CN115076619A - 一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，包括声发射信号采集装置，采集球阀泄漏原始音频数据；压力信号采集装置，采集管路中的压力数据；温度信号采集装置，采集管路中的温度数据；压差信号采集装置，采集管路中的压差数据。本发明在进行声发射信号采集的同时，能够同时检测内漏球阀上下游的压力、温度、压差，为系统工况正常运行提供更多数据信息，能够对数据进行实时分析，诊断球阀是否内漏，若发生内漏可实时得到其内漏量大小。

Description

一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统

技术领域

本发明涉及燃气安全工程技术领域，具体来说，涉及一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统。

背景技术

球阀是燃气管网系统中重要的安全配套设备，在城镇街区、小区庭院燃气管道上起到截断、接通、调节等作用，其密封性至关重要。其中，燃气管道球阀内漏是一项较为严重的安全隐患；由于球阀内部结构复杂，在发生内漏时，往往无法第一时间发现，必须借助其他设备检测，或对上下游工况改变的诊断来判断球阀内漏工况，且难以准确量化球阀内漏程度。

现有的研究多是利用负压波法，通过压力信号的变化和泄漏点产生的负压波形成的时间差，从而实现泄漏检测，由于检测设备尚不成熟，无法做到精确检测并诊断阀门内漏工况及内漏量，因而增大了事故发生的风险。

实际工程中，如果阀门发生内漏现象，无法做到完全切断气源，极易造成不良的后果。特别的，在燃气运维检修中，关闭的阀门若存在内漏，则会造成下游“窜气”，致使下游压力异常升高，甚至还会造成用户端灶具软管憋压、燃气表损坏、气体泄漏等安全事故。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，以克服现有相关技术所存在的无法做到精确检测并诊断阀门内漏工况及内漏量技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，包括声发射信号采集装置，采集球阀泄漏原始音频数据；

压力信号采集装置，采集管路中的压力数据；

温度信号采集装置，采集管路中的温度数据；

压差信号采集装置，采集管路中的压差数据；

信号分析处理装置，执行对采集信号的处理、球阀内漏的定量分析；

信号采集卡，其输入端与声发射信号采集装置、压力信号采集装置以及温度信号采集装置电连接，其输出端与信号分析处理装置电连接。

在可能的一个设计中，信号分析处理装置进行采集信号的处理、球阀内漏的定量分析的步骤包括，步骤1：采集球阀泄漏原始音频数据；步骤2：对所述音频数据采用EMD分解并重构完成降噪处理和特征提取，步骤3：对所述去噪后的信号进行特征提取，包括幅值、总声压级、有效值电压值、平均信号电平值等；步骤4：根据声信号频谱中峰值频率所在区间及峰值对应振幅大小判断球阀是否发生内漏，并预测内漏率。

在可能的一个设计中，所述步骤2包括，步骤2.1：将信号转化提取为多个局部集中频率的固有IMF模态函数与一个残余分量的形式；步骤2.2：对分解为窄带信号后的能量变化及峰值频率规律分析，去除噪音信号所在的IMF分量；步骤2.3：选取的有效IMF分量进行重构，得到去噪后的信号；步骤2.4：通过快速傅里叶变换得到降噪后信号的频谱信息。

在可能的一个设计中，声发射信号采集探头设置在距离被检测球阀阀芯沿介质输送方向下游30cm。

在可能的一个设计中，声发射信号采集探头在采集面涂抹耦合剂后采用磁力夹吸附在管道管壁上。

在可能的一个设计中，信号分析处理装置进行球阀内漏进行定量分析时刻采用预测模型进行训练及参数优化，具体步骤包括，步骤S01：通过polyfit函数构建球阀在不同开度下，压力与RMS值的拟合，建立est-fun子程序；步骤S02：调用est-fun程序，建立regress回归拟合不同开度下压力、RMS值、泄漏率。

在可能的一个设计中，步骤2包括，生成一个基于regress回归的改进Levenberg-Marquardt算法的球阀内漏量预测模型：Q＝(a1+a2*exp(P)+a3*Ka^2+a4*RMS)/1000；式中P为压力输入值，Ka为子程序拟合开度值，RMS为有效值电压输入值，a1、a2、a3、a4为系数。

在可能的一个设计中，所述对使用球阀口径规格DN50、压力0.2至0.8MPa的中压燃气系统，a1、a2、a3、a4取值可为：a1＝-0.5206、a2＝0.1391、a3＝0.0520、a4＝-0.0039。

在可能的一个设计中，所述对使用球阀口径规格DN100、压力0.2至0.8MPa的中压燃气系统，a1、a2、a3、a4取值可为：a1＝0.2781、a2＝0.0499、a3＝0.0134、a4＝-0.0055。

在可能的一个设计中，所述检测系统检测内漏量高精度区间为0.0005m³/s～0.012m³/s。

本发明基本原理：

阀门内漏造成的管路流体非正常流动产生瞬态弹性波，引发声发射现象，流体泄漏产生的瞬态弹性波与一般材料变形没有直接关系，这种产生方式称为二次声发射源，形变或泄漏产生的弹性波会携带流场内部的缺陷信息向外传播，通过使用灵敏度高的声发射信号采集装置可以接收到该弹性波，管道上的声发射信号采集装置检测球阀内漏产生的声发射信号，并传入信号采集卡；信号采集卡将采集到的声发射信号传递给信号分析处理系统，得到相应的球阀内漏声发射特征参量，管道上的压力信号采集装置、温度信号采集装置、压差信号采集装置检测到球阀内漏时的压力信号、温度信号、压差信号并传输至信号采集卡，信号采集卡将数据传输至信号分析处理系统进行分析，分析得到相应的RMS值、ASL值、幅度。

本发明提供了一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，具备以下有益效果：

1.在进行声发射信号采集的同时，能够同时检测内漏球阀上下游的压力、温度、压差，为系统工况正常运行提供更多数据信息。

2.能够有效地采集到阀门内漏时产生的声发射特征信号，并实时在计算机端得到相应的声发射特征参量。

3.本检测系统选择的采集位置为在该系统允许压力、管道口径范围内的最佳采集位置，能够高效采集数据。

4.能够同时进行同等压力等级或不同压力等级的球阀内漏检测，更贴合实际工程的工况多样性。

5.采用的声发射检测方式为将传感器吸附在管道壁面，对管道及球阀没有损伤，即为无损检测方式。

6.本检测系统能够对数据进行实时分析，诊断球阀是否内漏，若发生内漏可实时得到其内漏量大小。

7.声波检测技术是阀门泄漏检测手段之一，基于此研发一套燃气管道球阀内漏检测系统，实现阀门内漏的定性定量检测，在燃气管道球阀内漏检测过程中，基于声发射技术的装置系统能够对多类型多工况的燃气管道及球阀工况状态进行检测，提高球阀内漏检测的准确性，且数据采集和分析方式简单易操作，可及时发现阀门内漏状况，准确实施设备设施的维修更换，降低引发事故概率，有效燃气管网的安全运行水平。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本发明一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统实施例的结构示意图；

图2为本发明一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统实施例的结构示意图；

图3为声发射信号采集装置的安装示意图；

图4为信号处理方式、球阀内漏判断分析流程图；

图5为采用预测模型进行训练及参数优化流程图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

在本发明的描述中，需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时术语“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。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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，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。

附图标记说明：1-被检测球阀管路出口阀；2-被检测球阀安置管路；3-压力表；4-压差传感器；5-温度传感器；6-压力传感器；7-声发射传感器；8-被检测内漏球阀；9-压力传感器；10-温度传感器；11-压差传感器；12-压力表；13-PAI前置放大器；14-高精度动态信号数据采集卡；15-通用采集卡；16-计算机。

如图1-5所示，一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，包括所检测燃气管道球阀外部环境、所检测燃气管道球阀工况条件、信号检测采集装置、信号分析处理系统等部分。

所述检测燃气管道球阀外部环境条件包括被检测球阀为燃气管道上控制阀，可置于埋地阀门井内或建筑外墙立管处。

所述检测燃气管道球阀工况包括被检测球阀及管路管径规格≥DN50、被检测球阀所处燃气管道压力≥0.2MPa的中压燃气系统。

所述信号检测装置包括声发射信号采集装置(即为声发射传感器)、压力信号采集装置(即为压力传感器)、温度信号采集装置(即为温度传感器)、压差信号采集装置(即为压差传感器)、信号采集卡；信号采集卡采用的是高精度动态信号数据采集卡；

所述声发射信号检测装置位置通过检测比对，推荐设计最佳采集位置为，声发射信号采集探头设置在距离被检测球阀阀芯30cm下游沿介质输送方向，当有多个采集探头时，第二最佳采集位置可设置为被检测球阀壁面，声发射信号采集探头安装方式推荐为在采集面涂抹耦合剂后采用磁力夹吸附在管道管壁上，声发射信号采集探头即为声发射传感器；

所述声发射信号采集探头的输出端与PAI前置放大器的输入端相连，PAI前置放大器的输出端与高精度动态信号数据采集卡的输入端相连，高精度动态信号数据采集卡可同时进行多通道的采集，所述高精度动态信号数据采集卡输出端与信号分析处理系统相连；

所述声发射传感器位置可随具体燃气管道系统情况改变，当传感器在最佳位置处无法检测或检测效果不理想时，可视情况调整传感器磁吸位置。

所述压力传感器、压差传感器、温度传感器均采用扩口式管接头，可安装在管路上任何压力表安装接口，所述压力传感器共有两个、压差传感器共有两个、温度传感器共有两个。

所述压力传感器、压差传感器、温度传感器输出端与通用模拟信号数据采集卡输入端相连，通用模拟信号数据采集卡输出端与信号分析处理系统相连；所述通用模拟信号数据采集卡能够同时采集多个压力信号、温度信号、压差信号，并传输至信号分析处理系统。

压力传感器、温度传感器、压差传感器可根据管路自有接口，改变在管路上的连接位置，检测不同区域压力信号、温度信号。

所述信号检测装置连接方式包括有线连接和无线连接。

所述有线连接为：声发射信号采集探头通过磁力夹固定在管道上，声发射信号采集探头通过射频连接线与信号放大器连接，压力传感器、温度传感器、压差传感器均通过两线制接线方式连接。当存在有线方式连接线路不够长时，可增加接线长度。

所述无线连接为：声发射信号采集探头及采集卡一体化无线采集模块固定在管路上，将信号通过无线方式传输至云端，无线压力传感器、无线温度传感器、无线压差传感器通过GPRS方式将信号传输至信号分析处理系统。

所述信号分析处理系统通过计算机执行对采集信号的处理和球阀内漏的定量分析。

所述信号处理方式和球阀内漏判断的分析流程如图4，包括以下步骤：

步骤1：采集球阀泄漏原始音频数据；

步骤2：对所述音频数据采用EMD分解并重构完成降噪处理和特征提取，包括：

步骤2.1：将信号转化提取为多个局部集中频率的固有IMF模态函数与一个残余分量的形式；

步骤2.2：对分解为窄带信号后的能量变化及峰值频率规律分析，去除噪音信号所在的IMF分量；

步骤2.3：选取的有效IMF分量进行重构，得到去噪后的信号。

步骤2.3：通过快速傅里叶变换得到降噪后信号的频谱信息；

步骤3：对所述去噪后的信号进行特征提取，包括幅值、总声压级、有效值电压(RMS)值、平均信号电平(ASL)值等；

步骤4：根据声信号频谱中峰值频率所在区间及峰值对应振幅大小判断球阀是否发生内漏，对使用球阀口径规格DN50至DN100、压力0.2至0.8MPa的中压燃气系统，判据为中心频率30KHz～70KHz、峰值频率对应振幅≥0.01mv。

所述球阀内漏进行定量分析，采用预测模型进行训练及参数优化具体流程如图5，包括以下步骤：

步骤1：通过polyfit函数构建球阀在不同开度下，压力与RMS值的拟合，建立est-fun子程序；

步骤2：调用est-fun程序，建立regress回归拟合不同开度下压力、RMS值、泄漏率；

进一步的，步骤1中est-fun程序应用基于Matlab软件。

进一步的，步骤2包括，生成一个基于regress回归的改进Levenberg-Marquardt算法的球阀内漏量预测模型：

Q＝(a1+a2*exp(P)+a3*Ka^2+a4*RMS)/1000

式中P为压力输入值，Ka为子程序拟合开度值，RMS为有效值电压输入值，a1、a2、a3、a4为系数，根据不同工况条件有所不同，

所述对使用球阀口径规格DN50、压力0.2至0.8MPa的中压燃气系统，a1、a2、a3、a4取值可为：a1＝-0.5206、a2＝0.1391、a3＝0.0520、a4＝-0.0039。

所述对使用球阀口径规格DN100、压力0.2至0.8MPa的中压燃气系统，a1、a2、a3、a4取值可为：a1＝0.2781、a2＝0.0499、a3＝0.0134、a4＝-0.0055。

所述检测系统检测内漏量高精度区间为0.0005m³/s～0.012m³/s。

通过上述技术方案可知，本发明基于声发射信号采集及处理技术设计了一套能够实现对燃气管道球阀运行参数采集和内漏分析的检测系统。

多通道检测条件可以支持实现多个球阀同时检测，支持同时工作传感器数量小于等于4个。管路压力口径的不同不影响检测，同一根管路不同压力条件不影响检测。

管道上的声发射信号采集探头检测球阀内漏产生的声发射信号，通过前置放大器放大后传入数据采集卡。数据采集卡将采集到的声发射信号传递给信号分析处理系统，通过信号分析处理系统的计算机及其软件得到相应的球阀内漏声发射特征参量。管道上的压力传感器、温度传感器、压差传感器检测到球阀内漏时的压力信号、温度信号、压差信号并传输至通用模拟数据采集卡，采集卡将数据传输至信号分析处理系统进行分析。

燃气管道球阀内漏检测与声发射特征参量提取的基本原理：阀门内漏造成的管路流体非正常流动产生瞬态弹性波，引发声发射现象。流体泄漏产生的瞬态弹性波与一般材料变形没有直接关系，这种产生方式称为二次声发射源。形变或泄漏产生的弹性波会携带流场内部的缺陷信息向外传播，通过使用灵敏度高的传感器可以接收到该弹性波。采集到的声发射信号由传感器经放大器采集卡传输至信号分析处理系统，通过计算机及其相关软件分析得到相应的RMS值、ASL值、幅度。

本发明的有益效果：

1.在进行声发射信号采集的同时，能够同时检测内漏球阀上下游的压力、温度、压差，为系统工况正常运行提供更多数据信息。

2.能够有效地采集到阀门内漏时产生的声发射特征信号，并实时在计算机端得到相应的声发射特征参量。

3.本检测系统选择的采集位置为在该系统允许压力、管道口径范围内的最佳采集位置，能够高效采集数据。

4.能够同时进行同等压力等级或不同压力等级的球阀内漏检测，更贴合实际工程的工况多样性。

5.采用的声发射检测方式为将传感器吸附在管道壁面，对管道及球阀没有损伤，即为无损检测方式。

6.本检测系统能够对数据进行实时分析，诊断球阀是否内漏，若发生内漏可实时得到其内漏量大小。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，其特征在于，包括声发射信号采集装置，采集球阀泄漏原始音频数据；

压力信号采集装置，采集管路中的压力数据；

温度信号采集装置，采集管路中的温度数据；

压差信号采集装置，采集管路中的压差数据；

信号分析处理装置，执行对采集信号的处理、球阀内漏的定量分析；

信号采集卡，其输入端与声发射信号采集装置、压力信号采集装置以及温度信号采集装置电连接，其输出端与信号分析处理装置电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，其特征在于，信号分析处理装置进行采集信号的处理、球阀内漏的定量分析的步骤包括，步骤1：采集球阀泄漏原始音频数据；步骤2：对所述音频数据采用EMD分解并重构完成降噪处理和特征提取，步骤3：对所述去噪后的信号进行特征提取，包括幅值、总声压级、有效值电压值、平均信号电平值等；步骤4：根据声信号频谱中峰值频率所在区间及峰值对应振幅大小判断球阀是否发生内漏，并预测内漏率。

3.根据权利要求2所述的一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，其特征在于，所述步骤2包括，步骤2.1：将音频数据转化提取为多个局部集中频率的固有IMF模态函数与一个残余分量的形式；步骤2.2：对分解为窄带信号后的能量变化及峰值频率规律分析，去除噪音信号所在的IMF分量；步骤2.3：选取的有效IMF分量进行重构，得到去噪后的信号；步骤2.4：通过快速傅里叶变换得到降噪后信号的频谱信息。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，其特征在于，声发射信号采集装置设置在距离被检测球阀阀芯沿介质输送方向下游30cm。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，其特征在于，声发射信号采集装置采用磁力夹吸附在管道管壁上。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，其特征在于，信号分析处理装置进行球阀内漏进行定量分析时刻采用预测模型进行训练及参数优化，具体步骤包括，步骤S01：通过polyfit函数构建球阀在不同开度下，压力与RMS值的拟合，建立est-fun子程序；步骤S02：调用est-fun程序，建立regress回归拟合不同开度下压力、RMS值、泄漏率。

7.根据权利要求6所述的一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，其特征在于，步骤2包括，生成一个基于regress回归的改进Levenberg-Marquardt算法的球阀内漏量预测模型：Q＝(a1+a2*exp(P)+a3*Ka^2+a4*RMS)/1000；式中P为压力输入值，Ka为子程序拟合开度值，RMS为有效值电压输入值，a1、a2、a3、a4为系数。

8.根据权利要求7所述的一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，其特征在于，所述对使用球阀口径规格DN50、压力0.2至0.8MPa的中压燃气系统，a1、a2、a3、a4取值可为：a1＝-0.5206、a2＝0.1391、a3＝0.0520、a4＝-0.0039。

9.根据权利要求7所述的一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，其特征在于，所述对使用球阀口径规格DN100、压力0.2至0.8MPa的中压燃气系统，a1、a2、a3、a4取值可为：a1＝0.2781、a2＝0.0499、a3＝0.0134、a4＝-0.0055。

10.根据权利要求1-3、7、8或9任一项所述的一种基于声发射技术的燃气管道球阀内漏检测系统，其特征在于，所述检测系统检测内漏量高精度区间为0.0005m³/s～0.012m³/s。

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