專利名稱：水電機組無線應力測試儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及水力發(fā)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。由于水力不穩(wěn)定流場的作用及轉輪葉片的幾何形狀復雜，水輪機所承受 的載荷十分復雜，水輪機葉片上除了水流產(chǎn)生的離心力和壓力載荷外，還受到壓力脈動和 尾水管內(nèi)部各種不穩(wěn)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(chǎn)生復雜的動應力，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(tài)特征，分析轉輪在水中的動態(tài)特征。如果機組改造后出力增加，各種應力相應也 會發(fā)生較大變化。因此應力是水力機械的運行穩(wěn)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(fā)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(chǎn)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系；此外還能通過監(jiān)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(xiàn)機組狀態(tài)檢修、預防事故發(fā)生的必不可少的手段。對保證 水電機組的安全經(jīng)濟運行，合理的進行檢修決策有著重要的實際意義?，F(xiàn)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，由于布線不方便，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(xiàn)；2.應力測試裝置大多屬于體積大，分析方法簡單或是精度低；3. 一般都是用于水電機組固定部件的測量，對于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(xiàn)在還沒有好的手段。這些部件由于旋轉的原因只能采用離線式 記錄裝置進行事后數(shù)據(jù)分析，但由于機組工況變化的復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(fā)生，這在一些關鍵工程 中是相當大的人力物力損失。4.普通的無線傳輸由于錯碼率高、缺乏網(wǎng)絡協(xié)議層控制等技術手段，只能用來傳 輸非實時的測量結果，這對于復雜的多通道分析來說是無法勝任的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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 線實時測量的用于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于信號采集、處理、存儲的下位分 布式采集系統(tǒng)及一個用于信號傳送的上、下位無線信號傳輸器；該下位分布式采集系統(tǒng)包 括一個用于電壓電流變換、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、一個用于處理信號調理器輸出信號并包括了 A/D轉換、數(shù)據(jù)存儲、和信號無線傳輸?shù)南挛恢骺刂破骷耙粋€精密電源；信號調理器設有用于去除噪聲、并進行放大，然后進行 調零和穩(wěn)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(wěn)零放大電路的輸入端 相連，斬波穩(wěn)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(shù)據(jù)口相連；下位分布式采集系統(tǒng)通過下位無線傳輸器的發(fā)射器與上位主控制器中上位 無線傳輸器的接收器無線數(shù)據(jù)通訊連接并同時將所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存于存儲器。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 10G，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(huán)形接收天線，此環(huán)形接收天線設置在測試現(xiàn)場被 測旋轉體的外圍，環(huán)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(nèi)均設有無線發(fā)送模塊及無線接收模塊。無線發(fā)送模塊及無線接收模塊采用工作 在公用的ISM頻段的RF433MHZ模塊。所述精密電源為精密恒流源或恒壓源，它包括鋰電池、電源開關、穩(wěn)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(jié)省電池。所述穩(wěn)壓處理單元包括去噪處理單元、低噪聲低溫電源基準V/I變換及擴流單兀。本發(fā)明的無線機組監(jiān)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，并 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(yōu)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(guī)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(xiàn)場工作量，最輕便的裝備完成機組常規(guī)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(xiàn)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(shù)據(jù)也可以完整地被保存下來以便進行分析。本 發(fā)明可提供4GB容量的海量存儲，可以完整復現(xiàn)試驗中48小時內(nèi)原始數(shù)據(jù)，不依賴外部電 源工作，可以用于事故過程的精細分析，尋找故障源和解決方案。對比于傳統(tǒng)的磁盤、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(xiàn)場應力測試是一個比較繁雜試驗項目，傳統(tǒng)的方法是用常規(guī)的引線 布置，特別是轉輪應力試驗，其重復性小，要等到結果出來再發(fā)現(xiàn)問題再來進行補做幾乎是 不可能的，本發(fā)明針對水力機組的特殊情況開始的分析儀和傳統(tǒng)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(chǎn)品力學性能試驗取樣 位置及試樣制備、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，采用多通道實時采集，保證了采集數(shù)的準確度和時效。 (2)提高了試驗的成功率，儀器在現(xiàn)場試驗時，各測試量均可以數(shù)字和曲線方式顯 示其值，也可同步計算出應力、應變值等，同步繪制出應力特性變化曲線。整個數(shù)據(jù)采集乃 至試驗質量盡在監(jiān)視之中，若有異常數(shù)據(jù)即可判斷產(chǎn)生原因，并及時處理，避免了試驗中的 盲目性，保證了試驗數(shù)據(jù)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。由于在試驗中的原始的測量數(shù)據(jù)是實時在線顯示 并保存的，測試數(shù)據(jù)的公開度透明度高，對用戶而言，提高了試驗測試數(shù)據(jù)的可信度和測試 結果的公正性。(4)結合科學技術的進步，采用了一些新近發(fā)展的數(shù)據(jù)采集和數(shù)學處理方法?？梢?對測試數(shù)據(jù)通訊傳輸數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)自動生成數(shù)據(jù)成果表并繪制有關曲線。既繼 承了傳統(tǒng)測量方法的穩(wěn)定可靠性，又在數(shù)據(jù)采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(shù)、數(shù)據(jù)計算、圖表的編繪以及可能產(chǎn)生錯誤和誤差。


圖1是應變電橋電路原理圖，圖2是本發(fā)明原理框圖，圖3是精密電源原理框圖，圖4精密恒流源電路圖，圖5是無線數(shù)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-下位分布式采集系統(tǒng)，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(shù)據(jù)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(wěn)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(wěn)壓處理單元，19-電 源輸出單元，20,21-精密恒流/恒壓源輸入端。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明，圖2中，所述水電機組無線應力測試儀至 少包括一個用于信號采集、處理、存儲的下位分布式采集系統(tǒng)2及一個用于信號傳送的上、 下位無線信號傳輸器10、5;該下位分布式采集系統(tǒng)2包括一個用于電壓電流變換、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、一個用于處理信號調理 器6輸出的A/D轉換、存儲、和無線傳輸?shù)南挛恢骺刂破?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(shù)據(jù)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設有用于去除噪聲、并進行放大，然后進行調零和穩(wěn)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(wěn)零放大電路13的輸入端相連，斬波穩(wěn)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(shù)據(jù)口相連；下位分布式采集系統(tǒng)2通過下位無線傳輸器10的發(fā)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(shù)據(jù)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 10G，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(huán)形接 收天線，此環(huán)形接收天線設置在測試現(xiàn)場被測旋轉體的外圍，環(huán)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(nèi)均設有無線發(fā)送模塊及無線接收模塊。無 線發(fā)送模塊及無線接收模塊采用工作在公用的ISM頻段的RF433MHZ模塊。圖3所述精密電源9為中的穩(wěn)壓處理單元18包括精密恒流源或恒壓源，并包括鋰 電池16、電源開關17、電源輸出單元19。如圖4示，所述穩(wěn)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(wěn)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(fā)將著 重解決采集數(shù)據(jù)的實時傳輸問題和電池的供電問題，真正解決工業(yè)應用中的采集和分析的 數(shù)據(jù)量問題，電池消耗也非常低。采集數(shù)據(jù)可實時傳輸?shù)胶蠓椒治鱿到y(tǒng)，也可在現(xiàn)場采用小 巧的運動硬盤存儲。本發(fā)明通過采用合適的傳感傳輸系統(tǒng)，通過對特定的應用技術及特點 要求的分析優(yōu)化其信息處理方法和算法。采用先進的集成技術，由硬件完成全部或絕大部 分的工作。無線技術參數(shù)如下靈敏度1. 2kbps 下-1 IOdBm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)本發(fā)明的主要技術性能是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(shù)字顯示、變化曲線和實時波形(4秒)(可自動 采樣)。2.實時分析功能對采樣波形進行時域顯示(包括峰峰值、有效值、直流平均、振幅統(tǒng)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(tǒng)計概率等多種趨 勢。4.傳感器自動調零功能具有靜態(tài)和動態(tài)動態(tài)調零功能，可以在各種情況下調整傳感器零位情況。
5.通道濾波及修正功能對各通道可進行濾波處理，濾波系數(shù)可查詢、修改。
6.海量存儲功能各種測量數(shù)據(jù)可同時保存在應變儀的電子盤內(nèi)，不用擔心無線通訊不成功而測量 不到數(shù)據(jù)的情況。7.應變測量方式選擇功能可根據(jù)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于安裝 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(huán)、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 劑的涂抹工藝。例如，測量轉輪葉片應力時，猶豫轉輪內(nèi)水流速度高、水壓大，測量的應變花 可采用“鋼管-銅蓋防沖防潮盒”結構，防潮盒預先批加工好，貼片后點焊在葉片上，補償片 可以公用，可粘貼在分線盒內(nèi)，亦可貼在測量片的銅蓋內(nèi)側。無線應力測量儀的傳感器測量及發(fā)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軟件安裝于筆記本電腦中，用于監(jiān)測分析機組應變變化的各種數(shù)據(jù)。使用YIF 可以方便地對檢測的數(shù)據(jù)進行管理、分析、存儲和打印。YIF 是一個支持 WIND0WS95、WIND0WS98、WINDOWS NT, Windows2000, WindowsXP 操 作系統(tǒng)的標準32位軟件，它采用WINDOWS標準的人機交互界面，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(nèi)核廣泛采用了先進的多線程并 行技術，從而使用戶操作更為便利。WindowsXP 的安裝準備裝有WindowsXP的光盤，將安裝光盤放入光驅，在安裝時對筆記本硬盤運行 分區(qū)，分區(qū)時c區(qū)(7G)左右即可，開始安裝通過系統(tǒng)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，其特征是所述測試儀至少包括一個用于信號采集、處理、存儲的下位分布式采集系統(tǒng)(2)及一個用于信號傳送的上、下位無線信號傳輸器(10、5)；該下位分布式采集系統(tǒng)(2)包括一個用于電壓電流變換、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)、一個用于處理信號調理器(6)輸出信號并包括了A/D轉換、數(shù)據(jù)存儲、和信號無線傳輸?shù)南挛恢骺刂破?7)及一個精密電源(9)；信號調理器(6)設有用于去除噪聲、并進行放大，然后進行調零和穩(wěn)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(wěn)零放大電路(13)的輸入端相連，斬波穩(wěn)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(shù)據(jù)口相連；下位分布式采集系統(tǒng)(2)通過下位無線傳輸器(10)的發(fā)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(shù)據(jù)通訊連接并同時將所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存于存儲器(8)。
2.根據(jù)權利要求1所述的水電機組無線應力測試儀，其特征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(jù)權利要求1所述的水電機組無線應力測試儀，其特征是上位無線信號傳輸器 (5)上還設有環(huán)形接收天線，此環(huán)形接收天線設置在測試現(xiàn)場被測旋轉體的外圍，環(huán)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(jù)權利要求1或3所述的水電機組無線應力測試儀，其特征是所述上、下位無線 傳輸器(10、5)內(nèi)均設有無線發(fā)送模塊及無線接收模塊。
5.根據(jù)權利要求1或3所述的水電機組無線應力測試儀，其特征是無線發(fā)送模塊及 無線接收模塊采用工作在公用的ISM頻段的RF433MHZ模塊。
6.根據(jù)權利要求1所述的水電機組無線應力測試儀，其特征是所述下位分布式采集 系統(tǒng)(2)中的精密電源(9)為精密恒流源或恒壓源，它包括鋰電池(16)、電源開關(17)、穩(wěn) 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(wěn) 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(jù)權利要求1或6所述的水電機組無線應力測試儀，其特征是所述穩(wěn)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。
全文摘要
一種水電機組無線應力測試儀，至少包括一個用于信號采集、處理、存儲的下位分布式采集系統(tǒng)(2)及用于信號傳送的上、下位無線信號傳輸器(10、5)；該下位分布式采集系統(tǒng)(2)包括用于電壓電流變換、光電隔離、靜電屏蔽及多級放大的信號調理器(6)、用于處理信號調理器(6)輸出信號并包括了A/D轉換、數(shù)據(jù)存儲、和信號無線傳輸?shù)南挛恢骺刂破?7)及一個精密電源(9)；下位分布式采集系統(tǒng)通過下位無線傳輸器(10)的發(fā)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(shù)據(jù)通訊連接。本發(fā)明的優(yōu)點是1精度高，采集數(shù)準確度和高時效；2采集試驗數(shù)據(jù)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G01N3/32GK101968388SQ200910063348
公開日2011年2月9日 申請日期2009年7月28日 優(yōu)先權日2009年7月28日
發(fā)明者梁濤, 翟建平 申請人:湖北省電力試驗研究院