水電機組無線應力測試儀的製作方法

2023-07-03 03:36:46

專利名稱：水電機組無線應力測試儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及水力發電機的測試設備，特別是一種水電機組無線應力測試儀。
背景技術：
水電機組中水輪機是重要的能量轉換動力裝置，水輪機轉軸和主軸是重要的水下和水上旋轉部件。由於水力不穩定流場的作用及轉輪葉片的幾何形狀複雜，水輪機所承受的載荷十分複雜，水輪機葉片上除了水流產生的離心力和壓力載荷外，還受到壓力脈動和尾水管內部各種不穩定水力動載荷，及各種機械和電磁力導致的動載荷的綜合作用。因而葉片很容易產生複雜的動應力，引起葉片振動和裂紋等疲勞破壞。在分析起原因時，需要研究轉輪動態特徵，分析轉輪在水中的動態特徵。如果機組改造後出力增加，各種應力相應也會發生較大變化。因此應力是水力機械的運行穩定性一個十分重要的指標，也是評價機組設計可靠性的重要指標。 應力測量一直是分析水輪發電機組旋轉部件以及轉輪葉片裂紋的重要手段，通過對各個工況下主軸以及轉輪葉片應力變化的測量，分析主軸受力及轉輪裂紋產生的原因。這不僅能驗證主軸和轉輪的應力和其破壞的相互關係；此外還能通過監測應力或移位的變異來研究機組軸系以及轉輪結構有否損壞或潛在損壞。另外，應力測量還可應用到機組其他結構的測量上面，從而成為實現機組狀態檢修、預防事故發生的必不可少的手段。對保證水電機組的安全經濟運行，合理的進行檢修決策有著重要的實際意義。現有技術中的應力測試裝置存在以下缺點 1.應力測試中信號傳輸一般為有線傳輸方式，由於布線不方便，且危險性較強，使得水電機組很多部件的應力測量不能實現； 2.應力測試裝置大多屬於體積大，分析方法簡單或是精度低； 3. —般都是用於水電機組固定部件的測量，對於轉動部件特別是水輪機關鍵部件的轉輪和主軸的應力測量現在還沒有好的手段。這些部件由於旋轉的原因只能採用離線式記錄裝置進行事後數據分析，但由於機組工況變化的複雜性以及機組調度的非隨意性，進行試驗的工作效率十分低下，甚至有十幾天的工作都白費的情況發生，這在一些關鍵工程中是相當大的人力物力損失。 4.普通的無線傳輸由於錯碼率高、缺乏網絡協議層控制等技術手段，只能用來傳輸非實時的測量結果，這對於複雜的多通道分析來說是無法勝任的。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種可操作方便、測試效率高、精度高、可對運動部件進行在線實時測量的用於測量水電機組無線應力測試儀。 所述水電機組無線應力測試儀至少包括一個用於信號採集、處理、存儲的下位分布式採集系統及一個用於信號傳送的上、下位無線信號傳輸器；該下位分布式採集系統包括一個用於電壓電流變換、濾波、克服信號漂移、進行光電隔離、靜電屏蔽及多級放大的信號調理器、一個用於處理信號調理器輸出信號並包括了 A/D轉換、數據存儲、和信號無線傳
輸的下位主控制器及一個精密電源；信號調理器設有用於去除噪聲、並進行放大，然後進行
調零和穩波處理的應變電橋，應變電橋的輸入橋臂設置在待測水輪電機上，其輸出端與開
關電容隔離電路的輸入端相連，開關電容隔離電路的輸出端與斬波穩零放大電路的輸入端
相連，斬波穩零放大電路的輸出端與儀用放大器的輸入端相連，儀用放大器的輸出端與低
通濾波器的輸入端相連，低通濾波器的輸出端與下位主控制器中的A/D轉換及信號處理器
的數據口相連；下位分布式採集系統通過下位無線傳輸器的發射器與上位主控制器中上位
無線傳輸器的接收器無線數據通訊連接並同時將所傳輸的數據存於存儲器。 所述下位主控制器上設置有海量存儲器，存儲器的存儲容量為1 IOG，上位主控
制器通過USB接口與上位計算機連接。 上位無線信號傳輸器上還設有環形接收天線，此環形接收天線設置在測試現場被 測旋轉體的外圍，環形接收天線接受下位無線信號傳輸器傳送的無線信號。所述上、下位無 線傳輸器內均設有無線發送模塊及無線接收模塊。無線發送模塊及無線接收模塊採用工作 在公用的ISM頻段的RF433腿Z模塊。 所述精密電源為精密恆流源或恆壓源，它包括鋰電池、電源開關、穩壓處理單元、 電源輸出單元；其中電源開關通過下位無線傳輸器接受上位主控制器或上位計算機開、閉 指令進行開、閉以使精密電源間斷運行節省電池。 所述穩壓處理單元包括去噪處理單元、低噪聲低溫電源基準V/I變換及擴流單 元。 本實用新型的無線機組監測平臺可以提供128Kbps的實時無差錯無線傳輸能力， 可以方便的接入主軸應變、轉輪葉變動應變、旋轉部件特定點加速度、聲音、壓力脈動等測 點，並且可以在線控制實驗進程，極大地提高了測試效率，為研究機組故障與優化設計提供 了新的手段。 無線傳感器的應用，免去了煩瑣的接線操作，降低了操作難度，從而在小規模機組 測試中有良好的應用前景。所述的測試儀可提供4通道無線機組試驗通道，用戶可以以最 少的現場工作量，最輕便的裝備完成機組常規測試，測點可以不受電源及接線的約束方便 地布置，不再有攜帶大量導線的負擔。 為保證試驗的完全成功，在實現儀器無線通訊分析的同時儀器還提供了海量存儲 功能，這樣即使無線通訊不成功，試驗的數據也可以完整地被保存下來以便進行分析。本實 用新型可提供4GB容量的海量存儲，可以完整復現試驗中48小時內原始數據，不依賴外部 電源工作，可以用於事故過程的精細分析，尋找故障源和解決方案。對比於傳統的磁碟、硬 盤記錄方式，這種海量電子盤無機械部件、無噪聲、可靠性高、壽命長，同時大大簡化了維護 工作。 水力機械的現場應力測試是一個比較繁雜試驗項目，傳統的方法是用常規的引線 布置，特別是轉輪應力試驗，其重複性小，要等到結果出來再發現問題再來進行補做幾乎是 不可能的，本實用新型針對水力機組的特殊情況開始的分析儀和傳統的測試手段相比有以 下特點 (1)嚴格遵循IEC(IEC 60512)和GB-T 2975-1998鋼及鋼產品力學性能試驗取樣 位置及試樣製備、GB T 20066-2006鋼和鐵化學成分測定用試樣的取樣和制樣方法和GBT228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法等有關應力試驗的標準，以保證測試結果的準確度， 所用傳感器在0. 2級以上，儀器本體0. 5級以上，使用12位A/D轉換，信號時間分辯率達 1MS，採用多通道實時採集，保證了採集數的準確度和時效。 (2)提高了試驗的成功率，儀器在現場試驗時，各測試量均可以數字和曲線方式顯 示其值，也可同步計算出應力、應變值等，同步繪製出應力特性變化曲線。整個數據採集乃 至試驗質量盡在監視之中，若有異常數據即可判斷產生原因，並及時處理，避免了試驗中的 盲目性，保證了試驗數據的合理性、正確性，提高了試驗的成功率。 (3)保證了測試結果的公正性。由於在試驗中的原始的測量數據是實時在線顯示 並保存的，測試數據的公開度透明度高，對用戶而言，提高了試驗測試數據的可信度和測試 結果的公正性。 (4)結合科學技術的進步，採用了一些新近發展的數據採集和數學處理方法。可以 對測試數據通訊傳輸數據處理系統，處理系統自動生成數據成果表並繪製有關曲線。既繼 承了傳統測量方法的穩定可靠性，又在數據採集手段和處理方法上更高效、更趨合理。
(5)免去繁重的人工讀數、數據計算、圖表的編繪以及可能產生錯誤和誤差。

圖1是應變電橋電路原理圖， 圖2是本實用新型原理框圖， 圖3是精密電源原理框圖， 圖4精密恆流源電路圖， 圖5是無線數字RF433MHZ模塊功能框圖， 圖6是信號調理器原理框圖， 圖7是上、下位主控制器功能框圖。 圖中1-應變電橋，1-1-電阻應變式傳感器，2-下位分布式採集系統，3-上位計算 機，4上位主控制器，5、 10-上、下位無線信號傳輸器，6-信號調理器，7-下位主控制器，8-數 據存儲器，9-精密電源，11-信號處理器，12-開關電容隔離電路，13-斬波穩零放大電路， 14-儀用放大器，15-低通濾波器，16-鋰電池，17-電源開關，18-穩壓處理單元，19-電源輸 出單元，20、21-精密恆流/恆壓源輸入端。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明，圖2中，所述水電機組無線應力測試 儀至少包括一個用於信號採集、處理、存儲的下位分布式採集系統2及一個用於信號傳送 的上、下位無線信號傳輸器10、5;該下位分布式採集系統2包括一個用於電壓電流變換、濾 波、克服信號漂移、進行光電隔離、靜電屏蔽及多級放大的信號調理器6、一個用於處理信號 調理器6輸出的A/D轉換、存儲、和無線傳輸的下位主控制器7及一個精密電源9，下位主控 制器7由A/D轉換及信號處理器11、數據存儲器8、下位無線信號傳輸器10組成。圖1和 圖6中，信號調理器6設有用於去除噪聲、並進行放大，然後進行調零和穩波處理的應變電 橋l，應變電橋1的輸入橋臂設置在待測水輪電機上，其輸出端與開關電容隔離電路12的輸 入端相連，開關電容隔離電路12的輸出端與斬波穩零放大電路13的輸入端相連，斬波穩零4/5頁
放大電路13的輸出端與儀用放大器14的輸入端相連，儀用放大器14的輸出端與低通濾波 器15的輸入端相連，低通濾波器15的輸出端與下位主控制器7中的A/D轉換及信號處理 器11的數據口相連；下位分布式採集系統2通過下位無線傳輸器10的發射器與上位主控 制器4中上位無線傳輸器5的接收器無線數據通訊連接。 所述下位主控制器7上設置有海量存儲器8，存儲器8的存儲容量為1 IOG，上 位主控制器4通過USB接口與上位計算機3連接。上位無線信號傳輸器5上還設有環形接 收天線，此環形接收天線設置在測試現場被測旋轉體的外圍，環形接收天線接受下位無線 信號傳輸器10傳送的無線信號。 圖5中，所述上、下位無線傳輸器10、5內均設有無線發送模塊及無線接收模塊。無 線發送模塊及無線接收模塊採用工作在公用的ISM頻段的RF433MHZ模塊。 圖3所述精密電源9為中的穩壓處理單元18包括精密恆流源或恆壓源，並包括鋰 電池16、電源開關17、電源輸出單元19。 如圖4示，所述穩壓處理單元18包括去噪處理單元、低噪聲低溫電源基準V/I變
換及擴流單元，穩壓處理單元18的輸出端20、21與圖1應變電橋1中的激勵源相連。 無線通信工作在ISM頻段，不會干擾其它頻段(例如廣播)。此次無線的研發將著
重解決採集數據的實時傳輸問題和電池的供電問題，真正解決工業應用中的採集和分析的
數據量問題，電池消耗也非常低。採集數據可實時傳輸到後方分析系統，也可在現場採用小
巧的運動硬碟存儲。本實用新型通過採用合適的傳感傳輸系統，通過對特定的應用技術及
特點要求的分析優化其信息處理方法和算法。採用先進的集成技術，由硬體完成全部或絕
大部分的工作。 無線技術參數如下 靈敏度1. 2kbps下-110dBm 傳輸距離:200m (室外):(水下5m) 通信頻段433MHz 傳輸速率128Kbps 功耗較低的電流消耗(RX中15. 6mA，2. 4kbps，433MHz) 本實用新型的主要技術性能是 1.定時檢測功能 實時測量分析4路應變量可在轉輪葉片、大軸等各處測量；其他需測量應變的部 位測量各實時檢測值，都以多種方式顯示數字顯示、變化曲線和實時波形(4秒)(可自動 採樣)。 2.實時分析功能 對採樣波形進行時域顯示(包括峰峰值、有效值、直流平均、振幅統計概率分析功 能) 3.運行記錄功能 無限期趨勢記錄可同時記錄峰峰值、有效值、直流平均、振幅統計概率等多種趨 勢。 4.傳感器自動調零功能 具有靜態和動態動態調零功能，可以在各種情況下調整傳感器零位情況。[0052] 5.通道濾波及修正功能 對各通道可進行濾波處理，濾波係數可查詢、修改。 6.海量存儲功能 各種測量數據可同時保存在應變儀的電子盤內，不用擔心無線通訊不成功而測量 不到數據的情況。 7.應變測量方式選擇功能 可根據不同的應變測量需求選擇不同的測量方式，如選擇拉力測量或彎曲測量。 本測試儀的安裝過程是一般是選擇應變幅值最能反映機組機械工況又便於安裝 應變片的位置為測點。通常設置的測點有渦殼、大軸、轉輪葉片水輪機導葉、軸流式槳葉、控 制環、水輪機進水閥門等。在選擇測點時，應注意選擇各部位應力最大點進行測量，為保證 測量結果誤差小，在安裝應變片時應注意應變片、應變花粘貼部位防潮處理的要求及防潮 劑的塗抹工藝。例如，測量轉輪葉片應力時，猶豫轉輪內水流速度高、水壓大，測量的應變花 可採用"鋼管_銅蓋防衝防潮盒"結構，防潮盒預先批加工好，貼片後點焊在葉片上，補償片 可以公用，可粘貼在分線盒內，亦可貼在測量片的銅蓋內側。 無線應力測量儀的傳感器測量及發送端固定在測量部位附近，如測量部件為大軸 等高速旋轉部件，需要用鋼絲等緊固，如為葉片應力測量，還需在緊固的同時做好防水防潮 處理。無線應力測量儀的接收端和筆記本電腦放在合適的地方，只要不妨礙無線信號的傳 輸即可。 YIF軟體安裝於筆記本電腦中，用於監測分析機組應變變化的各種數據。使用YIF 可以方便地對檢測的數據進行管理、分析、存儲和列印。YIF是一個支持WIND0WS95、WIND0WS98、 WINDOWS NT、 Windows2000、 WindowsXP操 作系統的標準32位軟體，它採用WINDOWS標準的人機互動界面，簡單易用，提示信息直觀、 豐富，允許不同習慣的多種操作方式，對用戶十分友好。其內核廣泛採用了先進的多線程並 行技術，從而使用戶操作更為便利。 WindowsXP的安裝 準備裝有WindowsXP的光碟，將安裝光碟放入光碟機，在安裝時對筆記本硬碟運行 分區，分區時c區(7G)左右即可，開始安裝通過系統盤進行一步步安裝。
權利要求一種水電機組無線應力測試儀，其特徵是所述測試儀至少包括一個用於信號採集、處理、存儲的下位分布式採集系統(2)及一個用於信號傳送的上、下位無線信號傳輸器(10、5)；該下位分布式採集系統(2)包括一個用於電壓電流變換、濾波、克服信號漂移、進行光電隔離、靜電屏蔽及多級放大的信號調理器(6)、一個用於處理信號調理器(6)輸出信號並包括了A/D轉換、數據存儲、和信號無線傳輸的下位主控制器(7)及一個精密電源(9)；信號調理器(6)設有用於去除噪聲、並進行放大，然後進行調零和穩波處理的應變電橋(1)，應變電橋(1)的輸入橋臂設置在待測水輪機上，其輸出端與開關電容隔離電路(12)的輸入端相連，開關電容隔離電路(12)的輸出端與斬波穩零放大電路(13)的輸入端相連，斬波穩零放大電路(13)的輸出端與儀用放大器(14)的輸入端相連，儀用放大器(14)的輸出端與低通濾波器(15)的輸入端相連，低通濾波器(15)的輸出端與下位主控制器(7)中的A/D轉換及信號處理器(11)的數據口相連；下位分布式採集系統(2)通過下位無線傳輸器(10)的發射器與上位主控制器(4)中上位無線傳輸器(5)的接收器無線數據通訊連接並同時將所傳輸的數據存於存儲器(8)。
2. 根據權利要求l所述的水電機組無線應力測試儀，其特徵是所述下位主控制器(7) 上設置有海量存儲器(8)，存儲器(8)的存儲容量為1 IOG;上位主控制器(4)通過USB 接口與上位計算機(3)連接。
3. 根據權利要求1所述的水電機組無線應力測試儀，其特徵是上位無線信號傳輸器 (5)上還設有環形接收天線，此環形接收天線設置在測試現場被測旋轉體的外圍，環形接收 天線接受下位無線信號傳輸器(10)傳送的無線信號。
4. 根據權利要求1或3所述的水電機組無線應力測試儀，其特徵是所述上、下位無線 傳輸器(10、5)內均設有無線發送模塊及無線接收模塊。
5. 根據權利要求1或3所述的水電機組無線應力測試儀，其特徵是無線發送模塊及 無線接收模塊採用工作在公用的ISM頻段的RF433MHZ模塊。
6. 根據權利要求1所述的水電機組無線應力測試儀，其特徵是所述下位分布式採集 系統(2)中的精密電源(9)為精密恆流源或恆壓源，它包括鋰電池(16)、電源開關(17)、穩 壓處理單元(18)、電源輸出單元(19);其中電源開關(17)通過下位無線傳輸器(10)接受 上位主控制器(4)或上位計算機(3)開、閉指令進行開、閉以使精密電源(9)間斷運行，穩 壓處理單元(18)的輸出端(20、21)與應變電橋(1)中的激勵源相連。
7. 根據權利要求1或6所述的水電機組無線應力測試儀，其特徵是所述穩壓處理單 元(18)包括去噪處理單元、低噪聲低溫漂電壓基準、V/I變換及擴流單元。
專利摘要一種水電機組無線應力測試儀，至少包括一個用於信號採集、處理、存儲的下位分布式採集系統(2)及用於信號傳送的上、下位無線信號傳輸器(10、5)；該下位分布式採集系統(2)包括用於電壓電流變換、光電隔離、靜電屏蔽及多級放大的信號調理器(6)、用於處理信號調理器(6)輸出信號並包括了A/D轉換、數據存儲、和信號無線傳輸的下位主控制器(7)及一個精密電源(9)；下位分布式採集系統通過下位無線傳輸器(10)的發射器與上位主控制器(4)中上位無線傳輸器(5)的接收器無線數據通訊連接。本實用新型的優點是1.精度高，採集數準確度和高時效；2.採集試驗數據合理性、正確性，提高了試驗的成功率；3.可保證測試結果的公正性。
文檔編號G01L1/22GK201464092SQ20092008768
公開日2010年5月12日 申請日期2009年7月28日 優先權日2009年7月28日
發明者梁濤, 翟建平 申請人:湖北省電力試驗研究院