一种液驱活塞压缩机示功图无损监测装置及方法与流程

1.本技术涉及液驱活塞压缩机技术领域，尤其涉及一种液驱活塞压缩机示功图无损监测装置及方法。


背景技术：

2.液驱活塞压缩机是往复式压缩机的一种，与传统往复式压缩机由曲柄连杆机构带动活塞进行往复运动不同，其往复运动由液压系统驱动。液驱活塞压缩机是由液压系统将高压液压油交替注入油缸的两侧，推动油缸活塞往复运动，油缸活塞再带动活塞杆并且推动气缸活塞在气缸内进行往复运动。与传统的往复式压缩机相比，液驱活塞压缩机具有稳定性好、密封性好、占地面积小、振动小等特点，同时能够达到较大的压缩比，因此被广泛用于石油化工行业，用来压缩并输送一些易燃易爆以及有毒危险气体，随着氢能产业的发展，液驱活塞压缩机凭借其独特的优势已成为加氢站氢气压缩机的主力机型之一。液驱活塞氢气压缩机的稳定运行，提高其运行效率对于加氢站的运营至关重要。
3.液驱活塞氢气压缩机的设计压比大，最高排气压力可以达到90mpa。进排气压力、温度的合理控制、气阀的运行状态，活塞环的密封状态都与气缸内动态压力的变化息息相关。压缩机运行过程中气缸内压力曲线是判断压缩机运行状态最有效的方法，实时测量并显示压缩机的示功图也是液驱压缩机设计使用人员的迫切需要。因此对于液驱活塞压缩机，持续稳定的监控气缸内的示功图对于及时识别压缩机的故障状态、保持机组长时间的稳定运行、提高机组的运行效率具有重要的作用。要得到液驱活塞压缩机运行过程中的示功图，就要测量出压缩机内部的动态压力以及气缸实时容积。
4.现有液驱活塞压缩机动态压力的测量方法包括是压力传感器直接测量法，指的是在液驱活塞压缩机气缸表面打孔，将气缸内的动态压力引出，再利用压力传感器进行实时测量。这种方法虽然可以直接测量出气缸内动态压力，但是直接打孔对气缸强度容易造成不利影响。并且这种打孔法会增加气缸内部的余隙容积，使得排气过程结束后气缸内内部残留的高压气体增加，从而减少新鲜低压气体的吸入，会大大降低压缩机的效率。此外，因为液驱活塞压缩机的运行压比大，排气压力高，采用这种方法很容易在传感器安装处产生泄漏，会降低压缩机效率，如果压缩工质是易燃易爆或有毒气体，这种测量方式容易造成危险。对于活塞位移的测量，传统往复式压缩机采用计算法，即通过测量转速计算得到气缸内实时容积。但是液驱压缩机中没有曲柄连杆机构，这种方法不适用。初次之外，一般位移可以采用位移传感器测量，但是液驱活塞压缩机缸内压力极高，传统的位移传感器难以承受高压，并且难以解决安装传感器带来的泄漏问题。因此无法利用位移传感器直接测量活塞位移来求出容积。因此对于气缸动态容积的测量目前还没有较为实用的方法。


技术实现要素：

5.本技术提供一种液驱活塞压缩机示功图无损监测方法，通过测量端盖上应变片的应变并计算得到气缸内部的动态压力，通过流量计测量通过油腔进油和排油的实时变化，
计算得到油腔容积，从而得到液驱活塞压缩机气缸活塞的实时位移，再根据得到的动态压力和容积得到压缩机运行过程中的示功图，避免了在压缩机上进行打孔等操作，实现了无损测量压缩机气缸容积。
6.为达到上述目的，一方面，本技术提供了一种液驱活塞压缩机示功图无损监测方法，包括以下步骤：
7.步骤1：实时获取同一时刻的气缸端盖处的周向应变数据以及位于油腔与油泵之间的油路中油的瞬时流量数据；
8.步骤2：分别根据实时获取的所述周向应变数据和瞬时流量数据计算得到气缸内的实时动态压力和气缸的实时容积；
9.步骤3：同步截取一个压缩周期内的实时动态压力和气缸的实时容积，并对截取一个压缩周期内的实时动态压力和气缸的实时容积做无量纲化处理，得到压缩机运行过程中的示功图。
10.进一步地，所述步骤1还包括：获取压缩机油腔和气腔的几何参数；
11.步骤2具体包括：根据实时获取的所述周向应变数据利用气缸内气压与端盖应变的对应关系计算得到气缸内的实时动态压力；
12.根据实时获取的所述瞬时流量数据利用油腔内总油量的变化公式计算油腔进油和排油过程中的油腔内总油量，再根据计算得到的油腔进油和排油过程中的油腔内总油量、压缩机油腔和气腔的几何参数利用气腔容积公式计算得到气缸的实时容积；其中：
13.所述缸内气压与端盖应变的对应关系的表达式为：
14.p＝a1ε a2ε2 a3ε3 ... anεn b
15.式中，p为缸内压力，ε表示实施应变，a
1-an为对应阶次的拟合系数，b为多项式拟合的常数项；
16.所述油腔内总油量的变化公式和气腔容积公式的表达式分别为：
[0017]vo
＝∫
t
qdt
[0018]vg
＝vo/so×
sg[0019]
式中，q表示流量计输出的瞬时流量，t表示时间，vg表示气缸实时容积，vo油腔实时容积。so表示油腔横截面圆环面积，sg表示气腔横截面圆面积。
[0020]
进一步地，所述步骤2还包括：根据得到气缸内的实时动态压力和气缸的实时容积绘制气缸内压力变化曲线以及气缸容积变化曲线。
[0021]
进一步地，所述步骤3具体包括：根据气缸容积变化曲线中的两个相邻最低点同步截取一个压缩周期内气缸内压力变化曲线以及气缸容积变化曲线，并且对曲线内的实时动态压力以及气缸的实时容积做无量纲化处理；然后以一个压缩周期内的气缸容积为横坐标，对应的气缸内压力为纵坐标，得到压缩机运行过程中的示功图。
[0022]
另一方面，本技术还提供一种液驱活塞压缩机示功图无损监测装置，包括工作应变片、温度补偿应变片、应变测量电路、流量计、数据采集系统和计算机，其中：
[0023]
所述工作应变片设置在气缸端盖上，温度补偿应变片设置在端盖螺栓的伸出端面上，所述温度补偿应变片用于对工作应变片进行温度补偿，所述工作应变片和温度补偿应变片均与应变测量电路连接；
[0024]
所述应变测量电路能够实时测量温度补偿应变片和工作应变片的电阻变化，并输
出电压信号；
[0025]
所述流量计设置在压缩机油腔以及油泵之间的油路中，用于实时测量油路中油的瞬时流量；
[0026]
所述数据采集系统被配置为：实时采集电压信号和瞬时流量信号，将电压信号和瞬时流量信号转化为数字量输出给计算机；
[0027]
所述计算机被配置为：实时获取电压数据和瞬时流量数据，并将电压数据转化为周向应变数据；
[0028]
分别根据同一时刻的所述周向应变数据和瞬时流量数据计算得到气缸内的实时动态压力和气缸的实时容积；
[0029]
同步截取一个压缩周期内的实时动态压力和气缸的实时容积，并对截取一个压缩周期内的实时动态压力和气缸的实时容积做无量纲化处理，得到压缩机运行过程中的示功图。
[0030]
进一步地，位于所述流量计之前的管道为至少10倍管径的直管段，位于所述流量计之后的管道为至少5倍管径的直管段。
[0031]
进一步地，所述工作应变片与端盖中心之间的距离为20-30mm，工作应变片的测量方向与端盖的径向垂直。
[0032]
进一步地，所述数据采集系统在采集电压信号和瞬时流量信号时具有相同的采样时钟。
[0033]
进一步地，所述工作应变片和温度补偿应变片均为单轴应变片，单轴应变片长边为5mm，短边为1.4mm。
[0034]
进一步地，所述流量计为高精度涡轮流量计。
[0035]
本技术相比现有技术具有以下有益效果：
[0036]
(1)本发明不需要额外对气缸进行改动，不会破坏气缸原本的结构，能够保证液驱活塞压缩机的设计强度要求，避免测量气压导致气缸结构强度降低或气体泄漏，同时能够测量气缸的动态压力，对压缩机的运行状态进行实时监测。能够对气缸内部的动态压力以及容积进行实时的测量，并且计算出示功图，方便压缩机设计人员及使用人员通过示功图判断压缩机的运行情况，有利于尽早发现故障，提高压缩机运行的稳定性与效率，防止意外停机造成的损失。
[0037]
(2)本技术可以实时准确的测量出气缸内的动态压力变化，并且并不会破坏压缩机的现有结构，相比压力传感器直接测量法能够避免泄漏，提高机器的运行效率，实现液驱活塞压缩机动态压力的无损测量。通过测量液驱活塞压缩机油路系统中油的动态流量，通过油腔进油和排油的实时变化，计算得到油腔容积，从而得到液驱活塞压缩机气缸活塞的实时位移。无需在压缩机上进行打孔等操作，实现了无损测量压缩机气缸容积。
[0038]
(3)本技术的所有信号采集与处理装置均在液驱压缩机本体外部，安装时无需对机器进行拆装，安装快捷方便，能够适应不同测量环境，应用范围广。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1为液驱活塞压缩机结构简图；
[0041]
图2为无损监测装置的流程图；
[0042]
图3为液驱活塞压缩机端盖正视图；
[0043]
图4为半桥电路示意图；
[0044]
图5为1/4桥电路示意图；
[0045]
图6为气压验证结果图；
[0046]
图7为压缩机运行过程中的示功图。
[0047]
图中，1-油缸，2-进油口，3-冷却水套，4-端盖4，5-气缸，6-温度补偿应变片，7-工作应变片。
具体实施方式
[0048]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
[0049]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0050]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0051]
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0052]
参见图1，液驱活塞压缩机包括油缸1、冷却水套3、气缸5和端盖4，端盖4通过螺栓固定在气缸5的一侧，油缸1上开设有进油口。
[0053]
参见图2，本实施例提供一种液驱活塞压缩机示功图无损监测装置，包括工作应变片7、温度补偿应变片6、应变测量电路、流量计、数据采集系统和计算机。工作应变片7、温度补偿应变片6均与应变测量电路连接，应变测量电路和流量计与数据采集系统连接，数据采集系统连接到计算机，在使用时，可通过usb线将处理得到的数字信号传入计算机。
[0054]
应变片是由敏感栅等构成的用于测量应变的传感器，是基于应变效应，也就是导体或者半导体材料在外界力作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化的现象。工作应变片7粘贴在气缸端盖4上，温度补偿应变片6粘贴在端盖4螺栓伸出端面上，应变测量电路中能够实时测量温度补偿应变片6和工作应变片7的电阻变化，并输出电压信号。
[0055]
流量计实时测量位于油腔与油泵之间的油路中油的瞬时流量，位于流量计之前的
管道为至少10倍管径的直管段，位于流量计之后的管道为至少5倍管径的直管段，保证流量测量准确。流量计可采用高精度涡轮流量计，高精度涡轮流量计是通过测量液体通过是涡轮的转速得到被测流量。
[0056]
数据采集系统主要作用是将测量得到的模拟量转化为数字量输出给计算机的装置，同时兼有一些信号滤波、调理、放大的功能。本技术的数据采集系统能够实时采集电压信号和瞬时流量信号，并将电压信号转化为周向应变信号；再将周向应变信号和瞬时流量信号转化为数字量输出给计算机。数据采集系统在采集电压信号和瞬时流量信号时具有相同的采样时钟，即动态瞬时流量信号与动态电压信号必须保持高度的同步性，这样才能保证经过后续计算得到的气缸5动态压力以及气缸5动态容积的同步性，保证示功图的准确性。
[0057]
计算机可以利用以下公式将采集到的电压数据转化为周向应变数据。
[0058][0059]
其中，ε表示应变，e表示测得的电压信号，ks为应变片的灵敏度系数。
[0060]
计算机被配置为：实时获取电压数据和瞬时流量数据，并将电压数据转化为周向应变数据；分别根据实时获取的周向应变数据和瞬时流量数据计算得到气缸5内的实时动态压力和气缸5的实时容积；同步截取一个压缩周期内的实时动态压力和气缸5的实时容积，并对截取一个压缩周期内的实时动态压力和气缸5的实时容积做无量纲化处理，得到压缩机运行过程中的示功图。
[0061]
本实施例使用的数据采集系统可采用美国国家仪器有限公司生产的ni 9237以及ni9223采集卡以及ni 9174采集机箱，测量到的模拟电压下信号经过处理后即可通过usb接口传入计算机中。计算机中有在labview平台上编写的示功图测量程序，程序可以设置应变以及流量采集的通道及采样率等信息，通过实时测量得到的应变数据和流量数据，通过计算得到压缩机运行过程中的示功图并且对得到的实时信号及示功图进行动态展示和存储。
[0062]
参见图3，工作应变片7粘贴在气缸5的端盖4上，距离端盖4中心20-30mm处，该位置距离端盖4的紧固螺栓以及端盖4中心传感器安装孔均较远，不受螺栓拆装及传感器拆装等的影响并且应力的幅值相对较大，有利于准确测量。应变片的测量方向与端盖4的径向垂直，即测量方向沿以端盖4中心为圆心的圆周周向，该方向获得的应变波形幅值较大并且形状与气压最为接近。温度补偿应变片6用于对工作应变片7进行温度补偿。温度补偿应变片6粘贴在端盖4螺栓伸出端面较为平整处，此处在压缩机运行时不会因为气压的变化产生变化的应力并且温度与端盖4基本一致。由于液驱活塞压缩机的端盖4尺寸相对较小，为保证应变测量方向的准确性与测量精度，采用长边为5mm，短边为1.4mm的单轴应变片。在安装应变片时，应该保证压缩机为停机状态并且气缸5内部没有残留的压力，待应变片安装完成，用来安装的粘贴剂完全固化后方可进行后续测试工作。
[0063]
参见图4、5，应变测量电路可以为半桥电路或1/4桥电路，电桥电路能够测量电路中某些微弱的状态量(如电阻、电感等)变化，因为机械应变一般在10-3
～10-6
而一般的电阻应变片灵敏度较小在2左右，用来测量微小的电阻变化。如图4，应变测量电路可以为半桥电路，在使用时可以直接将工作应变片7和温度补偿应变片6连接在半桥电路中，起到温度补偿的作用。如图5，应变测量电路可以为1/4桥电路，在使用时将工作应变片7和温度补偿应
变片6各自独立连接到一个1/4桥电路中，将两个电桥电路的应变测量值相减，同样可以起到温度补偿的作用。
[0064]
在监测系统搭建完成后，需要在数据采集系统中对采集应变和采集流量的时钟进行校准，保证两路信号采集的同步性，这样机器运行时就可以通过测试系统得到应变片粘贴位置端盖4的周向应变以及对应时刻系统油路中油的瞬时流量。
[0065]
待应变片的粘接剂完全固化并且所有线路连接完成后，在信号采集程序中进行应变校准，校准应变片导线电阻带来的误差，提高测量系统的准确性。装置连接并且调试完成后，在液驱活塞压缩机运行过程中，气缸5内的动态压力不断变化，导致气缸5端盖4的周向应变发生相同趋势的变化，经过计算便可以通过特定测点处应变的动态变化得到气缸5内部的动态气压，通过测量有的流量，在计算机中经过积分计算，便可得到气缸5的实时容积。从而得到压缩机运行过程中的示功图。
[0066]
实施例2，一种液驱活塞压缩机示功图无损监测方法，包括以下步骤：
[0067]
步骤1：获取压缩机油腔和气腔的几何参数并实时获取同一时刻的气缸5端盖4处的周向应变数据以及位于油腔与油泵之间的油路中油的瞬时流量数据；其中，周向应变数据是对应变片的电压数据进行转化后得到的数据。
[0068]
步骤2：先根据实时获取的瞬时流量数据利用油腔内总油量的变化公式计算油腔进油和排油过程中的油腔内总油量，再根据计算油腔进油和排油过程中的油腔内总油量、压缩机油腔和气腔的油腔横截面圆环面积利用气腔容积公式计算得到气缸5的实时容积；还可以根据得到气缸5内的实时动态压力和气缸5的实时容积绘制气缸5内压力变化曲线以及气缸5容积变化曲线。
[0069]
步骤3：同步截取一个压缩周期内的实时动态压力和气缸5的实时容积，或根据气缸5容积变化曲线中的两个相邻最低点同步截取一个压缩周期内气缸5内压力变化曲线以及气缸5容积变化曲线，然后对截取一个压缩周期内的实时动态压力和气缸5的实时容积做无量纲化处理，得到如图7所示的压缩机运行过程中的示功图。图7中，p表示实时压力ps表示吸气压力，v表示实时容积v0表示行程容积。参见图6，图中的两条曲线是在同一工况下分别用压力传感器以及应变片方法测量得到的结果，从图中可以看到二者测量结果非常相近。
[0070]
缸内气压与端盖4应变的对应关系的表达式为：
[0071]
p＝a1ε a2ε2 a3ε3 ... anεn b
[0072]
式中，p为缸内压力，ε表示实施应变，a
1-an为对应阶次的拟合系数，b为多项式拟合的常数项。上述表达式是通过多项式拟合的方法得到，具体包括：在低压工况下同时采用传感器直接测量缸内压力以及应变片测量端盖4应变两种方式，得到相同工况下应变数据与缸内气压数据，然后通过多项式拟合得到二者的对应关系。为了保证拟合结果的准确性，一般n》3。通过这种方法得到缸内气压与端盖4应变的对应关系(即拟合多项式)后，在机器正常工作时可以直接利用端盖4特定位置处应变的动态变化得到缸内的动态气压。
[0073]
油腔内总油量的变化公式和气腔容积公式的表达式分别为：
[0074]vo
＝∫
t
qdt
[0075]vg
＝vo/so×
sg[0076]
式中，q表示流量计输出的瞬时流量，t表示时间，vg表示气缸实时容积，vo油腔实时
容积。so表示油腔横截面圆环面积，sg表示气腔横截面圆面积。这样在机器正常工作时便可以通过油路中流量的变化得到气缸5容积的实时变化。
[0077]
以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何在本技术揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。