CN110307946B - 一种燃气管道泄漏检测用模拟测量装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气管道泄漏检测用模拟测量装置及其测试方法，该测量装置包括箱体单元、声波测试单元及土体状况监测单元；箱体单元包括填土箱、垫块、顶板和加载活塞，加载活塞能够对填土箱填充的复合土体进行压力补充，模拟复合土体在不同埋深的实际受力状况；声波测试单元包括声波采集设备、声波测试探头和脉冲源，脉冲源嵌向复合土体发出声波信号，声波测试探头接收经复合土体传输后的声波信号；土体状况监测单元包括刻度尺、土壤湿度测量仪、土壤湿度测试探针。本发明可以测试得出不同湿度、不同密度等条件下复合土体内声波的传播特征，其结构和方法简单，易于操作，适用领域广泛。

Description

一种燃气管道泄漏检测用模拟测量装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及燃气管道泄漏检测实验技术领域，尤其涉及一种燃气管道泄漏检测用模拟测量装置及其测试方法。

背景技术

随着燃气行业迅猛发展，燃气供应区域覆盖全国大部分城区与部分郊区县，但是燃气泄漏事故的发生率也在增加，给居民带来了巨大的生命与财产损失。因此，及时检测出埋地燃气管道泄漏点的所在位置，减少其危害影响就显得尤为重要。

埋地燃气管道泄漏时，会激发连续、非平稳的声波信号，声波信号携带泄露源的特征信息；通过对所测的信号进行分析处理，可以反推出泄露源的相关信息。此时，研究清楚复合土体内声波的传播规律就成了探测泄漏源的至关重要的前提。然而，在室外实地测试复合土体内泄露产生的声波面临很多技术困难，例如：复合土体内部采集点的位置选择受限，规律布点的难以实现；管道泄漏源难以控制，传播过程环境嘈杂；室外各处复合土体密度、湿度等状况参数的不同等，均会增加复合土体内声波信号采集工作的难度，导致所采集的声波信号的可利用性降低，难以实现对复合土体内声波传播规律的探索和总结。相比于室外测试，在实验室内模拟实际的复合土体环境和泄露源，进而探索复合土体内声波传播规律，无疑是一个较为可行的途径。

现有技术中，在相关领域的研究中还未发现关于“在实验室内模拟泄露源以及不同湿度、密度复合土体的测量装置及测试方法”的报道，因而迫切需要一种可以真实模拟泄露源所产生的声波并探测其在不同湿度、密度复合土体中传播规律的测量装置及测试方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种燃气管道泄漏检测用模拟测量装置及测试方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种燃气管道泄漏检测用模拟测量装置，该测量装置包括箱体单元、声波测试单元及土体状况监测单元；

所述箱体单元包括填土箱、垫块、顶板和加载活塞，所述填土箱的壳体由透明可视材料制成，所述填土箱上端开口处的顶板为能够竖直位移的活动板，且顶板开设有一个通孔，左侧面板以及底侧面板各自开设有若干均匀布置的预留孔；所述加载活塞的底端与填土箱的顶板相抵，能够对填土箱填充的复合土体进行压力补充，模拟复合土体在不同埋深的实际受力状况；

所述声波测试单元包括声波采集设备、声波测试探头和脉冲源，所述脉冲源嵌入通孔，并向复合土体发出声波信号；所述声波测试探头嵌入左侧面板以及底侧面板的预留孔，并接收经复合土体传输后的声波信号；

所述土体状况监测单元包括刻度尺、土壤湿度测量仪、土壤湿度测试探针，所述刻度尺沿竖直方向固定于填土箱的右侧面板处，所述土壤湿度测试探针的一端贯穿填土箱的右侧面板并设置在复合土体的各层土体中，另一端与土壤湿度测量仪连接。

进一步地，上述燃气管道泄漏检测用模拟测量装中，所述填土箱由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。

进一步地，上述燃气管道泄漏检测用模拟测量装中，所述填土箱的顶板内壁固定有橡胶垫。

进一步地，上述燃气管道泄漏检测用模拟测量装中，所述通孔、预留孔的末端均设置有用来保证脉冲源或声波测试探头与土壤耦合接触、防止声波信号衰减失真的耦合垫片。

进一步地，上述燃气管道泄漏检测用模拟测量装中，所述填土箱的左侧面板开设有至少3个均匀布置的预留孔，所述填土箱的底侧面板开设有3-6个均匀布置的预留孔。

一种燃气管道泄漏检测用模拟测量装置的测试方法，包括如下步骤：

1)在地面垂直向埋地燃气管道所在位置钻孔，钻孔长度为L，每隔8-20cm取一份土壤样品，测试每一份土壤的湿度和密度，并根据实测不同位置土壤的湿度和密度将土体分为n(n＝1，2，3……)层；

2)配置不同湿度和密度的土壤，分层铺设在填土箱内，每一层土壤的厚度为h_i，按照以下公式计算，

其中，H为填土箱的高度，l_i为埋地燃气管道上方某一层土体的厚度，L为钻孔长度；

3)在铺设土壤时，将土壤湿度测试探针分别置于各层土壤之中，并将数据传输线从填土箱中引出，并与土壤湿度测量仪连接；

4)土壤铺设完毕后将橡胶垫、顶板依次放置在复合土体的上方，利用加载活塞对复合土体施加载荷P，P按照以下公式计算，

P＝(l_i-h_i)·s·ρ_i

其中，h_i为填土箱内某一层土壤的厚度，l_i为埋地燃气管道上方某一层土体的厚度，s为填土箱的底面积，ρ_i为第i层土壤的容重；

5)将脉冲源穿过通孔与耦合垫片接触，将声波测试探头穿过预留孔与耦合垫片接触；

6)利用脉冲源向复合土体发出主频为14kHz，频带范围为0～20kHz的声波信号；并利用声波测试仪采集不同位置处的声波信号；

7)对不同位置采集的声波信号进行分析，计算土壤中声波的衰减系数；从声波衰减系数入手，分析得出声波在不同密度、不同湿度的复合土体中的传播规律；衰减系数α按照以下公式计算，

其中，A₁为脉冲源的发射信号幅值，A₂为声波测试探头的接收信号幅值，a为脉冲源到声波测试探头的水平距离，b为脉冲源到声波测试探头的垂直距离。

本发明的有益效果是：

1、测试时，在实验室这个噪声极低的环境中，脉冲源可以提供较宽频率范围内较稳定的声波激励信号，发出主频为14kHz，频带范围为0～20kHz的声波信号，此信号能够很好的模拟埋地燃气管道泄漏时声源特征；

2、声波测试探头可根据实验不同模拟情况的要求，确定声波测试探头的数量和布局方式，从而实现声波信号的合理采集。

3、来测试土壤湿度状态参数的土壤湿度测试探针放在声波测试探头的相对侧，旨在消除其对复合土体中声波信号传播的不利影响；

4、可以根据实地管道上方土壤性质参数，对复合土体的湿度、密度进行监测与控制，实现室外复合土体湿度、密度处处不同的真实模拟。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明燃气管道泄漏检测用模拟测量装置的主视图；

图2为本发明燃气管道泄漏检测用模拟测量装置的左视图；

图3为本发明的具体使用示意图；

1-填土箱，2-垫块，3-橡胶垫，4-顶板，5-加载活塞，6-声波采集设备，7-声波测试探头，8-脉冲源，9-耦合垫片，10-土壤湿度测试探针，11-刻度尺，12-复合土体，13-数据传输线，14-土壤湿度测量仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3所示，本实施例提供了一种燃气管道泄漏检测用模拟测量装置，该测量装置包括箱体单元、声波测试单元及土体状况监测单元。

箱体单元包括填土箱1、垫块2、顶板4和加载活塞5，填土箱1的壳体由透明可视材料如聚甲基丙烯酸甲酯材料制成，填土箱1上端开口处的顶板4为能够竖直位移的活动板，且顶板4开设有一个用于脉冲源8与复合土体12耦合接触的通孔，填土箱1的顶板4内壁固定有橡胶垫3，左侧面板以及底侧面板各自开设有3个均匀布置的预留孔。通孔、预留孔的末端均设置有用来保证脉冲源8或声波测试探头7与土壤耦合接触、防止声波信号衰减失真的耦合垫片9。加载活塞5的底端与顶板4相抵，能够对填土箱1填充的复合土体12进行压力补充，模拟复合土体12在不同埋深的实际受力状况。

声波测试单元包括声波采集设备6、声波测试探头7和脉冲源8，脉冲源8嵌入通孔，并向复合土体12发出声波信号；声波测试探头7嵌入左侧面板以及底侧面板的预留孔，并接收经复合土体12传输后的声波信号。

土体状况监测单元包括刻度尺11、土壤湿度测量仪14、土壤湿度测试探针10，刻度尺11沿竖直方向固定于填土箱1的右侧面板处，土壤湿度测试探针10的一端贯穿填土箱1的右侧面板并设置在复合土体12的各层土体中，另一端与土壤湿度测量仪14连接。

本实施例还提供了一种燃气管道泄漏检测用模拟测量装置的测试方法，包括如下步骤：

1)在地面垂直向埋地燃气管道所在位置钻孔，钻孔长度为L，每隔8-20cm取一份土壤样品，测试每一份土壤的湿度和密度，并根据实测不同位置土壤的湿度和密度将土体分为n(n＝1，2，3……)层；

2)配置不同湿度和密度的土壤，分层铺设在填土箱1内，每一层土壤的厚度为h_i，按照以下公式计算，

其中，H为填土箱1的高度，l_i为埋地燃气管道上方某一层土体的厚度，L为钻孔长度；

3)在铺设土壤时，将土壤湿度测试探针分别置于各层土壤之中，并将数据传输线13从填土箱1中引出，并与土壤湿度测量仪连接；

4)土壤铺设完毕后将橡胶垫、顶板依次放置在复合土体12的上方，利用加载活塞对复合土体12施加载荷P，P按照以下公式计算，

P＝(l_i-h_i)·s·ρ_i

其中，h_i为填土箱1内某一层土壤的厚度，l_i为埋地燃气管道上方某一层土体的厚度，s为填土箱1的底面积，ρ_i为第i层土壤的容重。填土箱1规格为1m×0.5m×0.5m，底面积s＝0.5m²，体积v＝0.25m³。

5)将脉冲源穿过通孔与耦合垫片接触，将声波测试探头穿过预留孔与耦合垫片接触；

6)利用脉冲源向复合土体12发出主频为14kHz，频带范围为0～20kHz的声波信号；并利用声波测试仪采集不同位置处的声波信号；

7)对不同位置采集的声波信号进行分析，计算土壤中声波的衰减系数；从声波衰减系数入手，分析得出声波在不同密度、不同湿度的复合土体12中的传播规律；衰减系数α按照以下公式计算，

其中，A₁为脉冲源8的发射信号幅值，A₂为声波测试探头7的接收信号幅值，a为脉冲源8到声波测试探头7的水平距离，b为脉冲源8到声波测试探头7的垂直距离。

埋地燃气管道所处复合土体环境复杂，土体的密度和湿度均会随着时间与空间的变化而变化；并且，管道上方会也受到回填土重量载荷的作用。本实施例中，设置了与室外实地管道所处复合土体密度与湿度均一致的土体环境，并通过加载活塞5对复合土体12进行压力补充，再现了燃气管道运行的真实土体环境。

室外实地测试时，环境噪声会导致声波信号中掺杂许多干扰信号成分；而且长距离、大尺度、无规律的布点会使测试过程难度增加、测试所得声波信号的信噪比降低。本实施例在实验室相对安静的环境下，通过预留孔进行有规律的布点测试可以更方便的得到有效的、具有高信噪比的声波信号。

埋地燃气管道泄漏时，会激发连续、非平稳的声波信号。通过对管道泄漏激发的声波信号进行分析处理，发现其声波信号主频分布在0～20kHz。本实施例中脉冲源发出频带范围0～20kHz以14kHz为主频的声波信号，此声波信号具有真实埋地燃气管道漏气产生的声波信号特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种燃气管道泄漏检测用模拟测量装置，其特征在于：该测量装置包括箱体单元、声波测试单元及土体状况监测单元；

所述箱体单元包括填土箱、垫块、顶板和加载活塞，所述填土箱的壳体由透明可视材料制成，所述填土箱上端开口处的顶板为能够竖直位移的活动板，且顶板开设有一个通孔，左侧面板以及底侧面板各自开设有若干均匀布置的预留孔；所述加载活塞的底端与填土箱的顶板相抵，能够对填土箱填充的复合土体进行压力补充，模拟复合土体在不同埋深的实际受力状况；

所述声波测试单元包括声波采集设备、声波测试探头和脉冲源，所述脉冲源嵌入通孔，并向复合土体发出声波信号；所述声波测试探头嵌入左侧面板以及底侧面板的预留孔，并接收经复合土体传输后的声波信号；

所述土体状况监测单元包括刻度尺、土壤湿度测量仪、土壤湿度测试探针，所述刻度尺沿竖直方向固定于填土箱的右侧面板处，所述土壤湿度测试探针的一端贯穿填土箱的右侧面板并设置在复合土体的各层土体中，另一端与土壤湿度测量仪连接。

2.根据权利要求1所述的燃气管道泄漏检测用模拟测量装置，其特征在于：所述填土箱由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。

3.根据权利要求1所述的燃气管道泄漏检测用模拟测量装置，其特征在于：所述填土箱的顶板内壁固定有橡胶垫。

4.根据权利要求1所述的燃气管道泄漏检测用模拟测量装置，其特征在于：所述通孔、预留孔的末端均设置有用来保证脉冲源或声波测试探头与土壤耦合接触、防止声波信号衰减失真的耦合垫片。

5.根据权利要求1所述的燃气管道泄漏检测用模拟测量装置，其特征在于：所述填土箱的左侧面板开设有至少3个均匀布置的预留孔，所述填土箱的底侧面板开设有3-6个均匀布置的预留孔。

6.一种如权利要求1所述燃气管道泄漏检测用模拟测量装置的测试方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在地面垂直向埋地燃气管道所在位置钻孔，钻孔长度为L，每隔8-20cm取一份土壤样品，测试每一份土壤的湿度和密度，并根据实测不同位置土壤的湿度和密度将土体分为n层，n为正整数；

2)配置不同湿度和密度的土壤，分层铺设在填土箱内，每一层土壤的厚度为h_i，按照以下公式计算，

其中，H为填土箱的高度，l_i为埋地燃气管道上方某一层土体的厚度，L为钻孔长度；

3)在铺设土壤时，将土壤湿度测试探针分别置于各层土壤之中，并将数据传输线从填土箱中引出，并与土壤湿度测量仪连接；

4)土壤铺设完毕后将橡胶垫、顶板依次放置在复合土体的上方，利用加载活塞对复合土体施加载荷P，P按照以下公式计算，

P＝(l_i-h_i)·s·ρ_i

其中，h_i为填土箱内某一层土壤的厚度，l_i为埋地燃气管道上方某一层土体的厚度，s为填土箱的底面积，ρ_i为第i层土壤的容重；

5)将脉冲源穿过通孔与耦合垫片接触，将声波测试探头穿过预留孔与耦合垫片接触；

6)利用脉冲源向复合土体发出主频为14kHz，频带范围为0～20kHz的声波信号；并利用声波测试仪采集不同位置处的声波信号；

7)对不同位置采集的声波信号进行分析，计算土壤中声波的衰减系数；从声波衰减系数入手，分析得出声波在不同密度、不同湿度的复合土体中的传播规律；衰减系数α按照以下公式计算，

其中，A₁为脉冲源的发射信号幅值，A₂为声波测试探头的接收信号幅值，a为脉冲源到声波测试探头的水平距离，b为脉冲源到声波测试探头的垂直距离。

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