波紋補償器無線監測系統的研制

董小方

（秦皇島北方管業有限公司，河北 秦皇島066004）

0 引言

物聯網是隨著現代信息技術的發展而出現的，是信息技術發展程度的階段性標志產物，是事物之間通過互聯網建立聯系并展開合作的技術。它包括兩個方面的意義：第一,物聯網是以互聯網為基礎的，它是基于Internet網絡的發展而出現的；第二,其應用范圍已經超越互聯網而發展到了需要信息的溝通和交流的現代社會的各個方面。與快速的社會進步以及高速進步的科學技術結伴而行，物聯網愈發深入的被應用到了我國各個領域，這也為該技術在我國飛速發展提供了更廣闊的平臺。目前，工業領域的設備故障診斷及維修的傳統技術越發顯得能力不足,而借助物聯網技術，就可以將故障診斷與維修技術帶入到以網絡的實時監控和診斷為基礎的新高度。

波紋補償器的傳統缺陷是其檢測需要經驗豐富的維護人員去現場進行頻繁檢查。一些波紋補償器安裝在高空或被土壤覆蓋,維修人員很難知道何時發生故障。波紋補償器無法安全運行將會導致設備故障。但是，隨著物聯網技術的快速進步，以物聯網技術為核心的遠程監控平臺就能夠將上述問題快速解決掉。

對工業設備的實時監控可以有效解決員工的時間和位置限制,并將監控系統合理的配置在各個位置的終端節點,通過嵌入式數據收集，并將數據進行遠程無線傳輸,對數據分析處理后進行對比，超過正常值時通過網絡將異常信息進行反饋的物聯網系統。通過該系統，維護人員可以第一時間發現問題，迅速確定工作方案并實施。這樣不僅能夠大幅度提升工作效率、縮小故障范圍、降低勞動強度，而且能夠大幅度提升設備的使用壽命。本研究使用物聯網技術，通過各種傳感器采集波紋補償器的技術參數，遠程監控波紋補償器的工作狀態。

1 波紋補償器的工作原理及其在我國的發展

波紋補償器是一種補償元件,在行業中也稱為膨脹縫或軟連接。它安裝在管道中,以吸收溫度和壓力變化引起的位移,確保管道能夠安全運行。

不銹鋼波紋管是波紋補償器的核心彈性元件，它依靠不銹鋼部分的膨脹和彎曲在軸向、橫向以及各個角度方向上補償管道的變化。它的作用不僅包括對管道因受到熱量、地理環境以及內部介質等因素的影響而在軸向、徑向以及角向產生的形變進行補償，而且能平衡設備振動對管道的影響以及地震、地面運動等引起的管道變形等。

2 波紋補償器無線監控系統的配置和工作原理

2.1 波紋補償器監控系統的硬件配置和功能

用于移動終端的波紋補償器無線監控裝置主要包括壓力傳感器、位移傳感器,溫度傳感器、信號處理裝置、電源裝置和信號接收裝置以及輔助部件。每個硬件組件的主要組成及功能如下:

2.1.1傳感器部分 主要由高性能壓力傳感器、溫度傳感器以及位移傳感器組成,其作用是收集波紋補償器的參數并將其帶到信號處理設備中。

2.1.2 信號處理單元 由Zigbee信號模塊、濾波板、A/D轉換模塊、單片機等組成。通過這些傳感器單元，我們就能采集到各種信號，在將這些物理信號轉化為數字信號后，將其傳輸到無線網絡系統中。

2.1.3 電源 它為傳感器部分、信號處理設備和信號接收設備部分供電。

2.1.4 信號接收裝置 是接收信號發射模塊發送的數據,通過以太網接口模塊進行處理,并通過SQL數據庫對數據進行存儲的部件。

2.1.5 數據中心服務器 主要實現移動終端與數據采集終端之間的數據處理和交互工作。

2.1.6 移動終端 從信號接收設備接收數據,將其與正常數據進行比較和分析,在數據異常時發出警報,并通過Internet將其發送到遠程監控主機。

2.2 軟件配置和功能

為了實現設備的特定功能,不僅需要上述硬件的支持,還需要相關軟件進行處理和分析,以準確檢測波紋補償器的狀態并在出現異常時能夠及時報警。它主要包括以下特定功能:

2.2.1 數據的采集和存儲 將各種傳感器采集到的溫度、壓力以及位移等信號在軟件模塊中進行收集并存儲。

2.2.2 HMI（人機界面）將采集到的壓力、位移和溫度等信號進行實時顯示。如此，就能夠展現波紋補償器的狀態。

2.2.3 數據分析 對最近收集的數據進行整理和分析,以確定波紋補償器的狀態。

2.2.4 報警處理 經過數據分析后,如果波紋補償器工作狀態超出正常范圍，軟件將及時報警，顯示并存儲異常數據，通知相關人員及時查看并處理異常。

3 系統安裝與調試

3.1 系統安裝

在波紋補償器的表面上固定溫度傳感器，在波紋管的兩端安裝固定支架。第一個位移傳感器要平行于波紋管安裝。不過，一旦波紋管的補償位移過大而超過可受承范圍,則很容易發生故障。在實際工作過程中,由于振動產生的壓力不均勻,會導致波紋補償器補償失效，因此,第二個位移傳感器在與第一位移傳感器相差90°的方向上,以相同的方式安裝,從而確保了位移數據的準確性。

因為波紋補償器需要承受其兩端管路及本身形變帶來的高應，所以加裝壓力傳感器以實時對波紋補償器的壓力狀況進行監控是非常有必要的。于是，需要在波紋補償器上打孔并加入壓力傳感器后再對孔位周邊進行密封。在紋波補償器的交點處焊接一個支架,以放置信號處理盒和電源模塊,將傳感器連接到信號處理盒,然后將電源模塊連接到傳感器和信號處理盒,以達到電源供應的目的。

3.2 信號采集與處理

傳感器信號的采集：首先將溫度傳感器、壓力傳感器以及位移傳感器直接連接到指定位置上。各種傳感器的另一端與ZigBee模塊相連。再通過USB電纜連接電源為模塊供電。打開計算機上與ZigBee模塊相匹配的信號采集軟件，以接收信號程序并將其傳輸到2個ZigBee模塊,設置參數并啟動通信。此時，記錄溫度、壓力以及位移的實時數據。然后,對波紋管上進行升溫。再將震源直接插放入波紋管內部加強振動。并且可以將波紋管倒置放置在試驗臺上以進行數據的收集和存儲。重復上述步驟,將溫度、位移和壓力傳感器放置在波紋補償器上的不同位置,并測量多個數據集。

我們將波紋補償器的溫度最高值設定在105℃。此時，保持壓力不變,僅改變波紋補償器的溫度。通過試驗發現，當測試溫度達到103°C時,系統將發出警報，溫度再次降至101℃時發出故障恢復解除報警信息。然后，將補償器的位移最大值設定為160 mm,此時保持溫度和壓力不變，在此條件下進展開位移測試。當位移達到155 mm時,系統會發出警告，在位移降低至150 mm時發出報警解除信息。同樣,將補償器的壓力最大值設定為3.8 MPa。保持溫度和位移不變,僅改變波紋補償器的壓力。經過壓力測試發現，當壓力達到3.6 MPa時,系統會發出警告，壓力降低至3.5 MPa以后發出報警解除信息。

3.3 溫度、位移以及壓力信號的精確性解析

經過大量測試后,系統測得的溫度是正確的,但測得的位移和壓力數據與實際位移值之間存在一定誤差。

分析得出,位移值誤差的根本原因是波紋補償器在變形過程中會彎曲而不會均勻變形,并且誤差的幅度與彎曲程度成正比。因此,有必要安裝2個位移傳感器在波紋補償器上，用來減小彎曲引起的誤差。

同時,壓力誤差是由于波紋管補償器的密封性差引起的。為減小壓力誤差，需要安裝密封圈或通過電焊將其密封的方式實現。

4 結語

該設計實現了基于LabVlEW的波紋補償器的無線監控系統,該系統可以實時監控波紋補償器。通過試驗,可以成功地發送和接收收集到的信號。它還可以直接觀察監控位移、壓力和溫度數據的變化,如果信號突然發生異常變化,軟件會立即觸發警報并將信息發送給相關人員。綜上所述,所設計的系統能夠監測波紋補償器的工作狀態,具有一定的實用價值。