CN108799840A - 基于红外成像和超声信号的蒸汽管路在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外成像和超声信号的蒸汽管路在线监测系统，该监测系统包括红外成像在线监测模块、超声波传感器阵列模块、数据采集处理模块、电源和监控后台；超声波传感器阵列模块实时检测各方位传来的与高压气体泄露相关的宽频超声信号并通过千兆网传递给数据采集处理模块，数据采集处理模块并通过频谱幅值的比较，初步确定泄露发生的方位角，红外成像在线监测模块根据数据采集处理模块提供的方位角进行成像搜索和目标跟踪，通过图像处理技术确定泄漏发生的准确方位角并向监控后台报警。本发明通过对红外成像信息与超声信息对蒸汽管路的工作状态进行在线监控，实现快速地搜索、识别和定位蒸汽管路的多种异常泄漏点。

Description

基于红外成像和超声信号的蒸汽管路在线监测系统

技术领域

本发明涉及舰船蒸汽舱室内部蒸汽管路的状态监测系统，用于对蒸汽管路的工作状态进行在线监控，同时将蒸汽管路泄漏信息进行故障实时报警并提供故障处方位引导信息。

背景技术

舰船蒸汽管路长期处于高温、高压的蒸汽环境中工作，难免出现内漏或外漏问题，且由于舱室空间狭小、层叠布置，难以对管路进行有效排查或检修。一旦发生泄漏，将引起管道加速腐蚀、周边设备受损，继而可能导致系统无法正常工作，甚至危及人员及设备的安全。因此，对泄漏现象的及时发现和处理非常重要。早期泄露现象的发现依赖于对其声、热等特征的有效监测。

目前常见的泄漏检测仪往往依赖于压强、超声等某一种特征的监测，且大多为手持式，无法实现蒸汽管路工作状态的实时监控与自动报警，对于高温、高压的舰船蒸汽管路，甚至危及工作人员的安全，迫切需要一种同时具备自动化、实时性和准确性等特点的远程监控装置，以实现舰船蒸汽管路泄漏的远程监控、自动报警和准确定位。

高压气体容器(或管道)存在较大的内外压差，一旦出现泄漏，气体将沿漏孔高速喷出。描述流体流动的重要系数是雷诺数(Reynolds number，Re＝ρvD/μ，式中ρ为气体密度，v为流速，D为漏孔平均力学直径，μ为气体动态粘滞系数)。高压气体泄露时，因为流速较高，雷诺数较大，将形成湍流。湍流中存在大量的不稳定涡旋，可激发特定频率范围的宽频噪声。研究表明，激发的噪声频率与漏孔尺寸相关。当漏孔较大时，噪声频率较低，可被人耳听到；当漏孔微小且压力很高，泄露产生的噪声频率将超过20kHz，甚至达到100kHz，超出人的可听声范围(20Hz-20kHz)，但可被超声传感器测得。由于空气对超声的衰减，以及声波随距离的扩散效应，该超声的声强随距离的增加而快速衰减，因此监测距离有限。背景噪声主要存在于低频，也包括机械振动所引起的少量高频窄带谐波；而泄露特征声则分布在更宽的频率范围，具有特定的频谱特征，因此可通过匹配泄漏频谱特征，以在恶劣环境下对气体泄漏进行有效监测。

同时，由于蒸汽自带有的温度特性，蒸汽泄露还会对周围环境带来相应温度的变化。红外热像通过吸收红外辐射，检测设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热分布情况，因此即使在暗黑环境下亦能生成相应的图像，用于辨识物体场景。被动式红外热像在完全暗黑环境下亦能生成精确定量的温度场分布图像，不仅能够清晰的辨识现场物体场景，且通过对蒸汽泄漏处热线云雾特征加以甄别，即可显示泄漏故障所在具体位置及大致温度场分布情况。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于红外成像和超声信号的蒸汽管路在线监测系统，系统通过对红外成像信息与超声信息对蒸汽管路的工作状态进行在线监控，实现了快速地搜索、识别和定位蒸汽管路的多种异常泄漏点。

一种基于红外成像和超声信号的蒸汽管路在线监测系统，该监测系统包括红外成像在线监测模块、超声波传感器阵列模块、数据采集处理模块、电源和监控后台；

所述超声波传感器阵列模块实时检测各方位传来的与高压气体泄露相关的宽频超声信号并通过千兆网传递给数据采集处理模块，数据采集处理模块并通过频谱幅值的比较，初步确定泄露发生的方位角，红外成像在线监测模块根据数据采集处理模块提供的方位角进行成像搜索和目标跟踪，通过图像处理技术确定泄漏发生的准确方位角并向监控后台报警。

进一步地，所述超声波传感器阵列模块包括十三个超声探头、一个阵列安装基座和相应的屏蔽信号线，十二个所述超声探头呈圆周分布，圆周角度间隔15度，俯角(向下倾斜)40度；剩余一个超声探头在阵列中心并垂直向下；

进一步地，所述红外成像在线监测模块包括红外光学镜头、红外热像仪、图像采集设备和数据处理软件，红外光学镜头用于将待测红外场景辐射的红外能量汇聚在红外探测器的感光面上进行成像，红外镜头所用材料不同于可见光镜头；红外热像仪将红外镜头汇聚的待观测目标的红外图像光信号转变为电信号，并经过图像处理后输出。

进一步地，超声波信号处理采用DSP器件，图像信号处理模块为iMX6Q嵌入式处理器，监控后台与数据采集处理模块的通讯接口为通用以太网接口，遵循TCP/IP协议。

有益效果：

1、本发明的红外成像在线监测模块具有高稳定性和高可靠性的特点，蒸汽管路红外成像在线监测设备为稳定瞄准设备，观测传感器部分采用了红外热成像技术；信息传递采用同轴电缆传输技术；信息处理采用DSP技术可以快速地搜索、识别和定位多种异常泄漏点，实现了蒸汽管路运行状态的在线监测和定位。

2.本发明采用了超声波接收传感器阵列技术设计，十二个超声探头呈圆周分布，圆周角度间隔15度，俯角(向下倾斜)40度；剩余一个超声探头在阵列中心并垂直向下，实现了多方位实时监控。

3、本发明不同于传统手持式泄漏检测仪，具备远程监控和自动报警功能，超声检测与红外成像相互补偿，超声检测到异常后转塔随之转动，提高了检测的准确性和效率。

附图说明

图1为本发明的系统组成原理图；

图2为典型安装位置和探测范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种基于红外成像和超声信号的蒸汽管路在线监测系统，系统由监控前端(超声波传感器阵列模块和具有PAL输出的红外热像仪)、数据采集处理模块(处理器：IMX6Q，原始图像数据和处理结果通过千兆网传输至监控后台)、监控后台(主站计算机、主控台软件)和电源四部分组成；各部分基于TCP/IP协议，通过千兆网互联，稳定且便于长距离扩展，由于实际场景不同，可以灵活配置超声波传感器和红外热像仪单元的数量，这些传感器都通过千兆网与主站计算机相连，主站计算机需配备相应接口的集线器。

通过高灵敏被动接收(侦听)方式对布有管路、阀门的空间进行多方位实时超声波监测，并进行背景噪声的识别、过滤，当捕捉到泄漏气体激励的超声波信号后，利用其较强指向性判断其泄漏所在方位。辅以非接触式测温红外热像手段，综合运用半导体红外图像传感器、红外成像技术、计算机技术、图像处理技术等，通过接收物体发出的红外辐射，将其热像及周边场景显示出来，准确判断物体表面及周边温度分布和变化情况，通过图像处理算法对泄露处进行提示并报警。

超声波监测模块采用壁挂式固定安装，监测空间内各方位的超声波信号，当传感器接收到异常出现的监测频段内的超声波信号后，会根据对这一信号的特征分析结果进行报警，红外热像仪以扫描的方式进行监测，方位0°～360°，俯仰-30°～-86°(水平前视为0°)往复扫描，图像处理结果也可以对泄漏进行监测并报警。数据及处理结果通过千兆网向主站计算机服务器发送，通过显示器加以显示，并提醒相关人员赴现场进行检查。

超声波传感器一般安装在监测区域的墙上，红外成像传感器可安装在屋顶中央位置，超声波传感器最大探测距离为6～8米，红外成像组件监测距离为25m。可以根据现场实际情况，灵活配备多个超声波传感器组件或多个红外成像组件，系统典型安装位置如图2所示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于红外成像和超声信号的蒸汽管路在线监测系统，其特征在于，该监测系统包括红外成像在线监测模块、超声波传感器阵列模块、数据采集处理模块、电源和监控后台；

所述超声波传感器阵列模块实时检测各方位传来的与高压气体泄露相关的宽频超声信号并通过千兆网传递给数据采集处理模块，数据采集处理模块并通过频谱幅值的比较，初步确定泄露发生的方位角，红外成像在线监测模块根据数据采集处理模块提供的方位角进行成像搜索和目标跟踪，通过图像处理技术确定泄漏发生的准确方位角并向监控后台报警。

2.如权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于，所述超声波传感器阵列模块包括十三个超声探头、一个阵列安装基座和相应的屏蔽信号线，十二个所述超声探头呈圆周分布，圆周角度间隔15度，俯角40度；剩余一个超声探头在阵列中心并垂直向下。

3.如权利要求1或2所述的在线监测系统，其特征在于，所述红外成像在线监测模块包括红外光学镜头、红外热像仪、图像采集设备和数据处理软件，红外光学镜头用于将待测红外场景辐射的红外能量汇聚在红外探测器的感光面上进行成像，红外镜头所用材料不同于可见光镜头；红外热像仪将红外镜头汇聚的待观测目标的红外图像光信号转变为电信号，并经过图像处理后输出。

4.如权利要求3所述的在线监测系统，其特征在于，超声波信号处理采用DSP器件，图像信号处理模块为iMX6Q嵌入式处理器，监控后台与数据采集处理模块的通讯接口为通用以太网接口，遵循TCP/IP协议。