壓力流體管道聲振動信號多向采集方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種壓力流體管道聲振動信號多向采集方法，包括被測管道，其創新在于：所述被測管道上至少設置有一傳感器，所述傳感器至少能對兩個方向上的聲振動信號進行感應，且兩個感應方向相互垂直；由兩個感應方向所形成的平面記為監測平面，監測平面與被測管道的軸向平行；傳感器對被測管道上的聲振動信號進行檢測并向外輸出檢測信號。本發明的有益技術效果是：可以擴展單個采集點的檢測區域，降低采集點設置密度，節省成本，信號的信噪比得到提高，泄漏檢測中漏點定位精度較高。
【專利說明】壓力流體管道聲振動信號多向采集方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種管道監測技術，尤其涉及一種壓力流體管道聲振動信號多向采集方法及裝置。
【背景技術】
[0002]通過采集壓力流體管道由于流體運動引起的管壁聲振動信號，可以實現對管道結構運行狀態的監測，進而發現管道流體泄漏及定位泄漏點。
[0003]現有技術中，采集管道聲振動的傳感探頭一般都安裝在管道外壁或者與管道接觸的部件(如閥門、排氣口、消防栓等等)上。基于現有的管道聲振動監測方法，目前的監測裝置中，在一個采集點處僅設置了單方向敏感的聲振動傳感器，用于對單一方向上的聲振動進行信號采集，而且聲振動傳感器的傳感方向都與管道的徑向平行。例如，在管道監測中的管道泄漏檢測定位時，對相鄰兩個采集點的聲振動傳感器輸出信號進行相關峰值分析，當存在明顯的相關峰值時，表明兩采集點之間存在泄漏，相關峰值所在的位置，就是泄漏產生的聲振動傳遞到兩個聲振動傳感器的時間差，據此可以推算出漏點距離任一聲振動傳感器的距離，從而定位出泄漏點。
[0004]前述的現有技術存在的問題是:管道上的徑向振動主要包含橫振和剪切振動，由于這兩種振動隨傳播距離衰減較快，而且成分復雜，導致單個信號采集點采集的徑向振動信號的信噪比較低，可以監測的管道長度較短，對于長度較大的管道，必須要密集設置采集點，監測成本昂貴，且維護不便。另一方面，由于橫振和剪切振動的模式較多，且多個模式的色散也較大，導致各種頻率成分的振動速度存在較大差異，利用其進行相關峰值分析時，只能取管道振動的平均速度進行計算，存在較大的定位誤差。
[0005]對管道流體力學和流體運動引起的聲振動傳播特性進行深入分析后，我們就會發現，由于壓力流體正常流動或者泄漏引發的管道聲振動是同時沿管道徑向、管壁切向和管道軸向三個方向傳播的，而且振動模式包括縱振、橫振以及剪切振動，因此聲振動造成的管壁運動也包含了軸向、切向和徑向三個方向，也就是說，在管壁上，同時存在上述三個不同方向的聲振動。其中，軸向聲振動主要成分是縱波。現有理論可以證明，管道中沿軸向傳播的縱向聲振動隨傳播距離的衰減最慢，并且這部分的聲振動主要受管道內部流體的作用(如泄漏)產生，因此，采集管道軸向振動最有利于管道狀態監測，監測信號信噪比高。更重要的是縱振的主要模態(可以通過選擇傳感頻率范圍來對該模態進行選擇性采集)基本無色散，即采集到的縱振信號的聲速是不隨信號頻率改變的確定值，這樣在管道泄漏定位時，可以采用確定的縱波速度，有利于泄漏定位精度的提高。但是由于聲振動傳感器安裝在管道的外壁上，在實際工程應用中，很難精確確定傳感裝置與管道徑向的相對位置(角度)，導致傳感器安裝難度較大。
【發明內容】
[0006]針對【背景技術】中的問題，本發明提出了一種壓力流體管道聲振動信號多向采集方法，包括被測管道，其創新在于:所述被測管道上至少設置有一傳感器，所述傳感器至少能對兩個方向上的聲振動信號進行感應，且兩個感應方向相互垂直；由兩個感應方向所形成的平面記為監測平面，監測平面與被測管道的軸向平行；傳感器對被測管道上的聲振動信號進行檢測并向外輸出檢測信號。
[0007]本發明的原理是:通過在單個采集點處設置傳感器，來對兩個垂直方向上的聲振動信號進行采集，無論傳感器如何擺放，只要符合本方案中的設定，傳感器的輸出量中必然包含了沿管道軸向傳播的聲振動信號；當對應兩個感應方向上的聲振動信號的頻譜不重疊，表明兩個感應方向中的一者剛好與管道軸向平行，基于前文分析可知，管道中沿軸向傳播的縱向聲振動，主要由管道流體運動激勵產生，并且隨傳播距離衰減最慢，也即采集到的信號能量應該更強，也最能反映管道流體的運動狀況，由于縱波頻率比橫波、剪切波頻率高，故取信號能量集中在較高頻帶內的那個信號作為該采集點的有效輸出；當對應兩個感應方向上的聲振動信號的頻譜存在完全重疊或者部分重疊時，說明兩個感應方向均不與管道軸向平行。頻帶完全重疊時，以重疊頻帶的高頻率部分作為通帶對兩個信號分別進行濾波；濾波后獲得的兩個濾波輸出即分別為兩個信號中的縱向聲振動，故可以任取一個信號的濾波輸出作為該采集點的有效輸出，也可取兩個信號的濾波輸出的和作為有效輸出。頻帶部分重疊時，取以重疊頻帶的高頻率部分以及較高頻率的那部分不重疊頻帶作為通帶對兩個信號分別進行濾波；濾波后獲得的兩個濾波輸出即分別為兩個信號中的縱向聲振動，故可以任取一個信號的濾波輸出作為該采集點的有效輸出，也可取兩個信號的濾波輸出的和作為有效輸出。從前面的分析中可以看出，由于檢測對象為縱向聲振動，這就使單個傳感器的監測范圍得到了擴展，同時也使得信號的信噪比得到了提升，為后期處理創造了良好條件，同時還降低了傳感器設置難度。
[0008]優選地，獲取到檢測信號后，按如下方法對檢測信號進行處理:
方法一:提取檢測信號中的隨機性特征或頻率分布特征，進行模式識別，以實現漏點發現(具體的處理方法，本領域技術人員可根據現文獻【I】中報道的有技術進行操作);
方法二:以被測管道作為信道，從檢測信號中提取信道特性，以實現對被測管道的管道狀態辨識(具體的處理方法，本領域技術人員可根據文獻【2】中報道的現有技術進行操作)；方法三:沿被測管道延伸方向，間隔一定距離，設置兩個或多個傳感器，根據相鄰兩個傳感器輸出的檢測信號，進行相關峰值分析，相關峰值所在的位置，就是泄漏產生的聲振動傳遞到兩個傳感器的時間差，據此推算出漏點距離任一聲振動傳感器的距離，從而實現漏點定位(具體的處理方法，本領域技術人員可根據文獻【3】中報道的現有技術進行操作)；
【I】文玉梅，張雪園，文靜，甄錦鵬，王凱，依據聲信號頻率分布和復雜度的供水管道泄漏辨識，儀器儀表學報，2014，35 (6) , 15-21.【2】Jin Yang, Yumei Wen, Ping Li, Leak Locat1n Using Blind SystemIdentificat1n in Water Distribut1n Pipelines ， Journal of Sound and Vibrat1n,2008，310(1-2): 134-148.【3】楊進，文玉梅，李平，基于聲信號的供水管網自適應泄漏檢測定位儀器系統，測控技術，2005，24(10): 47-50.處理時，在三種方法中，或者任取一者或兩者采用，或者三者同時采用。
[0009]優選地，按如下方法確定傳感器的檢測信號(也即前文中的有效輸出):設傳感器上對應兩個感應方向的輸出量分別為X (t)和y (t)；
當X (t)和y (t)的頻譜不重疊時，取信號能量集中在較高頻帶內的那個輸出量作為傳感器的檢測信號；
當X (t)和y (t)的頻譜完全重疊時，以兩個輸出量的重疊頻帶中較高頻率部分作為通帶對X (t)和y (t)分別進行濾波；濾波后，或者任取一個輸出量的濾波輸出作為傳感器的檢測信號，或者取兩個輸出量的濾波輸出的和作為傳感器的檢測信號；
當X (t)和y (t)的頻譜存在部分重疊時，以兩個輸出量的重疊頻帶中較高頻率部分以及高頻率部分不重疊頻帶共同組成通帶對X (t)和y (t)分別進行濾波；濾波后，或者任取一個輸出量的濾波輸出作為傳感器的檢測信號，或者取兩個輸出量的濾波輸出的和作為傳感器的檢測信號；
優選地，所述傳感器采用雙軸傳感器或三軸傳感器；采用三軸傳感器時，任取兩個相互垂直的感應方向形成監測平面。
[0010]為了便于本領域技術人員實施，發明人還提出了一種壓力流體管道聲振動信號多向采集裝置，其結構為:所述壓力流體管道聲振動信號多向采集裝置由聲振動傳感器和基座組成，所述基座的外端面為平面，基座的內端面與管道外形匹配；聲振動傳感器設置于基座的外端面上，且聲振動傳感器的傳感方向與基座外端面平行；所述聲振動傳感器有兩個感應方向，兩個感應方向互相垂直。
[0011]本發明的有益技術效果是:可以擴展單個采集點的檢測區域，降低采集點設置密度，節省成本，信號的信噪比得到提高，泄漏檢測中漏點定位精度較高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1、本發明的原理示意圖(圖中方向一和方向二即分別代表傳感器的兩個感應方向)；
圖2、本發明的裝置設置位置示意圖(圖中標記I為管道，標記2為基座，標記3為聲振動傳感器);
圖3、本發明的裝置端面結構示意圖(圖中標記2為基座，標記3為聲振動傳感器)。
【具體實施方式】
[0013]一種壓力流體管道聲振動信號多向采集方法，包括被測管道，其創新在于:所述被測管道上至少設置有一傳感器，所述傳感器至少能對兩個方向上的聲振動信號進行感應，且兩個感應方向相互垂直；由兩個感應方向所形成的平面記為監測平面，監測平面與被測管道的軸向平行；傳感器對被測管道上的聲振動信號進行檢測并向外輸出檢測信號。
[0014]進一步地，獲取到檢測信號后，按如下方法對檢測信號進行處理:
方法一:提取檢測信號中的隨機性特征或頻率分布特征，進行模式識別，以實現漏點發現；
方法二:以被測管道作為信道，從檢測信號中提取信道特性，以實現對被測管道的管道狀態辨識；
方法三:沿被測管道延伸方向，間隔一定距離，設置兩個或多個傳感器，根據相鄰兩個傳感器輸出的檢測信號，進行相關峰值分析，相關峰值所在的位置，就是泄漏產生的聲振動傳遞到兩個傳感器的時間差，據此推算出漏點距離任一聲振動傳感器的距離，從而實現漏點定位；
處理時，在三種方法中，或者任取一者或兩者采用，或者三者同時采用。
[0015]進一步地，按如下方法確定傳感器的檢測信號:設傳感器上對應兩個感應方向的輸出量分別為X (t)和y (t)；
當X (t)和y (t)的頻譜不重疊時，取信號能量集中在較高頻帶內的那個輸出量作為傳感器的檢測信號；
當X (t)和y (t)的頻譜完全重疊時，以兩個輸出量的重疊頻帶中較高頻率部分作為通帶對X (t)和y (t)分別進行濾波；濾波后，或者任取一個輸出量的濾波輸出作為傳感器的檢測信號，或者取兩個輸出量的濾波輸出的和作為傳感器的檢測信號；
當X (t)和y (t)的頻譜存在部分重疊時，以兩個輸出量的重疊頻帶中較高頻率部分以及高頻率部分不重疊頻帶共同組成通帶對X (t)和y (t)分別進行濾波；濾波后，或者任取一個輸出量的濾波輸出作為傳感器的檢測信號，或者取兩個輸出量的濾波輸出的和作為傳感器的檢測信號；
進一步地，所述傳感器采用雙軸傳感器或三軸傳感器；采用三軸傳感器時，任取兩個相互垂直的感應方向形成監測平面。
[0016]一種壓力流體管道聲振動信號多向采集裝置，其結構為:所述壓力流體管道聲振動信號多向采集裝置由聲振動傳感器和基座組成，所述基座的外端面為平面，基座的內端面與管道外形匹配；聲振動傳感器設置于基座的外端面上，且聲振動傳感器的傳感方向與基座外端面平行；所述聲振動傳感器有兩個感應方向，兩個感應方向互相垂直。
[0017]實施例:
參見圖3，圖中裝置采用二軸加速度傳感器來實現本發明的方案，具體的二軸加速度傳感器可采用美國ADI公司的ADXL203 二軸加速度傳感器，另外，本發明方案還可采用三向傳感器實現，如意法半導體(ST) LIS332AR三軸加速度傳感器，具體應用時，在三向傳感器上任取兩個互相垂直的傳感方向構成監測平面。
【權利要求】
1.一種壓力流體管道聲振動信號多向采集方法，包括被測管道，其特征在于:所述被測管道上至少設置有一傳感器，所述傳感器至少能對兩個方向上的聲振動信號進行感應，且兩個感應方向相互垂直；由兩個感應方向所形成的平面記為監測平面，監測平面與被測管道的軸向平行；傳感器對被測管道上的聲振動信號進行檢測并向外輸出檢測信號。
2.根據權利要求1所述的壓力流體管道聲振動信號多向采集方法，其特征在于:獲取到檢測信號后，按如下方法對檢測信號進行處理: 方法一:提取檢測信號中的隨機性特征或頻率分布特征，進行模式識別，以實現漏點發現； 方法二:以被測管道作為信道，從檢測信號中提取信道特性，以實現對被測管道的管道狀態辨識； 方法三:沿被測管道延伸方向，間隔一定距離，設置兩個或多個傳感器，根據相鄰兩個傳感器輸出的檢測信號，進行相關峰值分析，相關峰值所在的位置，就是泄漏產生的聲振動傳遞到兩個傳感器的時間差，據此推算出漏點距離任一聲振動傳感器的距離，從而實現漏點定位； 處理時，在三種方法中，或者任取一者或兩者采用，或者三者同時采用。
3.根據權利要求1或2所述的壓力流體管道聲振動信號多向采集方法，其特征在于:按如下方法確定傳感器的檢測信號:設傳感器上對應兩個感應方向的輸出量分別為X (t)和 y (t)； 當X (t)和y (t)的頻譜不重疊時，取信號能量集中在較高頻率范圍內的那個輸出量作為傳感器的檢測信號； 當X (t)和y (t)的頻譜完全重疊時，以兩個輸出量的重疊頻帶中較高頻率部分作為通帶對X (t)和y (t)分別進行濾波；濾波后，或者任取一個輸出量的濾波輸出作為傳感器的檢測信號，或者取兩個輸出量的濾波輸出的和作為傳感器的檢測信號； 當X (t)和y (t)的頻譜存在部分重疊時，以兩個輸出量的重疊頻帶中較高頻率部分以及高頻率部分不重疊頻帶共同組成通帶對X (t)和y (t)分別進行濾波；濾波后，或者任取一個輸出量的濾波輸出作為傳感器的檢測信號，或者取兩個輸出量的濾波輸出的和作為傳感器的檢測信號。
4.根據權利要求1或2所述的壓力流體管道聲振動信號多向采集方法，其特征在于:所述傳感器采用雙軸傳感器或三軸傳感器；采用三軸傳感器時，任取兩個相互垂直的感應方向形成監測平面。
5.一種壓力流體管道聲振動信號多向采集裝置，其特征在于:所述壓力流體管道聲振動信號多向采集裝置由聲振動傳感器和基座組成，所述基座的外端面為平面，基座的內端面與管道外形匹配；聲振動傳感器設置于基座的外端面上，且聲振動傳感器的傳感方向與基座外端面平行；所述聲振動傳感器有兩個感應方向，兩個感應方向互相垂直。
【文檔編號】G01H1/12GK104132251SQ201410371741
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】李平, 文玉梅, 李帥永, 文靜, 邱景, 楊進, 董曉萱, 穆彥華 申請人:重慶大學