CN103808406B - 一种基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于振弦式传感器的油气管道振动监测方法和装置。它是利用金属杆(10）的受力把管线的振幅、加速度参量转化为轴向应变量，进而转化为振弦式应变传感器(12）的输出频率信号，通过测量该频率变化信号，就可以实现对油气管线振动加速度的测量；对振动加速度a(t)进行FFT快速傅立叶变换计算后，可得到管线的振动频谱，从而得到振动周期；由四分之一周期内的波数，即可得到测点处的振幅和频率，并可绘出管线涡激振动的振幅—时程曲线。本发明将管线的振动频率加速度转化为振弦式传感器的应变值，实现对油气管线振动频率的高精度、抗干扰、性能稳定的自动监测。

Description

一种基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法和装置

技术领域

本发明是一种基于振弦式传感器的油气管道振动监测方法和装置，涉及机械振动的测量、一般的安全装置和管道系统技术领域。

背景技术

长输油气管线不可避免穿越地形地质条件复杂、自然环境恶劣的地区，经常遭受各类地质灾害的影响。为了监控地质灾害对管道造成的风险，管道管理部门多采取对管体应力应变进行监测的方式，这对于滑坡、崩塌、地面塌陷、冻土等大规模土体移动类灾害是一种非常有效的措施。但对于一些水力冲刷类灾害，如暴雨山洪、泥石流等，管道极有可能被水冲出，形成与地表面不直接接触的悬空管段，湍急水流流经管线时，会导致管线的尾流区产生涡旋，并且涡旋以一定的频率在管线后侧交替释放，引起管线振动，这一现象通常称为涡激振动，它是影响水力冲刷类作用下管线的使用寿命、引发管跨段疲劳失效的主要因素之一。单纯的监测管体应力应变已不能满足管道安全防护的要求，而需要对管线的振动频率进行监测。

在工程振动测试领域中，根据各种参数的测量方法及测量过程的物理性质不同，测试手段与方法多种多样，大致可分为三大类：机械法、电测法和光学法。其中机械法通过将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的测量仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪。机械法在现场测试时较为简单方便，但能测量的频率范围及动态、线性范围窄，测试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果，一般仅适用于低频大振幅振动及扭振的测量。电测法是将工程振动的参量转换成电信号（电动势、电荷及其它电量），经电子线路放大后显示和记录。这种方法灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，但易受电磁场干扰，并随着监测时间的增加产生时漂、温漂效应，不适用于大型工程的长期监测。光学法对于振动的测量属于非接触精密测量，利用光波干涉原理，将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录，如读数显微镜和激光测振仪等。这种方法不受电磁场干扰，测量精度度高，可以对微小振动进行高精度测量。但是该方法由于具有高灵敏性，外界环境扰动对其影响非常突出，当光程质量不理想时，测量将无法进行；而且在实际应用中很难保证入射光垂直于被测物体表面，以及目标物体表面的不平整性，使得由目标物返回的检测光与参考光将不能很好的重合，这将使测量无法进行。因此，目前该技术理论上的方法虽多，但在工程应用中较少，主要应用于一些精密仪器的测量和传感器、测振仪标定中。

振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。其敏感元件是一根两端固定的金属丝弦（一般称为振弦），常用弹性弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢制成。在受到外力F作用时，振弦内部将产生一定的张力，并且根据不同的张力大小和振弦的不同长度有着不同的固有振动频率，通过测试振弦固有振动频率的变化就可以确定其内部张力的变化，进而可获得振弦的应变值。振弦的固有振动频率f可表示为：

$f=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{F}{m_0{l}_0}}---\left(1\right)$

根据理论力学和材料力学知识，有：

F＝σS₀=E₀S₀ε（2）

其中，m₀、l₀和S₀分别为振弦的质量、长度和截面积，σ、ε和E₀分别为振弦的应力、应变和弹性模量。

联合式（1）、（2），可得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{4m_0{l}_0}{E_0{S}_0}{f}^2---\left(3\right)$

式（3）是基于温度恒定的假设得到的。当外界温度发生变化时，振弦的应变也会随之改变，考虑温度变化引起的振弦热膨胀情况，式（3）将表示为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{4m_0{l}_0}{E_0{S}_0}{f}^2+\mathrm{\α\ΔT}---\left(4\right)$

其中，ΔT为温度变化，α为振弦金属材料的热膨胀系数。

由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与传统的电阻应变计相比，有着突出的优越性。从上世纪60年代起，国内外相继研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、应力计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展前景。

文献调研和专利查新显示，目前还未有采用振弦式传感器对油气管线振动频率进行监测的方法和装置。

发明内容

本发明的目的发明一种将管线的振动频率、加速度转化为振弦式传感器的应变值、实现对油气管线振动频率的高精度、抗干扰、性能稳定的自动监测的基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法和装置。

本发明提出了一种基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法和装置，该装置的结构如图1所示，主要包括自主研制的振弦式振动监测计2及设置在监测站里的振弦读数仪4、下位机5、无线通信模块Ⅰ6、无线通讯模块Ⅱ7和上位机8。在洪水冲刷导致的悬空管段上安装振弦式振动监测计2，从振弦式振动监测计2引出电缆3，电缆3与振弦读数仪4连接，振弦读数仪4的输出接下位机5的输入，下位机5输出接无线通信模块Ⅰ6，无线通讯模块Ⅱ7输出接上位机8的输入。

振弦式振动监测计2的构成如图2所示，在不锈钢防水盒9一侧内壁上固定一根金属杆10，金属杆10的自由端固定一个金属块11，将一支温度补偿型振弦式应变传感器12粘贴于金属杆10表面，并通过通讯电缆3将测量信号引至现场监测站，振弦式振动监测计2的测量原理如下：

在图2中，如将金属杆10等效为一悬臂梁，根据材料力学，有

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\σ}}{x\left(t\right)}=\frac{E_1{b}_1{h}_1^3}{6l_1^3}\\ \mathrm{\σ}=\frac{E_1{b}_1{h}_1^2}{{6l}_1}\mathrm{\ϵ}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中：E₁、h₁、l₁和b₁分别是悬臂梁的弹性模量、厚度、长度和宽度，σ为梁的应力，x(t)为梁自由端的挠度，根据式（5），有

$x\left(t\right)=\frac{l_1^2}{h_1}\mathrm{\ϵ}---\left(6\right)$

当金属杆10自由端的金属块11随着外部环境一起振动时，由于惯性力的作用，使得粘贴于金属杆上的振弦式应变传感器12产生轴向应变，其变化关系见式（4）。

联合式（4）、（6），有

$x\left(t\right)=\frac{l_1^2}{h_1}(\frac{{4m}_0{l}_0}{E_0{S}_0}{f}^2+\mathrm{\α\ΔT})---\left(7\right)$

假设在外部环境作用下，不锈钢防水盒9做振幅为A、角频率为ω₁的简谐振动，其振动位移x(t)可表示为

x(t)=Acos(ω₁-θ)（8）

对x(t)求二阶导数，可得振动加速度a(t)，如下

$a\left(t\right)=x{\left(t\right)}^{\′\′}=-A{\mathrm{\ω}}_1^2\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t-\mathrm{\θ})---\left(9\right)$

联合式（8）、（9），有

$a\left(t\right)=-{\mathrm{\ω}}_1^{2}x\left(t\right)---\left(10\right)$

联合式（7）、（10），有

$a\left(t\right)=-\frac{{\mathrm{\ω}}_1^2{l}_1^2}{h_1}(\frac{{4m}_0{l}_0}{E_0{S}_0}{f}^2+\mathrm{\α\ΔT})---\left(11\right)$

其中角频率ω₁可用下式表示

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{E_1{b}_1{h}_1^3}{{6m}_1{l}_1^3}}---\left(12\right)$

其中m₁为金属块11的质量。联合式（11）、（12），有

$a\left(t\right)=-\frac{E_1{b}_1{h}_1^2}{{6m}_1{l}_1}(\frac{{4m}_0{l}_0}{E_0{S}_0}{f}^2+\mathrm{\α\ΔT})---\left(13\right)$

由式（13）知，振弦式应变传感器的输出频率f与振源的振动加速度a(t)变化呈线性关系，振弦式振动监测计2就是基于式（13）间接测量油气管线1的涡激振动参量。利用金属杆10的受力把管线的振幅、加速度等参量转化为轴向应变量，进而转化为振弦式应变传感器12的输出频率信号，通过测量该频率变化信号，就可以实现对油气管线振动加速度的测量。对振动加速度a(t)进行FFT（FastFourierTransform，快速傅立叶变换）计算后，可得到管线的振动频谱，从而得到振动周期；由四分之一周期内的波数，即可得到测点处的振幅和频率，并可绘出管线涡激振动的振幅—时程曲线。

本监测方法的流程如图3所示，是：

开始；

下位机数据采集；

振弦读数仪采集数据；

下位机数据预处理；

无线通讯模块传输数据；

上位机判断数据是否完整？若不完整，则返回到下位机数据预处理；若完整，则

数据信号分析与处理；

管线振幅-时程曲线动态显示。

本监测装置的原理如图4所示，包括振弦式振动监测器、现场监测站、无线通讯模块和办公室的远程监控中心。振弦式应变传感器的输出接振弦读数仪的输入，振弦读数仪的输出接下位机的输入，下位机的输出接无线通讯模块Ⅰ；无线通讯模块Ⅱ的输出接上位机的输入，上位机在接收到远程传送的数据后，对其进行分析处理，并动态显示管线振幅-时程曲线。

本监测装置的电原理如图5所示，振弦式应变传感器的接线端子JP1连接振弦读数仪的接线端子JP2，振弦读数仪的R232串口接下位机的R232串口，下位机的R232串口接无线通讯模块Ⅰ的R232串口，无线通讯模块Ⅰ由GSM天线通过无线通讯网络与另一无线通讯模块Ⅱ的GSM天线连接，该无线通讯模块Ⅱ的R232串口接上位机的R232串口，上位机的VGA口接显示器的VGA口。

本发明提出的基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法和装置，可进行高分辨率和实时在线的自动监测，具有测量精度高、测量频率范围及动态线性范围宽、受电参数影响小、零点飘移小、自动温度补偿等特点。相对于机械法、电测法、光学法等振动监测技术，提高了监测效率和精度、降低了监测成本。

附图说明

图1监测装置构成图

图2振弦式振动监测计构成图

图3软件流程图

图4管线振动监测装置原理图

图5管线振动监测装置电原理图

其中

1—埋地管线2—振弦式振动监测计

3—通讯电缆4—振弦读数仪

5—下位机6—无线通讯模块Ⅰ

7—无线通讯模块Ⅱ8—上位机

9—不锈钢防水盒10—金属杆

11—金属块12—振弦式应变传感器

具体实施方式

实施例.本例是一种监测方法和装置及该装置构建方法，其构成如图1-图5所示。本监测装置分别在甘肃省陇南市成县镡河乡蒲坝河、湖北省长阳土家族自治县榔坪镇榔坪河进行了现场试验，这两个试验段均属于山区典型小流域河沟道山洪，汛期山区暴雨强度大、产汇流速度快、河道洪水陡涨陡落、河流源段流急，山洪具有强度大、洪峰高、洪量集中的特点，下切和侧蚀能力强，对伴行路、管道、水工保护设施破坏性强。其中兰成渝管道蒲坝河位于甘肃省陇南市成县镡河乡，受影响管道长度约10km，流域面积约25km²；忠武管道榔坪河位于湖北长阳县榔坪镇，受影响管道长度约16km，流域面积约100km²。

该监测装置分为现场数据采集及传输和远程接收及数据分析系统（如图4所示），具体包括振弦式振动监测器、现场监测站、无线通讯模块和办公室的远程监控中心。振弦式振动监测器、振弦读数仪、下位机和无线通信模块Ⅰ安装在现场监测站，无线通讯模块Ⅱ、上位机、数据信号远程实时接收、数据信号分析与处理和管线振幅-时程曲线的动态显示安装在办公室的远程监控中心。该监测装置的总体构成如图1所示，在洪水冲刷导致的悬空管段上安装振弦式振动监测计2，从振弦式振动监测计2引出电缆3，电缆3与设置在现场监测站内的振弦读数仪4连接，振弦读数仪4的输出接下位机5的输入，下位机5输出接无线通信模块Ⅰ6，位于远程监控中心的无线通讯模块Ⅱ7输出接上位机8的输入。

该监测装置的电原理如图5所示，振弦式应变传感器12VSM4000的接线端子JP1用电缆与振弦读数仪4基康BGK-408的接线端子JP2相连，读数仪4基康BGK-408的R232串口连接下位机5的R232串口，下位机5的R232串口接无线通讯模块Ⅰ6西门子MC35i的R232串口，无线通讯模块Ⅰ6经天线GSM、无线通讯网络，被无线通讯模块Ⅱ7天线GSM接收后由R232串口接到上位机8的R232串口，上位机8的输出由VGA端接显示器的VGA端。

当监测区域的埋地管线在山洪冲刷作用下产生悬空管段时，持续的水流冲击管段常伴随着周期性的涡旋释放，引发悬空管段发生涡激振动，并导致安装于管线上的振弦式振动监测计2发生振动，继而引发粘贴于金属杆10上的振弦式应变传感器12发生轴向变形，该输出信号通过电缆3传输至振弦读数仪4，读数仪4对测量信号进行处理分析，解调出振弦式应变传感器的应变值，传输至下位机5，下位机5调用自编的程序，控制振弦读数仪4，实现数据的采集并对数据进行预处理，预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ6传输，无线通讯模块Ⅱ7接收到上位机8，上位机8对预处理后的数据进行处理分析，将振弦式应变传感器的应变值转换为管线的振幅和频率，并绘出管线的振幅—时程动态曲线，判断洪水冲刷作用下管线的安全状态，当管线的涡激振动频率接近其自身固有频率时，发送报警信号。

位于办公室的远程监控中心包括如下两个部分：

（1）无线通讯模块Ⅱ7，用于接收位于现场监测站的无线通讯模块Ⅰ6发送的监测数据，并传输给上位机8，也可给现场无线通讯模块Ⅰ6发送反馈指令；

（2）上位机8及程序，用于下载终端无线通讯模块Ⅱ7的信号，并调用自编程序对监测数据进行分析处理，并通过显示器将油气管线涡激振动的振幅-时程曲线实时显示。

上述监测装置中：

温度补偿型振弦式应变传感器：基康VSM4000；

振弦式读数仪：基康BGK-408；

无线通讯模块：西门子MC35i；

上位机和下位机：研华IPC-610；

软件程序：自主开发。

本例所建立的油气管线振动频率监测装置，充分发挥了振弦式传感器体积小、精度高、坚固耐用、抗干扰能力强、测值稳定等优点，结构简捷可靠，设计目的明确，安装灵活，操作使用方便，维护保养简单，是一种先进、经济、实用的油气管线振动频率自动监测装置。通过在甘肃省陇南市成县镡河乡蒲坝河、湖北省长阳土家族自治县榔坪镇榔坪河两个试验点进行的长时间监测证明，本监测装置易于对洪水冲刷导致悬空管道发生的涡激振动进行全天候、不间断的实时在线监测，以及对监测数据的自动采集和远程传输、发布，提高了管线振动频率的监测精度和效率，降低了监测成本，使洪水灾害导致管线发生疲劳失效的监测预警工作的针对性、有效性增强。本发明也可广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等工程振动测试领域，具有广阔的应用和发展前景。

Claims (4)

1.一种基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法，其特征是该方法所用装置主要包括设置在现场监测站里的振弦式振动监测计(2)、振弦读数仪(4)、下位机(5)、无线通信模块Ⅰ(6)，以及安装在办公室的远程监控中心的无线通讯模块Ⅱ(7)和上位机(8)；在洪水冲刷导致的悬空管段上安装振弦式振动监测计(2)，从振弦式振动监测计(2)引出电缆(3)，电缆(3)与振弦读数仪(4)连接，振弦读数仪(4)的输出接下位机(5)的输入，下位机(5)输出接无线通信模块Ⅰ(6)，无线通讯模块Ⅱ(7)输出接上位机(8)的输入；

所述振弦式振动监测计(2)的构成为：在不锈钢防水盒(9)一侧内壁上固定一根金属杆(10)，金属杆(10)的自由端固定一个金属块(11)，将一支温度补偿型振弦式应变传感器(12)粘贴于金属杆(10)表面，并通过通讯电缆(3)将测量信号引至现场监测站；

监测方法如下：

将金属杆(10)等效为一悬臂梁，根据材料力学，有

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\σ}}{x\left(t\right)}=\frac{E_1{b}_1{h}_1^3}{6l_1^3}\\ \mathrm{\σ}=\frac{E_1{b}_1{h}_1^2}{6l_1}\mathrm{\ϵ}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中：E₁、h₁、l₁和b₁分别是悬臂梁的弹性模量、厚度、长度和宽度，σ为梁的应力，ε为应变，x(t)为梁自由端的挠度，根据式(5)，有

$x\left(t\right)=\frac{l_1^2}{h_1}\mathrm{\ϵ}---\left(6\right)$

当金属杆(10)自由端的金属块(11)随着外部环境一起振动时，由于惯性力的作用，使得粘贴于金属杆上的振弦式应变传感器(12)产生轴向应变，其变化关系见式(4)，有

$\mathrm{\ϵ}=\frac{4m_0{l}_0}{E_0{S}_0}{f}^2+\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}T---\left(4\right)$

其中，m₀、l₀和S₀分别为振弦的质量、长度和截面积，E₀为振弦的弹性模量，f为振动频率，ΔT为温度变化，α为振弦金属材料的热膨胀系数，

联合式(4)、(6)，有

$x\left(t\right)=\frac{l_1^2}{h_1}(\frac{4m_0{l}_0}{E_0{S}_0}{f}^2+\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}T)---\left(7\right)$

假设在外部环境作用下，不锈钢防水盒(9)做振幅为A、角频率为ω₁的简谐振动，其振动位移x(t)可表示为

x(t)＝Acos(ω₁t-θ)(8)

对x(t)求二阶导数，可得振动加速度a(t)，如下

$a\left(t\right)=x{\left(t\right)}^{\′\′}=-{\mathrm{A\ω}}_1^{2}cos({\mathrm{\ω}}_{1}t-\mathrm{\θ})---\left(9\right)$

联合式(8)、(9)，有

$a\left(t\right)=-{\mathrm{\ω}}_1^{2}x\left(t\right)---\left(10\right)$

联合式(7)、(10)，有

$a\left(t\right)=-\frac{{\mathrm{\ω}}_1^2{l}_1^2}{h_1}(\frac{4m_0{l}_0}{E_0{S}_0}{f}^2+\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}T)---\left(11\right)$

其中角频率ω₁可用下式表示

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{E_1{b}_1{h}_1^3}{6m_1{l}_1^3}}---\left(12\right)$

其中m₁为金属块(11)的质量；联合式(11)、(12)，有

$a\left(t\right)=-\frac{E_1{b}_1{h}_1^2}{6m_1{l}_1}(\frac{4m_0{l}_0}{E_0{S}_0}{f}^2+\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}T)---\left(13\right)$

振弦式振动监测计(2)就是基于式(13)间接测量油气管线(1)的涡激振动参量；利用金属杆(10)的受力把管线的振幅、加速度参量转化为轴向应变量，进而转化为振弦式应变传感器(12)的输出频率信号，通过测量该频率信号，就可以实现对油气管线振动加速度的测量；对振动加速度a(t)进行FFT快速傅立叶变换计算后，可得到管线的振动频谱，从而得到振动周期；由四分之一周期内的波数，即可得到测点处的振幅和频率，并可绘出管线涡激振动的振幅—时程曲线。

2.根据权利要求1所述的基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法，其特征是本监测方法的流程为：

开始；

下位机数据采集；

振弦读数仪采集数据；

下位机数据预处理；

无线通讯模块传输数据；

上位机判断数据是否完整？若不完整，则返回到下位机数据预处理；若完整，则

数据信号分析与处理；

管线振幅-时程曲线动态显示。

3.一种应用于权利要求1所述方法的基于振弦式传感器的油气管线振动监测装置，其特征是装置主要包括设置在现场监测站里的振弦式振动监测计、振弦读数仪、下位机、无线通信模块Ⅰ，以及安装在办公室的远程监控中心的无线通讯模块Ⅱ和上位机；在洪水冲刷导致的悬空管段上安装振弦式振动监测计，从振弦式振动监测计引出电缆，电缆与振弦读数仪连接，振弦读数仪的输出接下位机的输入，下位机输出接无线通信模块Ⅰ，无线通讯模块Ⅱ输出接上位机的输入，上位机在接收到远程传送的数据后，对其进行分析处理，并动态显示管线振幅-时程曲线；

所述振弦式振动监测计的构成为：在不锈钢防水盒一侧内壁上固定一根金属杆，金属杆的自由端固定一个金属块，将一支温度补偿型振弦式应变传感器粘贴于金属杆表面，并通过通讯电缆将测量信号引至现场监测站。

4.根据权利要求3所述的基于振弦式传感器的油气管线振动监测装置，其特征是监测装置的电原理为：振弦式应变传感器的接线端子JP1连接振弦读数仪的接线端子JP2，振弦读数仪的R232串口接下位机的R232串口，下位机的R232串口接无线通讯模块Ⅰ的R232串口，无线通讯模块Ⅰ由GSM天线通过无线通讯网络与另一无线通讯模块Ⅱ的GSM天线连接，该无线通讯模块Ⅱ的R232串口接上位机的R232串口，上位机的VGA口接显示器的VGA口。