CN202350783U - 基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统，包括角度传感器、RS485转RS232单元、计算机及电源，其中所述角度传感器为双轴倾角传感器，布设在煤气柜活塞大坝上任意点，所述双轴倾角传感器通过通信线缆与所述RS485转RS232单元连接，所述RS485转RS232单元采用串口方式与计算机连接，所述电源与所述双轴倾角传感器连接。本实用新型基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统采用高精度的双轴倾角传感器监测活塞倾斜度，不需要人工参与，并且能实时获得活塞的最大倾斜度和重点位置的倾斜信息，另外其测点少、成本低、安装容易，且计算倾角、相位和高差准确等特点决定了其广阔的前景和实用价值。

Description

基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统

技术领域

本实用新型涉及设备(装备)运行状态监测技术领域，具体是一种基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统。

背景技术

煤气柜是大、中型钢铁企业常用的设施，由于煤气柜安全性要求极高，对其进行安全监测是十分必要的。通过对煤气柜监测数据的分析，可以了解煤气柜在过去和现在的工作状况，预测其未来的状况，而煤气柜活塞倾斜度是一个重要的监测参量。活塞倾斜度是判断煤气柜安全性最为重要的技术参数，是煤气柜检定、危柜改造和新柜验收的重要指标。如果活塞倾斜度超过了规定的设计限度，煤气柜密封皮囊随时有被撕裂的危险，引起煤气泄漏，造成重大的安全事故。因此，对煤气柜活塞倾斜度的测量是相当必要的。

近年来测量煤气柜活塞倾斜度的方法并不多，如对设置在活塞上的环形水管进行目测、利用液位变送计在线监测、利用光纤柜位仪在线监测。上述方法中，对设置在活塞上的环形水管进行目测是传统的方式，在活塞上固定连通水管，再在水管上若干位置布置连通的竖直水管，通过人工定期测量竖直水管中水位的高度确定被测对象的水平和倾斜情况，这种方式实时性差、精确度低、不能确定最大倾斜度和全方位的倾斜信息；利用液位变送计在线监测，虽然实时性强，但仍然是监测水柱液位(属于间接监测)，抗扰性差、精确度低并且不能确定最大倾斜度和全方位的倾斜信息；利用光纤柜位仪监测，实时性强，但同样是间接监测，精确度低并且无法获得最大倾斜度值和全方位的倾斜信息。

发明内容

本实用新型提供一种基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统，其测点少、成本低、安装容易，且计算倾角、相位和高差准确度高，可以获得最大倾斜度值和全方位的倾斜信息。

一种基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统，包括角度传感器、RS485转RS232单元、计算机及电源，其中所述角度传感器为双轴倾角传感器，布设在煤气柜活塞大坝上任意点，所述双轴倾角传感器通过通信线缆与所述RS485转RS232单元连接，所述RS485转RS232单元采用串口方式与计算机连接，所述电源与所述双轴倾角传感器连接。

进一步的，所述双轴倾角传感器包括依次连接的3D-MEMS倾角传感器芯片、倾角采集模块及串口数据收发模块，倾角采集模块用于将3D-MEMS倾角传感器芯片感应的倾角数据传送给串口数据收发模块，串口数据收发模块用于将倾角数据以串行模式发送给RS485转RS232单元。

进一步的，所述RS485转RS232单元采用带有串口的通用转换模块。

进一步的，所述计算机包括信号采集单元、倾角计算单元、相位计算单元、绝对高差计算单元；信号采集单元的输入端与所述RS485转RS232单元的输出端连接，信号采集单元的输出端分别与倾角计算单元、相位计算单元、绝对高差计算单元的输入端连接。

本实用新型基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统采用高精度的双轴倾角传感器监测活塞倾斜度，不需要人工参与，并且能实时获得活塞的最大倾斜度和重点位置的倾斜信息，另外其测点少、成本低、安装容易，且计算倾角、相位和高差准确等特点决定了其广阔的前景和实用价值。

附图说明

图1是本实用新型基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统的电路框图，包括双轴倾角传感器10和电源40；

图2是图1中双轴倾角传感器10与电源40的电路结构示意图；

图3是双轴倾角传感器10的安装示意图；

图4是使用本实用新型对煤气柜活塞相关监测参数的空间解析示意图。

图中：1-煤气柜活塞，10-双轴倾角传感器，11-3D-MEMS倾角传感器芯片，12-倾角采集模块，13-串口数据收发模块，20-RS485转RS232单元，30-计算机单元，40-电源模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本实用新型基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统的电路框图，所述基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统包括双轴倾角传感器10、RS485转RS232单元20、计算机30及电源40，所述双轴倾角传感器10通过通信线缆与所述RS485转RS232单元20连接，所述RS485转RS232单元20采用串口方式与计算机30连接，所述电源40与所述双轴倾角传感器10连接，用于给双轴倾角传感器10的工作提供电源，所述电源40可采用市场通用的220v交流转24v直流防爆电源实现，提供恒压24V直流电。

请进一步参考图2，所述双轴倾角传感器10包括依次连接的3D-MEMS(三维微电子机械系统)倾角传感器芯片11、倾角采集模块12及串口数据收发模块13，所述3D-MEMS倾角传感器芯片11可采用基于3DMEMS技术的传感器芯片来感应信号，其内部具有调制解调电路，利用该电路将采集的信号转换成电压信号，通过微处理器单元将电压信号提取，转化成双轴的倾角值(即倾角数据)；倾角采集模块12用于将3D-MEMS倾角传感器芯片11感应的倾角数据传送给串口数据收发模块13，串口数据收发模块13将倾角数据以串行模式发送给RS485转RS232单元20，所述RS485转RS232单元20可采用带有串口的通用转换模块实现。所述RS485转RS232单元20采用串口方式与计算机30连接，将倾角数据传送至计算机30。

所述双轴倾角传感器10的安装示意图如图3所示，在煤气柜活塞1大坝上任意点布设所述双轴倾角传感器10，所述双轴倾角传感器10的x轴和y轴分别与活塞平面上假定坐标系的x轴和y轴平行，测得该点的双轴倾角值。所述双轴倾角传感器10只需测量一点的双轴倾角值，计算机30就可以推算出活塞平面的倾斜值、最高点相位和活塞平面上任意一点相对零参照平面的绝对高差。下面介绍具体的推算过程：

根据空间几何变换原理，以图4为例建立坐标系，x₀oy₀平面为参照平面，目标平面xoy绕参照平面的y₀轴翻转倾斜角θ，目标平面坐标系xoy中x轴和y轴与参照平面形成夹角α和β，目标平面最高点与最低点连线与x轴夹角为γ。得到目标平面到参照平面的过渡矩阵：

$C=\left[\begin{array}{ccc}\frac{{\sin }^2\mathrm{\α}\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\α}-{\sin }^2\mathrm{\β}}+{\sin }^2\mathrm{\β}}{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\sin }^2\mathrm{\β}}& \frac{\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\α}-{\sin }^2\mathrm{\β}}-\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\sin }^2\mathrm{\β}}& \sin \mathrm{\α}\\ \frac{\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\α}-{\sin }^2\mathrm{\β}}-\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\sin }^2\mathrm{\β}}& \frac{{\sin }^2\mathrm{\β}\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\α}-{\sin }^2\mathrm{\β}}+{\sin }^2\mathrm{\α}}{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\sin }^2\mathrm{\β}}& \sin \mathrm{\β}\\ -\sin \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\β}& \sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\α}-{\sin }^2\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

由上述过渡矩阵(1)可得被测平面单位法向量在零参照平面坐标系中的坐标为：

$\stackrel{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}{z}=(\sin \mathrm{\α},\sin \mathrm{\β},\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\α}-{\sin }^2\mathrm{\β}})---\left(2\right)$

其中|α|＜45°，|β|＜45°。

被测平面与零参照平面间的夹角θ即为被测平面法向量与零参照平面法向量之间夹角，故：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{ac}\tan \frac{\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\sin }^2\mathrm{\β}}}{\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\α}{-\sin }^2}\mathrm{\β}}---\left(3\right)$

其中|α|＜45°，|β|＜45°。

所述计算机30包括信号采集单元、倾角计算单元、相位计算单元、绝对高差计算单元、数据存储单元、数据查询单元、数据显示单元和监控预警单元；信号采集单元的输入端与所述RS485转RS232单元20的输出端连接，信号采集单元的输出端分别与倾角计算单元、相位计算单元、绝对高差计算单元的输入端连接，倾角计算单元、相位计算单元、绝对高差计算单元的输出端分别与数据存储单元、数据查询单元、数据显示单元和监控预警单元连接。

所述双轴倾角传感器10用于测得煤气柜活塞在两个轴向上的倾角值α和β，并通过RS485转RS232单元20转换后传送至所述计算机30的信号采集单元。所述信号采集单元将倾角值α和β传送至倾角计算单元、相位计算单元和绝对高差计算单元，所述倾角计算单元、相位计算单元和绝对高差计算单元分别根据所述双轴倾角传感器10测得的倾角值α和β计算活塞平面的倾斜值θ、最高点相位和活塞平面上任意一点相对零参照平面的绝对高差h，计算出的各参数值分别送入数据存储单元、数据查询单元、数据显示单元和监控预警单元进行相应功能的处理。

所述计算机30中的倾角计算单元通过公式(3)完成倾角θ的计算，然后将倾角θ的值传送至相位计算单元和绝对高差计算单元。

被测平面为圆平面，坐标原点在圆心，平面最高点与最低点之间连线过原点且该直线与x轴夹角

为：

其中|α|＜45°|β|＜45°且α≠0°

因为 $\mathrm{\θ}=\mathrm{ac}\tan \frac{\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\sin }^2\mathrm{\β}}}{\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\α}{-\sin }^2}\mathrm{\β}},$ 故：

其中|α|＜45°|β|＜45°

根据α和β的正负情况可以得到最高点相位

所述计算机30中的相位计算单元通过公式(6)完成相位的计算。

煤气柜活塞平面上任意一点相对零参照面的绝对高差h为：

h＝Rsinθcos(Ψ′-Ψ)    (7)

其中R、Ψ′分别为活塞平面上任意点的极径和相位。

所述计算机30中的绝对高差计算单元通过公式(7)完成绝对高差h的计算。

在煤气柜活塞1的大坝上安装所述双轴倾角传感器10，测得煤气柜活塞在两个轴向上的倾角值α和β。代入式(1)～(7)，从而得到活塞平面的倾斜值θ、最高点相位和活塞平面上任意一点相对零参照平面的绝对高差h。

在实际运行过程中，通过不定期的对活塞上环形水柱水位测量，与本实用新型的监测数据对比，本实用新型所监测的倾斜数据与水柱水位所反映的倾斜信息一致，最高点相位处于水柱所反映的相位区间，使用高精度双轴倾角传感器测得的倾斜信息具有较好的精确度，同时验证了本实用新型提出的煤气柜活塞倾斜监测系统与方法的正确性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统，包括角度传感器、RS485转RS232单元(20)、计算机(30)及电源(40)，其特征在于：所述角度传感器为双轴倾角传感器(10)，布设在煤气柜活塞大坝上任意点，所述双轴倾角传感器(10)通过通信线缆与所述RS485转RS232单元(20)连接，所述RS485转RS232单元(20)采用串口方式与计算机(30)连接，所述电源(40)与所述双轴倾角传感器(10)连接。

2.如权利要求1所述的基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统，其特征在于：所述双轴倾角传感器(10)包括依次连接的3D-MEMS倾角传感器芯片(11)、倾角采集模块(12)及串口数据收发模块(13)，倾角采集模块(12)用于将3D-MEMS倾角传感器芯片(11)感应的倾角数据传送给串口数据收发模块(13)，串口数据收发模块(13)用于将倾角数据以串行模式发送给RS485转RS232单元(20)。

3.如权利要求1所述的基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统，其特征在于：所述RS485转RS232单元(20)采用带有串口的通用转换模块。

4.如权利要求1所述的基于高精度双轴倾角传感器的煤气柜活塞倾斜监测系统，其特征在于：所述计算机(30)包括信号采集单元、倾角计算单元、相位计算单元、绝对高差计算单元；信号采集单元的输入端与所述RS485转RS232单元(20)的输出端连接，信号采集单元的输出端分别与倾角计算单元、相位计算单元、绝对高差计算单元的输入端连接。

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