CN109883742A - 一种隔膜压缩机无损状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损检测技术领域，具体而言，涉及一种隔膜压缩机无损状态监测系统及方法。一种隔膜压缩机无损状态监测系统，包括第一振动传感器、第二振动传感器、声发射传感器、信号采集单元和数据处理单元；采集卡采集第一振动传感器、第二振动传感器、声发射传感器产生的信号，信号调理模块对采集卡采集的信号进行处理后，存储至数据处理单元的计算机中，计算机进行数据处理，最终确定溢油阀动作、补油开始和结束时刻、吸气过程以及排气过程。本发明的隔膜压缩机无损状态监测系统、方法对溢油阀动作、补油动作以及吸气排气过程的监测，可提高设备运行的可靠性、安全性，可把故障损失降低到最低水平。

Description

一种隔膜压缩机无损状态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及压缩机无损检测技术领域，具体而言，涉及一种隔膜压缩机无损状态监测系统及方法。

背景技术

隔膜式压缩机是一种只允许微量泄漏或不允许泄漏的气体压缩专用设备。由于其密封性能好、压力范围广、压缩比较大，因此被广泛应用于石油化工领域中压缩输送各种高纯气体、贵重稀有气体、有毒有害气体和腐蚀性气体。在隔膜压缩机中，通过活塞推动气缸油腔中的工作油液，进而推动膜片在膜腔中做往复运动，以改变气腔的工作容积，在吸、排气阀的配合下实现无泄漏的周期性工作过程。在隔膜压缩机的液压油循环系统中，通过补偿回路补偿经过液压活塞环泄漏的油液，并通过在油压缸头上安装溢油阀以调节补油量。

在每个工作循环中，由于活塞环处存在泄漏以及一部分液压油会通过溢油阀排出，油缸内的油量会减少，为了补偿损失的液压油必须利用柱塞泵在工作循环中某一时刻向油缸内补油。在实际工作过程中，如果补油系统故障，油量未得到补偿，则膜片组件将不能充分接触气压缸头，相当于引入余隙容积，这将会导致压缩机的容积效率的下降，极大的影响压缩机的性能。并且，油缸内油量不足时，在活塞到达下止点时刻膜片会在进气压力的作用下超过原设计变形量进而紧贴限制膜片位移的支板，此时膜片在环槽处会产生附加变形，因而在膜片上会产生明显的压痕进而导致膜片破裂故障，严重影响膜片寿命。

因此，对隔膜压缩机的补油、溢油过程以及吸气排气过程进行必要状态监测，判断补油单向阀以及溢油阀是否正常工作，判断吸气排气过程是否正常进行，是提高设备运行的可靠性、安全性的有效方法，把故障损失降低到最低水平也是设计者和使用者的需求。

目前隔膜压缩机状态监测故障诊断相关技术较少，有人提出在缸体上加工出测压孔监测压力的方法来判断溢油、补油以及吸排气过程是否正常，由于隔膜压缩机可运行的压力范围广，排气压力最高可达300MPa，因此该方法不具有普遍适用性，缸壁开孔可能造成泄漏、影响气缸强度，存在潜在威胁。

发明内容

为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种隔膜压缩机无损状态监测方法，其可有效监测隔膜压缩机溢油阀动作、补油动作、吸气以及排气过程，进而提高设备运行的可靠性、安全性，把故障损失降低到最低。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种隔膜压缩机无损状态监测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)配置检测系统

在溢油阀接头处设置第一振动传感器，用于检测溢油阀关闭动作信号；

在补油口处的油侧膜腔外壁面上设置第二振动传感器，用于检测补油口单向阀开启和关闭信号；

在上缸盖壁面上设置声发射传感器，用于检测吸气和排气过程的气体信号；

2)采集信号

分别采集第一振动传感器、第二振动传感器和声发射传感器产生的模拟信号，并将模拟信号进行处理后转换成数字信号后并进行存储；

3)数据处理

3.1)确定溢油阀振动、补油口振动、吸气和排气过程声发射信号频带

采用短时傅里叶变换STFT方法，将采集到的时域信号x(t)映射到时-频二维平面上：

其中，f为频率，t代表时间，x(t)为采集到的信号，窗函数h(t)选择汉宁窗，h(t)＝0.5/T(1-cos(πt/T)),其中t代表时间，T代表周期；

3.2)采用巴特沃斯滤波器对第一振动传感器、第二振动传感器和声发射传感器的信号进行带通滤波，其中振动信号的带通滤波范围为0.1～20kHz，声发射信号的带通滤波范围为200～500kHz，得到滤波后的反映溢油阀动作、补油口动作、吸气以及排气过程的信号；

4)确定溢油阀动作、补油开始和结束时刻、吸气过程以及排气过程

4.1)根据步骤3.2)中信号处理结果、振动波形的突发型信号出现的时刻，确定隔膜压缩机运行过程中溢油阀关闭时刻、补油开始和结束时刻；

4.2)根据声发射信号连续型信号出现的时间段，确定吸气过程以及排气过程。

进一步地，上述步骤2)中：所述将模拟信号进行处理是指将模拟信号进行信号滤波、放大及调理。

本发明还提出一种实现上述隔膜压缩机无损状态监测方法的监测系统，其特殊之处在于：

包括第一振动传感器、第二振动传感器、声发射传感器、信号采集单元和数据处理单元；

所述第一振动传感器设置在溢油阀接头处，用于检测溢油阀关闭动作信号；所述第二振动传感器设置在补油口处的油侧膜腔外壁面上，用于检测补油口单向阀开启和关闭信号；所述声发射传感器设置在上缸盖壁面上，用于检测吸气和排气过程的气体信号；

所述信号采集单元包括采集卡、信号调理模块；所述数据处理单元包括计算机，计算机控制采集卡、信号调理模块以及结果显示；

所述采集卡采集第一振动传感器、第二振动传感器、声发射传感器产生的信号，所述信号调理模块对采集卡采集的信号进行处理后，存储至数据处理单元的计算机中，计算机进行数据处理，最终确定溢油阀动作、补油开始和结束时刻、吸气过程以及排气过程。

进一步地，上述计算机进行数据处理具体指：

1)确定溢油阀振动、补油口振动、吸气和排气过程声发射信号频带

采用短时傅里叶变换STFT方法，将采集到的时域信号x(t)映射到时-频二维平面上：

其中，f为频率，t代表时间，x(t)为采集到的信号，窗函数h(t)选择汉宁窗，h(t)＝0.5/T(1-cos(πt/T)),其中t代表时间，T代表周期；

2)采用巴特沃斯滤波器对第一振动传感器、第二振动传感器和声发射传感器的信号进行带通滤波，其中振动信号的带通滤波范围为0.1～20kHz，声发射信号的带通滤波范围为200～500kHz，得到滤波后的反映溢油阀动作、补油口动作、吸气以及排气过程的信号。

进一步地，上述第一振动传感器轴向布置溢油阀接头处。

进一步地，上述第一振动传感器、第二振动传感器、声发射传感器均与隔膜压缩机之间磁性连接。

进一步地，上述第一振动传感器、第二振动传感器均为压电式振动传感器，声发射传感器为压电式声发射传感器。

本发明的优点：

本发明一种隔膜压缩机无损状态监测方法，经过实验验证，根据本发明中的方法得出的溢油阀动作、补油动作以及吸气排气过程与气侧压力和油侧压力变化趋势一致，证明本方法切实可行；与根据隔膜压缩机油侧压力变化趋势推断对应事件的方法相比，本发明中的方法可更清晰明显地反映出溢油阀动作、补油动作以及吸气排气过程的发生时刻，信号辨识度高，更清晰准确；

本发明一种隔膜压缩机无损状态监测系统，传感器均使用磁性连接固定，对隔膜压缩机无损伤，安全可靠，监测便捷，监测效率高；

本发明的隔膜压缩机无损状态监测系统、方法对溢油阀动作、补油动作以及吸气排气过程的监测，可及时发现隔膜压缩机油路故障，可有效判断补油单向阀以及溢油阀是否正常工作，避免由于油压不足造成的效率下降和膜片损害故障，可提高设备运行的可靠性、安全性，可把故障损失降低到最低水平。

附图说明

图1是本发明隔膜压缩机无损状态监测方法流程图；

图2是本发明隔膜压缩机无损状态监测系统各传感器测点位置布置示意图；

图3是溢油阀关闭振动信号示意图；

图4是补油开始和补油结束振动信号；

图5是吸气过程声发射信号。

其中：1-溢油阀；2-第一振动传感器；3-补油口处的油侧膜腔；4-第二振动传感器；5-上缸盖；6-声发射传感器。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种隔膜压缩机无损状态监测方法，包括以下步骤：

1)配置检测系统

在溢油阀1接头处设置第一振动传感器2，用于检测溢油阀1关闭动作信号；

在补油口处的油侧膜腔3外壁面上设置第二振动传感器4，用于检测补油口单向阀开启和关闭信号；

在上缸盖5壁面上设置声发射传感器6，用于检测吸气和排气过程的气体信号；

2)采集信号

分别采集第一振动传感器2、第二振动传感器4和声发射传感器6产生的模拟信号，并将模拟信号进行处理后转换成数字信号后并进行存储；

3)数据处理

3.1)确定溢油阀1振动、补油口振动、吸气和排气过程声发射信号频带

采用短时傅里叶变换STFT方法，将采集到的时域信号x(t)映射到时-频二维平面上：

其中，f为频率，t代表时间，x(t)为采集到的信号，窗函数h(t)选择汉宁窗，h(t)＝0.5/T(1-cos(πt/T)),其中t代表时间，T代表周期；

3.2)采用巴特沃斯滤波器对第一振动传感器2、第二振动传感器4和声发射传感器6的信号进行带通滤波，其中振动信号的带通滤波范围为0.1～20kHz，声发射信号的带通滤波范围为200～500kHz，得到滤波后的反映溢油阀1动作、补油口动作、吸气以及排气过程的信号；

4)确定溢油阀1动作、补油开始和结束时刻、吸气过程以及排气过程

4.1)根据步骤3.2)中信号处理结果、振动波形的突发型信号出现的时刻，确定隔膜压缩机运行过程中溢油阀1关闭时刻、补油开始和结束时刻；

4.2)根据声发射信号连续型信号出现的时间段，确定吸气过程以及排气过程。

优选地，所述步骤2)中：所述将模拟信号进行处理是指将模拟信号进行信号滤波、放大及调理。

参见图2，一种隔膜压缩机无损状态监测系统，包括第一振动传感器2、第二振动传感器4、声发射传感器6、信号采集单元和数据处理单元；

所述第一振动传感器2设置在溢油阀1接头处，用于检测溢油阀1关闭动作信号；所述第二振动传感器4设置在补油口处的油侧膜腔3外壁面上，用于检测补油口单向阀开启和关闭信号；所述声发射传感器6设置在上缸盖5壁面上，用于检测吸气和排气过程的气体信号。

所述信号采集单元包括采集卡、信号调理模块；所述数据处理单元包括计算机，计算机控制采集卡、信号调理模块以及结果显示。

所述采集卡采集第一振动传感器2、第二振动传感器4、声发射传感器6产生的信号，所述信号调理模块对采集卡采集的信号进行处理后，存储至数据处理单元的计算机中，计算机进行数据处理，最终确定溢油阀1动作、补油开始和结束时刻、吸气过程以及排气过程。

优选地，上述计算机进行数据处理具体指：

1)确定溢油阀1振动、补油口振动、吸气和排气过程声发射信号频带

采用短时傅里叶变换STFT方法，将采集到的时域信号x(t)映射到时-频二维平面上：

其中，f为频率，t代表时间，x(t)为采集到的信号，窗函数h(t)选择汉宁窗，h(t)＝0.5/T(1-cos(πt/T)),其中t代表时间，T代表周期；

2)采用巴特沃斯滤波器对第一振动传感器2、第二振动传感器4和声发射传感器6的信号进行带通滤波，其中振动信号的带通滤波范围为0.1～20kHz，声发射信号的带通滤波范围为200～500kHz，得到滤波后的反映溢油阀1动作、补油口动作、吸气以及排气过程的信号。

优选地，上述第一振动传感器2轴向布置溢油阀1接头处。

优选地，上述第一振动传感器2、第二振动传感器4、声发射传感器6均与隔膜压缩机之间磁性连接。

优选地，上述所述第一振动传感器2、第二振动传感器4均为压电式振动传感器，声发射传感器6为压电式声发射传感器6。

图3是溢油阀关闭事件振动信号与隔膜压缩机气侧压力变化和油侧压力变化信号，图中振动信号曲线突发型信号出现的时刻代表溢油阀关闭事件，此事件发生的时刻与油压变化曲线中对应的溢油阀关闭时刻一致。

图4是补油开始和补油结束事件振动信号与隔膜压缩机气侧压力变化和油侧压力变化信号，图中振动信号曲线突发型信号出现的时刻分别表示补油开始和补油结束时刻，符合油侧压力变化曲线变化趋势，但压力信号无法反应出准确的补油开始和结束时刻，而振动信号的冲击信号可以体现。

图5是吸气过程的声发射信号与隔膜压缩机气侧压力变化和油侧压力变化信号，图中连续声发射信号出现的时间段表示吸气过程，符合气测压力变化曲线变化趋势。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种隔膜压缩机无损状态监测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)配置检测系统

在溢油阀(1)接头处设置第一振动传感器(2)，用于检测溢油阀(1)关闭动作信号；

在补油口处的油侧膜腔(3)外壁面上设置第二振动传感器(4)，用于检测补油口单向阀开启和关闭信号；

在上缸盖(5)壁面上设置声发射传感器(6)，用于检测吸气和排气过程的气体信号；

2)采集信号

分别采集第一振动传感器(2)、第二振动传感器(4)和声发射传感器(6)产生的模拟信号，并将模拟信号进行处理后转换成数字信号后并进行存储；

3)数据处理

3.1)确定溢油阀(1)振动、补油口振动、吸气和排气过程声发射信号频带

采用短时傅里叶变换STFT方法，将采集到的时域信号x(t)映射到时-频二维平面上：

其中，f为频率，t代表时间，x(t)为采集到的信号，窗函数h(t)选择汉宁窗，h(t)＝0.5/T(1-cos(πt/T)),其中t代表时间，T代表周期；

3.2)采用巴特沃斯滤波器对第一振动传感器(2)、第二振动传感器(4)和声发射传感器(6)的信号进行带通滤波，其中振动信号的带通滤波范围为0.1～20kHz，声发射信号的带通滤波范围为200～500kHz，得到滤波后的反映溢油阀(1)动作、补油口动作、吸气以及排气过程的信号；

4)确定溢油阀(1)动作、补油开始和结束时刻、吸气过程以及排气过程

4.1)根据步骤3.2)中信号处理结果、振动波形的突发型信号出现的时刻，确定隔膜压缩机运行过程中溢油阀(1)关闭时刻、补油开始和结束时刻；

4.2)根据声发射信号连续型信号出现的时间段，确定吸气过程以及排气过程。

2.根据权利要求1所述的一种隔膜压缩机无损状态监测方法，其特殊之处在于：步骤2)中将模拟信号进行处理，是指将模拟信号进行信号滤波、放大及调理。

3.一种隔膜压缩机无损状态监测系统，其特征在于：

包括第一振动传感器(2)、第二振动传感器(4)、声发射传感器(6)、信号采集单元和数据处理单元；

所述第一振动传感器(2)设置在溢油阀(1)接头处，用于检测溢油阀(1)关闭动作信号；所述第二振动传感器(4)设置在补油口处的油侧膜腔(3)外壁面上，用于检测补油口单向阀开启和关闭信号；所述声发射传感器(6)设置在上缸盖(5)壁面上，用于检测吸气和排气过程的气体信号；

所述信号采集单元包括采集卡、信号调理模块；所述数据处理单元包括计算机，计算机控制采集卡、信号调理模块以及结果显示；

所述采集卡采集第一振动传感器(2)、第二振动传感器(4)、声发射传感器(6)产生的信号，所述信号调理模块对采集卡采集的信号进行处理后，存储至数据处理单元的计算机中，计算机进行数据处理，最终确定溢油阀(1)动作、补油开始和结束时刻、吸气过程以及排气过程。

4.根据权利要求3所述的一种隔膜压缩机无损状态监测系统，其特征在于：

所述计算机进行数据处理具体指：

1)确定溢油阀(1)振动、补油口振动、吸气和排气过程声发射信号频带

采用短时傅里叶变换STFT方法，将采集到的时域信号x(t)映射到时-频二维平面上：

其中，f为频率，t代表时间，x(t)为采集到的信号，窗函数h(t)选择汉宁窗，h(t)＝0.5/T(1-cos(πt/T)),其中t代表时间，T代表周期；

2)采用巴特沃斯滤波器对第一振动传感器(2)、第二振动传感器(4)和声发射传感器(6)的信号进行带通滤波，其中振动信号的带通滤波范围为0.1～20kHz，声发射信号的带通滤波范围为200～500kHz，得到滤波后的反映溢油阀(1)动作、补油口动作、吸气以及排气过程的信号。

5.根据权利要求3或4所述的一种隔膜压缩机无损状态监测系统，其特征在于：

所述第一振动传感器(2)轴向布置溢油阀(1)接头处。

6.根据权利要求3或4所述的一种隔膜压缩机无损状态监测系统，其特征在于：

所述第一振动传感器(2)、第二振动传感器(4)、声发射传感器(6)均与隔膜压缩机之间磁性连接。

7.根据权利要求6所述的一种隔膜压缩机无损状态监测系统，其特征在于：

所述第一振动传感器(2)、第二振动传感器(4)均为压电式振动传感器，声发射传感器(6)为压电式声发射传感器(6)。