CN116591949B - 一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压缩机技术领域，具体是一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置及监测方法，隔膜压缩机的缸盖上开设有缸盖螺栓孔，隔膜压缩机的缸体上开设有缸体螺栓孔，固定螺栓依次穿过缸盖螺栓孔以及缸体螺栓孔后通过螺母将缸盖以及缸体锁紧固定，缸盖螺栓孔的孔壁上布置有测量缸盖压缩量的第一应变片，固定螺栓上布置有测量固定螺栓伸长量的第二应变片，缸盖与缸体之间存在安装间隙，第一应变片以及第二应变片的导线通过安装间隙向外引出；本发明无需将应变片侵入隔膜压缩机内即可测量计算得出隔膜压缩机内的气压值，不会对隔膜压缩机的正常工作产生影响。
Description
技术领域
本发明涉及压缩机技术领域，具体是一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置及监测方法。
背景技术
隔膜式压缩机是一种特殊的容积式压缩机，通过活塞带动液压油，液压油再驱动膜片变形改变气腔容积，从而完成吸气、压缩和排气过程，因其利用膜片将驱动介质液压油和被压缩的气体工质完全隔离，使其具有密封性能好、气体无污染的优点，另外隔膜式压缩机的压比较大，所以被广泛用于石油化工、航天航空、食品加工等领域中稀有气体、有毒有害气体以及易燃易爆气体的增压。
目前对于高压隔膜压缩机运行状态的监测主要基于隔膜压缩机进排气管道内气压、气温和油腔内油压、油温进行，不易实时获取隔膜压缩机气腔内的准确气压。如专利号“CN110374857A”所示，通过在缸体气阀孔中内置应变片的方式可测得隔膜压缩机气腔内的气压，这种内置应变片的方式需要将应变片的导线向外引出，由于隔膜式压缩机气腔内的压力可高达300MPa，在导线向外引出时会影响气阀的密封和阀板动作，影响气腔内气体的正常增压；又如专利号“CN111927749A”所示，通过在膜片上布置应变片的方式可测得隔膜压缩机气腔内的气压，由于应变片布置在膜片表面，在监测时会影响膜片动作，进而影响膜片寿命和压缩机工作；综上可知，现有隔膜压缩机的气压监测方式，在监测时都会对隔膜压缩机的正常工作产生影响，因此亟待解决。
发明内容
为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置。本发明无需将应变片侵入隔膜压缩机内即可测量计算得出隔膜压缩机内的气压值，不会对隔膜压缩机的正常工作产生影响。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置，隔膜压缩机的缸盖上开设有缸盖螺栓孔，隔膜压缩机的缸体上开设有缸体螺栓孔，固定螺栓依次穿过缸盖螺栓孔以及缸体螺栓孔后通过螺母将缸盖以及缸体锁紧固定，缸盖螺栓孔的孔壁上布置有测量缸盖压缩量的第一应变片，固定螺栓上布置有测量固定螺栓伸长量的第二应变片，缸盖与缸体之间存在安装间隙，第一应变片以及第二应变片的导线通过安装间隙向外引出；
隔膜压缩机内的实时气压值P为:
其中，为隔膜压缩机在排气阀打开后任意时刻的排气压力；
表示排气压力为/>时固定螺栓的伸长量；
表示排气压力为/>时缸盖的压缩量；
为隔膜压缩机停机卸压后固定螺栓的伸长量；
为隔膜压缩机停机卸压后缸盖的压缩量；
为固定螺栓的实时伸长量；
为缸盖的实时压缩量。
作为本发明进一步的方案：所述第一应变片沿缸盖轴向布置，第二应变片沿固定螺栓轴向布置，第一应变片与第一桥式电路连接，第二应变片与第二桥式电路连接。
作为本发明再进一步的方案：所述第一应变片上沿缸盖螺栓孔周向布置有第一温度补偿片，所述第二应变片上沿固定螺栓周向布置有第二温度补偿片。
作为本发明再进一步的方案：该气压监测装置还包括用于采集曲轴或飞轮转动的周期信号的键相识别电路，以获取隔膜压缩机的工作周期，键相识别电路输出的模拟信号经过信号采集模块转换成数字信号用于存储和数据分析处理。
一种监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、搭建所述的一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置；
S2、获取隔膜压缩机的工作周期，根据隔膜压缩机的工作周期处理第一应变片以及第二应变片的电压信号，得出应变片的应变；
S3、根据第一应变片的应变计算得出固定螺栓的实时伸长量，根据第二应变片的应变计算得出缸盖的实时压缩量；
S4、计算得到隔膜压缩机内的实时气压值P:
其中，为隔膜压缩机在排气阀打开后任意时刻的排气压力；
为/>排气压力时固定螺栓的伸长量；
为/>排气压力时缸盖的压缩量；
为隔膜压缩机停机卸压后固定螺栓的伸长量；
为隔膜压缩机停机卸压后缸盖的压缩量；
为固定螺栓的实时伸长量；
为缸盖的实时压缩量。
作为本发明再进一步的方案：在步骤S2中，应变片的应变为：
其中，为隔膜压缩机的曲柄转角；
为采集到的电压信号；
为被测件的泊松比；
为被测件的弹性模量；
为应变片的灵敏度系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明将应变片设置于固定螺栓和缸盖螺栓孔表面，通过缸体和缸盖之间的安装间隙将应变片的导线向外引出，由于应变片无需侵入压缩机的气腔内，不会影响气腔内气体的压缩过程，也无需增加额外的密封，不增加泄露风险，通过测量固定螺栓的实时伸长量以及缸盖的实时压缩量，即可计算得到隔膜压缩机内的实时气压值，不会对隔膜压缩机的正常工作产生影响。
2、本发明将应变片连接桥式电路，提高了应变片组件的灵敏度，并使输入和输出呈线性关系；温度补偿片的布置防止应变片产生温度效应，提高了应变片的测量精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中固定螺栓的结构示意图。
图3为图2中A处的放大图。
图4为本发明中缸盖的结构示意图。
图5为图4中B处的放大图。
图中：
1、缸盖；11、缸盖螺栓孔；12、第一应变片；13、第一温度补偿片；
2、缸体；21、缸体螺栓孔；
3、固定螺栓；31、第二应变片；32、第二温度补偿片；
4、螺母；5、安装间隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～5，本发明实施例中，一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置，隔膜压缩机的缸盖1以及缸体2上分别开设有缸盖螺栓孔11以及缸体螺栓孔21，缸盖螺栓孔11以及缸体螺栓孔21均沿缸盖1轴向布置，且位于同一直线上，缸盖螺栓孔11与缸体螺栓孔21孔径吻合。
缸盖螺栓孔11以及缸体螺栓孔21数量不限，优选为布置两至四组，固定螺栓3的数量与缸盖螺栓孔11以及缸体螺栓孔21数量对应。固定螺栓3穿过缸盖螺栓孔11以及缸体螺栓孔21后，其两端被螺母4锁紧固定，两组螺母4分别与缸盖1以及缸体2抵接，从而将缸盖1压紧在缸体2上。
缸盖螺栓孔11的孔径大于固定螺栓3的外径，以使得缸盖螺栓孔11与固定螺栓3之间还存在一个环形的间隙，环形间隙的宽度大于第一应变片12的厚度。第一应变片12布置在缸盖螺栓孔11的孔壁上，从而可测量缸盖1的压缩量。
缸盖1为下窄上宽的二段式阶梯柱状构造，缸盖1压紧在缸体2上后，缸盖1与缸体2之间还存在一个环状的安装间隙5。缸盖螺栓孔11与安装间隙5连通，第一应变片12的导线通过安装间隙5向外引出，第一应变片12优选沿缸盖1轴向布置。
固定螺栓3上布置有第二应变片31，第二应变片31优选布置在固定螺栓3中部，与安装间隙5位于同一平面上，第二应变片31的导线同样通过安装间隙5向外引出，第二应变片31优选沿固定螺栓3轴向布置。
由于完成固定螺栓3的预紧后，固定螺栓3被拉伸引起应变，故第一应变片12可监测固定螺栓3的预紧力。当固定螺栓3预紧后，缸盖1被压缩引起缸盖螺栓孔11内表面的应变，故第二应变片31可监测缸盖1和缸体2间的夹紧力。缸盖1受到的气压的合力可由固定螺栓3的预紧力减去缸盖1和缸体2间的夹紧力得到，故可通过第一应变片12和第二应变片31共同监测气腔内的气压。
第一应变片12与第一桥式电路连接，第二应变片31与第二桥式电路连接。例如，将应变片接入半桥电路中时，应变片与半桥电路的一个桥臂相连接，以提高测量的灵敏度，使输入和输出呈线性关系。桥式电路也可采用四分之一桥连接方式和全桥连接方式。为防止产生温度效应，提高应变片的测量精度，第一应变片12表面沿缸盖螺栓孔11周向布置有第一温度补偿片13，第二应变片31上沿固定螺栓3周向布置有第二温度补偿片32。第一温度补偿片13与第一桥式电路连接，第二温度补偿片32与第二桥式电路相连接。第一应变片12、第二应变片31、第一温度补偿片13以及第二温度补偿片32均通过粘合剂粘贴固定，这四组应变片的导线为25mm包银铜线，导线直径为0.12mm～0.16mm，根据固定螺栓3与缸盖螺栓孔11之间的间隙选择合适的应变片型号。
温度补偿片也可以设置在其他可保证补偿片处的温度分别与固定螺栓3及缸盖1温度接近且粘贴方向上不受应力的地方。
固定螺栓3和缸盖1发生形变时，第一应变片12以及第二应变片31会随之拉伸和压缩，因此应变片的电阻会发生变化，电阻变化引起桥式电路的输出电压发生改变。第一应变片12以及第一温度补偿片13分别接入第一桥式电路的两个相邻桥臂，另外两个桥臂接固定电阻，第二应变片31以及第二温度补偿片32同理接入第二桥式电路上。与半桥电路连接目的是放大应变片输出电压并消除温度的影响，实际还能以四分之一桥或全桥方式粘贴应变片。
气压监测装置还包括键相识别电路以及信号采集模块，键相识别电路包括布置在隔膜压缩机曲轴或飞轮上的电涡流传感器或光电传感器，信号采集模块与电涡流传感器或光电传感器连接，信号采集模块采集到数据后将数据传递至数据处理模块。
键相识别电路的作用是采集曲轴或飞轮转动的周期信号，以获取隔膜压缩机的工作周期。在曲轴或飞轮处安装电涡流传感器或光电传感器，令外止点处隔膜压缩机的曲柄转角θ等于0，将电涡流传感器或光电传感器输出的模拟信号经过信号采集模块转换成数字信号后存储或传递至数据处理模块处理分析。信号采集模块包括采集卡和信号调理模块，用于实现信号的滤波、放大、调理及A/D转换。数据处理模块是能够对数据进行计算分析的计算机等终端设备。
隔膜压缩机的气压监测方法包括如下步骤：
S1、搭建一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置；
根据固定螺栓3和缸盖螺栓孔11的配合间隙选择应变片型号，选好的应变片进行粘贴后连接电桥，然后安装键相识别电路后，配置信号采集模块。
S2、获取隔膜压缩机的工作周期，根据隔膜压缩机的工作周期处理第一应变片12以及第二应变片31的电压信号，得出应变片的应变；
通过信号采集模块同步采集键相识别电路的键相信号以及应变片的电压信号；根据键相信号获得隔膜压缩机的工作周期。键相信号以及应变片的电压信号经过滤波、放大、调理及A/D转换，转换成数字信号后存储并数据处理。
应变片的应变为：
其中，为隔膜压缩机的曲柄转角；
为采集到的电压信号；
为被测件的泊松比；
为被测件的弹性模量；
为应变片的灵敏度系数。
S3、根据第一应变片12的应变计算得出固定螺栓3的实时伸长量，根据第二应变片31的应变计算得出缸盖1的实时压缩量；因计算方法是现有技术因此不再赘述；
S4、计算得到隔膜压缩机内的实时气压值P:
其中，为隔膜压缩机在排气阀打开后任意时刻的排气压力；
为/>排气压力时固定螺栓3的伸长量；
为/>排气压力时缸盖1的压缩量；
为隔膜压缩机停机卸压后固定螺栓3的伸长量；
为隔膜压缩机停机卸压后缸盖1的压缩量；
为固定螺栓3的实时伸长量；
为缸盖1的实时压缩量。
由于隔膜压缩机自带测排气压力的压力表，在排气阀排气阶段的任意时刻通过压力表可直接测得排气压力。计算时除了固定螺栓3的实时伸长量以及缸盖1的实时压缩量外，其他值都是可提前测得的定值，而固定螺栓3的实时伸长量以及缸盖1的实时压缩量均可根据应变片的应变通过现有计算方法计算得到，计算方便快捷。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
Claims (6)
1.一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置，隔膜压缩机的缸盖（1）上开设有缸盖螺栓孔（11），隔膜压缩机的缸体（2）上开设有缸体螺栓孔（21），固定螺栓（3）依次穿过缸盖螺栓孔（11）以及缸体螺栓孔（21）后通过螺母（4）将缸盖（1）以及缸体（2）锁紧固定，其特征在于，缸盖螺栓孔（11）的孔壁上布置有测量缸盖（1）压缩量的第一应变片（12），固定螺栓（3）上布置有测量固定螺栓（3）伸长量的第二应变片（31），缸盖（1）与缸体（2）之间存在安装间隙（5），第一应变片（12）以及第二应变片（31）的导线通过安装间隙（5）向外引出；
隔膜压缩机内的实时气压值P为:
其中，/>为隔膜压缩机在排气阀打开后任意时刻的排气压力；
表示排气压力为/>时固定螺栓（3）的伸长量；
表示排气压力为/>时缸盖（1）的压缩量；
为隔膜压缩机停机卸压后固定螺栓（3）的伸长量；
为隔膜压缩机停机卸压后缸盖（1）的压缩量；
为固定螺栓（3）的实时伸长量；
为缸盖（1）的实时压缩量。
2.根据权利要求1所述的一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置，其特征在于，所述第一应变片（12）沿缸盖（1）轴向布置，第二应变片（31）沿固定螺栓（3）轴向布置，第一应变片（12）与第一桥式电路连接，第二应变片（31）与第二桥式电路连接。
3.根据权利要求2所述的一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置，其特征在于，所述第一应变片（12）上沿缸盖螺栓孔（11）周向布置有第一温度补偿片（13），所述第二应变片（31）上沿固定螺栓（3）周向布置有第二温度补偿片（32）。
4.根据权利要求1所述的一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置，其特征在于，该气压监测装置还包括用于采集曲轴或飞轮转动的周期信号的键相识别电路，以获取隔膜压缩机的工作周期，键相识别电路输出的模拟信号经过信号采集模块转换成数字信号用于存储和数据分析处理。
5.一种监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、搭建如权利要求1～4中任意一项所述的一种高压隔膜压缩机非侵入式气压监测装置；
S2、获取隔膜压缩机的工作周期，根据隔膜压缩机的工作周期处理第一应变片（12）以及第二应变片（31）的电压信号，得出应变片的应变；
S3、根据第一应变片（12）的应变计算得出固定螺栓（3）的实时伸长量，根据第二应变片（31）的应变计算得出缸盖（1）的实时压缩量；
S4、计算得到隔膜压缩机内的实时气压值P:
其中，/>为隔膜压缩机在排气阀打开后任意时刻的排气压力；
为/>排气压力时固定螺栓（3）的伸长量；
为/>排气压力时缸盖（1）的压缩量；
为隔膜压缩机停机卸压后固定螺栓（3）的伸长量；
为隔膜压缩机停机卸压后缸盖（1）的压缩量；
为固定螺栓（3）的实时伸长量；
为缸盖（1）的实时压缩量。
6.根据权利要求5所述的一种监测方法，其特征在于，在步骤S2中，应变片的应变为：
其中，/>为隔膜压缩机的曲柄转角；
为采集到的电压信号；
为被测件的泊松比；
为被测件的弹性模量；
为应变片的灵敏度系数。
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