CN104132251B - 压力流体管道声振动信号多向采集方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力流体管道声振动信号多向采集方法，包括被测管道，其创新在于：所述被测管道上至少设置有一传感器，所述传感器至少能对两个方向上的声振动信号进行感应，且两个感应方向相互垂直；由两个感应方向所形成的平面记为监测平面，监测平面与被测管道的轴向平行；传感器对被测管道上的声振动信号进行检测并向外输出检测信号。本发明的有益技术效果是：可以扩展单个采集点的检测区域，降低采集点设置密度，节省成本，信号的信噪比得到提高，泄漏检测中漏点定位精度较高。

Description

压力流体管道声振动信号多向采集方法及装置

技术领域

本发明涉及一种管道监测技术，尤其涉及一种压力流体管道声振动信号多向采集方法及装置。

背景技术

通过采集压力流体管道由于流体运动引起的管壁声振动信号，可以实现对管道结构运行状态的监测，进而发现管道流体泄漏及定位泄漏点。

现有技术中，采集管道声振动的传感探头一般都安装在管道外壁或者与管道接触的部件（如阀门、排气口、消防栓等等）上。基于现有的管道声振动监测方法，目前的监测装置中，在一个采集点处仅设置了单方向敏感的声振动传感器，用于对单一方向上的声振动进行信号采集，而且声振动传感器的传感方向都与管道的径向平行。例如，在管道监测中的管道泄漏检测定位时，对相邻两个采集点的声振动传感器输出信号进行相关峰值分析，当存在明显的相关峰值时，表明两采集点之间存在泄漏，相关峰值所在的位置，就是泄漏产生的声振动传递到两个声振动传感器的时间差，据此可以推算出漏点距离任一声振动传感器的距离，从而定位出泄漏点。

前述的现有技术存在的问题是：管道上的径向振动主要包含横振和剪切振动，由于这两种振动随传播距离衰减较快，而且成分复杂，导致单个信号采集点采集的径向振动信号的信噪比较低，可以监测的管道长度较短，对于长度较大的管道，必须要密集设置采集点，监测成本昂贵，且维护不便。另一方面，由于横振和剪切振动的模式较多，且多个模式的色散也较大，导致各种频率成分的振动速度存在较大差异，利用其进行相关峰值分析时，只能取管道振动的平均速度进行计算，存在较大的定位误差。

对管道流体力学和流体运动引起的声振动传播特性进行深入分析后，我们就会发现，由于压力流体正常流动或者泄漏引发的管道声振动是同时沿管道径向、管壁切向和管道轴向三个方向传播的，而且振动模式包括纵振、横振以及剪切振动，因此声振动造成的管壁运动也包含了轴向、切向和径向三个方向，也就是说，在管壁上，同时存在上述三个不同方向的声振动。其中，轴向声振动主要成分是纵波。现有理论可以证明，管道中沿轴向传播的纵向声振动随传播距离的衰减最慢，并且这部分的声振动主要受管道内部流体的作用（如泄漏）产生，因此，采集管道轴向振动最有利于管道状态监测，监测信号信噪比高。更重要的是纵振的主要模态（可以通过选择传感频率范围来对该模态进行选择性采集）基本无色散，即采集到的纵振信号的声速是不随信号频率改变的确定值，这样在管道泄漏定位时，可以采用确定的纵波速度，有利于泄漏定位精度的提高。但是由于声振动传感器安装在管道的外壁上，在实际工程应用中，很难精确确定传感装置与管道径向的相对位置（角度），导致传感器安装难度较大。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种压力流体管道声振动信号多向采集方法，包括被测管道，其创新在于：所述被测管道上至少设置有一传感器，所述传感器至少能对两个方向上的声振动信号进行感应，且两个感应方向相互垂直；由两个感应方向所形成的平面记为监测平面，监测平面与被测管道的轴向平行；传感器对被测管道上的声振动信号进行检测并向外输出检测信号。

本发明的原理是：通过在单个采集点处设置传感器，来对两个垂直方向上的声振动信号进行采集，无论传感器如何摆放，只要符合本方案中的设定，传感器的输出量中必然包含了沿管道轴向传播的声振动信号；当对应两个感应方向上的声振动信号的频谱不重叠，表明两个感应方向中的一者刚好与管道轴向平行，基于前文分析可知，管道中沿轴向传播的纵向声振动，主要由管道流体运动激励产生，并且随传播距离衰减最慢，也即采集到的信号能量应该更强，也最能反映管道流体的运动状况，由于纵波频率比横波、剪切波频率高，故取信号能量集中在较高频带内的那个信号作为该采集点的有效输出；当对应两个感应方向上的声振动信号的频谱存在完全重叠或者部分重叠时，说明两个感应方向均不与管道轴向平行。频带完全重叠时，以重叠频带的高频率部分作为通带对两个信号分别进行滤波；滤波后获得的两个滤波输出即分别为两个信号中的纵向声振动，故可以任取一个信号的滤波输出作为该采集点的有效输出，也可取两个信号的滤波输出的和作为有效输出。频带部分重叠时，取以重叠频带的高频率部分以及较高频率的那部分不重叠频带作为通带对两个信号分别进行滤波；滤波后获得的两个滤波输出即分别为两个信号中的纵向声振动，故可以任取一个信号的滤波输出作为该采集点的有效输出，也可取两个信号的滤波输出的和作为有效输出。从前面的分析中可以看出，由于检测对象为纵向声振动，这就使单个传感器的监测范围得到了扩展，同时也使得信号的信噪比得到了提升，为后期处理创造了良好条件，同时还降低了传感器设置难度。

优选地，获取到检测信号后，按如下方法对检测信号进行处理：

方法一：提取检测信号中的随机性特征或频率分布特征，进行模式识别，以实现漏点发现（具体的处理方法，本领域技术人员可根据现文献【1】中报道的有技术进行操作）；

方法二：以被测管道作为信道，从检测信号中提取信道特性，以实现对被测管道的管道状态辨识（具体的处理方法，本领域技术人员可根据文献【2】中报道的现有技术进行操作）；

方法三：沿被测管道延伸方向，间隔一定距离，设置两个或多个传感器，根据相邻两个传感器输出的检测信号，进行相关峰值分析，相关峰值所在的位置，就是泄漏产生的声振动传递到两个传感器的时间差，据此推算出漏点距离任一声振动传感器的距离，从而实现漏点定位（具体的处理方法，本领域技术人员可根据文献【3】中报道的现有技术进行操作）；

【1】文玉梅，张雪园，文静，甄锦鹏，王凯，依据声信号频率分布和复杂度的供水管道泄漏辨识，仪器仪表学报，2014,35（6）,15-21.

【2】Jin Yang, Yumei Wen, Ping Li, Leak Location Using Blind SystemIdentification in Water Distribution Pipelines , Journal of Sound andVibration, 2008, 310(1-2): 134-148.

【3】杨进,文玉梅,李平,基于声信号的供水管网自适应泄漏检测定位仪器系统,测控技术, 2005, 24(10): 47-50.

处理时，在三种方法中，或者任取一者或两者采用，或者三者同时采用。

优选地，按如下方法确定传感器的检测信号（也即前文中的有效输出）：设传感器上对应两个感应方向的输出量分别为x（t）和y（t）；

当x（t）和y（t）的频谱不重叠时，取信号能量集中在较高频带内的那个输出量作为传感器的检测信号；

当x（t）和y（t）的频谱完全重叠时，以两个输出量的重叠频带中较高频率部分作为通带对x（t）和y（t）分别进行滤波；滤波后，或者任取一个输出量的滤波输出作为传感器的检测信号，或者取两个输出量的滤波输出的和作为传感器的检测信号；

当x（t）和y（t）的频谱存在部分重叠时，以两个输出量的重叠频带中较高频率部分以及高频率部分不重叠频带共同组成通带对x（t）和y（t）分别进行滤波；滤波后，或者任取一个输出量的滤波输出作为传感器的检测信号，或者取两个输出量的滤波输出的和作为传感器的检测信号；

优选地，所述传感器采用双轴传感器或三轴传感器；采用三轴传感器时，任取两个相互垂直的感应方向形成监测平面。

为了便于本领域技术人员实施，发明人还提出了一种压力流体管道声振动信号多向采集装置，其结构为：所述压力流体管道声振动信号多向采集装置由声振动传感器和基座组成，所述基座的外端面为平面，基座的内端面与管道外形匹配；声振动传感器设置于基座的外端面上，且声振动传感器的传感方向与基座外端面平行；所述声振动传感器有两个感应方向，两个感应方向互相垂直。

本发明的有益技术效果是：可以扩展单个采集点的检测区域，降低采集点设置密度，节省成本，信号的信噪比得到提高，泄漏检测中漏点定位精度较高。

附图说明

图1、本发明的原理示意图（图中方向一和方向二即分别代表传感器的两个感应方向）；

图2、本发明的装置设置位置示意图（图中标记1为管道，标记2为基座，标记3为声振动传感器）；

图3、本发明的装置端面结构示意图（图中标记2为基座，标记3为声振动传感器）。

具体实施方式

一种压力流体管道声振动信号多向采集方法，包括被测管道，其创新在于：所述被测管道上至少设置有一传感器，所述传感器至少能对两个方向上的声振动信号进行感应，且两个感应方向相互垂直；由两个感应方向所形成的平面记为监测平面，监测平面与被测管道的轴向平行；传感器对被测管道上的声振动信号进行检测并向外输出检测信号。

进一步地，获取到检测信号后，按如下方法对检测信号进行处理：

方法一：提取检测信号中的随机性特征或频率分布特征，进行模式识别，以实现漏点发现；

方法二：以被测管道作为信道，从检测信号中提取信道特性，以实现对被测管道的管道状态辨识；

方法三：沿被测管道延伸方向，间隔一定距离，设置两个或多个传感器，根据相邻两个传感器输出的检测信号，进行相关峰值分析，相关峰值所在的位置，就是泄漏产生的声振动传递到两个传感器的时间差，据此推算出漏点距离任一声振动传感器的距离，从而实现漏点定位；

处理时，在三种方法中，或者任取一者或两者采用，或者三者同时采用。

进一步地，按如下方法确定传感器的检测信号：设传感器上对应两个感应方向的输出量分别为x（t）和y（t）；

当x（t）和y（t）的频谱不重叠时，取信号能量集中在较高频带内的那个输出量作为传感器的检测信号；

当x（t）和y（t）的频谱完全重叠时，以两个输出量的重叠频带中较高频率部分作为通带对x（t）和y（t）分别进行滤波；滤波后，或者任取一个输出量的滤波输出作为传感器的检测信号，或者取两个输出量的滤波输出的和作为传感器的检测信号；

当x（t）和y（t）的频谱存在部分重叠时，以两个输出量的重叠频带中较高频率部分以及高频率部分不重叠频带共同组成通带对x（t）和y（t）分别进行滤波；滤波后，或者任取一个输出量的滤波输出作为传感器的检测信号，或者取两个输出量的滤波输出的和作为传感器的检测信号；

进一步地，所述传感器采用双轴传感器或三轴传感器；采用三轴传感器时，任取两个相互垂直的感应方向形成监测平面。

一种压力流体管道声振动信号多向采集装置，其结构为：所述压力流体管道声振动信号多向采集装置由声振动传感器和基座组成，所述基座的外端面为平面，基座的内端面与管道外形匹配；声振动传感器设置于基座的外端面上，且声振动传感器的传感方向与基座外端面平行；所述声振动传感器有两个感应方向，两个感应方向互相垂直。

实施例：

参见图3，图中装置采用二轴加速度传感器来实现本发明的方案，具体的二轴加速度传感器可采用美国ADI 公司的ADXL203二轴加速度传感器，另外，本发明方案还可采用三向传感器实现，如意法半导体（ST）LIS332AR三轴加速度传感器，具体应用时，在三向传感器上任取两个互相垂直的传感方向构成监测平面。

Claims (4)

1.一种压力流体管道声振动信号多向采集方法，包括被测管道，其特征在于：所述被测管道上至少设置有一传感器，所述传感器至少能对两个方向上的声振动信号进行感应，且两个感应方向相互垂直；由两个感应方向所形成的平面记为监测平面，监测平面与被测管道的轴向平行；传感器对被测管道上的声振动信号进行检测并向外输出检测信号；

按如下方法确定传感器的检测信号：设传感器上对应两个感应方向的输出量分别为x（t）和y（t）；

当x（t）和y（t）的频谱不重叠时，取信号能量集中在较高频率范围内的那个输出量作为传感器的检测信号；

当x（t）和y（t）的频谱完全重叠时，以两个输出量的重叠频带中较高频率部分作为通带对x（t）和y（t）分别进行滤波；滤波后，或者任取一个输出量的滤波输出作为传感器的检测信号，或者取两个输出量的滤波输出的和作为传感器的检测信号；

当x（t）和y（t）的频谱存在部分重叠时，以两个输出量的重叠频带中较高频率部分以及高频率部分不重叠频带共同组成通带对x（t）和y（t）分别进行滤波；滤波后，或者任取一个输出量的滤波输出作为传感器的检测信号，或者取两个输出量的滤波输出的和作为传感器的检测信号。

2.根据权利要求1所述的压力流体管道声振动信号多向采集方法，其特征在于：获取到检测信号后，按如下方法对检测信号进行处理：

方法一：提取检测信号中的随机性特征或频率分布特征，进行模式识别，以实现漏点发现；

方法二：以被测管道作为信道，从检测信号中提取信道特性，以实现对被测管道的管道状态辨识；

方法三：沿被测管道延伸方向，间隔一定距离，设置两个或多个传感器，根据相邻两个传感器输出的检测信号，进行相关峰值分析，相关峰值所在的位置，就是泄漏产生的声振动传递到两个传感器的时间差，据此推算出漏点距离任一声振动传感器的距离，从而实现漏点定位；

处理时，在三种方法中，或者任取一者或两者采用，或者三者同时采用。

3.根据权利要求1或2所述的压力流体管道声振动信号多向采集方法，其特征在于：所述传感器采用双轴传感器或三轴传感器；采用三轴传感器时，任取两个相互垂直的感应方向形成监测平面。

4.一种压力流体管道声振动信号多向采集装置，其特征在于：所述压力流体管道声振动信号多向采集装置由声振动传感器和基座组成，所述基座的外端面为平面，基座的内端面与管道外形匹配；声振动传感器设置于基座的外端面上，且声振动传感器的传感方向与基座外端面平行；所述声振动传感器有两个感应方向，两个感应方向互相垂直。