Page 47 - 无损检测2022年第十一期
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赵 娜, 等:
焦炭塔结构健康监测系统开发与应用
温度传感器进行焦炭塔温度在线监测。当工作端
1 焦炭塔结构健康监测系统开发
与参照端存在温差时, 传感器将产生热电势, 从而
针对焦炭塔运行工艺、 结构特征及典型损伤模 反映被测点的温度值。温度传感器的测温范围为
式, 设计开发焦炭塔结构健康监测系统, 包括传感子 -70~600 ℃ , 测温精度为 A 级。
系统、 数据采集与传输子系统和软件子系统等, 对焦 1.2 数据采集与传输子系统
炭塔关键区域的应力、 裂纹萌生扩展、 倾斜和温度等 数据采集与传输子系统用于对焦炭塔结构关键
参数进行全天候实时采集, 实现焦炭塔关键部位应 区域的应力、 声发射、 倾斜和温度等信号的实时采
力、 焊缝裂纹、 塔体倾斜和温度等参数的在线监测, 集, 并对上述信号进行本地存储、 远程传输等操作。
应力采集模块基于惠斯通电桥原理工作, 即被检对
系统总体框图如图 1 所示。
象的形变导致应变传感器的电阻值发生微小变化,
进而使惠斯通电桥失去平衡, 通过测量电桥的输出
电压可推算出应变值。倾斜传感器的输出为 4~
20mA 标准电流信号, 采用高精度模拟量采集模块
实现倾斜信号的采集和处理。针对声发射传感器获
取的信号, 采用声发射采集与特征量提取模块进行
图 1 焦碳塔结构健康监测系统总体框图 波形采集、 信号滤波和特征量提取等处理。上述采
集模块将信号转换为数字量后, 再通过交换机将其
1.1 传感子系统
传输至工控机, 实现本地数据存储、 边缘计算和远程
传感子系统主要由高温应变传感器、 声发射传
传输等功能。
感器、 倾斜传感器和热电偶温度传感器等组成, 其主
数据采集与传输子系统采用 DMA ( 直接存储
要作用为感知被测量, 并将其转换为电信号。系统
器访问) 方式实时传送, 实现了高速、 不漏码和不死
采用高级别 MCU ( 微控制单元)、 三防 PCB ( 印刷电
机的长时间数据传送。子系统具有自检功能, 开机
路板) 和宽温屏蔽金属外壳等多种方式提高传感器
后可对整个监测系统( 包括传感子系统、 采集与传输
的稳定性和可靠性, 保证了传感器在恶劣环境下的
子系统和软件等) 进行自动故障检测, 并且子系统内
长期稳定运行。
置看门狗保护, 具备断网自恢复能力, 能够恢复断
采用高温应变片对焦碳塔应力状态进行实时监
电、 断网前的工作状态。应力、 倾斜及温度信号的采
测。当被检部位产生机械形变时, 该应变通过应变
样率最高为 51.2kHz , 模数转换器为 24 位; 声发射
片的基底传递给敏感栅, 从而使电阻值发生相应的
信号采样率为 2 MHz , 采集带宽为 1~400kHz , 可
变化。高温应变片的标称电阻为 120Ω , 耐高温可
高质量地满足焦炭塔现场信号采集的工业需求。
达 649 ℃ , 固定方式为焊接。
1.3 软件子系统
针对焦炭塔焊缝开裂的问题, 采用对裂纹等活
焦炭塔结构健康监测软件子系统主要对焦炭塔
性缺陷敏感的声发射传感器进行监测。声发射传感 的应力应变、 声发射、 倾斜和温度等参数进行实时采
器基于晶体元件的压电效应, 将声发射波引起的被 集、 数据存储及发送, 其工作流程如图 2 所示。针对
检件表面振动转换成电信号, 具有结构简单、 小巧轻 应力、 温度及倾斜信号, 首先设置采集频率, 然后调
便、 线性度高等优点。 用采集程序控制硬件设备进行采集, 进而对数据进
针对焦炭塔塔体倾斜问题, 采用倾斜传感器对 行图形化显示; 针对声发射信号, 对硬件采集频率、
其进行监测。倾斜传感器是基于电容摆锤原理, 采 滤波参数、 单个文件的存储容量等进行设置, 待采集
用 MEMS ( 微机电系统) 技术的高精度双轴倾角测 开始后实时查询是否生成新的存储文件, 如果已生
量传感器, 通过测量重力加速度在 x 和 y 轴上的分 成, 则将该数据文件解析后进行显示。针对上述 4
量变化导致的电容量变化来实现对倾角的测量。倾 种监测数据, 创建 SQL ( 结构化查询语言) 数据库进
斜传感器的测量范围为 -15°~15° , 精度为 0.05° , 行本地存储, 并根据与接收端约定的协议实现数据
采用 9~36V 宽电压供电。 发送等功能。
针对焦炭塔在 48h 内由常温升至 490 ℃ ( 最 软件界面如图 3 所示, 图形界面为安全管理人
高操作温度) 再到常温工作的特点, 使用热电偶型 员提供简单直观且有效的监测信息。软件的数据存
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无损检测
