使用磁通门传感器的机器滑动和方向感测
阅读说明：本技术 使用磁通门传感器的机器滑动和方向感测 (Machine slip and direction sensing using fluxgate sensors ) 是由 纳文·乔治 科迪·阿利斯 西蒙·布拉德肖 杰弗里·苏利文 于 2019-12-20 设计创作，主要内容包括：设备具有信号处理器,信号处理器被配置为接收来自磁通传感器的信令,该信令包含关于来自对从动机器的电机的电力供应的剩余场和来自被放置在从动机器的旋转部件上的一个或多个旋转磁体的磁场的信息；以及基于从接收和处理的信令确定的电力供应频率与滑动频率之间的差值,确定包含关于从动机器的操作的信息的相应的信令。信号处理器还提供相应的信令以用于进一步处理,以确定关于机器的操作的进一步信息。(The apparatus has a signal processor configured to receive signaling from the magnetic flux sensor, the signaling containing information about a residual field from a power supply to a motor of the driven machine and a magnetic field from one or more rotating magnets placed on a rotating component of the driven machine; and determining corresponding signaling containing information about the operation of the slave machine based on a difference between the power supply frequency and the slip frequency determined from the received and processed signaling. The signal processor also provides corresponding signaling for further processing to determine further information about the operation of the machine.)
背景技术
1.
技术领域
本发明涉及一种泵系统，例如，具有电机、联轴器、驱动端轴承组件以及泵或从动机器。
2.相关技术简述
磁通门传感器在过去被广泛地用于感测电磁场。一个具体的用途是感测对电机的电力供应的线频率。虽然这提供了关于线频率的信息，但它不提供关于感应(异步)电机的实际速度的信息，因为不能测量滑动速度(slip speed)。
恢复滑动速度信息的现有技术解决方案包括利用可变频率驱动(VFD)来驱动电机。取决于技术(典型地无传感器矢量控制)，在VFD中能够计算滑动速度，然而这是计算的并且不是精确的值。此外，对于没有VFD驱动的电机，该解决方案不能被部署。此外，如果从动机器使用V带连接到电机，则VFD计算的滑动(slip)无法检测由于驱动带松动而产生的滑移(slippage)。
另一种现有技术解决方案是利用光学传感器或感应传感器来感测电机和从动机器的速度。这两种技术都有缺点(除了需要额外的传感器之外)：
光学传感器需要在轴或联轴器上有某种目标标记，该标记与轴/联轴器材料本身具有光学反射率差。随时间的推移，灰尘和其他污染物会使标记变得模糊不清，从而阻止信号被有效地读取。传感器还必须维持与目标标记的直接的视线，这就排除了它在一些应用中的使用。
感应传感器需要凹口或其他特征被结合在将触发传感器的轴或联轴器中。它们必须非常靠近凹口来安装，以确保获得干净的信号。这就排除了它们在一些应用中的使用。
用于感测轴旋转的方向的现有解决方案利用了光学或感应传感器。在标准实施方式中，需要两个传感器来确定轴旋转。这是通过比较两个传感器中的哪一个首先(在时域中)由通过的光学目标或感应凹口触发来完成的。替代的实施方式利用单个光学传感器结合利用可变阴影或光学模式的复杂光学目标。第三实施方式结合复杂形状的凹口利用单个感应传感器，该复杂形状的凹口产生响应波形形状，该响应波形形状可以被处理以确定轴旋转的方向。除了有时需要额外的传感器之外，所有这些实施方式都会导致上述相同的缺点。
发明内容
总之，根据本文公开的本发明的一些实施例，本发明可以被配置为利用随轴旋转并且靠近机器轴承壳体或将安装磁通传感器的其它位置的从动机器的任何部件。优选的实施例可以被配置为利用轴承隔离器来实现该任务，也可以直接地利用从动机器本身的轴而不是旋转部件。
通过示例，单个磁体或磁体的阵列可以被放置在轴承隔离器或其它旋转部件或机器的轴中。磁体可被设定尺寸使得当部件旋转时，磁场作用在磁通传感器上，该磁通传感器安装在大体附近-典型地在轴承壳体上。
在操作中，磁通传感器将感测来自对电机的电力供应的剩余场以及来自旋转磁体的磁场。因为从动机器旋转得比电力供应频率慢(由于电机滑动(motor slip))，所以在来自磁通传感器的输出信号中存在两个不同的频率。使用频率隔离技术，诸如快速傅里叶变换(FFT)，均可以高准确度地识别电机供电频率和滑动频率。
确定和已知电力供应频率和滑动频率之间的差值，使得能够实现许多益处：
1)滑动量可以与电机特性相比较，以确定其负载和功率输出的百分比。滑动量还可以确定扭矩，从而确定由于滑动而产生的电流损耗。
2)在从动机器发生故障的情况下，在正常范围之外的滑动量(例如，在干式运行泵的情况下滑动量太小，或者在过载或卡住泵的情况下滑动量太大)，可以被检测并发出警报或其它通知。
3)在带驱动应用中，可以检测随时间增加的带滑移，并发出警报或其它通知。
4)测量的滑动频率可以用于提供在从动机器上检测的任何振动时间波形的精确同步(使用单独的振动传感器)。该同步允许比可能只有振动时间波形可用时更多的振动分析技术的使用。
此外，轴的旋转的方向的感测可以通过以受控模式利用上述磁体的阵列来实现。受控模式可以通过以下一个或多个来实现：磁体位置、磁体数量、磁体强度或磁体极性。磁体阵列经过磁通传感器的运动产生一系列独特的脉冲，这些脉冲可以被处理以确定轴旋转是顺时针还是逆时针的。
本发明和基本概念可以被用在任何从动机器上。
通过示例，利用由电机驱动的轴承壳体试验台进行概念验证(PoC)测试。磁体阵列安装在轴承隔离器中。通过安装在轴承壳体的顶部的磁通传感器，检测和处理供电和滑动频率，与上文所阐述的一致。
具体实施例
通过示例，并且根据一些实施例，本发明可以包括以信号处理器为特征的设备，或采取以信号处理器为特征的设备的形式，该信号处理器被配置为
接收来自磁通传感器的信令，该信令包含关于来自对从动机器的电机的电力供应的剩余场和来自被放置在从动机器的旋转部件上的一个或多个旋转磁体的磁场的信息；并且
基于从接收和处理的信令确定的电力供应频率与滑动频率之间的差值，确定包含关于从动机器的操作的信息的相应的信令。
根据一些实施例，本发明可以包括以下特征中的一个或多个：
信号处理器可以被配置为提供相应的信令以用于进一步处理，以确定关于从动机器的操作的进一步信息。
信号处理器可以被配置为基于滑动量与从动机器的电机特性的比较来确定从动机器的负载和功率输出的百分比。
信号处理器可以被配置为确定扭矩和由于滑动量而产生的从动机器的电流损耗。
信号处理器可以被配置为基于正常范围之外的滑动量来检测从动机器的故障，正常范围之外的滑动量包括在干式运行泵的情况下滑动量太小，或者在过载或卡住泵的情况下滑动量太大，并且可以在相应的信令中提供包含关于警报或其它通知的信息。
信号处理器可以被配置为检测在带驱动应用中随时间增加的带滑移，并且可以在相应的信令中提供包含关于警报或其它通知的信息。
信号处理器可以被配置为从被放置在从动机器上或与从动机器相关的振动传感器接收相关联的信令，并且可以基于确定的滑动频率，提供在从动机器上检测的振动时间波形的同步。
设备可以包括振动传感器。
设备可以包括磁通传感器和从动机器轴承壳体，磁通传感器被布置在从动机器轴承壳体上或与从动机器轴承壳体相关。
设备可以包括旋转部件，该旋转部件具有被放置在其上或其中的一个或多个磁体。
旋转部件可以包括轴承隔离器，该轴承隔离器具有固定部分和放置有一个或多个磁体的旋转部分。
旋转部件可以包括从动机器的轴，具有在其上放置的一个或多个磁体。
磁通传感器可以在一个位置处被安装到从动机器轴承壳体；并且旋转部件可以被配置为与从动机器的轴一起旋转，或靠近从动机器轴承壳体或安装磁通传感器的位置。
信令可以作为输出信号从磁通传感器的输出端接收。
信号处理器可以被配置为处理接收的信令，并且基于频率隔离技术来确定电力供应频率和滑动频率。
频率隔离技术可以包括使用快速傅里叶变换(FFT)技术。
一个或多个磁体能够以受控模式被放置在旋转部件上；并且信号处理器可以被配置为基于接收的信令确定从动机器的轴的旋转的方向。通过示例，受控模式可以包括或采取以下一个或多个形式：磁体位置、磁体数量、磁体强度或磁体极性。
信号处理器可以被配置为确定从动机器的轴的旋转的方向，例如基于接收的信令，该信令包含关于一个或多个磁体的运动的信息，磁体经过磁通传感器旋转并且产生一系列独特的脉冲，这些脉冲被处理以确定轴的旋转是顺时针还是逆时针的。
旋转部件可以包括轴承隔离器或采取轴承隔离器的形式，轴承隔离器具有固定部分和旋转部分，在其中或其上放置有一个或多个磁体。
从动机器可以包括用于驱动泵的电机或采取用于驱动泵的电机的形式。
设备可以包括具有用于驱动泵的电机的从动机器或采取具有用于驱动泵的电机的从动机器的形式。
控制器
通过进一步的示例，本发明可以包括控制器或采取控制器的形式，该控制器以信号处理器为特征被配置为：
接收来自磁通传感器的信令，该信令包含关于来自对泵的电机的电力供应的剩余场和来自被放置在泵的旋转部件上的一个或多个旋转磁体的磁场的信息；并且
基于从接收和处理的信令确定的电力供应频率与滑动频率之间的差值，确定包含关于泵的操作的信息的相应的信令。
控制器还可以包括本文所阐述的一个或多个特征。例如，控制器可以是用于控制电机和泵的操作的可变频率驱动或形成其一部分。
方法
根据一些实施例，本发明可以包括具有步骤的方法或采取具有步骤的方法的形式，例如，用于
利用信号处理器接收来自磁通传感器的信令，该信令包含关于来自对从动机器的电机的电力供应的剩余场和来自被放置在从动机器的旋转部件上的一个或多个旋转磁体的磁场的信息；以及
利用信号处理器，基于从接收和处理的信令确定的电力供应频率与滑动频率之间的差值，确定包含关于从动机器的操作的信息的相应的信令。
方法可以包括本文所阐述的一个或多个特征，例如，包括利用信号处理器提供相应的信令以用于进一步处理，以确定关于从动机器的操作的进一步信息；或者相对于对从动机器的电机的电力供应与被放置在从动机器的旋转部件上的一个或多个旋转磁体来布置磁通传感器，以便感测剩余场和磁场；或者在从动机器的从动机器轴承壳体上布置磁通传感器或相对于从动机器的从动机器轴承壳体布置磁通传感器。
优点
本发明的一个优点是，它提供了一种更好的方式来监测从动机器的操作，例如，在泵系统中的泵。
附图说明
附图包括图1-5，这些附图不一定是按比例绘制的，如下：
图1是根据本发明一些实施例的设备的透视图，例如，包括具有电机、联轴器、驱动端轴承组件以及泵或从动机器的泵系统。
图2是根据本发明一些实施例的图1中的设备的透视图，进一步详细地示出了具有相对于旋转磁体阵列布置的磁通传感器的驱动端轴承组件。
图3是根据本发明的一些实施例的图2中的设备的透视图，进一步详细地示出了具有相对于旋转磁体阵列布置的磁通传感器的驱动端轴承组件。
图4包括图4A至图4C，其中图4A示出了图1-图3中的旋转磁阵列的视图；图4B示出了图4A中沿着线4B-4B的旋转磁阵列的横截面视图；以及图4C示出了图4A中的旋转磁阵列的顶视图，均根据本发明的一些实施例。
图5是根据本发明的一些实施例的设备的框图，例如，包括具有电机、联轴器、驱动端轴承组件以及泵或从动机器的泵系统，具有用于实现信号处理功能的信号处理器。
具体实施方式
图1-图3：设备10，例如泵系统
通过示例，并且根据一些实施例，本发明可以包括通常被指示为10的设备或采取其形式，例如，具有电机12、联轴器14、驱动端轴承组件16、泵或从动机器18、轴20、磁通传感器22、旋转部件24(例如，如旋转磁体阵列24(也参见图4))以及信号处理器100(参见图5)的泵系统，根据本发明的一些实施例。
通过示例，轴20从泵或从动机器18延伸，并且耦接到驱动端轴承组件16并在其中旋转。在驱动端轴承组件16的一侧上，联轴器14将电机12连接到轴20。在驱动端轴承组件16的另一侧上，轴20耦接或连接到旋转磁体阵列24，当轴20通过电机12相对于磁通传感器22旋转时，使旋转磁体阵列24旋转。通过示例，驱动端轴承组件16包括从动机器轴承壳体26，并且磁通传感器22被布置在从动机器轴承壳体26上。旋转磁体阵列24可以包括一个或多个磁体24a、24e、24h，这些磁体例如可以被配置在一个或多个径向延伸构件中，如25a、25b、25c、25d、25e、25f、25g、25h(参见图4A)。一个或多个磁体24a、24e、24h可以被放置在旋转磁体阵列24的一个或多个径向延伸构件上(例如，被布置在旋转磁体阵列24的一个或多个径向延伸构件上或在旋转磁体阵列24的一个或多个径向延伸构件的内部)，例如，与下面关于图4所阐述的一致。
在操作中，信号处理器100(图5)可以被配置为接收来自磁通传感器22的信令，该信令包含关于来自对泵或从动机器18的电机12的电力供应的剩余场和来自被放置在泵或从动机器18的旋转磁体阵列24上的一个或多个旋转磁体24a、24e、24h的磁场的信息。信号处理器100还可以被配置为例如基于从接收和处理的信令确定的电力供应频率与滑动频率之间的差值确定相应的信令，该信令包含关于泵或从动机器18的操作的信息。
通过进一步的示例，信号处理器100可以被配置为提供相应的信令以用于进一步处理，以确定关于泵或从动机器18的操作的进一步信息。例如，信号处理器100还可以被配置为基于滑动量与泵或从动机器18的电机特性的比较来确定泵或从动机器18的负载和功率输出的百分比。信号处理器100可以被配置为确定扭矩，从而确定由于滑动量而产生的泵或从动机器18的电流损耗。信号处理器100可以被配置为检测泵或从动机器18的故障，例如基于正常范围之外的滑动量，包括在干式运行泵的情况下滑动量太小，或者在过载或卡住泵的情况下滑动量太大，并且被配置为可以在相应的信令中提供警报或其他通知。信号处理器100可以被配置为检测在带驱动应用中随时间增加的带滑移，并且可以在相应的信令中提供包含关于警报或其它通知的信息。
通过示例，信令可以作为输出信号从磁通传感器22的输出端接收。信号处理器100可以被配置为处理接收的信令并基于频率隔离技术确定电力供应频率和滑动频率。频率隔离技术可以包括使用快速傅里叶变换(FFT)技术，以及现在已知的或以后在将来开发的其它类型或种类的变换技术。
通过示例，旋转部件如元件24可以包括轴承隔离器或采取轴承隔离器的形式，该轴承隔离器具有固定部分和旋转部分如元件R，在其中或其上放置或布置一个或多个磁体24a、24e、24h。固定部分可以包括与从动机器轴承壳体26连接的一些部分如元件S(图3)或采取这些部分的形式。
通过示例，并且与图1-图3所示的一致，磁通传感器22可以在如图所示的位置处安装到从动机器轴承壳体26；并且旋转部件如旋转磁体阵列24可以被配置为与泵或从动机器18的轴20一起旋转，或者可以合理地靠近从动机器轴承壳体26。换言之，磁通传感器22不必直接安装在从动机器轴承壳体26上或直接连接到从动机器轴承壳体26上。本发明的范围旨在包括并设想在实施例中，磁通传感器22安装在或安装到泵系统上或泵系统附近的一些其它部件上，用于感测旋转磁体阵列24。
旋转方向
信号处理器100可以被配置为例如基于接收的包含关于一个或多个磁体24a、24e、24h的移动的信息的信令来确定泵或从动机器18的轴20的旋转的方向，磁体旋转经过磁通传感器22并产生一系列独特的脉冲，这些脉冲被处理以确定轴的旋转是顺时针或逆时针的。磁体的数量和放置会影响旋转的方向的检测。
图4：旋转磁阵列
图4示出了旋转磁体阵列24，该旋转磁体阵列24可以包括一个或多个径向延伸构件25a、25b、25c、25d、25e、25f、25g、25h，其中每个构件可以具有或可以被配置为接收或包含相应的磁体如元件24a、24e、24h。在图4B和图4C中，径向延伸构件25a、25e、25h可以被配置有孔口、开口或孔25a'、25e'、25h'以接收磁体24a、24e、24h中的一个或多个。
一个或多个磁体能够以受控模式被放置在旋转磁体阵列24上或旋转磁体阵列24中，例如，如图1-4所示，该旋转磁体阵列24包括八个等间隔的径向延伸构件25a、25b、25c、25d、25e、25f、25g、25h。信号处理器100可以被配置为基于接收的信令来确定泵或从动机器18的轴20的旋转的方向。受控模式可以包括或者采取以下一个或多个形式：磁体位置、磁体数量、磁体强度或磁体极性。
旋转磁体阵列24可以被配置有通常被指示为0的中心孔口、孔或开口，例如，被配置为接收轴20。旋转磁体阵列24可以例如使用本领域已知的技术固定地耦接到轴20。
旋转磁体阵列24还可以包括被配置或耦接在其上的构件28，以及密封构件(未示出)，以便可旋转地耦接到固定部分S，使得如本领域技术人员将理解的，旋转磁体阵列24可以相对于固定部分S旋转并起到轴承隔离器的作用。
图5：信号处理器实施方式
设备10可以包括信号处理器或信号处理电路/模块100，例如，其可以被配置为执行用于实现本发明的基本信号处理功能，例如，与本文所公开的功能一致。通过示例，信号处理器100可以被配置为独立的信号处理器或信号处理模块，形成控制或控制器电路/模块等的一部分，或形成一些其它电路/电路系统/模块的一部分。本领域已知许多不同类型和种类的信号处理器、控制器和控制器模块，例如，包括可编程逻辑控制器等。通过示例，基于对这种已知信号处理器的理解，本领域技术人员将能够配置信号处理器100以执行与本文所描述的信号处理功能一致的前述信号处理功能。控制器可以包括VFD或采用VFD的形式。
通过进一步的示例，信号处理器100的功能可以使用硬件、软件、固件或其组合来实现，尽管本发明的范围不旨在限制于其任何特定的实施例。在典型的软件实施方式中，这种信号处理器或信号处理模块可以包括一个或多个基于微处理器的架构，该架构具有微处理器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出装置和连接与元件102中相同的控制、数据和地址总线，例如用于基于与本文公开的算法一致的算法来运行程序代码。本领域技术人员将能够编程这种基于微处理器的实施方式来执行本文所描述的信号处理功能，而无需过度的实验，包括其中信号处理器和存储器组合以实现例如存储在存储器中的程序代码，从而使得信号处理器实现前述信号处理功能。本发明的范围并不旨在限制于使用现在已知的或以后在将来开发的技术的任何特定的实施方式。
信号处理器100可以包括一个或多个其它电路/模块如元件102以执行本领域已知的、不形成本发明的一部分的、并且本文没有详细描述的其它功能。通过示例，其它电路/模块102可以包括输入/输出电路/模块、存储器电路/模块(例如，RAM、ROM、EPROM等)、总线电路/模块或用于在各种电路/模块之间交换信令的架构等。
在操作中，信号处理器100可以被配置为接收包含关于来自对从动机器的电机的电力供应的剩余场和来自被放置在从动机器的旋转部件上的一个或多个旋转磁体的磁场的信息的信令；以及基于从接收和处理的信令确定的电力供应频率与滑动频率之间的差值，确定包含关于从动机器的操作的信息的相应的信令。通过示例，信令可以被存储在形成元件102的一部分的存储器中的数据库中并提供给信号处理器100。
此外，信号处理器100可以被配置为确定和提供相应的信令，该信令包含关于从动机器的操作的信息，用于进一步处理，包括关闭泵或从动机器以进行修理，提供音频或视觉警报警告信号，或安排合适的维护活动。通过示例，相应的信令的供应可以由形成元件102的一部分的输出模块来实现。
振动传感器
信号处理器可以被配置为从被放置在泵或从动机器上或者与泵或从动机器相关的振动传感器接收相关联的信令，以及可以提供基于确定的滑动频率，在泵或从动机器上检测的振动时间波形的同步。振动传感器可以包括警报和/或状态监测装置，或形成警报和/或状态监测装置的一部分，例如，如下面列出的被转让给本申请的受让人的一个或多个专利或专利申请中所公开的那样，包括警报和状态监测装置，其全部通过引用结合于此。通过示例，警报或状态监测装置可以被配置在从动机器轴承壳体26上。
警报或状态监测装置
本发明的受让人已经开发并制造了一系列用于轴承和泵的警报和/或状态监测装置，例如，被称为iAlertTM装置。通过示例，这种警报和/或状态监测装置的系列可以包括以下公开的：
专利申请序列号14/685,134，于2015年4月13日提交的题为“Sensing module formonitoring conditions of a pump or pump assembly(用于监测泵或泵组件状态的感测模块)”，案卷编号为911-002.071/F-GI-1501US；
专利申请序列号29/516,282，于2015年1月30日提交的题为“Mounting bracketand a combination of a mounting bracket and a sensing module(安装支架与安装支架和感测模块的组合)”，案卷编号为911-002.070/F-GI-1502US；
专利申请序列号29/516,277，于2015年1月30日提交的题为“Sensing module(感测模块)”，案卷编号为911-002.069/F-GI-1501US；
专利申请序列号14/681,577，于2015年4月8日提交的题为“Nodal dynamic dataacquisition and dissemination device(节点动态数据采集和传播装置)”，案卷编号为911-002.067/F-GI-1401US；
专利申请序列号12/240,287，于2008年9月29日提交的题为“Compact self-contained condition monitoring device(紧凑型独立状态监测装置)”，于2012年4月10日作为美国专利第8,154,417号颁发，案卷编号为911-002.030/07GI006US；以及
专利申请序列号29/292,324，于2007年10月5日提交的题为“Compact self-contained condition monitoring device(紧凑型独立状态监测装置)”，于2009年2月17日作为美国专利Des第586,670号颁发，案卷编号为911-002.031/07GI006D。
从动机器
从动机器，例如泵或旋转装置、往复式机器、发动机、鼓风机，是本领域已知的，在本文中不详细描述。此外，本发明的范围不旨在限制于现在已知的或以后在将来开发的其任何特定的类型或种类。
轴承隔离器
轴承隔离器在本领域中是已知的，并且本发明的范围不旨在限制于其任何特定类型或种类，例如，包括现在已知的或以后在将来开发的轴承隔离器。除了在此公开的技术之外，并且通过进一步的示例，轴承隔离器可以包括在一个或多个以下专利号5,044,784；5,044,785；9,051,968；9,140,366；9,249,831中公开的任何一个或多个以下技术或采取这些技术的形式，其全部通过引用结合于此。
本发明克服了现有技术中的问题
实际上，本发明解决并解析了在前述的发明背景部分中讨论的问题，例如，具体地包括：
需要提供更好的VFD；
现有技术VFD仅提供计算的滑动值的事实；
现有技术VFD无法检测在V带驱动应用中的带滑移；
需要单独的光学或感应传感器；
需要设计传感器的视线；
由于光学目标污损而导致信号的丢失的可能性；
需要设计在轴或联轴器中的凹口；
需要将感应传感器插入在凹口附近；以及
需要利用两个传感器或光学模式(经受上述污损)，以感测轴旋转的方向。
本发明的范围
应当理解的是，除非本文另有说明，否则关于本文特定的实施例描述的任何特征、特性、替代或修改也可以与本文描述的任何其它实施例一起应用、使用或结合。此外，本文的附图未按比例绘制。
尽管已经关于本发明的示例性实施例进行了描述和说明，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中和对其做出前述和各种其他添加与省略。
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