一种菱形位移放大机构及高温法兰接头偏转角监测装置的制作方法

本发明属于高温法兰偏转角测试技术领域，具体涉及一种菱形位移放大机构及高温法兰接头偏转角监测装置。

背景技术：

法兰连接是石油化工设备中常用的连接方式，因其具有易于拆卸安装的优点，广泛应用于石化、核电、冶金、制药等行业的压力容器及管道中。随着经济发展与能源供应的矛盾日益突出，炼油及化工技术迅速发展，各种炼化装置中普遍存在高温高压工况。在高温操作条件下，法兰可能发生偏转、翘曲、蠕变等变化。高温法兰泄漏是石油化工等企业发生重大事故的主要原因之一，而法兰的泄漏与法兰盘的偏转角(即刚度)有着直接的联系。为避免高温法兰泄漏事故的发生，有必要对高温法兰的偏转进行测量和监测。然而，现有的基于引伸计的测量装置直接测量的数据太微小，测量精度差，不能有效的对高温法兰的偏转角进行测量研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种菱形位移放大机构及高温法兰接头偏转角监测装置，它采用合理的放大机构对位移量加以放大，从而提升测量精度，能准确有效的测试高温法兰的偏转角，对于寻求有效控制高温法兰泄漏具有积极作用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种菱形位移放大机构，用于放大被测物体两个方向上的位移，所述菱形位移放大机构包括上延伸棒、下延伸棒和菱形位移放大单元；其中，

所述上、下延伸棒相互平行地布置在被测物体上，所述上、下延伸棒的一端分别与被测物体的外沿固定连接，所述上、下延伸棒的另一端沿长度方向分别设有上、下十字形支架，所述上十字形支架的四个端点和下十字形支架对应的四个端点构成四对端点，每对端点之间的连线相互平行，其中位于延伸棒长度方向上的两对端点为轴向端点，另外两对端点为径向端点；

所述菱形位移放大单元的数量为四个，且分别设置在上、下十字形支架的每对端点之间，位于两对轴向端点之间的两个菱形位移放大单元相互平行，且所在的平面与延伸棒垂直，位于两对径向端点之间的两个菱形位移放大单元相互平行，且所在的平面与延伸棒平行；所述菱形位移放大单元中位于长对角线的两端均通过末端块与上、下十字形支架的端部连接，所述末端块与菱形位移放大单元之间通过圆柱铰链连接，所述圆柱铰链与对应的菱形位移放大单元的短对角线平行，所述末端块与上、下十字形结构的端部之间通过圆型铰链连接，所述圆型铰链与对应的菱形位移放大单元所在的平面垂直；每个菱形位移放大单元的四个连杆的两端均设有柔性铰链。

相应的，本发明提供一种基于菱形位移放大机构的高温法兰接头偏转角监测装置，该装置包括高温法兰和位移引伸计，所述高温法兰包括通过多个紧固件连接的上法兰和下法兰，所述上、下法兰之间采用垫片进行密封，所述位移引伸计具有数据处理和报警功能；该装置还包括如权利要求1所述的菱形位移放大机构和位移引伸计夹具；

所述菱形位移放大机构的上、下延伸棒分别上下对称相互平行布置在上、下法兰的法兰盘上，所述上、下延伸棒的一端分别与上、下法兰的法兰盘外沿固定连接，且与对应的法兰盘的直径共线，每个十字形支架所在的平面与法兰盘的端面平行，所述上、下十字形支架的每对端点之间的连线平行于高温法兰的轴线；

所述位移引伸计夹具的数量为四个，每个位移引伸计夹具的一端与对应的菱形位移放大单元中位于短对角线的两端连接，其另一端与所述位移引伸计连接。

本发明，具有以下有益效果：本发明提供的菱形位移放大机构，它采用特殊的多级位移放大机构，在部分铰链连接处采用柔性铰链，这种连接方式使得两对菱形位移放大单元可以分别放大两个不同方向上的位移，同时两对菱形位移放大单元之间不会相互干涉，测量结果更加准确，能够给出更加科学的刚度评价，对科研和工程皆具有较强的指导意义。此菱形位移放大机构对被测物体没有形体要求，任何两部分之间的位移均可放大。此菱形位移放大机构可应用于任何微量位移的放大，可单独使用也可多个组合使用，本发明只针对其在法兰偏转角监测方面的应用做了详述，也可应用在其他领域。

本发明提供的高温法兰接头偏转角监测装置，它应用上述菱形位移放大机构，并配合位移引伸计夹具连接位移引伸计，法兰偏转会在菱形位移放大机构安装点产生轴向和径向两个相互垂直交叉方向的位移，可同时放大两个垂直交叉方向上的偏转位移量，增强了测量精度，可应用于测试各种工况下的高温法兰，能准确测试法兰盘两个不同方向上的偏转角，实现实时监测，给出刚度评价，具有一定的科研价值，保证生产、施工的顺利。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中菱形位移放大机构的结构示意图；

图2是图1中Ⅰ处的放大示意图；

图3是本发明中菱形位移放大机构的原理解析示意图；

图4是本发明中高温法兰接头偏转角监测装置的结构示意图。

图中：1-高温法兰、2-上延伸棒、201-上十字形支架、3-下延伸棒、301-下十字形支架、5-位移引伸计夹具、6-位移引伸计、7-菱形位移放大单元、701-连杆、702-柔性铰链、9-末端块、10-圆型铰链、11-圆柱铰链。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的较佳实施例中，一种菱形位移放大机构，用于放大被测物体两个方向上的位移，如图1所示，菱形位移放大机构包括上延伸棒2、下延伸棒3和菱形位移放大单元7；其中，

如图1所示，上、下延伸棒(可为圆棒)相互平行地布置在被测物体上，上、下延伸棒的一端(A、A1)分别与被测物体的外沿固定连接，上、下延伸棒的另一端沿长度方向分别设有上、下十字形支架，上十字形支架201的四个端点(B、C、D、E)和下十字形支架301对应的四个端点(B1、C1、D1、E1)构成四对端点，每对端点之间的连线相互平行，其中位于延伸棒长度方向上的两对端点(B和B1、C和C1)为轴向端点，另外两对端点(D和D1、E和E1)为径向端点；

如图1所示，菱形位移放大单元7的数量为四个，且分别设置在上、下十字形支架的每对端点之间，位于两对轴向端点(B和B1、C和C1)之间的两个菱形位移放大单元相互平行，且所在的平面与上、下延伸棒垂直，位于两对径向端点(D和D1、E和E1)之间的两个菱形位移放大单元相互平行，且所在的平面与上、下延伸棒平行；如图2所示，菱形位移放大单元7中位于长对角线的两端均通过末端块9与上、下十字形支架的端部连接，末端块9与菱形位移放大单元7之间通过圆柱铰链11连接，圆柱铰链11与对应的菱形位移放大单元7的短对角线平行，末端块9与上、下十字形结构的端部之间通过圆型铰链10连接，圆型铰链10与对应的菱形位移放大单元所在的平面垂直；每个菱形位移放大单元的四个连杆701的两端均设有柔性铰链702。

如图4所示，一种基于上述菱形位移放大机构的高温法兰接头偏转角监测装置，该装置包括高温法兰1(被测量、监测的对象)和位移引伸计6，高温法兰1包括通过多个紧固件(螺栓)连接的上法兰和下法兰(上、下法兰一般都是由法兰盘、锥颈和承接口构成的一体成型结构)，上、下法兰之间采用垫片进行密封，位移引伸计6具有数据处理和报警功能；该装置还包括上述菱形位移放大机构和位移引伸计夹具5；

菱形位移放大机构的上、下延伸棒分别上下对称相互平行布置在上、下法兰的法兰盘上，上、下延伸棒的一端分别与上、下法兰的法兰盘外沿固定连接(焊接连接)，且与对应的法兰盘的直径共线，每个十字形支架所在的平面与法兰盘的端面平行，上、下十字形支架的每对端点之间的连线平行于高温法兰的轴线；

位移引伸计夹具5的数量为四个，每个位移引伸计夹具5的一端与对应的菱形位移放大单元7中位于短对角线的两端(即为测量节点)连接，其另一端与位移引伸计6连接。

本发明中，以每两个相向的菱形位移放大单元为一组，整体的连接方式使得两组菱形位移放大单元可以分别测量被测物体两个不同方向上的偏转，同时两组菱形位移放大单元之间不会相互干涉。菱形位移放大机构中的四个菱形位移放大单元的结构完全相同且对称分布，当高温法兰发生偏转时会带动上、下延伸棒偏转，A、A1点在垂直于法兰面方向上的位移会沿着上、下延伸棒分别放大到点B、C及B1、C1，而其在绕径向方向上的位移会放大至点D、E及D1、E1。另外，上、下延伸棒选用硬度高、强度大、耐高温的材料，可直接与高温法兰接触，同时可以有效的散失热量，保证菱形位移放大机构不受高温的影响。

如图3所示，以图1的其中一个菱形位移放大单元E-m-E1-n为例，给出了其在变形前后的位置。法兰偏转引起点E、E1之间相对距离的改变通过菱形位移放大单元传递至m、n点，m、n为位移引伸计要测量的点，它们与连杆之间采用柔性铰链连接。

下面详细介绍菱形位移放大机构的工作原理：

(1)如图1所示，A点随高温法兰的偏转会在垂直于法兰面的方向产生纵向位移，此位移量经延伸圆棒A-B-C分别放大至点B点C；同时A点还会在绕法兰径向上产生位移，此位移量经延伸圆棒A-B-E，A-B-D分别放大至点E、D；同理对于下延伸棒上的各点也是如此；

(2)接下来将对图1中以E-m-E1-n为例的菱形位移放大单元的放大原理进行说明：因为菱形位移放大单元是对称的，我们取其一半来进行分析(如图3所示)，初始位置为E，n，E1，E-n长度为L且与竖直方向上的夹角为θ；当点E，E1在力的作用下产生位移后的位置为E3，E2，n1；则nn₁/EE₃即为菱形位移放大单元对E点位移量的放大倍数(设为K)；下面是对此放大倍数的推导：

EE₃＝Lcosθ-Lcos(θ+Δθ)

nn₁＝Lsin(θ+Δθ)-Lsinθ

∵法兰偏转量很微小，Δθ趋近于0

为实现放大功能θ的取值须令K＞1

可得θ取值范围为

(3)位移引伸计对法兰盘偏转角的计算：

如图1所示四个菱形位移放大单元完全相同且对称分布，每两个相向的菱形结构为一组(以下称为BC组和DE组)；设位移引伸计对B、C、D、E四个菱形位移放大单元的测量点所测得的位移量分别为Δb、Δc、Δd、Δe，设法兰在B-C方向上的偏转角为α₁，在D-E方向上的偏转角为α₂，且已知BC、DE段的长度均为L₀，可得：

${\mathrm{sin\α}}_1=\frac{\left|\mathrm{\Δ}b-\mathrm{\Δ}c\right|}{L_0}\⇒{\mathrm{\α}}_1=arcsin\left(\frac{\left|\mathrm{\Δ}b-\mathrm{\Δ}c\right|}{L_0}\right)$

${\mathrm{sin\α}}_2=\frac{\left|\mathrm{\Δ}d-\mathrm{\Δ}e\right|}{L_0}\⇒{\mathrm{\α}}_2=arcsin\left(\frac{\left|\mathrm{\Δ}d-\mathrm{\Δ}e\right|}{L_0}\right).$

位移引伸计具有数据处理和报警功能，对测得的位移数据可以输出相应的法兰偏转角，且当转角大于规定数值时会自动报警。当α₁、α₂都在安全许可范围内时，状态显示为安全，当其中一个或者全部都超出安全范围时，位移引伸计会启动报警功能发出警报提示进行相应的抢修。

本发明具有以下优点：

1、它采用特殊的多级位移放大机构，在部分铰链连接处采用柔性铰链，以此配合位移引伸计，增强了测量精度以更加准地测试法兰偏转角，该测试方案可应用于各种工况下的高温法兰，能准确测试法兰盘的偏转角，实现实时监测，保证生产、施工的顺利；

2、该放大机构的连接方式使得两组菱形位移放大单元可以分别测量法兰盘两个不同方向上的偏转，同时两组机构之间不会相互干涉，测量结果更加准确，能够给出更加科学的刚度评价，对科研和工程皆具有较强的指导意义；

3、位移引伸计具有数据处理和报警功能，对测得的位移数据可以输出相应的法兰偏转角，且当转角大于规定数值时会自动报警，使得对法兰偏转的监测更加智能化。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。