一种法兰裂纹监测装置和方法与流程

本发明涉及法兰监测领域，特别涉及一种法兰裂纹监测装置以及利用该法兰裂纹监测装置的法兰裂纹监测方法。
背景技术：
：法兰，又叫法兰凸缘盘或突缘。法兰是轴与轴之间相互连接的零件，用于管端之间的连接；也有用在设备进出口上的法兰，用于两个设备之间的连接，如减速机法兰等。法兰是大型结构中连接动力系统与载荷结构的关键部件，承担着固定载荷设备、传递转矩的作用。在大型结构运转过程中，载荷设备受到自重及外部环境等影响，法兰将产生疲劳损伤，损伤达到一定程度后会有裂纹产生。如果裂纹不及时发现，裂纹将会逐步加深加长，最终导致法兰断裂，严重威胁大型结构的安全。因此，法兰裂纹状态监测非常重要。目前，尚无针对法兰裂纹状态在线监测系统，大多都是在人工定期对大型结构停机检修时才对法兰进行检查。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供一种法兰裂纹监测装置和方法，以实时在线监测法兰的裂纹状态，判断裂纹的出现时间、程度、位置及裂纹方向，以便进行设备及时维护。本发明的技术方案是这样实现的：一种法兰裂纹监测装置，包括：裂纹检测片，所述裂纹检测片为至少一片，所述裂纹检测片粘贴于法兰的测量处，所述至少一片裂纹检测片相互串联组成裂纹检测片组；数据采集装置，所述数据采集装置电连接于所述裂纹检测片组，以根据所述裂纹检测片组的电阻变化确定所述法兰的裂纹状态信息。进一步，每片裂纹检测片均包括：多条电阻值各不相同的电阻丝，所述电阻丝相互并联；以及，检测片引脚，所述检测片引脚为两个，分别电连接于并联的多条电阻丝的两端；其中，在所述裂纹检测片组中，任意两条电阻丝的电阻值均不相等。进一步，在所述裂纹检测片粘贴于法兰的测量处时，所述裂纹检测片中的各条电阻丝处于伸直状态。进一步，所述数据采集装置包括：测量电路，所述测量电路电连接于所述裂纹检测片组，以根据所述裂纹检测片组的电阻值生成电压信号；数据处理单元，所述数据处理单元电连接于所述测量电路，以将所述测量电路所生成的电压信号转换成裂纹状态信息；以及，电源模块，所述电源模块电连接于所述测量电路和数据处理单元以对所述测量电路和数据处理单元供电。进一步，所述测量电路包括：桥路电阻，所述桥路电阻电连接于所述裂纹检测片组，进而所述桥路电阻和所述裂纹检测片组共同组成一裂纹测量桥路；激励电源，所述激励电源电连接于所述裂纹测量桥路，以向所述裂纹测量桥路提供激励电信号；放大电路，所述放大电路电连接于所述裂纹测量桥路，以采集所述裂纹测量桥路中所述裂纹检测片组的电压信号并进行放大；滤波电路，所述滤波电路电连接于所述放大电路以将所述放大电路放大的电压信号进行滤波处理；以及，A/D转换电路，所述A/D转换电路电连接于所述滤波电路，以对经过所述滤波电路滤波后的电压信号进行A/D转换，并将A/D转换后的电压信号发送给所述数据处理单元。进一步，所述裂纹测量桥路为恒压源激励；所述激励电源为恒压电源。进一步，所述裂纹测量桥路为恒流源激励；所述激励电源为恒流电源。进一步，所述数据采集装置还包括：无线通信模块，所述无线通信模块电连接于所述数据处理单元，以将所述裂纹状态信息以无线的形式发送出去，并接收无线控制信号并转发给所述数据处理单元以对所述数据处理单元进行设置；所述电源模块电连接于所述无线通信模块以对所述无线通信模块供电。一种法兰裂纹监测方法，采用如上任一项所述的法兰裂纹监测装置，所述法兰裂纹监测方法包括：根据被测法兰盘的大小确定裂纹检测片组所采用的裂纹检测片的数量以及裂纹检测片中电阻丝的数量；将裂纹检测片按照顺时针或者逆时针的方向依次粘贴于被测法兰盘上；根据裂纹检测片组中所有电阻丝的阻值，建立电阻丝信息排列表；在进行法兰裂纹监测时，根据所述裂纹检测片组的电阻变化，在所述电阻丝信息排列表中确定断裂的电阻丝；根据断裂的电阻丝所处位置，确定所述法兰的裂纹状态信息。进一步，所述法兰的裂纹状态信息包括：所述法兰所产生裂纹的位置、扩展方向、裂纹程度以及检修建议。从上述方案可以看出，本发明的法兰裂纹监测装置和方法，通过在法兰的测量处粘贴有多条电阻丝构成的多个裂纹检测片，进而利用电阻丝的断裂带来的电信号的变化判断所断裂的电阻丝，进而确定法兰裂纹的位置、扩展方向和裂纹程度等裂纹状态信息，进而实现了应用法兰的大型设备在不停机状态下快速发现和确定法兰裂纹位置及裂纹方向的目的，使得大型设备不必针对法兰裂纹进行停机检测，使得法兰的维护更加有效和快捷。无线通信模块的采用，使得法兰裂纹监测装置脱离连线的困扰，在法兰工作运转期间，无需考虑连线的问题，同时也实现了法兰裂纹状态信息的实时远距离传送，实现了监控和生产的异地进行。附图说明图1为本发明实施例的法兰裂纹监测装置的组成示意图；图2为本发明实施例中裂纹检测片粘贴于法兰时的效果示意图；图3为本发明实施例中数据采集装置的组成示意图；图4为本发明实施例中测量电路的组成示意图；图5为恒压源激励的裂纹测量桥路的电路原理图；图6为恒流源激励的裂纹测量桥路的电路原理图；图7为本发明实施例的法兰裂纹监测方法的流程示意图。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，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。如图1所示，本发明实施例的法兰裂纹监测装置，包括裂纹检测片1和数据采集装置2。其中，所述裂纹检测片1为至少一片，所述裂纹检测片1粘贴于法兰的测量处，所述至少一片裂纹检测片1相互串联组成裂纹检测片组10。所述数据采集装置2电连接于所述裂纹检测片组10，以根据所述裂纹检测片组10的电阻变化确定所述法兰的裂纹状态信息。其中，所述数据采集装置2电连接于所述裂纹检测片组10中两端的裂纹检测片1。关于裂纹检测片1的结构，可参照图2所示，每片裂纹检测片1均包括多条电阻值各不相同的电阻丝101以及检测片引脚102。其中，所述电阻丝101相互并联，所述检测片引脚102为两个，例如第一检测片引脚A和第二检测片引脚B，两个检测片引脚102(第一检测片引脚A和第二检测片引脚B)分别电连接于并联的多条电阻丝101的两端，即并联的多条电阻丝101的一端均电连接于第一检测片引脚A，而并联的多条电阻丝101的另一端均电连接于第二检测片引脚B。需要强调的是，本发明实施例中，在所述裂纹检测片组10中，任意两条电阻丝101的电阻值均不相等。进而每一个裂纹检测片1中，任意一根电阻丝101断裂后，该裂纹检测片1的阻值都不同，例如，某一个裂纹检测片中：第一根电阻丝断裂后，该裂纹检测片的阻值为第一阻值，第二根电阻丝断裂后，该裂纹检测片的阻值为第二阻值……第n根电阻丝断裂后，该裂纹检测片的阻值为第n阻值，则第一阻值、第二阻值……第n阻值各不相等。进一步，在串联后所组成的裂纹检测片组10中，任意一根电阻丝断裂后的裂纹检测片组的电阻值与其它任意一根电阻丝断裂后的裂纹检测片组的电阻值不同。样便易于监测时确定是哪一条电阻丝断裂。图2仅示出了一片裂纹检测片1，多片裂纹检测片1采用串联形式进行连接。另外，如图2所示，在所述裂纹检测片1粘贴于法兰3的测量处时，所述裂纹检测片1中的各条电阻丝101均处于伸直状态，这样，当电阻丝101所处位置的法兰3表面出现裂痕时，该电阻丝101将断裂，以表明该处的法兰3表面出现裂痕，否则无法进行监测。如图3所示，本发明实施例中，所述数据采集装置2包括测量电路201、数据处理单元202和电源模块203。其中，所述测量电路201电连接于所述裂纹检测片组10，以根据所述裂纹检测片组10的电阻值生成电压信号。所述数据处理单元202电连接于所述测量电路201，以将所述测量电路201所生成的电压信号转换成裂纹状态信息。所述电源模块203电连接于所述测量电路201和数据处理单元202以对所述测量电路201和数据处理单元202供电。所述数据采集装置2还包括无线通信模块204，所述无线通信模块204电连接于所述数据处理单元202，以将所述裂纹状态信息以无线的形式发送出去，并接收无线控制信号并转发给所述数据处理单元202以对所述数据处理单元202进行设置。所述电源模块203还电连接于所述无线通信模块204以对所述无线通信模块204供电。如图4所示，本发明实施例中，所述测量电路201包括桥路电阻2011、激励电源2012、放大电路2013、滤波电路2014和A/D(模拟/数字)转换电路2015。其中，所述桥路电阻2011电连接于所述裂纹检测片组10，进而所述桥路电阻2011和所述裂纹检测片组10共同组成一裂纹测量桥路。所述激励电源2012电连接于所述裂纹测量桥路，以向所述裂纹测量桥路提供激励电信号。所述放大电路2013电连接于所述裂纹测量桥路，以采集所述裂纹测量桥路中所述裂纹检测片组10的电压信号并进行放大，放大电路2013接在桥路两端。所述滤波电路2014电连接于所述放大电路2013以将所述放大电路2013放大的电压信号进行滤波处理。所述A/D转换电路2015电连接于所述滤波电路2014，并且所述A/D转换电路2015电连接于所述数据处理单元202，以对经过所述滤波电路2014滤波后的电压信号进行A/D转换，并将A/D转换后的电压信号发送给所述数据处理单元202。本发明实施例中，所述裂纹测量桥路可以为恒压源激励，其原理结构图如图5所示。该种恒压源激励的裂纹测量桥路可包括第一桥路电阻R1、第二桥路电阻R2、第三桥路电阻R3、以及裂纹检测片组电阻Rg。其中，第一桥路电阻R1的一端和第二桥路电阻R2的一端连接于电源电压VEXC，第一桥路电阻R1的另一端和第三桥路电阻R3的一端连接于节点Sx-，第二桥路电阻R2的另一端和裂纹检测片组电阻Rg的一端连接于节点Sx+，第三桥路电阻R3的另一端和裂纹检测片组电阻Rg的另一端接地，电源电压VEXC和接地之间恒压。而放大电路2013连接于节点Sx-和节点Sx+，以测量节点Sx-和节点Sx+之间的电压。当裂纹检测片组10中的某条电阻丝断裂后，裂纹检测片组电阻Rg会发生变化，进而节点Sx-和节点Sx+之间的电压将发生变化，从而通过节点Sx-和节点Sx+之间的新的电压可计算判断出裂纹检测片组10中是哪条电阻丝断裂，进而可知断裂电阻丝所处的法兰位置出现裂纹，进而可判断裂纹的扩展方向和裂纹程度。所述裂纹测量桥路也可以为恒流源激励，其原理结构图如图6所示。该种恒流源激励的裂纹测量桥路可包括第一恒流源DC1、第二恒流源DC2、第四桥路电阻R4、以及裂纹检测片组电阻Rg。其中，第一恒流源DC1的输出端和第四桥路电阻R4的一端连接于节点A，第二恒流源DC2的输出端和裂纹检测片组电阻Rg的一端连接于节点B，第四桥路电阻R4的另一端和裂纹检测片组电阻Rg的另一端接地，第一恒流源DC1的输入端和第二恒流源DC2的输入端连接形成共同输入端，并且第一恒流源DC1和第二恒流源DC2的共同输入端与接地端之间为电源电压Vcc。放大电路2013连接于节点A和节点B，以测量节点A和节点B之间的电压。当裂纹检测片组10中的某条电阻丝断裂后，裂纹检测片组电阻Rg会发生变化，进而节点A和节点B之间的电压将发生变化，从而通过节点A和节点B之间的新的电压可计算判断出裂纹检测片组10中是哪条电阻丝断裂，进而可知断裂电阻丝所处的法兰位置出现裂纹，进而可判断裂纹的扩展方向和裂纹程度。一般情况下，裂纹检测片1的电阻值较大时，采用恒压源供电，即所述激励电源2012采用恒压电源；裂纹检测片1的电阻值较小时，可采用双恒流源供电，即所述激励电源2012采用恒流电源(双恒流源电源)。当法兰出现裂纹时，裂纹检测片1的电阻丝将逐一断裂，进而裂纹测量桥路的电阻值发生变化，将导致放大电路2013所采集的电压值发生变化，即测量电路201的电压信号发生变化，进而数据处理单元202将测量电路201的电压信号采集并转换成裂纹状态信息并通过无线通信模块204将裂纹状态信息发送出去。本发明实施例中，无线通信模块204采用802.15.4无线通讯协议，支持点对点、星型、线型、树型等多种网络拓扑结构。将数据处理单元202获得的裂纹状态信息、数据采集装置2的编号通过无线方式发送出去，例如发送至到上位机监控系统。为满足通信距离需求，无线通信模块204可配功率收发模块，以增大通信距离。功率收发模块可细分为功率放大器和发射天线。为增大通信距离，可通过附加功率放大器解决，包括发送通道上的射频功率放大器HFA3925和接收通道上的低噪声放大器HFA3424。射频功率放大器HFA3925实现2.4GHz发射信号功率放大功能，放大增益最大可达28dB(输出功率最大可达250mW)。低噪声放大器HFA3424实现2.4GHz接收信号低噪声放大功能，放大增益可达14dB。本发明实施例中，数据处理单元202主要作用是将前端测量电路201输出的电压信号转换成裂纹状态信息，并设定数据采集装置2的设备编号，通过无线通信模204块将裂纹状态信息、设备编号发送出去，也可以根据主机下发的指令和参数进行开始采集、停止采集、瞬时采集，组号、信道设置，采样率、通道数设置，通道清零，电量查询。本发明实施例中，可使用将数据处理单元202和无线通信模块204集成在一起的系统芯片CC2430实现数据处理及传输。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。针对协议栈，网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求，CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2430增强型8051内核，具有8倍的标准8051内核的性能。在发射模式下，位映射和调制是根据IEEE802.15.4的规范来完成的。调制(和扩频)通过数字方式完成。被调制的基带信号经过D/A(数字/模拟)转换器再由单边带调制器进行低通滤波和直接上变频变为射频信号。最终，高频信号经过片内功率放大器放大以达到可设计的水平。本发明实施例中，电源模块203用于实现对装置中有源器件的供电，同时还可以对电池进行充放电管理。电源模块203对装置中各个模块采用独立的电源管理，在其空闲时使其进入休眠状态或关闭其电源。从而使系统总功耗大大降低。本发明实施例中，可将数字信号处理器通过IIC或UART接口与电源模块相连，实现对电源部分的电压、电流和温度情况的实时监控，防止电源过充和欠电现象的发生，通知网络主机及时更换电池。本发明实施例还提供了一种法兰裂纹监测方法，该法兰裂纹监测方法采用上述法兰裂纹监测装置。如图7所示，该法兰裂纹监测方法包括：步骤1、根据被测法兰盘的大小确定裂纹检测片组所采用的裂纹检测片的数量以及裂纹检测片中电阻丝的数量；步骤2、将裂纹检测片按照顺时针或者逆时针的方向依次粘贴于被测法兰盘上；步骤3、根据裂纹检测片组中所有电阻丝的阻值，建立电阻丝信息排列表；步骤4、在进行法兰裂纹监测时，根据所述裂纹检测片组的电阻变化，在所述电阻丝信息排列表中确定断裂的电阻丝；步骤5、根据断裂的电阻丝所处位置，确定所述法兰的裂纹状态信息。其中，所述法兰的裂纹状态信息包括所述法兰所产生裂纹的位置、扩展方向、裂纹程度以及检修建议。以下是该方法的一个具体实例。一、裂纹检测片的设计首先，在检测片设计时，计算出一个法兰盘上总共需要粘贴的裂纹检测片的数量M。之后，依据经验，设定需要监测的裂纹等级，设定每个裂纹检测片中的电阻丝数量N。二、裂纹检测片的粘贴在法兰盘上粘贴裂纹检测片时，先标记第一片裂纹检测片的位置，之后按顺时针或逆时针方向依次粘贴其余各片裂纹检测片。每一片裂纹检测片的电阻丝中，较长的位于法兰外侧，较短的位于法兰内测。将所有裂纹检测片串联在一起。三、电阻丝信息排列表的建立本部分以M＝6片裂纹检测片，每片裂纹检测片有N＝5根电阻丝为例建立电阻丝信息排列表，如表1所示。表1：电阻丝信息排列表裂纹片1裂纹片2裂纹片3裂纹片4裂纹片5裂纹片6电阻丝1R11R12R13R14R15R16电阻丝2R21R22R23R24R25R26电阻丝3R31R32R33R34R35R36电阻丝4R41R42R43R44R45R46电阻丝5R51R52R53R54R55R56Rxy表示表1中，串联的整条裂纹检测片链路(即裂纹检测片组)内，任意一个电阻丝断裂后，在总输出端测量的阻值大小。即R11表示裂纹检测片组内，第一裂纹检测片的第一条电阻丝断裂后，在总输出端测量的阻值大小，R12表示裂纹检测片组内，第二裂纹检测片的第一条电阻丝断裂后，在总输出端测量的阻值大小，R21表示裂纹检测片组内，第一裂纹检测片的第二条电阻丝断裂后，在总输出端测量的阻值大小……R56表示裂纹检测片组内，第六裂纹检测片的第五条电阻丝断裂后，在总输出端测量的阻值大小。四、裂纹状态信息的判别设表1中，任意Rxy的阻值互不相等，任意多个Rxy的阻值相加互不相等。当裂纹监测装置监测到的阻值是表1中第1行的某一个阻值时：当裂纹监测装置监测到的阻值是R11阻值时，裂纹状态信息为：裂纹1级，裂纹检测片为1，裂纹向内扩展，轻度裂纹；当裂纹监测装置监测到的阻值是R12阻值时，裂纹状态信息为：裂纹1级，裂纹检测片为2，裂纹向内扩展，轻度裂纹；……当裂纹监测装置监测到的阻值是R16阻值时，裂纹状态信息为：裂纹1级，裂纹检测片为6，裂纹向内扩展，轻度裂纹。当裂纹监测装置监测到的阻值是表1中第5行的某一个阻值时：当裂纹监测装置监测到的阻值是R51阻值时，裂纹状态信息为：裂纹1级，裂纹检测片为1，裂纹向外扩展，轻度裂纹；当裂纹监测装置监测到的阻值是R52阻值时，裂纹状态信息为：裂纹1级，裂纹检测片为2，裂纹向外扩展，轻度裂纹；……当裂纹监测装置监测到的阻值是R56阻值时，裂纹状态信息为：裂纹1级，裂纹检测片为6，裂纹向外扩展。如果监测到的是第1行阻值，并且电阻丝1是粘贴于法兰外侧，则裂纹状态提示信息是裂纹向内扩展；如果监测到的是第5行阻值，并且电阻丝5是粘贴于法兰内侧，则裂纹状态提示信息是裂纹向外扩展。因为所监测到的裂纹位于最外侧的电阻丝，所以推测裂纹在靠近法兰边缘处刚刚产生，所产生裂纹并不严重，不影响大型结构的运转，此时关于裂纹程度可以仅提示轻度裂纹。裂纹1级可表示为较轻度的裂纹，此时不影响法兰的继续使用。当裂纹监测装置监测到阻值是除表1中第1行或第5行中任一一阻值外时，则裂纹状态信息为：裂纹2级，需要即刻停机检修。因为所监测到的裂纹位于裂纹检测片的中部的电阻丝，所以推测裂纹在法兰中部形成，因为中部形成的裂纹会向内外两侧延伸，并且法兰中部受力较大，所以判断此处所产生裂纹的影响较大，可能会很快出现法兰断裂等问题，将会影响大型结构的运转，因此，此时关于裂纹程度可以仅提示轻度裂纹。裂纹2级可表示为较严重的裂纹，裂纹可能随时扩大而影响法兰的继续使用，需要停机检查。本发明的法兰裂纹监测装置和方法，通过在法兰的测量处粘贴有多条电阻丝构成的多个裂纹检测片，进而利用电阻丝的断裂带来的电信号的变化判断所断裂的电阻丝，进而确定法兰裂纹的位置、扩展方向和裂纹程度等裂纹状态信息，进而实现了应用法兰的大型设备在不停机状态下快速发现和确定法兰裂纹位置及裂纹方向的目的，使得大型设备不必针对法兰裂纹进行停机检测，使得法兰的维护更加有效和快捷。无线通信模块的采用，使得法兰裂纹监测装置脱离连线的困扰，在法兰工作运转期间，无需考虑连线的问题，同时也实现了法兰裂纹状态信息的实时远距离传送，实现了监控和生产的异地进行。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。当前第1页1 2 3