CN110296679A - 一种具备阀杆长期形变监测能力的装置及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具备阀杆长期形变监测能力的装置和监测方法，监测装置包括硬件系统、软件系统和阀杆，硬件系统包括含激光位移传感器及连接电荷放大器的全桥式应变传感器组的多通道信号采集模块，每个全桥式应变传感器组包括多个应变传感器，各个通道信号采集模块均通过无线发射模块连接测试终端，测试终端也连接远程终端电脑，所述阀杆芯部开设用于安装激光位移传感器的凹槽、螺纹和布线孔，还开设有用于安装应变传感器的方形槽，方形槽底端成锥形。监测方法包括传感器布置、参数设置、信号采集、信号处理、信号传输和存储、信号分析评估和报警响应等功能。系统对微小形变敏感且反馈迅速，能满足多终端的阀杆长期形变监测和趋势预测的需求。

Description

一种具备阀杆长期形变监测能力的装置及监测方法
技术领域
本发明涉及阀门或管道系统设备监测领域，尤其是一种具备阀杆长期形变监测能力的装置及监测方法。
背景技术
阀门是船舶与海洋工程以及石化领域各型装置及管道中最为常见的一种控制单元，通过阀门的启闭和调节能实现管道中流体机制的连通、切断及改变流向等功能。但同时在阀门的使用过程中由于流体冲刷、管道系统中水锤现象的影响及其他原因，会导致阀门阀杆在长期使用中存在着微小形变，这些形变可能导致阀门因密封失效而出现泄漏，以及阀门启闭扭矩增大等各种问题。但阀杆处于阀门内部，如图1～2所示的一种典型蝶阀，阀杆被阀体包裹在内，很难通过肉眼或其他外界观察方式来判断阀杆是否发生形变，同时在不拆除阀杆的情况下，也难以对阀杆形变进行有效的监测。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种具备阀杆长期形变监测能力的装置及监测方法，采用适于传感器安装的阀杆结构，并使用配套的硬件和软件系统，既可对阀杆的长期应力变化以及形变进行实时监测，了解阀杆在使用过程中的应力变化情况，对阀杆寿命进行评估；也可以对阀杆的形变进行预测，避免阀杆在异常工况下使用从而受到不可恢复的损坏。此外一旦阀杆形变超过一定限值可以实时监测并警报，便于阀门的更换或维修。通过对阀杆上传感器的数据进行实时分析并将阀杆应力以及形变数据通过以太网络传输到远程终端，实时记录存储，形成了长期可控的监测过程，有利于阀门的后期维护以及全寿期管理。
本发明监测装置所采用的技术方案如下：
一种具备阀杆长期形变监测能力的装置，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括若干个多通道信号采集模块，每个多通道信号采集模块包括一个激光位移传感器及若干个连接电荷放大器的全桥式应变传感器组，每个全桥式应变传感器组包括多个应变传感器，各个通道信号采集模块共同通过无线发射模块连接测试终端，测试终端也连接远程终端电脑。
其进一步技术方案在于：
激光位移传感器设置于阀杆内；
阀杆上端中心开设形状为圆形且半径递减的第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽连接形成用于设置激光位移传感器的安装平面，在所述安装平面下方、于第二凹槽的内壁开设用于和激光位移传感器配合的连接螺纹；
在激光位移传感器外侧、于阀杆内部设置传感器布线孔；
第二凹槽下方连接正方形的第三凹槽，第三凹槽的槽底向中心收缩形成锥形面，于第三凹槽内壁的上部、中部和下部均布等量的应变传感器；
所述锥形面的的锥度为70°～80°；
所述传感器布线孔的直径为4～6毫米。
本发明监测方法的所采用的技术方案如下：
一种具备阀杆长期形变监测能力的监测方法，还包括以下步骤：
第一步：传感器布置；
第二步：参数设置；
第三步：传感器信号采集；
第四步：信号处理；
第五步：上传实时数据并将实时数据存储至数据库中；
第六步：由测试终端判断实时数据是否超限值，若是，将实时数据存储至数据库中并跳转至第九步，若否，将数据上传远程终端电脑并跳转至第七步；
第七步：由远程终端电脑判断实时数据变化趋势是否正常，若是，则跳转至第八步，若否，将实时数据存储至数据库中并跳转第九步；
第八步：结束此次监测；
第九步：软件系统发出警告提示。
其进一步技术方案在于：
第一步传感器布置包括将激光位移传感器通过安装平面与连接螺纹设置于阀杆内，将等量的应变传感器均布于阀杆第三凹槽的上部、中部和下部，以及电荷放大器与各应变传感器连接；
第三步传感器信号采集的内容为来自激光位移传感器的位移信号和来自应变传感器的应变信号。
本发明的有益效果如下：
本发明通过激光位移传感器和应变传感器技术，对阀门阀杆的长期形变及应力状况进行监测，采用测试终端对现场采集的信号进行频谱分析、滤波及积分，实现对阀杆实施的应力状况以及阀杆周向、轴向位移变化的实时监测，根据采集处理后的信号频谱特征来判断阀门形变是受外界激励导致的临时性形变还是长期使用导致的阀杆塑性形变，再通过测试终端对阀杆的异常状态进行评估并将数据实时上传至远程终端，监测全面，系统反馈迅速，能满足多终端的阀杆长期形变监测和趋势预测的需求。
附图说明
图1为现有的蝶形球阀示意图。
图2为现有的蝶形球阀A-A剖视图。
图3为本发明的硬件结构示意图。
图4为本发明的阀杆结构示意图。
图5为本发明的阀杆传感器安装示意图。
图6为本发明的监测方法原理图。
其中：1、远程终端电脑；2、测试终端；3、无线发射模块；4、多通道信号采集模块；5、电荷放大器；6、全桥式应变传感器组；601、应变传感器；7、激光位移传感器；8、阀杆；801、安装平面；802、连接螺纹；803、传感器布线孔；804、第一凹槽；805、第二凹槽；806、第三凹槽；807、锥形面。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图3～5所示，本发明的监测装置包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括若干个多通道信号采集模块4，每个多通道信号采集模块4包括一个激光位移传感器7及若干个连接电荷放大器5的全桥式应变传感器组6，每个全桥式应变传感器组6包括多个应变传感器601，各个通道信号采集模块共同通过无线发射模块3连接测试终端2，测试终端2也连接远程终端电脑1。激光位移传感器7设置于阀杆8内，阀杆8上端中心开设形状为圆形且半径递减的第一凹槽804和第二凹槽805，第一凹槽804和第二凹槽805连接形成用于设置激光位移传感器7的安装平面801，在安装平面801下方、于第二凹槽805的内壁开设用于和激光位移传感器7配合的连接螺纹802，在激光位移传感器7外侧、于阀杆8内部设置传感器布线孔803，传感器布线孔803的直径为4～6毫米，第二凹槽805下方连接正方形的第三凹槽806，第三凹槽806的槽底向中心收缩形成锥形面807，锥形面的807的锥度为70°～80°，于第三凹槽806内壁的上部、中部和下部均布等量的应变传感器601。
本发明的监测方法包括以下步骤：
第一步：传感器布置，包括将激光位移传感器7通过安装平面801与连接螺纹设802置于阀杆8内，将等量应变传感器601均布于阀杆8第三凹槽806的上部、中部和下部，以及电荷放大器5与各应变传感器601连接，并保证其他配套硬件连接完成,各应变传感器601连接线应紧贴阀杆8的第三凹槽806内部壁面布置，避免对激光位移传感器7的监测产生干扰。
第二步：参数设置，包括阀门和管道的通径，管道材质与壁厚，阀杆内孔直径，锥角锥度，流体介质的温度、密度、声速和动力粘度等参数，也包括传感器的灵敏度、工作温度范围、量程、电荷/电压放大倍数、采样频率等参数。
第三步：传感器信号采集，传感器信号采集的内容为来自激光位移传感器7的位移信号和来自应变传感器601的应变信号。
第四步：信号处理，当系统软件将多通道信号采集模块4采集到的的激光位移数据、阀杆8的应变数据传到测试终端2的数据存储介质中时，测试终端2首先对数据进行滤波分析去除背景以及其他干扰信号、进行频域分析提取主要频率特征。
第五步：上传实时数据并将实时数据存储至数据库中。
第六步：由测试终端2判断实时数据是否超限值，将位移、应力变化幅值及频域特性与船级社或其他行业规范中允许的阀杆8的形变限值进行对比，如果形变幅值、应力幅值超过限值则软件发出警告，并要求分布式测试终端2上传时域数据，并进一步的在测试终端2对位移以及应力变化的时域数据进快速傅里叶变换处理，确定引起限值超标的激励频率，最后将这些数据上传到远程终端。如果没有超限值则跳转至第七步。
第七步：由远程终端电脑1判断实时数据变化趋势是否正常，在远程终端对比历史数据与本次上传数据，当位移、应变等信号值与规定值超出，或者增加趋势即将超过限定曲线时，跳转第九步，如没有超过限值则跳转第八步。
第八步：结束此次监测。
第九步：软件系统发出警告提示。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种具备阀杆长期形变监测能力的装置，包括硬件系统和软件系统，其特征在于：所述硬件系统包括若干个多通道信号采集模块(4)，每个多通道信号采集模块(4)包括一个激光位移传感器(7)及若干个连接电荷放大器(5)的全桥式应变传感器组(6)，每个全桥式应变传感器组(6)包括多个应变传感器(601)，各个通道信号采集模块共同通过无线发射模块(3)连接测试终端(2)，测试终端(2)也连接远程终端电脑(1)。
2.如权利要求1所述的一种具备阀杆长期形变监测能力的装置，其特征在于：所述激光位移传感器(7)设置于阀杆(8)内。
3.如权利要求2所述的一种具备阀杆长期形变监测能力的装置，其特征在于：所述阀杆(8)上端中心开设形状为圆形且半径递减的第一凹槽(804)和第二凹槽(805)，第一凹槽(804)和第二凹槽(805)连接形成用于设置激光位移传感器(7)的安装平面(801)，在所述安装平面(801)下方、于第二凹槽(805)的内壁开设用于和激光位移传感器(7)配合的连接螺纹(802)。
4.如权利要求3所述的一种具备阀杆长期形变监测能力的装置，其特征在于：在激光位移传感器(7)外侧、于阀杆(8)内部设置传感器布线孔(803)。
5.如权利要求3所述的一种具备阀杆长期形变监测能力的装置，其特征在于：第二凹槽(805)下方连接正方形的第三凹槽(806)，第三凹槽(806)的槽底向中心收缩形成锥形面(807)，于第三凹槽(806)内壁的上部、中部和下部均布等量的应变传感器(601)。
6.如权利要求1所述的一种具备阀杆长期形变监测能力的装置，其特征在于：所述锥形面的(807)的锥度为70°～80°。
7.如权利要求1所述的一种具备阀杆长期形变监测能力的装置，其特征在于：所述传感器布线孔(803)的直径为4～6毫米。
8.利用权利要求1所述基于具备阀杆长期形变监测能力的装置进行监测的方法，其特征在于还包括以下步骤：
第一步：传感器布置；
第二步：参数设置；
第三步：传感器信号采集；
第四步：信号处理；
第五步：上传实时数据并将实时数据存储至数据库中；
第六步：由测试终端判断实时数据是否超限值，若是，将实时数据存储至数据库中并跳转至第九步，若否，将数据上传远程终端电脑并跳转至第七步；
第七步：由远程终端电脑判断实时数据变化趋势是否正常，若是，则跳转至第八步，若否，将实时数据存储至数据库中并跳转第九步；
第八步：结束此次监测；
第九步：软件系统发出警告提示。
9.如权利要求8所述基于具备阀杆长期形变监测能力的装置进行监测的方法，其特征在于：第一步传感器布置包括将激光位移传感器(7)通过安装平面(801)与连接螺纹(802)设置于阀杆(8)内，将等量的应变传感器(601)均布于阀杆(8)第三凹槽(806)的上部、中部和下部，以及电荷放大器(5)与各应变传感器(601)连接。
10.如权利要求8所述基于具备阀杆长期形变监测能力的装置进行监测的方法，其特征在于：第三步传感器信号采集的内容为来自激光位移传感器(7)的位移信号和来自应变传感器(601)的应变信号。
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