CN113390385B - 一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统及方法，属于管道运输领域，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统包括：位移检测单元，固定在待测管道上，用于检测所述待测管道的形变量，并将所述形变量转换为对应的位移量；通过位移检测单元检测管道的形变量，检测精度高；信号采集单元，与所述位移检测单元连接，用于实时采集所述位移量；定位单元，用于获取当前待测管道的地理位置信息；远程控制单元，分别与所述信号采集单元及所述定位单元连接，用于根据所述位移量及所述待测管道的地理位置信息得到对应位置上的所述待测管道的沉降信息。可实时精准的检测输气管道的应变信息。

Description

一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及管道运输领域，特别是涉及一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统及方法。

背景技术

管道运输是天然气输送的主要方式，是关系国计民生的大事。但是，地面沉降对管道正常工作的危害很大。尤其是经过煤矿采空区的二次沉降对管道的危害日益受到人们的重视。通常情况下，当管道经过煤矿采空区时，人们会将管道裸露在空气中，等待一年左右的时间，确定地面不再沉降后才进行管道的填埋。但是，现在的情况是，在经过上述操作后，地面还是会发生二次沉降，使管道弯曲。

而现在对于再次检测管道弯曲程度时，主要是使用北斗定位和光纤两种方式。使用北斗进行地面沉降的监测，原理是北斗卫星和地面站相结合，对一个特定的区段进行测量，其造价很高，通常一个地面站在十几万，并且其不能实时精准的检测到由于岩石挤压产生的向上或横向的管道弯曲。使用光纤进行地面沉降的监测，能测量的最大长度较小，反映在工程上就是可预警的管道的形变范围窄，会出现管道只是发生了轻微的形变就超出了光纤可测量的最大量程，使光纤失去预警能力，而这样轻微的形变通常是可以忽略的，所以使用光纤检测也不能实时精准的检测到管道的弯曲程度。

因此亟需一种拥有较大量程，且可以实时精准检测管道弯曲程度的监测系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统及方法，可实时精准地检测输气管道的应变信息。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统包括：

位移检测单元，固定在待测管道上，用于检测所述待测管道的形变量，并将所述形变量转换为对应的位移量；

信号采集单元，与所述位移检测单元连接，用于实时采集所述位移量；

定位单元，用于获取当前待测管道的地理位置信息；

远程控制单元，分别与所述信号采集单元及所述定位单元连接，用于根据所述位移量及所述待测管道的地理位置信息得到对应位置上的所述待测管道的沉降信息。

可选地，所述位移检测单元为拉绳位移传感器。

可选地，所述位移检测单元包括：

固定装置，固定在待测管道上；

位移线缆，固定在所述待测管道上；

位移传感器，固定在所述待测管道上，且所述位移传感器、所述位移线缆及所述固定装置依次连接；所述位移传感器用于检测所述位移线缆的形变量，并将所述形变量转换为位移量；所述位移线缆的形变量为所述待测管道的形变量；

信号传输线缆，分别与所述位移传感器及所述信号采集单元连接，用于将所述位移量发送至所述信号采集单元。

可选地，所述远程控制单元包括：

存储模块，与所述定位单元连接，用于存储所述待测管道的原始管道长度及所述待测管道的地理位置信息；

处理模块，分别与所述存储模块及所述信号采集单元连接，用于根据所述位移量及所述原始管道长度得到对应位置上的所述待测管道的沉降信息。

可选地，所述存储模块还用于存储所述待测管道的弯曲弧度阈值；所述沉降信息为所述待测管道的检测弯曲弧度；

所述远程控制单元还包括：

比较模块，分别与所述存储模块及所述处理模块连接，用于比较所述弯曲弧度阈值与所述待测管道的检测弯曲弧度的大小；

报警模块，与所述比较模块连接，用于在所述检测弯曲弧度大于或等于所述弯曲弧度阈值时，产生报警信息。

可选地，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统还包括：

基站，分别与所述信号采集单元、所述定位单元及所述远程控制单元连接，用于接收所述位移量及所述地理位置信息，并发送至所述远程控制单元。

可选地，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统还包括：

服务器，分别与所述基站及所述远程控制单元连接，用于获取所述位移量及所述地理位置信息，并存储各个地理位置上所述待测管道的位移量，以及将所述待测管道的位移量及对应的地理位置信息发送至所述远程控制单元。

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警方法，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警方法包括：

获取待测管道的原始长度、待测管道的位移量及对应的地理位置信息；

根据所述待测管道的原始长度、所述待测管道的位移量及对应的地理位置信息，得到对应位置上的待测管道的沉降信息。

可选地，所述沉降信息为所述待测管道的检测弯曲弧度；

所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警方法还包括：

获取所述待测管道的弯曲弧度阈值；

比较所述弯曲弧度阈值与所述检测弯曲弧度的大小，在所述检测弯曲弧度大于或等于所述弯曲弧度阈值时，产生警报信息。

可选地，根据以下公式计算检测弯曲弧度：

其中，θ为检测弯曲弧度，ΔL为待测管道的位移量，L为待测管道的原始长度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：通过位移检测单元实时检测管道的形变量，并转换为位移量，检测精度高，再结合定位单元对管道的地理位置的采集，远程控制单元根据位移量及待测管道的地理位置信息得到对应位置上的待测管道的沉降信息。可实时检测输气管道的应变信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统的模块结构示意图；

图2为包含多个节点的系统结构示意图；

图3为本发明基于位移传感器的输气管道应变监测预警方法的流程图；

图4为正常埋地管道拉绳位移传感器布设示意图；

图5为发生形变后埋地管道拉绳位移传感器示意图；

图6为理想条件下管道沉降应变数学模型示意图；

图7为弧度θ与管道应变ΔL/L的函数关系图；

图8为弧度θ和管道形变ΔL的关系图。

符号说明：

位移检测单元-1，固定装置-11，位移线缆-12，位移传感器-13，信号传输线缆-14，信号采集单元-2，定位单元-3，远程控制单元-4，基站-5，服务器-6，传输单元-7，待测管道-8，地表-9。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统及方法，通过位移检测单元实时检测管道的形变量，并转换为位移量，检测精度高，再结合定位单元对管道的地理位置的采集，远程控制单元根据位移量及待测管道的地理位置信息得到对应位置上的待测管道的沉降信息。可实时检测输气管道的应变信息。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统包括：位移检测单元1、信号采集单元2、定位单元3及远程控制单元4。

其中，所述位移检测单元1固定在待测管道8上，所述位移检测单元1用于检测所述待测管道8的形变量，并将所述形变量转换为对应的位移量。在本实施例中，所述位移检测单元1为拉绳位移传感器13。拉绳位移传感器13的量程在0到几米之间。不同型号的量程不同，小的到75cm，大的到10m，测量精度可达到1mm。

具体地，所述位移检测单元1包括：固定装置11、位移线缆12、位移传感器13及信号传输线缆14。

其中，所述固定装置11固定在待测管道8上。

所述位移线缆12固定在所述待测管道8上。

所述位移传感器13固定在所述待测管道8上，且所述位移传感器13、所述位移线缆12及所述固定装置11依次连接。所述位移传感器13用于检测所述位移线缆12的形变量，并将所述形变量转换为位移量；所述位移线缆12的形变量为所述待测管道8的形变量。

所述信号传输线缆14分别与所述位移传感器13及所述信号采集单元2连接，所述信号传输线缆14用于将所述位移量发送至所述信号采集单元2。

整个位移检测单元安装方便、可重复使用且价格便宜。

所述信号采集单元2与所述位移检测单元1连接，所述信号采集单元2用于实时采集所述位移量。可选地，所述信号采集单元还用于保存所述位移量。通过信号采集单元实时采集并保存待测管道的位移量，具备实时发送与就地存储的功能，当没有网络信号时，可通过信号采集单元存储位移量，方便工作人员进行事后回读。

所述定位单元3用于获取当前待测管道的地理位置信息。优选地，所述定位单元3为北斗定位。

所述远程控制单元4分别与所述信号采集单元2及所述定位单元3连接，所述远程控制单元4用于根据所述位移量及所述待测管道8的地理位置信息得到对应位置上的所述待测管道8的沉降信息。

具体地，所述远程控制单元4包括：存储模块以及处理模块。

其中，所述存储模块与所述定位单元3连接，所述存储模块用于存储所述待测管道8的原始管道长度及所述待测管道8的地理位置信息。

所述处理模块分别与所述存储模块及所述信号采集单元2连接，所述处理模块用于根据所述位移量及所述原始管道长度得到对应位置上的所述待测管道8的沉降信息。

优选地，所述存储模块还用于存储所述待测管道的弯曲弧度阈值。

进一步地，所述沉降信息为所述待测管道的检测弯曲弧度。

所述远程控制单元4还包括：比较模块及报警模块。

其中，所述比较模块分别与所述存储模块及所述处理模块连接，所述比较模块用于比较所述弯曲弧度阈值与所述待测管道的检测弯曲弧度的大小。

所述报警模块与所述比较模块连接，所述报警模块用于在所述检测弯曲弧度大于或等于所述弯曲弧度阈值时，产生报警信息。

优选地，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统还包括基站5。所述基站5分别与所述信号采集单元2、所述定位单元3及所述远程控制单元4连接，所述基站5用于接收所述位移量及所述地理位置信息，并发送至所述远程控制单元4。

进一步地，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统还包括服务器6。所述服务器6分别与所述基站5及所述远程控制单元4连接，所述服务器6用于获取所述位移量及所述地理位置信息，并存储各个地理位置上所述待测管道8的位移量，以及将所述待测管道的位移量及对应的地理位置信息发送至所述远程控制单元4。能够实现数据的远程实时存储。

所述远程控制单元4对待测管道8的沉降进行分析，一旦超过阈值，提醒施工方及时采取有效措施进行补救。

更进一步地，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统还包括传输单元7。所述传输单元7分别与所述信号采集单元2、所述定位单元3及所述基站5连接，所述信号采集单元2通过所述传输单元7将所述位移量发送至所述基站5，所述定位单元3通过所述传输单元7将所述地理位置信息发送至所述基站5。在本实施例中，所述传输单元7为5G无线通信。

如图2所示，本发明所提供的基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统包含若干个单节点与汇聚节点。其中，单节点系统由位移检测单元1、信号采集单元2、传输单元7和定位单元3组成。整套系统由若干个单节点监测子系统组成以及远程控制单元4构成，整套系统的监测节点数量能够依据系统服务器6的最大上限容量不断扩容，能够同时在线监测不同地区、不同地域的管道应变情况，只要服务器6的容量足够大。传输单元7负责与基站5进行无线通信，并将各节点实时监测到的数据通过无线方式实时回传给基站5。

本发明基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统能够同时具备实时发送与就地存储功能，当监测节点没有网络信号时，整个系统按照年月日的具体时间，自动对信息进行采集存储，方便工作人员进行事后回读。当监测节点附近网络信号时有时无时，节点会自动不断搜索5G信号，并在5G信号良好的情况下，并将前期网络信号不好时积累的数据进行自动发送。当所监测的节点附近5G信号非常好时，则将数据进行实时发送。

如图3所示，本发明基于位移传感器的输气管道应变监测预警方法包括：

S1：获取待测管道的原始长度、待测管道的位移量及对应的地理位置信息；

S2：根据所述待测管道的原始长度、所述待测管道的位移量及对应的地理位置信息，得到对应位置上的待测管道的沉降信息。

具体地，所述沉降信息为所述待测管道的检测弯曲弧度。

进一步地，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警方法还包括：

S3：获取所述待测管道的弯曲弧度阈值；

S4：比较所述弯曲弧度阈值及所述检测弯曲弧度的大小，在所述检测弯曲弧度大于或等于所述弯曲弧度阈值时，产生警报信息。

具体地，根据以下公式计算检测弯曲弧度：

其中，θ为检测弯曲弧度，ΔL为待测管道的位移量，L为待测管道的原始长度。

本发明基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统及方法的整体应用流程为：

首先将拉绳位移传感器的一端固定在待测管道8上，另一端拉伸一定距离从而固定到待测管道8的另一侧，两者之间相距L距离。如图4所示，拉绳位移传感器13随待测管道8一起埋设于地表9下，同时将信号传输线缆14露出地表9，与信号采集单元2连接。

当待测管道8随地质沉降发生形变后，待测管道8弯曲L+ΔL，如图5所示。

要从管道由于土壤沉降等地质问题所产生的应变的物理现象中抽象出数学模型，由于地面沉降对管道的应力作用的位置和方向难以预测，但其作用的整体效果是使管道发生向下的应变，管道产生弧度并且长度变长，因此对于它的数学模型，假设地面沉降使管道产生理想的圆弧状形变，其结构如图6所示，线段L为待测管道8的原始长度，圆弧l为发生应变的待测管道8的长度，r为圆弧l所对应圆的半径，θ为圆弧l对应的弧度值的一半。

由以上模型，可以得到方程组

其中，ΔL为待测管道的位移量。

由方程组可得：

由于式(2)无解析解，故求其近似解。根据sin(x)的泰勒级数展开式

取其前三项可得θ的近似值为

由式(4)可知，只要测量出应变ΔL/L即可计算出管道的弯曲弧度θ。两者的函数关系如图7所示。

上述的数学模型虽是对长度为L的管道在理想的沉降条件下得出的，但是其本质上是找到一个由管道长度的变化量来表征管道弯曲程度的一个特征值。由于管道长度的变化量与管道弯曲的方向无关，因此，该模型可以应用于普通情况下的管道应变。例如，

1、在监测的长度为L的管道的局部发生沉降；

2、在监测的长度为L的管道由于各个部分沉降速度不同而产生的横向弯曲；

3、在监测的长度为L的管道由于岩石等挤压产生的向上或横向的弯曲。

这些情况因为管道长度均发生了改变，因此将局部的长度变化量视为整个监测长度L上均匀应变就可以使用上述的数学模型得到一个对整个监测段的形变的估计值，并基于此对地下管道的应变情况进行监测和预警。

由于得到的数学模型是将所有的情况下的形变都视为整体监测段的形变，由整体的应变来得到管道弯曲的估计值，因此监测长度L将影响最后的估计值的准确性。若L过长，则局部较大的弯曲形变反映在长度L上的应变很小，预警能力差；若L很短，则局部的弯曲可以直接反映为长度L上的应变，预警能力好，但是所需的传感器会增多，成本上升。因此为了获得较好的预警效果和较低的成本，需要综合考虑各方面的因素。

具体地，将上述的数学模型应用到工程中，若监测的管道原始长度L＝10m，在管道上安装好位移传感器。此时，根据建立好的数学模型，可以得到弧度θ和管道位移量ΔL的关系，如图8所示。

使用位移传感器测量管道的位移量ΔL，通过连续地测量ΔL，如果ΔL不断增大，则说明管道的形变不断增大，此时产生预警信息。于此同时，计算弧度θ的值，当θ超过设定的阀值后，产生报警信息。

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。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统，其特征在于，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统包括：

位移检测单元，固定在待测管道上，用于检测所述待测管道的形变量，并将所述形变量转换为对应的位移量；

信号采集单元，与所述位移检测单元连接，用于实时采集所述位移量；

定位单元，用于获取当前待测管道的地理位置信息；

远程控制单元，分别与所述信号采集单元及所述定位单元连接，用于根据所述位移量及所述待测管道的地理位置信息得到对应位置上的所述待测管道的沉降信息；所述沉降信息为所述待测管道的检测弯曲弧度；

所述远程控制单元根据以下公式计算检测弯曲弧度：

其中，θ为检测弯曲弧度，ΔL为待测管道的位移量，L为待测管道的原始长度。

2.根据权利要求1所述的基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统，其特征在于，所述位移检测单元为拉绳位移传感器。

3.根据权利要求1所述的基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统，其特征在于，所述位移检测单元包括：

固定装置，固定在待测管道上；

位移线缆，固定在所述待测管道上；

位移传感器，固定在所述待测管道上，且所述位移传感器、所述位移线缆及所述固定装置依次连接；所述位移传感器用于检测所述位移线缆的形变量，并将所述形变量转换为位移量；所述位移线缆的形变量为所述待测管道的形变量；

信号传输线缆，分别与所述位移传感器及所述信号采集单元连接，用于将所述位移量发送至所述信号采集单元。

4.根据权利要求1所述的基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统，其特征在于，所述远程控制单元包括：

存储模块，与所述定位单元连接，用于存储所述待测管道的原始管道长度及所述待测管道的地理位置信息；

处理模块，分别与所述存储模块及所述信号采集单元连接，用于根据所述位移量及所述原始管道长度得到对应位置上的所述待测管道的沉降信息。

5.根据权利要求4所述的基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统，其特征在于，所述存储模块还用于存储所述待测管道的弯曲弧度阈值；

所述远程控制单元还包括：

比较模块，分别与所述存储模块及所述处理模块连接，用于比较所述弯曲弧度阈值与所述待测管道的检测弯曲弧度的大小；

报警模块，与所述比较模块连接，用于在所述检测弯曲弧度大于或等于所述弯曲弧度阈值时，产生报警信息。

6.根据权利要求1所述的基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统，其特征在于，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统还包括：

基站，分别与所述信号采集单元、所述定位单元及所述远程控制单元连接，用于接收所述位移量及所述地理位置信息，并发送至所述远程控制单元。

7.根据权利要求6所述的基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统，其特征在于，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统还包括：

服务器，分别与所述基站及所述远程控制单元连接，用于获取所述位移量及所述地理位置信息，并存储各个地理位置上所述待测管道的位移量，以及将所述待测管道的位移量及对应的地理位置信息发送至所述远程控制单元。

8.一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警方法，其特征在于，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警方法包括：

获取待测管道的原始长度、待测管道的位移量及对应的地理位置信息；

根据所述待测管道的原始长度、所述待测管道的位移量及对应的地理位置信息，得到对应位置上的待测管道的沉降信息；所述沉降信息为所述待测管道的检测弯曲弧度；

根据以下公式计算检测弯曲弧度：

其中，θ为检测弯曲弧度，ΔL为待测管道的位移量，L为待测管道的原始长度。

9.根据权利要求8所述的基于位移传感器的输气管道应变监测预警方法，其特征在于，所述基于位移传感器的输气管道应变监测预警方法还包括：

获取所述待测管道的弯曲弧度阈值；

比较所述弯曲弧度阈值与所述检测弯曲弧度的大小，在所述检测弯曲弧度大于或等于所述弯曲弧度阈值时，产生警报信息。

Images