本發(fā)明涉及空冷器檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及空冷器翅片管束檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種空冷器翅片管束的泄漏檢測與定位方法。

背景技術(shù)：

空冷器，也稱空氣冷卻器，是以環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，橫掠翅片管束外，使管束內(nèi)高溫工藝流體得到冷卻或冷凝的設(shè)備。隨著感應(yīng)加熱設(shè)備使用的不斷增多，因用戶自身條件各不相同，有的對于設(shè)備的水冷系統(tǒng)不夠重視，有的許多用戶未按規(guī)定使用蒸餾水，而使用普通井水或自來水，在實際工作中水質(zhì)對設(shè)備的水冷系統(tǒng)及元器件又影響很大，因此，現(xiàn)有技術(shù)中，常使用空冷器來代替水冷式殼-管式換熱器冷卻介質(zhì)。

翅片管束是一種用于空冷器中的換熱管，通常通過在換熱管的表面加裝翅片，來增大換熱管的外表面積(或內(nèi)表面積)，從而達(dá)到提高換熱效率的目的。翅片管束的工作狀態(tài)對于整個空冷器的工作狀態(tài)的影響都很大，如果翅片管束出現(xiàn)泄漏等故障，將大大影響空冷器的工作效果。

然而，現(xiàn)有技術(shù)中，尚沒有一種行之有效的翅片管束泄漏檢測的方法，也無法實現(xiàn)翅片管束泄漏點的精確定位，無法保證空冷器持續(xù)有效的工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種能夠?qū)崿F(xiàn)的空冷器翅片管束的泄漏檢測與定位方法，將超聲波檢測原理和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)了翅片管束泄漏的檢測以及泄漏點的精確定位，有效保障空冷器穩(wěn)定工作。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具有如下構(gòu)成：

該空冷器翅片管束的泄漏檢測與定位方法，所述的方法包括以下步驟：

在翅片管束區(qū)域中設(shè)置多個超聲波傳感器節(jié)點，所述多個超聲波傳感器節(jié)點排布形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)所述多個超聲波傳感器節(jié)點采集到的超聲波信號的強度進行網(wǎng)格區(qū)域的判定，得到泄漏點所在的網(wǎng)格；

采用tdoa時延估計法計算所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離差值，并根據(jù)幾何關(guān)系得到泄漏點的位置。

可選地，所述多個超聲波傳感器節(jié)點形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各個網(wǎng)格均為邊長為3m的正方形。

可選地，所述根據(jù)所述多個超聲波傳感器節(jié)點采集到的超聲波信號的強度進行網(wǎng)格區(qū)域的判定，包括如下步驟：

根據(jù)所述多個超聲波傳感器節(jié)點采集到的超聲波信號的強度篩選出信號強度最高的四個超聲波傳感器節(jié)點；

根據(jù)篩選出的四個超聲波傳感器節(jié)點得到泄漏點所在的網(wǎng)格。

可選地，所述進行網(wǎng)格區(qū)域的判定之后，還包括如下步驟：

根據(jù)篩選出的四個超聲波傳感器節(jié)點中信號強度最高的三個超聲波傳感器節(jié)點將泄漏點鎖定在一個等腰三角形區(qū)域內(nèi)，所述等腰三角形的三個頂點分別為所述信號強度最高的三個超聲波傳感器節(jié)點。

可選地，所述計算所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離，包括如下步驟：

根據(jù)如下公式計算所述泄漏點到所述信號強度最高的三個超聲波傳感器節(jié)點的距離之間的差值：

y-x＝l1

z-x＝l2

l1＝(t1-t2)*v

l2＝(t3-t2)*v

其中，x、y、z分別為所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離，v為超聲波信號的傳播速率，超聲波信號到達(dá)所述超聲波傳感器節(jié)點的時刻分別為t1、t2、t3，l1與l2分別為y與x的差值以及z與x的差值。

可選地，所述計算所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離，還包括如下步驟：

采用海倫公式以及所述泄漏點到所述信號強度最高的三個超聲波傳感器節(jié)點的距離之間的差值計算所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離。

可選地，所述多個超聲波傳感器節(jié)點形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各個網(wǎng)格均為邊長為3m的正方形，根據(jù)如下公式計算所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離：

p＝(a+b+c)/2

p1＝(x+l1+3)/2

p3＝(x+x+l2+3)/2

s＝s1+s2+s3＝4.5

其中，s1、s2、s3分別為所述泄漏點與所述等腰三角形的三個頂點中任兩個頂點之間組成的三個內(nèi)部三角形的面積，s為等腰三角形的面積，a、b、c為所述等腰三角形三角形的邊長，p為半周長，p1、p2、p3分別為三個內(nèi)部三角形的半周長。

可選地，所述根據(jù)計算得到的距離得到泄漏點的位置，包括如下步驟：

根據(jù)如下公式計算泄漏點的位置：

其中，x、y、z分別為所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離，泄漏點的坐標(biāo)為(x0,y0)，所述等腰三角形中的三個頂點的坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)。

可選地，各個所述超聲波傳感器節(jié)點為由四個超聲波傳感器組成的超聲波信號接收板。

采用了該發(fā)明中的空冷器翅片管束的泄漏檢測與定位方法，針對大型加氫空冷器泄漏檢測與定位的方法，將超聲波檢測原理與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用與空冷器翅片管束上。提出了翅片管束的超聲波最佳檢測距離為3m，并在此基礎(chǔ)上以空冷器ec102為例提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建原理。提出了新的泄漏定位方法，包括利用檢測信號強度的初步定位，引入了tdoa時延算法和海倫公式，建立數(shù)學(xué)模型進行精確定位；有效保障空冷器穩(wěn)定有效的工作，應(yīng)用方便，適用于大規(guī)模推廣應(yīng)用，對于空冷器的進一步推廣應(yīng)用也具有十分重要的意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的空冷器翅片管束的泄漏檢測與定位方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明的超聲波傳感器節(jié)點排布的示意圖。

圖3為本發(fā)明的泄漏點初步定位的示意圖。

圖4為本發(fā)明的通過時延估計法進行泄漏點定位的示意圖。

圖5為本發(fā)明的二維坐標(biāo)系模型的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：

a泄漏點

b1～b4超聲波傳感器節(jié)點

b5翅片管束區(qū)域

b6進口管

b7襯管

c1第一個內(nèi)部三角形

c2第二個內(nèi)部三角形

c3第三個內(nèi)部三角形

具體實施方式

為了能夠更清楚地描述本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實施例來進行進一步的描述。

為了實現(xiàn)本發(fā)明中對空冷器翅片管束的泄漏檢測與定位的目的，本發(fā)明設(shè)計基于超聲波檢測原理結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的檢測系統(tǒng)對翅片管束進行實時監(jiān)測與泄漏定位。在泄漏檢測中利用超聲波檢測原理，利用多個超聲波接收板組成的傳感器節(jié)點來搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上對泄漏點進行定位，在泄漏定位中采用三種定位算法：聲壓級的初步定位，tdoa(timedifferenceofarrival，到達(dá)時間差)時延算法以及利用幾何關(guān)系的精確定位。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種空冷器翅片管束的泄漏檢測與定位方法，包括如下步驟：

s100：在翅片管束區(qū)域b5中設(shè)置多個超聲波傳感器節(jié)點，所述多個超聲波傳感器節(jié)點排布形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；本發(fā)明無需用到超聲波發(fā)生器?？绽淦鲀?nèi)部為高溫高壓環(huán)境，由于壁厚減薄導(dǎo)致的腐蝕穿孔的泄漏孔徑很小，高壓氣體在泄漏時會有很高的雷諾數(shù)，泄漏氣體在泄漏孔附近形成湍流從而產(chǎn)生超聲波，利用這一自然現(xiàn)象，可以采用超聲波方法來檢測泄漏。

s200：根據(jù)所述多個超聲波傳感器節(jié)點采集到的超聲波信號的強度進行網(wǎng)格區(qū)域的判定，得到泄漏點所在的網(wǎng)格；

s300：采用tdoa時延估計法計算所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離差值，并根據(jù)幾何關(guān)系得到泄漏點的位置。

在一種優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明檢測的目標(biāo)信號是頻率為40khz的超聲波信號，選用的超聲波傳感器為tc40-a18超聲波傳感器，各個超聲波傳感器節(jié)點是由四個tc40-a18超聲波傳感器組成的超聲波信號接收板。

由實驗得知基于超聲波的翅片管束的最佳檢測距離為3m，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中將超聲波傳感器節(jié)點的間隔設(shè)置為3m，超聲波傳感器節(jié)點的數(shù)量根據(jù)被測對象加氫空冷器的實際規(guī)格來定，以中石化揚子石化內(nèi)在役1#加氫裂化裝置空氣冷卻器ec102為例，所設(shè)計的超聲波傳感器節(jié)點傳感器布置網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。

在圖2中，翅片管束區(qū)域b5的規(guī)格為12.4m×12m，在被測區(qū)域內(nèi)布置由25個傳感器節(jié)點組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)來實時監(jiān)測，圖2中各個黑色圓點即為一個超聲波傳感器節(jié)點?？绽淦鬟M口管b6與翅片管的連接處翅片管內(nèi)部有一段材質(zhì)為蒙乃爾合金的襯管b7(圖2中的斜線填充區(qū)域)，在襯管段一般不會出現(xiàn)腐蝕穿孔，在對泄漏檢測定位時可以不考慮這一段區(qū)域。一旦發(fā)生泄漏，在未修補之前泄漏點所產(chǎn)生的連續(xù)的超聲波信號會被3m范圍內(nèi)所有的傳感器節(jié)點接收并反饋，多節(jié)點聯(lián)合檢測可以有效的減少由于檢測到人為或環(huán)境因素所產(chǎn)生的瞬時的超聲波信號而導(dǎo)致的誤報警。

針對大型加氫空冷器，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)來對泄漏點進行定位是一種有效的手段，在泄漏發(fā)生時產(chǎn)生的超聲波信號會被周圍的傳感器節(jié)點感知。根據(jù)實驗可知，對于同一泄漏點不同位置的傳感器節(jié)點所檢測到的超聲波信號的強度是不同的。利用這一規(guī)律，我們可以對各個傳感器節(jié)點接收到的聲壓級信號進行分析處理來對泄漏點進行定位。

所述根據(jù)所述多個超聲波傳感器節(jié)點采集到的超聲波信號的強度進行網(wǎng)格區(qū)域的判定，是對泄漏點的初步定位。如圖3所示，具體地，初步定位是將泄漏點圈定在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的某一區(qū)域內(nèi)，其定位原理為從多個檢測到泄漏信號的超聲波傳感器節(jié)點中篩選出信號強度最高的四個節(jié)點，節(jié)點的實際位置是已知的。根據(jù)實驗結(jié)論，在圖3中傳感器節(jié)點b1、b2、b3、b4相對于其他節(jié)點所檢測到的信號強度是最高的，其中傳感器節(jié)點b4檢測到的信號強度要低于另外三個傳感器節(jié)點，圖中圓形的半徑即為3m，根據(jù)圖中的圓形可以判斷泄漏點a所在的網(wǎng)格區(qū)域?；诖?，可根據(jù)接收信號強度最高的四個節(jié)點判斷泄漏點位于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的某一個或兩個網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)；而后利用接收信號強度最高的三個傳感器節(jié)點的位置來將泄漏點a鎖定在一個等腰三角形區(qū)域內(nèi)，如圖3中的等腰三角形b1b2b3。

進一步地，相對于單獨依靠超聲信號的傳統(tǒng)定位手段，本發(fā)明在定位中引入tdoa算法可以有效的減小環(huán)境因素對信號的干擾以及計算誤差等因素造成的定位偏差，從而提高定位的精度。tdoa算法的原理是利用泄漏點產(chǎn)生的超聲波信號到達(dá)傳感器節(jié)點的時間上的差值，經(jīng)過計算后得到泄漏點a到各個傳感器節(jié)點距離上的差值，原理如圖4所示。

具體地，根據(jù)如下公式計算所述泄漏點到所述信號強度最高的三個超聲波傳感器節(jié)點的距離之間的差值：

y-x＝l1

z-x＝l2

l1＝(t1-t2)*v

l2＝(t3-t2)*v

其中，x、y、z分別為所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離，v為超聲波信號的傳播速率，超聲波信號到達(dá)所述超聲波傳感器節(jié)點的時刻分別為t1、t2、t3，l1與l2分別為y與x的差值以及z與x的差值。這兩步預(yù)處理為接下來泄漏點位置的確定提供了重要的依據(jù)。

在定位算法的預(yù)處理部分，經(jīng)過分析將泄漏點的位置鎖定在一個等腰三角形區(qū)域內(nèi)，之后可以建立數(shù)學(xué)模型，利用幾何關(guān)系來找出泄漏點的位置，實現(xiàn)精確定位。前面已經(jīng)介紹了傳感器陣列的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)為3m×3m的網(wǎng)格形，故而等腰三角形區(qū)域的邊長是已知的，如圖4所示。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述計算所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離，還包括如下步驟：

采用海倫公式以及所述泄漏點到所述信號強度最高的三個超聲波傳感器節(jié)點的距離之間的差值計算所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離。

具體地，根據(jù)如下公式計算所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離：

p＝(a+b+c)/2

p1＝(x+l1+3)/2

p3＝(x+x+l2+3)/2

s＝s1+s2+s3＝4.5

其中，s1、s2、s3分別為所述泄漏點與所述等腰三角形的三個頂點中任兩個頂點之間組成的三個內(nèi)部三角形的面積，s為等腰三角形的面積，a、b、c為所述等腰三角形三角形的邊長，p為半周長，p1、p2、p3分別為三個內(nèi)部三角形的半周長。第一個內(nèi)部三角形的邊長分別為x、l1和3，第二個內(nèi)部三角形的邊長分別為x+l1、x+l2和第三個內(nèi)部三角形的邊長分別為x、x+l2和3。三個內(nèi)部三角形的面積之和即等于整體等腰三角形的面積。

通過此公式，未知量x可以求出，由于差值l1與l2也已知，因此y、z的值也可以得到。

進一步地，在距離已知的情況下可利用三邊定位法，對傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型進行分析，以空冷器ec102為例建立二維直角坐標(biāo)系，如圖5所示。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述根據(jù)計算得到的距離得到泄漏點的位置，包括如下步驟：

根據(jù)如下公式計算泄漏點的位置：

其中，x、y、z分別為所述泄漏點到其所在的網(wǎng)格中超聲波傳感器節(jié)點的距離，泄漏點的坐標(biāo)為(x0,y0)，所述等腰三角形中的三個頂點的坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)。

對于上述公式中所列的三個方程，在得出兩組參數(shù)的情況下即可解出泄漏點的坐標(biāo)，但僅利用兩組參數(shù)進行計算其誤差對精度的影響是不可忽略的，為了保證定位的精度，設(shè)置三組方程聯(lián)立求解。計算所得的泄漏點的坐標(biāo)參照傳感器節(jié)點的實際位置便可得出空冷器泄漏點的實際位置。

綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中的空冷器翅片管束的泄漏檢測與定位方法針對大型加氫空冷器泄漏檢測與定位的方法，將超聲波檢測原理與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用與空冷器翅片管束上。提出了翅片管束的超聲波最佳檢測距離為3m，并在此基礎(chǔ)上以空冷器ec102為例提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建原理。提出了新的泄漏定位方法，包括利用檢測信號強度的初步定位，引入了tdoa時延算法和海倫公式，建立數(shù)學(xué)模型進行精確定位；有效保障空冷器穩(wěn)定有效的工作，應(yīng)用方便，適用于大規(guī)模推廣應(yīng)用，對于空冷器的進一步推廣應(yīng)用也具有十分重要的意義。

在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。