用于检测液压冲击的方法和设备与流程

本公开涉及用于检测流体系统中的液压冲击的方法和设备。

背景技术：

1、液压冲击(通常也称为水锤或流体锤)是指当运动中的流体(特别是液体)被迫突然停止、改变方向或以其他方式经受动量的突然变化时引起的压力波动或压力波。当管道中的阀突然关闭，导致压力波沿着管道传播时，流体系统可能发生液压冲击。

2、流体系统通常包括一个或多个泵，并且液压冲击是泵故障的常见原因。持续经受液压冲击的泵可能最终遭受疲劳磨损。如果液压冲击事件足够强力，则甚至单个事件也会损坏泵。除了泵之外，液压冲击事件还会对流体系统的其他部分(例如，传感器等)造成严重损坏。液压冲击还可能在流体系统中引起噪声和振动，甚至可能导致管道破裂或坍塌。

3、在这样的背景下，一般期望能够监测液压冲击事件发生的频率和/或严重程度。基于这种监测，可以调整流体系统的操作程序，或者可以实施其他对策，以避免或至少降低未来液压冲击事件的频率和/或严重程度。

4、期望的是，液压冲击的检测可以在没有需要与在流体系统中正在输送的流体直接接触的传感器的情况下进行，特别是在没有测量流体压力的压力传感器的情况下进行。这是期望的，因为需要与输送的流体接触的传感器有被它们旨在检测的液压冲击事件损坏的风险。此外，在不依赖于这种传感器的情况下，检测设置更容易实现且更容易维护。

5、wo2015/197141a1公开了一种用于通过使用手持通信装置来检测泵组件中的故障或操作参数的方法。该现有技术方法包括以下步骤：a)通过使用连接到手持通信装置或在手持通信装置中实现的麦克风来非接触式地测量从泵组件发出的声音信号，b)处理测得的声音信号，以及c)通过经处理的声音信号来识别包括任何可能的故障的一个或多个声音发出状况。

6、流体系统中的振动和/或声音可能具有各种原因。因此，可能难以可靠地将液压冲击标识为声音或振动的原因。因此，仍然期望提供一种用于检测流体系统中的液压冲击的改进的或至少替代的方法和/或设备。一般还期望提供一种用于检测液压冲击事件的准确、稳健、快速且具有成本效益的方法和/或设备。

技术实现思路

1、根据一个方面，本文公开了用于检测流体系统中的液压冲击事件的设备的实施例，该流体系统包括泵组件，该泵组件包括泵(特别是离心泵)和泵马达，该设备包括：用于监测泵的泵速度和/或泵马达的马达频率的装置；以及处理单元，该处理单元被配置为：

2、-检测受监测的泵速度和/或马达频率的变化；以及

3、-根据受监测的泵速度和/或马达频率的检测到的变化来检测液压冲击事件。

4、发明人已经认识到，液压冲击事件的压力脉冲通常向泵施加如此多的能量，以至于使得泵控制器无法保持泵的转速和/或马达频率稳定。因此，液压冲击事件影响泵速度和/或马达频率。因此，泵速度和/或马达频率的检测到的变化可以用作液压冲击事件的可靠指标。

5、在一些实施例中，泵包括轴，该轴被配置为由泵马达驱动。在一些实施例中，泵包括由轴旋转驱动的叶轮。因此，泵速度可以被测量为轴和/或叶轮的转速或频率。

6、在一些实施例中，泵马达是可以由周期性变化的磁场驱动的电动马达，特别是其中马达的转子由周期性变化的磁场驱动。为此，泵马达可以由周期性变化的电驱动电流驱动，该周期性变化的电驱动电流用于产生变化的磁场。因此，马达频率可以表示为周期性变化的磁场的变化频率和/或用于产生变化的磁场的电驱动电流的频率，或者表示为马达的旋转频率的另一合适的度量。电动马达可以包括定子和转子，并且变化的磁场可以是变化的定子磁场。马达可以由为马达提供电驱动电流的变频驱动器或另一合适的马达驱动器驱动。

7、在大多数情况下，在马达频率与泵速度之间可以存在一一对应的关系。然而，在一些情况下，例如当在马达与驱动泵的轴之间存在滑移量时，马达频率和泵速度可能不同。然而，液压冲击事件通常影响泵速度，特别是叶轮或驱动叶轮的轴的转速，也影响泵马达的马达频率。因此，泵速度的检测到的变化和马达频率的检测到的变化可以均用作液压冲击事件的可靠指标。在一些实施例中，设备甚至可以监测泵速度和马达频率两者。

8、在一些实施例中，用于感测马达频率的装置包括磁场传感器和/或用于测量马达的电驱动电流的传感器。磁场传感器可以被配置为(特别是定位成)使得磁场传感器测量用于驱动电动马达(特别是用于驱动电动马达的转子)的变化磁场。用于感测电驱动电流的传感器可以集成到马达驱动电路中，或者可以是用于测量电驱动电流或能够从其导出电驱动电流的量的单独的传感器。

9、泵速度(特别是轴速度或叶轮速度)可以表示为频率，例如每单位时间的转数。在一些实施例中，用于监测泵速度的装置包括转速计或被配置为测量驱动叶轮的轴的转速的其他传感器。

10、检测到的变化可以是峰值或其他类型的波动。特别地，检测到的变化可以是受监测的泵速度和/或马达频率中的突然峰值或波动，特别是具有与液压冲击事件一致的持续时间和/或幅度的峰值或波动。这里，术语突然波动是指在与液压冲击事件一致的时间尺度上的峰值或其他类型的波动。典型的液压冲击事件在大约100毫秒的时间尺度上发生。与液压冲击事件相关联的压力脉冲可以在系统中来回反弹并且持续数秒，例如持续长达约5-10秒，即，泵速度和/或马达频率的检测到的波动可以具有与这些时间尺度一致的持续时间。

11、设备可以被配置为响应于检测到受监测的泵速度和/或马达频率的变化来检测液压冲击事件，受监测的泵速度和/或马达频率的变化满足一个或多个触发标准。触发标准的示例包括检测到的变化的幅度(特别是振幅)超过阈值。触发标准的其他示例包括检测到的变化的持续时间和/或增强时间和/或衰减时间小于对应的阈值和/或落入特定范围内。可替代地或附加地，可以使用指示峰值的显著性的其他触发标准。

12、发明人已经发现，可以基于对受监测的泵速度和/或马达频率的波动(特别是突然波动)的检测来获得对液压冲击事件的计算高效、稳健且可靠的检测，该波动具有超过预定阈值的幅度。因此，在一些实施例中，设备可以被配置为获得作为时间的函数的泵速度和/或马达频率信号，该泵速度和/或马达频率信号指示受监测的泵速度和/或马达频率。在一些实施例中，设备还可以被配置为对获得的泵速度和/或马达频率信号执行滤波。在一些实施例中，滤波是或包括高通滤波，以抑制泵速度和/或马达频率信号的缓慢变化。可替代地或附加地，滤波可以包括低通滤波、带通滤波和/或另一种类型的滤波。

13、设备(特别是处理单元)还可以被配置为：

14、-检测泵速度和/或马达频率信号中的波动，特别是经滤波的(例如，

15、经高通滤波)的泵速度和/或马达频率信号中的波动，

16、-计算检测到的波动的幅度，以及

17、-响应于计算出的幅度超过阈值(特别是预定的和/或自适应且自动确定的阈值)，检测液压冲击事件。

18、设备可以通过以下方式来检测波动：计算泵速度和/或马达频率信号的包络信号，特别是经滤波(例如，经高通滤波)的泵速度和/或马达频率信号的包络信号，并且检测计算出的包络信号中的峰值。

19、在一些实施例中，设备被配置为仅基于受监测的泵速度和/或马达频率，特别是基于受监测的泵速度和/或马达频率的检测到的变化来检测液压冲击事件。在其他实施例中，设备被配置为基于受监测的泵速度和/或马达频率结合液压冲击事件的一个或多个附加检测到的指标(例如，结合流体系统的泵或另一部件的检测到的振动)来检测液压冲击事件。

20、特别地，在一些实施例中，设备还包括振动传感器，该振动传感器被配置为检测流体系统的部件的振动，并且其中，处理单元被配置为：

21、-检测振动事件；以及

22、-响应于受监测的泵速度和/或马达频率的检测到的变化且还响应于检测到的振动事件来检测液压冲击事件。

23、特别地，检测到的振动事件允许对检测到的液压冲击事件的严重程度进行可靠地检测，而同时检测泵速度和/或马达频率的变化允许可靠地消除假阳性检测。

24、振动事件可以被检测为由振动传感器测得的或从振动传感器的传感器信号导出的振动信号中的峰值。振动传感器可以是加速度计或被配置为检测流体系统的部件(例如，管道或泵)的机械振动的另一传感器。

25、振动传感器和用于监测泵速度和/或马达频率的装置可以设置为单独的传感器单元。可替代地，振动传感器和用于监测泵速度和/或马达频率的传感器(特别是磁场传感器)可以集成到单个传感器单元中，该单个传感器单元具有容纳振动传感器和用于监测泵速度和/或马达频率的传感器的壳体。可选地，传感器单元可以包括一个或多个另外的传感器和/或信号处理电路。另外的传感器的示例包括温度传感器。因此，可以容易地安装这种集成传感器单元。例如，现有的泵组件可以容易地用这种传感器单元改装。传感器单元可以经由有线或无线连接通信地连接到数据处理单元。

26、振动信号可以是作为时间的函数的表示感测到的加速度的信号，或者是作为时间的函数的表示感测到的或导出的速度的信号。发明人已经认识到，使用振动速度信号提供了更可靠的液压冲击检测，特别是提供了对液压冲击事件的严重性的更可靠的评估。因此，如果振动传感器是测量加速度的加速度计，则优选的是设备例如借助于积分器将测得的振动加速度信号转换为对应的振动速度信号。因此，当振动传感器被配置为感测加速度时，设备(特别是处理单元)可以被配置为例如借助于积分器从感测到的振动加速度信号导出振动速度信号。振动速度是其振动由振动传感器感测的部件的位置的变化率。振动速度可以表示为每单位时间的位移，例如以米/秒为单位表示。特别地，振动加速度信号可以是振荡加速度信号。类似地，振动速度信号可以是振荡速度信号。

27、检测到的振动事件可以被检测为具有与电冲击事件一致的持续时间和/或幅度的峰值。为此，设备可以被配置为响应于检测到振动信号中满足一个或多个触发标准的峰值而检测液压冲击事件。触发标准的示例包括检测到的峰值的幅度(特别是振幅)超过阈值。触发标准的其他示例包括检测到的峰值的持续时间和/或增强时间(attack time)和/或衰减时间小于对应的阈值和/或落入特定范围内。

28、发明人已经发现，当设备还检测到受监测的泵速度和/或马达频率中的对应峰值/波动时，可以基于振动信号中具有超过预定阈值的幅度的峰值的检测来获得液压冲击事件的计算高效、稳健和可靠的检测。在一些实施例中，设备可以被配置为对获得的振动信号执行滤波(例如，高通滤波)，以抑制振动信号的缓慢变化。设备(特别是处理单元)还可以被配置为检测振动信号中的峰值，特别是经滤波的(例如，经高通滤波的)振动信号中的峰值，以计算检测到的峰值的幅度，并且响应于计算出的幅度超过阈值(特别是预定的和/或自适应且自动确定的阈值)来检测液压冲击事件。设备可以通过以下方式来检测峰值：计算(可选地，经高通滤波的)振动信号的包络信号并且检测计算出的包络信号中的峰值。

29、处理单元可以被配置为响应于检测到的振动与受监测的泵速度和/或马达频率的检测到的变化具有预定的时间关系，检测液压冲击事件。为此，可以选择预定的时间关系，以便检测检测到的振动事件和受监测的泵速度和/或马达频率的检测到的变化的共同原因。振动信号中的峰值与受监测的泵速度和/或马达频率的检测到的变化之间的预定的时间关系可以是振动信号中的峰值与受监测的泵速度和/或马达频率的检测到的变化发生在彼此的一个或多个预定的时间窗口内。

30、例如，当振动传感器定位在其泵速度和/或马达频率被监测的泵组件上或与其紧邻时，处理单元可以被配置为响应于检测到的振动事件与受监测的泵速度和/或马达频率的检测到的变化基本上同时(即，在彼此的短时间窗口内，例如在彼此的1s内或甚至在更小的时间窗口内)来检测液压冲击事件。当振动传感器被定位成与其泵速度和/或马达频率被监测的泵组件间隔开时，例如定位在位于距泵组件一定距离处的流体系统的管道或另一部件上，处理单元可以被配置为响应于以下来检测液压冲击事件：与检测到的振动事件相比，受监测的泵速度和/或马达频率的检测到的变化领先或延迟，特别是与压力波在振动传感器的位置与泵组件之间的传播时间对应而领先或延迟。这可以通过检测在彼此更大的时间窗口内出现的峰值来实现。或者，这可以通过以下方式来实现：检测出现在相对于振动信号中的峰值的两个较短的时间窗口中的一个内的受监测的泵速度和/或马达频率的变化，其中，时间窗口中的一个领先于振动信号中的峰值达预定偏移，而时间窗口中的另一个相对于振动信号中的峰值延迟预定偏移。

31、在一些实施例中，预定时间窗口可以被选择得足够大，以例如通过检测在0.5s内、诸如在1s内、诸如在2s内、诸如在5s内或在彼此的另一合适的时间窗口内出现的峰值来覆盖振动传感器的多个可能的放置。在其他实施例中，可以针对特定系统配置，(例如，基于传感器相对于彼此的特定放置)选择一个或多个时间窗口的大小和/或偏移。

32、因此，在一些实施例中，处理单元被配置为监测振动信号和指示泵速度和/或马达频率的信号以检测这两个信号中的峰值。处理单元被配置为将液压冲击事件检测为两个信号中出现峰值/波动(特别是显著的峰值)，其中峰值间具有预定的时间关系(例如，同时出现或以另一预定的时间对准出现)。处理单元可以被配置为基于一个或多个标准(诸如一个或多个预定标准)将检测到的峰值/波动确定为显著的峰值/波动。这种标准的示例包括检测到的峰值/波动的幅度超过阈值。一般来说，峰值/波动的幅度可以被测量为峰值/波动的振幅、峰值/波动下方(或峰值/波动的包络下方)的面积或指示峰值/波动的幅度的另一合适的度量。峰值的显著性的标准的替代或附加示例可以基于检测到的峰值/波动的一个或多个其他特征，例如，检测到的峰值/波动的增强特性或衰减特性等。

33、一般来说，基于用于检测液压冲击事件的振动信号和/或泵速度和/或马达频率信号的触发标准可以是预定的(特别是选择的)，以配置液压冲击检测的灵敏度，同时减少假阳性检测的数量。这可以例如在初始校准时段期间基于针对特定的流体系统观测到的速度数据来完成。虽然已经发现液压冲击事件的检测在基于预定的触发标准(例如，基于峰值的幅度或峰值的显著性的其他度量)时是高效的、稳健的且可靠的，但是在其他实施例中，设备可以应用更复杂的技术来分析检测到的速度变化，例如基于机器学习，以将检测到的变化分类为由液压冲击事件或其他原因导致的变化。

34、处理单元还可以被配置为计算检测到的液压冲击事件的严重程度的度量，特别是根据振动信号中检测到的峰值和/或根据表示泵速度和/或马达频率的信号中检测到的峰值计算检测到的液压冲击事件的严重程度的度量。严重程度的合适的度量的示例包括检测到的波动/峰值的计算幅度、检测到的波动/峰值的持续时间、增强时间或衰减时间、或多于一个这样的标准的组合。可以根据泵速度和/或马达频率信号中检测到的波动/峰值和/或根据振动信号中检测到的峰值或根据二者的组合来计算严重程度的一个或多个度量。

35、液压冲击事件的严重程度的一个可靠度量是传播通过流体的压力波的幅度。然而，期望在不需要压力测量的情况下评估液压冲击事件的严重程度。发明人已经发现，测得的振动速度的幅度与液压冲击事件期间压力波的峰值压力强相关，并且因此可以用作液压冲击事件的严重程度的另一个可靠度量，特别是不需要压力测量的度量。因此，如上所述，液压冲击事件的严重程度的计算出的度量可以是振动速度信号中检测到的峰值的幅度的度量，例如，峰值的振幅或峰值的幅度的另一个度量。

36、一般来说，检测液压冲击事件可以包括创建液压冲击事件警报，可选地包括检测到的液压冲击事件的严重程度的计算出的度量和/或其他信息(诸如发生时间)。创建液压冲击事件警报可以包括经由用户界面输出液压冲击事件警报，经由数据通信接口输出/发送警报信号，和/或记录液压冲击事件警报。

37、本公开涉及不同的方面，包括上面和下面描述的设备、另外的方法、系统、装置和产品装置，每个都产生结合一个或多个其他方面描述的一个或多个益处和优点，并且每个都具有对应于结合本文描述的一个或多个其他方面公开的实施例和/或如所附权利要求中公开的实施例的一个或多个实施例。

38、特别地，本文公开的另一方面涉及用于检测流体系统中的液压冲击事件的计算机实现的方法的实施例，该流体系统包括泵组件，该泵组件包括泵(特别是离心泵)和泵马达，该方法包括：

39、-接收指示受监测的泵的泵速度和/或泵马达的马达频率的数据；

40、-检测受监测的泵速度和/或马达频率的变化；以及

41、-根据受监测的泵速度和/或马达频率的检测到的变化来检测液压冲击事件。

42、应当注意，本文描述的计算机实现的方法的各种实施例的特征可以至少部分地在软件或固件中实现，并且在数据处理单元或其他数据处理系统上执行，这由程序代码装置(诸如计算机可执行指令)的执行引起。可替代地，计算机实现的方法的特征可以由以其他方式适当配置的数据处理单元来实现。

43、因此，本文公开的另一方面涉及数据处理单元的实施例，该数据处理单元被配置为执行本文描述的计算机实现的方法的计算机实现的动作。为此，数据处理单元可以具有存储在其上的程序代码，该程序代码被配置为在由数据处理单元执行时使数据处理单元执行本文描述的方法的动作。数据处理单元可以包括用于存储合适的计算机程序的存储器。

44、这里和下文中，术语数据处理单元包括适合于执行上述功能的任何电路和/或装置。术语数据处理单元包括通用或专用可编程微处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、可编程逻辑阵列(pla)、现场可编程门阵列(fpga)、图形处理单元(gpu)、专用电子电路等或其组合。数据处理单元可以是集成到泵组件中的数据处理单元，例如作为泵控制单元的一部分或作为泵组件的单独的数据处理单元。可替代地，数据处理单元可以是计算装置的数据处理单元或泵组件外部的其他数据处理系统的数据处理单元。

45、本文公开的另一方面涉及一种泵组件，该泵组件包括数据处理单元，该数据处理单元被配置为执行本文描述的方法的实施例的动作。泵组件包括泵和用于驱动泵的泵马达。泵可以包括叶轮。泵组件还可以包括控制泵马达的驱动电路。泵的数据处理单元可以集成到泵组件的驱动电路中，该驱动电路控制泵马达。因此，泵组件的驱动电路可以被适当地编程以执行本文描述的过程的实施例。可替代地，数据处理单元可以集成到泵组件的不同于驱动电路的另一控制单元中，或者它可以是泵组件的完全分离的数据处理单元。

46、本文公开的又一方面涉及计算机程序的实施例，该计算机程序被配置为使数据处理单元执行上文和下文描述的计算机实现的方法的动作。计算机程序可以包括程序代码装置，当该程序代码装置在数据处理单元上被执行时，该程序代码装置适于使数据处理单元执行上文和下文公开的计算机实现的方法的动作。计算机程序可以存储在计算机可读存储介质(特别是非瞬时性存储介质)上，或者体现为数据信号。非瞬时性存储介质可以包括用于存储数据的任何合适的电路或装置，诸如ram、rom、eprom、eeprom、闪存、磁或光存储装置(诸如cd rom、dvd、硬盘等)。