一种工业设备三维度膨胀测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及设备形变监测技术领域，特别是涉及一种工业设备三维度膨胀测量装置。


背景技术：

2.当工业设备形变超过部件的承受能力，就会造成设备的损坏、破裂，甚至会造成非计划停炉。工业设备膨胀的监测需求从定时监测发展为实时在线监测。实时连续监测，就能实时掌握设备的运行状况，对工业设备的安全运行具有重大的意义。
3.通过工业设备膨胀指示器来监视承压设备或部件受热和受压后几何尺寸发生的变化情况，这种改变如果超出设计规定的范围，就说明设备的运行操作出现问题。通过工业设备的膨胀监测可以及时发现点火升温升压不当引起的蒸发设备变形，防止膨胀不均发生裂纹和泄漏等。
4.以工业锅炉为例，目前常用锅炉膨胀指示器多为指针加刻度板的设计，称为机械式锅炉膨胀指示器。机械式膨胀指示器的指针固定在锅炉上，刻度板上刻有以毫米为单位的田字格刻度，刻度板固定在锅炉钢架上，指针垂直于刻度板。由于锅炉钢架相对静止，而锅炉在温度变化时发生膨胀和收缩，所以指针和刻度板之间发生相对位移的量，就是锅炉的膨胀量。
5.在锅炉启动、停止和大负荷变动运行时，需要巡检人员到锅炉的每一个监测处就地查看机械式锅炉膨胀指示器的指针所指的刻度值。
6.随着锅炉体量的增大，膨胀测点也越来越多，各点位的距离较远，人工巡视和记录准确性和时效性差，不利于正确分析锅炉膨胀数据和发现膨胀隐患，无法实时监控并记录锅炉的动态膨胀情况；而且同一次检查的数据并不是同一时刻的数据，这给隐患分析带来难度和增大了分析误差。
7.由于工业设备的膨胀往往存在三个膨胀方向，以工业锅炉为例，锅炉在机械式膨胀指示器的指针轴向移动，为了避免指针和刻度板接触，需要把指针和刻度板之间保持一定的安全距离，这个距离取决于锅炉在指针轴向的最大膨胀量。这个安全距离降低了指示器的读数准确性和精度。为了提高精度，减小安全距离，把刻度板水平放置，指针改成垂直可伸缩的。但是由于刻度板的刻度为毫米级而指针的顶端面积大于1毫米，且指针的伸缩设计使得指针伸缩后更难以保证1毫米的精度要求。因此机械结构的锅炉三向膨胀指示器的误差是很大的。
8.由于所有数据记录在纸质版记录本上，统计分析比较困难。需要计算机辅助分析时，往往需要把锅炉的膨胀值手动输入到计算机里，而数据量越大，数据录入工作往往是延迟的，数据一旦延迟，参考价值也会明显降低。
9.基于上述问题，提出了基于微位移定位技术的锅炉膨胀检测仪。该检测仪使用绝对编码器测量锅炉膨胀情况，将实时膨胀数据通过液晶屏显示并写入存储卡，同时通过总线接口将数据发送到控制室，可为电站运营人员提供准确地、实时地锅炉膨胀信息。但是基
于微位移定位技术的锅炉膨胀检测仪所配置的编码器是一种接触式传感器，必须与监测部件接触测量，结构复杂，成本较高；且这种膨胀监测仪器的数据采集到后，仍然需要人工分析，分析的结果往往和个人经验有关，客观性较差。


技术实现要素：

10.有鉴于此，本实用新型提供了一种工业设备三维度膨胀测量装置，通过周期性的向外发出近红外光调制波，调制波遇物体后反射，产品通过测量调制波往返相位差，得到飞行时间，再计算出产品与被测目标之间的相对距离。
11.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
12.一种工业设备三维度膨胀测量装置，包括：远程终端和若干个测距模块；
13.所述测距模块包括激光测距单元、三维度反射架和集成电路单元；
14.所述三维度反射架固定设置在工业设备的固定钢架上；
15.所述激光测距模块固定设置在工业设备的待监测点处，并延伸至所述三维度反射架内；
16.所述激光测距单元发射三个相互垂直的光波至所述三维度反射架，在所述三维度反射架处发生反射，所述激光测距单元接收三个反射回来的反射波；
17.所述集成电路单元基于三个所述光波和三个所述反射波得到三向距离，并发送至所述远程终端。
18.优选地，所述三维度反射架包括第一反射板、第二反射板和第三反射板；
19.所述第一反射板、所述第二反射板和所述第三反射板之间两两相互垂直连接，得到所述三维度反射架。
20.优选地，所述激光测距单元包括：第一激光测距传感器、第二激光测距传感器、第三激光测距传感器、传感器外壳和延长件；
21.所述第一激光测距传感器、所述第二激光测距传感器和所述第三激光测距传感器设置在所述传感器外壳的一端，且所述第一激光测距传感器、所述第二激光测距传感器和所述第三激光测距传感器相互垂直；
22.所述传感器外壳的另一端设置有带内螺纹的孔；所述延长件的一端设置有与所述内螺纹配套的外螺纹，所述延长件和所述传感器外壳外壳之间通过所述内螺纹和所述外螺纹连接，所述延长件的另一端与固定设置在工业设备的待监测点处；
23.所述第一激光测距传感器发射第一光波至所述第一反射板，所述第一光波在所述第一反射板处发生反射，得到第一反射波，被所述第一激光测距传感器接收；所述第一光波与所述第一反射板垂直；
24.所述第二激光测距传感器发射第二光波至所述第二反射板，所述第二光波在所述第二反射板处发生反射，得到第二反射波，被所述第二激光测距传感器接收；所述第二光波与所述第二反射板垂直；
25.所述第三激光测距传感器发射第三光波至所述第三反射板，所述第三光波在所述第三反射板处发生反射，得到第三反射波，被所述第三激光测距传感器接收；所述第三光波与所述第三反射板垂直；
26.所述光波包括所述第一光波、所述第二光波和所述第三光波；所述反射波包括所
述第一反射波、所述第二反射波和所述第三反射波。
27.优选地，所述测距模块还包括通信单元；
28.所述集成电路单元通过所述通信单元，将所述三向距离发送至所述远程终端。
29.优选地，所述测距模块还包括：电源；
30.所述电源为所述集成电路单元供电。
31.优选地，所述测距模块还包括：保护壳；
32.所述通信单元、所述激光测距单元和所述集成电路单元均设置在所述保护壳内；
33.所述保护壳设置有开口，所述激光测距单元穿过所述开口并延伸至所述所述三维度反射架内。
34.优选地，所述激光测距单元与所述集成电路单元之间通过rs485串口连接，通信协议采用标准modbus协议。
35.优选地，所述集成电路单元包括放大电路、滤波电路、模数转换电路和控制芯片；
36.所述放大电路对所述第一光波、所述第二光波、所述第三光波、所述第一反射波、所述第二反射波和所述第三反射波进行放大处理，得到第一放大光波、第二放大光波、第三放大光波、第一放大反射波、第二放大反射波和第三放大反射波；
37.所述滤波电路对所述第一放大光波、所述第二放大光波、所述第三放大光波、所述第一放大反射波、所述第二放大反射波和所述第三放大反射波进行滤波处理，得到第一滤波光波、第二滤波光波、第三滤波光波、第一滤波反射波、第二滤波反射波和第三滤波反射波；
38.所述模数转换电路对所述第一滤波光波、所述第二滤波光波、所述第三滤波光波、所述第一滤波反射波、所述第二滤波反射波和所述第三滤波反射波进行模拟量到数字量转换处理，得到第一数字光波、第二数字光波、第三数字光波、第一数字反射波、第二数字反射波和第三数字反射波；
39.所述控制芯片基于所述第一数字光波和所述第一数字反射波得到第一方向距离；所述控制芯片基于所述第二数字光波和所述第二数字反射波得到第二方向距离；所述控制芯片基于所述第三数字光波和所述第三数字反射波得到第三方向距离；所述三向距离包括所述第一方向距离、第二方向距离和第三方向距离。
40.优选地，所述第一激光测距传感器与所述第一反射板之间的距离大于或等于膨胀设定量；所述第二激光测距传感器与所述第二反射板之间的距离大于或等于所述膨胀设定量；所述第三激光测距传感器与所述第三反射板之间的距离大于或等于所述膨胀设定量。
41.根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
42.本实用新型涉及一种工业设备三维度膨胀测量装置，包括：远程终端和若干个测距模块；所述测距模块包括激光测距单元、三维度反射架和集成电路单元；所述三维度反射架固定设置在工业设备的固定钢架上；所述激光测距模块固定设置在工业设备的待监测点处，并延伸至所述三维度反射架内；所述激光测距单元发射三个相互垂直的光波至所述三维度反射架，在所述三维度反射架处发生反射，所述激光测距单元接收三个反射回来的反射波；所述集成电路单元基于三个所述光波和三个所述反射波得到三向距离，并发送至所述远程终端。本实用新型解决了工业设备膨胀监测时效性差和准确性差的问题，降低工作人员的劳动强度，降低了监测装置的维护量。
附图说明
43.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本实用新型工业设备三维度膨胀测量装置结构原理图；
45.图2为本实用新型三维度反射架示意图；
46.图3为本实用新型激光测距单元与三维度反射架的相对位置示意图；
47.图4为本实用新型激光测距单元结构示意图；
48.图5为本实用新型激光测距单元沿x轴旋转180
°
示意图；
49.图6为本实用新型激光测距单元沿y轴旋转180
°
示意图。
50.符号说明：1-测距模块，2-远程终端，11-激光测距单元，12-通信单元，13-电源，15-三维度反射架，16-集成电路单元，111-第一激光测距传感器，112-第二激光测距传感器，113-第三激光测距传感器，114-传感器外壳，115-延长件，116-孔，151-第一反射板，152-第二反射板，153-第三反射板，161-放大电路，162-滤波电路，163-模数转换电路，164-控制芯片，1141-第一透光口，1142-第二透光口，1143-第三透光口。
具体实施方式
51.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
52.本实用新型的目的是提供一种工业设备三维度膨胀测量装置，通过周期性的向外发出近红外光调制波，调制波遇物体后反射，产品通过测量调制波往返相位差，得到飞行时间，再计算出产品与被测目标之间的相对距离。
53.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
54.图1为本实用新型工业设备三维度膨胀测量装置结构原理图，如图所示，本实用新型提供了一种工业设备三维度膨胀测量装置，包括：远程终端2和若干个测距模块1。
55.其中，所述测距模块1的数量根据实际需求进行选取，具体地，包括激光测距单元11、通信单元12、电源13，保护壳、三维度反射架15和集成电路单元16。
56.如图2所示，所述三维度反射架15包括第一反射板151、第二反射板152和第三反射板153。
57.所述第一反射板151、所述第二反射板152和所述第三反射板153之间两两相互垂直连接，得到所述三维度反射架15。所述第一反射板151、所述第二反射板152和所述第三反射板153均设置有刻度尺，所述刻度尺的深度为0.1～0.5mm，所述刻度尺的中心为0点，从0点向四个方向最小刻度为1mm，所述刻度尺的四个方向，每10mm有数字标记。所述第一反射板151、所述第二反射板152和所述第三反射板153的长宽高尺寸由实际需要确定。
58.所述三维度反射架15固定设置在工业设备的固定钢架上。
59.进一步地，如图4、图5和图6所示，所述激光测距单元11包括：第一激光测距传感器111、第二激光测距传感器112、第三激光测距传感器113、传感器外壳114和延长件115。本实施例中，所述第一激光测距传感器111、所述第二激光测距传感器112和所述第三激光测距传感器113的型号均选用klh-03t-20hz。
60.所述第一激光测距传感器111、所述第二激光测距传感器112和所述第三激光测距传感器113设置在所述传感器外壳114的一端，且所述第一激光测距传感器111、所述第二激光测距传感器112和所述第三激光测距传感器113相互垂直。
61.所述传感器外壳114的一端设置有第一透光口1141、第二透光口1142和第三透光口1143。所述第一透光口1141对应所述第一激光测距传感器111，所述第二透光口1142对应所述第二激光测距传感器112，所述第三透光口1143对应所述第三激光测距传感器113。
62.所述传感器外壳114的另一端设置有带内螺纹的孔116；所述延长件115的一端设置有与所述内螺纹配套的外螺纹，所述延长件115和所述传感器外壳114外壳之间通过所述内螺纹和所述外螺纹连接，防止所述激光测距单元11监测点的延长件轴向偏转或脱落，所述延长件115的另一端与固定设置在工业设备的待监测点处。
63.所述激光测距单元11固定设置在工业设备的待监测点处，并延伸至所述三维度反射架15的90
°
角范围内，如图3所示。
64.所述集成电路单元16包括依次连接的放大电路161、滤波电路162、模数转换电路163和控制芯片164。本实施例中，所述控制芯片164选用51系列单片机。
65.所述通信单元12、所述激光测距单元11、所述电源13和所述集成电路单元16均设置在所述保护壳内。
66.所述保护壳设置有开口，所述激光测距单元11穿过所述开口并延伸至所述所述三维度反射架15内。
67.所述第一激光测距传感器111发射第一光波至所述第一反射板151，所述第一光波在所述第一反射板151处发生反射，得到第一反射波，被所述第一激光测距传感器111接收；所述第一光波与所述第一反射板151垂直。所述第一激光测距传感器111与所述第一反射板151之间的距离大于或等于膨胀设定量，所述膨胀设定量为工业设备的最大膨胀量，具体根据不同的工业设备进行选取。
68.所述第二激光测距传感器112发射第二光波至所述第二反射板152，所述第二光波在所述第二反射板152处发生反射，得到第二反射波，被所述第二激光测距传感器112接收；所述第二光波与所述第二反射板152垂直。所述第二激光测距传感器112与所述第二反射板152之间的距离大于或等于所述膨胀设定量。
69.所述第三激光测距传感器113发射第三光波至所述第三反射板153，所述第三光波在所述第三反射板153处发生反射，得到第三反射波，被所述第三激光测距传感器113接收；所述第三光波与所述第三反射板153垂直。所述第三激光测距传感器113与所述第三反射板153之间的距离大于或等于所述膨胀设定量。
70.所述放大电路161对所述第一光波、所述第二光波、所述第三光波、所述第一反射波、所述第二反射波和所述第三反射波进行放大处理，得到第一放大光波、第二放大光波、第三放大光波、第一放大反射波、第二放大反射波和第三放大反射波。所述第一激光测距传感器111、所述第二激光测距传感器112和所述第三激光测距传感器113均通过rs485串口与
所述放大电路161连接，通信协议采用标准modbus协议。
71.所述滤波电路162对所述第一放大光波、所述第二放大光波、所述第三放大光波、所述第一放大反射波、所述第二放大反射波和所述第三放大反射波进行滤波处理，得到第一滤波光波、第二滤波光波、第三滤波光波、第一滤波反射波、第二滤波反射波和第三滤波反射波。
72.所述模数转换电路163对所述第一滤波光波、所述第二滤波光波、所述第三滤波光波、所述第一滤波反射波、所述第二滤波反射波和所述第三滤波反射波进行模拟量到数字量转换处理，得到第一数字光波、第二数字光波、第三数字光波、第一数字反射波、第二数字反射波和第三数字反射波。
73.所述控制芯片164基于所述第一数字光波和所述第一数字反射波之间的相位差得到第一方向距离；所述控制芯片164基于所述第二数字光波和所述第二数字反射波之间的相位差得到第二方向距离；所述控制芯片164基于所述第三数字光波和所述第三数字反射波之间的相位差得到第三方向距离。
74.所述控制芯片164通过所述通信单元12将所述第一方向距离、所述第二方向距离和所述第三方向距离发送至所述远程终端2，所述远程终端2对所述第一方向距离、所述第二方向距离和所述第三方向距离通过表格、曲线、柱状图和饼图等进行矩阵化和图形化展示，使工作人员直观的理解数据的意义和数据的价值。本实施例中，所述通信单元12选用ttl转rs485自动收发模块。
75.所述电源13为所述控制芯片164供电。
76.优选地，本实施例中，对所述第一方向距离、所述第二方向距离和所述第三方向距离进行零点标定，标定的零点值是数据读取的起点。即把工业设备膨胀前的所述第一方向距离、所述第二方向距离和所述第三方向距离标记为零点，而以后的变化量是工业设备的膨胀量，工业设备的膨胀量是相对零点测量值的变化量。
77.本实用新型解决了工业设备膨胀监测时效性差和准确性差的问题，降低了工作人员的劳动强度。测量设备和被测设备之间没有物理接触，设备维护量小。
78.本实用新型把测距模块通过组网的形式，接入到远程终端之中，采用串口服务做作为数值的中转设备，数据的采集和计算放置在测距模块中，数据的展示分析功能放置在远程终端中。
79.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
80.本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。