一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置及測試方法

2023-06-22 21:14:46 3

專利名稱：一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置及測試方法
技術領域：
本發明涉及軸向應力測量裝置，特別涉及磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置的結構及原理，屬於傳感技術領域。
背景技術：
軸向力測量裝置是以傳感技術為基本理論，利用應力傳感器和溫度傳感器，來實現磁力泵軸向力測量的一種新技術。在進行磁力泵結構設計和優化過程中，精確測量磁力泵軸向力是完善磁力泵結構設計的先決條件。其中，磁力泵軸向力的精確測量可直接獲得未平衡軸向力的大小，從而通過驗證計算獲得較準確的實時後口環回流量q，進而對優化平衡軸向力結構，提高滑動軸承及過流件使用壽命。通過平衡軸向力公式
Cl
/ 、2 i F
\ m J
PgK(Rl-R28)
以及葉輪勢揚程公式
H+h2+/h+h4 二^~(U
8g
其中，
f fh2 q :
Hn
8g
(U22 -U2b)
2g
ζηι , cb式中平衡軸向力Α、葉輪外圓半徑&、葉輪輪轂半徑&、葉輪密封環半徑Rm、葉輪勢揚程Hp、密封間隙阻力係數ζ m、平衡孔阻力係數ζ B、密封間隙過流面積Fm、平衡孔總面積 ^、葉輪出口線速度U2、葉輪平衡孔線速度uB。磁力泵8軸向力的產生主要是由於葉輪8-2蓋板前後承受壓力差不同而產生的。 利用直接測量法測量磁力泵8軸向力的大小，要求測量時壓力傳感器1必須安裝在滑動軸承箱8-3和滑動軸承8-4之間。由於磁力泵8的主要特點是密封性強無洩漏，滑動軸承傳動和過流腔體相連通，壓力傳感器測量時浸泡在磁力泵8的高壓工作介質中，所以必須考慮磁力泵8密封性，壓力傳感器1自密封性、承壓能力和克服由磁傳動(內磁轉子8-5、隔離套8-7、外磁轉子8-8)渦流熱帶來的瞬時溫升等問題。在已有的技術中，通過圖1所示的傳統型應力傳感器(以HBM公司SLB-700A型傳感器為例)，其安裝尺寸過大，通用性和密封性差，不適用於瞬時高溫差測試環境(磁力泵軸向力測試中指的瞬時高溫差一般在30-70°C 之間)，且成本較高，無法滿足磁力泵軸向力測試要求。

發明內容
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本發明的目的是要解決用於磁力泵的軸向力測量裝置不能適應瞬時高溫差環境 (30-70°C之間)的工況、測量精度低、結構複雜及通用性和密封性差的問題。本發明公開的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置結構簡單、實用，可以很方便的測量得到磁力泵實際軸向力的大小，能適應瞬時高溫差環境的工況、測量精度高、且通用性和密封性好。本發明還還公開了應用所述的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置對磁力泵軸向力進行測量的方法。本發明的突出改進特點在於(1)為放大輸出信號，根據壓力傳感器受力特點將應變環中的應變計粘貼區β設計成薄壁結構，其加工厚度在2mm以下，另一方面為了提高應變環強度、減少變形和延長使用壽命應變環材質選用馬氏體不鏽鋼淬火，其中的應變計粘貼區β兩側保留加工臺階。採用座環、應變環和襯環安裝套合結構將應變環中的應變計粘貼區β、應變計與磁力泵中高壓工作介質及外界環境分隔開；座環、應變環中的應變計粘貼區β和襯環徑向方向之間存在空氣間隙，由於空氣熱阻較大可起到一定的保溫作用， 並由座環承受介質端壓力防止應變環中應變計粘貼區β薄壁結構受壓變形。在座環、應變環臺階上和滑動軸承箱內壁設置密封結構，所述密封結構為徑向密封槽，通過增加0型圈提高磁力泵的密封性和壓力傳感器的自密封性，方便和應力傳感器相連的信號線從滑動軸承箱內引出。在不改變應變傳感器結構的情況下，對座環、應變環和襯環的內外徑尺寸稍作調整，便可安裝適用於該系列其他型號磁力泵，節約了開發成本通用性強。(2)由於磁傳動部件(內磁轉子、隔離套、外磁轉子)能量損失所產生的渦流熱和滑動軸承摩擦產生的熱量，在磁力泵啟動後介質溫度瞬間上升30-70°C。在這種瞬時高溫差環境的工況下，普通應變計無法達到消除溫度影響的目的。為獲得準確的測量結果，該測量裝置採用溫度自補償應變計，將溫度自補償應變計同時作為工作片和補償片相互垂直粘貼在應變環中的應變計粘貼區β。溫度自補償應變計的選取應考慮應變計基底材料，電阻，敏感柵長，溫度自補償形式，彈性自補償形式和接線密封方式；在應變計表面製作防護層對應變計起到保護和固定的作用。(3)為消除圓周方向受力不均所造成的測量誤差，應變電橋採用惠通斯全橋串聯電路。將溫度自補償應變計同時作為工作片和補償片相互垂直粘貼在應變環中的應變計粘貼區β，補償片的粘貼方向沿著應變環的圓周方向α均布，工作片垂直於應變環的圓周方向α均布，工作片和補償片緊貼，工作片和補償片同時採用相對貼片方式和單橋兩片串聯貼片方式。根據實驗應變計典型熱輸出曲線和實驗測量數據分析通過數據採集和數據分析模塊獲得準確的測量結果。(4)為防止應變環製作和安裝時對應變計、信號線和熱電偶造成損壞，在應變環上為信號線和熱電偶添加應變計粘貼區β和置線區Y。其中應變計粘貼區β為薄壁圓環結構，加工尺寸嚴格控制在公差範圍內以防止加工變形量過大，圓環外壁表面經過打磨和化學方法處理；置線區Y放置在應變計粘貼區β和應變環前端臺階之間為深槽結構，槽邊緣加工倒角，信號線和熱電偶要求布置在置線區Y內，優化有限結構貼片空間。(5)為該實驗裝置增加熱電偶信號儀和熱電偶，熱電偶信號儀和熱電偶和壓力傳感器的輸出信號同步採集，實時監測應變環應變計粘貼區β的溫度，通過測量實驗時應變計粘貼區β的實時溫度消除瞬時高溫差帶來的熱輸出影響，從而校正最終的測量結果。熱電偶測量端應儘量靠近工作片，在應變計粘貼區β內多點放置熱電偶進行測量以避免溫度梯度導致受熱不均帶來的熱輸出影響。為實現本發明目的所採用的技術方案一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量
5裝置，它包括應力傳感器、接線裝置、信號線、數字應變儀、熱電偶信號儀、溫度熱電偶和數據採集和數據分析模塊；外圍設備磁力泵包括泵體、葉輪、滑動軸承箱、滑動軸承、內磁轉子、從動軸、隔離套、外磁轉子、中間支架和滾動軸承組件。其中，應力傳感器主要由座環、應變計、防護層、襯環、密封結構和應變環組成。座環、應變環和襯環材質選用馬氏體不鏽鋼淬火，應變環外環表面設置臺階、置線區Y和應變計粘貼區β。應變計粘貼區β設計成薄壁圓環結構，其加工厚度在2mm以下，加工尺寸嚴格控制在公差範圍內以防止加工變形量過大，圓環外壁表面經過打磨和化學方法處理；應變計粘貼區β兩側保留加工臺階，置線區 Y放置在應變計粘貼區β和應變環前端臺階之間為深槽結構，槽邊緣加工倒角；在座環、 應變環臺階上和滑動軸承箱內壁設置密封結構，所述密封結構為徑向密封槽。應變計採用溫度自補償應變計，溫度自補償應變計同時作為工作片和補償片，應變計按惠斯通全橋串聯電路要求粘貼在應變計粘貼區β，在應變計表面使用聚氨酯、室溫硫化矽橡膠和高溫膠帶製作防護層對應變計進行固定和防護。一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置的連接關係為應力傳感器在測試時，座環內壁與高壓介質相接觸，避免高壓介質直接接觸應變環中的應變計粘貼區β薄壁圓環結構而產生變形。溫度自補償應變計同時作為工作片和補償片相互垂直粘貼在應變環中的應變計粘貼區β，補償片的粘貼方向沿著應變環的圓周方向α均布，工作片垂直於應變環的圓周方向α均布，工作片和補償片緊貼間距在為l_2mm，，工作片和補償片同時採用相對貼片方式和單橋兩片串聯貼片方式。工作片兩兩對向串聯組成四臂串聯全橋電路「ae」 和「eg」橋臂，徑向方向應變計兩兩對向串聯組成四臂串聯全橋電路「bf」和「hd」橋臂。座環、應變環、襯環、滑動軸承箱和外界環境之間都設有空氣間隙，由於空氣熱阻較大可起到一定的保溫作用。將熱電偶測試端固定在應變計粘貼區β表面，熱電偶測量點位於應變計粘貼區β，儘量靠近工作片；座環、應變環和襯環由內向外套合安裝成一體，在密封結構內添加0型圈；將壓力傳感器安裝在滑動軸承箱和從動軸後端滑動軸承之間，滑動軸承將壓力傳感器壓緊在滑動軸承箱的配合端面上；通過控制滑動軸承箱內壁徑向密封0型槽尺寸、配合面跳度以及配合端面垂直度從而保證滑動軸承將應變傳感器壓緊在滑動軸承箱配合端面上。將信號線從滑動軸承箱配鑽孔引出與接線裝置相連，接線裝置連接在數字應變儀上；將熱電偶從滑動軸承箱配鑽孔引出與熱電偶信號儀相連；數字應變儀和熱電偶信號儀連接在數據採集和數據分析模塊上。一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量方法為為一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置與所測磁力泵連接布線，將所述的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置中的壓力傳感器安裝在滑動軸承箱和從動軸後端滑動軸承之間，信號線從滑動軸承箱配鑽孔引出與接線裝置相連，接線裝置連接在數字應變儀上；熱電偶從滑動軸承箱配鑽孔引出與熱電偶信號儀相連。測試前在指定測試區將數字應變儀和熱電偶信號儀打開預熱二十分鐘，待讀數穩定後將數字應變儀讀數調零。開啟數據採集和數據分析模塊，設定測試相關參數，並保證數字應變儀和熱電偶信號儀和數據採集和數據分析模塊連接正常，開啟磁力泵，數據採集和數據分析模塊自動提取並保留測量數據，達到設定測試時間(一般為30分鐘以上)後關閉磁力泵，並繼續保持測量狀態10-15分鐘。測量完畢後數據採集和數據分析模塊提取數據整理分析獲得磁力泵軸向力值，通過測量實驗時應變計粘貼區β 的實時溫度消除瞬時高溫差帶來的熱輸出影響，從而校正最終的測量結果。
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有益效果1、本發明優化了高溫態下磁力泵軸向力測試的熱補償性，可以在瞬時高溫差環境下測得磁力泵軸向力的大小。2、本發明的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置，優化了磁力泵軸向力測試傳感器結構，充分考慮裝置通用性和製作成本，使特種泵軸向力測量變得簡單可行。3、本發明在不改變應變傳感器結構的情況下，對座環、應變環和襯環的內外徑尺寸稍作調整，便可安裝適用於不同型號磁力泵，通用性強。


圖1為已有的應力傳感器(以SLB-700A為例)外形圖；圖2為磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置連接關係；圖3為應變計粘貼區應變計粘貼、信號線連線和熱電偶連線示意圖；圖4為磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置惠通斯橋原理圖；圖5為磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置壓力力傳感器結構圖；圖6為磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置壓力傳感器與被測磁力泵裝配關係示意圖(以CLB100-200-161型為例)；其中1-壓力傳感器、1-1-座環、1-2-應變計、1-3-防護層、1-4-襯環、1-5密封結構、1-5應變環、α應變環圓周方向、β應變計粘貼區、、置線區、2-接線裝置、3-信號線、4-數字應變儀、5-熱電偶信號儀、6-熱電偶、7-數據採集和數據分析模塊、8-磁力泵、8-1-泵體、8-2-葉輪、8-3-滑動軸承箱、8-4-滑動軸承、8_5_內磁轉子、8_6_從動軸、 8-7-隔離套、8-8-外磁轉子、8-9-中間支架、8-10-滾動軸承組件。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置，它包括應力傳感器1、接線裝置 2、信號線3、數字應變儀4、熱電偶信號儀5、溫度熱電偶6和數據採集和數據分析模塊7 ；外圍設備磁力泵8包括泵體8-1、葉輪8-2、滑動軸承箱8-3、滑動軸承8-4、內磁轉子8-5、從動軸8-6、隔離套8-7、外磁轉子8-8、中間支架8-9和滾動軸承組件8_10。其中，應力傳感器1主要由座環1-1、應變計1-2、防護層1-3、襯環1-4、密封結構1-5和應變環1_6組成。 座環1-1、應變環1-6和襯環1-4材質選用馬氏體不鏽鋼淬火，應變環1-6外環表面設置臺階、置線區Y和應變計粘貼區β。應變計粘貼區β設計成薄壁圓環結構，其加工厚度在 2mm以下，加工尺寸嚴格控制在公差範圍內以防止加工變形量過大，圓環外壁表面經過打磨和化學方法處理；應變計粘貼區β兩側保留加工臺階，置線區Y放置在應變計粘貼區β 和應變環1-6前端臺階之間為深槽結構，槽邊緣加工倒角；在座環1-1、應變環1-6臺階上和滑動軸承箱8-3內壁設置密封結構1-5，所述密封結構1-5為徑向密封槽。應變計1-2採用溫度自補償應變計，與型號為CLB100-200-161磁力泵8相配套壓力傳感器中使用的溫度自補償應變計為中航電測有限公司提供的ΒΑΜ120-3ΑΑ(11)型自補償應變計。溫度自補償應變計同時作為工作片和補償片，應變計1-2按惠斯通全橋串聯電路要求粘貼在應變計粘貼區β，在應變計1-2表面使用聚氨酯、室溫硫化矽橡膠和高溫膠帶製作防護層1-3對應變
7計1-2進行固定和防護。應力傳感器1在測試時，座環1-1內壁與高壓介質相接觸，避免高壓介質直接接觸應變環1-6中的應變計粘貼區β薄壁圓環結構而產生變形。一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置的連接關係為溫度自補償應變計同時作為工作片和補償片相互垂直粘貼在應變環1-2中的應變計粘貼區β，補償片的粘貼方向沿著應變環1-2的圓周方向α均布，工作片垂直於應變環1-2的圓周方向α均布，工作片和補償片緊貼間距在l_2mm左右，工作片和補償片同時採用相對貼片方式和單橋兩片串聯貼片方式。工作片兩兩對向串聯組成四臂串聯全橋電路「ae」和「eg」橋臂，徑向方向應變計兩兩對向串聯組成四臂串聯全橋電路「bf」和「hd」橋臂。座環1-1、應變環1-6、襯環1-4、滑動軸承箱8-3和外界環境之間都設有空氣間隙，由於空氣熱阻較大可起到一定的保溫作用。將熱電偶7測試端固定在應變計粘貼區β表面，熱電偶6測量點位於應變計粘貼區β，儘量靠近工作片；座環1-1、應變環1-6和襯環1-4由內向外套合安裝成一體，在密封結構1-5內添加0型圈；將壓力傳感器1安裝在滑動軸承箱8-3和從動軸8-6後端滑動軸承8-4之間，滑動軸承8-4將壓力傳感器1壓緊在滑動軸承箱8-3的配合端面上；通過控制滑動軸承箱2-4內壁徑向密封0型槽尺寸、配合面跳度以及配合端面垂直度從而保證滑動軸承8-4將應變傳感器1壓緊在滑動軸承箱8-3配合端面上。將信號線3從滑動軸承箱 8-3配鑽孔引出與接線裝置2相連，接線裝置2連接在數字應變儀4上；將熱電偶6從滑動軸承箱8-3配鑽孔引出與熱電偶信號儀5相連；數字應變儀4和熱電偶信號儀5連接在數據採集和數據分析模塊7上。一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量方法為將所述的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置中的壓力傳感器1安裝在滑動軸承箱8-3和從動軸8-6後端滑動軸承8-4之間，信號線3從滑動軸承箱8-3配鑽孔引出與接線裝置2相連，接線裝置2連接在數字應變儀4上；熱電偶6從滑動軸承箱8-3配鑽孔引出與熱電偶信號儀5相連。測試前在指定測試區將數字應變儀4和熱電偶信號儀5打開預熱二十分鐘，待讀數穩定後將數字應變儀4讀數調零。開啟數據採集和數據分析模塊7，設定測試相關參數，並保證數字應變儀4和熱電偶信號儀5和數據採集和數據分析模塊7連接正常，開啟磁力泵8，數據採集和數據分析模塊7自動提取並保留測量數據，達到設定測試時間(一般為30分鐘以上)後關閉磁力泵8，並繼續保持測量狀態10-15分鐘。測量完畢後數據採集和數據分析模塊7提取數據整理分析獲得準確的磁力泵軸向力值。本發明保護範圍不僅局限於本實施例，本實施例用於解釋本發明，凡與本發明在相同原理和構思條件下的變更或修改均在本發明公開的保護範圍之內。
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權利要求
1.一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置，其特徵在於它包括應力傳感器 (1)、接線裝置O)、信號線(3)、數字應變儀G)、熱電偶信號儀(5)、溫度熱電偶(6)和數據採集和數據分析模塊(7)；外圍設備磁力泵(8)包括泵體(8-1)、葉輪(8-2)、滑動軸承箱 (8-3)、滑動軸承(8-4)、內磁轉子(8-5)、從動軸(8-6)、隔離套(8-7)、外磁轉子(8-8)、中間支架(8-9)和滾動軸承組件(8-10)；應力傳感器(1)主要由座環(1-1)、應變計(1-2)、防護層(1-3)、襯環(1-4)、密封結構(1-5)和應變環(1-6)組成；應變環(1-6)外環表面設置臺階、置線區Y和應變計粘貼區β ；應變計粘貼區β設計成薄壁圓環結構，其加工厚度在 2mm以下，圓環外壁表面經過打磨和化學方法處理；應變計粘貼區β兩側保留加工臺階，置線區Y放置在應變計粘貼區β和應變環(1-6)前端臺階之間為深槽結構，槽邊緣加工倒角；在座環(1-1)、應變環(1-6)臺階上和滑動軸承箱(8-3)內壁設置密封結構(1-5)；應變計(1-2)採用溫度自補償應變計，溫度自補償應變計同時作為工作片和補償片，應變計 (1-2)按惠斯通全橋串聯電路要求粘貼在應變計粘貼區β，在應變計(1-2)表面製作防護層(1-3)對應變計(1-2)進行固定和防護；一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置的連接關係為，座環(1-1)內壁與高壓介質相接觸；溫度自補償應變計同時作為工作片和補償片相互垂直粘貼在應變環(1-2)中的應變計粘貼區β，補償片的粘貼方向沿著應變環(1- 的圓周方向α均布，工作片垂直於應變環(1-2)的圓周方向α均布，工作片和補償片緊貼間距為l_2mm，工作片和補償片同時採用相對貼片方式和單橋兩片串聯貼片方式；座環(1-1)、應變環(1-6)、襯環(1-4)、 滑動軸承箱(8- 和外界環境之間都設有空氣間隙；將熱電偶(7)測試端固定在應變計粘貼區β表面，熱電偶(6)測量點位於應變計粘貼區β，儘量靠近工作片；座環(1-1)、應變環(1-6)和襯環(1-4)由內向外套合安裝成一體，在密封結構(1-5)內添加0型圈；將壓力傳感器(1)安裝在滑動軸承箱(8- 和從動軸(8-6)後端滑動軸承(8-4)之間，滑動軸承 (8-4)將壓力傳感器(1)壓緊在滑動軸承箱(8-3)的配合端面上；將信號線( 從滑動軸承箱(8- 配鑽孔引出與接線裝置( 相連，接線裝置( 連接在數字應變儀(4)上；將熱電偶(6)從滑動軸承箱(8-3)配鑽孔引出與熱電偶信號儀(5)相連；數字應變儀⑷和熱電偶信號儀 連接在數據採集和數據分析模塊(7)上。
2.根據權利要求1所述的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置，其特徵在於在應變計粘貼區β內多點放置熱電偶(6)進行測量。
3.根據權利要求1或2所述的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置，其特徵在於所述密封結構(1-5)為徑向密封槽。
4.根據權利要求1或2所述的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置，其特徵在於所述的座環(1-1)、應變環(1-6)和襯環(1-4)材質選用馬氏體不鏽鋼淬火。
5.一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量方法，其特徵在於為所述的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置與所測磁力泵(8)連接布線；測試前在指定測試區將數字應變儀(4)和熱電偶信號儀( 打開預熱，待讀數穩定後將數字應變儀(4)讀數調零; 開啟數據採集和數據分析模塊(7)，設定測試參數，並保證數字應變儀(4)和熱電偶信號儀 (5)和數據採集和數據分析模塊(7)連接正常；開啟磁力泵(8)，數據採集和數據分析模塊 (7)自動提取並保留測量數據，達到設定測試時間後關閉磁力泵(8)，並繼續保持測量狀態 10-15分鐘；測量完畢後數據採集和數據分析模塊(7)提取數據整理分析獲得磁力泵軸向力值，通過測量實驗時應變計粘貼區β的實時溫度消除瞬時高溫差帶來的熱輸出影響，從而校正最終的軸向力值測量結果。
6.根據權利要求5所述的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置，其特徵在於所述的設定測試時間為30分鐘以上。
全文摘要
本發明公開了一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置及測試方法，涉及一種磁力泵軸向力檢測裝置結構，屬於傳感技術領域。一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置包括應力傳感器、接線裝置、信號線、數字應變儀、熱電偶信號儀、溫度熱電偶和數據採集和數據分析模塊。本發明公開的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置結構簡單、實用，可以很方便的測量得到磁力泵實際軸向力的大小，能適應瞬時高溫差環境的工況、測量精度高、且通用性和密封性好。本發明還公開了應用所述的一種磁力泵瞬時高溫差環境下軸向力測量裝置對磁力泵軸向力進行測量的方法。
文檔編號F04B51/00GK102434445SQ201110349279
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者萬仁偉, 任麗, 劉光啟, 吳志宏, 宋寅, 徐衡, 李落成 申請人:襄樊五二五泵業有限公司