CN108106989A - 一种三向位热膨胀位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种三向位热膨胀位移测量装置，包括XY向坐标测量单元、Z向坐标测量单元、数据处理单元，以及终端监测单元，XYZ向坐标测量单元分别获取热膨胀时待测设备或待测部位在X方向、Y方向和Z方向的坐标数据并发送至数据处理单元，数据处理单元根据X方向、Y方向和Z方向坐标数据计算获得待测设备或待测部位在三个方向上的热膨胀位移数据并发送至终端监测单元，终端监测单元根据位移数据建立模型并对待测设备或待测部位的热膨胀位移数据进行预测。本发明不仅可以精确测量待测设备或待测部位的热膨胀数据，而且还可以对待测设备或待测部位的热膨胀数据进行预测，尤其适用于工业锅炉等设备。

Description

一种三向位热膨胀位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量技术领域，尤其是涉及一种三向位热膨胀位移测量装置。

背景技术

热膨胀现象是指压力保持不变时，由于温度的改变，造成固体、液体和气体发生长度或者体积变化的现象。在化工、冶金、炼油行业领域中，工业锅炉使用最为广泛，其用于将化工燃料最大可能性的转化为热能，再将热能转换为其他需要的能量。工业锅炉受多种不确定的因素影响，始终存在着安全隐患，全国每年都有相当数量的锅炉发生爆炸事故，造成了极大的人员与设施的损坏。

为了提高工业锅炉运行的安全性，一方面通过不断改良工业锅炉的结构来避免事安全事故的发生，另一方面还通过对工业锅炉的工作状态进行监测来避免安全事故的发生。

通常，监测人员通过热膨胀数值来预测锅炉爆炸的可能性。传统的监测锅炉热膨胀数值是使用热膨胀指示器进行人工读数并计算一定时间内的热膨胀数值。通过人工读数过程中可能会存在读数误差，在计算热膨胀数值时也可能存在计算错误的问题，导致热膨胀数值的不准确，使得工业锅炉依然存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种不仅可以精确测量待测设备或待测部位的热膨胀数据，而且还可以对待测设备或待测部位的热膨胀数据进行预测的三向位热膨胀位移测量装置，无需人工进行读数和计算。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种三向位热膨胀位移测量装置，包括XY向坐标测量单元、Z向坐标测量单元、数据处理单元，以及终端监测单元；

所述XY向坐标测量单元用于获取热膨胀时待测设备或待测部位在X 方向和Y方向的坐标数据并发送至数据处理单元；

所述Z向坐标测量单元用于获取待测设备或待测部位在Z方向的坐标数据并发送至数据处理单元；

所述数据处理单元根据X方向坐标数据、Y方向坐标数据以及Z方向坐标数据计算待测设备或待测部位在三个方向上的热膨胀位移数据并发送至终端监测单元；

所述终端监测单元根据所述热膨胀位移数据建立模型并对待测设备或待测部位的热膨胀位移数据进行预测。

优选地，所述Z向坐标测量单元包括指示针，以及与所述指示针相连接的位移编码器，所述位移编码器通过指示针的偏移计算待测设备或待测部位在Z方向的坐标数据。

优选地，所述XY向坐标测量单元包括刻度盘、光学成像组件、机械传动组件、光电转换组件，以及数字信号处理器，所述指示针的头部指向刻度盘，所述光电转换组件通过驱动所述机械传动组件进一步控制光学成像组件获取指示针在所述刻度盘上的位置图像，所述数字信号处理器对所述位置图像进行处理，获取指示针在刻度盘上X方向和Y方向的坐标数据。

优选地，所述光学成像组件包括冷阴极辉光放电灯管、反光镜、镜头以及线性电荷耦合器，所述冷阴极辉光放电灯管照射所述刻度盘，并将含有指示针在刻度盘上位置信息的光通过反光镜反射到镜头上，所述镜头将光传输至线性电荷耦合器上，所述线性电荷耦合器将接收到的含有指示针位置信息的光信号转化为模拟电信号并输出至光电转换组件中。

优选地，所述机械传动组件包括步进电机、传动带、导轨，以及齿轮组，所述光学成像组件设于所述导轨上，且与所述齿轮组相连接，所述步进电机通过所述传动带与所述齿轮组相连接，所述齿轮组驱动光学成像组件采集指示针在刻度盘上的位置图像。

优选地，所述光电转换组件包括A/D转换器、I/O控制芯片，以及高速缓存器，所述A/D转换器用于将含有指示针位置信息的模拟信号转换为数字信号并存储至所述高速缓存器中，所述I/O控制芯片用于控制所述步进电机按照预设时间进行转动。

优选地，所述数据处理单元包括微处理器，以及与所述微处理器相通信的数据传输模块，所述位移编码器和数字信号处理器均与所述微处理器相通信，向所述微处理器中输入X方向、Y方向和Z方向的坐标数据，所述微处理器根据所述坐标数据计算出待测设备或待测部位在三向的热膨胀位移数据。

优选地，所述数据传输模块为ZigBee无线数据传输模块。

优选地，所述终端监测单元包括应用监控软件的计算机，所述监控软件应用BP神经网络算法对待测设备或待测部位的热膨胀数据进行预测。

优选地，所述三向位热膨胀位移测量装置还包括供电单元，所述供电单元包括相连的直流电压转换单元和过流保护单元，所述直流电压转换单元用于将工业电压转换为直流电压，所述过流保护单元用于防止测量装置存在短路或者电流过大引起的损坏。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明所述的一种三向位热膨胀位测量装置，可以对待测设备或待测部位的热膨胀数据进行精确的测量，且无需人工进行数据读取和计算，实时监测设备的运行状况，提高待测设备的运行安全性。

附图说明

图1是本发明的结构框图示意图；

图2是本发明的数字信号处理器图像处理流程图示意图；

图3是本发明的工作流程示意图。

附图标记：1、XY向坐标测量单元，11、刻度盘，12、光学成像组件， 13、机械传动组件，14、光电转换组件，15、数字信号处理器，2、Z向坐标测量单元，21、指示针，22、位移编码器，3、数据处理单元，31、微处理器，32、数据传输模块，4、终端监测单元，41、计算机，5、供电单元， 51、直流电压转换单元，52、过流保护单元，6、壳体。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明所揭示的一种三向位热膨胀位移测量装置，不仅可以精确测量待测设备或待测部位的热膨胀数据，而且还可以对待测设备或待测部位的热膨胀数据进行预测，尤其适用于工业锅炉等设备。

如图1所示，一种三向位热膨胀位移测量装置，包括XY向坐标测量单元1、Z向坐标测量单元2、数据处理单元3，以及终端监测单元4。其中，XY向坐标测量单元1用于获取热膨胀时待测设备或待测部位在X方向和Y方向的坐标数据，并将获得的X方向坐标数据和Y方向坐标数据发送至数据处理单元3中；Z向坐标测量单元2用于测量热膨胀时待测设备或待测部位在Z方向的坐标数据，并将获得的Z方向坐标数据发送至数据处理单元3中；数据处理单元3进一步根据X方向坐标数据、Y方向坐标数据、Z方向坐标数据计算待测设备或待测部位在三个方向上的热膨胀位移数据，并将所述热膨胀位移数据传输至终端监测单元4；终端监测单元4 根据所述热膨胀位移数据建立模型并对待测设备或待测部位的热膨胀位移数据进行预测。

具体的，如图1所示，Z向坐标测量单元2包括指示针21和位移编码器22。其中，位移编码器22与指示针21相连接，位移编码器22通过指示针21的偏移计算待测设备或待测部位在Z方向的坐标数据。本实施例中，指示针21由指针外芯和指针内芯组成，位移编码器22选用拉线式位移编码器。所述拉线式位移编码器的拉线与指针内芯相连接。当待测部位产生热膨胀时，指针内芯发生偏移，拉线的长度也随之产生变化，拉线式位移编码器根据采样间隔计算出拉线长度，即为待测设备或待测部位在Z方向的坐标数据。所述拉线式位移编码器的测量量程能够达到1000mm，测量精度能够达到0.1mm，并且支持脉冲信号、电压信号、电流信号和电阻信号的输出，实现了对待测设备或待测部位在Z方向坐标数据的精确测量。

如图1所示，XY向坐标测量单元1包括刻度盘11、光学成像组件12、机械传动组件13、光电转换组件14，以及数字信号处理器15。其中，刻度盘11上设有若干个刻度，上述指示针21的端部指向刻度盘11；光学成像组件12用于获取指示针21在所述刻度盘11上的位置图像；所述机械传动组件13用于驱动光学成像组件12，使其可以平稳的获取指示针21在刻度盘11上的位置图像；所述光电转换组件14用于存储所述位置图像，并进一步通过驱动机械传动组件13来控制光学成像组件12；数字信号处理器15用于对位置图像进行处理，获得指示针21在刻度盘11上X方向和Y 方向的坐标数据。

工作时，光电转换组件14一方面驱动机械传动组件13，机械传动组件13进而驱动光学成像组件12对刻度盘11进行线性扫描，获取得指示针 21在刻度盘11上的位置图像。另一方面，光电转换组件14对获得的位置图像进行存储，并发送至数字信号处理器15中进行分析处理。数字信号处理器15根据预设的图像处理算法计算出指示针21在刻度盘11上X方向和 Y方向坐标数据。

进一步地，光学成像组件12包括冷阴极辉光放电灯管、反光镜、镜头以及线性电荷耦合器。冷阴极辉光放电灯管产生光并照射到刻度盘11上，并将含有指示针21在刻度盘11上位置信息的光通过反光镜反射到镜头上，镜头将光传输至线性电荷耦合器上。线性电荷耦合器将接收到的含有指示针21位置信息的光信号转化为模拟电信号，并输出至光电转换组件14中。

机械传动组件13包括步进电机、传动带、导轨，以及齿轮组。光学成像组件12安装在导轨上，光学成像组件12安装在导轨上，且与齿轮组相连接，步进电机通过传动带与齿轮组相连接，进一步通过驱动齿轮组驱动光学成像组件12在导轨上运动，光学成像组件12对刻度盘11进行全面的图像采集。

光电转换组件14包括A/D转换器、I/O控制芯片，以及高速缓存器。其中，A/D转换器用于将含有指示针21位置信息的模拟信号转换为数字信号，并存储在高速缓存器中，高速缓存器可以避免数据的丢失和影响图像的失真；I/O控制芯片用于控制步进电机按照预设时间进行转动。

数字信号处理器15接收到位置图像后，根据预设的算法对位置图像进行处理，计算获得指示针21在刻度盘11上的X方向和Y方向的坐标值。数据信号处理器对位置图像的处理过程如下：

如图2所示，首先，调整图像大小，并将图像转换为灰度图像；其次，利用高斯模糊对图像进行平滑处理，消除图像中存在的噪声点，并使用最大类间方差法和遍历的方法求取全局最优化阈值，使用该阈值进行二值化分割，提取目标，灰度图像转换为黑白图像；最后，对获得的黑白图像进行连通域识别，求取连通域的中心坐标，所述中心坐标即为指示针21所指区域的中心坐标。

如图1所示，数据处理单元3包括微处理器31，以及与所述微处理器 31相通信的数据传输模块32。进一步地，位移编码器22与所述微处理器 31相通信，向微处理器31中输入待测设备或待测部位在Z方向的坐标数据；数字信号处理器15与微处理器31相通信，向微处理器31中输入待测设备或待测部位在X方向和Y方向的坐标数据。微处理器31根据X方向、 Y方向和Z方向坐标数据进行计算，进一步计算出待测设备或待测部位在三向的热膨胀位移数据，并通过数据传输模块32将数据传输至终端监测单元4中。本实施例中，数据传输模块32可以为有线数据传输模块，也可以为无线数据传输模块。当为无线数据传输模块时，优选ZigBee无线数据传输模块。

终端监测单元4包括应用监控软件的计算机41，监控软件可以根据接收到的三向热膨胀位移数据建立数学模型，对数据进行筛选并判断是否正确，同时还应用BP(BackPropagation)神经网络算法，根据接收到的三向热膨胀位移数据对待测设备或待测部位的热膨胀数据进行预测，实时监测待测设备或待测部位的热膨胀情况。

三向位热膨胀位移测量装置还包括供电单元5，用于向测量装置中光学成像组件12、机械传动组件13等提供电源。供电单元5包括直流电压转换单元51、以及与直流电压转换单元51相连接的过流保护单元52。其中，直流电压转换单元51用于将工业电压转换为直流电压，即将380V或 220V交流转换为0～36V的直流电压。过流保护单元52用于对三向位热膨胀位移测量装置进行保护，防止其存在短路或电流过大引起装置中各器件的损坏。

如图1所示，三向位热膨胀位移测量装置还包括壳体6，所述XY向坐标测量单元1和数据处理单元3安装在所述壳体6内，可以避免高温、高粉尘影响测量的准确性。

如图3所示，三向位热膨胀位移测量装置的工作流程图。首先，三向位热膨胀位移测量装置通电之后进行开机自检，检查各个单元是否正常，并进行系统初始化。系统初始化成功之后，XY向坐标测量单元1的光学成像组件12和光电转换组件14采集刻度盘上当前指示针21的实时图像，采集后的图像发送至数字信号处理器15中。数字信号处理器15按照设定好的图像处理算法对图像进行一系列的处理后，计算出图像中指示针21的中心坐标，并且映射为实际坐标。Z向坐标测量单元2的位移编码器22与指示针21相连接。当发生位移时，移编码器22计算输出脉冲数，从而检测出旋转量，再进一步计算出拉线长度，即Z向坐标。微处理器31得到实时三维坐标系的坐标后，通过计算得出热膨胀的三个方向的位移量，再通过数据传输模块32发送至电脑监控端。

本发明可以对待测设备或待测部位的热膨胀数据进行精确的测量，且无需人工进行数据读取和计算，提高待测设备的运行安全性。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种三向位热膨胀位移测量装置，其特征在于，包括XY向坐标测量单元、Z向坐标测量单元、数据处理单元，以及终端监测单元；

所述XY向坐标测量单元用于获取热膨胀时待测设备或待测部位在X方向和Y方向的坐标数据并发送至数据处理单元；

所述Z向坐标测量单元用于获取热膨胀时待测设备或待测部位在Z方向的坐标数据并发送至数据处理单元；

所述数据处理单元根据X方向坐标数据、Y方向坐标数据和Z方向坐标数据计算待测设备或待测部位在三个方向上的热膨胀位移数据并发送至终端监测单元；

所述终端监测单元根据所述热膨胀位移数据建立模型并对待测设备或待测部位的热膨胀位移数据进行预测。

2.根据权利要求1所述的三向位热膨胀位移测量装置，其特征在于，所述Z向坐标测量单元包括指示针，以及与所述指示针相连的位移编码器，所述位移编码器通过指示针的偏移计算待测设备或待测部位在Z方向的坐标数据。

3.根据权利要求2所述的三向位热膨胀位移测量装置，其特征在于，所述XY向坐标测量单元包括刻度盘、光学成像组件、机械传动组件、光电转换组件，以及数字信号处理器，所述指示针的头部指向刻度盘，所述光电转换组件通过驱动所述机械传动组件进一步控制光学成像组件获取指示针在所述刻度盘上的位置图像，所述数字信号处理器对所述位置图像进行处理，获取指示针在刻度盘上X方向和Y方向的坐标数据。

4.根据权利要求3所述的三向位热膨胀位移测量装置，其特征在于，所述光学成像组件包括冷阴极辉光放电灯管、反光镜、镜头以及线性电荷耦合器，所述冷阴极辉光放电灯管照射所述刻度盘，并将含有指示针在刻度盘上位置信息的光通过反光镜反射到镜头上，所述镜头将光传输至线性电荷耦合器上，所述线性电荷耦合器将接收到的含有指示针位置信息的光信号转化为模拟电信号并输出至光电转换组件中。

5.根据权利要求4所述的三向位热膨胀位移测量装置，其特征在于，所述机械传动组件包括步进电机、传动带、导轨，以及齿轮组，所述光学成像组件设于所述导轨上，且与所述齿轮组相连接，所述步进电机通过所述传动带与所述齿轮组相连接，所述齿轮组驱动光学成像组件采集指示针在刻度盘上的位置图像。

6.根据权利要求5所述的三向位热膨胀位移测量装置，其特征在于，所述光电转换组件包括A/D转换器、I/O控制芯片，以及高速缓存器，所述A/D转换器用于将含有指示针位置信息的模拟信号转换为数字信号并存储至所述高速缓存器中，所述I/O控制芯片用于控制所述步进电机转动。

7.根据权利要求6所述的三向位热膨胀位移测量装置，其特征在于，所述数据处理单元包括微处理器，以及与所述微处理器相通信的数据传输模块，所述位移编码器和数字信号处理器均与所述微处理器相通信，向所述微处理器中输入X方向、Y方向和Z方向的坐标数据，所述微处理器根据所述坐标数据计算出待测设备或待测部位在三向的热膨胀位移数据。

8.根据权利要求7所述的三向位热膨胀位移测量装置，其特征在于，所述数据传输模块为ZigBee无线数据传输模块。

9.根据权利要求1所述的三向位热膨胀位移测量装置，其特征在于，所述终端监测单元包括应用监控软件的计算机，所述监控软件应用BP神经网络算法对待测设备或待测部位的热膨胀数据进行预测。

10.根据权利要求1所述的三向位热膨胀位移测量装置，其特征在于，所述三向位热膨胀位移测量装置还包括供电单元，所述供电单元包括相连的直流电压转换单元和过流保护单元，所述直流电压转换单元用于将工业电压转换为直流电压，所述过流保护单元用于防止测量装置存在短路或者电流过大引起的损坏。