CN110030966B - 监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的装置及方法，该装置包括直线位移传感器、上安装支架、下安装支架、球铰接头和数据采集分析设备，直线位移传感器一端固定在上安装支架上，另一端与下支架相连，直线位移传感器的数据传送到数据采集分析设备。本发明监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的装置及方法可实时监测波纹补偿器在使用过程中产生的轴向平均变形量、最大变形量及其位置、最小变形量及其位置、弯曲变形角度及方向，便于数据采集分析。

Description

监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的装置及方法
技术领域
本发明属于变形测量技术领域，尤其涉及一种监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的装置及方法。
背景技术
波纹补偿器，习惯上也叫膨胀节，或伸缩节，它的工作主体为波纹管(一种弹性元件)，此外还有端管、支架、法兰、导管等附件，它主要用在各种管道中，起到补偿管道的热位移、机械变形，同时吸收各种机械振动的作用，可以有效降低管道的变形应力，提高管道的使用寿命。
中国专利CN207779364U一种测量波纹补偿器轴向和角向位移的装置公开了一种测量波纹补偿器轴向和角向位移的装置，包括安装在波纹补偿器的第一传感组件，第一传感组件包括至少一根安装在被测波纹补偿器上的第一位移传感器，第一传感器安装架的外端分别固定在波纹补偿器两端接管上，第一位移传感器的延伸方向与波纹补偿器的初始轴线平行。
该测量波纹补偿器的轴向和角向位移的装置，第一位移传感器必须安装在波纹补偿器最大变形面上，很多情况下该变形面位置无法确定或在变动；L形安装架的安装不是很明确；该装置中第一位移传感器与第二位移传感器距离补偿器原始轴线的安装高度必须相同，在安装时要求较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的装置及方法，实时监测波纹补偿器在使用过程中产生的轴向平均变形量、最大变形量及其位置、最小变形量及其位置、弯曲变形角度及方向，便于数据采集分析。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明首先提供一种监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的装置，包括直线位移传感器、上安装支架、下安装支架、球铰接头和数据采集分析设备，直线位移传感器一端固定在上安装支架上，另一端与下支架相连，直线位移传感器的数据传送到数据采集分析设备。由数据采集分析设备实时采集、分析、记录。
按上述技术方案，上安装支架和下安装支架螺接在波纹补偿器法兰的连接螺栓上。
按上述技术方案，还包括垫片，通过垫片调节上安装支架、下安装支架的角度。
按上述技术方案，直线位移传感器的一端通过传感器固定螺栓将其夹紧固定在上安装支架上。
按上述技术方案，相邻直线位移传感器间安装的相位角至少大于90°。每组直线位移传感器不一定要安装在波纹补偿器变形的最大或最小处。
按上述技术方案，直线位移传感器另一端通过球铰接头与下支架相连。
按上述技术方案，直线位移传感器的数量为3组。三组直线位移传感器的数据由数据采集分析设备实时采集，通过一定的算法得到波纹补偿器实时的平均变形量、最大变形量、最大变形位置、最小变形量、最小变形位置、弯曲变形角度、弯曲变形方向。
本发明还提供一种监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的方法，该方法通过监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的装置实现，所述监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的装置包括直线位移传感器、上安装支架、下安装支架、球铰接头和数据采集分析设备，直线位移传感器一端固定在上安装支架上，另一端与下支架相连，直线位移传感器的数据传送到数据采集分析设备，上安装支架和下安装支架螺接在波纹补偿器法兰的连接螺栓上，该方法包括以下步骤，
步骤一，将下法兰作为XOY平面，其圆心为坐标原点，则上法兰上三个直线位移传感器安装点的坐标分别为(XA，YA，ZA)、(XB，YB，ZB)、(XC，YC，ZC),其中X、Y由直线位移传感器布置位置计算得到，Z值为直线位移传感器的测量值；
步骤二，通过这三个点的坐标，得到该平面上的两个向量
Figure GDA0002673326800000021
将两个向量叉乘，求得该平面的法向量
Figure GDA0002673326800000022
上法兰的中心的坐标为(0,0，ZO),其中ZO通过ZA、ZB、ZC结合直线位移传感器安装位置计算得到，通过中心的坐标和法向量，得到平面的方程：
m1x+n1y+k1(z-ZO)＝0 (1)
步骤三，下法兰的方程为z＝0，其法向量为
Figure GDA0002673326800000031
与(1)式联立可得两平面的交线方程：
m1x+n1y-k1ZO＝0
步骤四，得到该直线的方向向量
Figure GDA0002673326800000032
步骤五，求上法兰平面上相对于下法兰的最大倾斜线；
步骤六，将该直线方程与波纹管直径的圆相交即可求得波纹管的最大、最小变形量，进一步把直线的斜率通过反三角函数变换可求得该最大、最小变形量所位于的位置以及波纹补偿器的弯曲变形角度及方向。
按上述技术方案，所述步骤五中，该最大倾斜线需满足的三个条件为：①在上法兰平面上，即与上法兰平面法线
Figure GDA0002673326800000033
垂直；②与交线垂直，即与该直线的方向向量
Figure GDA0002673326800000034
垂直；③通过法兰中心点
Figure GDA0002673326800000035
由此可以得到该直线方程。
本发明产生的有益效果是：1)通用性强，结构简单，测量范围广；2)安装方便，对安装位置要求低，安装灵活；3)可以对波纹补偿器使用过程中产生的轴向平均变形量、最大变形量及其位置、最小变形量及其位置、弯曲变形角度及方向进行实时监测、记录。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例中监测波纹补偿器变形装置的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明实施例中变形结果的计算流程图；
图中：1法兰，2波纹补偿器，3连接螺栓，4垫片，5上安装支架，6直线位移传感器，7传感器固定螺栓，8球铰接头，9下安装支架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，如图1所示，一种监测波纹补偿器轴向和角向变形大小和方向的装置，包括三组直线位移传感器6，上安装支架5，下安装支架9，球铰接头8和一个数据采集分析设备组成。上安装支架5和下安装支架9通过螺纹安装在波纹补偿器法兰1的连接螺栓3上，通过适当厚度的垫片4调节支架角度。
直线位移传感器6的一端通过传感器固定螺栓7将其夹紧固定在上安装支架5上，另一端通过球铰接头8与下支架9相连。
如图2所示，三组直线位移传感器6不一定要安装在波纹补偿器2变形的最大或最小处，但两两间安装的相位角至少要大于90°。
如图3所示，三个直线位移传感器6的数据由数据采集分析设备实时采集，采集的数据具体处理过程如下：
步骤一，将下法兰看作XOY平面，其圆心为坐标原点，则上法兰A、B、C三点的坐标分别为(XA，YA，ZA)、(XB，YB，ZB)、(XC，YC，ZC),其中X、Y由传感器布置位置计算得到，Z值即传感器的测量值。
步骤二，通过这三个点的坐标，可以得到该平面上的两个向量
Figure GDA0002673326800000041
将两个向量叉乘，即可求得该平面的法向量
Figure GDA0002673326800000042
上法兰的中心的坐标为(0,0，ZO),其中ZO通过ZA、ZB、ZC结合传感器安装位置计算得到。通过中心的坐标和法向量，可以写出平面的方程：
m1x+n1y+k1(z-ZO)＝0
步骤三，下法兰的方程为z＝0，其法向量为
Figure GDA0002673326800000043
与上式联立可得两平面的交线方程：
m1x+n1y-k1ZO＝0
步骤四，进一步可以得到该直线的方向向量
Figure GDA0002673326800000044
步骤五，接下来求上法兰平面上相对于下法兰的最大倾斜线，该倾斜线有三个条件：①在上法兰平面上，即与上法兰平面法线
Figure GDA0002673326800000045
垂直；②与交线垂直，即与该直线的方向向量
Figure GDA0002673326800000046
垂直；③通过法兰中心点
Figure GDA0002673326800000047
由此可以得到该直线方程。
步骤六，最后将该直线方程与波纹管直径的圆相交即可求得波纹管的最大、最小变形量，进一步把直线的斜率通过反三角函数变换可求得该最大、最小变形量所位于的位置以及波纹补偿器的弯曲变形角度及方向。
本发明通过直线位移传感器和数据采集分析设备相结合，可以监测、记录波纹补偿器周向和角向变形的大小和方向，从而更加高效地保证管道的运行安全。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的方法，其特征在于，该方法通过监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的装置实现，所述监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的装置包括直线位移传感器、上安装支架、下安装支架、球铰接头和数据采集分析设备，直线位移传感器一端固定在上安装支架上，另一端与下支架相连，直线位移传感器的数据传送到数据采集分析设备，上安装支架和下安装支架螺接在波纹补偿器法兰的连接螺栓上，该方法包括以下步骤，
步骤一，将下法兰作为XOY平面，其圆心为坐标原点，则上法兰上三个直线位移传感器安装点的坐标分别为(XA，YA，ZA)、(XB，YB，ZB)、(XC，YC，ZC),其中X、Y由直线位移传感器布置位置计算得到，Z值为直线位移传感器的测量值；
步骤二，通过这三个点的坐标，得到该平面上的两个向量
Figure FDA0002673326790000011
将两个向量叉乘，求得该平面的法向量
Figure FDA0002673326790000012
上法兰的中心的坐标为(0,0，ZO),其中ZO通过ZA、ZB、ZC结合直线位移传感器安装位置计算得到，通过中心的坐标和法向量，得到平面的方程：
m1x+n1y+k1(z-ZO)＝0 (1)
步骤三，下法兰的方程为z＝0，其法向量为
Figure FDA0002673326790000013
与(1)式联立可得两平面的交线方程：
m1x+n1y-k1ZO＝0
步骤四，得到该直线的方向向量
Figure FDA0002673326790000014
步骤五，求上法兰平面上相对于下法兰的最大倾斜线；
步骤六，将该直线方程与波纹管直径的圆相交即可求得波纹管的最大、最小变形量，进一步把直线的斜率通过反三角函数变换可求得该最大、最小变形量所位于的位置以及波纹补偿器的弯曲变形角度及方向。
2.根据权利要求1所述的监测波纹补偿器轴向、角向变形大小和方向的方法，其特征在于，所述步骤五中，该最大倾斜线需满足的三个条件为：①在上法兰平面上，即与上法兰平面法线
Figure FDA0002673326790000021
垂直；②与交线垂直，即与该直线的方向向量
Figure FDA0002673326790000022
垂直；③通过法兰中心点
Figure FDA0002673326790000023
由此可以得到该直线方程。
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