CN101968388A - 水电机组无线应力测试仪 - Google Patents
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Abstract
一种水电机组无线应力测试仪，至少包括一个用于信号采集、处理、存储的下位分布式采集系统(2)及用于信号传送的上、下位无线信号传输器(10、5)；该下位分布式采集系统(2)包括用于电压电流变换、光电隔离、静电屏蔽及多级放大的信号调理器(6)、用于处理信号调理器(6)输出信号并包括了A/D转换、数据存储、和信号无线传输的下位主控制器(7)及一个精密电源(9)；下位分布式采集系统通过下位无线传输器(10)的发射器与上位主控制器(4)中上位无线传输器(5)的接收器无线数据通讯连接。本发明的优点是：1精度高，采集数准确度和高时效；2采集试验数据合理性、正确性，提高了试验的成功率；3可保证测试结果的公正性。
Description
技术领域
本发明涉及水力发电机的测试设备，特别是一种水电机组无线应力测试仪。
背景技术
水电机组中水轮机是重要的能量转换动力装置，水轮机转轴和主轴是重要的水下和水上旋转部件。由于水力不稳定流场的作用及转轮叶片的几何形状复杂，水轮机所承受的载荷十分复杂，水轮机叶片上除了水流产生的离心力和压力载荷外，还受到压力脉动和尾水管内部各种不稳定水力动载荷，及各种机械和电磁力导致的动载荷的综合作用。因而叶片很容易产生复杂的动应力，引起叶片振动和裂纹等疲劳破坏。在分析起原因时，需要研究转轮动态特征，分析转轮在水中的动态特征。如果机组改造后出力增加，各种应力相应也会发生较大变化。因此应力是水力机械的运行稳定性一个十分重要的指标，也是评价机组设计可靠性的重要指标。
应力测量一直是分析水轮发电机组旋转部件以及转轮叶片裂纹的重要手段，通过对各个工况下主轴以及转轮叶片应力变化的测量，分析主轴受力及转轮裂纹产生的原因。这不仅能验证主轴和转轮的应力和其破坏的相互关系；此外还能通过监测应力或移位的变异来研究机组轴系以及转轮结构有否损坏或潜在损坏。另外，应力测量还可应用到机组其他结构的测量上面，从而成为实现机组状态检修、预防事故发生的必不可少的手段。对保证水电机组的安全经济运行，合理的进行检修决策有着重要的实际意义。现有技术中的应力测试装置存在以下缺点：
1.应力测试中信号传输一般为有线传输方式，由于布线不方便，且危险性较强，使得水电机组很多部件的应力测量不能实现；
2.应力测试装置大多属于体积大，分析方法简单或是精度低；
3.一般都是用于水电机组固定部件的测量，对于转动部件特别是水轮机关键部件的转轮和主轴的应力测量现在还没有好的手段。这些部件由于旋转的原因只能采用离线式记录装置进行事后数据分析，但由于机组工况变化的复杂性以及机组调度的非随意性，进行试验的工作效率十分低下，甚至有十几天的工作都白费的情况发生，这在一些关键工程中是相当大的人力物力损失。
4.普通的无线传输由于错码率高、缺乏网络协议层控制等技术手段，只能用来传输非实时的测量结果，这对于复杂的多通道分析来说是无法胜任的。
发明内容
本发明的目的是提供一种可操作方便、测试效率高、精度高、可对运动部件进行在线实时测量的用于测量水电机组无线应力测试仪。
所述水电机组无线应力测试仪至少包括一个用于信号采集、处理、存储的下位分布式采集系统及一个用于信号传送的上、下位无线信号传输器；该下位分布式采集系统包括一个用于电压电流变换、滤波、克服信号漂移、进行光电隔离、静电屏蔽及多级放大的信号调理器、一个用于处理信号调理器输出信号并包括了A/D转换、数据存储、和信号无线传输的下位主控制器及一个精密电源；信号调理器设有用于去除噪声、并进行放大，然后进行调零和稳波处理的应变电桥，应变电桥的输入桥臂设置在待测水轮电机上，其输出端与开关电容隔离电路的输入端相连，开关电容隔离电路的输出端与斩波稳零放大电路的输入端相连，斩波稳零放大电路的输出端与仪用放大器的输入端相连，仪用放大器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与下位主控制器中的A/D转换及信号处理器的数据口相连；下位分布式采集系统通过下位无线传输器的发射器与上位主控制器中上位无线传输器的接收器无线数据通讯连接并同时将所传输的数据存于存储器。
所述下位主控制器上设置有海量存储器，存储器的存储容量为1～10G，上位主控制器通过USB接口与上位计算机连接。
上位无线信号传输器上还设有环形接收天线，此环形接收天线设置在测试现场被测旋转体的外围，环形接收天线接受下位无线信号传输器传送的无线信号。所述上、下位无线传输器内均设有无线发送模块及无线接收模块。无线发送模块及无线接收模块采用工作在公用的ISM频段的RF433MHZ模块。
所述精密电源为精密恒流源或恒压源，它包括锂电池、电源开关、稳压处理单元、电源输出单元；其中电源开关通过下位无线传输器接受上位主控制器或上位计算机开、闭指令进行开、闭以使精密电源间断运行节省电池。
所述稳压处理单元包括去噪处理单元、低噪声低温电源基准V/I变换及扩流单元。
本发明的无线机组监测平台可以提供128Kbps的实时无差错无线传输能力，可以方便的接入主轴应变、转轮叶变动应变、旋转部件特定点加速度、声音、压力脉动等测点，并且可以在线控制实验进程，极大地提高了测试效率，为研究机组故障与优化设计提供了新的手段。
无线传感器的应用，免去了烦琐的接线操作，降低了操作难度，从而在小规模机组测试中有良好的应用前景。所述的测试仪可提供4通道无线机组试验通道，用户可以以最少的现场工作量，最轻便的装备完成机组常规测试，测点可以不受电源及接线的约束方便地布置，不再有携带大量导线的负担。
为保证试验的完全成功，在实现仪器无线通讯分析的同时仪器还提供了海量存储功能，这样即使无线通讯不成功，试验的数据也可以完整地被保存下来以便进行分析。本发明可提供4GB容量的海量存储，可以完整复现试验中48小时内原始数据，不依赖外部电源工作，可以用于事故过程的精细分析，寻找故障源和解决方案。对比于传统的磁盘、硬盘记录方式，这种海量电子盘无机械部件、无噪声、可靠性高、寿命长，同时大大简化了维护工作。
水力机械的现场应力测试是一个比较繁杂试验项目，传统的方法是用常规的引线布置，特别是转轮应力试验，其重复性小，要等到结果出来再发现问题再来进行补做几乎是不可能的，本发明针对水力机组的特殊情况开始的分析仪和传统的测试手段相比有以下特点：
(1)严格遵循IEC(IEC 60512)和GB-T 2975-1998钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备、GB T 20066-2006钢和铁化学成分测定用试样的取样和制样方法和GBT 228-2002金属材料室温拉伸试验方法等有关应力试验的标准，以保证测试结果的准确度，所用传感器在0.2级以上，仪器本体0.5级以上，使用12位A/D转换，信号时间分辩率达1MS，采用多通道实时采集，保证了采集数的准确度和时效。
(2)提高了试验的成功率，仪器在现场试验时，各测试量均可以数字和曲线方式显示其值，也可同步计算出应力、应变值等，同步绘制出应力特性变化曲线。整个数据采集乃至试验质量尽在监视之中，若有异常数据即可判断产生原因，并及时处理，避免了试验中的盲目性，保证了试验数据的合理性、正确性，提高了试验的成功率。
(3)保证了测试结果的公正性。由于在试验中的原始的测量数据是实时在线显示并保存的，测试数据的公开度透明度高，对用户而言，提高了试验测试数据的可信度和测试结果的公正性。
(4)结合科学技术的进步，采用了一些新近发展的数据采集和数学处理方法。可以对测试数据通讯传输数据处理系统，处理系统自动生成数据成果表并绘制有关曲线。既继承了传统测量方法的稳定可靠性，又在数据采集手段和处理方法上更高效、更趋合理。
(5)免去繁重的人工读数、数据计算、图表的编绘以及可能产生错误和误差。
附图说明
图1是应变电桥电路原理图，
图2是本发明原理框图，
图3是精密电源原理框图，
图4精密恒流源电路图，
图5是无线数字RF433MHZ模块功能框图，
图6是信号调理器原理框图，
图7是上、下位主控制器功能框图。
图中：1-应变电桥，1-1-电阻应变式传感器，2-下位分布式采集系统，3-上位计算机，4——上位主控制器，5、10-上、下位无线信号传输器，6-信号调理器，7-下位主控制器，8-数据存储器，9-精密电源，11-信号处理器，12-开关电容隔离电路，13-斩波稳零放大电路，14-仪用放大器，15-低通滤波器，16-锂电池，17-电源开关，18-稳压处理单元，19-电源输出单元，20、21-精密恒流/恒压源输入端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，图2中，所述水电机组无线应力测试仪至少包括一个用于信号采集、处理、存储的下位分布式采集系统2及一个用于信号传送的上、下位无线信号传输器10、5；该下位分布式采集系统2包括一个用于电压电流变换、滤波、克服信号漂移、进行光电隔离、静电屏蔽及多级放大的信号调理器6、一个用于处理信号调理器6输出的A/D转换、存储、和无线传输的下位主控制器7及一个精密电源9，下位主控制器7由A/D转换及信号处理器11、数据存储器8、下位无线信号传输器10组成。图1和图6中，信号调理器6设有用于去除噪声、并进行放大，然后进行调零和稳波处理的应变电桥1，应变电桥1的输入桥臂设置在待测水轮电机上，其输出端与开关电容隔离电路12的输入端相连，开关电容隔离电路12的输出端与斩波稳零放大电路13的输入端相连，斩波稳零放大电路13的输出端与仪用放大器14的输入端相连，仪用放大器14的输出端与低通滤波器15的输入端相连，低通滤波器15的输出端与下位主控制器7中的A/D转换及信号处理器11的数据口相连；下位分布式采集系统2通过下位无线传输器10的发射器与上位主控制器4中上位无线传输器5的接收器无线数据通讯连接。
所述下位主控制器7上设置有海量存储器8，存储器8的存储容量为1～10G，上位主控制器4通过USB接口与上位计算机3连接。上位无线信号传输器5上还设有环形接收天线，此环形接收天线设置在测试现场被测旋转体的外围，环形接收天线接受下位无线信号传输器10传送的无线信号。
图5中，所述上、下位无线传输器10、5内均设有无线发送模块及无线接收模块。无线发送模块及无线接收模块采用工作在公用的ISM频段的RF433MHZ模块。
图3所述精密电源9为中的稳压处理单元18包括精密恒流源或恒压源，并包括锂电池16、电源开关17、电源输出单元19。
如图4示，所述稳压处理单元18包括去噪处理单元、低噪声低温电源基准V/I变换及扩流单元，稳压处理单元18的输出端20、21与图1应变电桥1中的激励源相连。
无线通信工作在ISM频段，不会干扰其它频段(例如广播)。此次无线的研发将着重解决采集数据的实时传输问题和电池的供电问题，真正解决工业应用中的采集和分析的数据量问题，电池消耗也非常低。采集数据可实时传输到后方分析系统，也可在现场采用小巧的运动硬盘存储。本发明通过采用合适的传感传输系统，通过对特定的应用技术及特点要求的分析优化其信息处理方法和算法。采用先进的集成技术，由硬件完成全部或绝大部分的工作。
无线技术参数如下：
灵敏度：1.2kbps下-110dBm
传输距离：200m(室外)：(水下5m)
通信频段：433MHz
传输速率：128Kbps
功耗：较低的电流消耗(RX中15.6mA，2.4kbps，433MHz)
本发明的主要技术性能是：
1.定时检测功能
实时测量分析4路应变量可在转轮叶片、大轴等各处测量；其他需测量应变的部位测量各实时检测值，都以多种方式显示：数字显示、变化曲线和实时波形(4秒)(可自动采样)。
2.实时分析功能
对采样波形进行时域显示(包括峰峰值、有效值、直流平均、振幅统计概率分析功能)
3.运行记录功能
无限期趋势记录可同时记录峰峰值、有效值、直流平均、振幅统计概率等多种趋势。
4.传感器自动调零功能
具有静态和动态动态调零功能，可以在各种情况下调整传感器零位情况。
5.通道滤波及修正功能
对各通道可进行滤波处理，滤波系数可查询、修改。
6.海量存储功能
各种测量数据可同时保存在应变仪的电子盘内，不用担心无线通讯不成功而测量不到数据的情况。
7.应变测量方式选择功能
可根据不同的应变测量需求选择不同的测量方式，如选择拉力测量或弯曲测量。
本测试仪的安装过程是：一般是选择应变幅值最能反映机组机械工况又便于安装应变片的位置为测点。通常设置的测点有涡壳、大轴、转轮叶片水轮机导叶、轴流式桨叶、控制环、水轮机进水阀门等。在选择测点时，应注意选择各部位应力最大点进行测量，为保证测量结果误差小，在安装应变片时应注意应变片、应变花粘贴部位防潮处理的要求及防潮剂的涂抹工艺。例如，测量转轮叶片应力时，犹豫转轮内水流速度高、水压大，测量的应变花可采用“钢管-铜盖防冲防潮盒”结构，防潮盒预先批加工好，贴片后点焊在叶片上，补偿片可以公用，可粘贴在分线盒内，亦可贴在测量片的铜盖内侧。
无线应力测量仪的传感器测量及发送端固定在测量部位附近，如测量部件为大轴等高速旋转部件，需要用钢丝等紧固，如为叶片应力测量，还需在紧固的同时做好防水防潮处理。无线应力测量仪的接收端和笔记本电脑放在合适的地方，只要不妨碍无线信号的传输即可。
YIF软件安装于笔记本电脑中，用于监测分析机组应变变化的各种数据。使用YIF可以方便地对检测的数据进行管理、分析、存储和打印。
YIF是一个支持WINDOWS95、WINDOWS98、WINDOWS NT、Windows2000、WindowsXP操作系统的标准32位软件，它采用WINDOWS标准的人机交互界面，简单易用，提示信息直观、丰富，允许不同习惯的多种操作方式，对用户十分友好。其内核广泛采用了先进的多线程并行技术，从而使用户操作更为便利。
WindowsXP的安装：
准备装有WindowsXP的光盘，将安装光盘放入光驱，在安装时对笔记本硬盘运行分区，分区时c区(7G)左右即可，开始安装通过系统盘进行一步步安装。
Claims (7)
1.一种水电机组无线应力测试仪，其特征是：所述测试仪至少包括一个用于信号采集、处理、存储的下位分布式采集系统(2)及一个用于信号传送的上、下位无线信号传输器(10、5)；该下位分布式采集系统(2)包括一个用于电压电流变换、滤波、克服信号漂移、进行光电隔离、静电屏蔽及多级放大的信号调理器(6)、一个用于处理信号调理器(6)输出信号并包括了A/D转换、数据存储、和信号无线传输的下位主控制器(7)及一个精密电源(9)；信号调理器(6)设有用于去除噪声、并进行放大，然后进行调零和稳波处理的应变电桥(1)，应变电桥(1)的输入桥臂设置在待测水轮机上，其输出端与开关电容隔离电路(12)的输入端相连，开关电容隔离电路(12)的输出端与斩波稳零放大电路(13)的输入端相连，斩波稳零放大电路(13)的输出端与仪用放大器(14)的输入端相连，仪用放大器(14)的输出端与低通滤波器(15)的输入端相连，低通滤波器(15)的输出端与下位主控制器(7)中的A/D转换及信号处理器(11)的数据口相连；下位分布式采集系统(2)通过下位无线传输器(10)的发射器与上位主控制器(4)中上位无线传输器(5)的接收器无线数据通讯连接并同时将所传输的数据存于存储器(8)。
2.根据权利要求1所述的水电机组无线应力测试仪，其特征是：所述下位主控制器(7)上设置有海量存储器(8)，存储器(8)的存储容量为1～10G；上位主控制器(4)通过USB接口与上位计算机(3)连接。
3.根据权利要求1所述的水电机组无线应力测试仪，其特征是：上位无线信号传输器(5)上还设有环形接收天线，此环形接收天线设置在测试现场被测旋转体的外围，环形接收天线接受下位无线信号传输器(10)传送的无线信号。
4.根据权利要求1或3所述的水电机组无线应力测试仪，其特征是：所述上、下位无线传输器(10、5)内均设有无线发送模块及无线接收模块。
5.根据权利要求1或3所述的水电机组无线应力测试仪，其特征是：无线发送模块及无线接收模块采用工作在公用的ISM频段的RF433MHZ模块。
6.根据权利要求1所述的水电机组无线应力测试仪，其特征是：所述下位分布式采集系统(2)中的精密电源(9)为精密恒流源或恒压源，它包括锂电池(16)、电源开关(17)、稳压处理单元(18)、电源输出单元(19)；其中电源开关(17)通过下位无线传输器(10)接受上位主控制器(4)或上位计算机(3)开、闭指令进行开、闭以使精密电源(9)间断运行，稳压处理单元(18)的输出端(20、21)与应变电桥(1)中的激励源相连。
7.根据权利要求1或6所述的水电机组无线应力测试仪，其特征是：所述稳压处理单元(18)包括去噪处理单元、低噪声低温漂电压基准、V/I变换及扩流单元。
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