CN204903055U - 大管径集中供热管道应力远程在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，尤其涉及一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，本实用新型通过应变片测量供热管道的应变量，将应变片测量的数据通过应变仪转化成数字信号，并将应变数据传输给GPRS数据传输单元；通过温度传感器测量空气温度和管道表面温度，供桥电压测量应变片供桥电压，数据采集模块将采集到的信息转换为数字信号，数据采集模块与GPRS数据传输单元相互传输数据，并通过无线网路传输给监控中心，通过监控中心处理分析，本实用新型结构简单，不仅能测出直埋式供热管道的应力，而且无需人工在管道井下进行现场监测，能够实现无线远程在线测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种大管径供热管道应力测试装置，尤其涉及大管径集中供热管道应力远程在线监测装置。
背景技术
由于城镇直埋供热对环境影响小、工程造价低、节能效果好、施工方便、使用寿命长，在我国得到迅速发展。直埋供热管道工程的设计原则是使预制保温管系统中的管道、管件在设计条件下均能满足相应标准强度条件和稳定性要求，从而确保供热管道系统处于安全状态。而热管道应力是强度条件和稳定性要求的重要指标。为解决供热管道由于热胀冷缩造成的管道形变，采取的主要措施是在供热管道中增设补偿器(又叫膨胀节或伸缩节)。补偿器的选择与管道轴向应力有直接关系。目前，管道应力主要依据经验公式来计算推得，而这个计算结果与实际结果存在较大差异。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，该装置不仅能测出直埋式供热管道的应力，而且无需人工在管道井下进行现场监测，能够实现无线远程在线测量，减少了人力物力，大大降低了测试成本。
为解决上述问题，本实用新型采取的技术方案为：
一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，包括用于测量供热管道多点处应变量的若干组相互并联的应变片、每组应变片的输出端串接的有应变仪和应变仪的输出端连接有的GPRS数据传输模块；所述GPRS数据传输模块与电源模块及数据监测管理中心连接。
所述的应变片采用全桥式应变片。
还包括用于测量空气温度和管道表面温度的温度传感器和用于测量应变片电压的供桥电压；所述的温度传感器与温度应变器相连，温度应变器及供桥电压与数据采集模块连接；所述的数据采集模块与GPRS数据传输模块相连。
所述的数据采集模块通过485总线以Modbus协议通信与GPRS数据传输模块相连。
所述的电源模块包括蓄电池，与蓄电池串联的逆变器及与逆变器串联的电源适配器，电源适配器的输出端接GPRS数据传输单元。
所述的应变仪的输出端以Modbus通信协议方式与GPRS数据传输模块相连。
所述的数据监测管理中心包括无线路由器及上位机；其中，无线路由器通过无线通信网络与GPRS数据传输模块连接，无线路由器与上位机连接。
所述的无线通信网络包括GPRS网路或Internet网路。
所述的上位机上嵌入有LabVIEW软件开发平台。
所述测量供热管道上设置三个测点端面，第一个测点端面处于管道的活动端的补偿器处，第二和第三个测点端面处于管道的过渡段，每个测点端面上各布置了十个测点，每测试断面处七个应变片为单向应变片，沿管道轴向布置；另外三个应变片组成应变花，正交的两个分别沿轴向和环向布置。
一种大管径集中供热管道应力远程在线检测方法，包括以下步骤：
用应变片测量管道多点处电压信号；
用温度传感器测量空气温度和管道表面温度数据；
用供桥电压测量全桥式应变片供桥电压；
采集的以上数据信息经具有LabVIEW开发平台的上位机进行分析处理后，绘制回水应变-时间曲线及对应回水温度-时间曲线，供水应变-时间曲线即对应供水温度-时间曲线，并进行存储和实时显示远程测量直埋式供热管道的应力；
其中，应变与信号电压的关系如下：
K为应变仪灵敏度，ε为应变，U0为供桥电压，可根据实验要求进行配置。
进一步，分析处理步骤包括以下步骤：
1)测试得到应变值消除由于应变片热输出引入的附加应变步骤，附加应变f(ΔT)按照如下公式计算：
T1为管道的冷态温度，T为实测温度。
进一步，分析处理步骤还包括：
2)采集的应变量数据先进行滤波处理步骤，采用的滤波算法为加权平均值滤波法，具体步骤如下：
一个N项加权平均式为：
其中，滤波器的输入为采样X(N)，输出为Y(N)，CK均为加权系数，K＝0,1,2…N，且满足下式：
此应变滤波算法中的加权系数CK定义如下：
C1＝1/Δ
C2＝e-τ/Δ
……
CN＝e-(N-1)τ/Δ
其中，Δ＝1+e-τ+e-2τ+…+e-(N-1)τ，τ为应变采集的纯滞后时间，这里取值为1秒。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型通过应变片测量供热管道的应变量，将应变片测量的数据通过应变仪转化成数字信号，并将应变数据传输给GPRS数据传输单元；通过温度传感器测量空气温度和管道表面温度，供桥电压测量全桥式应变片供桥电压，数据采集模块将温度传感变送器测量的空气温度和管道表面温度、供桥电压测量出来的全桥式应变片供桥电压转换为数字信号，数据采集模块与GPRS数据传输单元相互传输数据，并通过无线网路传输给监控中心，通过监控中心处理分析，本实用新型结构简单，不仅能测出直埋式供热管道的应力，而且无需人工在管道井下进行现场监测，能够实现无线远程在线测量。减少了人力物力，大大降低了测试成本。
进一步，设置三个测点端面并测量多个点的数据，使测试结果更加准确和接近实际情况。
本实用新型在线检测方法，直埋式供热管道进行测试应力，并通过数据传输到上位机，不仅能测出直埋式供热管道的应力，而且无需人工在管道井下进行现场监测，能够实现无线远程在线测量。并且考虑应变片电阻受热力管道温度影响，及测量电桥电压变化等因素，以图表的形式反馈给观察人员，清楚直观。
进一步，应变片设置在供热管道的上、下、内、外四处，更能真实反应供热管道不同位置的应变，测试数据反馈真实，与实际接近。
进一步，通过滤波处理的数据，减少了噪值，曲线更加真实。
附图说明
图1为本实用新型的结构原理示意图；
图2为本实用新型的应变片电桥示意图；
图3为本实用新型的应变片性能参数拟合曲线
图4A为沿测试管段应变测试断面布置图；
图4B为测试管段沟槽断面图；
图5A测试断面1供水管测点布置；
图5B测试断面1回水管测点布置；
图5C测试断面2供水管测点布置；
图5D测试断面1回水管测点布置；
图5E测试断面3供水管测点布置；
图5F测试断面3回水管测点布置；
图6A-1测点12测试应变曲线；
图6A-2测点12测试温度曲线；
图6B-1测点18测试应变曲线图；
图6B-2测点18测试温度曲线图；
图6C-1测点20测试应变曲线图；
图6C-2测点20测试温度曲线图；
图6D-1测点27测试应变曲线图；
图6D-2测点27测试温度曲线图；
图6E-1测点53测试应变曲线图；
图6E-2测点53测试温度曲线图；
图6F-1测点56测试应变曲线；
图6F-2测点56测试温度曲线；
图7A-1测点30测试应变曲线图；
图7A-2测点30测试温度曲线图；
图7B-1测点38测试应变曲线图；
图7B-2测点38测试温度曲线图；
图7C-1测点48测试应变曲线图；
图7C-2测点48测试温度曲线图；
图7D-1测点44测试应变曲线图；
图7D-2测点44测试温度曲线图；
图7E-1测点7测试应变曲线图；
图7E-2测点7测试温度曲线图；
图7F-1测点2测试应变曲线；
图7F-2测点2测试温度曲线。
其中，1、应变片；2、应变仪；3、温度传感器；4、供桥电压；5、数据采集模块；6、GPRS数据传输模块；7、电源适配器；8、逆变器；9、蓄电池；10、电源模块；11、无线通信网络；12、无线路由器；13、上位机；14、用户电脑。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步详细说明：
参见图1，本实用新型包括用于测量管道多点处应变的若干组相互并联的应变片1、每组应变片1的输出端串接的有应变仪2、应变仪2的输出端连接有的GPRS数据传输模块6、用于测量空气温度和管道表面温度的温度传感器3、用于测量应变片1电压的供桥电压4，本实用新型采用全桥应变片；
在现场，应变片1与应变仪2连接组成应变测量设备，应变片1可输出毫伏电压信号，应变仪2的作用将此毫伏信号转化成数字信号，应变仪2带有485口，以Modbus通信协议方式与GPRS数据传输单元6通信，将全桥应变片1测量出来的应变数据传输给GPRS数据传输单元6。温度传感器3可测量空气温度和管道表面温度。供桥电压4可测量全桥式应变片供桥电压。温度传感变送器和拱桥电压4与数据采集模块5连接。数据采集模块5将温度传感变送器测量的空气温度和管道表面温度、供桥电压测量出来的全桥式应变片供桥电压转换为数字信号。数据采集模块5与GPRS数据传输单元6通过485总线以Modbus协议通信，相互传输数据。GPRS数据传输单元6由电源模块10供电，该电源模块10包括蓄电池9、逆变器8和电源适配器7；GPRS数据传输单元6将接收到的所有数据：应变、温度、电压全部通过GPRS网路与Internet网路无线传输给远端上位机13的无线路由器12。上位机由无线路由器和用户电脑14组成。无线路由器12将接收到的数据通过网线传输给用户电脑14。用户电脑14上运行有上位人机界面，本实用新型的上位机13上嵌入有LabVIEW软件开发平台。
应变测量过程中需要完成以下操作步骤。
1将SIM卡放入无线路由器12、通过网线与上位机13连接、供电；
2打开动态域名软件；动态域名连接成功；
3打开测试软件，DTU成功连接至电脑；
4运行LabVIEW程序，进行数据采集，如需记录数据，请启动记录。部分测量结果如图6A及图6B所示。
一种大管径集中供热管道应力远程在线检测方法，包括以下步骤：
用应变片1测量管道多点处电压信号；
用温度传感器3测量空气温度和管道表面温度数据；
用供桥电压4测量全桥式应变片供桥电压；
采集的以上数据信息经具有LabVIEW开发平台的上位机13进行分析处理后，绘制回水应变-时间曲线及对应回水温度-时间曲线，供水应变-时间曲线即对应供水温度-时间曲线，并进行存储和实时显示远程测量直埋式供热管道的应力。
本实用新型的工作过程：
本实用新型的上位机13具有LabVIEW开发平台，包括数据显示单元、数据存储单元、参数设定单元、警示单元，生成报表单元，由数据采集模块5采集的数据信息传送给具有LabVIEW开发平台的上位机13，将采集的数据信息在数据显示单元中显示，在数据存储单元进行储存方便以后查询，参数设定单元可以对一些参数进行重新设定，采集的数据信息经具有LabVIEW开发平台的上位机13进行分析处理后，实时的远程测量直埋式供热管道的应力，采集的数据信息还可以在生成报表单元中生成报表以便打印出来，供工作人员查看。
由于应变片电阻受热力管道温度影响很大，不能简单的忽略。需要实时测量供热管道供水温度、回水温度以及管道井的空气温度，此外还应测量电桥电压，实现应变值的在线修正。具体电桥电压与应变的关系分析如下：
1、应变片电阻与应变关系
对于电阻应变片，有：
式中
R-应变片原始电阻；
ΔR-应变片电阻变化量；
μ-材料泊松比；
ε-材料轴向线应变；
c-常数(由一定的材料和加工方式决定)；
K-应变灵敏系数。
2、电阻与电桥关系
图2是一个直流电桥。A、C端接直流电源，称供桥端，Uo称供桥电压；B、D端接测量仪器，称输出端；输出电压和供桥电压的关系为
3、应变与信号电压的关系
实验采用单臂电桥，初始电阻为R1＝R2＝R3＝R4＝R。其中一个为应变片，设应变片电阻变化ΔR，则
即
4、信号电压的最大值
应变仪灵敏度K＝2，热力管道应变为：ε＝αΔt＝1.26×10-5×120＝1.512×10-3，
则
UBDmax＝7.55×10-4U0
U0可根据实验要求进行配置(并实时测量，在线修正)，如果U0＝5V，则
UBDmax＝3.77mV。
运行中的供热管道在应变测试过程中表面温度会不断变化，因此测试结果中带有应变片的热输出。为了得到管道在外力作用下的应变变化规律，必须消除由于应变片热输出引入的附加应变f(ΔT)。
在热胀系数为βs的被测物表面贴热胀系数为βg的应变片，温度变化ΔT引起的附加应变为：
式中：
εT——温度引起的附加应变，10-6；
α——应变片电阻元件的温度系数，m/℃；
βs——被测表面的热膨胀系数，m/℃；
βg——应变片的热膨胀系数，m/℃；
ΔT——相对于初始条件的温度变化，℃；
f(ΔT)——附加应变与温度变化ΔT的关系。
对于确定的被测材料，εT仅是温度的函数，因此εT又称为应变片的热输出。对于温变过程中的应变测量，必须将热输出从测量结果中消除。
以温度T作为横坐标，εtest值作为纵坐标得到的测试曲线见图3。根据曲线拟合结果，测试应变与温度的关系为：
εtext(T)＝4.3×10-4T3-0.097T2+7.3T-120
应变片的温变性能测试曲线为：
g(T)＝4.3×10-4T3-0.097T2+7.3T-120+g(T0)
从而
以管道的冷态温度作为T1，测试中约为11℃，在0～130℃范围内，f(ΔT1)的变化范围为[-69，185]。在管道应力测试中，供水管道的最低运行温度56℃，最高运行温度96℃，相应的f(ΔT1)的变化范围为[111，118]。
另外，采集的应变数据含有干扰信号，因此，需要滤波。为改进滤波效果，提高系统对当前所受干扰的灵敏度，需要增加新采样值在平均值中的比重，即将各采样值取不同的比例，因此这里采用的滤波算法为加权平均值滤波法。如下所示：
一个N项加权平均式为：
其中，滤波器的输入为采样X(N)，输出为Y(N)，CK均为常数，称为加权系数，K＝0,1,2…N，且满足下式：
此应变滤波算法中的加权系数CK定义如下：
C1＝1/Δ
C2＝e-τ/Δ
……
CN＝e-(N-1)τ/Δ
其中，Δ＝1+e-τ+e-2τ+…+e-(N-1)τ，τ为应变采集的纯滞后时间，这里取值为1秒。
对西安市冬季首次运行的某供热管道进行了一个采暖季的应力测试。管道设计供回水温度130℃/70℃，设计压力1.0MPa，管道线膨胀系数a＝12.6×10-6m/(m·℃)，管道钢材的弹性模量E＝19.6×10-4MPa，管道规格Ф850(Ф720×8)，覆土深度1.1m，补偿器为XYJ16ZT700X4-J型波纹管补偿器，轴向补偿量120mm。
各测试断面管道测点断面布置分别见图4A。测点断面1处于管道的活动端(补偿器处)，测点断面2、测点断面3处于过渡段，各布置了10个测点。每测试断面处7个应变片为单向应变片，沿管道轴向布置；另外3个应变片组成应变花，正交的两个分别沿轴向和环向布置。为得到管道温度变化，在管道表面布置温度传感器。
为体现外力作用，图6A-1至图6F-2中给出了温度变化和自由应变。自由应变为管道在仅受温度作用自由伸长时的应变，其变化曲线与温度曲线一致，按下式计算：
εfree＝βsΔT
式中：εfree——管道自由应变，10-6。
图6A-1～图6F-2及图7A-1～图7F-2分别给出了采集滤波后的应变-温度变化曲线。可以看出，供水管道沟槽内外侧应力变化不同，回水管道沟槽内外侧应力变化基本相同。
从图图6A-1～图6F-2可以看出，对于供水管道，测试断面2、3处沟槽内侧测点(测点20、53)应变变化与温度变化趋势一致；测试断面2、3处沟槽外侧测点(测点27、56)应变变化与温度变化趋势相反，而测试断面1处测点(测点12、18)应变变化与温度变化没有明显的相关关系，这是因为测试断面1处于补偿器处，应力主要受补偿器影响，而受外力影响较小。
从图图7A-1～图7F-2可以看出，对于回水管道，测试断面2、3处测点(测点48、7、44、2)应变变化与温度变化趋势相反，而测试断面1处测点(测点30、38)应变变化随温度变化不明显。造成这一现象的原因是供水管道轴向力较大，造成了管道的挠曲，从而在管道上产生了弯曲应力。而回水管道受轴向力影响较小。
Claims (9)
1.一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，其特征在于：包括用于测量供热管道多点处应变量的若干组相互并联的应变片(1)、每组应变片(1)的输出端串接的有应变仪(2)和应变仪(2)的输出端连接有的GPRS数据传输模块(6)；所述GPRS数据传输模块(6)与电源模块(10)及数据监测管理中心连接。
2.根据权利要求1所述的一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，其特征在于：所述的应变片(1)采用全桥式应变片。
3.根据权利要求1所述的一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，其特征在于：还包括用于测量空气温度和管道表面温度的温度传感器(3)和用于测量应变片(1)电压的供桥电压(4)；所述的温度传感器(3)与温度应变器相连，温度应变器及供桥电压(4)与数据采集模块(5)连接；所述的数据采集模块(5)与GPRS数据传输模块(6)相连。
4.根据权利要求3所述的一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，其特征在于：所述的数据采集模块(5)通过485总线与GPRS数据传输模块(6)相连。
5.根据权利要求1所述的一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，其特征在于：所述的电源模块(10)包括蓄电池(9)，与蓄电池(9)串联的逆变器(8)及与逆变器(8)串联的电源适配器(7)，电源适配器(7)的输出端接GPRS数据传输单元(6)。
6.根据权利要求1所述的一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，其特征在于：所述的应变仪(1)的输出端与GPRS数据传输模块(6)相连。
7.根据权利要求1所述的一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，其特征在于：所述的数据监测管理中心包括无线路由器(12)及上位机(13)；其中，无线路由器通过无线通信网络(11)与GPRS数据传输模块(6)连接，无线路由器(12)与上位机(13)连接。
8.根据权利要求7所述的一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，其特征在于：所述的无线通信网络(11)包括GPRS网路或Internet网路。
9.根据权利要求1所述的一种大管径集中供热管道应力远程在线监测装置，其特征在于：所述测量供热管道上设置三个测点端面，第一个测点端面处于管道的活动端的补偿器处，第二和第三个测点端面处于管道的过渡段，每个测点端面上各布置了十个测点，每测试断面处七个应变片为单向应变片，沿管道轴向布置；另外三个应变片组成应变花，正交的两个分别沿轴向和环向布置。
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Granted publication date: 20151223 Termination date: 20180706 |
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