技术是通过对j 下在运转过程中的机械设备产生的振动现象进行测试来分 析系统的特征参数以获取机械设备的信息，它是二十世纪七、八十年代发展起来的一门 新型学科，属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱( 测试控制技术、计算技术和通信 技术) 之一【1 9 】。振动检测技术从上世纪发展到今天，经过几代科技工作者的探索和研究， 正逐步走向完善。 机械设备振动检测工作主要包括下列内容：( 1 ) 根据机械的结构特点和运转速度， 选择能反映机械振动强度最敏感的参数和测试位置；( 2 ) 选择合适的传感器和仪器，准 确地检测出感兴趣的振动信号。目前，旋转机械的振动一般通过检测轴的相对振动的电 涡流位移传感器，或者装在机器壳体上的加速度或速度传感器来测试。传感器最好安装 在轴承上，因为轴旋转时对轴承作用动态和静态力。若传感器不便安装在轴承上，则应 尽量靠近轴承。为了得到轴承振动全部信息，每一测点均须在3 个相互垂直的方向( 轴 向、径向水平和垂直) 检测。有些机器出厂时规定了振动测试规范，则按要求进行。此 外，振动传感器应避免放置在谐振部件附近，以免产生虚假信号2 0 1 。 在工程问题的研究中，任何一个结构都可以看作是一个机械系统，并且各自都有其 固有的静态和动态特性，它们的动态特性可用参数一固有频率、固有振型和阻尼等结构 模态参数来确定【2 1 1 。随着当今科学技术的发展，机械系统结构日趋紧凑，高载和高可靠 性要求，所以除了解结构材料本身的物理性能和静态力学特性外，应特别的充分考虑结 构和动态特性。机械结构在工作工程中产生振动，这种振动一方面与结构的动态特性有 关，另一方面与外界激励或干扰力有关。因此，振动测试技术包括结构动态特性测试分 析技术和结构在运行状态下振动监测分析技术。 近年来，新技术的兴起促使检测技术蓬勃发展，尤其在以下几个方面的发展最为突 出： ( 1 ) 广泛采用运算放大器和各种集成电路，大大简化了测试系统，提高了系统特 性； ( 2 ) 检测技术的核心就是传感器，随着传感器技术不断提高，新型传感器层出不 穷，可测物理量迅速增多： ( 3 ) 信息技术，特别是计算机技术和信息处理技术，使测试技术产生了巨大变化， 大幅度地提高测试系统的精确度、测试能力和工作效率； 6 中国石油人学( 华东) 硕f ：学位论文 ( 4 ) 由于出现各种廉价传感器和实时处理装置，为开发多传感器和多种参量测试 系统提供可能性【2 2 】。 1 4 本文的主要工作 根据前面前言中所提到的本课题的目的和意义，同时结合胜利采油厂对提高采油电 泵机组转速精度的研究要求，并且根据前言中所评述的潜油电泵机组振动检测的研究现 状和发展趋势，本课题拟采用嵌入式系统技术研究开发便携式潜油电泵机组转速测量系 统。 系统的基本要求如下： ( 1 ) 系统具有高精度的多通道数据采集功能，能够采集到三维空间上振动信号的 信息，为能够计算出高精度转速值提供保证。 ( 2 ) 支持多种类型的振动传感器，包括普通压电加速度传感器、i c p 加速度传感 器、m e m s 加速度传感器、速度传感器、位移传感器、光电传感器及其他电压输出型传 感器，使得测速仪采集系统更具有通用性。 ( 3 ) 系统应配置足够的存储区，以满足数据采集器进行大量振动数据采集的功能。 ( 4 ) 系统应尽量采用数字程序控制技术，尽可能减少按键和各种开关。 ( 5 ) 系统应采用充电电池供电并具有低功耗特点和节电工作模式，一次完全充电 应该使用一个工作日。 ( 6 ) 系统应具有便携设备特点，体积小，携带方便，外型美观，操作简便。 本文的主要研究内容如下： 1 、学习潜油电泵机组工作原理，结合现有的转速测量方法及潜油电泵机组转速的 特点并分析了振动测速仪器的相关技术，研究制定在实验井中对潜油电泵机组进行振动 的合理方案； 2 、搭建试验平台，采集振动信号，研究从振动信号中提取有用特征信息的方法； 通过制作光电测速电路测得的转速值，配合验证振动分析算法的可行性和计算精度；到 工业现场采集潜油电泵机组工作时的振动信号，分析现场数据的特征，检验算法分析的 正确性与否。 3 、分析研究嵌入式系统技术和智能仪器仪表技术，设计微型嵌入式智能测速仪器 系统；综合考虑工业现场实际情况，提出潜油电泵机组转速测量的实施方案，并分析方 案的可行性。 7 第l 章前言 4 、研究系统各功能的硬件设计和软件实现方法；设计系统硬件电路原理图和电路 板图。 5 、安装调试各个子系统硬件并开发各子系统的驱动程序；进行便携式潜油电泵机 组转速测量仪的丌发与实现。 8 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第2 章振动测速方法和试验平台的搭建 振动是一种极其普遍的物理现象，是物体围绕平衡位置所作的往复运动。任何机械 设备在动态下都会或多或少的发生振动，这在机械设备的工作过程中是广泛存在的。在 振动过程中，机械设备的位移、速度、加速度、力和应变等机械量都是随着时间的变化 而变化的动态信号。这些信号反映了机械设备的固有属性和运动状态。对这些信号的分 析，可以得到很多有用的信息。 2 1 振动测速的原理和方法 2 1 1 振动测速的原理 根据物体运动的不同规律，振动可以分为确定性振动和非确定性振动。确定性振动 的特点是其时间历程可以用一个以时间为自变量的确定性函数来描述，也就是说，物体 在未来任一时刻的状态参量都可以精确计算得到，而且是一个确定的数值。非确定性振 动，也即随机振动，不能够确定物体的状态参量在未来某一时刻的值。确定性振动有周 期的也有非周期的。一般说来，确定性振动的振动源都是已知的。通常，一个物体的振 动信号中，包含有确定性振动和非确定性振动这两部分。 振动测速方法是基于对振动理论的基础研究，利用旋转机器存在旋转离心力产生振 动的特征，以振动传感器获得信号，分析各种旋转机械的内在激励对机体造成的振动影 响，它无需分拆机械就能在线检测。利用振动信号中确定性振动分析方法将振动波形转 换到频域内分析，利用它可判别特定组件的运转情况，得到转动机械的转速。 旋转机械在生产安装过程中，不可避免的会产生一些偏心，不同轴等情况，磨损和 轻微质量偏心是难免的，同时其转轴等旋转部件的工作环境不可能是均一的【2 2 】【2 3 1 。当工 作过程中旋转到一定位置时，将会受到某一特定方向的应力，因而振动也不可避免，并 且这些机械振动是和机械的转速相关的。 潜油泵属于叶片机械当其主轴旋转时，带动主轴上的叶片旋转。叶片旋转时，会 搅动增压器内的空气流，使之产生气流振动。这种被叶片搅动产生的气流振动信号中含 有一定的周期信号成份。 潜油电泵振动的人为因素有两方面：一是对井况分析不准确，导致选泵不匹配或使 用管理不当：二是制造和安装质量差造成泵系统本身不平衡。前者是随机的，须通过加强 潜油电泵井的管理加以解决，后者则是潜油电泵制造与维修应研究解决的课题。在潜油 电泵系统中，从结构和工作条件分析，分离器和保护器尺寸小，刚性好，运动件主要是 9 第2 章振动测速方法和试验甲台的搭建 轴，运转较平稳。电动机是一个封闭系统，内部零件不受井液侵蚀和冲击，无积垢现象， 并且零件少，刚性好，制造中经过了严格的平衡试验，因此运转也较平稳。多级泵则不 同，它零件多，摩擦多，工作中受液流的冲击，易积砂积垢，事故发生的概率很大。叶 轮的轻微质量偏心是不可避免的，导、叶轮摩擦副的磨损会加大这种偏心，引起振动。 因此多级泵是主要的振源。这一点可从泵的破坏状况得到验证【2 4 】。 2 1 2 振动检测技术 机械设备的振动是一种动态信号，为了准确可靠地获得设备的振动信号，在振动信 号变换、数据采集、信号分析等方面都有很高的要求，涉及动态检测技术的许多方面， 包括振动传感器、信号调理电路、信号的采集、数字信号处理与分析等。振动检测的一 般流程【2 5 】如图2 1 ： 信 被 振 测 动 对 传 感 象 器 图2 1 振动测试系统 f i g 2 1t e s t i n gs y s t e mo f v i b r a t i o n 通过振动测试，可以获得位移、速度、加速度等振动信号，通过信号分析，进一步 得到描述设备结构振动的特征参数，如振动的频率、幅值、相位等。 测量振动信号的传感器的作用是把被测对象的机械振动量( 位移、速度、加速度) 在要求的范围内正确的地接受下来，并将这些机械量转换成电量输出。对振动传感器的 基本要求包括较宽的动态范围、较宽的频率范围、较好的频率响应、较好的抗干扰性及 高工作可靠性等几方面口6 1 。在满足传感器基本要求的前提下，应采用灵敏度高的传感器 来提高信噪比，确保振动测量精度。 与被测振动参数对应，振动传感器主要有三种，即位移传感器、速度传感器和加速 度传感器。在振动运动的过程中，不管是位移，速度还是加速度，他们都是空问矢量。 每时每刻，他们不仅大小不同，而且方向也不一样。振动传感器的维数有一维，二维， 三维之分，即它所能测得的空间信号维数是不同的。 位移，速度和加速度信号，之间并不是相互独立的，很容易用其中的一种信息得到 另外的两种信号。因此实际振动测试系统中，只需要位移、速度或者加速度传感器中的 1 0 中国蠢油大学( 华东) 颀一l ? 学位论文 一种即可，通过积分或者微分便可以得到计算其他所需要的量。在小模型实验或小结构 实测时，由予位移和速度型传感器有较大的附加质量影响，常采用轻型加速度计测量加 速度并可通过积分获得速度值和位移幅。 本课题采用三维加速度传感器来检测振动信号，通过对加速度传感器的采集的信号 进行数据处理，得到潜油电泵的转速。如图2 2 是潜油电泵机组性能测试试验时在试验 井口采集到的一组加速度信号，采样频率l 娥z 。 窘黧弗5“箩 鬻；溪 鉴慧鳃； 誊。妻羲曩囊? 雾象i ；蓬 爹篡鬻麟麟糍麟羹 蠹麓。a s 娑、：“。j ! i ! 喾釜i i j 瓣 辩麓玲l 醚甏姆|g 蕈 瓣辫 麓囊鬟臻搂零经蠢鬟黧蕊孥臻鹣鬟麓繁露 图2 2 潜油电泵机组工作时的振动信号析图 f i g 2 - 2e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep 啪pu n i t s w b r k i n gv i b r a t i o ns i g l l a ls h 印e 由于工况复杂，实际采集的信号中夹杂着很多噪声，由周期性的旋转弓| 起的振动信 号淹没在其他因素引起的振动中。采集到的信号，只能够直观上粗略的计算出振动信号 的周期。要想得到转速，必须采用其他的信号处理的工具，在频域或者其它方面来分析 信号，得到由于旋转引起的周期性信息，进而获得转速。 2 2 试验平台的搭建 潜油电泵的性能测试，每次进行时都是在本课题的合作方胜利采油厂的试验井中进 行的。试验井中潜油电泵的实际转速未知，为了观察设计出的测速仪的测量精确度，并 根据实际情况调整数据处理算法，提高测速精度。采用实验室模拟的方式，采集振动信 号，选择合适的信号处理方法计算转速。同时这样还可以不干扰合作方正常的工作和生 产，同时节约了时间，节约了试验成本，减少了转速仪的开发周期。试验过程，将振动 法测得的转速与另一种常用的成熟的光电转速测量方法的测量结果相比较，以便改进算 法，提高测速的精度。 本课题在实验室使用小型三相异步电机( 型号：2 j c l ，转速1 4 2 0 转) 模拟潜油电 泵产生的振动信号，将加速度传感器放在合适的位置获取其振动信号，同时使用设计的 光电测速电路测量此时电机的实际转速值，为之后的算法选择和对比工作提供振动数据 和依据。 2 2 1 试验平台的系统介绍 拂2 “动测建方镕和试验f | 的拼建 采用北京磐仪公司的基丁p c 1 0 4 - p l u s 总线标准的并行信号处理板e m l 0 4 一n 5 1 3 作为 实验土板，以北京巾泰研创科技有限公司的基于p c l 0 4 总线的数据采集卡肿5 1 5 作为 采集板进行振动数据采集。为了测量在采集加速度信号时电机的实际转速，制作了基于 p c ，1 0 4 一p l u s 总线标准的光电测速电路板，以便在以后振动数据信号处理过程中验证算 法。 光电测速电路板、叫5 1 0 信号采集板与p c ，1 0 4 一p l u s c p u 模板的安装结构罔如图2 3 所示。 u 二二一u t u 一一l十、 l ，m “ 1 图2 - 3 实验电路板安装幽 f 嘻2 - 3t h e i n s n l l m i o n d i a g m mo f e l p e d m e n n i c i m u l tb o a 一 实验平台实物图如图2 _ 4 所示。 幽2 4 实验平台实物圈 f 嘻2 4 t e s lp 】a md a m 图中l 为实验主机箱，里面装有蓄电池、c p u 、采集板、光电测速电路板及无线模 甑l 罗。 乏 中困杠油人学( 华东) 硕i ：学位论文 块，可以实时采集数据并与上位机进行通讯；2 为小型三相异步电机：3 为加速度传感 器；4 为带孔铁质圆盘；5 为光电传感器；6 为1 5 m 1 m 的铁皮柜子，用于固定电机， 并且作为该实验的一个平台。在本实验中，加速度传感器和光电传感器都通过电线与实 验主机箱相连，传送采集的信号。 2 2 2 加速度信号的数据采集 e m l 0 4 - n 5 1 3 是一款以a m d 超低功耗n sg e o d eg x l 一3 0 0 m h z 为内核、拥有 1 0 1 0 0 m b p s 自适用网卡的p c i 0 4 总线工业主板；支持最大4 g bc f 卡和两个u s b1 1 接口，支持l c d c i h 显示；配有1 6 b i ti s a 总线p c i 0 4 接口及一个p s 2 键盘和鼠标， 自带一个1 4 4 针s o d i m m 槽，最大支持2 5 6 m b 内存条；支持r s 2 3 2 瓜s 4 2 2 瓜s 4 8 5 数 据通讯、常规t c p i p 应用、g p r s 远程数据通讯、f t p 服务器、w 曲服务器等多种应用； 可用于通讯管理、工业控制、g p r s 数据终端、仪器仪表等众多领域刚。中泰研创科技 有限公司基于p c i 0 4 总线的数据采集卡p m 5 1 5 ，采样精度1 2 b i t ，最大采样频率可达 1 0 0 k h z ，单端输入通道3 2 路，双端输入通道1 6 路，能够精确的进行定时采样，非常 适合本课题实验阶段使用。 本课题采用通过三维加速度传感器m m a 7 2 6 0 q ( 传感器的选型在第三章介绍) 来 测量潜油电泵机组的振动信号，该传感器能够采集三维空间的振动信号，充分的反映出 振动信号在三个轴方向上振动的完整信息。 以上就构成了本课题实验阶段下位机的基本框架，以e m l 0 4 - n 5 1 3 为处理器，使用 p m 5 1 5 作为采集板，将采集到的加速度传感器的信号送到e m l 0 4 - n 5 1 3 中，在e m l 0 4 n 5 1 3 中通过对三维数据的综合分析处理，将最终测得的转速值通过基于r s 2 3 2 的无线模块发 送到上位机上，其系统框图如图2 5 所示。 5 v 电源电压 q 壁! ：i 整堡堕堡) ；画戆 ：im m a 7 2 6 0 qr i 竺2 l ：jmm 采集板j i 处理器 1 i 无线数传模块 p m 5 1 5i ie m l 0 4 n 5 1 3i ls r w f 5 0 l 图2 5 实验阶段系统框图 f i g 2 5 t h es y s t e md i a g r a mo fe x p e r i m e n t a ls 魄e 系统的振动信号的采样及预处理过程主要是在e m l 0 4 - n 5 1 3 中进行的，软件采用c 语言编程。 2 2 3 光电测速单元的设计 1 3 第2 章振动测速方法和试验i f 台的搭建 下面主要介绍一下光电测速电路部分，其原理图如图2 6 所示。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 光 有源 品振 1卜 信号 p c 电脉冲信号8 2 5 3 调理 1 0 4 电路 基于c p l d “卜 的控制逻辑 c l k o 、j， 总 g a t e 0 线 c l k l g a t e l 图2 6 光电测速电路原理图 f i g 2 - 6 t h ed i a g “哪0 fp h o t o e l e c t r i cs p e e d7 r e s t i n gc i i u i t 光电传感器发射端发出光信号，如果在一定的距离内没有阻隔物将光反射回来，即 接收端收不到光信号则输出低电平，否则输出高电平。利用这一点，定做一个带孔的铁 质圆盘挂在三相异步电机的轴上，让光电传感器对准圆盘上的孔，选择适当的距离放置， 当电机带动圆盘转动时，只有当圆盘上的孔对准光电传感器时才会产生一个低电平。一 分钟内产生几次低电平信号则说明电机转动多少转。 为了能够准确的测量光电脉冲的信号，同时尽量少地占用c p u 资源，光电测速模 块基本上由硬件时序实现，软件只是在空闲时才进行状态查询。 电路的时序关系比较复杂，为了简化电路而提高系统的可靠性，也为了系统功能的 可扩展性及系统调试的方便，电路中的主要由复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 【2 8 1 和大规 模集成计数器芯片8 2 5 3 【2 9 】【3 0 】。 8 2 5 3 有3 个独立的1 6 位计数器通道，有6 种工作方式，本设计方案采用工作方式 2 。方式2 的特点是，计数器的计数过程由门控信号( g a t e ) 控制，高电平开始计数， 低电平停止计数，当g a t e 由低变高时计数器自动恢复初值，所以仅在初始化时置一次 计数初值即可。 电路中，所有的逻辑关系及译码电路等都由c p l d 编程实现，可以在系统修改设计。 由于计数器的g a t e 信号都是由c p l d 结合光电脉冲信号产生的，所以计数器的起停完 全是由光电脉冲信号所控制的，其测量是非常准确的。 本课题中光电测速模块采用1 2 m h z 有源晶振经4 分频得到的脉冲为8 2 5 3 提供时钟 脉冲，用此方法得到的转速值的误差在两个时钟脉冲之内，可以认为这种方法测得的转 1 4 中国石油大学( 华东) 硕卜学位论文 速值是准确的。计算时，为了提高频率的精度， 代替晶振的标称值作为转速计算的标准。因此， 度。 采用数字示波器精确测量的晶振的频率 用光电测速电路来检验振动法测速的精 2 2 4 采集软件的设计 采用c 语言在d o s 平台下编写了e m l 0 4 _ n 5 1 3 的采集测量软件，将采集的加速度振 动信号和此时电机的转速同时通过无线模块传至p c 机的功能，并实现了简单的配置功 能。同时，也将采集的数据存储在c f 卡中的特定文件中，确保数据正确存储，方便以 后的数据处理。 光电测速部分的软件实现非常简单，即：当检测到一个光电脉冲信号时读8 2 5 3 中的 计数值，根据光电测速电路板上的时钟频率，计算出电机转一圈的时间，进而得到电机 转速，同时将计数器重新置位，进行下一轮计数。 软件的流程图如图2 7 所示。 图2 7 下位机软件流程图 f i g 2 7 f l o w c h a n0 ft h el o w e rc o m p u t e rs o r w a l e 1 5 第2 章振动测速方法和试验、f 台的搭建 上位机采用v b 编写了一个简单界面，接收下位机传来的振动法测速的振动信号和 光电测速法得到的转速值，并将加速度信号予以存储。为以后选择振动信号处理方法， 提高数据，并提供结果比对值。 2 3 本章小结 本章主要介绍了两方面的内容，一是振动测速的原理和方法，概述性讲述了振动法 测速的理论依据和振动信号检测的基本流程；二是介绍了振动法测速试验平台的搭建， 为模拟采集振动信号、研究怎样从振动信号中找出有用信息，从而测得高精度的转速值 提供一个客观平台；为了更好的验证振动测速方法的正确性与否，制作了光电测速电路 配合振动测速试验的进行。 1 6 中国石油火学( 华东) 硕上学位论文 第3 章用于测速的振动信号数据处理方法 实际采集的振动信号中夹杂着很多噪声，由周期性的旋转引起的振动信号淹没在其 他因素引起的振动中。从直观上，几乎无法找到信号的这些信号的频率，从而没法得到 转速。因此仅仅从直观上，也就是说仅仅从信号的时域中分析信号，很难得到旋转机械 的转速。需要从其他方面进行分析，比如频谱分析，这对信号中周期性成分非常有效。 通过分析信号的频谱，找到振动信号中在旋转频率可能的范围中最大的谱线。这个频率 一般就是由机械的旋转引起的，也就是要测量的转速，当然单位是h z ，而不是r m i n 。 3 1 振动加速度信号的频谱分析 频谱分析是对振动信号进行频域分析，是振动法测量机械转速最常用、最有效的方 法。通过频谱分析把复杂的振动信号分解成由一系列单一频率的谐波信号组成。下面介 绍几种谱分析方法。 3 1 1f f t 分析法 傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是信号处理中重要的分析 工具。一个长度为n 的有限长序列的离散傅立叶变换为： | 一l 彳( 七) = 肼v 【x ( ，z ) 】x ( 刀) 嘭 尼= o ，1 ，一1 ( 3 - 1 ) 式中嘭= e x p ( 一2 翮七) ，称为d f t 的旋转因子，旋转因子定义在复平面上的单 位圆上。 由于d f t 计算量大，在很长时间内其应用受到很大限制。在1 9 6 5 年由库利和图基 提出了快速傅里叶变换( f f t ) ，f f t 【3 l 】算法具有里程碑意义，它大大提高了d f t 的运 算速度，使d f t 在实际应用中得到了广泛的应用。 f f t 算法的实现主要是利用旋转因子的两个性质： ( 1 ) 对称性 ( 2 ) 周期性 吮肛”= 陈蛔= ( 时) + ( 3 - 2 ) w 导= w 警酣n 、= w 寸n ( 3 3 ) 利用上述特性，将x ( 胛) 和x ( 后) 的排列次序按某些特定的规律重排，或者对两个序 列x ( ，2 ) 和x ( 霓) 分别按一定规律，将其分解成一些短序列进行运算，这样可以减少复数 乘法次数，提高d f t 的运算速度。 1 7