CN219842552U - 基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于管道定位设备技术领域，公开了一种基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置，声源发射机通过连接线路与振动器连接，振动器设置于地面上侧的阀井井口位置；微动探测器设置有一个固定微动探测器和多个可移动微动探测器，固定微动探测器布置于阀井中外通燃气管道方向的地面处，可移动微动探测器布置在管道定位区域。本实用新型采用声源发射机、振动器对燃气管道施加可选频率声波振动信号，使管道中的天然气产生振荡波信号，并沿管道定向传播至远端，该高幅值的声波振动信号在管道压力气体中定向传播的同时，通过管壁和上覆盖层介质立体传播至地面，因而可极大提高地面接收的振动信号幅值，抗噪能力强。
Description
技术领域
本实用新型属于管道定位设备技术领域，尤其涉及一种基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置。
背景技术
目前，城市已有地下管线准确定位是老旧管线网改造、城市工程建设等安全环保施工的关键。其中，燃气管线铺设是市政工程中的一项基础民生保障工程，特别是天然气作为一种易燃、易爆炸的气体，稍有不慎发生泄漏或滞留都将造成严重后果，祸及千家万户。准确可靠的地下燃气管线探测技术是直接避免盲目开挖和管道泄漏造成事故和社会经济损失的关键技术，并且减少开挖成本、提高效率，为管道的安全稳定运行提供保障，具有非常重要的理论研究价值和现实意义。
地下燃气管道常用材料为非金属材质，如PE管材，其为惰性材质，不导电、不导磁，埋地敷设后，很难精准探测其位置及埋深。目前，有别于本实用新型涉及方法技术的其他地下燃气管道定位技术很多，如井中调查与开挖样洞相结合技术、直接开挖法、扦插法、示踪法、权属认证及看图法等等。上述方法存在缺陷较为明显：如直接开挖类方法费时费力、成本高；扦插法适用于表层覆盖土体较薄或松软工区；示踪法不适用于老旧管道；权属认证及看图法不适用于没有相关图纸、表层有过变动或施工权属单位不明确的管线探测项目。
现有的地球物理地下管道探测技术中，探地雷达发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波遇到不同的电性界面时发生反射，通过软件分析观测信号区别地下的不同介质。但该方法定位效率低，对直径较小敷设深度较大的管道反射信号较弱，图像具有多解性，受管道上方回填物干扰影响大，对操作人员专业水平及经验要求较高。弱磁感应法利用燃气所含氢原子核中的质子是一种带有正电荷并不停自旋转的粒子，它们在外磁场作用下将按一定的方向有规则的排列，表现出非常微弱的磁性，根据这一现象，研制出能将弱磁场放大的探测仪，在地面上方通过专门仪器拾取该信号，从而探测燃气管道的位置与埋深。但该方法要求必须垂直管道检测，抗干扰能力差，定位精度不高，检测人员的熟练程度影响大。
主动声源地下管道探测法是应用于非金属材质的地下管道较为普遍的方法技术，其工作原理是利用发射控制机驱动气体振动器通过放散阀或者调压箱对燃气管道施加特殊频率声波振动信号，使管道中的天然气产生特殊调制的振荡波信号，并沿管道定向传播至远端，该声波振动信号在管道压力气体中定向传播的同时，通过管壁和上覆盖层介质立体传播至地面；工作人员佩戴耳机听音器在管道上方地面上采集音频信号确定管道的位置。
主动声源探测法采用复合特殊频率的声波信号为主动信号源，主动信号具有强识别性和辨识度，不易受到人为因素及周边其他管线影响，使得探测结果准确率有所提高。但是这种方法目前仅利用声波分贝强度进行定位，存在效率低、检出率低、特别是无法确认目标管道的深度等缺点，仍属于定性检测方法。
城市非金属管道探测环境错综复杂，干扰信号强度较大；当目标管道尺寸大小、方位及电磁效应强度等多种不确定因素综合影响下，地球物理探测异常强度甚是微弱，导致定位精度极其有限。基于连续的主动声源激发条件下，地面地震波检波器接收的信号与激发信号并不同步，使得从地面接收信号提取由管道返回的震动信号极为困难；其次，接收信号同时包含地面直接传播的地震波信号，导致原本就甚是混杂的震动异常信号更难以区分。由于与传统的地下场源定位位置不同，基于主动声源激发条件、地震检波器接收管道返回震动信号进行定位计算方法需要重新推导研发。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)非地球物理探测类地下燃气管道定位技术主要靠人为开挖验证为主，定位过程耗费人力物力，效率低且成本昂贵，无法满足高效、低成本的城市地下燃气管道定位需求。
(2)常用的地球物理电磁类、地震类地下燃气管道定位技术对探测管道目标体尺寸要求较大，非金属材质燃气管道为惰性材质，不导电、不导磁，使得电磁信号微弱；非主动震源地震信号具有现场布线难度大、工作效率低、干扰信号复杂、探测精度低等缺点。
目前，基于主动声源的地下非金属燃气管道探测主要以人工佩戴耳机，采用管道返回地面的声音进行定性确定地面的位置，但无法定量确定管道深度。
当前地下燃气管道定位领域还未见有针对主动声源的地下非金属燃气管道定位装置的定量研究报道，因此迫切需要开发一种创新性主动声源定位装置，用以对复杂城市工区地下非金属燃气管道定位。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置。
本实用新型是这样实现的，一种基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置设置有：
声源发射机、振动器和微动探测器；
所述声源发射机通过连接线路与振动器连接，所述振动器设置于地面上侧的阀井井口位置；
所述微动探测器设置有一个固定微动探测器和多个可移动微动探测器，固定微动探测器布置于阀井中外通燃气管道方向的地面处，可移动微动探测器布置在管道定位区域。
进一步，所述振动器连接有放散阀和调压箱。
进一步，所述振动器连接有法兰盘接口、低压放散口或接口、PE球阀法兰放散口。
进一步，所述可移动微动探测器针对每一个定位点位组成一组观测系统，观测系统采用多重圆、直线型、L线型、三角型或不规则型布置。
进一步，各个可移动微动探测器间距为0.5～1m。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本实用新型所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一，本实用新型采用声源发射机、振动器对燃气管道施加可选频率声波振动信号，使管道中的天然气产生振荡波信号，并沿管道定向传播至远端，该高幅值的声波振动信号在管道压力气体中定向传播的同时，通过管壁和上覆盖层介质立体传播至地面，因而可极大提高地面接收的振动信号幅值，抗噪能力强。
本实用新型基于地面微动探测器接收的振动信号，提取地下非金属燃气管道返回的振动信号，拾取管道振动信号传播至不同位置微动探测器的时间；根据不同位置接收点的时间差，实现高精度、高效定量的地下非金属燃气管道定位。
本实用新型填补了基于主动声源的地下非金属燃气管道定量定位装置的空白，将为不同铺设环境的地下燃气管道探测、城市涉管道区域安全环保施工以及地下燃气管网的健康、高效运行提供技术保障。
本实用新型将微动探测理论与当前基于主动声源地下非金属燃气管道定位紧密的结合在一起，充分发挥了二者在各自领域中的优势，将高效的微动探测理论集成在传统的地下非金属燃气管道定位应用中。
与现有技术相比，本实用新型采用连续时间采样间隔进行直接接收振动信号，在定位管道内产生稳定的、传播距离较远的较高强度振动信号，抗噪能力强，接收信号分辨率高。针对地下非金属燃气管道定位，可填补地下非金属燃气管道定量定位的空白。该地下非金属燃气管道定位装置通过推广，将为不同铺设环境的地下燃气管道探测、城市涉管道区域安全环保施工以及地下燃气管网的健康、高效运行提供技术保障。
第二，本实用新型通过设计合理的基于主动声源观测系统，针对当前主动声源或有源声源无法定量定位、定深问题，提出基于地震波动的地下非金属燃气管道定位装置，将为不同铺设环境的地下燃气管道探测、城市涉管道区域安全环保施工以及地下燃气管网的健康、高效运行提供技术保障。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的实验接收振动信号图；
图中：1、声源发射机；2、振动器；3、固定微动探测器；4、可移动微动探测器；5、直线型观测系统；6、地下非金属燃气管道；7、地面。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型实施例提供的基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置包括声源发射机1、振动器2和微动探测器；
声源发射机1通过连接线路与振动器2连接，所述振动器2设置于地面上侧的阀井井口位置；
所述微动探测器设置有一个固定微动探测器3和多个可移动微动探测器4，固定微动探测器3布置于阀井中外通燃气管道方向的地面处，可移动微动探测器4布置在管道定位区域。
本实用新型实施例中的振动器2连接有放散阀和调压箱。
本实用新型实施例中的振动器2连接有法兰盘接口、低压放散口或接口、PE球阀法兰放散口。
本实用新型实施例中的可移动微动探测器4针对每一个定位点位组成一组观测系统，观测系统采用多重圆、直线型、L线型、三角型或不规则型布置。各个可移动微动探测器4间距为0.5～1m。
该定位装置通过放散阀或者调压箱接口对地下非金属燃气管道6施加可选频率声波振动信号，使地下非金属燃气管道6中的天然气产生振荡波信号，并沿地下非金属燃气管道6定向传播至远端，该声波振动信号在地下非金属燃气管道6压力气体中定向传播的同时，通过管壁和上覆盖层介质立体传播至地面7；采用固定微动探测器3、可移动微动探测器4进行连续振动信号接收。
根据地面微动探测器接收的振动信号，提取地下非金属燃气管道6返回的振动信号，拾取管道振动信号传播至不同位置微动探测器的时间；根据不同位置接收点的时间差，以定位管道点的坐标，上覆盖层介质振动波传播速度及管道激发点至定位点的传播时间为未知量，构建并求解方程组，获取管道定位点坐标、上覆盖层介质振动波传播速度、管道激发点至定位点的传播时间，实现地下非金属燃气管道6定量定位的目的。
图中：1、声源发射机；2、振动器；3、固定微动探测器；4、可移动微动探测器；5、直线型观测系统；6、地下非金属燃气管道；7、地面。
本实用新型提供的基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置的使用方法包括：
步骤一，确定用于声源发射机1、振动器2的连接口，选择合适尺寸的接头，连接声源发射机1、振动器2；在地面声源发射机1连接振动器2的井口布置一个固定微动探测器3，确定地下非金属燃气管道6垂直段和水平段距离总和L、在管道定位点P及按直线型系统布置1-5编号的可移动微动探测器4；
步骤二，启动所有微动探测器，进行连续振动信号接收；开启声源发射机1驱动振动器2，通过放散阀或者调压箱对燃气管道施加可选频率声波振动信号，使地下非金属燃气管道6中的天然气产生振荡波信号，并沿地下非金属燃气管道6定向传播至远端，该声波振动信号在管道压力气体中定向传播的同时，通过管壁和上覆盖层介质立体传播至地面；地面微动探测器接收来自地下返回的振动信号；
步骤三，根据地面微动探测器接收的振动信号，提取地下非金属燃气管道6返回的振动信号，拾取管道振动信号传播至不同位置微动探测器的时间；根据不同位置接收点的时间差，以定位管道点的坐标，上覆盖层介质振动波传播速度及管道激发点至定位点的传播时间为未知量，构建并求解方程组，获取管道定位点坐标、上覆盖层介质振动波传播速度、管道激发点至定位点的传播时间。
为了证明本实用新型的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
本实用新型可以应用于搭载基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置的非金属燃气管道定位设备。
使用本实用新型对PE燃气管道模型进行定位时，首先预埋PE燃气管道模型，其管道直径Φ为0.2cm，管道定位点位P顶面埋深为0.7m；管道的垂直段和水平段长度总和为4.2m，PE燃气管道振动波传播速度为2388m/s，理论计算管道中振动波传播时间为Tp＝0.00178s；根据P点位置，布置1-5号可移动微动探测器4，P点(xp,yp,zp)及5个可移动微动探测器5空间坐标(xi,yi,zi)；管道上方覆盖层介质速度为260m/s；声源发射机1频率选择为400Hz；微动探测器连续采样时间间隔为0.25ms。启动所有微动探测器，进行连续振动信号接收；开启发射控制机驱动气体振动器，通过放散阀或者调压箱对燃气管道施加可选频率声波振动信号，地面微动探测器接收来自地下返回的振动信号，经过带通滤波提取管道返回地面振动信号如图2所示，可见，不同位置微动探测器接收了管道返回的振动信号。通过图2读取振动波起跳时间，并将可移动微动探测器4时间减去固定微动探测器3时间求得ΔT1＝0.0081s、ΔT2＝0.0051s、ΔT3＝0.0045s、ΔT4＝0.0065s、ΔT5＝0.0099s；将5个可移动微动探测器4空间坐标(xi,yi,zi)和上述时间差代入方程组(3)，求解得到v＝260.01m/s、Tp＝0.0018s；再将求解的v和Tp代入方程组(4)，求解得到x＝-2.48m、y＝-2.49m、z＝-0.71m，本实用新型可准确定量的定位地下非金属燃气管道。
在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置，其特征在于，所述基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置设置有：
声源发射机、振动器和微动探测器；
所述声源发射机通过连接线路与振动器连接，所述振动器设置于地面上侧的阀井井口位置；
所述微动探测器设置有一个固定微动探测器和多个可移动微动探测器，固定微动探测器布置于阀井中外通燃气管道方向的地面处，可移动微动探测器布置在管道定位区域。
2.如权利要求1所述的基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置，其特征在于，所述振动器连接有放散阀和调压箱。
3.如权利要求1所述的基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置，其特征在于，所述振动器连接有法兰盘接口、低压放散口或接口、PE球阀法兰放散口。
4.如权利要求1所述的基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置，其特征在于，所述可移动微动探测器针对每一个定位点位组成一组观测系统，观测系统采用多重圆、直线型、L线型、三角型或不规则型布置。
5.如权利要求4所述的基于主动声源的地下非金属燃气管道定位装置，其特征在于，各个可移动微动探测器间距为0.5～1m。
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