CN109973354B - 一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于压缩机技术领域，特别是涉及一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置及方法。大多压缩机由于没有预留测压孔，测量气缸内压力变化需要对气缸进行加工。严重损害气缸的完整性，影响气缸强度。为了防止泄漏，有的压缩机是不允许在气缸上加工出测压孔的。并且，测压孔增加了气缸的余隙容积，减少了进入气缸的新鲜气体量，降低机组效率。本申请提供了一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置，包括活塞杆和应变片电路，所述应变片电路包括相互连接的应变片组件和桥式电路，所述应变片组件设置于所述活塞杆表面。对往复式压缩机气缸无损伤，非侵入式监测安全可靠，避免泄漏的安全隐患，同时避免引入余隙容积降低机组效率。

Description

一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置及方法
技术领域
本申请属于压缩机技术领域，特别是涉及一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置及方法。
背景技术
往复压缩机适用范围广，理论上可压缩所有气体，不论流量大小均可达到所需压力，容积效率高，可适应有油和无油工况，被认为是最高效的气体压缩设备而广泛应用于空气动力、石油化工及天然气工业等国民经济各个领域。往复压缩机一旦发生故障，将会影响整个工艺流程，造成严重甚至灾难性的后果。为了杜绝事故的发生，对压缩机进行状态监测及故障诊断至关重要。
指示图即p-V图是压缩机工作性能和运行状态的综合反映，是诊断压缩机故障最有效的工具。通过压缩机工作过程的p-V图可以得到吸、排气压力损失、指示功率、压比及容积效率等性能参数，通过p-V图的形状可以直接反映出气阀、活塞环及填函等的泄漏情况、管道气流脉动情况和压缩机工作过程中的热交换情况等。
现今按照API618标准制造的压缩机都配有测压孔，而大多压缩机由于没有预留测压孔，测量气缸内压力变化需要对气缸进行加工。首先，这种打孔安装传感器的方式严重损害气缸的完整性，影响气缸强度，存在潜在的安全威胁。其次，为了防止泄漏，某些压缩特殊介质的工艺压缩机是不允许在气缸上加工出测压孔的。并且，测压孔增加了气缸的余隙容积，减少了进入气缸的新鲜气体量，降低机组效率。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于现今按照API618标准制造的压缩机都配有测压孔，而还在服役中的大多压缩机由于没有预留测压孔，测量气缸内压力变化需要对气缸进行加工。首先，这种打孔安装传感器的方式严重损害气缸的完整性，影响气缸强度，存在潜在的安全威胁。其次，为了防止泄漏，某些压缩特殊介质的工艺压缩机是不允许在气缸上加工出测压孔的。并且，测压孔增加了气缸的余隙容积，减少了进入气缸的新鲜气体量，降低机组效率的问题，本申请提供了一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置及方法。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置，包括活塞杆和应变片电路，所述应变片电路包括相互连接的应变片组件和桥式电路，所述应变片组件设置于所述活塞杆表面。
可选地，所述应变片组件包括第一应变片，所述第一应变片与所述桥式电路相连接。
可选地，所述应变片组件包括第二应变片和第三应变片，所述第二应变片沿所述活塞杆轴向设置，所述第三应变片与所述第二应变片相互垂直；所述第二应变片与第一桥臂相连接，所述第三应变片与第二桥臂相连接。
可选地，所述应变片组件包括第四应变片、第五应变片、第六应变片和第七应变片；所述第四应变片沿所述活塞杆轴向设置，所述第五应变片与所述第四应变片相互垂直，所述第四应变片与全桥电路相连接，所述第五应变片与全桥电路相连接；所述第六应变片沿所述活塞杆轴向设置，所述第七应变片与所述第六应变片相互垂直，所述第六应变片与全桥电路相连接，所述第七应变片与全桥电路相连接。
可选地，还包括光电传感单元和信号采集单元，所述光电传感单元包括飞轮，所述飞轮与光电传感器相应设置，所述信号采集单元与所述应变片组件相连接，所述信号采集单元与所述光电传感器相连接；所述信号采集单元与数据处理单元相连接。
本申请还提供一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1、通过信号采集单元同步采集第一电压信号和应变片电路输出的第二电压信号，同时将采集的第一电压信号转换为第一数字信号进行存储，将采集的第二电压信号转换为第二数字信号进行存储；
步骤2、根据第一数字信号判断一个完整周期的起止时间；
步骤3、根据所述一个完整周期的起止时间，对所述第二数字信号进行处理，得出气压值。
可选地，所述步骤3中对所述第二数字信号进行处理包括：
(1)计算出活塞杆应变：
Figure BDA0001974856680000021
其中，θ为曲柄转角，ε(θ)为应变，e(θ)为第二数字信号，ν为泊松比，E为弹性模量，Ks为应变片灵敏度系数；
(2)计算活塞杆载荷：Fp(θ)＝ARε(θ)，
其中，AR为活塞杆横截面积，F(θ)为活塞杆载荷；
(3)计算气体力合力:Fg(θ)＝Fp(θ)-FIS(θ)，
其中，Fo(θ)为油侧压力，FI(θ)为往复惯性力，往复惯性力FIs(θ)＝mprω2(cosθ+λcos2θ)，其中mp为往复惯性质量，r为曲拐半径，ω为压缩机转速，λ为曲柄半径连杆比，θ为曲柄转角，AP为活塞横截面积；
(4)计算气压。
可选地，所述(4)中计算气压包括单作用气缸，气压pHE(θ)＝Fg(θ)/AP，
其中，pHE(θ)为气压，AP为活塞横截面积。
可选地，所述(4)中计算气压包括双作用气缸，气压
Figure BDA0001974856680000031
其中：psCE为轴侧吸气压力，pdCE为轴侧排气压力，psHE为盖侧吸气压力，pdHE为盖侧排气压力，SCE为轴侧面积，SHE为盖侧面积，S为活塞行程，S0为余隙容积的当量行程，Fg为气体力，n为压缩指数，m为膨胀指数。
可选地，所述步骤1中所述第一电压信号经过滤波、放大、调理及A/D转换，转换成第一数字信号传输到智能终端中进行处理，所述第二电压信号经过滤波、放大、调理及A/D转换，转换成第二数字信号传输到智能终端中进行处理。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置及方法的有益效果在于：
本申请提供的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置，通过将应变片组件设置于活塞杆表面，将应变片组件与桥式电路相连接，提高应变片组件的灵敏度，并使输入和输出呈线性关系。对往复式压缩机气缸无损伤，非侵入式监测安全可靠，避免了泄漏的安全隐患，同时避免引入余隙容积降低机组效率。
附图说明
图1是本申请的应变片第一结构示意图；
图2是本申请的应变片第二结构示意图；
图3是本申请的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置第一结构示意图；
图4是本申请的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置第二结构示意图；
图5是本申请的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置原理示意图；
图6是本申请的往复式压缩机(单作用)结构及受力示意图；
图7是本申请的往复式压缩机(双作用)结构及受力示意图；
图8是本申请的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置中半桥电路连接示意图；
图9是本申请的往复式压缩机一个周期内的压力变化曲线(双作用)示意图；
图10是本申请的往复式压缩机一个周期内的受力曲线(双作用)示意图；
图11是本申请的结果和使用压力传感器测量结果比较(单作用)示意图；
图12是本申请的结果和使用压力传感器测量结果比较(双作用)示意图；
图中：1-活塞杆、2-应变片组件、3-第一应变片、4-第二应变片、5-第三应变片、6-第一桥臂、7-第二桥臂、8-信号采集单元、9-飞轮、10-光电传感器、11-数据处理单元、12-盖侧压力曲线、13-轴侧压力曲线、14-轴侧气体力曲线、15-气体力合力曲线、16-活塞杆载荷、17-盖侧压力曲线、18-盖侧p-V曲线、19-轴侧p-V曲线。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
侵入式的测取方式严重限制了p-V图诊断法的推广应用。为了使p-V图法不再局限于实验研究，能够应用于实际生产中，需要采用不影响气缸结构及强度的方法得到气缸内的压力变化监测。
应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件。电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。
由电阻、电容、电感等元件组成的四边形测量桥式电路叫电桥，电桥四条边为桥臂。作为测量电路，在四边形的一条对角线两端接上直流电源，引出另一条对角线两端的电压，利用电桥平衡方程，即可根据桥臂中的已知元件的数值求得被测元件的参量(如电阻、电阻、电容、电感)。
参见图1～12，本申请提供一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置，包括活塞杆1和应变片电路，所述应变片电路包括相互连接的应变片组件2和桥式电路，所述应变片组件2设置于所述活塞杆1表面。
应变片组件2通过粘合剂粘贴在活塞杆1的表面。贴有应变片组件2的构件总是处于某一温度场中，若应变片敏感栅的线性膨胀系数与构建材料的线型膨胀系数不相等，则温度发生变化时，由于敏感栅和构件的伸长(或压缩)量不等，从而引起敏感栅收到附加拉伸(或压缩)，敏感栅的电阻会发生变化，造成测量不准确，这种现象是温度效应。
应变片组件2是一种本身电阻随应力变化而改变的传感器。几乎所有的应变片组件2，其灵敏度都比较低，利用桥式电路可以成倍提高其灵敏度，并使输入和输出呈线性关系。利用桥式电路检测应变片组件的变化，还具有通过的电流极低，应变片自身发热低的优点。所以，应变片传感器应用中，经常采用桥式电路。桥式电路包括四分之一桥连接方式、半桥连接方式和全桥连接方式。应变片的导线为带25mm包银铜线(直径为0.12mm～0.16mm)，不同的机组活塞杆的直径不同，选择的应变片型号也可以不同。也就是说，根据实际需要对应变片进行选择即可。
进一步地，所述应变片组件2包括第一应变片3，所述第一应变片3与所述桥式电路相连接。
活塞杆1的表面只设置有一片应变片即第一应变片3，这里的第一应变片3也叫做工作片，可以用来测量活塞杆1应变。第一应变片3贴在活塞杆1上，活塞杆1长度发生变化，第一应变片3也会随之被压缩或拉伸，因此第一应变片3的电阻会发生变化，电阻变化引起桥式电路输出电压发生改变。随后对采集的电压信号进行处理后，计算出气压。
进一步地，所述应变片组件2包括第二应变片4和第三应变片5，所述第二应变片4沿所述活塞杆1轴向设置，所述第三应变片5与所述第二应变片4相互垂直；所述第二应变片4与第一桥臂6相连接，所述第三应变片5与第二桥臂7相连接。
如图8所示，采用两片应变片，一片为工作片即第二应变片4，另一片为补偿片即第三应变片5，工作片沿着轴向粘贴，补偿片与其垂直粘贴，通过粘贴的方向区分。通过粘贴一片补偿片在相同构件但是不受力(垂直于轴向)的方向，应变片1的应变及为ε1，补偿片的应变为ε2，ε1包括轴向拉伸压缩引起的形变和温度引起的形变，ε2仅包括温度引起的形变，这样相减，温度引起的形变就被抵消了。从而排除温度效应。应变片的粘贴方法有四分之一桥，半桥和全桥3种，均合理。四分之一桥，半桥连接只接入2个应变片，全桥接入4个应变片。这里采用半桥法构建电桥电路，实现加大应变片的输出和消除导线的温度影响；沿着活塞杆侧面沿着轴向粘贴一片工作片，将另一片补偿片紧靠工作片并与其垂直粘贴。如图8中所示为半桥接法，将一个工作片和一个温度补偿片分别接入两个相邻桥臂即第一桥臂6和第二桥臂7，另外两个桥臂接固定电阻。
进一步地，所述应变片组件2包括第四应变片、第五应变片、第六应变片和第七应变片；所述第四应变片沿所述活塞杆1轴向设置，所述第五应变片与所述第四应变片相互垂直，所述第四应变片与全桥电路相连接，所述第五应变片与全桥电路相连接；所述第六应变片沿所述活塞杆1轴向设置，所述第七应变片与所述第六应变片相互垂直，所述第六应变片与全桥电路相连接，所述第七应变片与全桥电路相连接。
这里为全桥法构建电桥电路，对于本申请而言，半桥法构建电桥电路为最佳方式。
进一步地，还包括光电传感单元和信号采集单元8，所述光电传感单元包括飞轮9，所述飞轮9与光电传感器10相应设置，所述信号采集单元8与所述应变片组件2相连接，所述信号采集单元8与所述光电传感单元相连接；所述信号采集单元8与数据处理单元11相连接。
活塞止点信号的检测方法较多，压缩机技术中常用霍尔式和光电式传感器，传感器的发信端一般布置在飞轮9上，光电传感器10一般采用反射式，光电传感器10的探头安装位置需要精确定位，即转动飞轮9使活塞分别处于内外止点，然后将探头对准发信点(磁钢、铁块或者反光条)。
飞轮9绕中心垂直轴转动，盘车找到活塞运动到上止点的位置，作为相位参考的基准，此时在飞轮9的任意位置做一个标记，在机架上安装一个光点传感器，使其对准标记。正常情况下，光电传感器10采集到稳定的信号，待标记转到光电传感器10时，则出现冲击信号，作为周期起始位置，每两个连续的冲击信号之间为一个周期。
光电传感单元是为了得到周期信号，以判断一个完整的周期。在飞轮9处安装光电传感器10，通过得到的外止点信号，确定压缩机曲柄转角θ初始值0；光电传感器10输出的模拟信号经过信号采集单元8转换成最终所需要的数字信号存储供后续分析和处理。
信号采集这里用到的是美国国家仪器(NI)有限公司的应变采集卡NI9237、NI9205和采集机箱cDAQ-9185，数据采集通过编写LabVIEW程序进行。
所述数据处理单元11为智能终端。这里的智能终端指可以对数据进行计算分析的设备，例如计算机，计算机除了存储数据外，还要运行数据采集程序，控制信号的采样及显示，如设置采样频率和样本保存长度等参数。计算机显示采集到的光电传感器10止点信号和应变片电路输出电压信号。显示可以实时监测。
所述信号采集单元8包括采集卡和信号调理模块。设置数据采样频率，以及对应的采集通道。信号采集单元8实现信号滤波、放大，调理及A/D转换这一系列功能。
本申请还提供一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1、通过信号采集单元同步采集光电传感器输出的第一电压信号和应变片电路输出的第二电压信号，同时将采集的第一电压信号转换为第一数字信号进行存储，将采集的第二电压信号转换为第二数字信号进行存储；
步骤2、根据第一数字信号判断一个完整周期的起止时间；
步骤3、根据所述一个完整周期的起止时间，对所述第二数字信号进行处理，得出气压值。
第一电压信号为光电传感器10输出，也即止点信号。
进一步地，所述步骤3中对所述第二数字信号进行处理包括：
(1)计算出活塞杆应变：
Figure BDA0001974856680000071
其中，θ为曲柄转角(0～360°)，ε(θ)为应变，e(θ)为第二数字信号，ν为泊松比，E为弹性模量，Ks为应变片灵敏度系数；
(2)计算活塞杆载荷：Fp(θ)＝ARε(θ)，
其中，AR为活塞杆横截面积，F(θ)为活塞杆载荷；
(3)计算气体力合力:Fg(θ)＝Fp(θ)-FIs(θ)，
其中，Fo(θ)为油侧压力，FI(θ)为往复惯性力，往复惯性力FIs(θ)＝mprω2(cosθ+λcos2θ)，其中mp为往复惯性质量，r为曲拐半径，ω为压缩机转速，λ为曲柄半径连杆比，θ为曲柄转角(0～360°)，AP为活塞横截面积；
(4)计算气压。
进一步地，单作用气缸(以盖侧单作用为例)
计算气压pHE(θ)＝Fg(θ)/AP，其中，pHE(θ)为气压，AP为活塞横截面积；
进一步地，双作用气缸：
气压曲线变化可识别出的8个气阀事件对应8个特征点，8个特征点及其对应的曲轴转角在杆载荷曲线上也可清晰反映在6个特征点上，其中事件a(盖侧排气阀关闭)事件e(轴侧吸气阀关闭)在杆载荷曲线上重合在点1，事件c(盖侧吸气阀关闭)和事件g(盖侧排气阀关闭)在杆载荷曲线上重合在4。
可根据6个特征点可列出以下方程组：
Figure BDA0001974856680000081
其中：psCE为轴侧吸气压力，pdCE为轴侧排气压力，psHE为盖侧吸气压力，pdHE为盖侧排气压力，SCE为轴侧面积，SHE为盖侧面积，S为活塞行程，S0为余隙容积的当量行程，Fg为气体力，n为压缩指数，m为膨胀指数，轴侧和盖侧膨胀指数由表中的经验公式得到。通过求解以上方程组，便可分别求出轴侧和盖侧的吸、排气压力，压缩指数和膨胀指数，结合特征点对应的气阀的开闭角度，便可通过经验公式计算出p-V图。
计算时用计算机按照公式计算，实现方式可以是用软件编程，也可以是excel。
根据采集到的数据，利用公式计算即可，此处用到的就是计算机，编写LabVIEW程序进行做计算。
进一步地，所述步骤1中所述第一电压信号经过滤波、放大、调理及A/D转换，转换成第一数字信号传输到智能终端中进行处理，所述第二电压信号经过滤波、放大、调理及A/D转换，转换成第二数字信号传输到智能终端中进行处理。
本申请提供的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置，通过将应变片组件2设置于活塞杆1表面，将应变片组件2与桥式电路相连接，提高应变片组件2的灵敏度，并使输入和输出呈线性关系。对往复式压缩机气缸无损伤，非侵入式监测安全可靠，避免了泄漏的安全隐患，同时避免引入余隙容积降低机组效率。
本申请中的“第一、第二......”只是为了对应变片进行区分，其结构均相同。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (9)

1.一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置，其特征在于：包括活塞杆(1)和应变片电路，所述应变片电路包括相互连接的应变片组件(2)和桥式电路，所述应变片组件(2)设置于所述活塞杆(1)表面；
还包括光电传感单元和信号采集单元(8)，所述光电传感单元包括飞轮(9)，所述飞轮(9)与光电传感器(10)相应设置，所述信号采集单元(8)与所述应变片组件(2)相连接，所述信号采集单元(8)与所述光电传感器(10)相连接；所述信号采集单元(8)与数据处理单元(11)相连接，所述数据处理单元(11)用于将信号采集单元(8)获得的数据进行处理获得气压值。
2.如权利要求1所述的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置，其特征在于：所述应变片组件(2)包括第一应变片(3)，所述第一应变片(3)与所述桥式电路相连接。
3.如权利要求1所述的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置，其特征在于：所述桥式电路包括第一桥臂(6)和第二桥臂(7)，所述应变片组件(2)包括第二应变片(4)和第三应变片(5)，所述第二应变片(4)沿所述活塞杆(1)轴向设置，所述第三应变片(5)与所述第二应变片(4)相互垂直；所述第二应变片(4)与第一桥臂(6)相连接，所述第三应变片(5)与第二桥臂(7)相连接。
4.如权利要求1所述的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测装置，其特征在于：所述应变片组件(2)包括第四应变片、第五应变片、第六应变片和第七应变片；所述第四应变片沿所述活塞杆(1)轴向设置，所述第五应变片与所述第四应变片相互垂直，所述桥式电路采用全桥电路，所述第四应变片与全桥电路相连接，所述第五应变片与全桥电路相连接；所述第六应变片沿所述活塞杆(1)轴向设置，所述第七应变片与所述第六应变片相互垂直，所述第六应变片与全桥电路相连接，所述第七应变片与全桥电路相连接。
5.一种往复压缩机非侵入式气缸内气压监测方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1、通过信号采集单元同步采集与飞轮相应设置的光电传感器输出的第一电压信号和应变片电路输出的第二电压信号，所述应变片电路包括设置于活塞杆表面的应变片组件，同时将采集的第一电压信号转换为第一数字信号进行存储，将采集的第二电压信号转换为第二数字信号进行存储；
步骤2、根据第一数字信号判断一个完整周期的起止时间；
步骤3、根据所述一个完整周期的起止时间，对所述第二数字信号进行处理，依次计算出活塞杆应变、活塞杆载荷和气体力合力，得出气压值。
6.如权利要求5所述的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测方法，其特征在于：所述步骤3中对所述第二数字信号进行处理包括：
a.计算出活塞杆应变：
Figure FDA0002484023270000021
其中，θ为曲柄转角，ε(θ)为应变，e(θ)为第二数字信号，ν为泊松比，E为弹性模量，Ks为应变片灵敏度系数；
b.计算活塞杆载荷：Fp(θ)＝ARε(θ)，
其中，AR为活塞杆横截面积，Fp(θ)为活塞杆载荷；
c.计算气体力合力:Fg(θ)＝Fp(θ)-FIs(θ)，
其中，Fg(θ)为气体力合力，FIs(θ)为往复惯性力，往复惯性力FIs(θ)＝mprω2(cosθ+λcos2θ)，其中mp为往复惯性质量，r为曲拐半径，ω为压缩机转速，λ为曲柄半径连杆比，θ为曲柄转角；
d.计算气压。
7.如权利要求6所述的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测方法，其特征在于：所述d中计算气压包括单作用气缸，气压pHE(θ)＝Fg(θ)/AP，
其中，pHE(θ)为气压，AP为活塞横截面积。
8.如权利要求6所述的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测方法，其特征在于：所述d中计算气压包括双作用气缸，气压计算公式如下：
Figure FDA0002484023270000022
其中：psCE为轴侧吸气压力，pdCE为轴侧排气压力，psHE为盖侧吸气压力，pdHE为盖侧排气压力，SCE为轴侧面积，SHE为盖侧面积，S为活塞行程，S0为余隙容积的当量行程，n_CE为轴侧的压缩指数，n_HE为盖侧压缩指数，m_CE为轴侧的膨胀指数，m_HE为盖侧的膨胀指数，i＝1～6表示特征点1～特征点6，Fgi分别为特征点1～特征点6对应的气体力，xi分别为特征点2、3、5和6对应的活塞位移。
9.如权利要求8所述的往复压缩机非侵入式气缸内气压监测方法，其特征在于：所述步骤1中所述第一电压信号经过滤波、放大、调理及A/D转换，转换成第一数字信号传输到智能终端中进行处理，所述第二电压信号经过滤波、放大、调理及A/D转换，转换成第二数字信号传输到智能终端中进行处理。
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