CN111927751B - 一种隔膜压缩机膜片位移无损监测系统及方法 - Google Patents

一种隔膜压缩机膜片位移无损监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，包括膜片组件、应变花电路组和数据采集处理组件，应变花电路组件与所述数据采集处理组件连接，膜片组件包括依次排列的第一膜片、第二膜片和第三膜片，应变花电路组包括第一应变花电路和第二应变花电路；第一应变花电路包括相互连接的第一应变花组件和第一桥式电路组，第一应变花组件设置于第一膜片表面，第二应变花电路包括相互连接的第二应变花组件和第二桥式电路组，第二应变花组件设置于第三膜片表面。在隔膜压缩机运行期间，实现膜片动态位移监测。

Description

一种隔膜压缩机膜片位移无损监测系统及方法
技术领域
本申请属于压缩机技术领域，特别是涉及一种隔膜压缩机膜片位移无损监测系统及方法。
背景技术
隔膜式压缩机是一种压缩腔不存在泄漏的气体压缩专用设备。由于其所能提供的密封性能好、压力范围广、压缩比较大，因此被广泛应用于加氢站、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。膜片是隔膜压缩机的核心部件，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。高压压缩隔膜压缩机中，膜片既充当液压油与被压缩气之间的隔离体，更是二者多物理场耦合的媒介，液压油与气体之间的运动同步、动量及能量传递、热量传导等都依赖于膜片。
膜片的运行状态及运行位置直接关系到隔膜压缩机的运行状态，膜片的位移不充分，即膜片挠度变化小，膜片无法与气缸膜腔壁面接触，会增加气缸内的余隙容积，使压缩机的吸气量减小、气缸工作容积的利用率降低，严重降低隔膜压缩机生产能力。此外，油气压力关系失控，膜片反向拍击油缸的故障，也可以通过膜片位移表征出来。因此，膜片的位移是表征隔膜压缩机运行效率和判断隔膜压缩机是否正常运行的重要指标。
国内国外行业中，隔膜压缩机的膜片使用三层金属隔膜结构。目前对隔膜压缩机膜片监测的现有技术方案主要是针对膜片破裂失效故障，基于三层膜片结构形成的泄漏检测系统，中间膜片加工径向刻线与集气腔连通。当油侧或气侧任何一侧膜片发生破损时，则相应的介质会渗透到气体侧和油侧的隔膜之间，从而膜片之间的腔室加压，该腔室连接到压力开关或接触压力计，触发膜片失效报警系统。但是该方法不能提供膜片的位移信息。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于目前对隔膜压缩机膜片监测的现有技术方案主要是针对膜片破裂失效故障，基于三层膜片结构形成的泄漏检测系统，中间膜片加工径向刻线与集气腔连通。当油侧或气侧任何一侧膜片发生破损时，则相应的介质会渗透到气体侧和油侧的隔膜之间，从而膜片之间的腔室加压，该腔室连接到压力开关或接触压力计，触发膜片失效报警系统。但是该方法不能提供膜片的位移信息的问题，本申请提供了一种隔膜压缩机膜片位移无损监测系统及方法。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，包括膜片组件、应变花电路组和数据采集处理组件，所述应变花电路组件与所述数据采集处理组件连接，所述膜片组件包括依次排列的第一膜片、第二膜片和第三膜片，所述应变花电路组包括第一应变花电路和第二应变花电路；
所述第一应变花电路包括相互连接的第一应变花组件和第一桥式电路组，所述第一应变花组件设置于所述第一膜片表面，所述第二应变花电路包括相互连接的第二应变花组件和第二桥式电路组，所述第二应变花组件设置于所述第三膜片表面。
本申请提供的另一种实施方式为：所述第一应变花组件包括第一应变片和第二应变片，所述第一应变片与所述第二应变片错位连接，所述第一桥式电路组包括第一桥式电路和第二桥式电路，所述第一应变片与所述第一桥式电路连接，所述第二应变片与所述第二桥式电路连接；
所述第二应变花组件包括第三应变片和第四应变片，所述第三应变片与所述第四应变片错位连接，所述第二桥式电路组包括第三桥式电路和第四桥式电路，所述第三应变片与所述第三桥式电路连接，所述第四应变片与所述第四桥式电路连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述第一应变片与所述第二应变片互相垂直，所述第三应变片与所述第四应变片相互垂直。
本申请提供的另一种实施方式为：所述第一桥式电路为1/4电桥电路，所述第二桥式电路为1/4电桥电路，所述第三桥式电路为1/4电桥电路，所述第四桥式电路为1/4电桥电路。
本申请提供的另一种实施方式为：所述第二膜片包括刻线区，所述第一膜片包括第一粘贴部，所述第一粘贴部与所述刻线区对应设置，所述第三膜片包括第二粘贴部，所述第三粘贴部与所述刻线区对应设置，所述第一应变花电路粘贴在所述第一粘贴部，所述第二应变花电路粘贴在第二粘贴部。
本申请提供的另一种实施方式为：所述第一应变花组件依次通过所述第二膜片的刻线、集气腔和集气腔通道与所述第一桥式电路组连接，所述第二应变花组件依次通过所述第二膜片的刻线、集气腔和集气腔通道与所述第二桥式电路组连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述数据采集处理组件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第一应变花组件连接，所述信号采集单元与所述第二应变花组件连接，所述信号采集单元与所述光电传感器连接；所述信号采集单元与数据处理单元连接。
本申请还提供一种隔膜压缩机膜片位移无损监测方法，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光电传感器输出的第一电压信号、第一应变花电路输出的第二电压信号和第二应变花电路输出的第三电压信号，同时将所述第一电压信号转换为第一数字信号进行存储，将所述第二电压信号转换为第二数字信号进行存储，将所述第三电压信号转换为第三数字信号进行存储；
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，对所述第三数字信号进行处理。
本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤3中对所述第二数字信号进行处理和对所述第三数字信号进行处理包括：
计算所述第一膜片径向应变、第一膜片周向应变、第三膜片径向应变和第三膜片周向应变；将第一膜片简化为周边固支的圆形平板模型，将第三膜片简化为周边固支的圆形平板模型，根据所述第一膜片径向应变和所述第一膜片周向应变计算出第一膜片挠度，即为第一膜片位移；根据所述第三膜片径向应变和所述第三膜片周向应变计算出第三膜片挠度，即为第三膜片位移。
本申请提供的另一种实施方式为：所述应变计算公式为：
Figure BDA0002584242980000031
其中，θ代表曲柄转角(0～360°)，e(θ)为数字信号，ν为泊松比，E为弹性模量，Ks为应变片灵敏度系数。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统的有益效果在于：
本申请提供的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，为一种隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，在隔膜压缩机运行期间，实现膜片动态位移监测。
本申请提供的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，提出一种隔膜压缩机膜片位移监测系统，在隔膜压缩机运行期间，实现膜片位移的动态压差监测，进而实现隔膜压缩机的运行健康状态无损监测和诊断。
附图说明
图1是本申请的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统第一结构示意图；
图2是本申请的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统第二结构示意图；
图3是本申请的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统整体结构示意图；
图4是本申请的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统原理示意图；
图中：1-第一膜片、2-第二膜片、3-第三膜片、4-第一应变花组件、5-第二应变花组件、6-刻线区、7-集气腔、8-集气腔通道、9-信号采集单元、10-飞轮、11-光电传感器、12-数据处理单元。
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。
应变花是一个术语，采用两个或两个以上的应变片，紧密地排列以测量构件不同方向的应变。单应变片仅能测量单个方向的应变，应变花使用多个应变片进行多个方向应变测量，更精确地测量被测表面的应变。
参见图1～4，本申请提供一种隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，包括膜片组件、应变花电路组和数据采集处理组件，所述应变花电路组件与所述数据采集处理组件连接，所述膜片组件包括依次排列的第一膜片1、第二膜片2和第三膜片3，所述应变花电路组包括第一应变花电路和第二应变花电路；
所述第一应变花电路包括相互连接的第一应变花组件4和第一桥式电路组，所述第一应变花组件设置于所述第一膜片1表面，靠近第二膜片2一侧的表面，所述第二应变花电路包括相互连接的第二应变花组件5和第二桥式电路组，所述第二应变花组件5设置于所述第三膜片3表面，靠近第二膜片2一侧的表面。
这里的第一膜片1为气侧膜片，第二膜片2为中间膜片，第三膜片3为油侧膜片。三片膜片沿周边被油侧缸盖和气侧缸盖夹紧，油腔和气腔，三片膜片运行过程中紧密贴合无相对运动。
进一步地，所述第一应变花组件包括第一应变片和第二应变片，所述第一应变片与所述第二应变片错位连接，所述第一桥式电路组包括第一桥式电路和第二桥式电路，所述第一应变片与所述第一桥式电路连接，所述第二应变片与所述第二桥式电路连接；
所述第二应变花组件包括第三应变片和第四应变片，所述第三应变片与所述第四应变片错位连接，所述第二桥式电路组包括第三桥式电路和第四桥式电路，所述第三应变片与所述第三桥式电路连接，所述第四应变片与所述第四桥式电路连接。
进一步地，所述第一应变片与所述第二应变片互相垂直，所述第三应变片与所述第四应变片相互垂直。
进一步地，所述第一桥式电路为1/4电桥电路，所述第二桥式电路为1/4电桥电路，所述第三桥式电路为1/4电桥电路，所述第四桥式电路为1/4电桥电路。
当然，这里选择其他的桥式电路也是可以的，普遍采用的是1/4,1/2和全桥，这几种都可以。
进一步地，所述第二膜片包括刻线区6，所述第一膜片1包括第一粘贴部，所述第一粘贴部与所述刻线区6对应设置，所述第三膜片3包括第二粘贴部，所述第三粘贴部与所述刻线区6对应设置，所述第一应变花电路粘贴在所述第一粘贴部，所述第二应变花电路粘贴在第二粘贴部。
进一步地，所述第一应变花组件依次通过所述第二膜片2的刻线、集气腔7和集气腔通道8与所述第一桥式电路组连接，所述第二应变花组件依次通过所述第二膜片2的刻线、集气腔7和集气腔通道8与所述第二桥式电路组连接。
进一步地，所述数据采集处理组件包括光电传感单元和信号采集单元9，所述光电传感单元包括飞轮10，所述飞轮10与光电传感器11相应设置，所述信号采集单元9与所述第一应变花组件连接，所述信号采集单元9与所述第二应变花组件连接，所述信号采集单元9与所述光电传感器11连接；所述信号采集单元9与数据处理单元12连接。
这里的数据处理单元12为智能终端，智能终端可以是计算机。
本申请还提供一种隔膜压缩机膜片位移无损监测方法，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光电传感器11输出的第一电压信号、第一应变花电路输出的第二电压信号和第二应变花电路输出的第三电压信号，同时将所述第一电压信号转换为第一数字信号进行存储，将所述第二电压信号转换为第二数字信号进行存储，将所述第三电压信号转换为第三数字信号进行存储；
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，对所述第三数字信号进行处理。
进一步地，所述步骤3中对所述第二数字信号进行处理和对所述第三数字信号进行处理包括：
计算所述第一膜片1径向应变、第一膜片1周向应变、第三膜片3径向应变和第三膜片3周向应变；将第一膜片1简化为周边固支的圆形平板模型，将第三膜片3简化为周边固支的圆形平板模型，根据所述第一膜片1径向应变和所述第一膜片1周向应变计算出第一膜片1挠度，即为第一膜片1位移；根据所述第三膜片3径向应变和所述第三膜片3周向应变计算出第三膜片3挠度，即为第三膜片3位移。
进一步地，所述应变计算公式为：
Figure BDA0002584242980000061
其中，θ代表曲柄转角(0～360°)，e(θ)为数字信号，v为泊松比，E为弹性模量，Ks为应变片灵敏度系数。
实施例
a.构建膜片应变测量系统
(1)根据膜片材料和中间膜片径向刻线尺寸选择合适的应变片型号；
(2)粘贴2片应变花。每片应变花包含2片互相垂直布置的应变片，分别沿着径向方向和周向方向粘贴在气侧和油侧膜片对应中间膜片径向刻线的区域。为了防止2片应变片因自身厚度，随着膜片运动发生接触，因此需要错位分别粘贴2片应变片；应变片的线通过中间膜片刻线、集气腔7、集气腔通道8穿出；
(3)连接电桥。选用1/4法构建电桥电路，将2片应变片分别与2个电桥相连；
(4)在飞轮10处安装光电传感器11，通过得到的外止点信号，确定压缩机曲柄转角θ初始值0；
(5)配置数据采集系统，包括采集卡、信号调理模块，设置数据采样频率，以及对应的采集通道。
b.信号采集
按照a.(5)步骤中的预设参数采集测量系统中应变片电路产生的电压信号。电路输出的模拟信号经过信号采集单元0转换成最终所需要的数字信号存储到计算机硬盘中供后续分析和处理。其中，计算机除了存储数据外，还要运行信号采集程序，控制信号采样及显示，如设置采样频率和样本保存长度等参数。信号采集单元9实现信号滤波、放大，调理及A/D转换这一系列功能。
c.数据处理
根据测得的电压数据，分别计算出油/气侧膜片应变：
Figure BDA0002584242980000062
其中，θ代表曲柄转角(0～360°)，e(θ)为采集到的电压信号，v为泊松比，E为弹性模量，Ks为应变片灵敏度系数，εroil(θ)和εrgas(θ)分别代表油/气侧膜片径向应变，εθoil(θ)和εθgas(θ)分别代表油/气侧膜片周向应变。将膜片简化为周边固支的圆形平板模型，根据周向应变和径向应变可计算出油/气测膜片挠度，即为膜片位移。
图3是数据采集具体流程，应变片和光电传感器11输出的模拟信号经过信号采集单元9转换成最终所需要的数字信号存储到计算机硬盘中供后续分析和处理。其中，计算机除了存储数据外，还要运行信号采集程序，控制信号采样及显示，如设置采样频率和样本保存长度等参数。信号采集单元9实现信号滤波、放大，调理及A/D转换这一系列功能。
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)

1.一种隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，其特征在于：包括膜片组件、应变花电路组和数据采集处理组件，所述应变花电路组与所述数据采集处理组件连接，所述膜片组件包括依次排列的第一膜片、第二膜片和第三膜片，所述应变花电路组包括第一应变花电路和第二应变花电路；
所述第一应变花电路包括相互连接的第一应变花组件和第一桥式电路组，所述第一应变花组件设置于所述第一膜片表面，所述第二应变花电路包括相互连接的第二应变花组件和第二桥式电路组，所述第二应变花组件设置于所述第三膜片表面；
计算所述第一膜片径向应变、第一膜片周向应变、第三膜片径向应变和第三膜片周向应变；将第一膜片简化为周边固支的圆形平板模型，将第三膜片简化为周边固支的圆形平板模型，根据所述第一膜片径向应变和所述第一膜片周向应变计算出第一膜片挠度，即为第一膜片位移；根据所述第三膜片径向应变和所述第三膜片周向应变计算出第三膜片挠度，即为第三膜片位移。
2.如权利要求1所述的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，其特征在于：所述第一应变花组件包括第一应变片和第二应变片，所述第一应变片与所述第二应变片错位连接，所述第一桥式电路组包括第一桥式电路和第二桥式电路，所述第一应变片与所述第一桥式电路连接，所述第二应变片与所述第二桥式电路连接；
所述第二应变花组件包括第三应变片和第四应变片，所述第三应变片与所述第四应变片错位连接，所述第二桥式电路组包括第三桥式电路和第四桥式电路，所述第三应变片与所述第三桥式电路连接，所述第四应变片与所述第四桥式电路连接。
3.如权利要求2所述的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，其特征在于：所述第一应变片与所述第二应变片互相垂直，所述第三应变片与所述第四应变片相互垂直。
4.如权利要求2所述的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，其特征在于：所述第一桥式电路为1/4电桥电路，所述第二桥式电路为1/4电桥电路，所述第三桥式电路为1/4电桥电路，所述第四桥式电路为1/4电桥电路。
5.如权利要求1～4中任一项所述的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，其特征在于：所述第二膜片包括刻线区，所述第一膜片包括第一粘贴部，所述第一粘贴部与所述刻线区对应设置，所述第三膜片包括第二粘贴部，所述第二粘贴部与所述刻线区对应设置，所述第一应变花电路粘贴在所述第一粘贴部，所述第二应变花电路粘贴在第二粘贴部。
6.如权利要求5所述的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，其特征在于：所述第一应变花组件依次通过所述第二膜片的刻线、集气腔和集气腔通道与所述第一桥式电路组连接，所述第二应变花组件依次通过所述第二膜片的刻线、集气腔和集气腔通道与所述第二桥式电路组连接。
7.如权利要求5所述的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统，其特征在于：所述数据采集处理组件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第一应变花组件连接，所述信号采集单元与所述第二应变花组件连接，所述信号采集单元与所述光电传感器连接；所述信号采集单元与数据处理单元连接。
8.一种根据权利要求1的隔膜压缩机膜片位移无损监测系统的监测方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1、通过数据采集处理组件的信号采集单元同步采集数据采集处理组件的光电传感器输出的第一电压信号、第一应变花电路输出的第二电压信号和第二应变花电路输出的第三电压信号，同时将所述第一电压信号转换为第一数字信号进行存储，将所述第二电压信号转换为第二数字信号进行存储，将所述第三电压信号转换为第三数字信号进行存储；
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，对所述第三数字信号进行处理；
所述步骤3中对所述第二数字信号进行处理和对所述第三数字信号进行处理包括：
计算所述第一膜片径向应变、第一膜片周向应变、第三膜片径向应变和第三膜片周向应变；将第一膜片简化为周边固支的圆形平板模型，将第三膜片简化为周边固支的圆形平板模型，根据所述第一膜片径向应变和所述第一膜片周向应变计算出第一膜片挠度，即为第一膜片位移；根据所述第三膜片径向应变和所述第三膜片周向应变计算出第三膜片挠度，即为第三膜片位移。
9.如权利要求8所述的监测方法，其特征在于：所述应变计算公式为：
Figure 108944DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 557243DEST_PATH_IMAGE002
代表曲柄转角（0～360°），
Figure 868139DEST_PATH_IMAGE003
为数字信号，
Figure 794506DEST_PATH_IMAGE004
为泊松比,
Figure 890769DEST_PATH_IMAGE005
为弹性模量，
Figure 244390DEST_PATH_IMAGE006
为应变片灵敏度系数。
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