CN103335588B - 一种高压密闭容器设备壳体形变的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种高压密闭容器设备壳体的形变测量方法包括下述顺序步骤：第一步、形变后阻值改变；第二步、求得阻值变化；第三步、求得电压变化；第四步、计算差分输出电压；第五步、转为数字量变化；第六步、推导出形变值；第七步、测量工具进行线性度校准和零点校准值。本发明的有益效果在于：应变片电桥将电容器外壳形变转化为模拟信号电阻增量值ΔRa、ΔRb，模拟信号电阻增量值通过调理电路输出至微控制器，微控制器采样输入信号并计算形变的测量值，微控制器采集温度传感器的温度值，计算电容器外壳形变的温度补偿值，并最终计算出形变值，精确地得出高压密闭容器设备壳体形变值，并算出在标准测试环境下对形变测量工具进行线性度校准和零点校准。

Description

一种高压密闭容器设备壳体形变的测量方法

技术领域

本发明涉及一种高压密闭容器设备壳体形变的测量方法，尤其设计一种用于电力电容器、油浸式变压器等密闭容器类电气设备壳体形变测量应用领域的高压密闭容器设备壳体形变的测量方法。

背景技术

电力电容器主要作用是向电力系统提供无功功率补偿，提高功率因数，可以减少输电线路输送电流，从而减少线路损耗和压降，改善电能质量并提高设备利用率。电力电容器故障一般是由过电压、过电流（谐波和涌流）和温度过高这三种原因造成的。过电压和过电流都会导致电容器发热严重，会加速电容器绝缘介质老化，使绝缘强度降低而发生击穿放电。当电力电容器内部发生放电时，绝缘油分解产生大量气体，使箱壳内部压力增大，造成箱壁塑性变形继而外鼓，出现“鼓肚”现象的电容器应立即停止使用，否则就可能引起电容器爆炸。

通过分析电力电容器壳体的形变、温度监测数据能较为准确的判断电容器的工作状态，但是电力电容器外壳鼓肚造成的形变难以直接测量，一般检测金属形变都采用光学干涉法测微弱形变，这些方法无法应用在已经投运的高压设备上。

发明内容

本发明针对高压密闭容器设备外壳形变难以直接测量的问题，提出了一种高压密闭容器设备壳体的形变测量方法。

一种高压密闭容器设备壳体形变测量方法包括下述顺序步骤：

第一步、温度传感器和形变测量工具固定于应变梁上，形变测量工具 包括应变梁支臂、应变片Ra和应变片Rb，应变片Ra和应变片Rb分别粘贴于同一个应变梁支臂的上、下两侧，应变片Ra和应变片Rb的参数相同。当应变梁受力发生形变时，固定在应变梁支臂两侧的应变片Ra和应变片Rb阻值随着形变产生变化，Ra和Rb阻值变化方向相反，电阻增量值分别为ΔRa、ΔRb, Ra、Rb的连接方式如图3所示。

第二步、根据第一步测得的阻值为Ra和Rb的两个应变片形变导致的电阻增量值ΔRa、ΔRb，考虑到应变片有较大的温度系数，在测量期间环境温度变化为ΔT，则有下列Ra和Rb电阻值：

${\mathrm{Ra}}^{\′}=(\mathrm{Ra}-\mathrm{\ΔRa})(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Ra}}{K}_{\mathrm{Ra}})---\left(1\right)$

${\mathrm{Rb}}^{\′}=(\mathrm{Rb}+\mathrm{\ΔRb})(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Rb}}{K}_{\mathrm{Rb}})---\left(2\right)$

式中，ΔRa、ΔRb为形变导致的电阻增量值，ΔRa和ΔRb变化方向相反；ΔT_Ra、ΔT_Rb为温度变化值；K_Ra、K_Rb为平均电阻温度系数，即应变片阻值随着温度变化而变化的速率；Ra’和Rb’为形变后的阻值；

第三步、根据形变后产生的阻值Ra’和Rb’，通过串联电阻分压公式求得：

$\mathrm{Vi}=\frac{{\mathrm{Rb}}^{\′}}{{\mathrm{Ra}}^{\′}+{\mathrm{Rb}}^{\′}}{V}_E=\frac{(\mathrm{Rb}+\mathrm{\ΔRb})(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Rb}}{K}_{\mathrm{Rb}})}{(\mathrm{Ra}-\mathrm{\ΔRa})(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Ra}}{K}_{\mathrm{Ra}})+(\mathrm{Rb}+\mathrm{\ΔRb})(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Rb}}{K}_{\mathrm{Rb}})}{V}_E---\left(3\right)$

式中，Vi为正向输入电压，V_E为电桥直流恒定电压源。Ra和Rb是参数相同的应变片，具有相同物理特性，两个应变片粘贴在同一个应变梁支臂的上、下两侧，其电阻增大和减小的阻值彼此相等、应变片工作温度相同，因此确定Ra=Rb=R，|ΔRa|=|ΔRb|=ΔR， ΔRa=-ΔRb，ΔT_Ra=ΔT_Rb，K_Ra=K_Rb，代入公式（3）得到： (4)；

第四步、根据正向输入电压Vi计算差分输出电压V_O：Vo=(Vi-V_R)A+V_R (5),

将V_R=V_E/2和公式(4)代入公式（5）得到： （6)，

式中：A为差分放大电路增益，V_R为电桥参考电压；

第五步、根据差分输出电压V_O计算ADC采样值Do：，由此推导出： （7），

式中D_PRE为微控制器的ADC满量程值。

第六步、应变片的电阻变化值与形变之间的关系式为： （8），式中，ε₀为形变值，K₀为应变片灵敏系数；若测试参考温度为T_CR，应变片灵敏系数为K_S，应变片灵敏度温度系数为K_T，应变片实际工作温度为T_M，应变片灵敏系数K₀为：K₀=K_S+(T_M-T_CR)K_T（9），式中： K_S 、K_T为应变片特性参数，它们由应变片材料特性、生产工艺等因素所决定，这些特性参数由应变片制造商提供。将公式（7）和公式（9）代入公式（8），推导得形变值ε₀：（10）

第七步、在标准测试环境下对形变测量工具进行线性度校准和零点校准，校准的基本公式为： （11）式中：K_Z为比例系数，是一个常数；ε_Z为形变的零点补偿值。

本发明的有益效果在于：应变片电桥将形变转化为模拟信号电阻 增量值ΔRa、ΔRb，模拟信号电阻增量值ΔRa、ΔRb通过调理电路输出至微控制器，微控制器采样输入信号；同时，微控制器采集温度传感器的温度值，利用温度值补偿应变片灵敏度系数，然后计算出形变值。最后，在标准测试环境下对形变测量值进行线性度校准和零点校准，校准后的形变测量值具备更高的准确度。

附图说明

图1为本发明的平面正交轴网形变测量电路原理图；

图2为本发明的应变片粘贴位置结构图；

图3为本发明的单轴形变测量电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的结构作进一步说明。

实施例1

一种高压密闭容器设备壳体形变测量方法包括下述顺序步骤：

第一步、温度传感器和形变测量工具固定于应变梁上，形变测量工具包括应变梁支臂、应变片Ra和应变片Rb，应变片Ra和应变片Rb分别粘贴于同一个应变梁支臂的上、下两侧，应变片Ra和应变片Rb的参数相同。当应变梁受力发生形变时，固定在应变梁支臂两侧的应变片Ra和应变片Rb阻值随着形变产生变化，Ra和Rb阻值变化方向相反，电阻增量值分别为ΔRa、ΔRb；

第二步、根据第一步测得的阻值为Ra和Rb的两个应变片形变导致的电阻增量值ΔRa、ΔRb，通过下述公式求得环境温度变化ΔT时刻Ra和Rb电阻值： （1） （2），式中，ΔRa、ΔRb为形变导致的电阻增量值，ΔRa和ΔRb变化方向相反；ΔT_Ra、ΔT_Rb为温度变化值；K_Ra、K_Rb为平均电阻温度系数，即应变片阻值随着温度变化而变化的速率；Ra’和Rb’为形变后的阻值，Ra、Rb的连接方式如图3所示；

第三步、根据形变后产生的阻值Ra’和Rb’，通过串联电阻分压公式求得： （3）式中，Vi为正向输入电压，V_E为电桥直流恒定电压源。Ra和Rb是参数相同的应变片，具有相同物理特性，两个应变片粘贴在同一个应变梁支臂的上、下两侧，其电阻增大和减小的阻值彼此相等、应变片工作温度相同，因此确定Ra=Rb=R，|ΔRa|=|ΔRb|=ΔR，且ΔRa=-ΔRb，ΔT_Ra=ΔT_Rb，K_Ra=K_Rb，代入公式（3）得到： (4)；

第四步、根据正向输入电压Vi计算差分输出电压V_O：Vo=(Vi-V_R)A+V_R (5),将V_R=V_E/2和公式(4)代入公式（5）得到： (6)，式中：A为差分放大电路增益，V_R为电桥参考电压；

第五步、根据差分输出电压V_O计算ADC采样值Do：，

由此推导出： （7）式中D_PRE为微控制器的ADC满量程值。

第六步、应变片的电阻变化值与形变之间的关系式为：（8） 式中，ε₀为形变值，K₀为应变片灵敏系数。若测试参考温度为T_CR，应变片灵敏系数为K_S，应变片灵敏度温度系数为K_T，应变片实际工作温度为T_M，那么应变片灵敏系数K₀为：K₀=K_S+(T_M-T_CR)K_T（9），式中： K_S 、K_T为应变片特性参数，它们由应变片材料特性、生产工艺等因素所决定，这些特性参数由应变片制造商提供。将公式（7）和公式（9）代入公式（8），推导得形变值ε₀： （10）；

第七步、在标准测试环境下对形变测量值进行线性度校准和零点校准，校准的基本公式为： （11）式中：K_Z为比例系数，是一个常数；ε_Z为形变的零点补偿值。校准后的形变测量值具备更高的准确度。

实施例2

如图1、2所示，形变-温度测量装置包括壳体、应变梁、温度传感器和形变测量工具，形变-温度测量装置用于实现平面正交轴网形变、温度等参数的测量，以及实现功耗管理、无线通讯等功能。硬件电路的主体安装在壳体内，温度传感器和两组应变片电桥固定在应变梁上，两组应变片电桥可测量平面正交轴网的形变参数，即平面X轴和Y轴的形变参数。应变梁安装在壳体底部，应变梁和壳体之间采用弹性连接。将应变梁粘接在结构件（高压密闭容器设备外壳）表面，使结构件的形变和温度变化能有效地传导给应变梁，并被形变测量工具和温度传感器所测量。

硬件电路结构为：V1是恒压电源；R1、R2是参数相同的固定电 阻；R3、R4、R5、R6是参数相同的应变片，A1、A2是参数相同的运算放大器；U1是微控制器。

平面正交轴网形变的测量需要分别测量X轴形变和Y轴形变；应变片R3与R4串联形成X轴形变测量桥臂，R3与R4的节点电压为A1的正向输入电压；应变片R5与R6串联形成Y轴形变测量桥臂，R5与R6的节点电压为A2的正向输入电压；固定电阻R1与R2串联形成一个公共桥臂，电阻间的节点电压为A1、A2的反向输入电压；A1与A2将差动输入信号经过放大、滤波后变为单端输出，A1与A2的输出端连接到MCU的A/D端口；恒压电源V1为各个桥臂提供直流恒定电压，同时作为U1的参考电压VREF。

当有外力施加于应变片时，若R3和R5的阻值增大，R4和R6的阻值将减小；反之，若R3和R5的阻值减小，R4和R6的阻值将增大，而且增大和减小的阻值彼此相等、并且与形变成线性关系；U1将应变片输出电压信号转化为数字信号后做进一步的运算处理，U1同时采集温度值，利用温度值补偿应变片灵敏度系数，并最终计算出形变值。

应变片粘贴位置：

1、粘贴在应变梁X轴正面的应变片，2、粘贴在应变梁X轴反面的应变片，3、粘贴在应变梁Y轴正面的应变片，4、粘贴在应变梁Y轴反面的应变片。

形变-温度测量装置需要测量平面正交轴网的形变参数，应变梁设计成“十”字结构，应变梁的四个支臂构成两个正交轴，即平面X 轴和平面Y轴。两组应变片电桥分别安装在相邻的两个支臂上，每个支臂的正面和反面各粘贴一片应变片，这种应变片的粘贴方式可以减小应变片温度系数对测量结果的影响，抑制形变测量值的温度误差。每组应变片电桥用于测量一个轴的形变参数，两组应变片电桥可测量正交轴网的形变参数，即平面X轴和平面Y轴的形变参数。

在测量结构件形变和温度时，直接将应变梁粘接在结构件表面，结构件的形变和温度变化能有效传导给应变梁，并被形变测量工具和温度传感器所测量。

实施例3

如图3所示，形变测量方法为：V_E为恒压电源，为应变片电桥提供直流恒定电压，同时作为U_E的参考电压V_REF；Ra和Rb是参数相同的应变片，两个应变片粘贴在应变梁相同支臂的正反面；Rc和Rd为参数相同的固定电阻，电桥参考电压V_R=V_E/2；A_E是运算放大器，A_E构成差分放大电路，输出电压Vo是参考V_R而得到的；U_E是微控制器，U_E通过ADC功能模块采集Vo值。

当底座受力产生形变时，粘贴在支臂上的应变片Ra和Rb阻值产生变化，变化后的阻值分别为 ：

${\mathrm{Ra}}^{\′}=(\mathrm{Ra}-\mathrm{\ΔRa})(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Ra}}{K}_{\mathrm{Ra}})$

${\mathrm{Rb}}^{\′}=(\mathrm{Rb}+\mathrm{\ΔRb})(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Rb}}{K}_{\mathrm{Rb}})$

其中，ΔRa、ΔRb为形变导致的电阻增量值，ΔRa和ΔRb变化方向相反；ΔT_Ra、ΔT_Rb为温度变化值；K_Ra、K_Rb为平均电阻温度系数，即应变片阻值随着温度变化而变化的速率。

根据Ra’和Rb’计算A_E正向输入电压Vi：

$\mathrm{Vi}=\frac{{\mathrm{Rb}}^{\′}}{{\mathrm{Ra}}^{\′}+{\mathrm{Rb}}^{\′}}{V}_E=\frac{(\mathrm{Rb}+\mathrm{\ΔRb})(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Rb}}{K}_{\mathrm{Rb}})}{(\mathrm{Ra}-\mathrm{\ΔRa})(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Ra}}{K}_{\mathrm{Ra}})+(\mathrm{Rb}+\mathrm{\ΔRb})(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Rb}}{K}_{\mathrm{Rb}})}{V}_E$

其中，V_E为电桥直流恒定电压源。

Ra和Rb是参数相同的应变片，具有相同物理特性，两个应变片粘贴在相同支臂的正反面，因此电阻增大和减小的阻值彼此相等、应变片工作温度相同。由此可确定：Ra=Rb=R，|ΔRa|=|ΔRb|=ΔR，ΔRa=-ΔRb，ΔTRa=ΔTRb，KRa=KRb，代入公式得到：

$\mathrm{Vi}=\frac{R+\mathrm{\ΔR}}{2R}{V}_E$

上面的公式表明这种应变片粘贴方式可以抑制应变片温度系数对测量结果的影响。

计算差分输出电压Vo：

$\mathrm{Vo}=(\mathrm{Vi}-V_R)A+V_R=(\frac{R+\mathrm{\ΔR}}{2R}{V}_E-\frac{V_E}{2})A+\frac{V_E}{2}=\frac{V_E}{2}(\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}A+1)$

其中，A为差分放大电路增益；V_R为电桥参考电压，V_R=V_E/2。

计算ADC采用值Do：

$\mathrm{Do}=D_{\mathrm{PRE}}\frac{V_O}{V_E}=D_{\mathrm{PRE}}\frac{\frac{V_E}{2}(\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}A+1)}{V_E}=\frac{D_{\mathrm{PRE}}}{2}(\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}A+1)$

由此可计算出：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=\frac{2\mathrm{Do}-D_{\mathrm{PRE}}}{D_{\mathrm{PRE}}A}$

其中，D_PRE为微控制器的ADC满量程值。

应变片的电阻变化与形变之间的关系式为：

${\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{\mathrm{\ΔR}}{K_{0}R}$

其中，ε₀为形变值；K₀为应变片灵敏系数。

若测试参考温度为T_CR，应变片灵敏系数为K_S，应变片灵敏度温度系数为K_T，应变片实际工作温度为T_M，那么应变片灵敏系数K₀为：

K₀=K_S+(T_M-T_CR)K_T

计算形变值ε₀：

${\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{\mathrm{\ΔR}}{K_{0}R}=\frac{2\mathrm{Do}-D_{\mathrm{PRE}}}{D_{\mathrm{PRE}}A[K_S+(T_M-T_{\mathrm{CR}})K_R]}$

最后，需要在标准测试环境下对形变-温度测量装置进行线性度校准和零点校准。校准的基本公式为：

$\mathrm{\ϵ}=K_z{\mathrm{\ϵ}}_0+{\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{2\mathrm{Do}-D_{\mathrm{PRE}}}{D_{\mathrm{PRE}}A[K_S+(T_M-T_{\mathrm{CR}})K_T]}{K}_z+{\mathrm{\ϵ}}_z$

其中，K_Z为比例系数，是一个常数；ε_Z为形变的零点补偿值。校准后的形变测量值具备更高的准确度。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高压密闭容器设备壳体形变的测量方法，其特征在于：包括下述顺序步骤：

第一步、温度传感器和形变测量工具固定于应变梁上，形变测量工具包括应变梁支臂、应变片Ra和应变片Rb，应变片Ra和应变片Rb分别粘贴于同一个应变梁支臂的上、下两侧，应变片Ra和应变片Rb的参数相同，当应变梁受力发生形变时，固定在应变梁支臂两侧的应变片Ra和应变片Rb阻值随着形变产生变化，Ra和Rb阻值变化方向相反，电阻增量值分别为ΔRa、ΔRb；Ra和Rb的连接方式：Ra、Rb串联构成串联电阻，然后并联在电源V_E两端，串联电阻分压输出为Vi；

第二步、根据第一步测得的阻值为Ra和Rb的两个应变片形变导致的电阻增量值ΔRa、ΔRb，通过下述公式求得环境温度变化ΔT时Ra’和Rb’电阻值：

Ra'＝(Ra-ΔRa)(1+ΔT_RaK_Ra) (1)

Rb'＝(Rb+ΔRb)(1+ΔT_RbK_Rb) (2)

式中，ΔRa、ΔRb为形变导致的电阻增量值，ΔRa和ΔRb变化方向相反；ΔT_Ra、ΔT_Rb为温度变化值；K_Ra、K_Rb为平均电阻温度系数，即应变片阻值随着温度变化而变化的速率；Ra’和Rb’为形变后的阻值；

第三步、根据形变后产生的阻值Ra’和Rb’，通过串联电阻分压公式求得

$Vi=\frac{{\mathrm{Rb}}^{\′}}{{\mathrm{Ra}}^{\′}+{\mathrm{Rb}}^{\′}}{V}_E=\frac{(Rb+\mathrm{\Δ}Rb)(1+{\mathrm{\ΔT}}_{Rb}{k}_{Rb})}{(Ra-\mathrm{\Δ}Ra)(1+{\mathrm{\ΔT}}_{Ra}{K}_{Ra})+(Rb+\mathrm{\Δ}Rb)(1+{\mathrm{\ΔT}}_{Rb}{K}_{Rb})}{V}_E---\left(3\right)$

式中，Vi为正向输入电压，V_E为电桥直流恒定电压源；Ra和Rb是参数相同的应变片，具有相同物理特性，两个应变片粘贴在同一个应变梁支臂的上、下两侧，其电阻增大和减小的阻值彼此相等、应变片工作温度相同，因此确定Ra＝Rb＝R，ΔRa＝ΔRb＝ΔR，ΔT_Ra＝ΔT_Rb，K_Ra＝K_Rb，代入公式(3)得到：

第四步、根据正向输入电压Vi计算差分输出电压V_O：

Vo＝(Vi-V_R)A+V_R(5),将V_R＝V_E/2和公式(4)代入公式(5)得到：

式中：A为差分放大电路增益，VR为电桥参考电压；

第五步、根据差分输出电压Vo计算ADC采样值Do：

$Do=D_{PRE}\frac{V_O}{V_E}=D_{PRE}\frac{\frac{V_E}{2}\left(\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}a+1\right)}{V_E}=\frac{D_{PRE}}{2}(\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}A+1),$ 由此推导出：式中D_PRE为微控制器的ADC满量程值；

第六步、应变片的电阻变化值与形变之间的关系式为：式中，ε₀为形变值，K₀为应变片实际灵敏系数；若测试参考温度为T_CR，应变片测试灵敏系数为K_S，应变片灵敏度温度系数为K_T，应变片实际工作温度为T_M，应变片实际灵敏系数K₀为：K₀＝K_S+(T_M-T_CR)K_T(9)，式中：K_S、K_T为应变片特性参数，它们由应变片材料特性、生产工艺因素所决定，这些特性参数由应变片制造商提供；将公式(7)和公式(9)代入公式(8)，推导得形变值ε₀：

${\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{\mathrm{\Δ}R}{K_{0}R}=\frac{2Do-D_{PRE}}{D_{PRE}A\[K_S+(T_M-T_{CR})K_T\]}---\left(10\right);$

第七步、在标准测试环境下对形变测量工具进行线性度校准和零点校准，校准的基本公式为：

$\mathrm{\ϵ}=K_z{\mathrm{\ϵ}}_0+{\mathrm{\ϵ}}_z\frac{2Do-D_{PRE}}{D_{PRE}A\[K_S+\left(T_M-T_{CR}\right)K_T\]}{K}_z+{\mathrm{\ϵ}}_z---\left(11\right),$ 式中：

K_Z为比例系数，是一个常数；ε_Z为形变的零点补偿值。