CN117308763A - 一种高温管道应变监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于应变监测技术领域，具体涉及一种高温管道应变监测系统与方法。包括应变采集模块、温度采集模块、数据采集器和上位机，所述的应变采集模块包括三个测量应变元件，一个应变补偿元件，所述的温度采集模块包含一个温度测量元件，应变采集模块、温度采集模块分别采集应变数据与温度数据，通过串口总线上传至上位机进行数据存储与数据实时显示，采用焊接方式将三个测量应变元件与一个应变补偿元件、一个温度测量元件固定在高温管道上。其优点是：采用焊接式方法能够有效避免高温环境下粘贴胶水固定方法的不足。同时为降低应变计焊接过程中内部残余应力对测量结果的影响，采用双恒流源技术对数据进行初始化，提高应变数据测量的准确性。
Description
技术领域
本发明属于应变监测技术领域，具体涉及一种高温管道应变监测系统与方法。
背景技术
压力管道广泛应用于石油化工、核能电力等行业，在役管道由于其内部高温高压介质，在变工况过程中承受较大的应力。管道的结构强度、寿命以及可靠性与管道所受到的应力大小息息相关，因此对电厂在役运行尤其新建电厂初次运行中管道的状态评价尤其重要，应力数据主要由应变传感器测量的应变数据转换而来，构建管道应变监测系统完成应变数据的采集。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温管道应变监测系统与方法，能够有效避免高温环境下粘贴胶水固定方法的不足。同时为降低应变计焊接过程中内部残余应力对测量结果的影响，采用双恒流源技术对数据进行初始化，提高应变数据测量的准确性，为高温管道应力评价提供输入。
本发明的技术方案如下：一种高温管道应变监测系统，包括应变采集模块、温度采集模块、数据采集器和上位机，所述的应变采集模块包括三个测量应变元件，一个应变补偿元件，所述的温度采集模块包含一个温度测量元件，应变采集模块、温度采集模块分别采集应变数据与温度数据，通过串口总线上传至上位机进行数据存储与数据实时显示，采用焊接方式将三个测量应变元件与一个应变补偿元件、一个温度测量元件固定在高温管道上，同时后端数据采集器采用双恒流源技术对焊接过程中应变片产生的残余应力进行初始化。
一种高温管道应变监测系统方法，包括如下步骤：
步骤1：在管道测点位置对其表面进行打磨、擦拭、磨光，去除管道表面锈蚀刻痕、油漆污垢，确保测点位置表面光滑，无任何凸起与疤痕，露出金属本来颜色；
步骤2：根据应变片种类调整点焊机焊接应变片时长及电流大小；
步骤3：应变片及热电偶焊接之前，分别测量应变计三线两两之间电阻，并进行记录；测量热电偶两线之间电阻，并记录；
步骤4：在应变测点处，以管道介质流动方向为正方向，分别在0°，45°，90°方向焊接高温应变计；
步骤5：焊接过程中首先固定应变片边缘中心两点，采用交叉点焊方式，依次完成应变计的焊接工作，补偿应变片与测量用应变片在同一位置，其中补偿应变片悬空焊接，只采集因测点处温度变化带来的应变数据变化，温度测量元件热电偶前端测量应变片前端位置温度，采用金属薄片焊接进行固定；
步骤6：对焊接完成的应变片及热电偶进行测试；
步骤7：应变片与热电偶铠装线沿高温管道壁布置时，用金属薄片对铠装线进行焊接固定，若需要弯曲，弯曲半径要在4mm以上；
步骤8：应变片铠装线与热电偶铠装线穿出保温层时，防止保温层铁皮边缘划破铠装线，穿出保温后，需再次测量应变片与热电偶电阻，确保应变片热电偶在保温层内未受到损坏；
步骤9：将应变测量软电缆以1/4桥接入应变采集器与热电偶测量软电缆接入温度采集器；
步骤10：在监测系统采集软件内设置应变片灵敏系数、桥路接法参数，并设置热电偶类型；
步骤11：初次进行应变数据采集时，将数据初始化，通过双恒流源电路平衡应变计生产制造、焊接时桥路不平衡导致应变数据误差；
步骤12：根据测点温度，结合应变片出厂时热输出曲线计算真实应变值，同时根据高温管道弹性模量计算不同温度下管道应力。
所述的步骤1为在管道测点位置，首先使用粗砂纸去除管道表面锈蚀刻痕、油漆以及其他覆盖层，当表面存在深层油污，难以用砂纸打磨干净时采用丙酮溶剂将污垢擦拭，去除表面所有残留物深度清除表面油脂，随后再用细砂纸磨光，使管道表面光滑，无任何凸起与疤痕，露出金属本来颜色。
所述的步骤2为打磨光滑管道表面后，选择与高温应变计金属基底材料相同的金属片，进行焊接时长与电流大小试验，金属片焊接固定后记录此时焊接时长和焊接电流，即可确定为高温应变计正式焊接时安装焊接参数。
所述的步骤4中补偿应变片与测量用应变片在同一位置，其中补偿应变片悬空焊接，只采集因测点处温度变化带来的应变数据变化，温度测量元件热电偶前端测量应变片前端位置温度，采用金属薄片焊接进行固定。
所述的步骤5中焊接过程中首先固定应变片边缘中心两点，随后沿上部中间向一端的方向焊接一个点后，在下部中间方向焊接一个点，沿着上部中间向另一端方向进行焊接，沿着下部中间向另一端方向进行焊接，采用交叉点焊方式，依次完成应变计的焊接工作，补偿应变片与测量用应变片在同一位置，其中补偿应变片悬空焊接，只采集因测点处温度变化带来的应变数据变化，温度测量元件热电偶前端测量应变片前端位置温度，采用金属薄片焊接进行固定。
所述的步骤6中记录焊接完成后的应变片两两之间电阻，计算焊接后电阻误差是否符合《金属粘贴式电阻应变计》相关规定，若电阻为0或偏差过大，需要更换新的应变片重新焊接；热电偶电阻数值不作要求，只要热电偶电阻有数值即可。
所述的步骤9中将引出的铠装线与测量软线进行连接后，应变片延长电缆采用三线制接法抵消保温层内铠装线热效应的输出问题，组成1/4桥惠斯通电路接入应变采集器，同时热电偶延长电缆接入温度采集传感器。
所述的步骤11中对数据采集器采集到的应变数据进行修正，修正过程包括三个测量应变计应变值εx分别减去补偿应变片测量应变值ε0，根据热电偶温度数据T、结合应变片出厂资料确定不同温度下热输出值εT，减去热输出值即得到高温管道真实应变值ε=εx-ε0-εT。
所述的步骤12中应变数据转换为高温管道所受应力大小，根据热电偶温度数据计算管道材料在该温度下的弹性模量，应力＝微应变×弹性模量；
其中：
双恒流源法应变计算
V0：初始不平衡电压，Vg：初始化时桥路端电压，Vx：发生应变式的不平衡电压，G：应变系数，C：有源应变片的个数；
IA和IB为激励电流，H端和L端用于测量桥路的失衡电压，初始化时，模数转换器的输出从H和L端断开，改接至IB和G端，从而测出桥路端电压，初始化时，先用恒定电流IA激励应变桥，测出桥路端电压VG，从而计算出真实应变值。
本发明的有益效果在于：目前，常温环境下对应变数据的采集通常采用常温应变计，通过胶水粘贴的方式将应变计固定在管道上，但面对高温管道时，在高温环境下(300℃以上)，应变计粘贴胶水会失活，导致测得应变数据存在较大的误差，该方法测得的应变数据不可信。采用焊接式方法能够有效避免高温环境下粘贴胶水固定方法的不足。同时为降低应变计焊接过程中内部残余应力对测量结果的影响，采用双恒流源技术对数据进行初始化，提高应变数据测量的准确性。
附图说明
图1为本发明所提供的一种高温管道应变监测系统各模块连接拓扑图；
图2为应变片与热电偶测点示意图；
图3为应变片焊接示意图；
图4为双恒流源电路图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种高温管道应变监测系统，包括应变采集模块、温度采集模块、数据采集器和上位机，应变采集模块包括三个测量应变元件，一个应变补偿元件，温度采集模块包含一个温度测量元件。应变采集模块、温度采集模块分别采集应变数据与温度数据，通过串口总线上传至上位机进行数据存储与数据实时显示。采用焊接方式将三个测量应变元件与一个应变补偿元件、一个温度测量元件固定在高温管道上，同时后端数据采集器采用双恒流源技术对焊接过程中应变片产生的残余应力进行初始化。最终结合测点实际温度数据完成应变修正，并不同温度下管道弹性模量，最终计算应力值。
一种高温管道应变监测系统方法，包括如下步骤：
步骤1：在管道测点位置对其表面进行打磨、擦拭、磨光，去除管道表面锈蚀刻痕、油漆污垢等，确保测点位置表面光滑，无任何凸起与疤痕，露出金属本来颜色。
具体操作如下：
在管道测点位置，首先使用粗砂纸去除管道表面锈蚀刻痕、油漆以及其他覆盖层，当表面存在深层油污，难以用砂纸打磨干净时采用丙酮溶剂将污垢擦拭，去除表面所有残留物深度清除表面油脂。随后再用细砂纸磨光，使管道表面光滑，无任何凸起与疤痕，露出金属本来颜色。
步骤2：根据应变片种类调整点焊机焊接应变片时长及电流大小
打磨光滑管道表面后，选择与高温应变计金属基底材料相同的金属片，进行焊接时长与电流大小试验，金属片焊接固定时，保证金属片不易被轻易扯掉，记录此时焊接时长和焊接电流，即可确定为高温应变计正式焊接时安装焊接参数。
步骤3：应变片及热电偶焊接之前，分别测量应变计三线两两之间电阻，并进行记录；测量热电偶两线之间电阻，并记录。
步骤4：在应变测点处，以管道介质流动方向为正方向，分别在0°，45°，90°方向焊接高温应变计，如图1所示。补偿应变片与测量用应变片在同一位置，其中补偿应变片悬空焊接，只采集因测点处温度变化带来的应变数据变化。温度测量元件热电偶前端测量应变片前端位置温度，采用金属薄片焊接进行固定。
步骤5：焊接过程中为保证焊接质量，减少应变片的形变量降低内部残余应力，如图2所示，首先固定应变片边缘中心两点，随后沿①方向焊接一个点后，在②方向焊接一个点，同理③④方向进行焊接，采用交叉点焊方式，依次完成应变计的焊接工作。补偿应变片与测量用应变片在同一位置，其中补偿应变片悬空焊接，只采集因测点处温度变化带来的应变数据变化。温度测量元件热电偶前端测量应变片前端位置温度，采用金属薄片焊接进行固定。点焊机使用一段时间后，焊枪焊条会被氧化，需用锉刀重新打磨或更换新的焊条，否则会影响焊接质量。
步骤6：对焊接完成的应变片及热电偶进行测试。
记录焊接完成后的应变片两两之间电阻，计算焊接后电阻误差是否符合《金属粘贴式电阻应变计》相关规定，若电阻为0或偏差过大，需要更换新的应变片重新焊接；热电偶电阻数值不作要求，只要热电偶电阻有数值即可。
步骤7：应变片与热电偶铠装线沿高温管道壁布置时，需用金属薄片对铠装线进行焊接固定，若需要弯曲，弯曲半径要在4mm以上。
步骤8：应变片铠装线与热电偶铠装线穿出保温层时，防止保温层铁皮边缘划破铠装线，穿出保温后，需再次测量应变片与热电偶电阻，确保应变片热电偶在保温层内未受到损坏。
步骤9：应变片、热电偶出厂时，铠装线尾部一般采用测量软线延长，将应变测量软电缆以1/4桥接入应变采集器与热电偶测量软电缆接入温度采集器。
将引出的铠装线与测量软线进行连接后，应变片延长电缆采用三线制接法抵消保温层内铠装线热效应的输出问题，组成1/4桥惠斯通电路接入应变采集器。同时热电偶延长电缆接入温度采集传感器。
步骤10：在监测系统采集软件内设置应变片灵敏系数、桥路接法等参数，并设置热电偶类型。
步骤11：初次进行应变数据采集时，将数据初始化，通过双恒流源电路平衡应变计生产制造、焊接时桥路不平衡导致应变数据误差。
数据采集器采集到的应变数据需要进行修正才能反映真实应变，主要有以下步骤：三个测量应变计应变值εx分别减去补偿应变片测量应变值ε0，根据热电偶温度数据T、结合应变片出厂资料确定不同温度下热输出值εT，减去热输出值即得到高温管道真实应变值ε＝εx-ε0-εT。
步骤12：根据测点温度，结合应变片出厂时热输出曲线计算真实应变值。同时根据高温管道弹性模量计算不同温度下管道应力。
应变数据转换为高温管道所受应力大小，根据热电偶温度数据计算管道材料在该温度下的弹性模量，应力＝微应变×弹性模量。
其中：
双恒流源法应变计算
V0：初始不平衡电压，Vg：初始化时桥路端电压，Vx：发生应变式的不平衡电压，G：应变系数，C：有源应变片的个数。
IA和IB为激励电流，H端和L端用于测量桥路的失衡电压，初始化时，模数转换器的输出从H和L端断开，改接至IB和G端，从而测出桥路端电压。初始化时，先用恒定电流IA激励应变桥，测出桥路端电压VG，从而计算出真实应变值。
Claims (10)
1.一种高温管道应变监测系统，其特征在于：包括应变采集模块、温度采集模块、数据采集器和上位机，所述的应变采集模块包括三个测量应变元件，一个应变补偿元件，所述的温度采集模块包含一个温度测量元件，应变采集模块、温度采集模块分别采集应变数据与温度数据，通过串口总线上传至上位机进行数据存储与数据实时显示，采用焊接方式将三个测量应变元件与一个应变补偿元件、一个温度测量元件固定在高温管道上，同时后端数据采集器采用双恒流源技术对焊接过程中应变片产生的残余应力进行初始化。
2.一种高温管道应变监测系统方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在管道测点位置对其表面进行打磨、擦拭、磨光，去除管道表面锈蚀刻痕、油漆污垢，确保测点位置表面光滑，无任何凸起与疤痕，露出金属本来颜色；
步骤2：根据应变片种类调整点焊机焊接应变片时长及电流大小；
步骤3：应变片及热电偶焊接之前，分别测量应变计三线两两之间电阻，并进行记录；测量热电偶两线之间电阻，并记录；
步骤4：在应变测点处，以管道介质流动方向为正方向，分别在0°，45°，90°方向焊接高温应变计；
步骤5：焊接过程中首先固定应变片边缘中心两点，采用交叉点焊方式，依次完成应变计的焊接工作，补偿应变片与测量用应变片在同一位置，其中补偿应变片悬空焊接，只采集因测点处温度变化带来的应变数据变化，温度测量元件热电偶前端测量应变片前端位置温度，采用金属薄片焊接进行固定；
步骤6：对焊接完成的应变片及热电偶进行测试；
步骤7：应变片与热电偶铠装线沿高温管道壁布置时，用金属薄片对铠装线进行焊接固定，若需要弯曲，弯曲半径要在4mm以上；
步骤8：应变片铠装线与热电偶铠装线穿出保温层时，防止保温层铁皮边缘划破铠装线，穿出保温后，需再次测量应变片与热电偶电阻，确保应变片热电偶在保温层内未受到损坏；
步骤9：将应变测量软电缆以1/4桥接入应变采集器与热电偶测量软电缆接入温度采集器；
步骤10：在监测系统采集软件内设置应变片灵敏系数、桥路接法参数，并设置热电偶类型；
步骤11：初次进行应变数据采集时，将数据初始化，通过双恒流源电路平衡应变计生产制造、焊接时桥路不平衡导致应变数据误差；
步骤12：根据测点温度，结合应变片出厂时热输出曲线计算真实应变值，同时根据高温管道弹性模量计算不同温度下管道应力。
3.如权利要求2所述的一种高温管道应变监测系统方法，其特征在于：所述的步骤1为在管道测点位置，首先使用粗砂纸去除管道表面锈蚀刻痕、油漆以及其他覆盖层，当表面存在深层油污，难以用砂纸打磨干净时采用丙酮溶剂将污垢擦拭，去除表面所有残留物深度清除表面油脂，随后再用细砂纸磨光，使管道表面光滑，无任何凸起与疤痕，露出金属本来颜色。
4.如权利要求2所述的一种高温管道应变监测系统方法，其特征在于：所述的步骤2为打磨光滑管道表面后，选择与高温应变计金属基底材料相同的金属片，进行焊接时长与电流大小试验，金属片焊接固定后记录此时焊接时长和焊接电流，即可确定为高温应变计正式焊接时安装焊接参数。
5.如权利要求2所述的一种高温管道应变监测系统方法，其特征在于：所述的步骤4中补偿应变片与测量用应变片在同一位置，其中补偿应变片悬空焊接，只采集因测点处温度变化带来的应变数据变化，温度测量元件热电偶前端测量应变片前端位置温度，采用金属薄片焊接进行固定。
6.如权利要求2所述的一种高温管道应变监测系统方法，其特征在于：所述的步骤5中焊接过程中首先固定应变片边缘中心两点，随后沿上部中间向一端的方向焊接一个点后，在下部中间方向焊接一个点，沿着上部中间向另一端方向进行焊接，沿着下部中间向另一端方向进行焊接，采用交叉点焊方式，依次完成应变计的焊接工作，补偿应变片与测量用应变片在同一位置，其中补偿应变片悬空焊接，只采集因测点处温度变化带来的应变数据变化，温度测量元件热电偶前端测量应变片前端位置温度，采用金属薄片焊接进行固定。
7.如权利要求2所述的一种高温管道应变监测系统方法，其特征在于：所述的步骤6中记录焊接完成后的应变片两两之间电阻，计算焊接后电阻误差是否符合《金属粘贴式电阻应变计》相关规定，若电阻为0或偏差过大，需要更换新的应变片重新焊接；热电偶电阻数值不作要求，只要热电偶电阻有数值即可。
8.如权利要求2所述的一种高温管道应变监测系统方法，其特征在于：所述的步骤9中将引出的铠装线与测量软线进行连接后，应变片延长电缆采用三线制接法抵消保温层内铠装线热效应的输出问题，组成1/4桥惠斯通电路接入应变采集器，同时热电偶延长电缆接入温度采集传感器。
9.如权利要求2所述的一种高温管道应变监测系统方法，其特征在于：所述的步骤11中对数据采集器采集到的应变数据进行修正，修正过程包括三个测量应变计应变值εx分别减去补偿应变片测量应变值ε0，根据热电偶温度数据T、结合应变片出厂资料确定不同温度下热输出值εT，减去热输出值即得到高温管道真实应变值ε＝εx-ε0-εT。
10.如权利要求2所述的一种高温管道应变监测系统方法，其特征在于：所述的步骤12中应变数据转换为高温管道所受应力大小，根据热电偶温度数据计算管道材料在该温度下的弹性模量，应力＝微应变×弹性模量；
其中：
双恒流源法应变计算
V0：初始不平衡电压，Vg：初始化时桥路端电压，Vx：发生应变式的不平衡电压，G：应变系数，C：有源应变片的个数；
IA和IB为激励电流，H端和L端用于测量桥路的失衡电压，初始化时，模数转换器的输出从H和L端断开，改接至IB和G端，从而测出桥路端电压，初始化时，先用恒定电流IA激励应变桥，测出桥路端电压VG，从而计算出真实应变值。
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| CN202311247467.1A Pending CN117308763A (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 一种高温管道应变监测系统与方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117308763A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117991836A (zh) * | 2024-04-02 | 2024-05-07 | 浙江大学 | 一种涡轮叶片旋转试验感应加热温度场测控装置及方法 |
-
2023
- 2023-09-25 CN CN202311247467.1A patent/CN117308763A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117991836A (zh) * | 2024-04-02 | 2024-05-07 | 浙江大学 | 一种涡轮叶片旋转试验感应加热温度场测控装置及方法 |
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