一种长输架空管道分布式应力振动在线监测系统论文和设计-林冠堂

全文摘要

本实用新型涉及一种长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，包括：计算机、无线数据接收模块及多个分布式应力振动数据采集节点，其中，所述多个分布式应力振动数据采集节点分别设置在所述长输架空管道上的不同位置且与所述无线数据接收模块相连，将采集到的所述不同位置的应力振动数据发送至无线数据接收模块；所述无线数据接收模块与所述计算机相连，将接收到的应力振动数据传送给计算机进行计算存储和监测。本实用新型通过设置多个分布式应力振动数据采集节点，可对长输架空管道不同位置处的应力振动状况进行同步采集，具有很高的分析测试效率和数据同步性。

主设计要求

1.一种长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，其特征在于，包括：计算机、无线数据接收模块及多个分布式应力振动数据采集节点，其中，所述多个分布式应力振动数据采集节点分别设置在所述长输架空管道上的不同位置且与所述无线数据接收模块相连，将采集到的所述不同位置的应力振动数据发送至无线数据接收模块；所述无线数据接收模块与所述计算机相连，将接收到的应力振动数据传送给计算机进行计算存储和监测。

设计方案

1.一种长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，其特征在于，包括：计算机、无线数据接收模块及多个分布式应力振动数据采集节点，其中，

所述多个分布式应力振动数据采集节点分别设置在所述长输架空管道上的不同位置且与所述无线数据接收模块相连，将采集到的所述不同位置的应力振动数据发送至无线数据接收模块；

所述无线数据接收模块与所述计算机相连，将接收到的应力振动数据传送给计算机进行计算存储和监测。

2.根据权利要求1所述的长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，其特征在于，每个所述分布式应力振动数据采集节点包括：分别与分布式采集模块相连的多个应变传感器。

3.根据权利要求2所述的长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，其特征在于，所述分布式采集模块包括：主控制器、电源管理系统、内存卡、无线通讯模块、定位模块、数据采集模块、异常报警模块和三轴加速度传感器，其中，所述主控制器分别与电源管理系统、内存卡和无线通讯模块相连；所述定位模块与主控制器相连，用于将分布式采集模块的位置信息发送至主控制器，对各个节点定位与识别；所述数据采集模块分别与所述主控制器、应变传感器和三轴加速度传感器相连，用于采集应力振动数据；所述异常报警模块与主控制器相连，用于电源异常时报警。

4.根据权利要求3所述的长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，其特征在于，所述分布式采集模块的外壳上设有接线端子、电源充电口、按钮开关、节点通讯地址设置拨码开关、天线、气泡水准仪和多个安装孔，其中，所述数据采集模块通过所述接线端子与应变传感器相连；所述节点通讯地址设置拨码开关与所述主控制器相连，用于对每个分布式应力振动数据采集节点进行编号和识别。

5.根据权利要求4所述的长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，其特征在于，所述多个安装孔分布于所述外壳的底部，用于通过水平调节螺钉将所述分布式采集模块安装于设置在所述长输架空管道上的夹具上；在所述水平调节螺钉上套设有水平调节弹簧垫片，用于调节所述气泡水准仪指示为水平方向且与所述三轴加速度传感器的Z轴垂直。

6.根据权利要求5所述的长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，其特征在于，所述夹具包括：管夹式夹具或磁吸式夹具。

7.根据权利要求6所述的长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，其特征在于，所述管夹式夹具包括：U型卡扣和盖板，所述U型卡扣的两端分别为螺栓端，用于与所述盖板上设有的盖板安装孔相连，将所述长输架空管道卡入U型卡扣内；所述盖板上设有与所述多个安装孔对接的水平调节螺纹孔，将所述分布式采集模块水平安装于盖板上，所述盖板的底部设有与所述长输架空管道抵接的弧形底座。

8.根据权利要求6所述的长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，其特征在于，所述磁吸式夹具包括：盖板和磁性弧形底座，所述盖板上设有与所述多个安装孔对接的水平调节螺纹孔，将所述分布式采集模块水平安装于盖板上，所述磁性弧形底座设置于所述盖板的底部，用于吸附于铁磁性材质的所述长输架空管道上。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于工业管道检测技术领域，涉及长输架空管道运行参数检测装置，具体涉及一种长输架空管道分布式应力振动在线监测系统。

背景技术

压力管道属于特种设备，一旦出现事故，便可能造成群死群伤，影响力大，破坏性强。化工园区的架空管道一般是数条甚至十几条集中敷设在管廊上，其中一条管道、一个部位出现问题，便会造成整条管廊的事故，后果不堪设想。架空管道内输送的大多是各种化工、化学物料，大多为易燃易爆或有毒介质。化工园区公共管廊蜿蜒数十公里，涉及到压力管道近千公里，架空管道受基础不均匀沉降、局部变形、腐蚀减薄等因素影响，在运行过程中容易产生安全隐患。近年来，压力管道的事故频出，对检验和管道安全评估技术提出了更高的要求。

由于现场条件制约，现有检测手段难以对整条管道进行全面的检验，通常需结合压力管道流固耦合有限元模型进行安全风险评估：评估模型计算出管道各个部位应力和振动状态，并以此作为安全级别评估指标，需要结合实际测试应力和振动数据对建立的安全评估模型进行修正，以确保安全风险评估结果的可靠性。虽然存在现有的应力分析设备和振动分析设备，但不能对整个管道各个部位应力和振动数据进行同步采集，且各个测试点数据管理复杂，传感器安装时受管道弧形形状影响也存在安装不便的缺点，此外，测试时劳动强度也较大。因此，设计一种专门针对长输架空管道的分布式应力振动在线监测系统具有重要的意义。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，该装置采用多个分布式应力振动数据采集节点，通过无线通讯方式将长输管道不同部位的管道外表面应力和三轴加速度振动数据采集并传输给计算机主机进行分析，该装置在长输管道现场安装快速、数据节点多、定位准确，具有很好的实用价值。

为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案为：

一种长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，包括：计算机、无线数据接收模块及多个分布式应力振动数据采集节点，其中，所述多个分布式应力振动数据采集节点分别设置在所述长输架空管道上的不同位置且与所述无线数据接收模块相连，将采集到的所述不同位置的应力振动数据发送至无线数据接收模块；所述无线数据接收模块与所述计算机相连，将接收到的应力振动数据传送给计算机进行计算存储和监测。

进一步的，每个所述分布式应力振动数据采集节点包括：分别与分布式采集模块相连的多个应变传感器。

进一步的，所述分布式采集模块包括：主控制器、电源管理系统、内存卡、无线通讯模块、定位模块、数据采集模块、异常报警模块和三轴加速度传感器，其中，所述主控制器分别与电源管理系统、内存卡和无线通讯模块相连；所述定位模块与主控制器相连，用于将分布式采集模块的位置信息发送至主控制器，对各个节点定位与识别；所述数据采集模块分别与所述主控制器、应变传感器和三轴加速度传感器相连，用于采集应力振动数据；所述异常报警模块与主控制器相连，用于电源异常时报警。

进一步的，所述分布式采集模块的外壳上设有接线端子、电源充电口、按钮开关、节点通讯地址设置拨码开关、天线、气泡水准仪和多个安装孔，其中，所述数据采集模块通过所述接线端子与应变传感器相连；所述节点通讯地址设置拨码开关与所述主控制器相连，用于对每个分布式应力振动数据采集节点进行编号和识别。

进一步的，所述多个安装孔分布于所述外壳的底部，用于通过水平调节螺钉将所述分布式采集模块安装于设置在所述长输架空管道上的夹具上；在所述水平调节螺钉上套设有水平调节弹簧垫片，用于调节所述气泡水准仪指示为水平方向且与所述三轴加速度传感器的Z轴垂直。

进一步的，所述夹具包括：管夹式夹具或磁吸式夹具。

进一步的，所述管夹式夹具包括：U型卡扣和盖板，所述U型卡扣的两端分别为螺栓端，用于与所述盖板上设有的盖板安装孔相连，将所述长输架空管道卡入U型卡扣内；所述盖板上设有与所述多个安装孔对接的水平调节螺纹孔，将所述分布式采集模块水平安装于盖板上，所述盖板的底部设有与所述长输架空管道抵接的弧形底座。

进一步的，所述磁吸式夹具包括：盖板和磁性弧形底座，所述盖板上设有与所述多个安装孔对接的水平调节螺纹孔，将所述分布式采集模块水平安装于盖板上，所述磁性弧形底座设置于所述盖板的底部，用于吸附于铁磁性材质的所述长输架空管道上。

进一步的，本实用新型所述应力振动数据包括：应变传感器采集到的长输架空管道的应变数据和三轴加速度传感器采集到的长输架空管道的振动加速度数据。

进一步的，本实用新型所述计算机的计算主要包括：对应变传感器采集的应变数据进行处理，得到相应的应力数据，对三轴加速度传感器采集到的振动加速度数据进行处理，得到振动加速度波形频谱图，以便更直观的监测和分析。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1）通过设置多个分布式应力振动数据采集节点，可对长输架空管道不同位置处的应力振动状况进行同步采集，具有很高的分析测试效率和数据同步性；

2）通过各个分布式采集模块内部的GPS定位模块对数据采集节点位置进行定位，便于管理与数据查询；

3）将三轴加速度传感器安装于分布式采集模块内部，安装时通过三个水平调节螺钉调节分布式采集模块位置使三轴加速度传感器Z轴位于铅锤方向，操作便捷；

4）可采用管夹式夹具和磁吸式夹具两种分布式采集模块安装方式，管夹式夹具对不同材质管道适用性强，磁吸式夹具适用于铁磁性材料的管道，直接吸附，安装方便。

附图说明

图1为本实用新型所述长输架空管道分布式应力振动在线监测系统组成结构图。

图2为本实用新型分布式应力振动数据采集节点在长输管道上布置示意图。

图3为本实用新型所述分布式采集模块结构框图。

图4为本实用新型分布式采集模块外观示意图。

图5为本实用新型分布式采集模块俯视图。

图6为本实用新型分布式采集模块管夹式装配示意图。

图7为本实用新型管夹式夹具U型卡扣结构示意图。

图8为本实用新型管夹式夹具盖板结构示意图。

图9为本实用新型分布式采集模块磁吸式装配示意图。

图10为本实用新型磁吸式夹具结构示意图。

图11为本实用新型磁吸式夹具俯视图。

上述诸图中：1接线端子；2电源充电口；3按钮开关；4节点通讯地址设置拨码开关；5天线；6气泡水准仪；7分布式采集模块安装孔一；8分布式采集模块安装孔二；9分布式采集模块安装孔三；10分布式采集模块；11管夹式夹具盖板；12长输架空管道；13管夹式夹具安装螺母；14管夹式夹具水平调节螺钉；15管夹式夹具水平调节弹簧垫片；16 U型卡扣螺栓端；17 U型夹持部位；18管夹式夹具盖板弧形底座；19管夹式夹具盖板安装部位；20管夹式夹具盖板安装孔；21管夹式夹具水平调节螺纹孔；22磁吸式夹具盖板；23磁性弧形底座；24磁吸式夹具水平调节螺纹孔一；25磁吸式夹具水平调节螺纹孔二；26磁吸式夹具水平调节螺纹孔三；27磁吸式夹具水平调节螺钉；28磁吸式夹具水平调节弹簧垫片；29 U型卡扣；30无线数据接收模块；31应变传感器；32计算机。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

根据本实用新型的实施例，本实用新型提供了一种长输架空管道分布式应力振动在线监测系统，图1为本实用新型一种长输架空管道分布式应力振动在线监测系统组成结构图，如图1所示，主要包括：多个分布式应力振动数据采集节点1-N、无线数据接收模块30和一台计算机32，图2为本实用新型分布式应力振动数据采集节点在长输管道上布置示意图,参照图1和2所示，其中，所述多个分布式应力振动数据采集节点分别设置在所述长输架空管道上的不同位置且与所述无线数据接收模块通过无线通讯方式相连，将采集到的所述不同位置的应力振动数据通过无线通讯方式发送至无线数据接收模块；所述无线数据接收模块与所述计算机相连，将接收到的应力振动数据传送给计算机进行计算存储和监测。

更具体的，参照图1所示，每个所述分布式应力振动数据采集节点由分布式采集模块10和与其相连的多个应变传感器31组成；所述分布式采集模块10将所在节点处的应力振动数据通过无线通讯方式发送给无线数据接收模块30，无线数据接收模块30将所接收的数据传送给计算机32进行计算存储和显示监测。

根据本实用新型的实施例，所述三轴加速度传感器设置于分布式采集模块10的内部，通过RS-485与数据采集模块通讯。

根据本实用新型的实施例，本实用新型所述应力振动数据包括：应变传感器采集到的长输架空管道的应变数据和三轴加速度传感器采集到的长输架空管道的振动加速度数据。

可以理解的是，本实用新型所述计算机的计算主要包括：对应变传感器采集的应变数据进行处理，得到相应的应力数据，对三轴加速度传感器采集到的振动加速度数据进行处理，得到振动加速度波形频谱图，以便更直观的显示监测和分析。

根据本实用新型的一些实施例，本实用新型在长输架空管道上不同部位最多可设置64个分布式应力振动数据采集节点。

图3为本实用新型所述分布式采集模块结构框图，参照图3所示，本实用新型所述分布式采集模块兼具数据采集和数据发送功能，主要包括：主控制器、电源管理系统、内存卡、无线通讯模块、GPS定位模块、数据采集模块、异常报警模块和三轴加速度传感器，其中，所述异常报警模块与主控制器相连，所述电源管理系统包括：充电模块、锂离子电池和电量监控模块，所述锂离子电池作为电源与所述主控制器相连，所述充电模块与锂离子电池相连，用于给锂离子电池充电，所述电量监控模块分别与所述锂离子电池和主控制器相连，用于对锂离子电池电量进行监测，当电量不足时向主控制器提供信号，主控制器调用异常报警模块发出低电量蜂蜜报警信号。

所述GPS定位模块与主控制器相连，用于将分布式采集模块的位置信息（具体为经纬度数据）发送至主控制器，对各个节点定位与识别；所述主控制器分别与内存卡和无线通讯模块相连，所述数据采集模块分别与所述主控制器、应变传感器和三轴加速度传感器相连，用于采集自身内部设置的三轴加速度传感器的振动加速度数据和外部应变传感器的应变数据，并将其发送至主控制器，经主控制器分析后将数据存入内存卡中，监测结束后可将内存卡取出用于后续数据读取与分析，无线通讯模块将应力振动数据通过无线传输方式发送给无线数据接收模块。

图4为本实用新型分布式采集模块外观示意图，图5为本实用新型分布式采集模块俯视图，参照图4和5所示，本实用新型所述分布式采集模块的外壳上设有接线端子1、电源充电口2、按钮开关3、节点通讯地址设置拨码开关4、天线5、气泡水准仪6；所述外壳还设有三个安装孔，分别为：分布式采集模块安装孔一7、分布式采集模块安装孔二8和分布式采集模块安装孔三9，上述三个安装孔呈三角形分布于所述外壳的底部，用于通过三个水平调节螺钉14将所述分布式采集模块安装于设置在所述长输架空管道上的夹具上；在所述水平调节螺钉上套设有水平调节弹簧垫片，通过拧动三个水平调节螺钉14在水平调节螺纹孔21中的旋入深度调节水平调节弹簧垫片15的压缩程度，使分布式采集模块上的气泡水准仪6指示水平位置，确保分布式采集模块内部三轴加速度传感器Z轴处于铅锤位置。

检测测试时将应变传感器粘贴于管道外壁上，通过分布式采集模块的数据输入接线端子1将数据传输给分布式采集模块10。

本实用新型所述三轴加速度传感器的Z轴与分布式采集模块外壳上的气泡水准仪所指示的水平方向垂直。

本实用新型所述接线端子1可提供多至16个应变传感器接入通道，即一个分布式应力振动数据采集节点最多可同时采集16个不同位置的应变数据。

本实用新型所述节点通讯地址设置拨码开关与所述主控制器相连，所述节点通讯地址设置拨码开关4包含6个拨码位，可以设置从00到63共64个通讯地址，测试时用于对长输架空管道不同位置上的分布式应力振动数据采集节点进行编号和识别。

根据本实用新型的实施例，本实用新型所述夹具包括：管夹式夹具或磁吸式夹具。

根据本实用新型的一个实施例，图6为本实用新型分布式采集模块管夹式装配示意图，图7为本实用新型管夹式夹具U型卡扣结构示意图，图8为本实用新型管夹式夹具盖板结构示意图，参照图6-8所示，所述管夹式夹具包括：U型卡扣29和盖板11，其中，U型卡扣包括：螺栓端16和U型夹持部位17，螺栓端分别设置于U型夹持部位的两端，盖板上有两个盖板安装孔20和三个水平调节螺纹孔21。安装时U型夹持部位17卡住长输架空管道12，安装螺栓16穿过盖板安装孔20，先将盖板调节至接近水平位置，随后通过两个安装螺母13将盖板11固定于长输架空管道12上。分布式采集模块通过三个水平调节螺钉14和三个水平调节弹簧垫片15安装于盖板11上，具体为安装于管夹式夹具盖板的安装部位19处。通过拧动三个水平调节螺钉14在水平调节螺纹孔21中的旋入深度调节水平调节弹簧垫片15的压缩程度，使分布式采集模块上的气泡水准仪6指示水平位置，确保分布式采集模块内部三轴加速度传感器Z轴处于铅锤位置；所述盖板的底部设有与所述长输架空管道抵接的弧形底座。

根据本实用新型的另一个实施例，图9为本实用新型分布式采集模块磁吸式装配示意图，图10为本实用新型磁吸式夹具结构示意图，图11为本实用新型磁吸式夹具俯视图，参照图9-11所示，可以理解的是，磁吸式安装夹具只适用于铁磁性材质管道，所述磁吸式夹具包括：盖板22和磁性弧形底座23，其中磁性弧形底座23材料为磁铁，嵌入盖板22的底部，两者构成一整体。盖板22上有三个呈三角形分布的水平调节螺纹孔一24、水平调节螺纹孔二25和水平调节螺纹孔三26。磁性弧形底座23与长输架空管道12接触部位为弧形，弧形直径与管道外直径一致。安装时将磁性弧形底座直接吸附于铁磁性材质管道上，并使盖板22上表面接近水平。安装时通过拧动三个水平调节螺钉27在水平调节螺纹孔一24、水平调节螺纹孔二25和水平调节螺纹孔三26中的旋入深度，调节水平调节弹簧垫片28的压缩程度，使分布式采集模块10上的气泡水准仪6指示水平位置，确保分布式采集模块10内部三轴加速度传感器Z轴处于铅锤位置。

在本实用新型的另一方面，提出了一种根据前面所述的长输架空管道分布式应力振动在线监测系统的监测方法，具体包括以下步骤。

（1）设置数据采集节点：根据实际测试要求，在架空长输管道上选择分布式应力振动数据采集节点的设置位置，确保各个分布式采集模块打开时不出现低电量报警，通过节点通讯地址设置拨码开关依次设置各个分布式采集模块的通讯地址，使之各不相同；根据管道具体外径尺寸选择配套尺寸的夹具，将夹具安装于管道上，并尽量使夹具上表面接近水平位置。

（2）调节分布式采集模块至水平位置：通过水平调节螺钉和水平调节弹簧垫片将分布式采集模块安装于设置在所述长输架空管道上的夹具上，并调节所述分布式采集模块上的气泡水准仪指示为水平方向且与所述三轴加速度传感器的Z轴垂直。

（3）布置应变传感器：根据具体测试要求，在长输架空管道上粘贴应变传感器，并将应变传感器与分布式采集模块的接线端子相连。

（4）节点联网：通过各个分布式采集模块上的按钮开关打开各个分布式采集模块，同时打开无线数据接收模块和计算机，实现各个数据节点与计算机联网。

（5）数据监测：将各个分布式应力振动数据采集节点采集到的应力振动数据通过无线数据接收模块发送至计算机进行存储计算并监测。

本实用新型所述应力振动数据包括：应变传感器采集到的长输架空管道的应变数据和三轴加速度传感器采集到的长输架空管道的振动加速度数据。

可以理解的是，本实用新型所述计算机的计算主要包括：对应变传感器采集的应变数据进行处理，得到相应的应力数据，对三轴加速度传感器采集到的振动加速度数据进行处理，得到振动加速度波形频谱图，以便更直观的监测和分析。

根据本实用新型的实施例，所述步骤（5）还包括：各个分布式采集模块将其位置数据发送至计算机进行定位，计算机软件界面上有管道上不同节点位置的地图信息，可对具体位置节点数据进行快速在线查看。

综上所述，本实用新型通过设置多个分布式应力振动数据采集节点，可对长输架空管道不同位置处的应力振动状况进行同步采集，具有很高的分析测试效率和数据同步性；并且通过各个分布式采集模块内部的GPS定位模块对数据采集节点位置进行定位，便于管理与数据查询；将三轴加速度传感器安装于分布式采集模块内部，安装时通过三个水平调节螺钉调节分布式采集模块位置使三轴加速度传感器Z轴位于铅锤方向，操作便捷；此外，本实用新型可采用管夹式夹具和磁吸式夹具两种分布式采集模块安装方式，管夹式夹具对不同材质管道适用性强，磁吸式夹具适用于铁磁性材料的管道，直接吸附，安装方便。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。

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