CN105910754B - 一种压力脉动指示仪及实现压力脉动指示的方法 - Google Patents

一种压力脉动指示仪及实现压力脉动指示的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压力脉动指示仪及实现压力脉动指示的方法，该指示仪包括端盖、腔体和表盘，腔体分为稳压腔和差压腔，稳压腔由容器、隔板和短管组成，能够将脉动气体的瞬态压力转变为稳态压力，差压腔由气缸、活塞及固定在活塞两侧的活塞杆和弹簧组成，活塞在两侧气体压力差的作用下做往复运动；方法为：从主管路中引出的脉动气体由端盖上的引压口进入指示仪后分为两部分，一部分进入差压腔，另一部分先进入稳压腔，将其中的脉动压力衰减之后再进入差压腔，从而使气体的瞬态压力和稳态压力分别作用于活塞两侧，活塞在两侧压力差即脉动压力的作用下做往复运动，并带动表盘内的指针摆动，从而实现了脉动压力的指示，使用频闪仪可以测量指针的摆动频率，从而得到压力脉动的频率。

Description

一种压力脉动指示仪及实现压力脉动指示的方法
技术领域
本发明属于压力测量技术领域，具体涉及一种压力脉动指示仪及实现压力脉动指示的方法，该压力脉动指示仪可用于压缩机系统等存在气流脉动的系统。
背景技术
由压缩机周期性吸、排气导致的管路内气体压力和流量的周期性波动，称为气流脉动。气流脉动不仅会降低压缩机的容积效率，增加压缩机的功率消耗，使气阀工作条件恶化，还会激发管路振动，威胁压缩机系统的安全可靠运行，因此，压力脉动的测量对气流脉动和管路振动的控制至关重要。管路中的脉动气体的瞬态压力由稳态压力和脉动压力组成，因此，压力脉动的测量不仅要测量气体的稳态压力，更重要的是准确地指示出围绕稳态压力上下波动的脉动压力。
传统的压力脉动测量装置一般包括压力传感器、放大器和数据采集系统，压力传感器将压力信号转变为电信号，经过放大器的线性放大后，使用数据采集系统记录下压力脉动曲线。这种测量方式不仅成本高，还存在着大量程和高灵敏度之间的矛盾。一般情况下，脉动压力值远小于稳态压力值，而压力传感器笼统地把气体的稳态压力和脉动压力一起转化为电量的变化，工作压力高的传感器由于结构上的原因，必须把传感器的灵敏度做的小一些，因此在高压或超高压测量时，脉动压力不能得到准确的指示，然而，脉动压力的准确测量对于计算压力不均匀度和对气流脉动的其他分析是至关重要的。因此，如何提供一种压力脉动指示仪，以准确指示气体的脉动压力，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压力脉动指示仪及实现压力脉动指示的方法，该指示仪结构简单、使用方便、成本低、能够准确指示脉动压力的大小、并且能够测量压力脉动的频率，可用于压缩机系统等存在气流脉动的系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种压力脉动指示仪，包括依次连接的端盖Ⅰ、腔体Ⅱ和表盘Ⅲ；所述腔体Ⅱ分为稳压腔A和差压腔B；所述稳压腔A由容器6、将容器6分隔为上下两部分的隔板7以及固定在隔板7上将容器6上下两部分连通的短管8组成，能够将脉动气体的瞬态压力转变为稳态压力；所述差压腔B由气缸10、活塞11及固定在活塞11两侧的活塞杆12和弹簧13组成，活塞两侧分别作用有气体的稳态压力和瞬态压力，活塞11两侧压力作用面积相同，活塞11在两侧压力差即脉动压力的作用下做往复运动；所述稳压腔A的上部与差压腔B的上部连通；
所述端盖Ⅰ上设有引压口1、与引压口1连通的气体主通道2以及与气体主通道2连通的两个气体分支通道3，两个气体分支通道3分别与稳压腔A和差压腔B的下部连通，从而使由引压口1进入气体主通道2的脉动气体分为两部分，分别进入稳压腔A和差压腔B；
所述差压腔B中的活塞杆12通过传动杆18与表盘Ⅲ中的扇形齿轮19连接。
所述表盘Ⅲ包括表壳15、表罩16、机芯座17、传动杆18、扇形齿轮19、中心齿轮20、恢复弹簧21和指针22；所述传动杆18两端分别与差压腔B中的活塞杆12以及扇形齿轮19连接，扇形齿轮19与中心齿轮20啮合，指针22与中心齿轮20固定，扇形齿轮19和中心齿轮20均固定于机芯座上，恢复弹簧21两端分别与中心齿轮20和机芯座相连，传动杆18将活塞杆12的往复运动转变为扇形齿轮19的转动，带动中心齿轮20转动，从而使指针22摆动。
所述腔体Ⅱ与端盖Ⅰ通过螺栓4连接，所述腔体Ⅱ与表壳15通过第一螺钉14连接，所述腔体Ⅱ与机芯座17通过第二螺钉23连接。
所述稳压腔A和差压腔B在与端盖Ⅰ相接触的一侧均开有密封槽，并设有密封圈5进行密封。
所述压力脉动指示仪实现压力脉动指示的方法，从主管路中引出的脉动气体的瞬态压力包括稳态压力和脉动压力，脉动气体由端盖Ⅰ上的引压口1进入指示仪后分为两部分，一部分进入差压腔B，另一部分首先进入稳压腔A，将其中的脉动压力衰减之后再进入差压腔B，从而使气体的瞬态压力和稳态压力分别作用于活塞11两侧，由于两侧作用面积相同，活塞11两侧气体的稳态压力完全抵消，活塞11在脉动压力的作用下往复运动，并通过活塞杆12传递到表盘Ⅲ内，带动指针摆动，从而实现了脉动压力的指示。
使用频闪仪能够测量所述表盘Ⅲ上指针22的摆动频率，从而得到管路内气体压力脉动的频率。气流脉动使管路内气体的压力不断波动，表盘上的指针处于不断摆动状态，当把频闪仪的频率调节到与指针摆动频率相等时，由于视觉暂留效应，看上去指针固定在某一位置，此时频闪仪指示的频率即为指针摆动频率。
本发明旨在解决管路中气体脉动压力的指示问题，首先采用脉动衰减器原理，将气体的脉动压力进行衰减，使从主管路引出的一部分脉动气体由瞬态压力转变为稳态压力，然后应用差压表原理，使瞬态压力和稳态压力分别作用于活塞两侧，活塞两侧气体的稳态压力相互抵消，活塞在脉动压力的作用下做往复运动，利用普通弹簧管式压力表表盘内的运动传递机构，将活塞的往复运动转变为指针的摆动，从而实现了脉动压力的指示，使用频闪仪实现压力脉动频率的测量。
本发明的压力脉动指示仪不仅能够准确指示脉动压力的变化，与频闪仪配合使用还能实现压力脉动频率的测量，结构简单、使用方便、成本低，可用于压缩机系统等存在气流脉动的系统。
附图说明
图1为本发明的压力脉动指示仪的结构示意剖面图。
图2为本发明的压力脉动指示仪的立体结构示意图。
图3为本发明中表盘内运动传递机构的立体结构示意图。
图4为本发明中活塞组件等效的单自由度弹簧质量系统的力学模型；其中：图4(a)为等效的单自由度弹簧质量系统，图4(b)为该弹簧质量系统的力学模型。
图5为单自由度弹簧质量系统的幅频响应曲线图。
其中，Ⅰ.端盖，Ⅱ.腔体，Ⅲ.表盘，A.稳压腔，B.差压腔，1.引压口，2.气体主通道，3.气体分支通道，4.螺栓，5.密封圈，6.容器，7.隔板，8.短管，9.螺钉，10.气缸，11.活塞，12.活塞杆，13.弹簧，14.第一螺钉，15.表壳，16.表罩，17.机芯座，18.传动杆，19.扇形齿轮，20.中心齿轮，21.恢复弹簧，22.指针，23.第二螺钉，24.刻度纸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例加以说明。
参见附图1-3，本发明提出的压力脉动指示仪，包括端盖Ⅰ、腔体Ⅱ和表盘Ⅲ，腔体Ⅱ分为稳压腔A和差压腔B，稳压腔A由容器6、隔板7和固定在隔板7上的短管8组成，能够将脉动气体的瞬态压力转变为稳态压力，差压腔B由气缸10、活塞11及固定在活塞11两侧的活塞杆12和弹簧13组成，活塞11两侧分别作用有气体的稳态压力和瞬态压力，活塞11两侧压力作用面积相同，使活塞两侧的稳态压力完全抵消，活塞11在两侧的压力差即脉动压力的作用下往复运动。
端盖Ⅰ上设有引压口1、气体主通道2和两个气体分支通道3，从而使由引压口1进入气体主通道2的脉动气体分为两部分，分别进入稳压腔A和差压腔B。
表盘Ⅲ包括表壳15、表罩16、机芯座17、传动杆18、扇形齿轮19、中心齿轮20、恢复弹簧21和指针22，传动杆18两端分别与活塞杆12和扇形齿轮19固定，扇形齿轮19与中心齿轮20啮合，指针22与中心齿轮20固定，扇形齿轮19和中心齿轮20均固定于机芯座17上，恢复弹簧21两端分别与中心齿轮20和机芯座17相连，传动杆18将活塞杆12的往复运动转变为扇形齿轮19的转动，带动中心齿轮20转动，从而使指针22摆动。
除了以上的主要安装部件外，本发明中的端盖Ⅰ与腔体Ⅱ通过螺栓4连接，腔体Ⅱ与表壳15通过第一螺钉14连接，腔体Ⅱ和机芯座17通过第二螺钉23连接；稳压腔A和差压腔B在与端盖Ⅰ相接触的一侧均开有密封槽，并设有密封圈5进行密封。
本发明的压力脉动指示仪实现压力脉动指示的方法为：
从主管路中引出的脉动气体由端盖Ⅰ上的引压口1进入指示仪后分为两部分，一部分进入差压腔B，另一部分首先进入稳压腔A，将其中的脉动压力衰减之后再进入差压腔B，从而使气体的瞬态压力和稳态压力分别作用于活塞11两侧，由于两侧作用面积相同，活塞11两侧气体的稳态压力完全抵消，活塞11在脉动压力的作用下往复运动，并通过活塞杆12传递到表盘Ⅲ内，带动指针22摆动，从而实现了脉动压力的指示。
本发明的脉动指示仪与频闪仪配合使用，可以实现压力脉动频率的测量。气流脉动使管路内气体的压力不断波动，表盘上的指针处于不断摆动状态，当把频闪仪的频率调节到与指针摆动频率相等时，由于视觉暂留效应，看上去指针固定在某一位置，此时频闪仪指示的频率与指针摆动频率相同，由于在周期激励作用下，单自由度系统的稳态响应振动频率与激励频率相同，因此，此时频闪仪指示的频率即为气体压力脉动的频率。
本发明的压力脉动指示仪中差压腔的工作原理为：
差压腔中的活塞组件可以等效为一个单自由度弹簧质量系统，如附图4所示，这个单自由度系统的运动微分方程如式(1)所示。
其中，x、和分别为活塞的位移、速度和加速度；m为活塞的质量；c为阻尼系数，主要由活塞和活塞杆与气缸壁面的摩擦产生；k为系统的总刚度，k1、k2分别为两个弹簧的刚度，由于两个弹簧并联，因此k＝k1+k2；F(t)为脉动气体作用在活塞上的激振力。
由于弹簧两侧气体的稳态压力相互抵消，因此，弹簧质量系统在脉动压力的激励下做受迫振动。对于压缩机系统，由于气阀周期性地开启和关闭，管路内气流的压力进行周期性波动，因此，气体对活塞的激励为周期激励。单自由度系统对周期激励的响应分为瞬态响应和稳态响应，系统受到周期激励后的响应分为两个阶段：一开始为过渡阶段，此时的响应为瞬态响应和稳态响应之和；一段时间后，瞬态响应在阻尼的作用下完全衰减，进入稳态阶段，此时仅存在稳态响应。这里只考虑弹簧质量系统在周期激励下的稳态响应，而且以最简单的简谐激励为例来进行定性分析。
假设气体的脉动压力为p0sinωt，作用面积为A，则激振力F(t)＝p0Asinωt，系统的稳态响应为其中，B为稳态响应振幅，为稳态响应与激振力的相位差。而活塞在激振力幅p0A作用下的静位移幅值为B0＝p0A/k，因此，系统在简谐激励下的振幅放大因子β如式(2)所示。
其中，λ＝ω/ωn为频率比，为相应的无阻尼系统的固有频率，ζ＝c/(2mω)为相对阻尼系数。
振幅放大因子β随频率比λ的变化曲线，即系统的幅频响应曲线，如附图5所示。可以看出：当λ＞＞1时，系统的稳态响应幅值B非常小；当λ＝1时，系统的稳态响应幅值B非常大；当λ＜＜1时，系统的稳态响应幅值B与静位移B0大小相当。
实际测量时，不仅要保证适当的稳态响应幅值，还要保证当激励频率变化时也能准确指示脉动压力，即当频率比在一定范围内变化时，振幅放大因子β保持不变，所以，应使系统的固有频率ωn远远高于激励频率ω，即λ＜＜1。而因此，应当使活塞质量足够小，弹簧刚度足够大。又因为B0＝p0A/k，当弹簧刚度很大时，为了避免响应幅值太小，活塞的截面积应尽量大。因此，本发明优先采用扁平状的活塞，在保证活塞截面积足够大的同时使活塞质量尽量小，并且采用刚度足够大的硬弹簧。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的权利保护范围。

Claims (6)

1.一种压力脉动指示仪，其特征在于：包括依次连接的端盖(Ⅰ)、腔体(Ⅱ)和表盘(Ⅲ)；所述腔体(Ⅱ)分为稳压腔(A)和差压腔(B)；所述稳压腔(A)由容器(6)、将容器(6)分隔为上下两部分的隔板(7)以及固定在隔板(7)上将容器(6)上下两部分连通的短管(8)组成，能够将脉动气体的瞬态压力转变为稳态压力；所述差压腔(B)由气缸(10)、活塞(11)及固定在活塞(11)两侧的活塞杆(12)和弹簧(13)组成，活塞(11)两侧分别作用有气体的稳态压力和瞬态压力，活塞(11)两侧压力作用面积相同，活塞(11)在两侧压力差即脉动压力的作用下做往复运动；所述稳压腔(A)的上部与差压腔(B)的上部连通；
所述端盖(Ⅰ)上设有引压口(1)、与引压口(1)连通的气体主通道(2)以及与气体主通道(2)连通的两个气体分支通道(3)，两个气体分支通道(3)分别与稳压腔(A)和差压腔(B)的下部连通，从而使由引压口(1)进入气体主通道(2)的脉动气体分为两部分，分别进入稳压腔(A)和差压腔(B)；
所述差压腔(B)中的活塞杆(12)通过传动杆(18)与表盘(Ⅲ)中的扇形齿轮(19)连接。
2.根据权利要求1所述的一种压力脉动指示仪，其特征在于：所述表盘(Ⅲ)包括表壳(15)、表罩(16)、机芯座(17)、传动杆(18)、扇形齿轮(19)、中心齿轮(20)、恢复弹簧(21)和指针(22)；所述传动杆(18)两端分别与差压腔(B)中的活塞杆(12)以及扇形齿轮(19)连接，扇形齿轮(19)与中心齿轮(20)啮合，指针(22)与中心齿轮(20)固定，扇形齿轮(19)和中心齿轮(20)均固定于机芯座(17)上，恢复弹簧(21)两端分别与中心齿轮(20)和机芯座(17)相连，传动杆(18)将活塞杆(12)的往复运动转变为扇形齿轮(19)的转动，带动中心齿轮(20)转动，从而使指针(22)摆动。
3.根据权利要求2所述的一种压力脉动指示仪，其特征在于：使用频闪仪能够测量所述表盘(Ⅲ)上指针(22)的摆动频率，从而得到管路内气体压力脉动的频率。
4.根据权利要求1所述的一种压力脉动指示仪，其特征在于：所述腔体(Ⅱ)与端盖(Ⅰ)通过螺栓(4)连接，所述腔体(Ⅱ)与表壳(15)通过第一螺钉(14)连接；所述腔体(Ⅱ)与机芯座(17)通过第二螺钉(23)连接。
5.根据权利要求1所述的一种压力脉动指示仪，其特征在于：所述稳压腔(A)和差压腔(B)在与端盖(Ⅰ)相接触的一侧均开有密封槽，并设有密封圈(5)进行密封。
6.权利要求1所述压力脉动指示仪实现压力脉动指示的方法，其特征在于：从主管路中引出的脉动气体的瞬态压力包括稳态压力和脉动压力，脉动气体由端盖(Ⅰ)上的引压口(1)进入指示仪后分为两部分，一部分进入差压腔(B)，另一部分首先进入稳压腔(A)，将其中的脉动压力衰减之后再进入差压腔(B)，从而使气体的瞬态压力和稳态压力分别作用于活塞(11)两侧，由于两侧作用面积相同，活塞(11)两侧气体的稳态压力完全抵消，活塞(11)在脉动压力的作用下往复运动，并通过活塞杆(12)传递到表盘(Ⅲ)内，带动指针摆动，从而实现了脉动压力的指示。
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