一种测量管道倾角变化的装置及方法与流程

本发明涉及管道测量技术领域，尤其涉及一种测量管道倾角变化的装置及方法。

背景技术：

热态功能实验是将核蒸汽供应系统升温升压，在从冷态到热态停堆状态的整个温度和压力范围内验证有关设备和系统的功能响应、耐久性和安全性，以保证它们能按设计要求运行所进行的工作。核电厂在热态功能试验阶段，需要对管道的倾斜角度进行测量，防止管道倾斜方向不正确或者倾斜角度不满足要求导致管道内局部热点聚集，威胁管道的安全运行。

传统的测量方法是使用角度测量仪手动测量管道倾角，但由于热态功能试验中管道表面温度高，使得手动测量具有很高的安全风险；此外管道外部还安装了保温层结构，手动测量获得的数据并不能准确地反映管道的实际倾角。因此，开发一种适应性强、测量精度高且能够自动进行测量的测量管道倾角变化的装置具有重要的意义。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种测量管道倾角变化的装置，可以实时并准确地获得管道倾角变化的数据。

本发明提供了一种测量管道倾角变化的装置，所述管道为一直管，包括：第一测量点和第二测量点，所述第一测量点和第二测量点固定在所述管道的表面上，且沿所述管道的长度方向布置；第一坐标系装置，用于确定所述第一测量点的三维坐标；第二坐标系装置，用于确定所述第二测量点的三维坐标；所述第一坐标系装置和第二坐标系装置独立于所述管道固定安装。

优选地，所述第一测量点和第二测量点均通过管夹固定在所述管道的表面上。

优选地，所述第一坐标系装置中包括三个拉线式位移传感器，三个拉线式位移传感器的本体独立于所述管道固定安装，三个拉线式位移传感器的拉线均固定连接在第一测量点上，且在初始状态下，三个拉线式位移传感器的拉线分别位于x轴、y轴和z轴上。

优选地，所述第二坐标系装置中也包括三个拉线式位移传感器，第二坐标系装置的三个拉线式位移传感器的本体独立于所述管道固定安装，第二坐标系装置的三个拉线式位移传感器的拉线均固定连接在第二测量点上，且在初始状态下，其中一个拉线式位移传感器的拉线位于x轴上，另外两个拉线式位移传感器的拉线分别平行于y轴和z轴。

优选地，所述拉线式位移传感器的本体均固定在支架上。

优选地，还包括数据采集和记录装置，所述拉线式位移传感器均与数据采集和记录装置信号连接。

优选地，所述管道的表面还安装有一温度传感器，所述温度传感器与所述数据采集和记录装置信号连接。

本发明还提供了一种利用上述装置测量管道倾角变化的方法，包括以下步骤：

s1、在第一测量点上固定连接三个拉线式位移传感器a1、b1和c1的拉线，记录在初始状态下拉线式位移传感器a1、b1和c1的拉线长度a1、b1和c1；在第二测量点上固定连接另外三个拉线式位移传感器a2、b2和c2的拉线，记录在初始状态下拉线式位移传感器a2、b2、c2的拉线长度a2、b2和c2；

s2、测得第一测量点和第二测量点之间的距离l，由于第一测量点为坐标原点(0,0,0)，获得拉线式位移传感器a1、b1和c1的本体的坐标分别为(a1，0，0)、(0，b1，0)和(0，0，c1)，拉线式位移传感器a2、b2和c2的本体的坐标分别为(l+a2，0，0)、(l，b2，0)和(l，0，c2)；

s3、当管道产生倾角变化时，记录此时拉线式位移传感器a1、b1和c1的拉线长度α1、β1和γ1，拉线式位移传感器a2、b2和c2的拉线长度α2、β2和γ2；

s4、设第一测量点在管道倾斜后坐标变化为(x1,y1,z1)，第二测量点坐标变化为(x2,y2,z2)，则可得：

根据式(1)和式(2)，求得管道倾斜后第一测量点和第二测量点的坐标(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)的具体值；

s5、计算管道与xy平面之间的倾角θ：

优选地，所述管道的表面还安装有一温度传感器，还包括步骤s6、连续计算管道与xy平面之间的倾角θ，同时记录温度传感器检测到的管道温度t，生成倾角θ关于管道温度t的变化曲线。

综上所述，本发明的有益之处在于，结构简单，便于安装；通过在管道表面上设置第一测量点和第二测量点，根据两个测量点的三维坐标变化计算管道倾角变化，整个装置适应性强、应用范围广，测量精度高。

附图说明

图1为本发明测量管道倾角变化的装置的初始状态示意图；

图2为本发明测量管道倾角变化的装置的测量状态示意图；

图3为倾角θ关于管道温度t的变化曲线。

元件标号说明：

a1拉线式位移传感器

a2拉线式位移传感器

b1拉线式位移传感器

b2拉线式位移传感器

c1拉线式位移传感器

c2拉线式位移传感器

1管道

2管夹

3温度传感器

4第一测量点

4’管道倾斜后的第一测量点

5第二测量点

5’管道倾斜后的第二测量点

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种测量管道倾角变化的装置，如图1所示，管道1为一直管，表面上固定有沿长度方向布置的第一测量点4和第二测量点5，优选地，有两个管夹2环抱固定在管道1的表面上，每个管夹2上固定一根立柱，立柱的端部设有一个小孔，这两个小孔就构成上述第一测量点4和第二测量点5。还包括用于确定第一测量点4和第二测量点5的三维坐标的第一坐标系装置和第二坐标系装置，第一坐标系装置和第二坐标系装置均独立于管道1固定安装，也就是说第一坐标系装置和第二坐标系装置的安装位置和姿态不会随管道1的倾角变化而变化。第一坐标系装置和第二坐标系装置可以建立一个三维坐标系，并通过公知的手段(比如测距传感器)来测量第一测量点4和第二测量点5到三个坐标轴的距离，从而确定第一测量点4和第二测量点5的三维坐标。

如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，第一坐标系装置中包括三个拉线式位移传感器，三个拉线式位移传感器的本体独立于管道1固定安装，三个拉线式位移传感器的拉线均固定连接在第一测量点4上，且在初始状态下，三个拉线式位移传感器的拉线分别位于x轴、y轴和z轴上，其中x轴与管道1的轴线方向平行。第二坐标系装置中也包括三个拉线式位移传感器，第二坐标系装置的三个拉线式位移传感器的本体同样独立于管道1固定安装，第二坐标系装置的三个拉线式位移传感器的拉线均固定连接在第二测量点5上，且在初始状态下，其中一个拉线式位移传感器的拉线位于x轴上，另外两个拉线式位移传感器的拉线分别平行于y轴和z轴。具体地，各拉线式位移传感器的本体均固定在一个支架上(图上未示出)。

此外，通常管道1的外表面还包裹有保温层，第一测量点4和第二测量点5均位于保温层外，因此测量点的位置变化不受保温层的厚度影响，从而能够准确地反映管道1的实际倾角。

优选地，拉线式位移传感器均与数据采集和记录装置信号连接。管道1的表面还安装有一温度传感器3，温度传感器3也与数据采集和记录装置信号连接。各拉线式位移传感器和温度传感器测得的信号传输给数据采集和记录装置，数据采集和记录装置可以实时记录拉线式位移传感器的拉线长度并计算管道倾角变化，同时记录温度传感器3检测到的管道温度，对不同温度下的管道倾角是否满足设计要求进行分析与监控。

本发明还提供了一种利用上述装置测量管道倾角变化的方法，包括以下步骤：

s1、如图1所示，在第一测量点4上固定连接三个拉线式位移传感器a1、b1和c1的拉线，记录在初始状态下拉线式位移传感器a1、b1和c1的拉线长度a1、b1和c1；在第二测量点5上固定连接另外三个拉线式位移传感器a2、b2和c2的拉线，记录在初始状态下拉线式位移传感器a2、b2、c2的拉线长度a2、b2和c2；

s2、测得第一测量点4和第二测量点5之间的距离l，由于第一测量点4是三个坐标轴的交点，为坐标原点(0,0,0)，从而获得拉线式位移传感器a1、b1和c1的本体的坐标分别为(a1，0，0)、(0，b1，0)和(0，0，c1)，拉线式位移传感器a2、b2和c2的本体的坐标分别为(l+a2，0，0)、(l，b2，0)和(l，0，c2)；

s3、如图2所示，当管道1产生倾角变化时，记录此时拉线式位移传感器a1、b1和c1的拉线长度α1、β1和γ1，拉线式位移传感器a2、b2和c2的拉线长度α2、β2和γ2；

s4、设第一测量点4在管道1倾斜后坐标变化为(x1,y1,z1)，记为第一测量点4’；第二测量点5坐标变化为(x2,y2,z2)，记为第二测量点5’，则可得：

根据式(1)和式(2)，求得管道1倾斜后第一测量点4’和第二测量点5’的坐标(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)的具体值；

s5、计算出管道1与xy平面之间的倾角θ：

优选地，管道1的表面还安装有一温度传感器3，则还包括步骤s6、连续计算管道1与xy平面之间的倾角θ，同时记录温度传感器3检测到的管道温度t，生成如图3所示的倾角θ关于管道温度t的变化曲线。

综上所述，本发明的有益之处在于，结构简单，便于安装；通过在管道表面上设置第一测量点和第二测量点，根据两个测量点的三维坐标变化计算管道倾角变化，整个装置适应性强、应用范围广，测量精度高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。