本發(fā)明涉及凍土工程設(shè)備檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于聲波反射的凍土地區(qū)熱管工質(zhì)液面檢測裝置。

背景技術(shù)：

凍土是指具有負溫和含冰的土體和巖石，我國凍土面積主要分布在青藏高原，東北大、小興安嶺和天山、阿爾泰山等地區(qū)。隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的不斷加快，這些特殊地區(qū)在不斷興建各種交通設(shè)施，如青藏公路、青藏鐵路等國家重大項目。

由于多年凍土和厚層地下冰的存在，使得多年凍土區(qū)輸電線路塔基基礎(chǔ)穩(wěn)定性具有極大的不確定性：隨著外界環(huán)境的變化，凍土中冰體的融化會導(dǎo)致塔基基礎(chǔ)的快速弱化，對塔基的安全運營和長期穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。為避免該種影響，通常會在塔基周圍布設(shè)一定數(shù)量的熱管從而維護塔基的穩(wěn)定性。

熱管一種汽、液兩相對流循環(huán)的導(dǎo)熱系統(tǒng)，它是一根密封真空的鋼管，里面充填了極易揮發(fā)的液態(tài)和氣態(tài)工作介質(zhì)（如氮、氟里昂、丙烷、co2等），上端為安裝有散熱片的散熱段，下端為吸熱段。應(yīng)用時，將熱管的吸熱段插入需要降溫的凍土。在冬季當環(huán)境溫度即散熱段的溫度低于地下吸熱段溫度的時候，熱管開始工作處于導(dǎo)熱狀態(tài)，將地基土中的熱量不斷散發(fā)出去而使土體冷卻。

可見，熱管在制作、安裝和使用過程中的任何微小瑕疵或受損都會導(dǎo)致內(nèi)部工質(zhì)泄漏，進而影響熱管的工作效能甚至報廢。因此，檢測熱管工作狀況是否正常是一項重要工作。現(xiàn)有的檢測手段通常都是采集熱管處于導(dǎo)熱狀態(tài)下的溫度、熱流等工況數(shù)據(jù)，進而根據(jù)這些工況數(shù)據(jù)判斷熱管是否異常?；诖?，本發(fā)明另辟蹊徑提出一種無需熱管工作也能判斷熱管是否異常的新手段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于聲波反射的凍土地區(qū)熱管工質(zhì)液面檢測裝置，實現(xiàn)對熱管工質(zhì)液面位置相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，為判斷熱管是否發(fā)生泄漏提供依據(jù)。

熱管工作的基本條件為在內(nèi)部真空條件下充填用于相變、傳熱過程的工作工質(zhì)。如果由于各種原因?qū)е乱讚]發(fā)工質(zhì)的散失，熱管則無法工作。那么，檢測熱管內(nèi)部的工質(zhì)液量的多少是一條有效的檢測途徑。

為解決現(xiàn)有問題，本發(fā)明所述的一種基于聲波反射的凍土地區(qū)熱管工質(zhì)液面檢測裝置，其特征在于：該檢測裝置包括設(shè)在熱管散熱段頂端的聲波發(fā)射機構(gòu)、設(shè)在所述熱管散熱段底部的聲波接收機構(gòu)以及與這兩者均相連的數(shù)據(jù)存儲器；

所述聲波發(fā)射機構(gòu)用于發(fā)射在所述熱管的內(nèi)部空間中垂直向下傳播的縱向聲波和在所述熱管的管壁上來回反射向下傳播的橫向聲波，并將所發(fā)射聲波的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至所述數(shù)據(jù)存儲器；所述縱向聲波和所述橫向聲波的頻率相同；

所述聲波接收機構(gòu)用于接收并識別直達的縱向聲波和直達的橫向聲波以及所述縱向聲波經(jīng)由工質(zhì)液面反射而向上散射的聲波，并將所接收聲波的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至所述數(shù)據(jù)存儲器；

所述數(shù)據(jù)存儲器用于記錄和保存來自所述聲波發(fā)射機構(gòu)和所述聲波接收機構(gòu)的數(shù)據(jù)，以便技術(shù)人員取出并對其進行分析得到所述熱管中工質(zhì)液面的具體位置；

其中，所述發(fā)射聲波的相關(guān)數(shù)據(jù)至少包括各發(fā)射聲波的種類標識和發(fā)射時間，所述接收聲波的相關(guān)數(shù)據(jù)至少包括各接收聲波的種類標識和接收時間。

優(yōu)選地，所述聲波發(fā)射機構(gòu)包括使用時倒扣于所述熱管散熱段頂端的u型中空外殼，設(shè)在所述外殼內(nèi)部上側(cè)的縱向聲波發(fā)射器以及對稱設(shè)在所述外殼內(nèi)部兩側(cè)的橫向聲波發(fā)射器；所述縱向聲波發(fā)射器的發(fā)射頭正對所述熱管散熱段頂端，所述橫向聲波發(fā)射器的發(fā)射頭與所述熱管的管壁呈一定夾角，該夾角大于0°小于90°；所述縱向聲波發(fā)射器和所述橫向聲波發(fā)射器將各自的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至所述數(shù)據(jù)存儲器。

優(yōu)選地，所述縱向聲波發(fā)射器和所述橫向聲波發(fā)射器均為變頻聲波發(fā)射器。

優(yōu)選地，所述聲波接收機構(gòu)包括環(huán)狀的聲波接收層和設(shè)在所述聲波接收層內(nèi)側(cè)并突出的聲波接收柱；其中，所述聲波接收柱用于接收直達的縱向聲波及其經(jīng)由工質(zhì)液面反射向上的聲波并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至所述數(shù)據(jù)存儲器；所述聲波接收層用于接收直達的橫向聲波并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至所述數(shù)據(jù)存儲器。

優(yōu)選地，所述聲波接收機構(gòu)還包括圍設(shè)在所述聲波接收層外側(cè)及上側(cè)的抗干擾層。

優(yōu)選地，所述環(huán)狀的聲波接收層和所述抗干擾層均為兩支半圓形組合而成的結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述縱向聲波和所述橫向聲波之間能夠相互替換。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明中聲波發(fā)射機構(gòu)在熱管頂部發(fā)射的縱向聲波在熱管內(nèi)部空間中直接向下傳播，橫向聲波由于發(fā)射時存在一定角度使其在熱管的管壁上來回反射向下傳播，這兩種聲波頻率相同，聲波接收機構(gòu)接收并識別直達的縱向聲波和直達的橫向聲波以及縱向聲波經(jīng)由工質(zhì)液面反射而向上散射的聲波，后期利用聲波的收發(fā)時間以及橫向聲波的發(fā)射角度、熱管直徑等數(shù)據(jù)能夠計算出工質(zhì)液面在熱管中的位置，將其與廠家出廠時標定的工質(zhì)位置進行對比，判斷熱管是否發(fā)生泄漏以及判斷熱管的工作狀況。

、本發(fā)明在熱管停止工作處于靜止狀態(tài)時使用，無需熱管工作即可對其進行檢查，可以在白天或天氣比較好的時間進行檢測，檢測效率高且保障了技術(shù)人員的安全。

、基于上述優(yōu)點，本發(fā)明聲波接收機構(gòu)進一步包括聲波接收柱和聲波接收層，凸起的聲波接收柱負責接收直達的縱向聲波及其經(jīng)由工質(zhì)液面反射向上的聲波，聲波接收層負責接收直達的橫向聲波，即縱橫聲波分開接收，保證了檢測數(shù)據(jù)的準確度。另外，在聲波接收層上還設(shè)有半包裹形式的抗干擾層，保證接收到的聲波信號只來自熱管，從而避免干擾信號，進一步保證了檢測數(shù)據(jù)的準確度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1為本發(fā)明在使用時與被測熱管的相對位置示意圖。

圖2為圖1中聲波發(fā)射機構(gòu)1的橫斷面立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖1中聲波接收機構(gòu)2的縱斷面示意圖。

圖中：1—聲波發(fā)射機構(gòu)，2—聲波接收機構(gòu)，3—縱向聲波發(fā)射器，4—橫向聲波發(fā)射器（4），5—聲波接收柱，6—聲波接收層，7—抗干擾層，8—數(shù)據(jù)存儲器。

具體實施方式

如圖1所示，一種基于聲波反射的凍土地區(qū)熱管工質(zhì)液面檢測裝置（以下簡稱檢測裝置），該檢測裝置具體包括聲波發(fā)射機構(gòu)1、聲波接收機構(gòu)2以及與這兩者均相連的數(shù)據(jù)存儲器8，數(shù)據(jù)存儲器8用于記錄和保存來自聲波發(fā)射機構(gòu)1和聲波接收機構(gòu)2的數(shù)據(jù)（即工質(zhì)液面的位置相關(guān)數(shù)據(jù)），以便技術(shù)人員取出并對其進行分析得到熱管中工質(zhì)液面的具體位置。

使用時，聲波發(fā)射機構(gòu)1設(shè)在熱管散熱段頂端，其能夠發(fā)射在熱管的內(nèi)部空間中垂直向下傳播的縱向聲波和在熱管的管壁上來回反射向下傳播的橫向聲波，并將所發(fā)射聲波的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲器8；其中，縱向聲波和橫向聲波的頻率相同，通過聲波的橫縱進行區(qū)分。垂直向下的聲波會在工質(zhì)液面產(chǎn)生反射，產(chǎn)生回波；由于發(fā)射時存在一定角度（大于0°小于90°），橫向聲波會在熱管壁上來回反射傳播。

可以理解的是，上述縱向聲波和橫向聲波可以互換，也就是說，聲波發(fā)射機構(gòu)1發(fā)射的垂直向下傳播的聲波可以是橫向波，相應(yīng)地，發(fā)射的來回反射向下傳播的聲波是縱向波，當然，聲波接收機構(gòu)2這邊相應(yīng)變換一下即可，這樣的變換等同屬于本申請的保護范圍。

聲波接收機構(gòu)2套裝在熱管散熱段底部且與地面緊貼，熱管中工質(zhì)液面位置通常都是低于地面的，這個地表位置的設(shè)定，可以有效避免金屬管與地表接觸位置產(chǎn)生的回波干擾，聲波接收機構(gòu)2能夠接收并識別直達的縱向聲波和直達的橫向聲波以及縱向聲波經(jīng)由工質(zhì)液面反射而向上散射的聲波，并將所接收聲波的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲器8。

其中，發(fā)射聲波的相關(guān)數(shù)據(jù)至少包括各發(fā)射聲波的種類標識和發(fā)射時間等信息，接收聲波的相關(guān)數(shù)據(jù)至少包括各接收聲波的種類標識和接收時間等信息，種類標識包括橫波和縱波，用于后期區(qū)分橫縱波，收發(fā)時間用于后期計算各路徑的傳播時間。

由于熱管內(nèi)部直徑、橫向聲波的發(fā)射角度已知，故可以通過橫向聲波從發(fā)射到接收的傳播路徑及時間計算出橫向聲波在熱管中的傳播速度，由于橫縱兩種聲波頻率相同，兩種聲波在熱管中的傳播速度相同，這樣再算出縱向聲波從發(fā)射到遇工質(zhì)發(fā)生反射之間的時間，速度與時間相乘即可得到工質(zhì)液面到熱管頂部的距離。另外，可以使兩個收發(fā)機構(gòu)之間計時并聯(lián)同步，便于后期快速準確計算出工質(zhì)液面位置。

進一步地，參考圖2，上述聲波發(fā)射機構(gòu)具體包括使用時倒扣于熱管散熱段頂端的u型中空外殼，設(shè)在外殼內(nèi)部上側(cè)（倒u型的上側(cè)）的縱向聲波發(fā)射器3以及對稱設(shè)在外殼內(nèi)部兩側(cè)的橫向聲波發(fā)射器4?？梢岳斫獾氖牵v向聲波發(fā)射器3用于發(fā)射縱向聲波，其發(fā)射頭正對熱管頂部；橫向聲波發(fā)射器4用于發(fā)射橫向聲波，其發(fā)射頭與熱管壁存在一定夾角，該夾角大于0°小于90°；當然，這兩個聲波發(fā)射器都會將各自的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲器8。

在實際應(yīng)用中，縱向聲波發(fā)射器3和橫向聲波發(fā)射器4可以均為變頻聲波發(fā)射器，能夠發(fā)出100~1000hz中任意頻段的聲波；利用不同頻率的聲波進行多次檢測，通過對多次檢測數(shù)據(jù)的比對和分析能夠提高確定工質(zhì)液面位置的準確度。

進一步地，參考圖3，上述聲波接收機構(gòu)2具體包括環(huán)狀的聲波接收層6和設(shè)在聲波接收層6內(nèi)側(cè)并突出的聲波接收柱5，兩者均為高靈敏度聲波傳感器，可以接收到微弱的不同頻段的聲波信號，將其緊貼在熱管外壁上可以準確檢測熱管內(nèi)部傳出的聲波信號；其中，聲波接收柱5用于接收直達的縱向聲波及該縱向聲波經(jīng)由工質(zhì)液面反射向上的聲波并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲器8；聲波接收層6用于接收直達的橫向聲波并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲器8。

另外，為避免外界聲音對檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，聲波接收機構(gòu)2還包括圍設(shè)在聲波接收層6外側(cè)及上側(cè)的抗干擾層7，只露出聲波接收層6內(nèi)側(cè)和下側(cè)以及其內(nèi)側(cè)的聲波接收柱5。環(huán)狀的聲波接收層6和抗干擾層7可以均為兩支半圓形組合而成的結(jié)構(gòu)，方便套裝于熱管外壁。

上述檢測裝置在使用時，先將形狀為u型的聲波發(fā)射機構(gòu)1倒扣于熱管頂端，保證其與熱管緊密接觸，使整個u型結(jié)構(gòu)發(fā)出的聲波可以盡可能多的從熱管頂端進入；然后將兩支半圓形的聲波接收機構(gòu)2組合在一起緊卡在熱管外壁，保證最內(nèi)層的聲波接收柱5緊貼在熱管外壁上與其充分接觸，將整個接收機構(gòu)放置于熱管散熱端底部的地面上。此時調(diào)節(jié)聲波發(fā)射機構(gòu)1中兩個發(fā)射器的發(fā)射頻率，直至聲波接收柱5和聲波接收層6均能接收到清晰穩(wěn)定的聲波信號為止；讓檢測裝置自行運行，最后從數(shù)據(jù)存儲器8中提取數(shù)據(jù)進行后期分析即可。

綜上可以看出，本發(fā)明檢測裝置中，聲波發(fā)射機構(gòu)1采用了縱向和橫向的變頻聲波發(fā)射器，能夠發(fā)出不同方向、不同頻率的聲波，從而保證聲波可以沿不同路徑到達熱管工質(zhì)液面，并被其反射到達聲波接收機構(gòu)2；聲波接收機構(gòu)2采用兩套接收器，橫縱波分開接收，且采用了抗干擾的半包裹形式，只露出接收層最內(nèi)側(cè)和下側(cè)以及聲波接收柱5，其余部位均被抗干擾的隔音材料包裹，保證接收到的聲波信號只來自熱管，從而避免干擾信號。這一系列措施使得檢測數(shù)據(jù)的精確性得以保證。