CN111220710B - 一种管道剥离监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于管道监测技术，提供一种管道剥离监测系统及监测方法，解决了现有管道剥离监测方法安装操作复杂、重复性差、测量不准确以及缺乏客观数据的问题。所述监测系统包括依次连接的信号发送模块、声系监测装置、采集模块、USB传输模块、数据通信模块和数据处理模块。监测方法为：安装，信号发送模块向声系监测装置的发射端发送方波脉冲信号，接收端接收发射端发送的信号，采集模块采集接收端的声波信号和PZT探头使用信息，经由USB传输模块和数据通信模块将声波信号传输至数据处理模块，数据处理模块将声波信号转化为可视化信号并计算得到相应波形能量，与标定的波形能量实时对比，实现对待测管道剥离情况的实时监测。

Description

一种管道剥离监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于管道监测系统及监测方法，具体涉及一种管道剥离监测系统及监测方法。

背景技术

管道运输作为重要运输方式之一，常用于输送石油和天然气等物质。目前用于长距离运输的油气管道均为双层钢结构，易受外界环境因素影响发生管道剥离事件，极大地影响了油气物资的运输安全，因此对管道特殊位置进行剥离监测具有重要意义。

目前，对于管道剥离监测的方法主要有波动法和敲击法：波动法是在管道上安装PZT探头，通过PZT探头发送出的声波信号能量信息判断管道是否剥离，该方法需要事先预置若干PZT探头，将PZT探头粘贴在待测管道表面或手持PZT探头进行测量，这种方式测量距离不准确，重复性差，且安装时操作比较复杂；敲击法是一种根据经验判断损伤的方法，没有客观数据作为分析对象，一般仅作为辅助检测手段。

发明内容

本发明的主要目的是在于解决现有管道剥离监测方法安装操作复杂、重复性差、测量不准确以及缺乏客观数据的问题，提供一种管道剥离监测系统及监测方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种管道剥离监测系统，其特殊之处在于，包括依次连接的信号发送模块、声系监测装置、采集模块、USB传输模块、数据通信模块和数据处理模块；信号发送模块用于向声系监测装置发射方波脉冲信号；声系监测装置包括柔性电路板和等间距镶嵌于柔性电路板的多个PZT探头，柔性电路板沿周向贴合于待测管道外壁；每两个PZT探头为一组，其中一个为发射端，另一个为接收端；所述发射端接收方波脉冲信号并沿待测管道外壁发送信号，所述接收端接收发射端发送的声波信号；采集模块用于采集所述接收端收到的声波信号和PZT探头使用信息；USB传输模块读取采集模块中的声波信号和PZT探头使用信息，并通过数据通信模块将声波信号传输至数据处理模块；数据处理模块将声波信号转化为可视化的波形图，再计算出相应的波形能量，数据处理模块设有用于呈现所述波形图的显示屏。

进一步地，还包括控制端设定模块；PZT探头使用信息通过数据通信模块传输至控制端设定模块；用户通过控制端设定模块对监测系统进行设置，控制端设定模块发出的设置指令依次经由数据通信模块、USB传输模块、采集模块、声系监测装置和信号发送模块；控制端设定模块通过数据通信模块向数据处理模块发送指令。通过控制端设定模块实现人机交互，更加方便的根据监测需求选择PZT探头，还可以根据需要调整方波脉冲信号。

进一步地，所述数据处理模块中设置有预警模块，控制端设定模块通过数据通信模块向预警模块发送波形能量阈值指令，波形能量超出阈值时发出预警提示。

进一步地，所述数据处理模块中设置有预设了波形能量阈值的预警模块，波形能量超出波形能量阈值时发出预警提示，便于操作人员及时发现待测管道发生剥离。该波形能量阈值可以通过控制端设定模块设置，也可以提前在预警模块中预设。

进一步地，所述数据处理模块中设有数据存储模块，用于存储记录所述波形图、波形能量和预警提示，便于随时调取查看。

进一步地，所述方波脉冲信号宽度为1μs。

进一步地，相邻两个PZT探头间的距离小于等于待测管道周长的四分之一。

一种如上所述管道剥离监测系统的监测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，安装，将声系监测装置贴合于待测管道外壁；

步骤2，标定，信号发送模块向所述发射端发送方波脉冲信号，所述接收端收到发射端发送的声波信号，采集模块采集接收端声波信号和PZT探头使用信息，通过USB传输模块读取声波信号和PZT探头使用信息，并经数据通信模块将声波信号传输至数据处理模块，数据处理模块对声波信号可视化转换后计算得到初始波形能量E₀；

步骤3，采集，信号发送模块持续向所述发射端发送方波脉冲信号，重复步骤2，计算得到对应的实时波形能量E_i；

步骤4，判断，若波形能量差ΔE＝0则待测管道未发生剥离，若ΔE>0则待测管道已发生剥离；其中ΔE＝E₀-E_i。

一种如上所述管道剥离监测系统的监测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，安装，将声系监测装置贴合于与待测管道材质相同的未发生剥离的管道外壁；

步骤2，标定，信号发送模块向所述发射端发送方波脉冲信号，所述接收端收到发射端发送的声波信号，采集模块采集接收端声波信号和PZT探头使用信息，通过USB传输模块读取声波信号和PZT探头使用信息，并经数据通信模块将声波信号传输至数据处理模块，数据处理模块对声波信号可视化转换后计算得到初始波形能量E₀；

步骤3，采集，将声系监测装置取下，安装贴合于待测管道外壁，选取与步骤2相同的PZT探头分别作为发射端和接收端；信号发送模块持续向所述发射端发送方波脉冲信号，重复步骤2，计算得到对应的实时波形能量E_i；

步骤4，判断，若波形能量差ΔE＝0则待测管道未发生剥离，若ΔE>0则待测管道已发生剥离；其中ΔE＝E₀-E_i。

进一步地，所述声波信号可视化转换是通过示波器处理声波信号；所述波形能量是通过小波变换计算得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的管道剥离监测系统，在贴合于待测管道外壁的柔性电路板上等距镶嵌多个PZT探头，每两个PZT探头为一组，向其中一个作为发射端的PZT探头发送方波脉冲信号，方波脉冲信号会沿待测管道外壁发送信号，沿待测管道外壁将传播声波信号，另一个PZT探头作为接收端接收声波信号，声波信号经采集模块、USB传输模块和数据通信模块后到达数据处理模块，数据处理模块将声波信号转化为可视化的波形图，再计算出相应的波形能量，用以判断待测管道是否发生剥离，从而实现了通过客观数据直观简便的判断管道是否发生剥离。另外，使用时只需将镶嵌了PZT探头的柔性电路板贴合于待测管道外壁，安装操作更加简便，发射端与接收端的PZT探头位置确定，重复安装的准确性得到了保障。信号发送模块、声系监测装置和采集模块形成了监测系统的下位机，数据通信模块与数据处理模块形成上位机，上位机与下位机间通过USB传输模块进行读取交互。

2.本发明通过控制端设定模块实现人机交互，PZT探头使用信息通过数据通信模块传输至控制端设定模块，操作人员可以根据数据处理模块得到的波形图及相应波形能量，结合监测需求，通过控制端设定模块设置PZT探头，以及调整信号发送模块发送的方波脉冲信号等。

3.本发明通过在数据处理模块中设置预警模块，当计算出的波形能量超过波形能量阈值时能够发出预警提示，便于操作人员及时发现待测管道发生剥离，该波形能量阈值可以通过控制端设定模块进行设置，也可以预先在预警模块中设定好波形能量阈值。

4.本发明在数据处理模块中设置数据存储模块，便于随时调取查看波形图、对应波形能量和预警提示。

5.本发明管道剥离监测方法，通过信号发送模块向带有PZT探头的声系监测装置发送方波脉冲信号，声系监测装置中的一个PZT探头接收方波脉冲信号，另一个PZT探头接收沿待测管道的声波信号，通过将声波信号可视化转换，最终计算得到相应的波形能量，与标定的波形能量实时对比，实现对待测管道剥离情况的实时监测。巧妙利用实测信号与标定状态的声波能量差异作为管道剥离评价依据。

附图说明

图1为本发明管道剥离监测系统的组成示意图；

图2为本发明中声系监测装置的结构示意图；

图3为本发明中声系监测装置弯曲状态下的结构示意图；

图4为本发明声系监测装置的工作状态示意图；其中，(a)为待测管道未发生剥离时声系监测装置的工作状态示意图；(b)为待测管道发生剥离时声系监测装置的工作状态示意图；

图5为本发明一种实施例中管道无剥离和剥离时的可视化波形图对比图；

图6为本发明一种实施例中管道无剥离和剥离时的波形能量对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

如图1所示，一种管道剥离监测系统，包括依次连接的信号发送模块、声系监测装置、采集模块、USB传输模块、数据通信模块和数据处理模块；

信号发送模块用于向声系监测装置发射方波脉冲信号；

如图2和图3，声系监测装置包括柔性电路板和等间距镶嵌于柔性电路板的多个PZT探头。进行监测时，柔性电路板沿周向贴合于待测管道外壁；每两个PZT探头为一组，其中一个为发射端，另一个为接收端；所述发射端接收方波脉冲信号并沿待测管道外壁发送信号，所述接收端接收发射端发送的声波信号；

采集模块用于采集所述接收端收到的声波信号和PZT探头使用信息；

USB传输模块读取采集模块中的声波信号和PZT探头使用信息，并通过数据通信模块将声波信号传输至数据处理模块；

数据处理模块将声波信号转化为可视化的波形图，再计算出相应的波形能量，数据处理模块设有用于呈现所述波形图的显示屏。

为了便于对监测系统进行调整和控制，还设置有控制端设定模块，通过USB传输模块读取PZT探头使用信息，再通过数据通信模块传输至控制端设定模块。另外，用户根据监测需求，可以通过控制端设定模块对监测系统进行设置，控制端设定模块发出的设置指令依次经由数据通信模块、USB传输模块、采集模块、声系监测装置和信号发送模块，设置指令根据设置需求可以控制信号发送模块发出的方波脉冲信号宽度，以及声系监测装置中分别作为发射端和接收端的PZT探头。再者，控制端设定模块还可以通过数据通信模块向数据处理模块发送指令，用以查看相应的波形图和波形能量。

当待测管道发生剥离时，相应的波形能量会超过波形能量阈值，为了让监测人员能够及时发现管道发生了剥离，在数据处理模块中设置预警模块。当监测到的波形能量超过波形能量阈值时发出预警提示，监测人员能够及时直观的发现待测管道发生了剥离。在数据处理模块中增加数据存储模块，监测的波形能量和波形图就可以适当存储，便于监测人员随时翻看，同时也可以查看预警提示了解待测管道发生剥离的时间。其中，波形能量阈值的设定方式有如下两种：

本发明的一种实施例中，波形能量阈值的设置是控制端设定模块通过数据通信模块向预警模块发送的波形能量阈值指令，能够更加灵活的通过人机交互的形式，根据监测需求输入和调整波形能量阈值。

在本发明的另一种实施例中，波形能量阈值的设置是在预警模块中进行预设，适用于管道长期稳定监测的情况。

一种管道剥离监测方法，包括以下步骤：

步骤1，安装，将声系监测装置贴合于待测管道外壁；

步骤2，标定，信号发送模块向所述发射端发送方波脉冲信号，所述接收端收到发射端发送的声波信号，采集模块采集接收端声波信号和PZT探头使用信息，通过USB传输模块读取声波信号和PZT探头使用信息，并经数据通信模块将声波信号传输至数据处理模块，数据处理模块对声波信号可视化转换后计算得到初始波形能量E₀；

步骤3，采集，信号发送模块持续向所述发射端发送方波脉冲信号，重复步骤2，计算得到对应的实时波形能量E_i；

步骤4，判断，若波形能量差ΔE＝0则待测管道未发生剥离，若ΔE>0则待测管道已发生剥离；其中ΔE＝E₀-E_i。

其中步骤1中的安装和步骤2中的标定，还可以是先将声系监测装置贴合于其他材质相同的未发生剥离的管道上，采用步骤2的方法选取相应的PZT探头作为发射端和接收端进行标定，然后再将声系监测装置安装在待测管道外壁，选取与标定相同的PZT探头作为发射端和接收端，使用步骤3和步骤4的方法进行采集和判断，判断时以标定的结果作为判断依据。标定对管道的选择可根据使用需求进行调整。

如图4至图6，以本发明的一种实施例具体说明上述管道剥离监测方法的实施过程：

如图4(a)，将声系监测装置的柔性电路板贴合在待测管道外壁上，其中镶嵌于柔性电路板的相邻两个PZT探头间距离小于等于待测管道周长的四分之一，选择相邻的两个PZT探头分别作为发射端和接收端，其中PZT1为发射端，PZT2为接收端，向PZT1发送宽度为1μs的方波脉冲信号，PZT2会收到沿待测管道周向的声波信号，将声波信号通过示波器转化为可视波形图，再采用小波变换计算得到相应的波形能量，记做初始波形能量E₀；然后开始监测，持续向PZT1发送宽度为1μs的方波脉冲信号，PZT2会收到沿待测管道周向的声波信号，并将声波信号实时通过示波器转化为可视波形图，再通过小波变换计算得到相应的波形能量E_i，若E_i和E₀的差值等于0，则待测管道未发生剥离；如图4(b)，若ΔE>0则待测管道已发生剥离，其中ΔE＝E₀-E_i。如图5，是待测管道未剥离和剥离时的波形图对比，图6是相应未剥离和剥离时的波形能量对比图，从图上能明显看到，当待测管道发生剥离时，相应的波形能量有显著变化。因此采用上述方法能够实时直观的监测待测管道剥离情况。

本发明的管道剥离监测系统，由于PZT探头镶嵌于柔性电路板，安装时仅需将柔性电路板贴合于待测管道外壁即可，而且PZT探头的位置固定，因此在安装时操作简便且重复性好。管道剥离监测方法，通过利用未剥离的管道进行标定，实时对比相应的波形能量，通过客观的数据反映待测管道剥离情况，直观且准确。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种管道剥离监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，安装，将声系监测装置贴合于待测管道外壁；所述声系监测装置包括柔性电路板和等间距镶嵌于柔性电路板的多个PZT探头，柔性电路板沿周向贴合于待测管道外壁；每两个PZT探头为一组，其中一个为发射端，另一个为接收端；所述发射端接收方波脉冲信号并沿待测管道外壁发送信号，所述接收端接收发射端发送的声波信号；相邻两个PZT探头间的距离小于等于待测管道周长的四分之一；

步骤2，标定，信号发送模块向所述发射端发送方波脉冲信号，所述接收端收到发射端发送的声波信号，采集模块采集接收端声波信号和PZT探头使用信息，通过USB传输模块读取声波信号和PZT探头使用信息，并经数据通信模块将声波信号传输至数据处理模块，数据处理模块对声波信号可视化转换后计算得到初始波形能量E₀；

步骤3，采集，信号发送模块持续向所述发射端发送方波脉冲信号，重复步骤2，计算得到对应的实时波形能量E_i；

步骤4，判断，若波形能量差ΔE＝0则待测管道未发生剥离，若ΔE>0则待测管道已发生剥离；其中ΔE＝E₀-E_i。

2.如权利要求1所述的管道剥离监测方法，其特征在于：所述声波信号可视化转换是通过示波器处理声波信号；所述波形能量是通过小波变换计算得到。

3.一种管道剥离监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，安装，将声系监测装置贴合于与待测管道材质相同的未发生剥离的管道外壁；所述声系监测装置包括柔性电路板和等间距镶嵌于柔性电路板的多个PZT探头，柔性电路板沿周向贴合于待测管道外壁；每两个PZT探头为一组，其中一个为发射端，另一个为接收端；所述发射端接收方波脉冲信号并沿待测管道外壁发送信号，所述接收端接收发射端发送的声波信号；相邻两个PZT探头间的距离小于等于待测管道周长的四分之一；

步骤2，标定，信号发送模块向所述发射端发送方波脉冲信号，所述接收端收到发射端发送的声波信号，采集模块采集接收端声波信号和PZT探头使用信息，通过USB传输模块读取声波信号和PZT探头使用信息，并经数据通信模块将声波信号传输至数据处理模块，数据处理模块对声波信号可视化转换后计算得到初始波形能量E₀；

步骤3，采集，将声系监测装置取下，安装贴合于待测管道外壁，选取与步骤2相同的PZT探头分别作为发射端和接收端；信号发送模块持续向所述发射端发送方波脉冲信号，重复步骤2，计算得到对应的实时波形能量E_i；

步骤4，判断，若波形能量差ΔE＝0则待测管道未发生剥离，若ΔE>0则待测管道已发生剥离；其中ΔE＝E₀-E_i。

4.如权利要求3所述的管道剥离监测方法，其特征在于：所述声波信号可视化转换是通过示波器处理声波信号；所述波形能量是通过小波变换计算得到。