吳翠紅（通信作者），郝 芯

（長(zhǎng)春電子科技學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

機(jī)械密封是化工生產(chǎn)中的重要部分[1]，其可使用相關(guān)的壓縮設(shè)備和轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備完成密封，防止流體泄露。常見(jiàn)的機(jī)械密封膜屬于一種特殊的流體膜，一旦密封裝置發(fā)生高速運(yùn)轉(zhuǎn)，很容易產(chǎn)生較高的離心力，導(dǎo)致密封膜損傷，引發(fā)流體泄漏，因此在密封的過(guò)程中需要實(shí)時(shí)對(duì)密封膜的厚度進(jìn)行檢測(cè)，并及時(shí)處理產(chǎn)生的密封膜厚度變化問(wèn)題[2-3]。常規(guī)的化工機(jī)械密封膜厚檢測(cè)方法往往使用小波變換（wavelet transform，WT）法進(jìn)行厚度檢測(cè)[4]，經(jīng)常受小波信號(hào)的影響出現(xiàn)較高的檢測(cè)干擾，檢測(cè)的厚度不準(zhǔn)確，而近紅外技術(shù)可根據(jù)密封膜的電磁波變化進(jìn)行定量分析，實(shí)現(xiàn)高精度密封膜厚檢測(cè)[5]。因此本文基于近紅外技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新的化工機(jī)械密封膜檢測(cè)方法，為后續(xù)的化工機(jī)械生產(chǎn)做出了一定的貢獻(xiàn)。

1 化工機(jī)械密封膜厚近紅外檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 基于近紅外技術(shù)處理化工機(jī)械密封膜厚度信號(hào)

本文基于近紅外技術(shù)進(jìn)行了定量分析，通過(guò)關(guān)聯(lián)校正完成機(jī)械密封膜厚度信號(hào)的處理[6]。使用近紅外探測(cè)裝置獲取機(jī)械密封膜信號(hào)，確定此時(shí)的信號(hào)特征量，并進(jìn)行門(mén)限檢測(cè)確定密封膜的信號(hào)輸出量，降低外界環(huán)境對(duì)機(jī)械密封膜厚度檢測(cè)造成的影響[7-8]。在較復(fù)雜的化工機(jī)械環(huán)境下，密封膜的厚度變化具有一定的規(guī)律[9]，因此本文結(jié)合近紅外探測(cè)原則設(shè)計(jì)了密封膜變化規(guī)律方程Δt，其公式可表示為：

式中：t為流體密封膜檢測(cè)時(shí)間；G(t)為信號(hào)變化函數(shù)；d為解析參數(shù)。使用該變化規(guī)律方程可有效分析密封膜狀態(tài)，判定密封膜的變化趨勢(shì)。為了提高密封膜信號(hào)處理的準(zhǔn)確性，本文使用信號(hào)分析法判定信號(hào)頻譜變化，對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。此時(shí)采集到的密封信號(hào)與探測(cè)頻域相擬合[10]，滿足時(shí)頻分布關(guān)系，為精準(zhǔn)地判斷信號(hào)的時(shí)間分辨率動(dòng)態(tài)變化情況，可進(jìn)一步設(shè)計(jì)窗函數(shù)（g（t）），其公式可表示為：

式中：x（t）為探測(cè)信號(hào)聯(lián)合分布矩陣；e-j為探測(cè)帶寬。g（t）可實(shí)時(shí)確定動(dòng)態(tài)函數(shù)的變化方向判定信號(hào)的處理情況，提高機(jī)械密封膜厚度信號(hào)處理的準(zhǔn)確性。

1.2 構(gòu)建化工機(jī)械密封膜厚檢測(cè)模型

為了降低密封膜厚的檢測(cè)難度，本文結(jié)合化工機(jī)械密封膜的厚度檢測(cè)信號(hào)構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)模型。近紅外技術(shù)提取到的信號(hào)屬于統(tǒng)計(jì)性信號(hào)，需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析才能提取準(zhǔn)確的密封膜厚度檢測(cè)信號(hào)特征，本文結(jié)合信號(hào)濾波原則，構(gòu)建化工機(jī)械密封膜檢測(cè)模型（s），其公式可表示為：

式中：s-為平均檢測(cè)權(quán)重；nT為采樣時(shí)間間隔；B為濾波帶寬。使用該模型可以成功地計(jì)算出與密封膜流體相關(guān)的參數(shù)，判斷流體信號(hào)的狀態(tài)，確定此時(shí)的采樣頻率波動(dòng)特征。

在化工機(jī)械密封膜厚檢測(cè)的過(guò)程中，存在較多的探測(cè)信號(hào)，這些探測(cè)信號(hào)的來(lái)源較廣、影響范圍較大，容易對(duì)實(shí)際探測(cè)結(jié)果造成誤差，因此本文進(jìn)行信號(hào)參數(shù)估計(jì)，經(jīng)過(guò)上述處理的密封膜厚檢測(cè)信號(hào)符合基礎(chǔ)的變換關(guān)系，此時(shí)還需要計(jì)算這種情況下近紅外技術(shù)的探測(cè)密度。將較復(fù)雜的機(jī)械密封膜檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成較多的處理部分進(jìn)行逐一分解，獲取全部符合要求的檢測(cè)能量特征，從而有效地完成特征參數(shù)估計(jì)。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在使用上述模型進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中可能會(huì)形成大面積的延遲波束，導(dǎo)致近紅外交流異常，因此為了保證實(shí)際檢測(cè)效果，本文設(shè)計(jì)的方法還集中進(jìn)行了聚能處理，得到聚能分量（G），其公式可表示為

式中，ce為波動(dòng)高度。來(lái)自各個(gè)聚能分量的特征信息均能有效地反映該部分的密封膜厚度變換，因此使用上述模型可在最大程度上提高化工機(jī)械密封膜的檢測(cè)有效性，降低檢測(cè)難度。

1.3 分析密封膜厚檢測(cè)信號(hào)特征

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，化工機(jī)械密封膜厚度檢測(cè)信號(hào)在不同狀態(tài)下的密封膜厚度檢測(cè)信號(hào)特征可能存在某些差異，因此本文設(shè)置了2種不同的狀態(tài)，此時(shí)在這2種狀態(tài)下信號(hào)特征的幅值變化示意圖如圖1所示。

圖1 信號(hào)特征幅值變化示意圖

由圖1可知，在不同狀態(tài)下，信號(hào)特征幅值具有明顯的變化，證明不同狀態(tài)下的信號(hào)特征差異較明顯，為了提高化工機(jī)械密封膜厚度檢測(cè)精度，本文設(shè)計(jì)的方法分析了密封膜檢測(cè)信號(hào)特征。

使用傅里葉變換法將上述設(shè)計(jì)的化工機(jī)械密封膜厚度檢測(cè)模型計(jì)算的信號(hào)頻率參數(shù)進(jìn)行多重變換，直觀地判斷信號(hào)的線性疊加關(guān)系，確定信號(hào)的能量分布狀態(tài)，此時(shí)的變換（F（）），可表示為：

式中，fe-i為線性變化參數(shù)。此時(shí)可將采集到的信號(hào)特征轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)有限的周期序列，將該序列存放到離散頻域中可以降低信號(hào)分析數(shù)據(jù)總量，提高信號(hào)分析的有效性，此時(shí)可結(jié)合有效性分析結(jié)果判斷信號(hào)的中心頻率特征（cf），其公式表示為：

式中：fi為集中頻率方差；pi為均方頻率變化值。結(jié)合該中心頻率特征可進(jìn)一步分析信號(hào)的能量變化關(guān)系，判斷信號(hào)中心是否改變。若信號(hào)中心發(fā)生改變，可結(jié)合信號(hào)中心的偏離程度計(jì)算能量幾種關(guān)系，反映化工機(jī)械密封膜的厚度狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的化工機(jī)械密封膜厚近紅外檢測(cè)方法的檢測(cè)效果，本文搭建了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將其與常規(guī)的化工機(jī)械密封膜厚檢測(cè)方法對(duì)比，實(shí)驗(yàn)如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了保證實(shí)驗(yàn)的有效性，本文根據(jù)流體壓力測(cè)試原則選取了與機(jī)械密封膜厚檢測(cè)相符的PX409高精度流體壓力傳感器，該流體壓力傳感器的滯后性和重復(fù)性均較低，且存在較廣的溫度補(bǔ)償范圍，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，在最大程度上降低了實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)的可靠性。PX409流體壓力傳感器共包含5種不同的量程，可實(shí)時(shí)判斷流體壓力的輸入輸出情況，流體壓力傳感器參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 流體壓力傳感器參數(shù)

由表1可知，該流體壓力傳感器的精度較高，符合本實(shí)驗(yàn)的厚度檢測(cè)需求，為進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)的精度，本文將水作為原始密封介質(zhì)，對(duì)壓力傳感器進(jìn)行了優(yōu)化安裝，安裝示意圖如圖2所示。

圖2 壓力傳感器安裝示意圖

由圖2可知，該壓力傳感器可利用信號(hào)發(fā)射器直接測(cè)量實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，再結(jié)合金屬環(huán)的摩擦系數(shù)進(jìn)行判斷。該信號(hào)發(fā)射器的量程為（50～900）kHz，輸出范圍較廣，可根據(jù)采集信號(hào)的變化關(guān)系完成信號(hào)放大處理，降低實(shí)驗(yàn)難度。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較多數(shù)據(jù)，為了統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，有效地完成數(shù)據(jù)采樣，本文選取PCI-6358數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，并使用LabVIEW完成驅(qū)動(dòng)。在開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，可使用5125放大器對(duì)傳輸中的密封膜厚度信號(hào)進(jìn)行放大，以提高信號(hào)的可識(shí)別性。密封厚度信號(hào)數(shù)據(jù)采集中心組成示意圖，如圖3所示。

圖3 采集中心組成示意圖

在采集中心完成信號(hào)數(shù)據(jù)采集后，需要設(shè)置多種不同的密封轉(zhuǎn)速和密封壓力條件，提高實(shí)驗(yàn)的敏感性，在保證密封腔內(nèi)部壓力發(fā)生恒定變化的基礎(chǔ)上記錄電渦流發(fā)射信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整密封轉(zhuǎn)速，記錄該過(guò)程生成的發(fā)射數(shù)據(jù)。此時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)置不同時(shí)間下的探測(cè)沖幅值，見(jiàn)表2。其中，變化序號(hào)中：V為正向偏移，R為反向偏移，數(shù)字為偏移效果。數(shù)字越大，證明偏移幅度越高。

表2 探測(cè)沖幅值

根據(jù)表2中的探測(cè)沖幅值，可有效劃分目前存在的密封膜樣本，實(shí)時(shí)調(diào)整化工機(jī)械密封膜的狀態(tài)，為后續(xù)的密封膜厚檢測(cè)實(shí)驗(yàn)做參考。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在2.1章節(jié)基礎(chǔ)上可進(jìn)行化工機(jī)械密封膜厚檢測(cè)效果實(shí)驗(yàn)，即分別使用本文設(shè)計(jì)的化工機(jī)械密封膜厚近紅外檢測(cè)方法和常規(guī)的化工機(jī)械密封膜厚檢測(cè)方法，對(duì)設(shè)置的機(jī)械密封膜進(jìn)行檢測(cè)，記錄2種方法在探測(cè)沖幅值不同情況下的檢測(cè)結(jié)果，并將其與實(shí)際機(jī)械密封膜厚進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，本文設(shè)計(jì)的化工機(jī)械密封膜厚近紅外檢測(cè)方法在不同探測(cè)沖幅值下檢測(cè)的化工機(jī)械密封膜厚度均與實(shí)際化工機(jī)械密封膜厚度相對(duì)擬合，檢測(cè)差值較小；常規(guī)的化工機(jī)械密封膜厚檢測(cè)方法檢測(cè)的密封膜厚度與實(shí)際差值較高。證明本文設(shè)計(jì)的化工機(jī)械密封膜厚近紅外檢測(cè)方法檢測(cè)的厚度較準(zhǔn)確，具有準(zhǔn)確性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，化工機(jī)械密封是機(jī)械加工中的重要步驟，可避免流體傾倒。為提升其化工機(jī)械密封膜厚的檢測(cè)精度，本文設(shè)計(jì)了一種新的化工機(jī)械密封膜厚近紅外檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的化工機(jī)械膜厚檢測(cè)方法的檢測(cè)差值較小，檢測(cè)精度較高，符合化工機(jī)械加工需求。