基于反馈和光纤传感的管路振动自动监测及控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种管路自动监测及控制领域，基于反馈和光纤传感的管路振动自动 监测及控制装置。
【背景技术】
[0002] 船舶管路振动问题有着广阔的工程背景，是船舶机舱安全性能的重要影响因素。 伴随经济建设迅猛发展，复杂的管路网络系统应用于诸多领域。由于液体压力脉动和管壁 结构振动两种因素存在于输流管系中，以及流固耦合作用的存在，都将成为管系形成振动 噪声的重要因素，轻则影响人们的工作学习生活环境，重则导致设备损坏、管系破裂，极易 诱发燃烧、爆炸等重大事故，会给人民生产生活带来巨大损失，人们已经高度重视管系的振 动问题。大型船舶机舱内部拥有非常复杂的管路布置，在其航行过程中，机舱中各类管系承 担着全船油、水、气等各类流体的输运任务，高温、高压的工作环境中，一旦管系出现破损， 将对船舶安全构成严重威胁。以主机燃油供给管系为例，一旦出现燃油泄露，不但极易引起 机舱火灾、爆炸，而且将造成主机燃油供给异常，严重情况下将导致船舶丧失动力，造成严 重海难事故发生。因此，必须运用合理有效的方法，进行管路监测与诊断。
[0003] 常用的动态测量振动信号测试技术主要由三部分组成：振动测量与数据采集、 振动动态信号分析、机械结构动态特性试验。I960年后快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation)使计算离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform)的复数乘法次数 提高幅度较大，从而计算量大幅降低，促使数字信号处理水平不断提高，有效推动了振动测 试技术快速投入工程实践应用。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是：提供一种基于反馈和光纤传感的管路振动自动监测 及控制装置，实现对管路振动的监测和控制。
[0005] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于反馈和光纤传感的管 路振动自动监测及控制装置，其特征在于：它包括沿管路依次设置的常开电磁阀、电动比例 调节阀、流量计，以及铺设在管壁的光纤光栅振动传感器，它还包括信息综合处理系统，信 息综合处理系统接收光纤光栅振动传感器传递的振动信号、流量计的流量信号和电动比例 调节阀的溢流信号，对信号进行处理后发出控制指令给电动比例调节阀调节流量或关闭常 开电磁阀。
[0006] 按上述方案，它还包括与信息综合处理系统连接的显示屏。
[0007] 按上述方案，它还包括与信息综合处理系统连接的报警装置。
[0008] 按上述方案，所述的光纤光栅振动传感器布置在管路的弯曲处和阀门作用处。
[0009] 按上述方案，在管路中的阀门作用处之后设有由所述信息综合处理系统控制开关 的支路。
[0010] 本发明的有益效果为：通过采用本发明装置能够实现对管路振动的监测和控制。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明一实施例的结构示意图。
[0012] 图2为管路中流量引起振动的示意图，（1)为阀门作用处，⑵为弯曲处。
[0013] 图中：1.常开电磁阀，2.电动比例调节阀，3.流量计，4.光纤光栅振动传感器， 5.信息综合处理系统，6.显示屏，7.管道流入端面，8.截面缩短端面，9. U形管，10.弯曲管 道流入端面，11.弯曲管道流出端面。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
[0015] 如图1所示，一种基于反馈和光纤传感的管路振动自动监测及控制装置，它包括 沿管路依次设置的常开电磁阀1、电动比例调节阀2、流量计3,以及铺设在管壁的光纤光栅 振动传感器4,它还包括信息综合处理系统5,信息综合处理系统5接收光纤光栅振动传感 器4传递的振动信号、流量计3的流量信号和电动比例调节阀2的溢流信号，对信号进行处 理后发出控制指令给电动比例调节阀2调节流量或关闭常开电磁阀1。
[0016] 本发明的工作原理为：管路中的液体依次经过常开电磁阀1、电动比例调节阀2和 流量计3,信息综合处理系统5根据流量计采集的流量大小和光纤光栅振动传感器4传递的 振动信号计算振动量，来控制电动比例调节阀2进而控制液体流量，若流量超过电动比例 调节阀2的限度值，则电动比例调节阀2发出溢流信号给信息综合处理系统5,然后由信息 综合处理系统5发送指令关闭常开电磁阀1以保护管路。
[0017] 优选的，光纤光栅振动传感器布置在管路的弯曲处和阀门作用处。因为动力设备 向外输送流体的过程中，受动力设备内对流体部件的扰动以及在管路上形成湍流，空化现 象，使得管路产生振动。
[0018] 图2(1)为管道变截面平均流速与流量的研究：由电磁流量计测得管道内液体的 流量：
[0019] 式中，Q为管道内液体的流量，Al为管道流入端面7的面积，A2为截面缩短端面8 的面积，r是被测液体重度，r'是U形管9内的液体重度，Cd为流量修正系数，h为U形管 9内液面高度差。
根据连续性方程VlAl = V2A2,以及伯努利方程 :(式中Pl为管道流入端面7处压力，P2为截面缩短 端面8处的压力，Vl为管道流入端面7处的流速，V2为截面缩短端面8处的流速，Zl为管 道流入端面7相对于选定基准平面的高度，Z2为截面缩短端面8相对于选定基准平面的高 度，g为重力加速度），得到管道流入端面7和截面缩短端面8的平均流速。流速的变化直 接影响管道固有频率的变化，随着流速增加，管道的固有频率降低。
[0021] 图2(2)为弯曲管道所受压力的研究（压力是引起管道振动的重要因素，此计算是 从流体动量方程的角度来量化压力，计算出压力具体数值）：在单位时间内，动量变化与封 闭体内的动量变量相等。
[0022] 式中P为液体密度，V为液体速度，V3为弯曲管道流入端面10处的流体速度，V4 为弯曲管道流出端面11处的流体速度，σ为面积，A3为弯曲管道流入端面10面积，A2为 弯曲管道流出端面11面积，F为管道受力，η为外法线方向。
[0023] 当采集计算得到管道弯曲处压力信号，作傅立叶变换和功率谱分析。
[0024] 由信号分析理论知，脉冲激励即单位冲激函数σ (t)其傅立叶变换：
[0025]
(1)，
[0026] 由脉冲函数的抽样性质可知上式右边的积分是1，所以单位脉冲函数的频谱等于 常数。当激励频率与系统的固有频率相近时，系统会发生共振，而当脉冲力作用于系统时， 会激起管道的各阶响应，通过分析其响应信号，即可得到管道的各阶频率。
[0027] 由于管路的弯头、阀门等具有通道面积突变和流道方向突变特征的结构都是诱发 振动的部位，因而将光纤振动检测系统放在管路弯曲处，阀门作用点，用以检测振动频率、 振幅最大值。信息综合处理系统计算出振动点的频率、强度及位置信息，并将此信息传输到 最后处理系统中的信号处理器中，经过数据分析系统在显示器上显示频谱分析结果，同时 数据送入数据存储单元中储存。
[0028] 进一步优选的，增加多条由所述信息综合处理系统控制开关的支路管道，相当于 一个消振元件，用以扰乱主管道固有频率，能够极为有效的减弱振动，且全部设置在阀门及 其元件后面，优化了系统管道结构配置，比起增加消振元件，既能减振，又节约了成本。
[0029] 本实施例中，优选的采用了电磁流量计，根据法拉第电磁感应定律进行流量测量 的流量计。在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下 两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压。管道内部 的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现与 流体和测量电极的电磁隔离。同时在电磁流量计的内衬上加涂耐腐蚀、抗结垢的材料，减缓 结垢，延长仪表的工作寿命。电磁流量计把信息反馈给信息综合处理系统，为其计算提供数 据支持。
[0030] 本实施例中，它还包括与信息综合处理系统连接的显示屏和报警装置。
[0031] 以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术 人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依 据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于反馈和光纤传感的管路振动自动监测及控制装置，其特征在于：它包括沿 管路依次设置的常开电磁阀、电动比例调节阀、流量计，以及铺设在管壁的光纤光栅振动传 感器，它还包括信息综合处理系统，信息综合处理系统接收光纤光栅振动传感器传递的振 动信号、流量计的流量信号和电动比例调节阀的溢流信号，对信号进行处理后发出控制指 令给电动比例调节阀调节流量或关闭常开电磁阀。2. 根据权利要求1所述的基于反馈和光纤传感的管路振动自动监测及控制装置，其特 征在于：它还包括与信息综合处理系统连接的显示屏。3. 根据权利要求1所述的基于反馈和光纤传感的管路振动自动监测及控制装置，其特 征在于：它还包括与信息综合处理系统连接的报警装置。4. 根据权利要求1所述的基于反馈和光纤传感的管路振动自动监测及控制装置，其特 征在于：所述的光纤光栅振动传感器布置在管路的弯曲处和阀门作用处。5. 根据权利要求1所述的基于反馈和光纤传感的管路振动自动监测及控制装置，其特 征在于：在管路中的阀门作用处之后设有由所述信息综合处理系统控制开关的支路。
【专利摘要】本发明提供一种基于反馈和光纤传感的管路振动自动监测及控制装置，其特征在于：它包括沿管路依次设置的常开电磁阀、电动比例调节阀、流量计，以及铺设在管壁的光纤光栅振动传感器，它还包括信息综合处理系统，信息综合处理系统接收光纤光栅振动传感器传递的振动信号、流量计的流量信号和电动比例调节阀的溢流信号，对信号进行处理后发出控制指令给电动比例调节阀调节流量或关闭常开电磁阀。通过采用本发明装置能够实现对管路振动的监测和控制。
【IPC分类】G05D7/06, G01H9/00
【公开号】CN105136273
【申请号】CN201510261480
【发明人】胡义, 张盛楠, 周泽新, 张洁楠, 刘佳, 刘斌
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年5月20日