CN116465768A - 具有疲劳预警功能的密封膜装置、储能系统及预警方法 - Google Patents

具有疲劳预警功能的密封膜装置、储能系统及预警方法 Download PDF

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CN116465768A CN202310396027.6A CN202310396027A CN116465768A CN 116465768 A CN116465768 A CN 116465768A CN 202310396027 A CN202310396027 A CN 202310396027A CN 116465768 A CN116465768 A CN 116465768A
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邢宇
杨红星
杨海龙
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刘旺重
马永伟
杜清灿
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Abstract

本申请实施例提出了具有疲劳预警功能的密封膜装置、储能系统及预警方法，基于机器学习算法，以单位时间内密封膜阻抗信号、拉力、密封膜内部气压、位置、厚度等参数作为自变量，以织物带的服役位姿变化为因变量构建多自变量/多元回归函数，在考虑多因素影响下，获得织物带电阻响应与应变之间的映射关系，进而快速确定密封膜当前疲劳状态。

Description

具有疲劳预警功能的密封膜装置、储能系统及预警方法
技术领域
本申请涉及储能设备技术领域，尤其涉及具有疲劳预警功能的密封膜装置、储能系统及预警方法。
背景技术
现阶段储能装置主要分为两大类，一种是弹簧储能；另一种是压缩气体储能。压缩气体储能装置在服役过程中会使得密封膜在行程区间内反复弯折，使其过早的进入到疲劳阶段，进而发生疲劳破坏。一旦密封膜破裂，压缩气体储能装置将无法继续工作，进而造成停工停产等一系列经济损失。因此对于密封膜早期疲劳状态的监测预警显得十分重要，但由于密封膜大多采用软体材料进行制备，而传统的刚性传感器无法精准判断密封膜疲劳程度和形貌，导致现有的监测方法针对性不强，难以有效实施与推广。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的目的在于提出具有疲劳预警功能的密封膜装置、储能系统及预警方法，能够实时对密封膜当前的工况参数进行获取并准确有效地对密封膜疲劳预警。
为达到上述目的，本申请提出一种具有疲劳预警功能的密封膜装置，包括：
密封膜；其内部设置织物内芯；所述织物内芯包括传感带和织物带；其中所述传感带和所述织物带经纬交错连接；所述传感带采集所述织物带的工况参数；以及
分别与控制器连接的传感器和报警器；所述传感器获取所述密封膜内所述传感带的采集数据并将数据信号传输至所述控制器；所述控制器根据数据信号判断所述传感带是否处于疲劳状态，并在所述控制器做出肯定判断时所述报警器预警。
在一些实施例中，所述传感带包括由外到内依依次设置的封装层、复合材料层和导电信号层；所述导电信号层为浸入纳米银材料的聚二甲基硅氧烷材料形成；所述复合材料层为碳纳米管-硅橡胶复合材料形成，所述封装层为硅橡胶。
在一些实施例中，所述传感带和所述织物带经过交叉、绕结或编织连接。
在一些实施例中，所述密封膜还包括包裹所述织物内芯的柔性壳体。
在一些实施例中，所述柔性壳体包括上包布层和下包布层；所述织物内芯设置在所述上包布层和下包布层之间。
在一些实施例中，提出了一种压缩空气储能系统，包括上述任一实施中所述的密封膜装置。
在一些实施例中，还包括机架、重力组件、空气压缩单元和空气膨胀做功单元；其中密封膜装置设置在所述机架内；其上方设置重力组件；所述空气压缩单元和所述空气膨胀做功单元均分别与所述密封膜连通，用于向所述密封膜内输入压缩空气和释放所述密封膜内的压缩空气。
在一些实施例中，提出了一种密封膜装置的疲劳预警方法，对上述任一实施中所述的密封膜装置进行疲劳预警，包括
传感带采集单位时间内织物带的工况参数并传递至控制器；
所述控制器对单位时间内的样本工况参数归一化处理，并以工况参数为自变量，织物带应变为因变量，获得当前时刻所述织物带应变的特征参数；
将所述织物带应变的特征参数反归一化获得所述织物带实际服役位姿；
通过获得的所述织物带实际服役位姿得到单位时间内密封膜的弯折程度，并由所述控制器判定是否启动报警器。
在一些实施例中，所述控制器对单位时间内的工况参数归一化处理的公式为：
x′为工况参数；下角标i为正整数，代表不同的工况参数，x为参数x′的归一化结果；μ是参数的均值；δ是参数的标准差。
在一些实施例中，以工况参数为自变量，织物带应变为因变量，获得当前时刻所述织物带应变的特征参数方法为：
(1)设满足工况参数与织物带应变之间的多元映射关系表达式为
y＝C0+C1x1+C2x2+...+Cixi+...+Ckxk
y为织物带的应变；x为工况参数；Ci为第i项工况参数的权重系数，i∈[0,k]；k为工况参数的总个数；
(2)令yj＝(y1,y2,...yn)，
依据求得每个待定权重系数Ci；β为计算率；n为样本个数；上角标j代表样本数据中的第j个数据，j∈[1,n]；Y为织物带应变在实验过程中的测试结果；
(3)根据Ci可通过对比式(2)的计算结果y和实验过程中实际测试结果Y判断映射关系是否合适；并利用公式(3)重新训练权重系数Ci，直至满足要求为止；其中判定结果可获得式为
ε为判定结果。
在一些实施例中，在影响织物带实际服役位姿特征的工况参数(2)难以对其有效表征时，设满足工况参数与织物带应变之间的多元映射关系表达式为 并重复步骤(1)-(3)，直到经过修正的工况参数与织物带应变之间的多元映射关系表达式满足要求。
在一些实施例中，所述工况参数包括阻抗信号、拉力、内部气压、位置和厚度。
在一些实施例中，反归一化公式为xi'＝δxi+μ；x′为工况参数；下角标i为正整数，代表不同的工况参数，x为参数x'的归一化结果；μ是参数的均值；δ是参数的标准差。
本申请的密封膜装置结构简单，适用性广；通过构建具有变形导电性能的传感带，并将其与织物带编织到一起实现对密封膜当前疲劳状态的精准表征；此外本申请的密封膜装置实时性强，能够通过织物带的电阻响应与应变之间的映射关系对密封膜疲劳状态进行实时反馈；对于精准预判密封膜早期疲劳破坏具有重要意义。此外在本申请的疲劳预警方法中，利用压阻型传感材料应变与电阻正相关这一特性，根据采集到的阻抗信号获取当前柔性传感材料变形程度，进而评估密封膜当前疲劳状态；评估方式涵盖因素多，能够根据密封膜多种工况参数综合判定各因素对于密封膜疲劳效果所占权重，评估效果全面且适用性广。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请一实施例提出的密封膜装置的示意图；
图2是本申请一实施例提出的密封膜的结构示意图；
图3是本申请一实施例提出的织物内芯的结构示意图；
图4是本申请一实施例提出的传感带的结构示意图；
图5是本申请一实施例提出的压缩空气储能系统的结构示意图；
图6是本申请一实施例提出的密封膜装置的疲劳预警方法流程图；
图中，1、传感带；11、封装层；12、复合材料层；13、导电信号层；2、织物带；3、上包布层；4、下包布层；5、密封膜；6、机架；7、重力组件；8、传感器；9、控制器；10、报警器；14、织物内芯。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
为达到上述目的，参见图1本申请提出一种具有疲劳预警功能的密封膜装置，包括密封膜5、分别与控制器9连接的传感器8和报警器10；其中密封膜5内部设置有织物内芯14；其中织物内芯14包括经纬交错连接的传感带1和织物带2，传感带1可采集织物带2的工况参数。换言之，密封膜5为内部有容纳空腔的气囊结构，可通过充气将高压空气存入其空腔内，渐多的气体充入使得密封膜5内具有一定的压力。本实施例中的密封膜5为柔性、具有弹力且可扩张的材料组成，本实施例密封膜5为内部设置有织物内芯14的材料组成，织物内芯14包括经纬交错连接的传感带1和织物带2，在密封膜5内具有一定的压力时，传感带1可随时采集织物带2的工况参数。其中工况参数包括阻抗信号、拉力、内部气压、位置、厚度等参。
本实施例中密封膜装置还包括控制器9以及分别与控制器9连接的传感器8和报警器10；传感器8获取密封膜5内传感带1的采集数据并将数据信号传输至控制器9；控制器9根据数据信号判断传感带1是否处于疲劳状态，并在控制器9做出肯定判断时报警器10预警。本实施例中的密封膜装置中控制器9可实时对密封膜5的实际服役位姿进行检测，并判断其疲劳工况，对于密封膜5早期疲劳失效的监测具有重要意义。
在一些实施例中，传感带1包括由外到内依依次设置的封装层11、复合材料层12和导电信号层13；导电信号层13为浸入纳米银材料的聚二甲基硅氧烷材料形成；复合材料层12为碳纳米管-硅橡胶复合材料形成，封装层11为硅橡胶。
其中，传感带1具有传感功能包括封装层11、复合材料层12和导电信号层13；其中导电信号层13用以获取拉伸阻抗信号，复合材料层12用于减少正压力对拉伸阻抗信号干扰，并包裹在导电信号层13的外部；封装层11用以封装并包裹在复合材料层12的外部。如图4所示传感带1为圆柱形柔性结构，导电信号层13为浸入纳米银材料的聚二甲基硅氧烷材料；复合材料层12为碳纳米管-硅橡胶复合材料，封装层11为硅橡胶。
本实施例通过传感器8获取传感带1当前的运行工况参数，依据多元的工况参数与传感带1服役位姿特征之间的映射关系，对传感带1的应变进行估算，进而获得密封膜5整体应变，如应变超过织物内芯14的许用值则报警器10报警，实现密封膜5疲劳预警功能。
在一些实施例中，传感带1和织物带2经过交叉、绕结或编织连接。
其中传感带1和织物带2经过交叉、绕结或编织连接，如图3所示，本实施例中将传感带1和织物带2交叉、绕结或编织形成经纬交错连接的结构，便于传感带1均匀分布在之间织物带2，可对织物带2进行准确的工况参数采集，增加了密封膜5疲劳预警的准确性。
在一些实施例中，密封膜5还包括包裹织物内芯14的柔性壳体。
其中密封膜5还包括柔性壳体，其中柔性壳体包裹在织物内芯14的外部，用于保护织物内芯14，防止织物内芯14磨损增加密封膜5使用寿命的同时，也对织物内芯14进行密封，以实现密封膜5充气及存储气体的功能。示例的如图2所示，柔性壳体包括上包布层3和下包布层4；织物内芯14设置在上包布层3和下包布层4之间。
在一些实施例中，提出了一种压缩空气储能系统，包括上述任一实施中的密封膜装置。示例的如图5所示，压缩空气储能系统还包括机架6、重力组件7、空气压缩单元和空气膨胀做功单元；其中密封膜装置设置在机架6内；其上方设置重力组件7；空气压缩单元和空气膨胀做功单元均分别与密封膜5连通，用于向密封膜5内输入压缩空气和释放密封膜5内的压缩空气。可知的，机架6、重力组件7、空气压缩单元和空气膨胀做功单元为本领域常规技术设置，不再赘述。其中压缩空气储能系统的运行方法为：在储能工况下，空气压缩单元压缩空气并产生高压空气，高压空气存储在密封膜5内，同时将密封膜5上方的重力组件7向上顶起，重力组件7产生一定的重力势能；在在释能工况下，高压空气存储在密封膜5内的高压空气进入空气膨胀做功单元，同时重力组件7释放重力势能向下运行，并将高压空气排至空气膨胀做功单元内。
在一些实施例中，提出了一种密封膜装置的疲劳预警方法如图6所示，对上述任一实施中的密封膜装置进行疲劳预警，包括
S1：传感带1采集单位时间内织物带2的工况参数并传递至控制器9；
S2：控制器9对单位时间内的样本工况参数归一化处理，并以工况参数为自变量，织物带应变为因变量，获得当前时刻织物带应变的特征参数；
S3：将织物带应变的特征参数反归一化获得织物带2实际服役位姿；
S4：通过获得的织物带2实际服役位姿得到单位时间内密封膜5的弯折程度，并由控制器9判定是否启动报警器10。
由于密封膜5内部织物带2特性较为复杂，易受到多种因素的干扰，如拉力、密封膜5内部气压、密封膜5不同位置、密封膜5厚度等等，因此织物带2当前服役位姿与拉伸阻抗信号之间并非简单的线性关系，需要对其进行综合考虑。如5所示，利用传感器8对密封膜5某一位置织物带2的阻抗信号、拉力、内部气压、位置、厚度等工况参数进行采集，并将采集的数据信号传输至控制器9；控制器9首先对各类信号进行归一化处理；根据多个工况参数与织物带应变之间的多元映射关系，计算织物带2当前位置的服役位姿特征；最后对服役位姿特征参数进行反归一化，获得其应变幅值，并以此作为参考判断密封膜5的弯折程度是否处于疲劳状态，如织物带2当前位置的应变幅值超过许用值，则报警器10进行报警，从而实现密封膜5实时疲劳预警功能。
具体按照以下步骤实施：
S1中传感器8以单位时间为样本实时采集密封膜5某一位置织物带2的工况参数，如阻抗信号、拉力、内部气压、位置、厚度等，并传递至控制器9。
S2中控制器9对单位时间内样本参数进行归一化处理，归一化方法如下，
x′为传感器8测得的工况参数；下角标i为正整数，代表不同的工况参数，例如：角标1表示织物带2阻抗信号、角标2表示拉力、角标3表示内部气压等等；x为参数x′的归一化结果；μ是测量参数的均值；δ是测量参数的标准差。
再以单位时间内各个工况参数为自变量，织物带应变为因变量，依据各参数之间的多元映射关系，获得当前时刻织物带应变的特征参数。多元的工况参数与织物带应变之间的映射关系可在材料制备过程中通过如下方法获得，
(1)设满足多元工况参数与织物带应变之间的多元映射关系表达式如下，
y＝C0+C1x1+C2x2+...+Cixi+...+Ckxk
y为织物带2的应变；x为工况参数；Ci为第i项工况参数的权重系数，i∈[0,k]；k为工况参数的总个数。
(2)令yj＝(y1,y2,...yn)，依据如下公式求得每个待定权重系数Ci，
β为计算率；n为样本个数；上角标j代表实验样本数据中的第j个数据，j∈[1,n]；Y为织物带应变在实验过程中的测试结果。
(3)求出权重系数Ci后，可通过对比式(2)的计算结果y和实验过程中实际测试结果Y来判断映射关系是否合适。如不合适，可利用公式(3)重新训练权重系数Ci，直至满足要求为止。判定结果可由下式获得，
ε为判定结果。
在一些实施例中还包括步骤(4)，如影响织物带2服役位姿特征的工况参数过多，(2)难以对其有效表征，则可y＝C0+C1x1+C2x2+...+Cixi+...+Ckxk(2)的基础上，将其改为多元二次方程，即为重复步骤(1)-(3)，直到经过修正的工况参数与织物带应变之间的多元映射关系表达式满足要求为止。
S3中，将计算后的织物带2特征参数进行反归一化，获得实际织物带2服役位姿，反归一化公式如下，
xi'＝δxi+μ，x'为工况参数；下角标i为正整数，代表不同的工况参数，x为参数x'的归一化结果；μ是参数的均值；δ是参数的标准差。
S4中，由于密封膜5的织物内芯14是织物带2和织物材料按照同样的方式编织而成，因此通过织物带2的服役位姿即可估算出单位时间内密封膜5的弯折程度。如弯折程度超过织物材料的许用范围，则认为密封膜5处于疲劳状态，此时报警器10发出警报，压缩气体储能装置密封膜5的疲劳预警功能完成。
因此本申请中织物带2多元工况参数与位姿特征映射关系拟合方法包括多元信号的归一化，映射关系表达式的拟定，权重系数的估算，表达式准确性判断，反归一化计算以及提高拟合精度的方法，实现控制器9中基于织物带2当前工况参数对其应变估算的重要步骤。因此基于机器学习算法，以单位时间内密封膜5阻抗信号、拉力、密封膜5内部气压、位置、厚度等参数作为自变量，以织物带2的服役位姿变化为因变量构建多自变量/多元回归函数，在考虑多因素影响下，获得织物带2电阻响应与应变之间的映射关系，进而快速确定密封膜5当前疲劳状态。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种具有疲劳预警功能的密封膜装置，其特征在于，包括：
密封膜；其内部设置织物内芯；所述织物内芯包括经纬交错连接的传感带和织物带；所述传感带采集所述织物带的工况参数；以及
分别与控制器连接的传感器和报警器；所述传感器获取所述密封膜内所述传感带的采集数据并将数据信号传输至所述控制器；所述控制器根据数据信号判断所述传感带是否处于疲劳状态，并在所述控制器做出肯定判断时所述报警器预警。
2.根据权利要求1所述的密封膜装置，其特征在于，所述传感带包括由外到内依依次设置的封装层、复合材料层和导电信号层；所述导电信号层为浸入纳米银材料的聚二甲基硅氧烷材料形成；所述复合材料层为碳纳米管-硅橡胶复合材料形成，所述封装层为硅橡胶。
3.根据权利要求1所述的密封膜装置，其特征在于，所述传感带和所述织物带经过交叉、绕结或编织连接。
4.根据权利要求1-3任一所述的密封膜装置，其特征在于，所述密封膜还包括包裹所述织物内芯的柔性壳体。
5.根据权利要求4所述的密封膜装置，其特征在于，所述柔性壳体包括上包布层和下包布层；所述织物内芯设置在所述上包布层和下包布层之间。
6.一种压缩空气储能系统，其特征在于，包括权利要求1-5中任一所述的密封膜装置。
7.根据权利要求6所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括机架、重力组件、空气压缩单元和空气膨胀做功单元；其中密封膜装置设置在所述机架内；其上方设置重力组件；所述空气压缩单元和所述空气膨胀做功单元均分别与所述密封膜连通，用于向所述密封膜内输入压缩空气和释放所述密封膜内的压缩空气。
8.一种密封膜装置的疲劳预警方法，其特征在于，对权利要求1-5中任一所述的密封膜装置进行疲劳预警，包括
传感带采集单位时间内织物带的工况参数并传递至控制器；
所述控制器对单位时间内的样本工况参数归一化处理，并以工况参数为自变量，织物带应变为因变量，获得当前时刻所述织物带应变的特征参数；
将所述织物带应变的特征参数反归一化获得所述织物带实际服役位姿；
通过获得的所述织物带实际服役位姿得到单位时间内密封膜的弯折程度，并由所述控制器判定是否启动报警器。
9.根据权利要求8所述的疲劳预警方法，其特征在于，所述控制器对单位时间内的工况参数归一化处理的公式为：
其中，x′为工况参数；下角标i为正整数，代表不同的工况参数，x为参数x的归一化结果；μ是参数的均值；δ是参数的标准差。
10.根据权利要求8所述的疲劳预警方法，其特征在于，以工况参数为自变量，织物带应变为因变量，获得当前时刻所述织物带应变的特征参数方法为：
(1)设满足工况参数与织物带应变之间的多元映射关系表达式为
y＝C0+C1x1+C2x2+...+Cixi+...+Ckxk
其中，y为织物带的应变；x为工况参数；Ci为第i项工况参数的权重系数，i∈[0,k]；k为工况参数的总个数；
(2)令yj＝(y1,y2,...yn),
依据求得每个待定权重系数Ci，其中，β为计算率；n为样本个数；上角标j代表样本数据中的第j个数据，j∈[1,n]；Y为织物带应变在实验过程中的测试结果；
(3)根据Ci可通过对比式的计算结果y和实验过程中实际测试结果Y判断映射关系是否合适；并利用公式(3)重新训练权重系数Ci，直至满足要求为止；其中判定结果可获得式为ε为判定结果。
11.根据权利要求10所述的疲劳预警方法，其特征在于，在影响织物带实际服役位姿特征的工况参数(2)难以对其有效表征时，设满足工况参数与织物带应变之间的多元映射关系表达式为并重复步骤(1)-(3)，直到经过修正的工况参数与织物带应变之间的多元映射关系表达式满足要求。
12.根据权利要求8所述的疲劳预警方法，其特征在于，所述工况参数包括阻抗信号、拉力、内部气压、位置和厚度。
13.根据权利要求10所述的疲劳预警方法，其特征在于，反归一化公式为x′i＝δxi+μ；其中，x′为工况参数；下角标i为正整数，代表不同的工况参数，x为参数x′的归一化结果；μ是参数的均值；δ是参数的标准差。
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