CN104456094A - 一种基于声信号的pccp爆管预警监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于声信号的PCCP爆管预警监测系统。其包括传感器、信号调理电路、数据采集模块和数据传输模块；其中：传感器依次通过信号调理电路和数据采集模块与数据传输模块相连接；数据传输模块通过无线的方式与远端的数据服务中心相连接。本发明提供的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统具有采样精度高、采样速率和传输速率快、功耗低等多方面优越性能，船池实验表明断丝声信号在传播100米之后，其信噪比仍很显著，即断丝声信号仍能比较明显观察出来。PCCP的现场实验表明利用小波特征提取和支持向量机识别能够将断丝声信号的识别精度提高到98.33％。

Description

一种基于声信号的PCCP爆管预警监测系统

技术领域

本发明属于计算机控制技术领域，特别是涉及一种基于声信号的PCCP爆管预警监测系统。

背景技术

预应力钢筒混凝土管(简称PCCP)是指在带有钢筒的高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，再在其上喷制致密的水泥砂浆保护层而制成的输水管。其是由薄钢板、高强钢丝和混凝土构成的复合管材，充分而又综合地发挥了钢材的抗拉、易密封和混凝土的抗压、耐腐蚀性能，具有高密封性、高强度和高抗渗的特性。预应力钢筒混凝土管道最早是由法国邦纳管道公司设计并制造，目前已具有很长的历史。到了20世纪40年代，欧美国家也开始纷纷开发和制造预应力钢筒混凝土管道。美国作为世界上最大的预应力钢筒混凝土管道生产和使用国家，至今已经使用的预应力钢筒混凝土管道的长度已高达28000KM，其中最大的预应力钢筒混凝土管道直径达7.6米。除了美国之外，欧洲、美洲、亚洲和非洲中的许多国家也大量使用预应力钢筒混凝土管道。中国直到20世纪80年代末才开始进行预应力钢筒混凝土管道的研究、生产和制造。在1989年，山东电力管道工程公司首次从美国引进了先进的预应力钢筒混凝土管道制作技术。随后，国内许多其他公司也开始陆续引进国外的先进技术，由此在国内开始大量的生产预应力钢筒混凝土管道。据不完全统计，到2010年底中国预应力钢筒混凝土管道总计生产量大约为10000公里。由于预应力钢筒混凝土管道与其他金属管道和非金属管道相比具有很多的优势，因此其在实际工程中有着非常广泛的应用。山西省万家寨引黄工程就大量使用了预应力钢筒混凝土管道。万家寨的输水工程全长约140公里，是继小浪底和三峡之后第三大水利工程，其中有三分之一是使用预应力钢筒混凝土管道。万家寨的输水工程于2002年10月建设完成，这其中PCCP的铺设成功对我国预应力钢筒混凝土管道的铺设发展起到了重要的推动作用。在2009年，哈尔滨磨盘山供水工程中使用预应力钢筒混凝土管道的长度达到了270公里。作为辽宁省的重点饮水项，从大伙房水库向沈阳等地区供水，该项目也使用了大量的预应力钢筒混凝土管道，总计约有200公里。除此之外，还有许多的输水工程也用到了PCCP，据不完全统计，到2010年底，我国共有5000KM左右的预应力钢筒混凝土管道将投入使用。

预应力钢筒混凝土管道的广泛应用带来了巨大而又明显的经济效益和社会效益，但是在其使用过程中，一旦发生爆管事故就会产生巨大的经济损失，结果将会造成环境破坏甚至是人员伤亡。PCCP爆管事故在我国很早就有，例如：早期由于用于制管的铝酸盐自应力水泥、硫铝酸盐自应力水泥的研究不到位，因此在没有了解和掌握预应力钢筒混凝土管道性能的情况下就开始生产和制造自应力混凝土管，结果导致在安徽蚌埠、湖北武汉、广西南宁等多地都发生过爆管事故。这些爆管事故都是由于水泥膨胀造成的，爆管事故直接导致已铺设的管线报废，只好挖出重新更换和铺设。山东省一个水泥制品厂在为南山集团生产PCCP过程中，由于钢材质量问题，最终导致爆管，损失惨重；石家庄市的自来水公司曾使用三阶段预应力钢筒混凝土管道铺设管道，由于预应力钢筒混凝土管道外部混凝土保护层的质量问题，通水运行没有几年就发生严重的爆管事故，不得不更换；还有电视台也曾报导过的宝鸡市发生的8次预应力钢筒混凝土管道爆管事故，还有消息报道，湖北省有的企业生产的三阶段预应力混凝土管，由于保护层质量差和地下水位高，铺设使用仅三年就发生爆管事故。近来在天津滨海新区发生的一次预应力钢筒混凝土管道爆管事故中，直接经济损失高达3900万。据不完全统计，我国每年预应力钢筒混凝土管道爆管事故多达数百次甚至上千次，带来的直接经济损失都在数亿元以上。因此研究一种能够监测爆管事故的专用系统势在必行。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于声信号的PCCP爆管预警监测系统。

为了达到上述目的，本发明提供的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统包括：传感器、信号调理电路、数据采集模块和数据传输模块；其中：传感器依次通过信号调理电路和数据采集模块与数据传输模块相连接；数据传输模块通过无线的方式与远端的数据服务中心相连接。

所述的传感器为监测信号采集装置，选用杭州声学所生产的RHS系列球形标准水听器，型号为RHS20A。

所述基于声信号的PCCP爆管预警监测系统还包括一个与水听器配合的水听器套筒装置，所述的水听器套筒装置包括法兰盘、套筒和顶丝，其中：法兰盘为圆盘状，其中心处设有套筒；套筒为空芯圆柱体，其上部位于法兰盘上方，下部置于法兰盘下方部；套筒的下部装有水听器，水听器通过顶丝与其外面的套筒固定在一起，套筒与法兰盘通过螺纹连接在一起，而法兰盘则焊接在PCCP上。

所述的信号调理电路主要由运放和电阻电容组成，分为三个功能模块：电荷放大器、信号放大电路和带通滤波器。

所述的数据采集模块采用NI公司生产的USB4432数据采集卡。

所述的数据传输模块采用周立功公司生产的ZWD-35A无线数传模块。

本发明提供的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统具有采样精度高、采样速率和传输速率快、功耗低等多方面优越性能，船池实验表明断丝声信号在传播100米之后，其信噪比仍很显著，即断丝声信号仍能比较明显观察出来。PCCP的现场实验表明利用小波特征提取和支持向量机识别能够将断丝声信号的识别精度提高到98.33％。

附图说明

图1为本发明提供的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统的结构示意图。

图2为信号调理电路原理图。

图3为水听器套筒装置示意图。

图4为水听器外套筒的机械图。

图5为ZWD35A的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统进行详细说明。

本发明提供的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统的技术指标如下：

1、单个PCCP监测系统的精度应该达到+/-10米。

2、单个水听器的布放距离应该为每500米一个，水听器的布放距离主要取决于实际声信号的衰减特性以及实际成本。

两水听器之间距离越长，总管道所需的水听器的总数量也越少，系统成本也就越低，但是实际使用过程中，两水听器之间距离也不是越远越好，水听器之间距离太远，爆管前断丝声信号可能还没有传到水听器就已经有很大衰减。

如图1所示，本发明提供的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统包括：传感器1、信号调理电路2、数据采集模块3和数据传输模块4；其中：传感器1依次通过信号调理电路2和数据采集模块3与数据传输模块4相连接；数据传输模块4通过无线的方式与远端的数据服务中心相连接。

所述的传感器1为监测信号采集装置，本系统待检测的信号为爆管前其上预应力钢丝出现断丝时所产生的声信号，一般声信号的频率范围为0-20KHZ，因此在选用传感器时需要考虑到声信号的频率范围。本系统主要采用水听器来对声信号进行检测。

水听器是一种把声信号转化为电信号的换能器，由于水听器必须在有水的媒介中使用，因此水听器的结构就必须防水，一般水听器都是采用抗腐蚀的防水电缆。

本系统中选用的传感器为杭州声学所生产的RHS系列球形标准水听器，最终选定的型号为RHS20A，该标准型水听器主要有以下几个特点：

(1)方向性好。RHS20A水听器在水平方向上无指向性，在垂直平面240度范围内测量也没有指向性。因此该水听器的方向性好，适合于PCCP断丝声信号的检测。因为在实际管道检测环境中，PCCP内部的钢丝断裂可能发生在管道环向的任一个方向上，因此PCCP的断丝声信号的方向具有不确定性。

(2)频段范围宽，RHS20A水听器的工作频段范围为20HZ-100KHZ，线性工作频率范围为20HZ-50KHZ，而声信号的频率范围为0-20KHZ，因此该水听器能够覆盖所有的水声信号。

(3)灵敏度平坦，RHS20A水听器在20-50KHZ范围内灵敏度呈现线性变化，一直保持在-198db左右，因此适用于实际声信号检测。

(4)稳定性好，可靠度高。

由于水听器的工作环境为水环境，因此水听器的安装也必须防水。在本系统中，设计了一个水听器套筒装置与水听器进行配合，然后再安装到PCCP上。

如图2所示，所述的水听器套筒装置包括：法兰盘11、套筒12和顶丝13，其中：法兰盘11为圆盘状，其中心处设有套筒12；套筒12为空芯圆柱体，其上部位于法兰盘11上方，下部置于法兰盘11下方部；套筒12的下部装有水听器14，水听器14通过顶丝13与其外面的套筒12固定在一起，套筒12与法兰盘11通过螺纹连接在一起，而法兰盘11则焊接在PCCP上。

在水听器14的安装过程中，还必须考虑水听器14与套筒12之间的密封，常见的密封主要分为静密封与动密封，在PCCP的检测中，需要使用静密封来对水听器14进行密封。在本系统中，我们使用了常见的密封方法：即O型圈密封法。O型圈不仅选型方便，而且密封槽的加工也非常方便，同时容易购买，且安装便捷。图3为水听器上外套筒的纵向结构剖视图，其中有两个槽是用来安装密封圈的，这里选用的O型密封圈的尺寸为Φ18x3.6cm。

由于水听器14的输出信号为电荷，为了方便后续的数据采集存储工作，设置了相应的信号调理电路2，用于实现电荷转变电压、信号放大功能；如图4所示，所述的信号调理电路2主要由运放和电阻电容组成，分为三个功能模块：电荷放大器、信号放大电路和带通滤波器。

电路的第一级为电荷-电压转换电路。本系统所选用的水听器14是一种容性高阻抗电荷输出传感器，因此电荷放大电路必须使用高输入阻抗型的运放。另外，微小泄漏的声信号和水听器14的输出都比较微弱，所以对放大电路抑制输入噪声的要求很高。本系统中选用AD743，它是一款单片JEFT运放，具有极低的输入电压噪声和电流噪声，特别适合需要极高电荷灵敏度的应用场合。因此该运放能很好地满足泄漏检测方案的需求。图4中以AD743为核心构建的电荷放大电路实质上是一个具有放大功能的高阻抗跟随器。该电路的信号增益为(1+R8/R9)，本发明中设为10倍。为了使电路在不同温度下都保持较好的性能，电阻R6，R7选用非常大的阻值并保持平衡。电容C20，C21使用相同数值的聚苯乙烯电解电容，可以实现最佳的低噪声性能。本级电路将水听器输出的电荷转换为电压，并进行了10倍的放大，但输出信号的绝对幅值仍然很小，需要进一步放大。

第二级电压放大器将转化得到的电压信号进一步进行放大。运放选用AD4897，这是一款单位增益稳定、低噪声、轨到轨输出的高速电压反馈型放大器。该运放可以使电路的输出具有较低的噪声水平。电路的放大倍数有5倍，10倍，50倍和100倍可选，放大倍数的选择由拨码开关实现。

最后一级为带通滤波电路。该电路是以AD820为运放的RC有源滤波器。根据传感器输入信号和噪声的频带，选取合适的电阻电容值，设计其滤波通带为20-20kHz。为了方便后续的模数转换，用1.225V基准电压将信号幅值抬高。基准电压是由一款低成本的精密带隙参考电压芯片AD1580提供。本系统中多个运放都需要双电源供电，使用系统已有的5V电压通过MAX660芯片产生-5V电压，为各运放供电。正负5V电源部分采用了π型滤波，以降低电压的纹波。

所述的数据采集模块3采用NI公司生产的USB4432数据采集卡，它的基本性能参数如表2-1所示：

表2-1USB4432的性能参数

USB4432的最大采样速率为102.4kS/s，在实际测量过程中，断丝声信号的频率范围为0-20KHZ，因为最低采样率应为40K，USB4431能够满足此采样率的要求。在实际采样过程中，使用的采样率为44K。

所述的数据传输模块4采用周立功公司生产的ZWD-35A无线数传模块，其主要性能参数如下表

表2-2ZWA的主要性能参数

ZWD-35A的工作流程如下图5所示；首先建立数据服务中心，如果电脑是通过ADSL/LAN处于公网上，就可以直接使用自带的TCP/UDP测试工具设置端口号，直接创建服务器。ZDW-35A有两种接口，即RS-232串口和USB接口。其中串口为通讯口，USB为配置口。在配置好ZWD-35A之后，其将退出配置模式，进行工作模式，自动连接刚才设置好的数据中心服务器。ZWD-35通过串口连接到采集设备的串口上，即可进行数据传送。

本发明提供的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统具有采样精度高，采样速率和传输速率快，功耗等低多方面优越性能，船池实验表明断丝声信号在传播100米之后，其信噪比仍很显著，即断丝声信号仍能比较明显观察出来。PCCP的现场实验表明利用小波特征提取和支持向量机识别能够将断丝声信号的识别精度提高到98.33％。

Claims (6)

1.一种基于声信号的PCCP爆管预警监测系统，其特征在于：所述的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统包括：传感器(1)、信号调理电路(2)、数据采集模块(3)和数据传输模块(4)；其中：传感器(1)依次通过信号调理电路(2)和数据采集模块(3)与数据传输模块(4)相连接；数据传输模块(4)通过无线的方式与远端的数据服务中心相连接。

2.根据权利要求1所述的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统，其特征在于：所述的传感器(1)为监测信号采集装置，选用杭州声学所生产的RHS系列球形标准水听器，型号为RHS20A。

3.根据权利要求2所述的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统，其特征在于：所述基于声信号的PCCP爆管预警监测系统还包括一个与水听器配合的水听器套筒装置，所述的水听器套筒装置包括法兰盘(11)、套筒(12)和顶丝(13)，其中：法兰盘(11)为圆盘状，其中心处设有套筒(12)；套筒(12)为空芯圆柱体，其上部位于法兰盘(11)上方，下部置于法兰盘(11)下方部；套筒(12)的下部装有水听器(14)，水听器(14)通过顶丝(13)与其外面的套筒(12)固定在一起，套筒(12)与法兰盘(11)通过螺纹连接在一起，而法兰盘(11)则焊接在PCCP上。

4.根据权利要求1所述的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统，其特征在于：所述的信号调理电路(2)主要由运放和电阻电容组成，分为三个功能模块：电荷放大器、信号放大电路和带通滤波器。

5.根据权利要求1所述的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统，其特征在于：所述的数据采集模块(3)采用NI公司生产的USB4432数据采集卡。

6.根据权利要求1所述的基于声信号的PCCP爆管预警监测系统，其特征在于：所述的数据传输模块(4)采用周立功公司生产的ZWD-35A无线数传模块。