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

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，湖南 長沙 410004)

0 引 言

燈泡貫流式水輪機組在中小型水電站中應用廣泛，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，需對水輪機組的運行狀態(tài)進行實時檢測、分析，并對異常運行狀態(tài)做出故障診斷。目前關(guān)于水輪機組故障診斷絕大部分是基于機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，在應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，以彌補傳統(tǒng)檢測方式的不足。自20世紀70年代以來，基于聲學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)電機組故障診斷領(lǐng)域應用越來越廣泛。Abbot等[7-8]給出了水泵水輪機噪聲量和機械空蝕損失的對應關(guān)系；李繼孟等[9]利用頻移多尺度噪聲調(diào)諧隨機共振(SR)法，從風電機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組故障信號采集提供了借鑒。

然而，水電機組工作環(huán)境惡劣，噪聲強度一般為90 dB以上，甚至達到140 dB[11]。因此，基于聲學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、上位機等，如圖1所示。根據(jù)水電廠現(xiàn)場燈泡貫流式機組的實際運作情況，分別從水輪機組的燈泡頭、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，為后續(xù)的故障特征提取與診斷做準備。

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)場效應管JFET、運放OPA2171及外圍電路組成的前置電路處理后輸出。可調(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[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3.6 MB/s；每條通道并行采樣率最高可達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）。當頻率衰減為-3 dB，對應的截止頻率大概在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，利用標準測試平臺進行現(xiàn)場測試。其中，標準測試平臺由標準信號源（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。標準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準規(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。利用標準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。現(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，進行數(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

本文針對基于聲學特性的燈泡貫流式水輪機組的故障診斷需求，設(shè)計了一種水輪機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。