CN110686607A - 一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置及方法 - Google Patents

一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置，包括激光发射器、第一平面镜、第二平面镜、电子观察屏和图像处理器，其中，气膜位于压缩机动环与静环之间，静环前后两端分别设置有静环前端支架和静环后端支架，第一平面镜、第二平面镜分别安装在静环前端支架、静环后端支架上，激光发射器和电子观察屏安装在压缩机机壳径向孔内，激光发射器发射孔朝向所述第一平面镜，电子观察屏朝向所述第二平面镜，图像处理器与电子观察屏连接；一种压缩机干气密封气膜厚度测量方法，基于激光夫琅禾费光学衍射原理，利用光的衍射来测量气膜厚度，由于光的传播速度快、抗干扰性较好，本发明能够及时反映气膜厚度，提高现有干气密封的监测手段。

Description

一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及压缩机干气密封技术领域，尤其涉及一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置及方法。
背景技术
干气密封运行间隙很小，一般处于3μm到10μm之间，直接测量气膜厚度较为困难。目前工业上普遍采取测量排放压力和泄漏量来检测密封健康状况，该方式易于现场实施，但因排气管容积影响，灵敏度较低，难以及时反映密封运行状态。在实验室环境，通常采用在密封环埋设高精度电涡流传感器直接测量动静间隙来准确得到动态膜厚。但此方法实施难度较大，在空间有限的密封环上安装传感器较为不便，难以广泛使用。近年来，声发射技术被提出用于监测密封的健康状态，它通过分析材料摩擦行为来检测干气密封运行状态。声发射的缺点是容易受到干扰信号影响，限制了其在实际密封中的应用。
申请号为201110306190.6的发明专利中公开了一种气体密封实验装置，其测试系统包括电涡流传感器、动环定位片、流量计和压力传感器，该测试系统的膜厚测量方法：实验前先调整电涡流传感器的初始位置，实验过程中实验密封动环离开实验密封静环一定距离，此时电涡流传感器可以测得动环定位片的位置变化量，那么实验密封静环和实验密封动环之间的气膜厚度即为动环定位片的位置变化量。
申请号为200910088897.7的发明专利中公开了一种微裂纹微小张开位移的测量方法，测量系统主要由激光器、加载装置、带微裂纹的试件、光强接收屏和图像采集系统组成。测量时，使激光发出波长为λ的光，通过微裂纹，在接收屏上形成夫琅禾费衍射条纹图，通过图像采集系统得到一幅微裂纹的初始光强图像；再利用加载装置对试件进行缓慢加载，使裂纹张开，通过图像采集系统记录不同载荷下接收屏上微裂纹的多幅狭缝衍射光强图像，根据光强图像进行数字图像分析和相关运算，最终得到不同载荷下微裂纹微小张开位移量。
发明内容
发明目的：针对现有技术中压缩机干气密封测量手段的不足，本发明公开了一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置及方法，该装置基于激光夫琅禾费光学衍射原理，利用光的衍射来测量气膜厚度。由于光的传播速度快、抗干扰性较好，该装置能够及时反映气膜厚度，提高现有干气密封的监测手段。
技术方案：本发明采用如下技术方案，一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置，其特征在于，包括激光发射器、第一平面镜、第二平面镜、电子观察屏和图像处理器；其中，气膜位于压缩机动环与静环之间，静环前后两端分别设置有静环前端支架和静环后端支架，所述第一平面镜安装在静环前端支架上，用于反射激光发生器发出的激光，第一次改变激光传播方向，使激光沿轴向传播，所述第二平面镜安装在静环后端支架上，用于再次反射由第一平面镜传播的激光，第二次改变激光传播方向，使激光沿径向通过气膜间隙，所述激光发射器和所述电子观察屏安装在压缩机机壳径向孔内，所述激光发射器发射孔朝向所述第一平面镜，所述电子观察屏朝向所述第二平面镜，所述图像处理器与所述电子观察屏连接。
优选地，所述激光发射器为气体型氦氖激光器，发射波长为0.632μm红色可见激光。
优选地，所述激光发射器与压缩机机壳之间由第一锁紧螺母压紧，激光发射器发射孔与压缩机机壳连接处安装有第一橡胶静密封圈。
优选地，所述电子观察屏与压缩机机壳之间由第二锁紧螺母压紧，电子观察屏与压缩机机壳连接处安装有第二橡胶静密封圈。
优选地，所述第一平面镜和第二平面镜为圆形平面镜，镜面直径为激光束直径的2至3倍，镜面反射角为45°。
优选地，所述电子观察屏捕捉的衍射条纹的图像分辨率不小于400ppi。
优选地，所述图像处理器识别的衍射条纹包括：第一级暗条纹或第一级明条纹。
一种压缩机干气密封气膜厚度测量方法，包括：
步骤A、根据夫琅禾费衍射条件：
Figure BDA0002237255410000021
其中，θ为衍射角，b为气膜厚度，k为对应衍射条纹级数，λ为激光波长；
步骤B、由气膜与电子观察屏6之间的几何关系，得到
Figure BDA0002237255410000022
其中，x为对应衍射条纹与中心条纹间距，L为气膜到电子观察屏6距离；
步骤C、根据所述步骤A与步骤B，对于每一级暗条纹中心，气膜厚度为
Figure BDA0002237255410000023
对于每一级明条纹中心，气膜厚度为
步骤D、一般对于远场条件L＞＞x，有
Figure BDA0002237255410000032
所以气膜厚度简化为
当得到了第一级即k＝1暗条纹或明条纹与中心条纹间距x，由上式计算得到气膜厚度。
有益效果：本发明公开了一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置及方法，该装置结构简单，易于现场实施；基于激光夫琅禾费光学衍射原理，抗干扰性强，具有较高的测量精度和灵敏度，能够指导干气密封运行和监测，提高干气密封寿命和可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构主视图；
图2为本发明的激光夫琅禾费衍射原理；
图3为本发明的电子观察屏光强分布图；
其中1为激光发射器，2为第一平面镜，3为第二平面镜，4为静环前端支架、5为静环后端支架，6为电子观察屏，7为图像处理器，8为第一橡胶密封圈，9为第二橡胶密封圈，10为第一锁紧螺母，11为第二锁紧螺母，12为动环，13为静环，14为静环支架，15为工艺气，16为惰性气体，17为压缩机机壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明公开了一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置，包括激光发射器1、第一平面镜2、第二平面镜3、电子观察屏6和图像处理器7；其中，气膜位于压缩机动环12与静环13之间，静环13前后两端分别设置有静环前端支架4和静环后端支架5，第一平面镜2安装在静环前端支架4上，第二平面镜3安装在静环后端支架5上，激光发射器1和电子观察屏6安装在压缩机机壳17径向孔内，激光发射器1发射孔朝向所述第一平面镜2，电子观察屏6朝向第二平面镜3，图像处理器7与电子观察屏6连接。
激光发射器1为气体型氦氖激光器，发射波长为0.632μm红色可见激光，激光发射器1与压缩机机壳17之间由第一锁紧螺母10压紧，激光发射器1发射孔与压缩机机壳17连接处安装有第一橡胶静密封圈8。
电子观察屏6与压缩机机壳17之间由第二锁紧螺母11压紧，电子观察屏6与压缩机机壳17连接处安装有第二橡胶静密封圈9。电子观察屏6用于接收激光衍射图像，捕捉的衍射条纹的图像分辨率不小于400ppi。
第一平面镜2和第二平面镜3均为圆形平面镜，镜面直径为激光束直径的2至3倍，镜面反射角为45°，其中，第一平面镜2用于反射激光发生器1发出的激光，第一次改变激光传播方向，使激光沿轴向传播；第二平面镜3用于再次反射由第一平面镜2传播的激光，第二次改变激光传播方向，使激光沿径向通过气膜间隙。
图像处理器7用于识别衍射图案、计算气膜厚度，其中识别的衍射条纹包括：第一组暗条纹或第一组明条纹，之后根据暗条纹或明条纹间距，由激光夫琅禾费衍射原理计算得到气膜厚度。具体步骤如下：
如图2、3所示，针对某一时刻t，气膜厚度为b，衍射角为θ，对应衍射条纹与中心条纹间距为x，气膜到电子观察屏6距离为L。波长为λ的激光垂直入射到宽度为b的气膜上，在电子观察屏6上得到一组明暗相间的衍射条纹。根据夫琅禾费衍射条件：
Figure BDA0002237255410000041
由几何关系，得到
Figure BDA0002237255410000042
对于每一级暗条纹中心，气膜厚度为
对于每一级明条纹中心，气膜厚度为
Figure BDA0002237255410000044
一般对于远场条件L＞＞x，有
所以气膜厚度简化为
Figure BDA0002237255410000051
当得到了第一级(k＝1)暗条纹或明条纹与中心条纹间距x，由式(6)计算得到气膜厚度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置，其特征在于，包括激光发射器(1)、第一平面镜(2)、第二平面镜(3)、电子观察屏(6)和图像处理器(7)；其中，气膜位于压缩机动环(12)与静环(13)之间，静环(13)前后两端分别设置有静环前端支架(4)和静环后端支架(5)，所述第一平面镜(2)安装在静环前端支架(4)上，用于反射激光发生器(1)发出的激光，第一次改变激光传播方向，使激光沿轴向传播，所述第二平面镜(3)安装在静环后端支架(5)上，用于再次反射由第一平面镜(2)传播的激光，第二次改变激光传播方向，使激光沿径向通过气膜间隙，所述激光发射器(1)和所述电子观察屏(6)安装在压缩机机壳(17)径向孔内，所述激光发射器(1)发射孔朝向所述第一平面镜(2)，所述电子观察屏(6)朝向所述第二平面镜(3)，所述图像处理器(7)与所述电子观察屏(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置，其特征在于，所述激光发射器(1)为气体型氦氖激光器，发射波长为0.632μm红色可见激光。
3.根据权利要求1所述的一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置，其特征在于，所述激光发射器(1)与压缩机机壳(17)之间由第一锁紧螺母(10)压紧，激光发射器(1)发射孔与压缩机机壳(17)连接处安装有第一橡胶静密封圈(8)。
4.根据权利要求1所述的一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置，其特征在于，所述电子观察屏(6)与压缩机机壳(17)之间由第二锁紧螺母(11)压紧，电子观察屏(6)与压缩机机壳(17)连接处安装有第二橡胶静密封圈(9)。
5.根据权利要求1所述的一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置，其特征在于，所述第一平面镜(2)和第二平面镜(3)为圆形平面镜，镜面直径为激光束直径的2至3倍，镜面反射角为45°。
6.根据权利要求1所述的一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置，其特征在于，所述电子观察屏(6)捕捉的衍射条纹的图像分辨率不小于400ppi。
7.根据权利要求1所述的一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置，其特征在于，所述图像处理器(7)识别的衍射条纹包括：第一级暗条纹或第一级明条纹。
8.根据权利要求1所述的一种压缩机干气密封气膜厚度测量装置的测量方法，其特征在于，包括：
步骤A、根据夫琅禾费衍射条件：
Figure FDA0002237255400000011
其中，θ为衍射角，b为气膜厚度，k为对应衍射条纹级数，λ为激光波长；
步骤B、由气膜与电子观察屏6之间的几何关系，得到
Figure FDA0002237255400000021
其中，x为对应衍射条纹与中心条纹间距，L为气膜到电子观察屏6距离；
步骤C、根据所述步骤A与步骤B，对于每一级暗条纹中心，气膜厚度为
Figure FDA0002237255400000022
对于每一级明条纹中心，气膜厚度为
Figure FDA0002237255400000023
步骤D、一般对于远场条件L＞＞x，有
Figure FDA0002237255400000024
所以气膜厚度简化为
Figure FDA0002237255400000025
当得到了第一级即k＝1暗条纹或明条纹与中心条纹间距x，由上式计算得到气膜厚度。
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