專利名稱：管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集增強(qiáng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管道檢漏技術(shù)，尤其涉及一種管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集增強(qiáng)裝置。
背景技術(shù)：
在各類壓力輸送管道中，如供水、輸油和輸氣管道，由于各類人為或自然的原因， 管道泄漏時(shí)有發(fā)生，造成了大量的水、油和氣資源的浪費(fèi)，因此，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確定位這些管道泄漏情況，并采取措施補(bǔ)救。目前，采用聲信號(hào)處理方法的各類泄漏檢測定位設(shè)備在管道泄漏發(fā)現(xiàn)和定位中得到了廣泛應(yīng)用，比如聽音儀、數(shù)字相關(guān)儀等，這類設(shè)備應(yīng)用都是采用振動(dòng)(聲)傳感器獲取泄漏引起的管道振動(dòng)(聲)信號(hào)，對采集的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行泄漏檢測和泄漏點(diǎn)定位，分析提取多種信號(hào)特征，其中信號(hào)的相位和漏點(diǎn)定位直接聯(lián)系。管道泄漏引起的振動(dòng)信號(hào)將沿著管道以及管道埋設(shè)介質(zhì)(如土壤、沙石等)向遠(yuǎn)處傳播，因此，在地下管道的暴露處(如暴露的管道壁、管道間接口、閥門等)放置振動(dòng)傳感器來獲取管道振動(dòng)信號(hào)，目前廣泛應(yīng)用的檢測裝置中，對于金屬管道，通常將一個(gè)磁性座和傳感器連接在一起，磁性座可直接吸附在金屬管壁或閥門上，管道振動(dòng)通過磁性座傳播到振動(dòng)傳感器。磁性座的作用是保證整個(gè)振動(dòng)獲取裝置能與被測點(diǎn)良好接觸，保證管道振動(dòng)信號(hào)傳播到傳感器中。而對于非金屬管道，依靠傳感器本身的重力，和管壁緊密接觸。這樣，在傳感器采集管道振動(dòng)信號(hào)時(shí)，僅僅采集的是與傳感器或者傳感器座接觸部分管道的振動(dòng)， 在泄漏檢測和定位過程中，由于泄漏引起的振動(dòng)在管道中傳播越遠(yuǎn)，衰減越大，可能傳播到被檢測位置時(shí)，振動(dòng)可能已經(jīng)變得很微弱，而傳感器又僅僅只采集到非常有限區(qū)域的振動(dòng)， 這樣傳感器的輸出信號(hào)信噪比極低，使得檢測性能大為降低甚至不能檢測。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中存在的問題，發(fā)明人經(jīng)過潛心研究，提出了本發(fā)明的管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集增強(qiáng)裝置，即剛性變幅機(jī)構(gòu)一端為大端面，大端面與管道外壁或管道的閥門把手連接；剛性變幅機(jī)構(gòu)另一端為小端面，且小端面為平面，小端面與傳感器連接；無論是何種外形的剛性變幅機(jī)構(gòu)，其外形必須保證從大端面?zhèn)鞑サ叫〗佑|面的振動(dòng)(也可認(rèn)為是傳遞到傳感器上的)是疊加增強(qiáng)的，故須使剛性變幅機(jī)構(gòu)的橫截面面積，從小端面向大端面，按從小到大的方式變化。由于管道外壁和管道的閥門把手在外形上的差異，也就導(dǎo)致了本發(fā)明的剛性變幅機(jī)構(gòu)在對應(yīng)管道外壁和管道的閥門把手兩個(gè)位置時(shí)，也有兩種方案
1)剛性變幅機(jī)構(gòu)與管道外壁連接時(shí)，大端面為弧面，剛性變幅機(jī)構(gòu)的縱截面為軸對稱圖形，對稱軸為與大端面弧面的圓心軸垂直相交，且與小端面所在平面垂直的直線。此時(shí)， 剛性變幅機(jī)構(gòu)的橫截面面積大小，從小端面向大端面，按線性、指數(shù)或階梯的變化形式，從小到大逐漸變化。2)剛性變幅機(jī)構(gòu)與管道的閥門把手連接時(shí)，剛性變幅機(jī)構(gòu)外形為圓臺(tái)，圓臺(tái)的小
3端面與傳感器連接，圓臺(tái)的大端面與閥門把手的大端面連接。剛性變幅機(jī)構(gòu)與管道外壁、管道的閥門把手連接時(shí)，可將剛性變幅機(jī)構(gòu)綁扎在管道外壁或管道的閥門把手位置處，也可將剛性變幅機(jī)構(gòu)與金屬條一起圍繞管道外壁后用螺栓緊固；采用前述的連接方式需要外加綁縛工具，不利于裝置的拆/裝、移位，為此，發(fā)明人提出將剛性變幅機(jī)構(gòu)與管道外壁、管道的閥門把手之間采用磁性連接或者，剛性變幅機(jī)構(gòu)采用磁性材料制作(磁性材料本身就是聲信號(hào)的良導(dǎo)體)；考慮剛性變幅機(jī)構(gòu)整體采用磁性材料制作的成本太昂貴，還可以采用除磁性材料外的聲的良導(dǎo)體材料制作剛性變幅機(jī)構(gòu)， 在剛性變幅機(jī)構(gòu)底部大端面設(shè)置凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置永磁體，由永磁體來將剛性變幅機(jī)構(gòu)吸附在管道或閥門表面，且設(shè)置的永磁體個(gè)數(shù)為1個(gè)或1個(gè)以上，永磁體個(gè)數(shù)為1個(gè)以上時(shí)， 最好將永磁體設(shè)置在剛性變幅機(jī)構(gòu)上沿管道兩側(cè)的位置。剛性變幅機(jī)構(gòu)與管道外壁連接時(shí)，剛性變幅機(jī)構(gòu)沿管道軸向的厚度，此厚度小于在管道內(nèi)傳播的振動(dòng)波長的1/6。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是提供了一種管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集的新裝置，該裝置可將振動(dòng)匯聚后傳遞至傳感器，使傳感器的輸入增強(qiáng)，輸出信噪比提高，提高了管道泄漏檢測定位裝置的檢測性能，而且該裝置安裝、移動(dòng)方便。


圖1、橫截面成線性變化的剛性變幅機(jī)構(gòu)外形示意圖； 圖2、橫截面成指數(shù)變化的剛性變幅機(jī)構(gòu)外形示意圖3、橫截面成階梯變化的剛性變幅機(jī)構(gòu)外形示意圖； 圖4、圓臺(tái)形的剛性變幅機(jī)構(gòu)外形示意圖； 圖5、對管道外壁進(jìn)行檢測時(shí)剛性變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)置位置示意圖； 圖6、對閥門把手進(jìn)行檢測時(shí)剛性變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)置位置示意圖。
具體實(shí)施例方式事實(shí)上，垂直于管道徑向的平面和管道壁相交處各點(diǎn)的振動(dòng)是相同的，其相位是完全一致的，如果把管道壁各點(diǎn)的振動(dòng)進(jìn)行疊加，由于振動(dòng)同相，相互之間不會(huì)抑制抵消， 疊加的結(jié)果是振動(dòng)增強(qiáng)。如果能夠把這些點(diǎn)的振動(dòng)匯集起來進(jìn)行采集，就可以提高傳感器 2采集的信號(hào)能量，從而提高傳感器2輸出的信噪比。正是基于前述思路，發(fā)明人提出了本發(fā)明的裝置，本發(fā)明的剛性變幅機(jī)構(gòu)1實(shí)際上是一種應(yīng)變匯聚放大裝置，在剛性變幅機(jī)構(gòu)1中傳播的波，隨著垂直于波傳播方向的橫截面積由大到小變化，波的能量發(fā)生匯聚，具體到剛性變幅機(jī)構(gòu)1來說，其作用是匯聚剛性變幅機(jī)構(gòu)1的大端面的振動(dòng)位移或振幅，將振動(dòng)能量集中在小端面上，起聚能作用。大端面與管道外壁3或者與管道相連的其他裝置，如消防栓、閥門把手4等，相接觸，小端面和傳感器2相接，當(dāng)管道泄漏引起管道振動(dòng)時(shí)，與管道表面相接觸的大端面首先被激勵(lì)振動(dòng)起來， 由于與大端面接觸的管壁各點(diǎn)振動(dòng)相位是基本一致的，振動(dòng)同相，相互之間不會(huì)抑制抵消， 疊加在一起并逐漸匯聚到小端面并由傳感器2進(jìn)行采集，小端面區(qū)域的振動(dòng)相對于大端面區(qū)域得到了增強(qiáng)，從而使傳感器2的輸入信號(hào)得到增強(qiáng)。若設(shè)剛性變幅機(jī)構(gòu)1的大、小端面的面積比為N，大端面所感受的管道振動(dòng)幅度為A，則根據(jù)變幅機(jī)構(gòu)原理可知，在小端面處振動(dòng)幅度應(yīng)為gXA，其中g(shù)為幅度A被放大的倍數(shù)，且在理想條件下，g近似等于N，即在小端面處感受到的振動(dòng)幅度為大端面所感受到振動(dòng)幅度的g倍，這一增強(qiáng)了的振動(dòng)被傳遞到傳感器2，從而達(dá)到增強(qiáng)被測振動(dòng)信號(hào)的目的。為了更好地收集管道的振動(dòng)信號(hào)，理論上剛性變幅機(jī)構(gòu)1的大端面的面積越大越好，但同時(shí)應(yīng)該保證通過采集增強(qiáng)裝置傳播到傳感器2的振動(dòng)是疊加增強(qiáng)的，以及保證大端面的有效面積最大化，故，在采集管道外壁3處的振動(dòng)信號(hào)時(shí)，為了和管道外壁3密切貼合，剛性變幅機(jī)構(gòu)1的大端面為弧面，弧面的半徑和管道外壁3半徑一致或者基本一致，且剛性變幅機(jī)構(gòu)1的橫截面，從小端面向大端面，按從小到大的方式逐漸變化。前面分析了垂直于管道徑向的平面和管道壁相交處各點(diǎn)的振動(dòng)及相位是完全一致的，也即剛性變幅機(jī)構(gòu) 1與管道外壁3接觸處的弧面對信號(hào)的傳輸不但沒有負(fù)面影響，還反而能夠增大剛性變幅機(jī)構(gòu)1與管道外壁3的接觸面積，使接收信號(hào)的有效面積變大。參見圖1至3，圖1中所示剛性變幅機(jī)構(gòu)1的結(jié)構(gòu)，類似一個(gè)下表面為弧形面的梯形體，當(dāng)我們知道該梯形體的上、下底寬、梯形體的高以及弧形面的弧長后就可以計(jì)算出傳感器2接收到的振動(dòng)信號(hào)被增強(qiáng)的倍數(shù)。同理，圖2和圖3所示的剛性變幅機(jī)構(gòu)1的結(jié)構(gòu)，也可以通過相關(guān)計(jì)算得到傳感器2 接收到的振動(dòng)信號(hào)被增強(qiáng)的倍數(shù)。由于信號(hào)信噪比的大幅提高，可以使得后續(xù)的檢測靈敏度和定位精度也隨之提高。當(dāng)需要采集管道的閥門把手4處的振動(dòng)信號(hào)時(shí)，與采集管道外壁3處振動(dòng)信號(hào)時(shí)的裝置設(shè)置原則一樣，為了和閥門把手4密切貼合，剛性變幅機(jī)構(gòu)1的大端面為平面，為了盡量擴(kuò)大大端面的面積，此時(shí)將大端面設(shè)計(jì)成圓形，即整個(gè)剛性變幅機(jī)構(gòu)1成圓臺(tái)形，參見圖4，圓臺(tái)下底面面積與閥門把手4大端面面積相同或相似，這樣就既滿足了大端面的面積需要，又滿足了 “從小端面向大端面，按從小到大的方式逐漸變化”的原則。剛性變幅機(jī)構(gòu)1與管道外壁3連接時(shí)，剛性變幅機(jī)構(gòu)1沿管道軸向的厚度，理論上，此厚度越小則裝置輸出的信號(hào)效果越好；因?yàn)樵诠艿纼?nèi)傳播的振動(dòng)波，在同一截面處， 沿管道周向的振動(dòng)相位是相同的，而沿管道軸向不同截面處的相位之間存在差異(沿管道軸向連續(xù)分布的截面的相位是逐漸變化的，如果截面間的軸向距離相隔太大，相位間的差異也會(huì)隨之變大)，厚度太厚，裝置會(huì)將較多不同相位的振動(dòng)同時(shí)接收疊加而相互干擾，反而造成了輸出信號(hào)的效果降低；發(fā)明人提出的一種優(yōu)選方式為此厚度在滿足條件“小于在管道內(nèi)傳播的振動(dòng)波長的1/6”的前提下，只需保證裝置能在管道上平穩(wěn)放置就可以了， 這樣就能使裝置輸出信號(hào)的信噪比達(dá)到一個(gè)較好的效果了。剛性變幅機(jī)構(gòu)1與管道的閥門把手4連接時(shí)，不存在前述的厚度限制，其根據(jù)就是前面介紹的“管道內(nèi)傳播的振動(dòng)波，在同一截面處，沿管道周向的振動(dòng)相位是相同的”，而閥門把手4是圓盤式的，故傳遞到閥門把手4端面的振動(dòng)波的相位是相同的，不會(huì)出現(xiàn)較多不同相位的振動(dòng)被同時(shí)接收疊加而相互干擾的問題。圖5、6是兩種結(jié)構(gòu)的剛性變幅機(jī)構(gòu)1設(shè)置在管道上時(shí)的示意圖。
權(quán)利要求
1.一種管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集增強(qiáng)裝置，其特征在于它由剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)和傳感器(2)組成；其中，剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)一端為大端面，大端面與管道外壁(3)或管道的閥門把手(4)連接；剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)另一端為小端面，且小端面為平面，小端面與傳感器(2)連接；剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)的橫截面面積，從小端面向大端面，按從小到大的方式變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集增強(qiáng)裝置，其特征在于剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)與管道外壁(3)連接時(shí)，大端面為弧面，剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)的縱截面為軸對稱圖形，對稱軸為與大端面弧面的圓心軸垂直相交，且與小端面所在平面垂直的直線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集增強(qiáng)裝置，其特征在于剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)的橫截面面積大小，從小端面向大端面，按線性、指數(shù)或階梯的變化形式，從小到大逐漸變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集增強(qiáng)裝置，其特征在于剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)與管道的閥門把手(4)連接時(shí)，剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)外形為圓臺(tái)，圓臺(tái)的小端面與傳感器(2)連接，圓臺(tái)的大端面與閥門把手(4)的大端面連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集增強(qiáng)裝置，其特征在于剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)與管道外壁(3)、管道的閥門把手(4)之間采用磁性連接或者，剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)采用磁性材料制作；或者，剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)采用聲的良導(dǎo)體材料制作，在剛性變幅機(jī)構(gòu)(1) 的大端面設(shè)置凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置永磁體(5)，且設(shè)置的永磁體(5)個(gè)數(shù)為1個(gè)或1個(gè)以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集增強(qiáng)裝置，其特征在于剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)與管道外壁(3)連接時(shí)，剛性變幅機(jī)構(gòu)(1)沿管道軸向的厚度，此厚度小于在管道內(nèi)傳播的振動(dòng)波長的1/6。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集增強(qiáng)裝置，它由剛性變幅機(jī)構(gòu)和傳感器組成；其中，剛性變幅機(jī)構(gòu)一端為大端面，大端面與管道外壁或管道的閥門把手連接；剛性變幅機(jī)構(gòu)另一端為小端面，且小端面為平面，小端面與傳感器連接；剛性變幅機(jī)構(gòu)的橫截面面積，從小端面向大端面，按從小到大的方式變化。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是提供了一種管道泄漏振動(dòng)信號(hào)采集的新裝置，該裝置可將振動(dòng)匯聚后傳遞至傳感器，使傳感器的輸入增強(qiáng)，輸出信噪比提高，提高了管道泄漏檢測定位裝置的檢測性能，而且該裝置安裝、移動(dòng)方便。
文檔編號(hào)F17D5/06GK102182937SQ20111005470
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者文玉梅, 李平, 楊進(jìn) 申請人:重慶大學(xué)