压缩机测量技术及其自动控制系统

第六章第六章压缩机测量技术及其自动控制系统第一节第一节压缩机测量技术一、温度测量温度是压缩机测量中最常见的、最基本的工艺参数之一。在压缩机及其系统中，温度测量的对象主要包括被压缩气体温度、润滑油油温、冷却水水温、填料函温度、主轴承温度、主电机轴承温度及定子线圈温度等。测量温度的方法从感受温度的途径来分有两类：一类是接触式的，即通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度；另一类是非接触式，即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。常见的接触式测温仪表有如下几种。1．膨胀式温度计利用固体或液体热胀冷缩的特性测量温度，具有结构简单、使用方便、测量准确；价格低廉的优点；但测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎且不能远传和记录。常用的液体温度计有充注水银的水银玻璃管温度计和充注有机液(如酒精)的玻璃管温度汁。在压缩机试验研究中，广泛采用度为0.1℃的水银玻璃管温度计，水银的膨胀系数为0.000181／℃。普通水银温度计的测温范围为－30~300℃，但上限可高至700℃，是通过加压的方法实现的。有机液体更适宜于测量低温，如酒精玻璃管温度计的测温范围为－l00~75℃，而甲苯玻璃管温度汁的测温范围为－90~100℃。2．压力式温度计根据密封在固定容器内的液体或气体，当温度变化时压力发生变化的特性，将温度测量转化为压力的测量。适用于测量气体、蒸汽及对感温包不起腐蚀的液体的温度。测量范围一般为－50~400℃。它具有结构简单、不怕振动、具有防爆性、价格低廉的优点。缺点是精度低，测温距离较远时，仪表的滞后性较大。3.电阻式温度计根据金属或半导体的电阻值随着温度变化的特性测量温度。一般金属电阻值随着温度升高而增加，而半导体的电阻值却随着温度的升高而减少。目前使用最广泛的热电阻材料是铂和铜。热电阻温度计适用于测量液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。铂电阻温度计测温范围为－200~500℃。铜电阻温度计测温范围为－50~150℃。热电阻温度计具有远传、自动记录和实现多点测量等优点，而且它输出的信号大，测量准确。1968年的新温标进一步规定，在－259.34~630.74℃温度范围内，以铂电阻温度计作为基准器。4，热电偶温度计根据热电效应，将两种不同的导体接触并构成回路时，若两个接点温度不同，回路中便出现毫伏级的热电势，该电势就可准确反映被测物体的温度。将回路与适当的指示仪表结合，就组成了如图6－1所示的热电偶温度计。热电偶的测温范围为－100~1600℃，上下限根据需要还可以扩展。热电偶具有结构简单、价廉、测温范围宽、准确度高、热惯性小、输出信号为电信号便于远传等优点。适合于测量流体、固体及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。在单元组合式仪表中，将温度传感器输出的信号转变为标准信号(如4~20mA直流电流信号)的变换装置，称为温度变送器(如图6－2)。二、压力测量压力是压缩机设计中的重要工艺参数。不但压力本身是表征流体流动过程的重要参数，而且流速、流量等参数的测量，也往往转换为压力测量问题。在压缩机及其系统中，压力测量的对象主要包括被压缩气体压力、润滑油油压、冷却水水压、填料函及中体充氮压力、仪表风压力等。根据工作原理，目前所采用的压力指示仪器主要有液柱式、弹性式、活塞式、电气式或电子式等。(1)液柱式压力计它是根据流体静力平衡的原理制成的，有单管压力计和双管压力计(u形管压力计)，具有结构简单、精度高、使用方便价格低的特点。u形管压力计测量压差的范围很广，其测量上限取决于工作液体的密度，但受管子的强度限制，都有一个最高压力限度：下限由测量精度要求决定，不应小于2000Pa。微压计用来测量很小的压差，如20~5000Pa，是一种灵敏、精度高的测压仪器。(2)弹性式压力计它是用各种形式的弹性元件作为感受件，使弹性元件受压后发生的反作用力与被测压力平衡。此时，弹性元件的变形就是被测用力的函数，通过测量变形的方法测得压力。根据测压范围不同，常用的有膜片(分平膜片与波纹膜片)、膜盒(分单膜盒与双膜盒)、波纹臂(分单波纹管与双波纹管)、弹簧管(分单圈弹簧管与多圈弹簧管)。膜片、膜盒与波纹管等元件多用于微压和低压的测量；弹簧管则可用于高、中、低压直到真空度的测量。多圈弹簧管压力计最高压力为16MPa。(3)活塞式压力计它是以直接作用在已知面积上的重力来平衡被测压力的。常被作为实验室的压力标准器，精度高。简单活塞式压力计的测量上限为6×l07Pa，具有差动活塞的压力计上限可达25×107Pa。压力变送器是将弹性元件受压输出的位移或力等信号。变成标准电信号的变换装置。在压缩机测量中，常用的压力测量仪表有以下几类：1)霍尔片式远传压力表，其原理是通过压力—弹簧管位移—霍尔电势的产生，实现压力信号的远传或显示。适用于静态压力测量。2)应变片式远传压力表。通过应变片将被测压力转换成电阻值的变化，远传至桥式电路，获得相应的毫伏级电量输出信号，然后在毫伏计或记录仪上显示。适用于测量快速变化的压力和高压力。3)电容式远传压力表。采用变电容原理，用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，用测量电容的方法测出电容量，便可知被测压力大小，从而实现压力-电容转换。适用于测量快速变化的压力和高压力。4)差动式电感压力传感器。由弹簧管和差动式电感转换器组成差动式电感转换器，由公共衔铁和两个相同的简单电感转换器结合在一起构成，通过变化引起电感量变化，引起电流变化，引起或输出电压变化，可知被测压力的大小。适用于静态压力测量。三、流量测量流量是压缩机的主要性能参数之一，它表征了机组在甲位时间内生产压缩气体量的多少。流量可以采用质量流量(kg/s)表示；也可以用体积流量(m3/s)表示。工程上常用m3(标)／min表示往复压缩机的容积流量。流量测量方法分为直接测量和间接测量两种。直接测量就是同时测出流体质量(或体积)和所用时间。间接测量主要是测出与流量有关的物理量(如压差)，再换算成流量。工程上除了小流量有时用直接测量外，大多用间接测量方法。间接测量常用的以下一些方法。1、差压式流量计利用流体流经节流装置时产生的压力差来实现流量测量。通常是由能将被测流体的流量转换成压差信号的节流装置，和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压流量计所组成。可用于测量液体、气体和蒸汽的流量。目前国内外节流装置的型式已标准化，称为标准节流装置：标准节流装置的结构型式、尺寸要求、取压方式、使用条件等均有统一规定。在管道通路上安装孔板、喷嘴或文丘利管等节流装置。当流体流过节流元件时，流束局部收缩。其流速增加，静压降低，使节流元件前后产生静压差。静压差△p与体积流量qv(m3/s)之间有如下关系：（6-1）式中，α为流量系数，与节流元件的形式、孔口对管道的面积比及取压方式等因素有关；ρ为流体密度（kg/m3）;A0为节流孔流通面积（m2）;p1,p2为节流孔前后的绝对压力（pa）。同理，质量流量qm(kg/s)为（6-2）因此测出节流元件前后的静压差，就可间接确定流体流量。上式也说明，可使用差压变送器测量节流元件前后的压差，由此换算成流量。差压流量计原理如图6-3所示。2、转子流量计在小流量测量中，广泛使用转子量计。其工作原理是根据节流现象，节流元件是一个能上下浮动的可以转动的转子，置于圆锥形测量管中。当被测流体自下而上通过时，由于转子的节流作用，在转子前后出现压差△p。此压差对转子产生一个向上的推力，使转子向上移动，由于测量管上口较大，因而能取得平衡位置。平衡时，△p等于转子重量，为恒值，可以由式(38—1)得到流量值。指示型转子流量计的工作压力不得超过2.0MPa，工作温度范围为－20~120℃。3、涡轮流量计其结构如图6-4所示。涡轮的轴装在导管的中心线上，流体横向流过涡轮时，推动叶片，使涡轮转动，其转速近似正比于流量。涡轮流量计具有测量精度高、反应快、耐压高、适应范围广的特点，但不适于测量脏污介质的流量。涡轮流量计可用于测量压缩机冷却水消耗量。精度一般为0.25％~1.0％。四、液位测量压缩机组中需要测量的液位有主油箱润滑油液位、注油器油箱液位、中间分液罐凝液液位及填料漏气收集罐液位。1、玻璃液位计这是使用最早、结构最简单的一种直读式液位计。它的一端接容器的气相，另一端接液相，根据连通器的原理工作，有玻璃管和玻璃板两种形式，如图6-5所示。对于低压罐体(如油箱)，可以采用透明材质镶嵌在容器上，以随时观测罐体内液位。对于大的承压罐体(如中间分液罐)，可利用连通器原理，在容器上引两嘴子接到一透明管两端，该管液位就反映了承压容器内液位的高低(如彩色玻璃板液位计)。工业上应用的玻璃管液位计的长度为300~1200mm，工作压力不大于1.6MPa。玻璃板液位计的长度为500~1700mm，最大耐压为5.0MPa，耐温400℃。2、浮力式液位计分为恒浮力式液位计和变浮力式液位计两种形式，主要利用感测元件在液体中的浮力测量液位。主要用于低压力场合的液位测量。3、差压式液位计它是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。各种压力计、差压计和差压变送器都可以用来测量液位高度。液位变送器和液位开关可以对液位信号进行远传，它是利用传感器将液位信号转换成电压或电流信号。五、转速测量转速是压缩机的一个重要特性参数。测定活塞式压缩机的排气量时，若实际转速与设计转速不同时，须按照转速比修正。往复压缩机在运行过程中，转速直接影响着机组的机械强度、振动及零部件的磨损情况。转速是指单位时间内被测轴旋转的圈数，以每分钟的转数(r／min)表示。按照测量工作原理，转速测量仪表大致可分为模拟式、计数式和闪频式等。1、模拟式转速计它是利用与瞬时转速成比例的物理现象。例如离心力、发电机输出电压等的变化，以转速单位连续指示在刻度盘上，故也称瞬时式转速计，这类转速计精度较差(约1％~2％)，有较大的温度误差，但结构简单，使用方便。此类转速计有离心式转速表、感应式转速计、发电机式转速表等。可以测量低、中、高速。2、计数式转速计它是用某种方法数出一定时间内的总转数，测量内容包括计数和测时。计数式是转速测量的一种主要方式，测量精度高，测量转速范围为30r／min至48万r／min。其测量方法有机械式和数字电子式。数字电子式是利用传感器将转速值变成电脉冲信号，然后用数字频率计显示出转速值。转速传感器通常有光电式和磁电式两类。投射式光电传感器是由装在旋转轴上的开孔圆盘、光源及光敏元件组成，开孔元件旋转一周，光敏元件感光的次数与圆盘的孔数相同，从而产生相应数量的电脉冲信号，磁电式传感器是利用旋转着的齿盘与磁极之间气隙磁阻中感应出电势的原理制成。3．闪频测速法它是基于已知频率的闪光与被测轴转速的关系，用闪光照射以转速n旋转的圆盘，若以同一时间单位度量，当闪光的频率f和转速n相同，或转速n比闪光频率大，且n／f=m，m为正整数时，则圆盘上的p点看上去是静止的。一般在f=mn(m=1、2、3、…)时，看上去p点静止于一点、二点、三点、……。利用这种机械转速与闪光频率的关系测量转速的方法，称为闪频测速法。闪频测速法测量精度一般为±1％~2％，为非接触式测速法。六、功率测量测量压缩机的功率一般采用以下方法：1)用测得的指示功乘以转速，再除以机械效率。2)用测量转矩和转速的方法，直接测定压缩机轴功率。3)当为电动机驱动压缩机时，测量电动机的输入功率(用两瓦计法得到)，乘以电动机效率、传动效率等，便可得到压缩机的轴功率。4)对透平压缩机可采用热平衡方法间接确定其功率。5)当为内燃机驱动压缩机时，可通过测量内燃机油耗获得。转矩可以通过扭力架测功法或扭力测功法来测量。转矩测量仪由转矩传感器和数字显示仪表组成。转矩传感器是利用转轴受扭后产生的弹性变形来测量转矩的大小。对于大型往复压缩机，一般在高电压回路中测量电压和电流来测量压缩机轴功率。七、振动测量振动测量的目的在于测试压缩机装置的运转是否平稳，分析和解决与振动有关的故障等。各类型压缩机在出厂前的机械试运转及在现场安装之后的试车阶段，都必须对机械的振动量进行检验。描述振动的三个主要参