CN112915452A - 基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法 - Google Patents

基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112915452A
CN112915452A CN202110108498.3A CN202110108498A CN112915452A CN 112915452 A CN112915452 A CN 112915452A CN 202110108498 A CN202110108498 A CN 202110108498A CN 112915452 A CN112915452 A CN 112915452A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ultrasonic
fire hydrant
time delay
signal
signals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110108498.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112915452B (zh
Inventor
杨玉兰
陈亚文
邰惠鑫
沈黎
刘灵芝
仲利强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University of Technology ZJUT
Original Assignee
Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University of Technology ZJUT filed Critical Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority to CN202110108498.3A priority Critical patent/CN112915452B/zh
Publication of CN112915452A publication Critical patent/CN112915452A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112915452B publication Critical patent/CN112915452B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C37/00—Control of fire-fighting equipment
    • A62C37/50—Testing or indicating devices for determining the state of readiness of the equipment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/04—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by acoustic means
    • G01L11/06—Ultrasonic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Abstract

本发明公开了基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，包括步骤：S1.利用超声波换能器生成多个频率捷变的超声波纵波正弦激励信号作为输入检测超声信号；S2.获取所有与输入检测超声信号相对应的反射回波信号和透射回波信号；S3.积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的时延间隔；S4.积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的传输距离差；S5.估计积累的时延间隔和传输距离差，得到超声波波速，并对得到超声波波速进行修正处理；S6.根据修正后超声波波速，检测消火栓水压。本发明能够实现非介入、实时、准确、方便、快捷、高效、价格便宜的消火栓水压检测，满足消火栓水压检测的实际应用需要。

Description

基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法
技术领域
本发明涉及非介入式压力检测技术领域，尤其涉及基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法。
背景技术
城市建筑中一般每个楼层都部署了消火栓，当火灾发生时，要求消火栓能够及时提供满足规范要求的压力水流，及时灭火。物业管理人员每天都会对消火栓进行日常巡查登记，但是，绝大多数日常巡查都是仅仅查看消火栓的外观，对最关键环节的消火栓供水水压却缺乏检测方法和手段。因此，当突发火灾时，消火栓供水的水压不足甚至不能供水的新闻报道屡见不鲜。为了确保广大人民的生命财产安全，需要解决每天定期对消火栓供水水压进行实时准确、方便、快捷、高效、价格便宜的检测问题，保障火灾发生时能够及时灭火。
液体压力检测方法主要有介入式压力检测和非介入式压力检测两类方法。
介入式压力检测方法是现在液体压力检测的主流方法，该方法的主要思路是把压力表与液体直接接触，从而实现液体压力检测，比如：公开号为CN111111075A的专利公开的一体式多功能消火栓水压监测系统、公开号为CN111068231A的专利公开的一种水压检测阀瓣和水压检测系统、公开号为CN210447941U的专利公开的一种消防水压监测设备等都是属于典型的介入式压力检测方法。这类方法存在测量接口有限、拆装麻烦耗时、成本较高、维护困难、破坏液体系统整体性能和动态性能等不足，因此，在消火栓水压检测中并没有在消火栓水压检测中得到推广应用。
非介入式压力检测方法就是指传感器与液体不直接接触实现液体压力检测，主要方法有应变法、电容法、超声法等。(1)应变法的主要思路是通过对粘贴在压力容器/管道外壁的应变片，测量应变，间接实现液体压力检测，该方法存在应变信号微弱，抗干扰能力较差，测量精度差等不足，不适用于消火栓水压检测；(2)电容法的主要思路是通过放置在压力容器/管道外壁的电极，测量压力变化引起的介电常数变化，间接实现液体压力检测，该方法在消火栓水压检测中存在电容值变化量微弱，测量精度不高等不足；(3)超声法的主要思路是利用频率在106Hz以上的超声波纵波可以在固体、液体、气体介质中传播的特点，在压力容器/管道外壁部署具有激发和接收超声波的换能器，测量压力变化引起的超声幅值衰减或者超声波速变化，间接实现液体压力检。该方法又可以具体细分为：1)基于超声幅值衰减的压力检测方法，该方法在消火栓水压检测中存在超声信号幅值测量不准确，操作过程复杂要求高，测量精度不高等不足；2)基于超声波速的压力检测方法，该方法是目前非介入式压力检测的主流方法。
基于超声波速的压力检测方法，典型的成果主要有：(1)文献“基于超声技术非介入式在线压力校准装置的研究”，该文献采用时差法，利用超声波在管壁中一次反射时间和二次反射时间的差值，消除管壁对超声波测量压力的影响，利用压力测量模型，实现对容器压力的估计。(2)公开号为CN105021342A的专利公开了基于多个转换波形信息融合的超声波非介入式压力检测方法，该方法基于信息融合的思想，采用四个波形作为检测波形，在单个超声波的时延测量精度不高的情况下，仍然可以实现较高的压力测量精度；(3)公开号为CN108362431A的专利公开了基于相邻纵波间时延间隔的非介入式压力检测方法，该方法选择相邻纵波间的时延间隔作为测量参数，利用容器内压力与相邻纵波间的时延间隔之间关系的压力测量模型，实现对容器压力的估计。上述成果的技术路线和方向是正确的，但仍存在测量精度不高、测量结果不稳定等问题，亟待得到进一步改进。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，拟从以下几个方面对已有的基于超声波速的压力检测方法进行改进：
(1)超声波在小管径液压管道(消火栓水管)中的声音传播时间很小(一般低于100微秒)，传统的时差测量法基本都是采用单个超声波输入信号，时差定位不准确，测量精度不高。针对这一问题，拟借鉴相参积累技术中的积累思想，通过选择K(K≥10000)个超声波纵波正弦激励信号作为压力检测的输入信号，计算所有检测超声信号在反射和透射压力容器/管道过程中的总时延间隔，计算所有检测超声信号在反射和透射压力容器/管道过程中的总传输距离差，通过总时延间隔和总传输距离差计算超声波波速，实现时差的准确定位和压力的高精度检测。
(2)超声波在压力容器/管道的传播过程中，容易受到噪声干扰等因素的影响，使得输入信号和回波信号之间产生相关误差，测量精度不高。针对这一问题，一方面，拟借鉴相参积累技术中的相参思想，输入信号是具有频率捷变特点的超声波纵波正弦激励信号确保每个输入信号的频率不同；另一方面，设定两两超声信号之间的间隔时间大于单个超声波信号的传播时间；实现多个输入信号和回波信号之间的准确相关，实现压力的精确测量。
(3)消火栓水管内部的水通常是静止的，属于静态压力测量问题，可以不用考虑水流因素对于影响，只需通过实时获取的消火栓表面温度和环境温度，基于温度补偿实现准确的水压检测。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，包括步骤：
S1.利用超声波换能器生成多个频率捷变的超声波纵波正弦激励信号作为输入检测超声信号；
S2.获取所有与输入检测超声信号相对应的反射回波信号和透射回波信号；
S3.积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的时延间隔；
S4.积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的传输距离差；
S5.估计积累的时延间隔和传输距离差，得到超声波波速，并对得到超声波波速进行修正处理；
S6.根据修正后超声波波速，检测消火栓水压。
进一步的，所述步骤S1中超声波换能器包括超声波换能器M和超声波换能器N，且超声波换能器M和超声波换能器N分别部署在消火栓水管的直径方向两端。
进一步的，所述步骤S1中利用超声波换能器生成多个频率捷变的超声波纵波正弦激励信号，表示为：
Figure BDA0002918421880000031
其中，Sk(t)表示超声波换能器M激发的第k个超声波纵波正弦激励信号；A表示信号幅值；ωk(t)表示第k个超声波纵波正弦激励信号频率；t表示时间；
Figure BDA0002918421880000041
表示初相，且
Figure BDA0002918421880000042
K＝T×60×106/TI表示产生的信号总数；T表示消火栓水压检测持续时间；TI表示超声波换能器M和超声波换能器N之间的超声信号的间隔时间。
进一步的，所述步骤S2中获取所有与输入检测超声信号相对应的反射回波信号，具体为：
超声波换能器M垂直发射第k个超声波纵波正弦激励信号，经过消火栓第1层管壁，透管壁后在水管内部的水/空气中继续传播，到达超声波换能器N端管壁的内壁内侧，继续穿透超声波换能器N端管壁后，被超声波换能器N接收；
每个反射回波信号的传输距离为2h+d，其中，h表示传输距离的壁厚；d表示传输距离的水管内部直径；
定义第k个透射回波信号
Figure BDA0002918421880000043
表示为：
Figure BDA0002918421880000044
其中，A1表示衰减因子；τk,1表示第k个输入检测超声信号与第k个穿透回波信号之间的时间延迟；θ1(t)表示加性零均值高斯白噪声；上标CT表示透射回波；
选择超声波换能器M的共振频率为fc，采样周期Ts＝1/fc，则公式(2)进行离散化，表示为：
Figure BDA0002918421880000045
其中，t＝n·Ts；τk,2＝Nk,1·Ts；N表示采样数量。
进一步的，所述步骤S2中获取所有与输入检测超声信号相对应的透射回波信号，具体为：
超声波换能器M垂直发射第k个超声波纵波正弦激励信号，经过消火栓第1层管壁，透管壁后在水管内部的水/空气中继续传播，到达超声波换能器N端管壁的内壁内侧，经反射后在水管内部的水/空气中继续传播，到达超声波换能器M端管壁的内壁内侧，经过超声波换能器M端管壁后，被换能器M接收；
每个反射回波信号的传输距离为2h+d，其中，h表示传输距离的壁厚；d表示传输距离的水管内部直径；
定义第k个反射回波信号
Figure BDA0002918421880000051
表示为：
Figure BDA0002918421880000052
其中，A2表示衰减因子；τk,2表示第k个输入检测超声信号与第k个反射回波信号之间的时间延迟；θ2(t)表示加性零均值高斯白噪声；上标FS表示反射回波；
选择超声波的换能器M的共振频率为fc，采样周期Ts＝1/fc，则公式(4)进行离散化，表示为：
Figure BDA0002918421880000053
其中，t＝n·Ts；τk,2＝Nk,2·Ts；N表示采样数量。
进一步的，所述步骤S3具体为：
根据傅里叶变换FFT方法，分别计算得到的全部透射回波信号Yk CT(t)及反射回波信号
Figure BDA0002918421880000054
的相关函数Ck(mTs)，表示为：
Figure BDA0002918421880000055
其中，m表示全部透射回波信号及反射回波信号卷积和所对应的序列号；
根据公式(7)，利用逆傅里叶变换IFFT方法，分别求解得到第k个相关函数Ck(mTs)的峰值位置，即得到第k个超声信号在反射和透射消火栓过程中的时延间隔τk，表示为：
Figure BDA0002918421880000056
积累所有检测超声信号在反射和透射消火栓过程中的总的时延间隔，根据公式(8)得到K个超声信号在反射和透射消火栓过程中的总时延，表示为：
Figure BDA0002918421880000057
其中，Δτ表示K个超声信号在反射和透射消火栓过程中的总时延。
进一步的，所述步骤S4中积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的传输距离差，表示为：
Figure BDA0002918421880000061
其中，D表示传输距离差。
进一步的，所述步骤S5中，估计积累的时延间隔和传输距离差，得到超声波波速，表示为：
Figure BDA0002918421880000062
其中，v1表示超声波波速。
进一步的，所述步骤S5中对得到超声波波速进行修正处理是基于温度补偿对超声波波速进行修正，表示为：
v＝v1+(tBM-tHJ)×λ (11)
其中，v表示修正后的超声波波速；tBM表示实时获取的消火栓表面温度；tHJ表示实时获取的消火栓环境温度。
进一步的，所述步骤S6中根据修正后超声波波速，检测消火栓水压，表示为：
Figure BDA0002918421880000063
其中，P表示消火栓水压；ξ表示比例系数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过选择K(K≥10000)个超声波纵波正弦激励信号作为压力检测的输入信号，通过估计所有检测超声信号在反射和透射压力容器/管道过程中的总时延间隔，计算所有检测超声信号在反射和透射压力容器/管道过程中的总传输距离差，通过总时延间隔和总传输距离差计算超声波波速，可以降低对于超声波换能器性能要求，实现高精度低成本的压力检测。
(2)输入信号选择具有频率捷变特点的超声波纵波正弦激励信号确保每个输入信号的频率不同；同时，设定两两超声信号之间的间隔时间大于单个超声波信号的传播时间；易实现多个输入信号和回波信号之间的准确相关；
(3)本发明能够实现非介入、实时、准确、方便、快捷、高效、价格便宜的消火栓水压检测，满足消火栓水压检测的实际应用需要。
附图说明
图1是实施例一提供的基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法流程图；
图2是实施例一提供的实验系统及其超声波在消火栓水管中传播示意图；
图3是实施例一提供的超声波纵波输入信号、反射回波信号、透射回波信号和时延示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法。
实施例一
本实施例提供基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，如图1所示，包括：
S1.利用超声波换能器生成多个频率捷变的超声波纵波正弦激励信号作为输入检测超声信号；
S2.获取所有与输入检测超声信号相对应的反射回波信号和透射回波信号；
S3.积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的时延间隔；
S4.积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的传输距离差；
S5.估计积累的时延间隔和传输距离差，得到超声波波速，并对得到超声波波速进行修正处理；
S6.根据修正后超声波波速，检测消火栓水压。
在步骤S1中，利用超声波换能器生成多个频率捷变的超声波纵波正弦激励信号作为输入检测超声信号。
如图2和图3所示，把超声波换能器M(具有激发和接收功能)和超声波换能器N分别部署在消火栓水管的直径方向两端，在本实施例中，换能器的共振频率为fc＝2×106Hz；
设置消火栓水压检测持续时间T分钟，在本实施例中，取T＝1分钟；设置两两超声输入信号之间的间隔时间TI微秒，在本实施例中，取TI＝1000微秒；
按照下述公式(1)在超声波换能器M中依次产生K个频率捷变的超声波纵波正弦激励信号，表示为：
Figure BDA0002918421880000081
其中，Sk(t)表示超声波换能器M激发的第k个超声波纵波正弦激励信号；A表示信号幅值；ωk(t)表示第k个超声波纵波正弦激励信号频率；t表示时间；
Figure BDA0002918421880000082
表示初相，且
Figure BDA0002918421880000083
K＝T×60×106/TI表示产生的信号总数。
在步骤S2中，获取所有与输入检测超声信号相对应的反射回波信号和透射回波信号。
获取所有与输入检测超声信号相对应的反射回波信号，具体为：
如图2和图3所示，超声波换能器M垂直发射第k个超声波纵波正弦激励信号，经过消火栓第1层管壁(传输距离为壁厚h)，透管壁后在水管内部的水/空气中继续传播，到达超声波换能器N端管壁的内壁内侧(传输距离为水管内部直径d)，继续穿透超声波换能器N端管壁后(传输距离为壁厚h)，被超声波换能器N接收。
每个反射回波信号的传输距离为2h+d，其中，h表示传输距离的壁厚；d表示传输距离的水管内部直径。
定义第k个透射回波信号
Figure BDA0002918421880000084
表示为：
Figure BDA0002918421880000085
其中，A1表示衰减因子；τk,1表示第k个输入检测超声信号与第k个穿透回波信号之间的时间延迟；θ1(t)表示加性零均值高斯白噪声；上标CT是“穿透”一词的拼音首字母，表示透射回波；
选择超声波换能器M的共振频率为fc，采样周期Ts＝1/fc，则公式(2)进行离散化，表示为：
Figure BDA0002918421880000086
其中，t＝n·Ts；τk,2＝Nk,1·Ts；N表示采样数量。
获取所有与输入检测超声信号相对应的透射回波信号，具体为：
如图2和图3所示，超声波换能器M垂直发射第k个超声波纵波正弦激励信号，经过消火栓第1层管壁(传输距离为壁厚h)，透管壁后在水管内部的水/空气中继续传播，到达超声波换能器N端管壁的内壁内侧(传输距离为水管内部直径d)，经反射后在水管内部的水/空气中继续传播，到达超声波换能器M端管壁的内壁内侧(传输距离为水管内部直径d)，经过超声波换能器M端管壁后(传输距离为壁厚h)，被换能器M接收。
每个反射回波信号的传输距离为2h+d，其中，h表示传输距离的壁厚；d表示传输距离的水管内部直径；
定义第k个反射回波信号
Figure BDA0002918421880000091
表示为：
Figure BDA0002918421880000092
其中，A2表示衰减因子；τk,2表示第k个输入检测超声信号与第k个反射回波信号之间的时间延迟；θ2(t)表示加性零均值高斯白噪声；上标FS是“反射”一词的拼音首字母，表示反射回波；
选择超声波的换能器M的共振频率为fc，采样周期Ts＝1/fc，则公式(4)进行离散化，表示为：
Figure BDA0002918421880000093
其中，t＝n·Ts；τk,2＝Nk,2·Ts；N表示采样数量。
在步骤S3中，积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的时延间隔。
如图3所示，不失一般性，这里只τk,2>τk,1的情况，即第k个超声信号在反射和透射消火栓过程中的时延间隔τk＝τk,2-τk,1＝(Nk,2-Nk,1)·Ts＞0的情况。
根据傅里叶变换FFT方法，分别计算得到的全部透射回波信号
Figure BDA0002918421880000094
及反射回波信号
Figure BDA0002918421880000095
的相关函数Ck(mTs)，表示为：
Figure BDA0002918421880000096
其中，m表示全部透射回波信号及反射回波信号卷积和所对应的序列号；
根据公式(7)，利用逆傅里叶变换IFFT方法，分别求解得到第k个相关函数Ck(mTs)的峰值位置，即得到第k个超声信号在反射和透射消火栓过程中的时延间隔τk，表示为：
Figure BDA0002918421880000101
积累所有检测超声信号在反射和透射消火栓过程中的总的时延间隔，根据公式(8)得到K个超声信号在反射和透射消火栓过程中的总时延，表示为：
Figure BDA0002918421880000102
其中，Δτ表示K个超声信号在反射和透射消火栓过程中的总时延。
在步骤S4中，积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的传输距离差。
如图2所示，通过公式下述(9)，积累所有检测超声信号在反射和透射消火栓过程中传输距离差D，表示为：
Figure BDA0002918421880000103
其中，D表示传输距离差。
在步骤S5中，估计积累的时延间隔和传输距离差，得到超声波波速，并对得到超声波波速进行修正处理。
通过下述公式(10)，实现对消火栓内部的水/空气中超声波波速v1估计，表示为：
Figure BDA0002918421880000104
其中，v1表示超声波波速。
步骤S5中对得到超声波波速进行修正处理是基于温度补偿对超声波波速进行修正的。
根据声学手册可知，温度对超声波传播速度会产生较大的影响。利用实时获取的消火栓表面温度tBM和环境温度tHJ，通过温度补偿公式(11)，λ的取值可以通过声学手册查询得到，最终得到经过温度修正的超声波波速v，表示为：
v＝v1+(tBM-tHJ)×λ (11)
其中，v表示修正后的超声波波速；tBM表示实时获取的消火栓表面温度；tHJ表示实时获取的消火栓环境温度。
在步骤S6中，根据修正后超声波波速，检测消火栓水压。
消火栓水管内部的水通常是静止的，属于静态压力测量问题，可以不用考虑水流因素对于水压检测影响。已有研究表明：当消火栓水管中水压力增高时，密度变大，压缩系数减小，而在其中传播的超声波的声速增高,在一定温度下，声速随压力的增高而线性地增加，利用公式(12)即可实现对消火栓水压检测估计，表示为：
Figure BDA0002918421880000111
其中，P表示消火栓水压；ξ表示比例系数，可以通过声学手册查询得到。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过选择K(K≥10000)个超声波纵波正弦激励信号作为压力检测的输入信号，通过估计所有检测超声信号在反射和透射压力容器/管道过程中的总时延间隔，计算所有检测超声信号在反射和透射压力容器/管道过程中的总传输距离差，通过总时延间隔和总传输距离差计算超声波波速，可以降低对于超声波换能器性能要求，实现高精度低成本的压力检测。
(2)输入信号选择具有频率捷变特点的超声波纵波正弦激励信号确保每个输入信号的频率不同；同时，设定两两超声信号之间的间隔时间大于单个超声波信号的传播时间；易实现多个输入信号和回波信号之间的准确相关。
(3)本发明能够实现非介入、实时、准确、方便、快捷、高效、价格便宜的消火栓水压检测，满足消火栓水压检测的实际应用需要。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，其特征在于，包括步骤：
S1.利用超声波换能器生成多个频率捷变的超声波纵波正弦激励信号作为输入检测超声信号；
S2.获取所有与输入检测超声信号相对应的反射回波信号和透射回波信号；
S3.积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的时延间隔；
S4.积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的传输距离差；
S5.估计积累的时延间隔和传输距离差，得到超声波波速，并对得到超声波波速进行修正处理；
S6.根据修正后超声波波速，检测消火栓水压。
2.根据权利要求1所述的基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，其特征在于，所述步骤S1中超声波换能器包括超声波换能器M和超声波换能器N，且超声波换能器M和超声波换能器N分别部署在消火栓水管的直径方向两端。
3.根据权利要求2所述的基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，其特征在于，所述步骤S1中利用超声波换能器生成多个频率捷变的超声波纵波正弦激励信号，表示为：
Figure FDA0002918421870000011
其中，Sk(t)表示超声波换能器M激发的第k个超声波纵波正弦激励信号；A表示信号幅值；ωk(t)表示第k个超声波纵波正弦激励信号频率；t表示时间；
Figure FDA0002918421870000012
表示初相，且
Figure FDA0002918421870000013
K＝T×60×106/TI表示产生的信号总数；T表示消火栓水压检测持续时间；TI表示超声波换能器M和超声波换能器N之间的超声信号的间隔时间。
4.根据权利要求3所述的基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，其特征在于，所述步骤S2中获取所有与输入检测超声信号相对应的反射回波信号，具体为：
超声波换能器M垂直发射第k个超声波纵波正弦激励信号，经过消火栓第1层管壁，透管壁后在水管内部的水/空气中继续传播，到达超声波换能器N端管壁的内壁内侧，继续穿透超声波换能器N端管壁后，被超声波换能器N接收；
每个反射回波信号的传输距离为2h+d，其中，h表示传输距离的壁厚；d表示传输距离的水管内部直径；
定义第k个透射回波信号
Figure FDA0002918421870000021
表示为：
Figure FDA0002918421870000022
其中，A1表示衰减因子；τk,1表示第k个输入检测超声信号与第k个穿透回波信号之间的时间延迟；θ1(t)表示加性零均值高斯白噪声；上标CT表示透射回波；
选择超声波换能器M的共振频率为fc，采样周期Ts＝1/fc，则公式(2)进行离散化，表示为：
Figure FDA0002918421870000023
其中，t＝n·Ts；τk,2＝Nk,1·Ts；N表示采样数量。
5.根据权利要求4所述的基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，其特征在于，所述步骤S2中获取所有与输入检测超声信号相对应的透射回波信号，具体为：
超声波换能器M垂直发射第k个超声波纵波正弦激励信号，经过消火栓第1层管壁，透管壁后在水管内部的水/空气中继续传播，到达超声波换能器N端管壁的内壁内侧，经反射后在水管内部的水/空气中继续传播，到达超声波换能器M端管壁的内壁内侧，经过超声波换能器M端管壁后，被换能器M接收；
每个反射回波信号的传输距离为2h+d，其中，h表示传输距离的壁厚；d表示传输距离的水管内部直径；
定义第k个反射回波信号
Figure FDA0002918421870000024
表示为：
Figure FDA0002918421870000025
其中，A2表示衰减因子；τk,2表示第k个输入检测超声信号与第k个反射回波信号之间的时间延迟；θ2(t)表示加性零均值高斯白噪声；上标FS表示反射回波；
选择超声波的换能器M的共振频率为fc，采样周期Ts＝1/fc，则公式(4)进行离散化，表示为：
Figure FDA0002918421870000031
其中，t＝n·Ts；τk,2＝Nk,2·Ts；N表示采样数量。
6.根据权利要求5所述的基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
根据傅里叶变换FFT方法，分别计算得到的全部透射回波信号
Figure FDA0002918421870000037
及反射回波信号
Figure FDA0002918421870000032
的相关函数Ck(mTs)，表示为：
Figure FDA0002918421870000033
其中，m表示全部透射回波信号及反射回波信号卷积和所对应的序列号；
根据公式(7)，利用逆傅里叶变换IFFT方法，分别求解得到第k个相关函数Ck(mTs)的峰值位置，即得到第k个超声信号在反射和透射消火栓过程中的时延间隔τk，表示为：
Figure FDA0002918421870000034
积累所有检测超声信号在反射和透射消火栓过程中的总的时延间隔，根据公式(8)得到K个超声信号在反射和透射消火栓过程中的总时延，表示为：
Figure FDA0002918421870000035
其中，Δτ表示K个超声信号在反射和透射消火栓过程中的总时延。
7.根据权利要求6所述的基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，其特征在于，所述步骤S4中积累所有获取的反射回波信号和透射回波信号的传输距离差，表示为：
Figure FDA0002918421870000036
其中，D表示传输距离差。
8.根据权利要求7所述的基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，估计积累的时延间隔和传输距离差，得到超声波波速，表示为：
Figure FDA0002918421870000041
其中，v1表示超声波波速。
9.根据权利要求8所述的基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，其特征在于，所述步骤S5中对得到超声波波速进行修正处理是基于温度补偿对超声波波速进行修正，表示为：
v＝v1+(tBM-tHJ)×λ (11)
其中，v表示修正后的超声波波速；tBM表示实时获取的消火栓表面温度；tHJ表示实时获取的消火栓环境温度。
10.根据权利要求9所述的基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法，其特征在于，所述步骤S6中根据修正后超声波波速，检测消火栓水压，表示为：
Figure FDA0002918421870000042
其中，P表示消火栓水压；ξ表示比例系数。
CN202110108498.3A 2021-01-27 2021-01-27 基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法 Active CN112915452B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110108498.3A CN112915452B (zh) 2021-01-27 2021-01-27 基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110108498.3A CN112915452B (zh) 2021-01-27 2021-01-27 基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112915452A true CN112915452A (zh) 2021-06-08
CN112915452B CN112915452B (zh) 2022-05-20

Family

ID=76166670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110108498.3A Active CN112915452B (zh) 2021-01-27 2021-01-27 基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112915452B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114518190A (zh) * 2021-12-30 2022-05-20 山东省计量科学研究院 基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1444027A (zh) * 2003-04-09 2003-09-24 李艾华 一种超声波管外压力检测装置及方法
WO2013017969A1 (en) * 2011-08-04 2013-02-07 Sik- The Swedish Institute For Food And Biotechnology Fluid visualisation and characterisation system and method; a transducer
CN103292948A (zh) * 2012-02-28 2013-09-11 中国人民解放军第二炮兵工程学院 一种小型一体化小管径超声波管外测压装置
CN103487506A (zh) * 2012-06-12 2014-01-01 北京大学深圳研究生院 一种便携式液体食品质量超声波检测仪与方法
EP2927674A1 (en) * 2014-03-31 2015-10-07 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Method and apparatus for characterizing a medium using ultrasound measurements
CN107290429A (zh) * 2017-07-10 2017-10-24 无锡海鹰电子医疗系统有限公司 用于检测深层结构裂隙的超声测量系统及检测方法
CN108362431A (zh) * 2018-02-05 2018-08-03 浙江大学 基于相邻纵波间时延间隔的非介入式压力检测方法和测量系统
CN110924476A (zh) * 2019-11-21 2020-03-27 湖南柒丰智能科技有限公司 一种带水流量测量功能的智能消火栓及水流量测量方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1444027A (zh) * 2003-04-09 2003-09-24 李艾华 一种超声波管外压力检测装置及方法
WO2013017969A1 (en) * 2011-08-04 2013-02-07 Sik- The Swedish Institute For Food And Biotechnology Fluid visualisation and characterisation system and method; a transducer
CN103292948A (zh) * 2012-02-28 2013-09-11 中国人民解放军第二炮兵工程学院 一种小型一体化小管径超声波管外测压装置
CN103487506A (zh) * 2012-06-12 2014-01-01 北京大学深圳研究生院 一种便携式液体食品质量超声波检测仪与方法
EP2927674A1 (en) * 2014-03-31 2015-10-07 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Method and apparatus for characterizing a medium using ultrasound measurements
CN107290429A (zh) * 2017-07-10 2017-10-24 无锡海鹰电子医疗系统有限公司 用于检测深层结构裂隙的超声测量系统及检测方法
CN108362431A (zh) * 2018-02-05 2018-08-03 浙江大学 基于相邻纵波间时延间隔的非介入式压力检测方法和测量系统
CN110924476A (zh) * 2019-11-21 2020-03-27 湖南柒丰智能科技有限公司 一种带水流量测量功能的智能消火栓及水流量测量方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114518190A (zh) * 2021-12-30 2022-05-20 山东省计量科学研究院 基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112915452B (zh) 2022-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10627371B2 (en) Ultrasonic detection of a change in a surface of a wall
JP6788163B2 (ja) マルチモード音響信号を用いた金属構造体における変化の検出および監視
CN103245454B (zh) 一种非侵入式管道实时监测和预警及故障定位方法
US10458871B2 (en) Apparatus and method for measuring the pressure inside a pipe or container
US20220034739A1 (en) Apparatus and Method for Non-Intrusive Pressure Measurement and Early Identification of Solids Formation using Selected Guided Ultrasonic Wave Modes
CN103245311A (zh) 用超声检测多层吸波涂层的测厚装置及其测厚方法
CN113316705B (zh) 用于确定细长或延伸结构的厚度的方法和系统
US20090071253A1 (en) Acoustic thickness measurements using gas as a coupling medium
US20180292356A1 (en) Detection, monitoring, and determination of location of changes in metallic structures using multimode acoustic signals
CN113567560A (zh) 一种基于超声导波的含附属结构管道的损伤检测方法
CN112915452B (zh) 基于多超声信号时延积累的非介入式消火栓水压检测方法
CN112154324B (zh) 使用多模声学信号来检测、监控和确定金属结构中变化的位置
KR102481199B1 (ko) 유도 초음파 및 초음파 센서를 이용한 상수도 관로 두께 측정 장치
Ju et al. Monitoring of corrosion effects in pipes with multi-mode acoustic signals
CN104568375A (zh) 一种段塞流参数非介入测量装置及方法
CN108362431A (zh) 基于相邻纵波间时延间隔的非介入式压力检测方法和测量系统
CN106841385B (zh) 基于声-超声的聚丙烯生产管道粉末粘附状态的检测方法
JP2018205185A5 (zh)
EP3983790B1 (en) A method for detecting faults in plates using guided lamb waves
Kang et al. Model-based autonomous plate defects visualization method for quantitative wall-thinning estimation
CN113916165A (zh) 一种测量双层板各层厚度的Lamb波厚度共振方法
KR102481198B1 (ko) 상수 관로의 유도 초음파 및 초음파 센서를 이용한 두께 측정 방법
Hou et al. Measurement of hydraulic oil pressure in pipeline based on Short-time Fourier method
Wang et al. Simulation Research on Liquid Film Thickness of Horizontal Gas-liquid Two-phase Flow Based on Ultrasonic Method
RU2626744C1 (ru) Внутритрубный ультразвуковой дефектоскоп

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant