專利名稱：基于聲波協(xié)同檢測的管道震擊破壞定位系統(tǒng)及其定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及涉及一種基于聲波協(xié)同檢測的管道震擊破壞定位系統(tǒng)及其定位方法。

背景技術：
管道輸送在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛并在各行各業(yè)發(fā)揮著重要作用，由于腐蝕、焊縫缺陷、震動及沖刷等原因引起的自然損壞造成的泄漏變得日益嚴重，一些地區(qū)的輸油管線的人為破壞偷盜現(xiàn)象時有發(fā)生。管道泄漏不僅會影響管道輸送的正常進行，造成重大經(jīng)濟損失，而且當輸送有毒害、腐蝕性、易燃易爆的介質(zhì)時，還會污染環(huán)境，引起火災爆炸事故。因此，對管道泄漏的預防及泄漏的及時報警、定位具有極為重要的現(xiàn)實意義。
各種管道泄漏檢測方法在管道安全運行中發(fā)揮了重要作用，但泄漏檢測方法是以管道內(nèi)流體的流量、壓力等狀態(tài)信號發(fā)生了顯著變化為基礎，已經(jīng)發(fā)生泄漏后才能報警。引發(fā)管道泄漏事故的種種原因中，人為破壞管道造成的泄漏已超過腐蝕而位居首位，因此，研究管道剛發(fā)生破壞時就能檢測定位的預警系統(tǒng)具有重要意義。
研究和利用管道導波規(guī)律，采用管道聲檢測技術對管線運行狀態(tài)進行監(jiān)控，能夠?qū)鬏敼芫€安全運行進行預警防護，當管道震擊破壞或發(fā)生泄漏時，系統(tǒng)對管道破壞自動檢測與診斷，為操作者提供一個反映外部破壞的“震擊”警報，能有效遏制人為破壞，最大限度地減少物質(zhì)漏失及對人民生命財產(chǎn)和環(huán)境造成的危害。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決目前管道泄漏振動檢測方法不能及時給出預警信息，不能及時定位，不能有效遏制人為破壞，造成國家財產(chǎn)損失和環(huán)境污染等問題，提供一種具有方法簡單，使用方便，可準確及時有效的發(fā)出報警消息，并進行定位，從而有效保護國家財產(chǎn)，減少了輸油管線泄露對環(huán)境造成破壞的基于聲波協(xié)同檢測的管道震擊破壞定位系統(tǒng)及其定位方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案 一種基于聲波協(xié)同檢測的管道震擊破壞定位系統(tǒng)，它包括檢測管道，所述檢測管道上設有若干個測試點，在每個測試點上安裝橫波檢測傳感器和縱波檢測傳感器，各檢測器傳感器與上位計算機通訊。
一種基于聲波協(xié)同檢測的管道震擊破壞定位方法，它方法為， (1)在管道上根據(jù)設計要求設置若干個測試點，在每個測試點安裝橫波檢測傳感器和縱波檢測傳感器； (2)在管道出現(xiàn)異常震動時，與震擊點最近的測試點上的橫波和縱波檢測傳感器將接收的聲波信號進行處理，確定橫波縱波傳播時間差； (3)該時間差信號送入上位計算機，一方面與上位計算機中的數(shù)據(jù)庫資料進行比對，確定震擊類型，并給出聲速差系數(shù)k，同時上位計算機利用公式s＝kτ對震擊點定位，其中s為震擊點距檢測點傳感器的距離，τ為兩傳感器收到信號的時間差。
所述步驟(2)中，橫波檢測傳感器對信號的處理過程為，它將接收的信號依次進行信號放大、信號濾波、A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號處理，利用公式s＝v2t2，其中v2為橫波在管壁中的傳播速度，t2為聲波到達測點傳感器的時間，記錄橫波到達時刻。
所述步驟(2)中，縱波檢測傳感器對信號的處理過程為，它將接收的信號依次進行信號放大、信號濾波、A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號處理，利用公式s＝v1t1，其中v1為縱波在管壁中的傳播速度，t1為聲波到達測點傳感器的時間，記錄縱波到達時刻。
所述步驟(3)中確定聲速差系數(shù)k時，事先選定一個震擊破壞試驗點，設定震擊破壞試驗點與測試點間的已知距離為s0，然后由兩傳感器確定收到信號的時間差τ0，利用公式確定聲速差系數(shù)k。
本發(fā)明的定位原理 1聲波在管道中的傳播方式 管道既是遠距離輸送物質(zhì)的通道，同時又是信息傳播的媒介，因此可以將其作為遙測和實時故障監(jiān)測系統(tǒng)中的信息通道。當壓力管道發(fā)生泄漏或受到震動沖擊時，管道發(fā)生振動產(chǎn)生聲音，聲源把振動能量傳給周圍介質(zhì)，使介質(zhì)產(chǎn)生波動，這樣聲音就能夠傳播，所以說聲音是一種波動。利用鋼管道傳聲，可以得到沿管壁傳播的縱波、橫波和聲表面波。
圖2中，管壁固體中的彈性波傳播除了能產(chǎn)生體積形變外，還會產(chǎn)生切形變，因此，在固體中一般除了能傳播壓縮與膨脹的縱波外，同時還能傳播橫波也稱為等容波、剪切波。除此之外，在固體的自由表面還會產(chǎn)生振幅隨離表面深度而衰減的表面波。
在管壁中傳播時縱波、橫波和聲表面波的傳播速度分別為 縱波波速 橫波波速 聲表面波波 其中，ρ為固體媒質(zhì)的密度，E為固體媒質(zhì)的楊氏模量，σ為媒質(zhì)的泊松比，g與σ有關。因為在一般固體媒質(zhì)中有0≤σ≤0.5，因此有cL/cT＞1，也就是說縱波的波速大于橫波的波速，例如，鋼的泊松比σ＝0.28，縱波聲速cL＝5050m/s；橫波聲速cT＝3200m/s。由于g＜1，所以聲表面波傳播速度恒小于橫波的速度。聲表面波在離開表面以后的衰減十分迅速，一般不超過幾個波長的深度就幾乎不存在了。
從聲波的傳播機理可知，橫波媒質(zhì)質(zhì)點的振動會與周圍介質(zhì)發(fā)生相互作用，并向外輻射聲能，媒質(zhì)中的橫波能量因此而衰減，而在媒質(zhì)中傳播的縱波，在低頻段(＜10kHz)只有最低階波形，最低階縱向波型是其最重要的波形，其橫向位移與縱向位移相比要小得多，縱波能量因此面衰減較慢。對于實際生產(chǎn)中的管道，管壁中傳播的徑向振動會與周圍的支撐體或地層巖石以及管內(nèi)的流體發(fā)生相互作用而輻射聲能，使橫波能量衰減較嚴重；縱波在管壁中傳播時其徑向位移與縱向位移相比要小得多，縱波能量衰減速率相對較慢。
由此可見，管道內(nèi)流體中的縱波、管壁中的縱波以及近距離的橫波是可表征管道震擊的參量，提取該信號可用于管道破壞監(jiān)測與定位。
2聲波的檢測與聲源定位 這里提出了一種在管道上采用兩種傳感器協(xié)同檢測的單點定位法，在測點位置同時按照橫波和縱波檢測傳感器，其測量定位原理如圖1所示，設震擊點距檢測點傳感器的距離為s，縱波在管壁中的傳播速度為v1，聲波到達測點傳感器的時間為t1，橫波在管壁中的傳播速度為v2，聲波到達測點傳感器的時間為t2，兩傳感器收到信號的時間差τ，則 s＝v1t1(5) s＝v2t2(6) τ＝t2-t1 (7) 將式(5)、(6)帶入式(7)解得 令它是與聲速差有關的系數(shù)，則震擊聲源距測點的距離s與兩種傳感器收到信號的時間差τ的關系為 s＝kτ(9) 式中k可以根據(jù)v1和v2的理論值或?qū)嶒炛荡胧角蟮?。由于影響聲速的因素很多，根?jù)聲速求算聲速差系數(shù)k會引起較大的誤差。這里，我們事先選定一個震擊破壞試驗點，震點與測點的距離s0已知，再測量出相應的時間差τ0，便可以直接得到聲速差系數(shù) 本發(fā)明的有益效果是這種方法獲得的聲速差系數(shù)綜合了各種因素對管道傳聲的影響，集中反映了管道的實際工作狀況，又具有很高的定位精度。用傳感器協(xié)同測量同一震動聲源兩種傳輸方式的信號的方法，依據(jù)聲波傳播的速度差，能夠確定聲源的位置。還提出聲速差系數(shù)的概念，現(xiàn)場實驗測量方法獲得的聲速差系數(shù)綜合了各種因素對管道傳聲的影響，集中反映了管道的實際工作狀況，實驗結(jié)果表明，這種方法操作簡便又具有很高的定位精度，適用于架空管道的震擊檢測與定位。



圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖； 圖2為單點測量的聲波示意圖； 圖3為36m遠處擊震時兩傳感器接收到的實測結(jié)果圖； 圖4為84m遠處擊震時兩傳感器接收到的實測結(jié)果； 圖5為本發(fā)明的信號處理流程圖。
其中，1.管道，2.橫波檢測傳感器，3.縱波檢測傳感器，4.震擊點。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1中，本發(fā)明的系統(tǒng)組成為，它包括檢測管道1，檢測管道1上設有若干個測試點，在每個測試點上安裝橫波檢測傳感器2和縱波檢測傳感器3，各檢測器傳感器與上位計算機通訊，通訊方式可為有線或無線方式。
本發(fā)明的檢測方法為如圖5所示 (1)在管道1上根據(jù)設計要求設置若干個測試點，在每個測試點安裝橫波檢測傳感器2和縱波檢測傳感器3； (2)在管道1出現(xiàn)異常震動時，與震擊點4最近的測試點上的橫波和縱波檢測傳感器將接收的聲波信號進行處理，確定橫波縱波傳播時間差； (3)該時間差信號送入上位計算機，一方面與上位計算機中的數(shù)據(jù)庫資料進行比對，確定震擊類型，并給出聲速差系數(shù)k，同時上位計算機利用公式s＝kτ對震擊點定位，其中s為震擊點距檢測點傳感器的距離，τ為兩傳感器收到信號的時間差。
所述步驟(2)中，橫波檢測傳感器對信號的處理過程為，它將接收的信號依次進行信號放大、信號濾波、A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號處理，利用公式s＝v2t2，其中v2為橫波在管壁中的傳播速度，t2為聲波到達測點傳感器的時間，記錄橫波到達時刻。
所述步驟(2)中，縱波檢測傳感器對信號的處理過程為，它將接收的信號依次進行信號放大、信號濾波、A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號處理，利用公式s＝v1t1，其中v1為縱波在管壁中的傳播速度，t1為聲波到達測點傳感器的時間，記錄縱波到達時刻。
所述步驟(3)中確定聲速差系數(shù)k時，事先選定一個震擊破壞試驗點，設定震擊破壞試驗點與測試點間的已知距離為s0，然后由兩傳感器確定收到信號的時間差τ0，利用公式確定聲速差系數(shù)k。
圖2給出了單點測試的波形圖；圖3、圖4則分別為距測點36m、84m遠處擊震時兩傳感器接收到的實測結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種基于聲波協(xié)同檢測的管道震擊破壞定位系統(tǒng)，它包括檢測管道，其特征是所述檢測管道上設有若干個測試點，在每個測試點上安裝橫波檢測傳感器和縱波檢測傳感器，各檢測器傳感器與上位計算機通訊。
2.一種采用權(quán)利要求1所述基于聲波協(xié)同檢測的管道震擊破壞定位系統(tǒng)的定位方法，其特征是它方法為，
(1)在管道上根據(jù)設計要求設置若干個測試點，在每個測試點安裝橫波檢測傳感器和縱波檢測傳感器；
(2)在管道出現(xiàn)異常震動時，與震擊點最近的測試點上的橫波和縱波檢測傳感器將接收的聲波信號進行處理，確定橫波縱波傳播時間差；
(3)該時間差信號送入上位計算機，一方面與上位計算機中的數(shù)據(jù)庫資料進行比對，確定震擊類型，并給出聲速差系數(shù)k，同時上位計算機利用公式s＝kτ對震擊點定位，其中s為震擊點距檢測點傳感器的距離，τ為兩傳感器收到信號的時間差。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于聲波協(xié)同檢測的管道震擊破壞定位方法，其特征是所述步驟(2)中，橫波檢測傳感器對信號的處理過程為，它將接收的信號依次進行信號放大、信號濾波、A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號處理，利用公式s＝v2t2，其中v2為橫波在管壁中的傳播速度，t2為聲波到達測點傳感器的時間，記錄橫波到達時刻。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于聲波協(xié)同檢測的管道震擊破壞定位方法，其特征是所述步驟(2)中，縱波檢測傳感器對信號的處理過程為，它將接收的信號依次進行信號放大、信號濾波、A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號處理，利用公式s＝v1t1，其中v1為縱波在管壁中的傳播速度，t1為聲波到達測點傳感器的時間，記錄縱波到達時刻。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于聲波協(xié)同檢測的管道震擊破壞定位方法，其特征是所述步驟(3)中確定聲速差系數(shù)k時，事先選定一個震擊破壞試驗點，設定震擊破壞試驗點與測試點間的已知距離為S0，然后由兩傳感器確定收到信號的時間差τ0，利用公式確定聲速差系數(shù)k。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于聲波協(xié)同檢測的管道震擊破壞定位系統(tǒng)及其定位方法。它具有方法簡單，使用方便，報警及時，定位準確，減少財產(chǎn)損失，降低環(huán)境污染等優(yōu)點。其方法為(1)在管道上根據(jù)設計要求設置若干個測試點，在每個測試點安裝橫波檢測傳感器和縱波檢測傳感器；(2)在管道出現(xiàn)異常震動時，與震擊點最近的測試點上的橫波和縱波檢測傳感器將接收的聲波信號進行處理，確定橫波縱波傳播時間差；(3)該時間差信號送入上位計算機，一方面與上位計算機中的數(shù)據(jù)庫資料進行比對，確定震擊類型，并給出聲速差系數(shù)k，同時上位計算機利用公式s＝kτ對震擊點定位，其中s為震擊點距檢測點傳感器的距離，τ為兩傳感器收到信號的時間差。
文檔編號F17D5/00GK101206010SQ200710115348
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者艾長勝, 趙洪華, 初文杰 申請人:濟南大學