一种基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置，包括数据采集模块、无线传输模块、信号频谱分析模块、声源定位模块和人机交互模块；数据采集模块包括贴附于对应炉管位置的锅炉炉墙外壁面的传感器阵列：在锅炉炉墙的不同外壁面分别布置传感器，同一水平截面上的四个传感器构成四元十字阵列；无线传输模块包括无线信号发射模块和无线信号接收模块；传感器阵列的输出端与无线信号发射模块相连；无线信号接收模块的输出端依次串接有信号频谱分析模块、声源定位模块和人机交互模块。根据传感器的有效接收距离与锅炉的高度，设置一层或多层所述传感器阵列。本实用新型设计合理、便携性好、实施简单，成本较低。
【专利说明】
一种基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于工业设备检测装置领域，特别是一种基于声学原理的便携式锅炉 管泄漏检测装置。
【背景技术】
[0002] 截至2011年我国拥有各种容量的在用锅炉共计62.03万台。锅炉的四管（水冷壁、 省煤器、过热器、再热器)泄漏是造成锅炉非计划停运的主要原因。传统的锅炉泄漏检测方 法是工作人员在现场巡视监听，或通过补水量的变化、压力温度等参数的改变进行分析判 断。此方法容易受到很大干扰且迟滞性很大，无法满足现场要求。而检漏装置由于可以探测 出微小的泄漏点，比人工方式可提早15天进行预警。因此国外在20世纪70年代研制出了锅 炉泄漏检测装置并投入运行，这时期的产品由传感器、前置放大器、电子间信号处理柜、主 控室显示组件等构成。到了20世纪90年代，由于电子微工业技术的发展，系统的集成度提 高，由传感器、前置放大器、主控室计算机显示系统等构成。目前海外拥有这项技术的国家 主要是英国、美国、南非等。
[0003] 我国20世纪80年代开始了电厂锅炉炉管检漏产品的研究但仍处于研究阶段。90年 代初期国内第一代检漏装置投入使用，该产品主要参照国外70年代末的同类产品进行设 计。在第一代的基础上，第二代产品不久研制成功并投入使用至今。其中典型代表有南京华 能中电电力有限公司的XLB型锅炉炉管泄漏自动报警装置、东北电力大学学院开发的BLD锅 炉承压管泄漏在线监测系统。
[0004] 我国锅炉泄漏检测设备研发时间较短，产品更新换代的周期也很长。现有产品较 初期设计变化不大:不仅探头数量众多（多达60-80个），而且系统含有大量铜质导线、工控 机、大型电子设备间，造成了高成本、高安装费用、低便携性的问题。 【实用新型内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于声学原理的 便携式锅炉管泄漏检测装置，实施简单，能够在不破坏炉墙，不进行大量施工的基础上，实 现对炉管泄漏的泄漏报警与漏点定位;结构新颖，便携性好，成本低。
[0006] 本实用新型的技术方案为：
[0007] -种基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置，包括数据采集模块、无线传输 模块、信号频谱分析模块、声源定位模块和人机交互模块；
[0008] 所述数据采集模块包括贴附于对应炉管位置的锅炉炉墙外壁面的传感器阵列:在 锅炉炉墙的不同外壁面分别布置传感器，同一水平截面上的四个传感器构成四元十字阵 列；
[0009] 同一水平截面，即同一层的四个传感器阵列构成四元平面十字阵列；即同一层上 炉墙不同侧面设有4个传感器测点，分别位于"十字"的四个端点；
[0010]根据锅炉本体的结构，将传感器贴附于对应着炉管位置的锅炉炉墙外壁面上，测 量准确；
[0011]无线传输模块包括无线信号发射模块和无线信号接收模块；
[0012]传感器阵列的输出端与无线信号发射模块相连;无线信号发射模块和无线信号接 收模块通信连接;无线信号接收模块的输出端依次串接有信号频谱分析模块、声源定位模 块和人机交互模块。
[0013] 传感器把声信号转换为电流信号，通过一体设计的前置信号处理装置(放大滤波 电路)进行信号的初步处理。接着由对称的无线信号发射、接收模块把信号传入便携式工控 机中，由主机中的信号频谱分析模块来确定是否发生了泄漏。若泄漏发生，立刻报警，与此 同时声源定位模块将给出声源(即泄漏点)具体位置。
[0014] 根据传感器的有效接收距离与锅炉的高度，在锅炉炉墙不同高度的水平截面上， 设置一层或多层所述传感器阵列;若锅炉较高可按照需要多设置几层，使得测量结果更加 准确。
[0015] 所述信号频谱分析模块、声源定位模块和人机交互模块均集成于便携式工控机 中。也可以采用独立的信号频谱分析模块、声源定位模块和人机交互模块。
[0016] 所述便携式工控机上还集成有声光报警模块。也可采用外部独立的声光报警模 块。
[0017] 所述无线信号发射模块和无线信号接收模块均包括单片机、无线通信芯片和增益 天线;增益天线与无线通信芯片相连，无线通信芯片与单片机相连。
[0018] 所述无线信号接收模块的单片机通过USB-232转接器与便携式工控机相连。
[0019] 所述无线通信芯片为串口传输的Nordic公司nRF24101芯片。nRF2401是单片射频 收发芯片，工作于2.4~2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和 调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。其串口的应用非常简单，并 且传送的效率很高，标称速率就是实际速率。
[0020] 锅炉炉内复杂的随机噪声信号被声音传感器采集，经过与传感器设计一体的前置 信号处理装置进行信号的初步处理，再经由单片机控制的无线发射模块将数字信号发送出 去。以上几个步骤都是在测点附近完成的。监测室内无线接收模块对现场声音信号进行接 收，通过单片机和工控机PC间的接口电路把信号传输到便携式工控机上。工控机上搭载的 信号频谱分析模块，即频谱分析仪即对信号进行频谱分析，包括：由信号采样模块对声音信 号进行采样(可设定采样频率），由FIR滤波器先滤波，过滤锅炉背景噪声，提取泄漏信号，画 出滤波后的时域波形图，对语音信号进行快速傅里叶变换，绘出得到信号频谱图，；频谱图 可以直观地显示锅炉运行声音信号的能量与频率的关系。当锅炉正常运行时背景噪声集中 在中低频范围，而泄漏噪声频谱分布在1000-4000HZ的范围内，相对背景噪声是高频噪声。 基于频率的差别，并按声压级设定报警阈值，将能从信号频谱图中识别是否存在泄漏;所述 工控机中集成有定时器，当信号持续一段时间（即预设的定时时间)超过报警阈值系统将触 发声光报警模块，发出警报。最后由声源定位模块采用时延估计的方式进行定位。同一平面 上不同几何位置传感器接收到同源信号的时间差称为时延值。将时延值代入四元十字阵定 位模型即可求出声源坐标，通过人机交互模块进行显示。
[0021] 本装置对锅炉进行检测时，主要检测水冷壁、省煤器、过热器、再热器这些易损换 热管道。
[0022] 有益效果：
[0023] 本实用新型设计了一种利用无线传输技术的基于声学原理的便携式锅炉管泄漏 检测装置。装置设计紧凑，包含数据采集模块、信号频谱分析模块、无线传输模块、声源定位 模块和人机交互模块。通过声音传感器阵列采集声音信号，无线传输到便携式工控机上，便 携式工控机将对声音进行分析与计算。一旦捕捉泄漏信号将延时跟踪，其声压级超过阈值 后将发出警报，同时声源定位模块给出泄漏点的坐标。技术人员在现场通过人机交互界面 就可以了解泄漏状况，查看泄漏点位置妥善安排停炉检修，能很快就能找到微小泄漏点，定 位精度高。
[0024] 本实用新型中不采用声导管，不对锅炉炉墙打孔，能够在不破坏炉墙，不进行大量 施工的基础上，实现对炉管泄漏的泄漏报警与漏点定位;应用无线通信技术，避免电缆接地 的麻烦，使得整个系统便于移动。
[0025] 本实用新型的便携性，一体现在传感器阵列贴附与炉墙表明的设计，二体现在信 号的无线通讯方式，三体现在便携式工控机的使用。可以大大节省检漏成本，减少设备占地 面积，保证锅炉使用单位的安全生产。
[0026]本产品可适用于不同容量、参数的锅炉，通过设定合理的阈值即可实现其正常功 能。锅炉检漏设备的小型化、便携化降低了工业企业的成本，也为各种压力容器、压力管道 的泄漏检测提供了参考。
【附图说明】
[0027]图1是本实用新型原理图 [0028]图2是本实用新型的实物设计图；
[0029]图3是传感器阵列图示；
[0030]图4是传感器阵列与声源位置关系图。
【具体实施方式】
[0031 ]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0032]图1和图2所示为一套完整的基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置。
[0033] 一种基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置，包括数据采集模块、无线传输 模块、信号频谱分析模块，即频谱分析仪、声源定位模块和人机交互模块；
[0034] 所述数据采集模块包括贴附于对应炉管位置的锅炉炉墙外壁面的传感器阵列:在 锅炉炉墙的不同外壁面分别布置传感器，同一水平截面上的四个传感器构成四元十字阵 列；
[0035] 同一水平截面，即同一层的四个传感器阵列构成四元平面十字阵列；即同一层上 炉墙不同侧面设有4个传感器测点，分别位于"十字"的四个端点；
[0036] 根据锅炉本体的结构，将传感器贴附于对应着炉管位置的锅炉炉墙外壁面上，测 量准确；
[0037]无线传输模块包括无线信号发射模块和无线信号接收模块；
[0038]传感器阵列的输出端与无线信号发射模块相连;无线信号发射模块和无线信号接 收模块通信连接;无线信号接收模块的输出端依次串接有信号频谱分析模块、声源定位模 块和人机交互模块。
[0039] 传感器把声信号转换为电流信号，通过一体设计的前置信号处理装置(放大滤波 电路)进行信号的初步处理。接着由对称的无线信号发射、接收模块把信号传入便携式工控 机中，由主机中的信号频谱分析模块来确定是否发生了泄漏。若泄漏发生，立刻报警，与此 同时声源定位模块将给出声源(即泄漏点)具体位置。
[0040] 图3和图4是声音传感器的平面十字阵列，Sl(D/2,0,0)，S2(0，D/2,0)，S3(-D/2,0， 0)，34(0，-0/2,0)，声源1'(1，7,2)。声源定位模块可采用基于时延的定位算法。定位模型与 算法如下：
[0041]
[0042]
[0043]其中，di2，di3，di4为声程差(m) 为时延值（s) ;c为声速340(m/s) ;ri为T 与距离，以为!1到达81的时间。
[0044] 联立可得声源坐标：
[0045]
[0046]算法先由相关函数得出时延值，再结合传声器布置的集合位置关系与声学原理， 可推导出以时延值为自变量的定位公式。该定位算法在现有公开的专利文件，如申请号为 201210204877.3的一种基于麦克风阵列的声源定位系统以及申请号为200910242403.6的 电站锅炉"四管"泄漏声测精确定位系统都有用到，因此，本实用新型未涉及算法上的改进， 只需要采用现有的具有实现这一算法的硬件模块。
[0047]根据传感器的有效接收距离与锅炉的高度，在锅炉炉墙不同高度的水平截面上， 设置一层或多层所述传感器阵列;若锅炉较高可按照需要多设置几层，使得测量结果更加 准确。
[0048]声光报警模块所述信号频谱分析模块、声源定位模块和人机交互模块均集成于便 携式工控机中。
[0049] 所述便携式工控机中还集成有声光报警模块。
[0050] 所述无线信号发射模块和无线信号接收模块均包括单片机、无线通信芯片和增益 天线;增益天线与无线通信芯片相连，无线通信芯片与单片机相连。
[0051] 所述无线信号接收模块的单片机通过USB-232转接器与便携式工控机相连。
[0052] 所述无线通信芯片为串口传输的Nordic公司nRF24101芯片。nRF2401是单片射频 收发芯片，工作于2.4~2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和 调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。其串口的应用非常简单，并 且传送的效率很高，标称速率就是实际速率。
【主权项】
1. 一种基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置，其特征在于，包括数据采集模块、 无线传输模块、信号频谱分析模块、声源定位模块和人机交互模块； 所述数据采集模块包括贴附于对应炉管位置的锅炉炉墙外壁面的传感器阵列:在锅炉 炉墙的不同外壁面分别布置传感器，同一水平截面上的四个传感器构成四元十字阵列； 无线传输模块包括无线信号发射模块和无线信号接收模块； 传感器阵列的输出端与无线信号发射模块相连;无线信号发射模块和无线信号接收模 块通信连接;无线信号接收模块的输出端依次串接有信号频谱分析模块、声源定位模块和 人机交互模块。2. 根据权利要求1所述的基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置，其特征在于，根 据传感器的有效接收距离与锅炉的高度，在锅炉炉墙不同高度的水平截面上，设置一层或 多层传感器阵列。3. 根据权利要求2所述的基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置，其特征在于，所 述信号频谱分析模块、声源定位模块和人机交互模块均集成于便携式工控机上。4. 根据权利要求3所述的基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置，其特征在于，所 述便携式工控机上还集成有声光报警模块。5. 根据权利要求4所述的基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置，其特征在于，所 述无线信号发射模块和无线信号接收模块均包括单片机、无线通信芯片和增益天线；增益 天线与无线通信芯片相连，无线通信芯片与单片机相连。6. 根据权利要求5所述的基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置，其特征在于，所 述无线信号接收模块的单片机通过USB-232转接器与便携式工控机相连。7. 根据权利要求6所述的基于声学原理的便携式锅炉管泄漏检测装置，其特征在于，所 述无线通信芯片为nRF24101芯片。
【文档编号】G01M3/00GK205607603SQ201620362634
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】刘志强, 彭小兰, 张建智, 廖伊丹, 黄霄
【申请人】中南大学