CN111351423B - 一种法兰连接螺栓松动监测方法 - Google Patents

一种法兰连接螺栓松动监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种法兰连接螺栓松动监测方法，先将分体式位移传感器安装在法兰连接处，并与数据采集仪或边缘计算网关相连接；当发生松动、断裂等异常状况时，高精度电磁感应芯片捕捉磁场的变化，温度传感芯片采集环境温度数据，振动传感芯片采样外界的振动讯号并转化为电平信号，三种信号均传输至单片机；单片机将接收到的信号进行数据转换，然后基于环境温度数据和振动数据对位移数据进行修正处理，最后将数据发送至数据采集仪或边缘计算网关；采集仪或边缘计算网关对接收到数据进行统计、分析，进而判断法兰盘连接螺栓是否发生松动、断裂等异常状况。本发明提供的监测方法具有监测结果精确、运行稳定可靠、成本低的优点。

Description

一种法兰连接螺栓松动监测方法
技术领域
本发明涉及一种用于间隙监测的分体式位移传感器，尤其涉及一种基于分体式传感器的法兰连接螺栓松动监测方法。
背景技术
法兰连接是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接，法兰连接结构在目前工业领域中极其常见，发挥着十分重要的作用。法兰连接结构中的螺栓在交变载荷作用下，承受拉、压循环作用。在拉、压交变载荷作用下，螺纹发生塑性变形而导致松弛，将导致螺栓预紧力减小。预紧力过小会造成连接的不可靠，工作时产生振动松弛、泄露、结构滑移等现象，从而影响机器正常工作；如果螺栓紧固的预紧力过大，导致螺栓在载荷作用下极易断裂，从而削弱了连接节点的承载力，严重时可能诱发结构失稳。因此为了防止螺栓预紧力的减少或消失，用力矩扳手检查螺栓的预紧力是定期维护的一项重要内容。运维地处偏远地带时，螺栓预紧力的定期检查运维策略一般为半年进行一次。这项工作既费时又费力，加之工作人员个人主观和客观方面的多因素影响，并不能保证每次及时发现和消除螺栓松动问题，所以有必要对螺栓松动进行在线监测。
目前监测螺栓松动通常有以下三种方法：第一种方法是基于垫片式力传感器的测量方法，把一个特制的力传感器像垫片一样套在螺栓上，传感器的压力即为螺栓的轴向力，该方法需要根据空间和螺栓尺寸特制传感器，过程较繁琐，成本较高；第二种方法是超声波法，该方法根据超声波时间与速度，计算螺栓伸长量，依据螺栓的轴向刚度计算螺栓的轴向力，该方法需要再螺栓头安装特定传感器；第三种方法是根据通过摄像技术，监测螺栓连接副的螺母是否发生跟转，如果发生跟转，则发生了松动。前两种方法需要对每一颗螺栓的预紧力进行监测，需要对每一根螺栓进行处理或采用，工艺复杂，成本高昂；第三种方法，为实现对法兰连接所有螺栓的监测，通常需安装至少两个以上高精度摄像头，对安装环境有较高要求，成本高。
发明内容
本发明提供了一种法兰连接螺栓松动监测方法，解决了背景技术中的不足，所述法兰连接螺栓松动监测方法具有监测结果精确、运行稳定可靠、成本低的优点。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种法兰连接螺栓松动监测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、将分体式位移传感器均匀的安装在法兰连接处的内圆周或外圆周上，且将分体式位移传感器中相互分离的限位块和传感器本体分别固定于两个相互连接的法兰盘上，然后将全部的分体式位移传感器通过CAN通讯、485通讯或以太网与数据采集仪或边缘计算网关相连接；
(2)、当法兰连接螺栓发生松动、断裂等异常状况时，导致法兰连接处的间隙发生变化，此时安装于间隙两侧的限位块和传感器本体之间发生相对位移，进而高精密磁铁在高精度电磁感应芯片表面上发生滑动，高精度电磁感应芯片周围的磁场发生线性变化，高精度电磁感应芯片捕捉磁场的变化，并将电磁感应信号传输至单片机；温度传感芯片采集环境温度数据，并将环境温度数据传输至单片机；同时振动传感芯片采样外界的振动讯号，然后内部转化为电平信号传给单片机；
(3)、单片机将接收到的电磁感应信号进行数据转换为位移数据，将接收到的电平信号进行数据转换为振动数据，然后基于环境温度数据和振动数据对位移数据进行修正处理，最后将环境温度数据、振动数据和修正后的位移数据发送至数据采集仪或边缘计算网关；
(4)、采集仪或边缘计算网关接收到温度数据、振动数据和修正后的位移数据后，对振动数据和位移数据进行统计、分析，并与已提前收集存储的螺栓松动、断裂的相关数据进行比对，进而判断法兰盘连接螺栓是否发生松动、断裂等异常状况，从而对法兰连接螺栓的状况进行监测；
(5)、通过长期的监测数据，进一步建立螺栓松动程度与法兰连接处间隙大小的动态变化相关性的大数据模型，从而实现对法兰连接螺栓的异常状态预测，对于法兰连接螺栓的安全隐患做到早发现、早干预。
步骤(3)中所述修正处理方法如下：通过大量模拟环境试验，统计计算得出待监测间隙因受温度形变和振动影响造成的位移测量值偏移，建立数据模型，从而自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差。
进一步的，步骤(3)中所述修正处理具体方法如下：将高精度位移传感器模拟实际安装固定在间隙两侧，将间隙固定为零，然后将间隙部件连同高精度位移传感器整体置于温度可调的密闭空间内；通过升温、降温模拟高精度位移传感器处于不同的温度环境下，记录高精度位移传感器受温度形变造成的位移偏移；再通过在不同温度下，将间隙部件连同高精度位移传感器置于振动台上，通过调节不同的振动条件模拟高精度位移传感器处于不同的振动环境，记录其受振动影响造成的位移偏移；重复上叙操作，统计计算出高精度位移传感器受温度、振动影响造成的位移偏移平均值，建立数据模型，写入高精度位移传感器的单片机内，从而自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差。
步骤(1)中将分体式位移传感器设置一个以上，均匀的安装在法兰连接处的内圆周上，且限位块安装固定于上法兰上，传感器本体安装固定于下法兰上。
所述传感器本体包括壳体、PCB组件、导杆、滑动基体和高精密磁铁，导杆和PCB组件固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆上并能够沿导杆滑动，滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体并通过磁力吸附固定于限位块上，高精密磁铁固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动；所述高精度电磁感应芯片、单片机、温度传感芯片和振动传感芯片均设置于PCB组件中。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案有以下优点：1、本发明中所采用的分体式位移传感器在产品内部设计有高精度电磁感应芯片和高精密磁铁，高精密磁铁平行于高精度电磁感应芯片安装，并贴合在芯片表面，高精密磁铁周围的磁场强度是稳定不变的，当间隙发生相对移动时，高精密磁铁相对高精度电磁感应芯片同步移动，高精密电磁感应芯片周围的磁场就会发生线性变化，从而输出对应磁场强度变化的电信号到单片机内，经过单片机运算将电信号转换为位移信号，并输出对应的位移信号到上位机，来实现位移的测量，精度可达0.5μm，可保持微米级精度持续监测产品的高精度相对位移。2、本发明通过实时监测环境状况获取环境的温度数据和振动数据，通过结合单片机内部预先设定的程序(通过大量模拟环境试验，统计计算得出因受温度形变和振动影响造成的位移测量值偏移)，可自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差，从而极大的提高产品持续监测的测量精度；并将修正后的位移数据与温度数据、振动数据打包发送给数据采集仪或边缘计算网关并进一步发送至上位机。3、本发明提供的法兰连接螺栓松动监测方法实时监测两个法兰间的间隙大小，当螺栓松动或断裂时，法兰间隙的变化可由分体式位移传感器测得。分体式位移传感器与数采设备(或边缘计算网关)连接，数采设备(或边缘技术网关)上的数据处理分析软件(采取常规的数据分析软件即可)统计法兰盘间隙数据和振动数据，并经过大数据计算分析，进而判断法兰盘连接螺栓是否发生松动。本发明能够实时在线监测法兰间连接螺栓的松动情况，避免出现因松动造成法兰连接螺栓失效，不仅可保障设备安全正常运行。另外，通过长期的监测数据，可进一步建立螺栓松动程度与塔筒连接法兰间隙动态变化相关性的大数据模型，实现法兰连接螺栓的“预测性维护”，对于法兰连接螺栓的安全隐患做到早发现，早干预。
附图说明
图1为实施例中分体式位移传感器的分布状态示意图；
图2为实施例中分体式位移传感器的安装状态俯视图；
图3为实施例中分体式位移传感器的安装状态侧视图；
图4为实施例中分体式位移传感器的结构示意图；
图5为实施例中法兰连接螺栓松动监测方法的整体示意图；
图中：1-壳体，2-限位块，3-PCB组件，4-导杆，5-滑动基体，6-高精密磁铁，7-磁体，8-限位弹簧，9-盖板，10-分体式位移传感器，11-上法兰，12-下法兰，13-法兰连接螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
本实施例提供的法兰连接螺栓松动监测方法依托于法兰连接螺栓松动监测装置来实施，所述法兰连接螺栓松动监测装置中，主要基于分体式位移传感器，本实施例中所述的分体式位移传感器10设置有四个且均匀的分布在法兰连接处的内圆周上，其分布状态如图1所示。所述分体式位移传感器由相互分离的限位块2和传感器本体组成，其中限位块和传感器本体分别固定于两个相互连接的上法兰11和下法兰12上，法兰连接螺栓13将上法兰11和下法兰12连接固定，如图2和图3所示。所述分体式位移传感器的结构如图4所示，传感器本体包括壳体1、PCB组件3、导杆4、滑动基体5和高精密磁铁6，壳体的顶面设置有开口，开口处设置有盖板9，所述壳体及盖板均为不锈钢材质，整体采用金属外壳设计，同时壳体内部还设置有防电磁干扰电路，因此可屏蔽外界对产品的干扰，产品稳定性极强。所述壳体内设置有PCB组件3、导杆4、滑动基体5和高精密磁铁6，导杆和PCB组件固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆上并能够沿导杆滑动，滑动基体的内端为套设在导杆上的滑块，所述导杆的两端均套设有限位弹簧8，限位弹簧位于滑块的左右两侧并限制滑块在自由状态下处于导杆上的中间位置。滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体7并通过磁力吸附固定于限位块上，所述磁体为强磁性永磁体。所述高精密磁铁固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动；所述PCB组件中包括高精度电磁感应芯片以及单片机。单片机通过CAN通讯、485通讯或以太网与数据采集仪或边缘计算网关相连接并发送信号给数据采集仪或边缘计算网关，如图5所示，以此来实现位移的测量，精度可达0.5μm，可保持微米级精度持续监测产品的高精度相对位移。所述PCB组件中还设置有用于采集环境温度数据的温度传感芯片，温度传感芯片为一款精密集成数字温度传感芯片，具有高分辨率的特性，测量精度为±0.5℃。温度传感芯片先采样外部环境的温度数据，然后和单片机通过I2C协议，把采样值传给单片机。所述PCB组件中还设置有振动传感芯片，振动传感芯片采用业界领先的芯片，具有高分辨率、极低功耗和长期稳定的特性；振动传感芯片的分辨率为1mg，测量范围为±5g，可同时采集X轴、Y轴、Z轴的振动量。振动传感芯片首先采样外界的振动讯号，然后内部转化为电平信号传给单片机。
本实施例中所提供的法兰连接螺栓松动监测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、将四个以上的分体式位移传感器均匀的安装在法兰连接处的内圆周上，且将分体式位移传感器中相互分离的限位块和传感器本体分别固定于两个相互连接的法兰盘上，具体而言，将限位块安装固定于上法兰上，将传感器本体安装固定于下法兰上。然后将全部的分体式位移传感器通过CAN通讯、485通讯或以太网与数据采集仪或边缘计算网关相连接；
(2)、当法兰连接螺栓发生松动、断裂等异常状况时，导致法兰连接处的间隙发生变化，此时安装于间隙两侧的限位块和传感器本体之间发生相对位移，进而高精密磁铁在高精度电磁感应芯片表面上发生滑动，高精度电磁感应芯片周围的磁场发生线性变化，高精度电磁感应芯片捕捉磁场的变化，并将电磁感应信号传输至单片机；温度传感芯片采集环境温度数据，并将环境温度数据传输至单片机；同时振动传感芯片采样外界的振动讯号，然后内部转化为电平信号传给单片机；
(3)、单片机将接收到的电磁感应信号进行数据转换为位移数据，将接收到的电平信号进行数据转换为振动数据。当周围环境变化时(温度变化、振动环境变化)，产品自身的精度受温度变形、振动影响必然会发生变化。为克服此缺陷，本发明内部设计有温度感应芯片和振动感应芯片，通过实时监测环境状况获取环境的温度数据和振动数据，通过结合单片机内部预先设定的数据模型(将高精度位移传感器模拟实际安装固定在间隙两侧，将间隙固定为零，然后将间隙部件连同高精度位移传感器整体置于温度可调的密闭空间内；通过升温、降温模拟高精度位移传感器处于不同的温度环境下，记录高精度位移传感器受温度形变造成的位移偏移；再通过在不同温度下，将间隙部件连同高精度位移传感器置于振动台上，通过调节不同的振动条件模拟高精度位移传感器处于不同的振动环境，记录其受振动影响造成的位移偏移；重复上叙操作，统计计算出高精度位移传感器受温度、振动影响造成的位移偏移平均值，从而建立数据模型，写入高精度位移传感器的单片机内)，可自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差，从而极大的提高产品持续监测的测量精度；并将修正后的位移数据与温度数据、振动数据打包发送给数据采集仪或边缘计算网关。
(4)、采集仪或边缘计算网关接收到温度数据、振动数据和修正后的位移数据后，对振动数据和位移数据进行统计、分析，并与已提前收集存储的螺栓松动、断裂的相关数据进行比对，进而判断法兰盘连接螺栓是否发生松动、断裂等异常状况，从而对法兰连接螺栓的状况进行监测；
(5)、通过长期的监测数据，进一步建立螺栓松动程度与法兰连接处间隙大小的动态变化相关性的大数据模型，从而实现对法兰连接螺栓的异常状态预测，对于法兰连接螺栓的安全隐患做到早发现、早干预。
本发明提供的法兰连接螺栓松动监测方法能够实时监测两个法兰间的间隙大小，当法兰连接螺栓松动或断裂时，法兰间隙的变化可由分体式位移传感器测得。分体式位移传感器与数采设备(或边缘计算网关)连接，数采设备(或边缘技术网关)上的数据处理分析软件(采取常规的数据分析软件即可)统计法兰盘间隙数据和振动数据，并经过大数据计算分析，进而判断法兰盘连接螺栓是否发生松动。本发明能够实时在线监测法兰间连接螺栓的松动情况，避免出现因松动造成法兰连接螺栓失效，不仅可保障设备安全正常运行。另外，通过长期的监测数据，可进一步建立螺栓松动程度与塔筒连接法兰间隙动态变化相关性的大数据模型，实现法兰连接螺栓的“预测性维护”，对于法兰连接螺栓的安全隐患做到早发现，早干预。

Claims (3)

1.一种法兰连接螺栓松动监测方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）、将分体式位移传感器均匀的安装在法兰连接处的内圆周或外圆周上，且将分体式位移传感器中相互分离的限位块和传感器本体分别固定于两个相互连接的法兰盘上，然后将全部的分体式位移传感器通过CAN通讯、485通讯或以太网与数据采集仪或边缘计算网关相连接；
所述传感器本体包括壳体、PCB组件、导杆、滑动基体和高精密磁铁，导杆和PCB组件固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆上并能够沿导杆滑动，滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体并通过磁力吸附固定于限位块上，高精密磁铁固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动；高精度电磁感应芯片、单片机、温度传感芯片和振动传感芯片均设置于PCB组件中；
（2）、当法兰连接螺栓发生松动、断裂异常状况时，导致法兰连接处的间隙发生变化，此时安装于间隙两侧的限位块和传感器本体之间发生相对位移，进而高精密磁铁在高精度电磁感应芯片表面上发生滑动，高精度电磁感应芯片周围的磁场发生线性变化，高精度电磁感应芯片捕捉磁场的变化，并将电磁感应信号传输至单片机；温度传感芯片采集环境温度数据，并将环境温度数据传输至单片机；同时振动传感芯片采样外界的振动讯号，然后内部转化为电平信号传给单片机；
（3）、单片机将接收到的电磁感应信号进行数据转换为位移数据，将接收到的电平信号进行数据转换为振动数据，然后基于环境温度数据和振动数据对位移数据进行修正处理，最后将环境温度数据、振动数据和修正后的位移数据发送至数据采集仪或边缘计算网关；
对位移数据进行修正处理采用以下方法：通过大量模拟环境试验，统计计算得出待监测间隙因受温度形变和振动影响造成的位移测量值偏移，建立数据模型，从而自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差；
（4）、采集仪或边缘计算网关接收到温度数据、振动数据和修正后的位移数据后，对振动数据和位移数据进行统计、分析，并与已提前收集存储的螺栓松动、断裂的相关数据进行比对，进而判断法兰盘连接螺栓是否发生松动、断裂异常状况，从而对法兰连接螺栓的状况进行监测；
（5）、通过长期的监测数据，进一步建立螺栓松动程度与法兰连接处间隙大小的动态变化相关性的大数据模型，从而实现对法兰连接螺栓的异常状态预测，对于法兰连接螺栓的安全隐患做到早发现、早干预。
2.根据权利要求1所述的法兰连接螺栓松动监测方法，其特征在于：步骤（3）中对位移数据进行修正处理具体采用以下方法：将分体式位移传感器模拟实际安装固定在间隙两侧，将间隙固定为零，然后将间隙部件连同分体式位移传感器整体置于温度可调的密闭空间内；通过升温、降温模拟分体式位移传感器处于不同的温度环境下，记录分体式位移传感器受温度形变造成的位移偏移；再通过在不同温度下，将间隙部件连同分体式位移传感器置于振动台上，通过调节不同的振动条件模拟分体式位移传感器处于不同的振动环境，记录其受振动影响造成的位移偏移；重复以上操作，统计计算出分体式位移传感器受温度、振动影响造成的位移偏移平均值，建立数据模型，写入分体式位移传感器的单片机内，从而自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差。
3.根据权利要求1所述的法兰连接螺栓松动监测方法，其特征在于：步骤（1）中将分体式位移传感器设置一个以上，均匀的安装在法兰连接处的内圆周上，且限位块安装固定于上法兰上，传感器本体安装固定于下法兰上。
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