专利名称：恒压自控多类型封头边缘应力自动测试实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种应力测试实验装置，尤其是一种能进行恒压自控多类型封头边缘应力自动测试的实验装置。
背景技术：
封头是压力容器上的一个主要零部件，封头与筒体通过焊接相连，从而构成一个封闭的能够承受压力的容器。根据不同的需要，可以生产不同形状的封头。但由于封头结构的特殊性，特别是与筒体相连部分应力分布的复杂性，使得在实际生产过程中，主要使用标准椭圆封头、球形封头、锥形封头(过渡段)、平板封头和碟形封头。对于将要从事压力容器设计、制造、维修和管理的过程装备与控制工程专业学生或工程技术人员，必须要对不同封头类型与筒体相连部分的应力分布规律进行了解和掌握，恒压自控多类型封头边缘应力自动测试实验装置正是基于这个目的而开发和研制的，其主要用途是给学生或工程技术人员作实验，通过这个实验，一方面使学生了解和掌握了封头边缘应力的分布规律，另一方面也使学生掌握了应力测试的方法和手段。
目前，这种类型的实验装置但都由学校自行研制，并且是非常简便的，因此都没有申请专利。其结构可有二种类型，一种是在筒体的一端焊上需要测试的封头，另一种是在筒体两端焊上两个需要测试的不同类型封头，其加压的过程可采用手动，也可采用机动，其压力都是通过看压力仪表的值来确定。这样做的后果是1、由于在加压过程中，泵的冲击作用，使得最后稳定的压力值要小于用户停止加压时的压力值，压力值不能达到用户所要求的给定值；2、测试的压力值不能任意给定。同时，压力容器的保压和卸载过程都是采用人工关闭阀门的方法进行，在加压到保压的过程中，由于关闭阀门的滞后性，又使得压力值可能再次下降。从而使学生在测试过程中，压力值是一个变量，所得到的结果与计算结果可能相差较大，从而失去了科学检测的严谨性和数据结果的准确性。
在这类实验装置上作实验，学生将会花费大量的时间来调整加压时的压力值，从而也就减小了学生花费在对数据结果的判别、误差的分析以及对实验过程、方法和手段的了解上的时间，有时甚至会引起学生对实验过程的误解。而且现有的封头边缘应力测试实验平台，缺乏计算机应用技术和控制技术，仅为一台简便的、由封头和筒体连接的压力容器。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种能够测试出在任意压力下多种类型封头边缘应力的分布，而且能对压力值进行自动调整的恒压自控多类型封头边缘应力自动测试实验装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是它包括固定在支座上平盖封头、锥形封头、球形封头和椭圆形封头，它由压力控制系统、油路控制系统和数据采集系统三部分构成，整个系统由一个控制平台操作，固定在支座上平盖封头、锥形封头、球形封头和椭圆形封头上分别设置有封头压力表5、排空管2和与控制平台相接的压力传感器13，与贮油箱12相连通的油路经过油泵10和换向电磁阀15后分别与平盖封头、锥形封头、球形封头和椭圆形封头内的油腔相连通，油路的另一分支经溢流阀的进油口P和溢流阀的回油口O与油箱相连，换向电磁阀的回油口O又与油箱相连，通口B被堵住。封头上的压力传感器与控制平台上的PID调节器相连，反馈信号传送到控制平台上的变频器，变频器的另一端与电动机11相连控制油泵10的输出量。粘贴在封头过渡段表面上的应变片18与预调平衡箱相连，预调平衡箱连接两条分支，一条分支与静态电阻应变仪相连，另一分支经A/D卡与计算机相连。
本实用新型的有益效果是，克服了现有封头边缘应力测试实验教学平台的不足，它不仅能够测试出在任意压力下多种类型封头边缘应力的分布，不会出现由于换向所带来的压力波动，测试压力恒定，测试数据结果可靠；而且其压力值的调整将实现自动化；加压和卸载过程的转换采用了电磁阀，减少了人工操作的时间，换向速度快，结构简单；所得到的实验数据可以直接在计算机屏幕上显示，并且可以与理论计算结果进行比较，其测试数据可以用图形、列表直接输出、显示和打印。使学生更容易了解和掌握封头边缘应力的分布规律，了解应力测试、分析和计算的手段和方法。
以下结合附图对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的结构原理图。
图2是本实用新型的油路控制系统图。
图3是本实用新型的压力控制系统图。
图4是本实用新型的数据采集系统图。
图5是本实用新型的控制操作台面板设置图。
图中1.椭圆形封头结构，2.排空管，3.球形封头结构，4.控制操作台，5.封头压力表，6.排污接管，7.平封头结构，8.锥形封头结构，9.油管，10.油泵，11.电动机，12.贮油箱，13.压力传感器，14.溢流阀，15.转向电磁阀，16.管路压力表，17.油箱放空管，18.应变片，19.阀门，20.支座。
具体实施方式
将平盖封头和锥形封头设置为一组、球形封头和椭圆形封头分为另一组，并将它们均固定在支座上，整个系统由一个控制平台操作，它包括一个压力控制系统、一个油路控制系统、一个数据采集系统和微机。在控制平台的面板上有电源开关，电磁阀的控制开关，压力表用于显示油路中的压力，变频器显示屏用于显示变频器参数和电动机的转数，PID控制仪表和微机的屏幕。在没有加压的情况下，在每个封头的适当位置贴上电阻应变片，并将应变片接入到平衡箱，将电阻调平衡。每个封头结构均设置有压力表接口、进油或排油口、排空接口、压力传感器接口和排污口，其中压力表接口所接压力表将直接显示封头内的实际压力值，压力传感器接口所接的压力传感器能够将封头内的实际压力送入到PID控制器，并将实际压力值与用户给定的压力值进行比较，所产生的偏差信号送到变频器，通过变频器生成的信号控制电动机，从而改变油泵的输出油量，以达到改变封头内压力的变化，当封头内的压力值达到用户所给定的值时，用户可以将控制开关转换到保压状态，这时可以用静态电阻应变仪测量所加压封头表面上的应力值，或者将静态电阻平衡箱出来的信号送入到A/D转换卡，直接将测量数据送入到计算机进行处理并显示。当一组数据测试完成后，重新调整PID控制仪表的参数，将控制开关转向加压状态，重新给封头结构加压，继续进行第二组数据的测试，如此循环下去。当数据测试完成后，将控制开关转向卸载状态，关闭电动机，在卸载完成后，将控制开头转到零位。
压力控制系统主要用于控制封头内的压力值，它由压力传感器、PID控制仪表、变频器、电动机、油泵等组成，它解决了封头内压力值的任意设定，使用户可以随意控制封头内的压力值。由于采用了PID控制调节，封头内的压力值将会自动达到平衡状态，封头结构内压力值的波动问题得到解决，并减少了人工在调整恒定压力值时的时间。
油路控制系统主要用于给封头加压和卸载，它由油箱、油泵、电动机、溢流阀、换向电磁阀和管路系统组成。加压、保压和卸载过程的转换都采用换向电磁阀来操作，换向过程操作简单明了，换向速度快，减少了使用阀门操作换向的时间和难度。同时换向过程操作是发生在封头结构内的压力值达到稳定时进行，这时管路内的流量基本上接近为零，采用换向电磁阀的快速换向，封头内的压力值由于换向所产生的压力波动也为零。
数据采集系统主要采集封头边缘应力的数据信号，它由应变片、静态电阻平衡箱、静态电阻应变仪、A/D卡、数据采集软件、数据信号线、微机接口等组成，其原理是由于应变片内的电阻丝在外力的作用下发生变化，从而引起电阻阻值的变化，流过应变片的电流也会相应地发生变化，将变化的电流信号送入到静态电阻应变仪就可得到由于外力作用所产生的应变值，再通过转换计算就可以得到所测量应变片的应力值。或者是将静态电阻平衡箱出来的信号送到A/D卡，将模拟信号转换为数字信号后，通过数据采集软件，在微机屏幕上显示出来。
在图1中，将平盖封头7和锥形封头8设置为一组、球形封头3和椭圆形封头1分为另一组，并将它们均固定在支座20上，整个系统由一个控制平台操作，所有的信号线和油路都要进入到控制操作台。同时油箱12、电动机11、溢流阀14和油泵10也固定其中一个支座上20，这样可以使结构更加紧密，减少占地面积。
在图5中，管路压力表16、换向电磁阀15、PID控制仪表、换向电磁阀15的控制开关、电源开关、变频器的显示屏、计算机等都安装在控制操作台上。
在图4中的压力表5指示为零时，在球形封头3过渡段处贴上应变片18，然后将信号线与应变片18通过焊接相连，又将信号线的另一端连接预调平衡箱的接线柱上，对每个应变片进行平衡调节，使每个应变片在平衡箱上的显示都为零。
在图2中，调整溢流阀14的压力值。
在图5中，打开总电源开关，在PID控制仪表上设定一个压力值，并相应地设置PID的各项参数值。将控制开头转向加压位置，即将图2中的换向电磁阀15向右移动，使其转向加压位置。打开电动机11开关，使其带动油泵10开始转动，给要测试的球形封头3结构系统加压。
在图3中，随着球形封头3内压力的增加，PID控制仪表内产生的偏差信号将越来越小，偏差信号送入到变频器，变频器所输出的信号也会越来越弱，从而引起电动机11的转数越来越小，油泵10所输出到油管9中的油量也慢慢地接近为零。当球形封头3上的压力表5指针指向用户给定的压力值并保持不变时，将图5中的控制开关拨向保压状态，即将图2中的换向电磁阀15回到零位，使其处于中间位置，并关闭电动机电源开关。
在图4中，打开静态电阻应变仪，旋转按钮到每个应变片18，从静态电阻应变仪的显示屏上读出应变值，再利用虎克定律，即可得到每个应变片上的应力值，通过作图就可得到球形封头3过渡段的应力分布规律。或者将预调平衡箱出来的信号线与A/D卡相连，通过A/D卡将模拟信号转变为数字信号，送入到计算机，启动计算机上的数据处理软件，检测数字信号，并将所检测到的信号在计算机屏幕上显示出来，也可将检测数据保存在计算机硬盘上，供以后输出和查阅使用。
完成这组数据测试后，在图5中重新设置一个新的压力值，重复上述的操作过程，又可得到一组测试数据，如此循环下去。
当数据测试完成后，在图5中关闭电动机11和PID控制仪表的电源，将相应的控制开关拨向卸载状态，即图2中的换向电磁阀15向左移动，使其处于卸载状态，球形封头内的机油将通过油路9又回到油箱12，当压力表5的指针指向零时，表示卸载完成，将控制开关又拨向零位，即图2的换向电磁阀15又回到零位状态。
在图1中可以看到，每个封头结构系统的油管9上都有一个阀门19，其目的是可以允许用户根据需要选择封头结构系统进行测试。
油管9上的安装有压力表16，其作用是通过显示油路上的压力，可以显示出油路是否堵塞，以及封头内是否在加压，总的来说，是出于安全考虑而设置的。
权利要求1.一种恒压自控多类型封头边缘应力自动测试实验装置，它包括固定在支座上平盖封头、锥形封头、球形封头和椭圆形封头，其特征是它由压力控制系统、油路控制系统和数据采集系统三部分构成，整个系统由一个控制平台操作，固定在支座上平盖封头、锥形封头、球形封头和椭圆形封头上分别设置有封头压力表(5)、排空管(2)和与控制平台相接的压力传感器(13)，与贮油箱(12)相连通的油路经过油泵(10)和换向电磁阀(15)后分别与平盖封头、锥形封头、球形封头和椭圆形封头内的油腔相连通，油路的另一分支经溢流阀的进油口P和溢流阀的回油口0与油箱相连，换向电磁阀的回油口0又与油箱相连，通口B被堵住。
2.根据权利要求1所述的恒压自控多类型封头边缘应力自动测试实验装置，其特征是封头上的压力传感器与控制平台上的PID调节器相连，反馈信号传送到控制平台上的变频器，变频器的另一端与电动机(11)相连控制油泵(10)的输出量。
3.根据权利要求1所述的恒压自控多类型封头边缘应力自动测试实验装置，其特征是粘贴在封头过渡段表面上的应变片(18)与预调平衡箱相连，预调平衡箱连接两条分支，一条分支与静态电阻应变仪相连，另一分支经A/D卡与计算机相连。
专利摘要一种恒压自控多类型封头边缘应力自动测试实验装置。它主要是解决现在没有压力自动测试实验装置等问题。其技术方案要点是它包括固定在支座上平盖封头、锥形封头、球形封头和椭圆形封头，它由控制平台控制的压力控制系统、油路控制系统和数据采集系统三部分构成，固定在支座上封头上分别设置有封头压力表、排空管和与控制平台相接的压力传感器，与贮油箱相连通的油路经过油泵和换向电磁阀后分别与封头内的油腔相连通。它能够完成在任意压力下的封头过渡段的边缘应力分布规律的测试，加压、保压和卸载换向操作简单，换向速度快，无冲击和滞后性，封头内的测试压力稳定，测试数据可以记录，也可以直接用计算机来显示和打印输出，所有操作均可在控制操作台上完成。
文档编号G01L1/20GK2650091SQ0322676
公开日2004年10月20日 申请日期2003年1月10日 优先权日2003年1月10日
发明者龚曙光, 谢桂兰, 邱爱红, 王亚, 张吴星 申请人:湘潭大学