CN112484796A - 一种声波信号标定调节阀流量的实验平台和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声波信号标定调节阀流量的实验平台和方法，实验平台包括由流量标定管路和储水箱组成的回路，流量标定管路上安装有调节阀，调节阀前安装有第一阀门，调节阀上安装有声波传感器。所述标定方通过测量不同阀前压力和开度下，调节阀的流量和声波信号，得到调节阀的流量和声波信号的关联特性曲线，并根据关联特性曲线拟合出根据声波信号计算流量的拟合公式；经校核无误后，将拟合公式以程序的形式写入声波检测系统，并在需要测量的调节阀上安装声波传感器，在调节阀所在的管道上安装阀前压力检测传感器，将声波传感器的输出信号和声波检测系统的输入端连接，即可对调节阀的流量进行检测。

Description

一种声波信号标定调节阀流量的实验平台和方法

技术领域

本发明属于阀门流量测量技术领域，具体涉及一种利用声波信号标定调节阀流量的实验平台和方法。

背景技术

阀门作为通用机械部件，具有截止、分流、调节等功能；其需求涉及石油化工、电力、交通、食品等基础领域。但由于腐蚀、老化等多种原因常造成阀门失效、引发泄漏，若无法及时处理则极易引发安全事故。因此及时有效地识别阀门泄漏并实施应急方案，对安全生产有重大意义。目前，声发射法、声波法、振动法、超声法等非介入式检测手段由于实施方便、快捷，在阀门泄漏在线监测中得到了人们的广泛关注。

流量测量是计量科学技术的重要组成部分，它已经被广泛应用于工农业生产、环境保护、科学研究、对外贸易、人民生活等各个领域，准确快速的流量测量对于保证产品质量、提高经济效益、节约能源、促进科学技术的发展等具有重要的作用。在能源危机日益凸显的时代，流量测量在国民经济中的地位与作用越来越重要。流量测量作为工业过程中关键的技术之一，一直受到广泛的关注和深入的研究.常见的流量测量计包括差压流量传感器、容积式流量传感器、转子流量传感器、电磁流量传感器、超声波流量传感器、科里奥利流量传感器等，其中又以差压式流量传感器研究最广泛。差压式流量传感器是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。

调节阀是管道系统中一种阻力可变的元件。通过改变阀门的开度，可以改变管道系统的工作特性，从而实现调节流量和改变压力的目的。调节阀在石油、化工、电站、长输管线等国民经济部门中是不可缺少的流体控制设备。相对于其他基础工业装备如泵、压缩机等，调节阀结构较简单，因此常不被重视。

目前调节阀的流量检测一般是通过流量传感器，但常见的流量传感器价格昂贵，而且会给管道系统带来额外的阻力和故障点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出来一种利用声波传感器，通过监测不同调节阀开度下的声波信号特征，进而计算出调节阀的流量的系统和方法。

为达到上述目的，本发明所述一种声波信号标定调节阀流量的实验平台，包括流量标定管路，所述流量标定管路的入口与储水箱的出口连接，所述流量标定管路的出口与储水箱的入口连接，所述流量标定管路上安装有调速变频循环水泵和调节阀，所述调节阀前的流量标定管路上安装有第一压力传感器，调节阀后的流量标定管路上安装有流量传感器，所述调节阀上安装有声波传感器；所述流量传感器、第一压力传感器和声波传感器的输出端和数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端和数据分析平台的输入端连接；所述数据采集器用于将声波传感器、流量传感器和第一压力传感器收集的声波信号、流量信号和阀前压力信号传输至数据分析平台，所述数据分析平台用于根据接收到的声波信号、流量信号和阀前压力信号拟合出在不同的阀前压力和调节阀开度下的声波信号和调节阀流量关系式。

进一步的，声波传感器为听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、压电阵列传感器、表面声波传感器、动态压力传感器、声波频率传感器、声波声压传感器、声波声强传感器、声波声功率传感器中的任意一种或N种的组合，N＞1。

进一步的，表面声波传感器为瑞利波传感器、光纤传感器、切向水平板模传感器、兰姆波传感器或乐甫波传感器中的任意一种或N种的组合，N＞1。

进一步的，听音器或拾音器布置在调节阀外壳与阀芯正对的位置。

进一步的，压电阵列传感器中压电传感器对称地布置在调节阀外壳表面，且关于调节阀阀芯两对称布置，每个压电阵列传感器由2～5个压电传感器组成。

进一步的，光纤传感器为点式光纤传感器、积分式光纤传感器和分布式光纤传感器中的任意一种、两种或三种的组合。

进一步的，流量传感器采用电磁流量传感器、容积流量传感器、涡街流量传感器、涡轮流量传感器、超声波流量传感器或差压流量传感器。

进一步的，数据分析平台中加载有噪音消除算法。

基于上述的实验平台的调节阀流量标定方法，包括以下步骤：

S1：根据调节阀的类型和口径选择对应的流量标定管路和调速变频循环水泵的型号；

S2：根据调速变频循环水泵及管道口径初步估算标定管路的流量范围，确定流量传感器的型号；

S3：选择对应容积的储水箱，并对储水箱进行补水；

S4：调试调节阀的执行机构，保证执行机构能够完成调节阀开度的设定和调节；

S5：启动调速变频循环水泵，并将量调速变频循环水泵设置为额定转速，同时将调节阀的开度设置为100％；

S6：对流量标定平台进行数据采集联合调试，使得声波传感器、流量传感器和第一压力传感器工作正常；

S7：采集调节阀在开度为100％且调速变频循环水泵额定转速下的调节阀流量、声波信号和阀前压力；

S8：改变调节阀的开度、通过调速变频循环水泵调节调节阀的阀前压力，监测不同工况下调节阀的声波信号和调节阀流量；

S9：根据S8测得的调节阀流量，与对应工况的调节阀的声波信号进行关联，绘制调节阀的声波信号和调节阀的流量值的关联特性曲线，并根据关联特性曲线拟合出根据声波信号计算调节阀流量的拟合公式；

S10：将S9拟合的公式嵌入标定平台，复核校验变流量工况下的流量数据与声波信号是否满足此拟合公式：若通过复核校验，将所述拟合公式用于调节阀流量测量；否则，重复S1～S10，直至复核校验结果为变流量工况下的调节阀流量与声波信号满足拟合公式。

进一步的，关联特性曲线的横坐标和纵坐标分别为调节阀的声波信号和不同调节阀开度下的调节阀流量；所述声波信号为声波强度、声压、声波频率或声功率。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明所述的实验平台，可针对不同类型的声波传感器和不同型号不同类型的调节阀，不同循环流量和不同调节阀前压力，进行流量标定。利用该实验平台进行流量标后，可通过相对便宜的声波传感器和标定得到的拟合公式，在一定精度范围内，实现对调节阀流量的测量。不再使用价格昂贵的流量传感器进行流量检测，大大降低了流量检测的成本。

此外，当利用标定后的声波传感器进行调节阀流量测量时，声波传感器也会接收到循环水泵的声波信号，当循环水泵出现气蚀或其他故障时，声波信号会出现变化，因此能够根据声波传感器检测到的声波信号，判断出和调节阀安装在同一管道上的循环水泵的运行状态。

进一步的，数据分析平台具有噪音消除算法，通过大量监测实验平台在不同循环流量及调节阀门开度工况下的声波信号数据，消除标定管路本身、调节阀门执行机构、循环水泵及其他流体设备带来的噪音干扰信号。

本发明所述的方法，利用上述实验平台，通过测量固定阀前压力下和开度下，测量调节阀的流量和声波信号，以得到调节阀的流量和声波信号的关联特性曲线，并根据关联特性曲线拟合出根据声波信号计算流量的拟合公式；经校核无误后，将拟合公式以程序的形式写入声波检测系统，并在需要测量的调节阀上安装声波传感器，在调节阀所在的管道上安装阀前压力检测传感器，将声波传感器的输出信号和声波检测系统的输入端连接，即可对调节阀流量进行检测。在后续的流量检测中，只需在调节阀上安装声波传感器，就可根据声波传感器测量到的声波信号测量或计算调节阀流量，大幅降低了调节阀流量检测的成本。

附图说明

图1为本发明所提供的具体实施例一的示意图；

图2为本发明所提供的具体实施例二的示意图；

图3为不同声波传感器在调节阀上的安装示意图；

图4a为带声波传感器的调节阀在阀门开度为20％时的示意图；

图4b为带声波传感器的调节阀在在阀门开度为50％时的示意图；

图4c为带声波传感器的调节阀在在阀门开度为100％时的示意图；

图5为声波强度与调节阀开度的对应关系曲线。

附图中：1、储水箱，2、调速变频循环水泵，3、调节阀，4、流量传感器，5、光纤，6、光纤传感器，7、拾音器，8、压电阵列传感器，9、流量标定管路，10、补水排水阀门，11、第一阀门，12、第二阀门，13、第三阀门，14、第四阀门，15、声波传感器，16、第一温度传感器，17、第一压力传感器，18、第二压力传感器，19、第二温度传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种声波信号标定调节阀流量的实验平台，包括流量标定管路9和储水箱1，流量标定管路9的入口与储水箱1的出口连接，流量标定管路9的出口与储水箱1的入口连接，流量标定管路9上安装有调速变频循环水泵2和调节阀3及其执行机构3-1(电动、气动或液动)，储水箱1和调速变频循环水泵2之间安装有第四阀门14，调速变频循环水泵2和调节阀3之间的管路上依次安装有第一阀门11、第一温度传感器17和第一压力传感器16，调节阀3和储水箱1之间的管路上依次安装有第二压力传感器18、第二温度传感器19、流量传感器4、第二阀门12和第三阀门13，储水箱1的补水管路上安装有补水阀门10，调节阀3上安装有声波传感器15。

第一温度传感器17、第一压力传感器16、第二压力传感器18、第二温度传感器19、流量传感器4和声波传感器15的输出端和数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端和数据分析平台的输入端连接。

声波传感器15用于采集调节阀3的声波信号，流量传感器4用于测量调节阀流量；第一压力传感器16用于测量调节阀的阀前压力，第一温度传感器17用于测量调节阀的阀前温度，第二压力传感器18用于测量调节阀的阀后压力，第二温度传感器19用于测量调节阀的阀后温度。

数据采集器将声波传感器15、流量传感器4、第一压力传感器16、第一温度传感器17、第二压力传感器18和第二温度传感器19收集的信号传输至数据分析平台，数据分析平台利用计算机分析拟合出利用声波信号对应不同调节阀度下的流量的数据公式，将此数据公式写入计算程序，作为此种调节阀的流量传感器算公式应用到同型号的调节阀的流量监测系统中。

声波传感器为听音器型声波传感器、拾音器型的声波传感器、微小位移电信号声音传感器、压电阵列传感器、表面声波传感器、动态压力传感器、声波频率传感器、声波声压传感器、声波声强传感器(声强传感器可以测量环境声强，采用驻极体话筒采集声音信号，经电路放大处理后，可输出声强值)、声波声功率传感器中的任意一种或组合。所述组合可以是声波频率传感器和声波声压传感器的组合，声波声压传感器和声波声强传感器的组合，听音器型声波传感器和声波声强传感器的组合，或者拾音器型的声波传感器和声波声压传感器，当采用两种或两种以上的声波传感器组合时，其中一个声波传感器用于标定，另一个传感器接收的声波信号用于参考。

参照图3，听音器或拾音器类型的声波传感器布置在调节阀3的阀芯对应的中轴线的阀门外表面；或通过打孔方式布置在阀芯对应的中轴线的阀门外壳内。

压电阵列传感器8对称地布置在调节阀3阀芯两侧的阀门外壳表面，每个压电阵列传感器8由2至5个压电传感器组成。

表面声波传感器为瑞利波传感器、光纤传感器、切向水平板模传感器、兰姆(love)波传感器或乐甫(lamb)波传感器中的任意一种或组合。

光纤传感器为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器中的任意一种或组合。

管路流量传感器采用电磁流量传感器、容积流量传感器、涡街流量传感器、涡轮流量传感器、超声波流量传感器和差压流量传感器中的任意一种。

数据分析平台具有噪音消除算法，通过监测大量实验平台在不同循环流量及调节阀开度工况下的声波信号，消除标定管路本身、调节阀执行机构、循环水泵及其他流体设备带来的噪音干扰信号。

噪音消除算法为滤波算法、小波分析法、均值近似值移除方法、离散傅氏变换的快速算法中的一种或几种的组合。根据噪声类型选择去燥算法或上述去燥算法的组合对声波信号去燥。

实施例1

一种基于上述标定平台的声波信号标定调节阀流量的实验方法，包括以下步骤：

S1：根据调节阀3的类型和口径选择对应的流量标定管路9的管道口径，并匹配对应的调速变频循环水泵2的型号，选择对应的循环水泵2的调速变频范围；

S2：根据调速变频循环水泵2及管道口径初步估算的流量标定管路9的流量范围，选择对应的流量传感器4的类型和型号；

S3：设置对应容积的储水箱1，并通过补水管路对储水箱1进行补水；

S4：调试调节阀3的执行机构，当标定实验平台给出某一调节阀开度时，执行机构能够快速完成调节阀开度的设定和动作；

S5：启动调速变频循环水泵2，设置在额定转速下，同时将调节阀3设置在100％开度；

S6：数据采集器及计算机数据分析平台及整个流量标定平台进行数据采集联合调试，使得声波传感器15、流量传感器4、第一压力传感器16、第一温度传感器17、第二压力传感器18和第二温度传感器19的数据采集工作正常；第一压力传感器16用于测量阀前压力，第一温度传感器17用于测量阀前温度，第二压力传感器18用于测量阀后压力，第二温度传感器19用于测量阀后压力；

S7：数据采集器采集调节阀3全开及调速变频循环水泵2额定转速下的调节阀流量、声波信号、阀前压力、阀后压力，阀前温度和阀后温度；阀前温度和阀后温度用于判断温度对流量是否有影响，阀前压力用于保证标定平台的客观条件。

S8：根据变工况标定数据表格，改变调节阀开度、通过调速变频循环水泵2间接改变阀前压力的变流量调节工况，通过数据采集器采集对应调节阀3声波信号，并传递至计算机数据分析平台；变工况标定数据测量设定阀前压力下，不同调节阀开度下的调节阀3的声波信号和调节阀流量。

S9：计算机数据分析平台根据流量传感器4测得的变工况下调节阀3流量，与对应工况的调节阀3的声波信号进行关联，绘制多条调节阀3的声波信号和调节阀3的流量值的关联特性曲线，每一条关联特性曲线对应的阀前压力和开度是固定的；并根据关联特性曲线拟合出根据声波信号计算流量的拟合公式；关联特性曲线的横坐标为不同流量工况下的调节阀声波信号；纵坐标为不同调节阀开度下的流量信号数据；或横坐标为不同调节阀开度下的流量信号数据，纵坐标为不同流量工况下的调节阀的声波信号；其中，声波信号可以是声压、声波强度、声波频率或声功率，声波强度和调节阀开度的对应曲线如图5所示。

S10：将S9拟合的公式嵌入标定平台，复核校验变流量工况下的流量数据与声波信号是否满足此拟合公式：用同型号的调节阀替换S1-S9使用的调节阀，重复S7-S8，对比测量到的流量数据和用拟合公式得到的流量是否在误差范围内，若误差在可接受范围内，说明该拟合公式可用于流量检测，则将所述拟合公式写入声波检测系统；若误差不在可接受范围内，重复S1-S10，直至复核校验结果为变流量工况下的流量数据与声波信号满足拟合公式。

通过标定平台得到拟合公式后，将拟合公式以程序的形式写入声波检测系统，并在需要测量的调节阀上安装声波传感器，在调节阀所在的管道上安装阀前压力检测传感器，将声波传感器的输出信号和声波检测系统的输入端连接，声波检测系统根据采集到的声波信号、阀前压力、调节阀开度和拟合公式对调节阀流量进行检测。

实施例2

本实施例和实施例1的步骤相同，不同之处在于S8中，根据变工况标定数据表格，改变调节阀开度、通过调速变频循环水泵2间接改变阀前压力的变流量调节工况，通过数据采集器采集对应调节阀3声波信号，并传递至计算机数据分析平台；变工况标定数据测量设定阀前压力下，不同调节阀开度下的调节阀3的声波信号和调节阀流量。例如阀前压力从0.1Bar以0.1Bar的步长增加至10Bar的条件下，调节阀开度为10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％和100％下的调节阀流量，如表1所示。

表1

表1所示仅为一种示例，也可以是阀前压力从0.5Bar以0.5Bar的步长增加至10Bar的条件下，调节阀开度为10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％和100％下的调节阀流量，还可以是阀前压力从0.5Bar以0.5Bar的步长增加至10Bar的条件下，调节阀开度为5％，10％，5％，15％，20％，25％，30％，5％，40％，45％，50％，55％，60％，65％，70％，75％，80％，85％，90％，95％，和100％下的调节阀流量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的带声波监控的管道液体输运系统和方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种声波信号标定调节阀流量的实验平台，其特征在于，包括流量标定管路(9)，所述流量标定管路(9)的入口与储水箱(1)的出口连接，所述流量标定管路(9)的出口与储水箱(1)的入口连接，所述流量标定管路(9)上安装有调速变频循环水泵(2)和调节阀(3)，所述调节阀(3)前的流量标定管路(9)上安装有第一压力传感器(16)，调节阀(3)后的流量标定管路(9)上安装有流量传感器(4)，所述调节阀(3)上安装有声波传感器(15)；所述流量传感器(4)、第一压力传感器(16)和声波传感器(15)的输出端和数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端和数据分析平台的输入端连接；所述数据采集器用于将声波传感器(15)、流量传感器(4)和第一压力传感器(16)收集的声波信号、流量信号和阀前压力信号传输至数据分析平台，所述数据分析平台用于根据接收到的声波信号、流量信号和阀前压力信号拟合出在不同的阀前压力和调节阀开度下的声波信号和调节阀流量关系式。

2.根据权利要求1所述的一种声波信号标定调节阀流量的实验平台，其特征在于，所述声波传感器为听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、压电阵列传感器、表面声波传感器、动态压力传感器、声波频率传感器、声波声压传感器、声波声强传感器、声波声功率传感器中的任意一种或N种的组合，N＞1。

3.根据权利要求2所述的一种声波信号标定调节阀流量的实验平台，其特征在于，所述表面声波传感器为瑞利波传感器、光纤传感器、切向水平板模传感器、兰姆波传感器或乐甫波传感器中的任意一种或N种的组合，N＞1。

4.根据权利要求2所述的一种声波信号标定调节阀流量的实验平台，其特征在于，所述听音器或拾音器布置在调节阀(3)外壳与阀芯正对的位置。

5.根据权利要求2所述的一种声波信号标定调节阀流量的实验平台，其特征在于，所述压电阵列传感器中压电传感器对称地布置在调节阀(3)外壳表面，且关于调节阀(3)阀芯两对称布置，每个压电阵列传感器由2～5个压电传感器组成。

6.根据权利要求1所述的一种声波信号标定调节阀流量的实验平台，其特征在于，所述光纤传感器为点式光纤传感器、积分式光纤传感器和分布式光纤传感器中的任意一种、两种或三种的组合。

7.根据权利要求1所述的一种声波信号标定调节阀流量的实验平台，其特征在于，所述流量传感器(4)采用电磁流量传感器、容积流量传感器、涡街流量传感器、涡轮流量传感器、超声波流量传感器或差压流量传感器。

8.根据权利要求1所述的一种声波信号标定调节阀流量的实验平台，其特征在于，所述数据分析平台中加载有噪音消除算法。

9.基于权利要求1～8任意一项所述的实验平台的调节阀流量标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据调节阀(3)的类型和口径选择对应的流量标定管路(9)和调速变频循环水泵(2)的型号；

S2：根据调速变频循环水泵(2)及管道口径初步估算标定管路(9)的流量范围，确定流量传感器(4)的型号；

S3：选择对应容积的储水箱(1)，并对储水箱(1)进行补水；

S4：调试调节阀(3)的执行机构，保证执行机构能够完成调节阀开度的设定和调节；

S5：启动调速变频循环水泵(2)，并将量调速变频循环水泵(2)设置为额定转速，同时将调节阀(3)的开度设置为100％；

S6：对流量标定平台进行数据采集联合调试，使得声波传感器(15)、流量传感器(4)和第一压力传感器(16)工作正常；

S7：采集调节阀(3)在开度为100％且调速变频循环水泵(2)额定转速下的调节阀流量、声波信号和阀前压力；

S8：改变调节阀(3)的开度、通过调速变频循环水泵(2)调节调节阀(3)的阀前压力，监测不同工况下调节阀(3)的声波信号和调节阀流量；

S9：根据S8测得的调节阀流量，与对应工况的调节阀(3)的声波信号进行关联，绘制调节阀(3)的声波信号和调节阀(3)的流量值的关联特性曲线，并根据关联特性曲线拟合出根据声波信号计算调节阀流量的拟合公式；

S10：将S9拟合的公式嵌入标定平台，复核校验变流量工况下的流量数据与声波信号是否满足此拟合公式：若通过复核校验，将所述拟合公式用于调节阀流量测量；否则，重复S1～S10，直至复核校验结果为变流量工况下的调节阀流量与声波信号满足拟合公式。

10.根据权利要求9所述的一种声波信号标定调节阀流量的方法，其特征在于，所述关联特性曲线的横坐标和纵坐标分别为调节阀(3)的声波信号和不同调节阀开度下的调节阀流量；所述声波信号为声波强度、声压、声波频率或声功率。

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