專利名稱：一種水輪發(fā)電機(jī)組無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種水輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)裝置，具 體涉及一種水輪發(fā)電機(jī)組無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
目前，社會(huì)對(duì)電力的需求日益增長(zhǎng)，電網(wǎng)中承擔(dān)發(fā)電、調(diào)頻、調(diào)峰及事 故備用的水電廠，在電力系統(tǒng)中的作用越來越重要。因此，保證水電機(jī)組的 安全正常運(yùn)行，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆，做到"事前維修"十 分必要。
現(xiàn)有的水電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，通過有線采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組 狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。但存在以下不足1)對(duì)于大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)組， 一般配置使 用的傳感器數(shù)量較多，且分布在水輪發(fā)電機(jī)組各個(gè)工作層面，采用有線信號(hào) 傳輸，需敷設(shè)大量電纜，對(duì)于機(jī)組大修安裝評(píng)估等臨時(shí)應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)組建 困難，安裝與拆卸工作量大，使用極為不便；2)對(duì)于擁有多臺(tái)發(fā)電機(jī)組的 中小型水力發(fā)電廠， 一般只需在機(jī)組安裝、大修后以及檢修時(shí)段對(duì)機(jī)組進(jìn)行 振動(dòng)檢測(cè)，無需每臺(tái)機(jī)組配置一套永久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種水輪發(fā)電機(jī)組無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，不需 敷設(shè)電纜，用于臨時(shí)場(chǎng)合或在線監(jiān)測(cè)，使用方便，且適用于有多臺(tái)發(fā)電機(jī)組 的中小型水力發(fā)電廠。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是， 一種水輪發(fā)電機(jī)組無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝 置，包括依次連接的振動(dòng)傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理電路和無線數(shù)據(jù)采集傳輸模 塊，無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊與時(shí)鐘模塊連接，振動(dòng)傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理電 路、無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊和時(shí)鐘模塊分別與電源管理模塊相連接。
本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置的有益效果
1. 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，安裝便捷可靠，不受導(dǎo)線限制，突破傳統(tǒng)
水輪發(fā)電機(jī)組振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)永久性結(jié)構(gòu)模式；網(wǎng)絡(luò)具有容錯(cuò)能力并且擴(kuò)展性
好，安裝監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以隨時(shí)增減，而且不受系統(tǒng)的束縛。.
2. 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、安裝、調(diào)試簡(jiǎn)易方便，允許的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、密度高，可以 有效的提高監(jiān)測(cè)效率；
3. 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)有一定的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，裝置的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 實(shí)用性強(qiáng)并且總體造價(jià)低。


圖1是本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖2是本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置中振動(dòng)傳感器的電路原理圖3是本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置中信號(hào)調(diào)理電路的原理圖4是本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置中時(shí)鐘模塊的原理圖5是本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置中電源管理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，l.振動(dòng)傳感器模塊，2.信號(hào)調(diào)理電路，3.無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，
4.電源管理模塊，5.時(shí)鐘模塊。
其中，l-l.三軸加速度傳感器，2-l.四運(yùn)放集成電路，4-1. 5V單輸出電
源管理芯片，4-2.3.3V單輸出電源管理芯片，4-3.鋰電池，5-l.時(shí)鐘芯片。
具體實(shí)施方式
用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。 本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。包括依次連接的
振動(dòng)傳感器模塊l、信號(hào)調(diào)理電路2和無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3，無線數(shù)據(jù) 采集傳輸模塊3與時(shí)鐘模塊5連接，與振動(dòng)傳感器模塊l、信號(hào)調(diào)理電路2、 無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3和時(shí)鐘模塊5分別與電源管理模塊4相連接。
無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3包括I/O接口、微處理器和ZigBee射頻前端等。
本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置中振動(dòng)傳感器模塊的電路原理圖，如圖2所示。包 括三軸加速度傳感器1-1,三軸加速度傳感器1-1的第1引腳至第5引腳及 第19引腳至第24引腳都為未使用引腳；第6引腳GND直接接地；第7引 腳VDD與電源VDD相連，旁路分別與電容Cl和電容C2的一端相連接， 電容C1和電容C2的另一端接地；第8引腳VoutY為Y向電壓輸出，旁路 通過電容C3接地；第9引腳ST為內(nèi)部自我測(cè)試引腳，直接接地；第10引 腳VoutX為X向電壓輸出，旁路通過電容C4接地；第11引腳PD為電源模 式選擇，直接與接地；第12引腳VomZ為Z向電壓輸出，旁路通過電容C5 接地；第13引腳FS為滿量程選擇，直接接地；第14到17引腳RESERVED 都為自由連接引腳，并且都直接與電源VDD相接；第18引腳RESERVED 直接與大地相接。
本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置中信號(hào)調(diào)理電路的原理圖，如圖3所示。包括電阻 Rl，電阻R1的一端接X電壓，另一端與電阻R2的一端連接，電阻R2的 另一端與四運(yùn)放集成電路2-1的正相輸入端連接，電阻R2與四運(yùn)放集成電 路2-1正相輸入端的旁路通過電容C6接地，電阻Rl與電阻R2的旁路與電 容C7連接，電容C7還與四運(yùn)放集成電路2-1的輸出端相連接，四運(yùn)放集成電路2-l的輸出端直接與四運(yùn)放集成電路2-l的反相輸入端連接，四運(yùn)放集 成電路2-1的輸出端還與無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3連接。
本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置中時(shí)鐘模塊的原理圖，如圖4所示。包括時(shí)鐘芯片 5-1，時(shí)鐘芯片5-l的第l引腳為備用電源引腳，直接與大地相接；時(shí)鐘芯片 5-1的第2、 3引腳為未用引腳；第4引腳VSS為負(fù)電源引腳，直接與大地 相接；時(shí)鐘芯片5-1的第5引腳SDA為I2C總線接口的數(shù)據(jù)線，直接與無 線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3的I/O接口 P1.5相連，；時(shí)鐘芯片5-1第5引腳SDA 和無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3的I/O接口 P1.5之間的旁路與電阻R5的一端連 接，電阻R5的另一端與正電源VDD相連接；時(shí)鐘芯片5-l的第6引腳SCL 為I2C總線接口的時(shí)鐘線，直接與無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3的I/O接口 P1.6 相連，時(shí)鐘芯片5-1第6引腳SCL和無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3的I/O接口 P1.6之間的旁路與電阻R4的一端連接，電阻R4的另一端與正電源VDD相 接；時(shí)鐘芯片5-l的第7引腳INT為時(shí)鐘芯片的中斷輸出線，直接與無線數(shù) 據(jù)采集傳輸模塊3的I/O 口 P1.7相連，時(shí)鐘芯片5-1第7引腳INT和無線數(shù) 據(jù)采集傳輸模塊3的1/0 口 P1.7之間的旁路與電阻R3的一端連接，電阻R3 的另一端與正電源VDD相接；時(shí)鐘芯片5-1的第8引腳VDD與正電源VDD 相接。
本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置中電源管理模塊的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。包括可充高 容量鋰電池4-3，鋰電池4-3的正極分別與5V單輸出電源管理芯片4-1的輸 入端、電容C8和電容C9相接，鋰電池4-3的負(fù)極、電容C8、電容C9和 5V單輸出電源管理芯片4-1的GND引腳分別接地，5V單輸出電源管理芯 片4-1的輸出端與3.3V單輸出電源管理芯片4-2的輸入端相接，5V單輸出 電源管理芯片4-1輸出端與3.3V單輸出電源管理芯片4-2輸入端之間的旁路分別與電容C10和電容C11相接，電容C10和電容C11還接地；3.3V單輸 出電源管理芯片4-2輸出端輸出正電源VDD， 3.3V單輸出電源管理芯片4-2 輸出端與正電源1VDD的旁路與電容C12連接，電容C12還接地；3.3V單 輸出電源管理芯片4-2的GND引腳直接接地。
振動(dòng)傳感器模塊1將水輪發(fā)電機(jī)組上機(jī)架、定子機(jī)架、下機(jī)架和頂蓋產(chǎn) 生的X、 Y、 Z三向振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。采樣頻率范圍為0 1KHZ， 振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)可以用于水電機(jī)組上機(jī)架、下機(jī)架、定子機(jī)架、頂蓋以及渦殼水 壓脈動(dòng)。
信號(hào)調(diào)理電路2用于濾去振動(dòng)傳感器模塊1輸出的X、 Y、 Z三向電壓 信號(hào)中的100HZ以上相對(duì)高頻干擾信號(hào)，并對(duì)該電壓信號(hào)和無線數(shù)據(jù)采集 傳輸模塊3之間起到電阻匹配隔離作用。
無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3延用傳統(tǒng)的CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片 上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。具有一個(gè)高性能和低 功耗的8051微控制器核，128KB可編程閃存和8KB的RAM，包含14位 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、 32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路和20個(gè)可編 程1/0引腳。
電源管理模塊4為整個(gè)裝置提供可靠的電源，為裝置中各個(gè)不同工作電 壓的芯片提供合適的工作電源。
時(shí)鐘模塊5在組裝前設(shè)置好實(shí)時(shí)時(shí)間和周期采樣中斷開始時(shí)間，通過備 用電池保持所設(shè)值，通過對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的周期采樣中斷開始時(shí)間設(shè)置一致，實(shí) 現(xiàn)了 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)同步采集。
本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置的工作過程本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置所構(gòu)成的ZigBee (IEEE 802.15.4協(xié)議)無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星狀連接結(jié)構(gòu)或串狀連接結(jié)構(gòu)。
打開水輪發(fā)電機(jī)無線振動(dòng)裝置節(jié)點(diǎn)的底座磁力開關(guān)，使其強(qiáng)力粘貼在水 輪發(fā)電機(jī)組的被測(cè)點(diǎn)上，打開電源開關(guān)，裝置節(jié)點(diǎn)上電后由時(shí)鐘模塊5產(chǎn)生 周期中斷，控制無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3進(jìn)入信號(hào)采集階段，并在此時(shí)無線 數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3讀取時(shí)鐘模塊5的當(dāng)前時(shí)間值，以此實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)采樣 信號(hào)的同步；通過振動(dòng)傳感器模塊l，將水輪發(fā)電機(jī)被測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變 為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)輸入信號(hào)調(diào)理電路2，信號(hào)調(diào)理電路2濾除100HZ 以上相對(duì)高頻干擾信號(hào)，并將其幅值調(diào)理到無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3的數(shù)字 轉(zhuǎn)換器ADC的采集電壓范圍內(nèi)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并存入 無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3中的8K存儲(chǔ)器中，等待組網(wǎng)發(fā)送；ZigBee無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的另一端通過由無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3組建成的網(wǎng)關(guān)，搭建起 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，接受來自各個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣值及實(shí)時(shí)時(shí)鐘值，并通過 串口傳輸?shù)絇C機(jī)中，PC機(jī)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘值進(jìn)行整理存 儲(chǔ)，對(duì)相同時(shí)刻的各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)先進(jìn)行兩次積分還原為位移信號(hào)，然后進(jìn)行 傅里葉變換及頻譜分析，并進(jìn)行相應(yīng)分級(jí)報(bào)警，最后做出故障診斷，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的無線在線監(jiān)測(cè)。
本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置，將振動(dòng)傳感器模塊1、信號(hào)調(diào)理電路2、無線數(shù) 據(jù)采集傳輸模塊3、電源管理模塊4和時(shí)鐘模塊5，有機(jī)地結(jié)合起來，通過 ZigBee技術(shù)構(gòu)建具有采集、存儲(chǔ)處理及發(fā)送功能為一整體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)在線同步監(jiān)測(cè)，無需敷設(shè)通信電纜，系統(tǒng)安 裝調(diào)試方便，尤其適用于中小型發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求1.一種水輪發(fā)電機(jī)組無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，包括依次連接的振動(dòng)傳感器模塊(1)、信號(hào)調(diào)理電路(2)和無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊(3)，無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊(3)與時(shí)鐘模塊(5)連接，振動(dòng)傳感器模塊(1)、信號(hào)調(diào)理電路(2)、無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊(3)和時(shí)鐘模塊(5)分別與電源管理模塊(4)相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述的無線數(shù)據(jù)采集 傳輸模塊(3)包括I/0接口、微處理器和ZigBee射頻前端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述的振動(dòng)傳感器模 塊(1)，包括三軸加速度傳感器(1-1)，三軸加速度傳感器(1-1)的第1引 腳至第5引腳及第19引腳至第24引腳為未使用引腳，第6引腳GND接地， 第7引腳VDD與電源VDD相連，旁路分別與電容Cl和電容C2的相連接， 電容C1和電容C2還接地，第8引腳VoutY為Y向電壓輸出，旁路通過電 容C3接地，第10引腳VoutX為X向電壓輸出，旁路通過電容C4接地，第 12引腳VoutZ為Z向電壓輸出，旁路通過電容C5接地，第9引腳ST、第 11引腳PD和第13引腳FS接地，第14到17引腳RESERVED都為自由連 接引腳，并且都直接與電源VDD相接；第18引腳RESERVED為自由連接 引腳直接與大地相接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述的信號(hào)調(diào)理電路 (2)，包括電阻R1，電阻R1的一端接X向電壓，另一端與電阻R2的一端連接，電阻R2的另一端與四運(yùn)放集成電路2-1的正相輸入端連接，電阻R2 與四運(yùn)放集成電路(2-1)正相輸入端的旁路通過電容C6接地，電阻R1與 電阻R2的旁路與電容C7連接，電容C7還與四運(yùn)放集成電路(2-1)的輸出端相連接，四運(yùn)放集成電路(2-1)的輸出端與反相輸入端連接，四運(yùn)放 集成電路(2-1)的輸出端還與無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊(3)連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述的電源管理模塊 (4)，包括可充高容量鋰電池(4-3)，可充高容量鋰電池(4-3)的正極分別與5V單輸出電源管理芯片(4-1)的輸入端、電容C8和電容C9的相接， 可充高容量鋰電池(4-3)的負(fù)極、電容C8、電容C9和5V單輸出電源管理 芯片(4-1)的GND引腳分別接地，5V單輸出電源管理芯片(4-1)的輸出 端與3.3￥單輸出電源管理芯片(4-2)的輸入端相接，5V單輸出電源管理芯 片(4-1)輸出端與3.3V單輸出電源管理芯片(4-2)輸入端之間的旁路分別 與電容C10和電容C11相接，電容C10和電容C11還接地，3.3V單輸出電 源管理芯片(4-2)輸出端輸出正電源VDD， 3.3V單輸出電源管理芯片(4-2) 輸出端與正電源VDD的旁路與電容C12連接，電容C12還接地，3.3V單輸 出電源管理芯片(4-2)的GND引腳接地。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述的時(shí)鐘模塊(5)， 包括時(shí)鐘芯片(5-1)，時(shí)鐘芯片(5-1)的第1、第4引腳VSS引腳分別接地， 時(shí)鐘芯片(5-1)的第5引腳SDA與CC2430模塊(3)的I/O接口 P1.5相 連，時(shí)鐘芯片(5-1)的第5引腳SDA和無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊3的I/0接 口 P1.5之間的旁路與電阻R5的一端連接，電阻R5的另一端與正電源VDD 相連接，時(shí)鐘芯片(5-1)的第6引腳SCL與無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊(3)的 I/O接口 P1.6相連，時(shí)鐘芯片(5-1)第6引腳SCL和無線數(shù)據(jù)采集傳輸模 塊3的I/O接口 P1.6之間的旁路與電阻R4的一端連接，電阻R4的另一端 與正電源VDD相接，時(shí)鐘芯片(5-1)的第7引腳INT與無線數(shù)據(jù)采集傳輸 模塊(3)的I/0口P1.7相連，時(shí)鐘芯片(5-1)第7引腳INT和無線數(shù)據(jù)采 集傳輸模塊(3)的I/0口P1.7之間的旁路與電阻R3的一端連接，電阻R3 的另一端與正電源VDD相接；時(shí)鐘芯片(5-1)的第8引腳VDD與正電源 VDD相接。
專利摘要本實(shí)用新型公開的一種水輪發(fā)電機(jī)組無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，包括依次連接的振動(dòng)傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理電路和無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊與時(shí)鐘模塊連接，振動(dòng)傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理電路、無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊和時(shí)鐘模塊分別與電源管理模塊相連接。本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置，通過ZigBee技術(shù)構(gòu)建具有采集、存儲(chǔ)處理及發(fā)送功能為一體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)在線同步監(jiān)測(cè)，無需敷設(shè)通信電纜，系統(tǒng)安裝調(diào)試方便，尤其適用于中小型發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01M7/02GK201277904SQ20082022164
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者張欣偉, 輝 李, 楊國(guó)清, 王德意 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)