基于LabVIEW的渦輪診斷系統的研究與應用

孫治鵬，Josephus T.Maria，涂世明，鄭有勝，曾翰典

（天信儀表集團有限公司，浙江 蒼南 325800）

0 引言

隨著天然氣能源比例不斷提高，氣體渦輪流量計在然氣貿易計量和過程監控等領域用量也水漲船高。在使用過程中，由于介質清潔度差、不規范操作、未定時維護和質量缺陷等問題導致部件損壞，如果未及時發現，將導致計量的不準確。目前一般是通過現場巡檢的方式對儀表顯示數據進行觀察，憑經驗對比判定儀表運行狀態，如當前的溫壓、流量等數據和參考歷史值對比診斷，如發現偏差較大，則拆卸下來進一步診斷。以上方法容易產生誤判斷，且現場管道拆裝成本大，特別在高壓的管道上。管道內高壓可燃氣體操作存在危險，停氣拆卸對用氣方產生影響，維護成本高，造成了資源浪費。因此，通過對采用基于NI公司的采集系統和LabVIEW平臺虛擬軟件的診斷系統研究，實現在不拆表、不停機下快速精準地在線診斷，具有重大的意義。

1 故障診斷系統的工作機理

機械設備在實際生產運行中，常見的故障有部件脫落、腐蝕、變形、老化、運行異常等。這些故障的存在輕則性能衰退、功能喪失，重則影響企業生產運行，造成經濟損失[1,2]。根據渦輪流量計的特性，這些故障主要表現在傳動部件上：如阻力上升，異常振動，葉輪缺損、變形、卡頓或卡死現象，因此可通過以下幾個方面進行診斷。

1.1 利用葉片轉速進行診斷

氣體渦輪流量計的計量原理為管道內的流體推動渦輪葉片，一定條件下其旋轉角速度與工作條件下流體流速成正比，通過傳感器測量角速度計算可得到流量[3]。葉輪轉速檢測的方法有霍爾式、光電式、電容式、電感式傳感器等[4]。通過LabVIEW計數器高速的采集每一個葉片的脈沖寬度進行時域和頻域的分析，便可診斷渦輪葉片的彎曲、缺損故障。另外，不管機械顯示還是電子顯示儀表出廠時都會進行標定，獲取固定的儀表系數。因此，葉片取得的高頻信號可以和其余部件取得的中低頻信號進行運算，獲取瞬時數據并進行比較診斷。

1.2 利用振動信號進行診斷

氣體渦輪流量計在管道運行時，盡管相比其它如羅茨流量計運行較穩定，但不可避免地會發生輕微的振動現象。一般情況下，這種振動可分解為有一定規律的渦輪傳動部件轉動引起的簡諧振動和管道上其它設備、外部噪聲等疊加組成[5]。因此，可利用振動檢測模塊獲取振動加速度、頻率、幅值等相關信息，再利用LabVIEW整理分析出振動特性與根據不同口徑規格的流量計和不同流量下所呈現的振動特性進行比較，從而診斷設備故障點或對運行機械環境條件進行判斷。

1.3 利用阻力曲線進行診斷

實際的渦輪模型是不理想的，當氣體流過渦輪葉片時，存在渦輪葉片各表面與介質的粘性力、介質的慣性力、軸承阻力、計數器等傳動部件的阻力影響。盡管現有渦輪流量計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采集在管道關閉閥門狀態下的葉輪自旋下降的曲線，通過對曲線的斜率和出廠前的曲線或同型號規格的曲線對比，以此診斷其葉輪、軸承、計數器齒輪等傳動部件是否故障。

1.4 利用壓損大小進行診斷

圓形氣體管道的壓力損失與氣體介質的密度ρ、管道內氣體的流速ω、摩擦阻力系數λ和通徑等管道相關的系數K有關，其簡化公式可表示為式（1）。氣體密度、溫度、壓力、流速等參數值可以從現場流量計量儀表采集獲得。一般氣體的粘度對摩擦阻力系數影響很小，可以忽略不計，因此λ主要與管道相對粗糙度相關，且其出廠后幾乎不變化[6]。所以通過采集渦輪流量計兩端的壓差可以初步診斷其管道內部結構是否發生了變化，如葉輪卡死，嚴重臟污問題。

2 系統硬件結構設計

渦輪診斷系統的硬件主要分為以下幾個部分：采集傳感器、轉換模塊或接口設備、數據采集板卡、微型計算機。各種傳感器通過采集渦輪流量計的運行參數，如通過轉速傳感器采集葉片脈沖信號，振動檢測傳感器獲得振動信號，差壓傳感器采集壓力值等，轉換模塊和接口設備用于信號的處理放大，類型轉換。因為數據處理需要較高的實時性，所以采用采集板卡對轉換后的數據進行實時處理。微型計算機采用NI的Compact RIO控制器，它是一款可靠的高性能工業級嵌入式控制器、實時操作系統，非常適用于需要波形采集，高速控制或信號處理，快速硬件算法開發，硬件可靠性任務或獨特定時和觸發的應用[7,8]。系統整體硬件結構框圖如圖1。

圖1 系統整體硬件結構框圖Fig.1 Block diagram of the overall hardware structure of the system

3 系統軟件設計

渦輪診斷系統的軟件是關鍵部分，它是基于LabVIEW設計平臺開發的。LabVIEW平臺與其它的程序開發環境相似都包含有完整的函數庫，不同的是它使用的是科學研究員、工程師、技術員所熟悉的框圖、圖標、符號等來編寫的圖形化G語言，圖2、圖3為葉片轉速檢測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試。LabVIEW可支持UNIX、Windows、Linux等多種版本操作系統，軟硬件的通用性極強，因此減少了編程人員的時間，大大提高了工作效率。

渦輪診斷系統的軟件根據功能分為數據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。數據采集軟件負責實時響應DAQ板卡的數據采集，對采集的數據按分析軟件的需求指令進行初步的處理和存儲工作。圖2為進行葉片轉速檢測的數據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，可得到葉片間的時間戳、周期、角速度、角加速度等數據，如圖3為經過該采集程序模塊處理后在顯示面板的調試結果，可以初步觀察到渦輪葉片角速度的變化，但最終的數據由分析軟件進行處理。

圖2 葉片檢測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 葉片轉速檢測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

處理分析軟件負責對采集整理后的數據按照不同的算法模型進行排列、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為渦輪診斷系統對以上采集的流量和振動傳感器的數據經過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流量下其相對頻率和相對幅度的關系。隨著流量的改變，各內部部件和管道等外部振動產生的頻率會反應在圖形中，形成與相對流量頻率相關的山脈狀3D圖形，再進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FFT變換3D圖Fig.4 3D Diagram of FFT transformation of turbine diagnosis system

4 系統搭建與診斷試驗

4.1 系統搭建

為了驗證系統的可行性，搭建了一臺簡易的渦輪診斷裝置如圖5，包括防護外殼、電源模塊、信號轉換模塊、采集板卡、通信模塊和微型計算機等。高速采集板卡采用NI9401為雙向數字模塊，具有兩組8個輸入或輸出端口可獨立配置DI/O，最大信號轉換頻率達30MHz，輸入延時小于100ns，可用于脈沖的高速計數器/定時器功能。

圖5 簡易渦輪診斷裝置樣機結構Fig.5 Prototype structure of simple turbine diagnostic device

對信號發生器產生的脈沖進行了采集驗證試驗，通過系統采集的脈沖間隔與標準的脈沖進行對比，數據見表1。采樣精度在萬分之一以內，完全滿足實際工業應用的要求。

表1 系統脈沖采集測試對比數據Table 1 System pulse acquisition test comparison data

4.2 葉片缺損的診斷

渦輪流量計葉片由于受到慣性力矩的作用，其轉速不會瞬變，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定狀態。圖6為利用搭建的渦輪診斷裝置采集流量計的診斷圖，通過該圖可以判斷其葉片處于不正常狀態，再結合診斷圖的流量關于脈沖數的變化與流量計的基礎信息可診斷出其中一個葉片受損，與實際的測試流量計相符。

圖6 渦輪診斷裝置流量計流量診斷圖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正常狀態的1號流量計和轉子卡頓的2號流量計進行自旋曲線診斷。如圖7和圖8為兩臺相同型號規格的渦輪流量計在小流量下自由旋轉下降，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自旋時間長且曲線光滑，2號流量計的曲線較陡且出現抖動的表現。

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

圖8 轉子卡頓狀態的自旋曲線圖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的不同狀態下（例如軸承臟污、計數器故障）進行阻力診斷測試，得到如圖9的自旋曲線圖。高溫下或無計數器狀態時，由于油的粘性力變小，阻力變小，Spin Time時間較長，而低溫下或軸承臟污時阻力變大，Spin Time時間較短，測得的Spin Time時間曲線的總體趨勢與理論相一致。

圖9 不同狀態流量計在各溫度下的自旋時間曲線圖Fig.9 Spin time curves of flowmeters in different states at different temperatures

5 現場應用

該渦輪診斷系統應國家管網集團下屬分公司委托，在對其中兩個門站共6臺從DN50到DN400不同口徑的高壓氣體渦輪流量計進行現場數據的采集和診斷分析，系統現場應用圖如圖10。從應用場景圖可知，該系統攜帶方便，接線安裝操作簡單，只需提供220V市電接口給診斷系統和筆記本供電，并將高頻信號線接到渦輪流量計即可進行診斷。

圖10 渦輪診斷系統現場應用圖Fig.10 Field application diagram of turbine diagnostic system

通過閥門分別對以上6臺流量計進行流量的控制和高頻信號采集操作，將采集的數據傳輸到系統處理軟件進行分析。經過渦輪阻力分析和不同流量下的振動頻譜分析，發現其中一臺DN100口徑的氣體渦輪流量計存在小流量卡頓現象且存在不正常的頻率點，故判定流量計異常概率較大。對其重新拆裝標定，發現整體線性偏負，標定示值誤差曲線如圖11。通過拆修發現該表異常原因是使用較久無維護，內部軸承臟污嚴重所致。通過該應用結果表明，該渦輪診斷系統具備在不拆表、不停機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 結語

通過對氣體渦輪流量計機械故障診斷機理的研究，采用NI公司的軟硬件平臺開發了診斷系統，并對系統在渦輪診斷中的幾種模擬測試的驗證和實際應用場景的應用驗證，論證了該系統在渦輪流量計故障診斷應用的可行性，解決了渦輪在線診斷的難題，可有效降低維護成本和資源浪費。采用LabVIEW平臺開發具有方便、快速、顯示直觀等優點，但也存在著制造成本昂貴，體積相對大，需外電源供電的特點。該技術方案適用于制作便攜式診斷設備，由人工攜帶到現場的方式進行在線診斷，如需大批量配套組裝到渦輪流量計儀表上，一體化設計還需采用另外的技術方案解決。