CN103308604B - 基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统，包括：信号调理子系统、电光转换子系统、光电转换子系统、计算机和固定安装在待监测球罐表面关键部位的一个以上声发射传感器；所述声发射传感器的输出端与所述信号调理子系统的输入端电连接，所述信号调理子系统的输出端与所述电光转换子系统的输入端电连接，所述电光转换子系统的输出端通过光纤与所述光电转换子系统的输入端电连接，所述光电转换子系统的输出端与所述计算机的输入端电连接。因此，可以对球罐的健康状况实时监测，而且，还具有传输距离远和抗干扰性好等优点，可以对球罐的健康状况进行长期有效的监测。

Description

基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统

技术领域

本发明属于球罐健康监测技术领域，具体涉及一种基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统。

背景技术

球罐为一种钢制容器设备，在石油炼制工业和石油化工中主要用于贮存和运输液态或气态物料。

由于球罐在使用过程中，受内部压力和外界环境的影响，会逐渐出现一些危险部位，例如：因裂缝扩展、塑性变形或相变等现象而增加球罐泄漏的危险性，所以，为保证球罐的安全使用，常常需要对球罐进行健康检测。

现有球罐健康检测方法一般包括以下两类：(一)人工直接目测检查：即：通过肉眼直接观察球罐表面的外观，从而判断球罐是否存在危险部位。该方法存在的主要缺陷为：一方面，需要具有丰富经验的人员才能进行目测检查，从而限制了其应用；另一方面，人工目测检查通常只能对球罐的健康状况给出定性结论，无法量化，而且，对球罐健康状况的结论主观性较强，难以对球罐健康状况做出精确的评价。(二)采用便携式仪器监测球罐的健康状况：即，当需要监测球罐的健康状况时，在球罐表面安装某一检测仪器，从而检测球罐的健康状况。该种方法存在的主要缺陷为：实时性差，无法对球罐的健康状况进行长期有效的监测。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统，可以对球罐的健康状况实时监测，而且，还具有传输距离远和抗干扰性好等优点，可以对球罐的健康状况进行长期有效的监测。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统，包括：信号调理子系统、电光转换子系统、光电转换子系统、计算机和固定安装在待监测球罐表面关键部位的一个以上声发射传感器；所述声发射传感器的输出端与所述信号调理子系统的输入端电连接，所述信号调理子系统的输出端与所述电光转换子系统的输入端电连接，所述电光转换子系统的输出端通过光纤与所述光电转换子系统的输入端电连接，所述光电转换子系统的输出端与所述计算机的输入端电连接。

优选的，所述信号调理子系统包括：依次电连接的信号放大电路、信号调理电路、模数转换电路和FPGA；所述FPGA包括数字滤波电路、门限比较电路、AE波形提取模块和AE特征参数提取模块；所述数字滤波电路的输出端与所述门限比较电路的输入端电连接，所述门限比较电路的输出端分别与所述AE波形提取模块的输入端和所述AE特征参数提取模块的输入端连接。

优选的，所述电光转换子系统包括：协议转换电路和电光转换模块；所述协议转换电路的输出端与所述电光转换模块的输入端电连接。

优选的，所述协议转换电路为将符合USB协议的信号转换为符合RJ45协议的信号的协议转换电路。

优选的，所述电光转换模块包括：APC电路、ECL驱动器、ATC电路、光隔离器和包含有热敏电阻的光源；其中，所述APC电路的输入端与所述光源连接，所述APC电路的输出端通过所述ECL驱动器与所述光源连接，所述ATC电路与所述热敏电阻电连接，所述光源通过所述光隔离器与所述光纤连接。

优选的，所述光电转换子系统包括：探测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路和判决再生电路；所述探测器的输出端与所述前置放大器的输入端电连接，所述前置放大器的输出端与所述主放大器的输入端电连接，所述主放大器的输出端分别通过所述均衡器和所述时钟恢复电路与所述判决再生电路连接，所述判决再生电路的输出端与所述计算机的输入端电连接。

优选的，所述光电转换子系统还包括：AGC电路；所述AGC电路的输入端与所述均衡器的输出端电连接，所述AGC电路的输出端与所述主放大器的输入端电连接。

优选的，所述待监测球罐表面关键部位包括所述待监测球罐的焊缝处、所述待监测球罐的母材处和所述待监测球罐的支腿处中的一种或几种。

优选的，所述传感器通过焊接的方式直接焊在所述待监测球罐表面关键部位处和/或所述传感器通过磁吸附的方式固定在所述待监测球罐表面关键部位处。

本发明的有益效果如下：

通过使用本发明提供的基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统，可以对球罐的健康状况实时监测，而且，还具有传输距离远和抗干扰性好等优点，可以对球罐的健康状况进行长期有效的监测。另外，传感器采集到的数据通过光纤最终上传给计算机，计算机通过对数据进行分析，实现识别和诊断球罐的损伤情况，因此，本发明实现了对球罐的实时在线监测与诊断，为保障球罐的安全运行提供了科学依据。

附图说明

图1为本发明提供的基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统进行详细说明。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统，包括：固定安装在待监测球罐表面关键部位的一个以上传感器、信号调理子系统、电光转换子系统、光电转换子系统和计算机；所述传感器的输出端与所述信号调理子系统的输入端电连接，所述信号调理子系统的输出端与所述电光转换子系统的输入端电连接，所述电光转换子系统的输出端通过光纤与所述光电转换子系统的输入端电连接，所述光电转换子系统的输出端与所述计算机的输入端电连接。其中，待监测球罐表面关键部位包括所述待监测球罐的焊缝处、所述待监测球罐的母材处和所述待监测球罐的支腿处中的一种或几种。传感器可以通过焊接的方式直接焊在待监测球罐表面关键部位处和/或传感器通过磁吸附的方式固定在待监测球罐表面关键部位处。

其中，传感器是声发射检测系统的重要组成部分，是影响系统整体性能的重要因素。如果传感器选择不合理，会导致检测到的信号和实际的声发射信号有较大差别，直接影响采集到的数据真实度和数据处理结果。声发射传感器的主要部件包括压电晶片、保护膜、外壳、电极引线、接插座和磁铁等。其主要性能参数如表1所示。

表1声发射传感器性能参数

项目	单位	参数值
			工作温度	℃	-65～177
接口类型	----	SMA
			工作频率范围	kHZ	50～200
谐振频率	kHZ	150
			峰值灵敏度	dB	＞-63

以下对上述各子系统分别详细介绍：

(1)信号调理子系统

信号调理子系统包括：依次电连接的信号放大电路、信号调理电路、模数转换电路和FPGA；所述FPGA包括数字滤波电路、门限比较电路、AE波形提取模块和AE特征参数提取模块；所述数字滤波电路的输出端与所述门限比较电路的输入端电连接，所述门限比较电路的输出端分别与所述AE波形提取模块的输入端和所述AE特征参数提取模块的输入端连接。

由于传感器采集到的信号比较微弱，所以，信号调理子系统首先将传感器上传的模拟信号进行放大处理，然后对其进行信号调理，再经过模数转换电路将该模拟信号调理为FPGA能够识别的数字信号，最后由FPGA控制完成声发射特征参数的提取，完成实时声发射特征提取及波形采集。其性能指标如表2所示。

表2信号调理子系统基本参数

(2)电光转换子系统

电光转换子系统包括：协议转换电路和电光转换模块；所述协议转换电路的输出端与所述电光转换模块的输入端电连接。其中，协议转换电路为将符合USB协议的信号转换为符合RJ45协议的信号的协议转换电路。

电光转换模块包括：APC电路、ECL驱动器、ATC电路、光隔离器和包含有热敏电阻的光源；其中，所述APC电路的输入端与所述光源连接，所述APC电路的输出端通过所述ECL驱动器与所述光源连接，所述ATC电路与所述热敏电阻电连接，所述光源通过所述光隔离器与所述光纤连接。

由于信号调理子系统输出的信号是符合USB协议的信号，协议转换电路用于将符合USB协议的信号转换为符合RJ45协议的信号，然后将该信号通过电光转换模块将电信号调制成光信号，为信号的光纤传输做准备。

电光转换模块的工作原理如下：串行数字电信号由射极耦合逻辑(ECL)驱动器直接调制半导体激光器(LD)，自动功率控制(APC)电路进行半导体激光器(LD)发射功率的控制。自动温度控制(ATC)电路消除温度变化和器材老化造成的半导体激光器输出光信号不稳定的影响。光隔离器的作用是防止光路中的端面反射和散射导致的反向光对半导体激光器产生的影响，实现光的单向传输。其性能指标如表3所示。

表3电光转换子系统基本参数

(3)光电转换子系统

光电转换子系统包括：探测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路和判决再生电路；所述探测器的输出端与所述前置放大器的输入端电连接，所述前置放大器的输出端与所述主放大器的输入端电连接，所述主放大器的输出端分别通过所述均衡器和所述时钟恢复电路与所述判决再生电路连接，所述判决再生电路的输出端与所述计算机的输入端电连接。

光电转换子系统还包括：AGC电路；所述AGC电路的输入端与所述均衡器的输出端电连接，所述AGC电路的输出端与所述主放大器的输入端电连接。

光电转换子系统是检测经过光纤传输的微弱的光信号，并对该光信号进行放大处理、再生成原传输的信号。

转换过程如下：首先将光信号转换成电信号，即对电信号进行解调，这个过程是由探测器来完成的，其中，探测器可以为光检测器(PIN光电二极管或APD光电二极管)。探测器把光信号转换成电信号送入前置放大器，前置放大器的噪声对整个接收端的输出信噪比影响很大，因此前置放大器是精心设计和制作的低噪声放大器。主放大器除提供足够的增益，其增益还受AGC电路控制，使输出信号的幅度在一定的范围内不受输入信号的影响。均衡滤波器的作用是保证判决时不存在码间干扰。判决器和时钟恢复电路对信号进行再生。

本发明提供的基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统，主要由声发射传感器、信号调理子系统、电光转换子系统、光纤传输部分、光电转换子系统组成。各部分在球罐上的具体安装方法如下：

(1)声发射传感器的安装

声发射传感器安装到大型球罐上需要使用耦合剂，使用耦合剂的目的为：(1)填充声发射传感器与球罐表面之间接触面的微小空隙；(2)通过耦合剂的过渡作用，减小声发射传感器与球罐表面之间的声阻抗差值，从而减少能量在此界面的反射损失。(3)具有润滑的作用，从而减少声发射传感器与球罐表面接触面之间的摩擦。

声发射传感器的固定方法主要包括机械固定方式、粘结固定方式和磁吸附固定方式。在高温、高压等情况下，不能将声发射传感器直接放置在被检测球罐表面，因此，可以通过波导杆实现声连接。波导杆一端固定在被检测球罐表面，另一端面上放置声发射传感器。

(2)信号调理子系统及电光转换子系统的安装

现场应用中，将信号调理子系统和电光转换子系统集成在一起，可以统称为信号发送模块。声发射传感器输出的信号由电缆传输至信号调理子系统，由于声发射传感器输出的信号比较微弱，所以该处的电缆不宜过长。信号发送模块可以通过磁吸附固定在大型球罐表面，其输出的信号由光纤进行长距离传输至位于监控室的光电转换子系统。

(3)光电转换子系统的安装

光电转换子系统放置在监控室内，其作用是将光纤传输的光信号还原为电信号。光电转换子系统输出的信号通过网线送入计算机进行数据分析和处理。

计算机内安装有球罐结构健康评估系统，从而实现对球罐结构的健康状况的评估。

具体的，球罐结构健康评估系统包括：设备风险管理模块、设备检验管理模块、设备健康监测模块和设备单位管理模块。

其中，设备风险管理模块主要是采用大型球罐的实时监测数据和风险评估理论方法，对大型球罐的动态风险进行分析与评估，并对风险进行排序，以实现对球罐的风险管理。

设备检验管理模块是将检验过的球罐的检测报告进行电子备案与分类。

设备健康监测模块是由分布式的数据采集、处理、控制及通信功能构成。对网络中的异常情况实时报警，利于网络的维护和管理。同时还包含对球罐的损伤进行识别与诊断，以实现对大型球罐的实时在线监测与诊断等。

设备单位管理模块是对大型球罐所属单位的信息采集与备案。便于管理机构对使用单位统一管理与检测。

本发明中，针对大型球罐健康监测系统的功能需求，设计软件系统结构，采用了先进的C/S结构，实现实时监测、实时处理和损伤预警，人机交互环境友好。一种具体的实现方式为：包括以下步骤：(一)设备风险管理模块首先确定大型球罐的风险值和重大危险源，(二)查询以往的球罐检验报告，找出易受损伤的部位和关键部位，制定监测计划，对大型球罐进行监测。第三，对大型球罐的重大危险源进行监测，对监测的实时数据进行分析和诊断。第四，对大型球罐所属单位的信息采集与备案，便于管理机构对使用单位统一管理与检测。

综上所述，本发明提供的基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统，可以对球罐的健康状况实时监测，而且，还具有传输距离远和抗干扰性好等优点，可以对球罐的健康状况进行长期有效的监测。另外，传感器采集到的数据通过光纤最终上传给计算机，计算机通过对数据进行分析，实现识别和诊断球罐的损伤情况，因此，本发明实现了对球罐的实时在线监测与诊断，为保障球罐的安全运行提供了科学依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统，其特征在于，包括：信号调理子系统、电光转换子系统、光电转换子系统、计算机和固定安装在待监测球罐表面关键部位的一个以上声发射传感器；所述声发射传感器的输出端与所述信号调理子系统的输入端电连接，所述信号调理子系统的输出端与所述电光转换子系统的输入端电连接，所述电光转换子系统的输出端通过光纤与所述光电转换子系统的输入端电连接，所述光电转换子系统的输出端与所述计算机的输入端电连接；

其中，所述信号调理子系统包括：依次电连接的信号放大电路、信号调理电路、模数转换电路和FPGA；所述FPGA包括数字滤波电路、门限比较电路、AE波形提取模块和AE特征参数提取模块；所述数字滤波电路的输出端与所述门限比较电路的输入端电连接，所述门限比较电路的输出端分别与所述AE波形提取模块的输入端和所述AE特征参数提取模块的输入端连接；

其中，所述电光转换子系统包括：协议转换电路和电光转换模块；所述协议转换电路的输出端与所述电光转换模块的输入端电连接；

其中，所述电光转换模块包括：APC电路、ECL驱动器、ATC电路、光隔离器和包含有热敏电阻的光源；其中，所述APC电路的输入端与所述光源连接，所述APC电路的输出端通过所述ECL驱动器与所述光源连接，所述ATC电路与所述热敏电阻电连接，所述光源通过所述光隔离器与所述光纤连接；

其中，所述光电转换子系统包括：探测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路和判决再生电路；所述探测器的输出端与所述前置放大器的输入端电连接，所述前置放大器的输出端与所述主放大器的输入端电连接，所述主放大器的输出端分别通过所述均衡器和所述时钟恢复电路与所述判决再生电路连接，所述判决再生电路的输出端与所述计算机的输入端电连接；

其中，所述光电转换子系统还包括：AGC电路；所述AGC电路的输入端与所述均衡器的输出端电连接，所述AGC电路的输出端与所述主放大器的输入端电连接；

其中，所述待监测球罐表面关键部位包括所述待监测球罐的焊缝处、所述待监测球罐的母材处和所述待监测球罐的支腿处中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统，其特征在于，所述协议转换电路为将符合USB协议的信号转换为符合RJ45协议的信号的协议转换电路。

3.根据权利要求1所述的基于光纤声发射技术的球罐健康监测系统，其特征在于，所述传感器通过焊接的方式直接焊在所述待监测球罐表面关键部位处和/或所述传感器通过磁吸附的方式固定在所述待监测球罐表面关键部位处。