基于低频声波的管道堵塞检测系统的制作方法

本发明属于管道检测技术领域，涉及一种用于管道堵塞在线检测的系统。

背景技术：

当前我国经济社会稳步快速发展，人民生活水平日益提高，能源需要越来越大。管道运输是一种主要的能源运输方式，具有运量大、成本低、安全性高、占地面积小、可持续运输等优点，被广泛应用于石油、天然气的长距离输送。由于开采出的石油、天然气中含有水，在进入管道前若不能完全脱出，在高压低温的管道环境中，天然气和水会形成天然气水合物固体。除了天然气水合物，管道中还存在石蜡、沥青、泥沙和腐蚀产物等多种杂质，这些杂质会在输送过程中逐渐析出或沉降，从而形成堵塞。管道中的堵塞不但会影响管道工况的稳定，降低输送效率，还可能导致管道局部位置的超高压破坏等严重事故，对管道的安全和稳定运行危害巨大。如果能在管道发生堵塞的初期，及时检测到堵塞发生的位置和堵塞程度，从而有针对性地采取措施消除堵塞，做到防患于未然，就可以避免严重的管道堵塞事故的发生。

使用声波反射法进行堵塞定位是常用的管道堵塞检测方法，通过向管道内发射声波，接收堵塞物反射回来的声波，通过入射波和反射波的时间差，计算出堵塞位置。在进行检测时，声波接收换传感器接收到的信号除了堵塞物反射回来的有用信号之外，还有大量的噪声信号，包括管道内噪声、环境噪声、电路噪声等噪声信号。在管道未发生完全堵塞时，由于堵塞面积小，声波反射信号弱，受噪声干扰更严重，反射波信号可能完全淹没在噪声信号中，导致堵塞情况不能及时发现，错过最佳的解堵时机。对声波信号处理的任务应该最大限度的限制噪声，提高信噪比，从而有效地检测出有用信号。cn2010202886298基于低频声波监测管道泄漏或堵塞的系统，没有考虑噪声对检测的影响。

技术实现要素：

为了解决对管道堵塞检测对于堵塞更为准确情况表示的问题，本发明提出如下技术方案：

一种基于低频声波的管道堵塞检测系统，包括波形发生器、低频电声换能器、传声器及信号解析装置，波形发生器用于产生激励信号，激励信号传输给低频电声换能器，并由低频电声换能器将激励信号转换为低频脉冲声波信号，向管道内发射，在管道内形成入射波和反射波；传声器接收管道内的声波信号并传输到信号解析装置，信号解析装置对声波信号解析以反映堵塞物的位置。

进一步的，基于低频声波的管道堵塞检测系统，还包括功率放大器、前置放大器、滤波装置及数据采集装置；

所述功率放大器用于将波形发生器产生的激励信号放大处理，并将放大后的激励信号传给低频电声换能器；

声波信号还包括噪声信号；

所述前置放大器用于对传声器接收的管道内的声波信号放大处理；

所述滤波装置用于对前置放大器输出的声波信号滤波处理；

所述数据采集装置用于对滤波装置输出的声波信号模数转换，并将转换后的信号传输给信号解析装置。

进一步的，管道的首端焊接与管道在水平方向呈25～35°的支管，所述的支管内安装低频电声换能器，所述的低频电声换能器和支管以法兰连接。

进一步的，低频电声换能器发射的声波信号为线性调频脉冲声波信号。

进一步的，线性调频信号的表达式如下：

式中，a为信号幅度，f0为中心频率，k＝b/t为调频斜率，b为信号带宽，t为信号持续时间，t为时间；

进一步的，低频电声换能器发射的声波的频率小于被检测管道的一阶截止频率fc，其中fc根据如下公式计算：

式中，c是管道内介质中的声速，r是被检测管道的半径。

进一步的，低频电声换能器产生的低频脉冲声波首先被传声器接收，并传输给信号解析装置，信号解析装置根据入射波到达时间和传声器距低频电声换能器的距离，计算出管道中介质的声速。

进一步的，低频脉冲声波信号在管道内传播，

当低频脉冲声波信号遇到管道完全堵塞时，产生一个反射波；

当低频脉冲声波信号遇到管道非完全堵塞时，在堵塞的起点和堵塞的终点都产生反射波，而且堵塞的起点产生的反射波和堵塞的终点产生的反射波相位相反；

反射波被传声器接收，并传输给信号解析装置，计算管道内堵塞物的情况和堵塞位置。

进一步的，入射波从低频换能器传播到传声器的时间为t1，入射波从低频换能器到传声器之前的传播距离为x1，x1通过测量斜支管长度和斜支管与传声器之间的长度获得，传声器接收到堵塞起点的反射波的时间为t2，传声器接收到堵塞终点的反射波的时间为t3；

管道中介质的声速c，计算公式如下：

堵塞的起点和传声器之间的距离为x2

x2＝c*(t2-t1)

堵塞的终点和传声器之间的距离为x3

x3＝c*(t3-t1)

堵塞物的长度为l

l＝x3-x2

以反射波的类型反映堵塞的情况，以距离反映堵塞位置。

传声器仅接收一种反射波则为完全堵塞，接收到相位相反的反射波则为不完全堵塞，x2反映了堵塞的起点和传声器之间的距离，x3反映了堵塞的终点和传声器之间的距离。

有益效果：本发明通过低频电声换能器配合任意波形发生器，可以向管道内发射任意波形的低频声波，提高声波在管道内的传播距离；采用匹配滤波方法对接收到的声波信号进行处理，提高在高背景噪声条件下的识别精度。本发明能够在管道发生不完全堵塞的初始阶段，及时检测出堵塞发生的位置和堵塞程度，为采取解堵措施争取时间，从而避免严重的堵塞事故的发生。

附图说明

图1是基于低频声波的管道堵塞检测系统的示意图。

图2是本发明的堵塞检测信号时间-电压图。

图中：1信号发生器；2功率放大器；3低频换能器；4斜支管；5传声器；6前置放大器；7数据采集装置；8计算机；9堵塞物。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供一种基于低频声波的管道堵塞检测系统，该系统可以在线使用，技术方案解决了现有管道堵塞检测系统在定位精度、误报率以及检测距离等方面存在的问题。该系统包括一个任意波形发生器、一个功率放大器、一个低频电声换能器、一个传声器、一个预处理装置、一个数据采集装置、一台计算机，该计算机作为信号解析装置实现信号解析功能，低频电声换能器通过支管安装在管道首端，低频电声换能器和支管通过法兰连接，支管通过焊接的方式连接到主管道，支管与主管道的夹角为30°。其中，所述任意波形发生器用于产生激励信号；所述功率放大器用于将所述任意波形发生器产生的激励信号进行放大处理，并将放大后的激励信号传给低频电声换能器；所述低频电声换能器用于将所述功率放大器输入的激励信号转换为低频脉冲声波信号，并向管道内发射；所述传声器用于接收所述管道内的声波信号，声波信号包括入射声波信号、反射声波信号和噪声信号，传声器将接收到的声波信号传输给所述前置放大器放大处理，前置放大器将声波信号传输给滤波装置；所述滤波装置对接收到的声波信号进行滤波处理，并将处理后的声波信号传输给所述数据采集装置；所述数据采集装置将接收到的声波信号进行模数转换，并将处理后的声波信号，传输给所述计算机；所述计算机对接收到的声波信号进行分析、计算，根据反射波和入射波间的时间差和管道中的声速，确定堵塞物的位置。低频电声换能器通过不断向管道内发射低频声波信号，并由信号解析装置对接收到的声波信号实时进行分析计算，可以实现管道的在线监测。

本发明中当声波的频率低于管道一阶截止频率时即为所述低频，其为本发明低频的定义，被检测管道的一阶截止频率跟管道的直径有关，低频声波信号能在管道中传播的距离远，声波在管道内以平面波的形式传播，没有扩散衰减(波导管原理)，能沿管道长距离传播。声波的传播除了扩散衰减，还有散射衰减、吸收衰减，这两种衰减都是随着频率的减小而降低，声波频率越低能传的越远，然而检测的分辨率随着频率的降低而降低。所以，低频声波信号的频率只要低于一阶截止频率即可实现本发明，但是不宜过低。

作为一种技术方案，优选任意波形发生器产生的激励信号为线性调频信号，能够增加声波的传播距离，线性调频信号的表达式如下：

式中，a为信号幅度，f0为中心频率，k＝b/t为调频斜率，b为信号带t为信号持续时间，t为时间，线性调频信号的参数均可通过任意波形发生器选择。

低频电声换能器发射的声波信号为线性调频脉冲声波信号。

低频电声换能器发射的声波的频率小于被检测管道的一阶截止频率fc，其中fc根据如下公式计算：

式中，c是管道内介质中的声速，r是被检测管道的半径。

线性调频信号具有较大的时宽带宽积，将线性调频信号用于声波调制，可以有效地进行长距离的声波传输，在接收是通过匹配滤波器进行处理，将宽脉冲压缩为窄脉冲，可以获得较高的距离分辨率，同时获得较好的信噪比。采用线性调频信号调制超声波脉冲，可以提高声波的穿透力和检测的分辨率，从而提高检测的准确率。线性调频声波信号可以增加声波的传播距离，在接收信号时采用匹配滤波处理，输出信号的信噪比最大，可以有效解决噪声问题，提高检测的分辨率，减少误报率，因此将线性调频声波信号应用到管道堵塞检测中。

所述任意波形发生器产生的脉冲信号分成两路，其中一路脉冲信号直接传输给计算机(信号解析装置)用于确定低频脉冲声波发射的时刻，即确定声波传播的起始时间；另一路脉冲信号用于激励低频电声换能器产生低频脉冲声波，且部分低频电声换能器产生的低频脉冲声波作为入射波，首先由传声器接收，并传输给信号解析装置，信号解析装置解析得到入射波到达时刻，即传声器接收到入射波的时刻，由低频脉冲声波发射的时刻与入射波到达时刻计算出入射波传输时间，并由信号解析装置根据入射波传输时间和传声器距低频电声换能器的距离计算出管道中介质的声速。

采取匹配滤波方法对接收到的声波信号进行分析得到堵塞物的相关情况，堵塞物的位置包括发生管道完全堵塞时的堵塞物的位置、发生管道非完全堵塞时的堵塞起点的外置和堵塞终点位置。

由上述，本发明方案的确定堵塞情况的基本工作原理是，使用任意波形发生器产生线性调频信号，线性调频信号经过功率放大器放大后激励低频换能器产生低频线性调频声波，低频线性调频声波从管道的一端向管道内发射，由于发射的声波的频率小于管道的一阶截止频率，声波将在管道中以平面波的形式传播，没有扩散衰减，声波可以沿管道长距离传播。声波在管道内传播，当遇到堵塞物时，管道内介质的声阻抗发生突变，会引起一部分声波能量发生反射，产生反射波，反射波会沿着管道向发射端返回，剩余的声波会沿着管道继续向前传播。当声波遇到完全堵塞时，会产生一个反射波；当声波遇到非完全堵塞时，在堵塞点的起点和终点都会产生反射波，而且堵塞起点产生的反射波和终点产生的反射波相位相反。反射回的声波会被传声器接收，通过对接收到的声波信号进行分析计算，可以确定管道内堵塞物的位置和堵塞情况。

声波发射装置被安装在管道首端，声波发射装置包括任意波形发生器1、功率放大器2和低频电声换能器3。任意波形发生器1产生激励信号，激励信号经过功率放大器2放大后，驱动低频换能器发射声波信号。声波信号通过斜支管进入管道，并沿管道传播，当声波遇到管内的堵塞物9时，就会发生反射，反射波沿着管道向发射端返回。安装在管道首端的传声器5用于接收入射波信号、反射波信，根据入射波信号和反射波信号的时间差确定堵塞的位置。根据反射波的个数和反射波的相位确定堵塞物的个数和堵塞的长度。

入射波从低频换能器传播到传声器的时间为t1，入射波从低频换能器到传声器之前的传播距离为x1，x1通过测量斜支管长度和斜支管与传声器之间的长度获得，传声器接收到堵塞起点反射波的时间为t2，传声器接收到堵塞终点反射波的时间为t3。

管道中介质的声速c，计算公式如下：

堵塞起点和传声器之间的距离为x2

x2＝c*(t2-t1)

堵塞终点和传声器之间的距离为x3

x3＝c*(t3-t1)

堵塞物的长度为l

l＝x3-x2

图2所示为实验室使用低频声波进行管道堵塞检测时，接收到的声波信号。实验室环境噪声小，在检测时使用的是单脉冲声波信号。其中，横坐标为时间，纵坐标为电压。图中第一个脉冲为入射波信号，第二个脉冲为堵塞起点反射波信号，第三个脉冲为堵塞终点反射波信号。实验室设定的堵塞起点和传声器间的距离为139.42m，堵塞终点和传声器间的距离为180.47m，堵塞物的长度为41.05m。检测结果：堵塞起点和传声器的检测距离为139.63m，误差为0.15％；堵塞终点和传声器间的检测距离为181.11m，误差为0.35％；堵塞物长度检测结果为41.48m，误差为1.05％。

本发明的第一个优点在于声源发射的是小于管道一阶截止频率的低频声波，低频声波在管道以平面波的形式传播，没有扩散衰减，能沿管道长距离传播，实现管道长距离检测；第二个优点是将换能器通过支管安装到主管道首端，不会对管道产生破坏，安全性高；第三个优点是在管道发生不完全堵塞的初期，能够及时检测出堵塞发生的位置和堵塞程度，从而有针对性地采取消除堵塞的措施，避免严重的管道堵塞事故的发生；第四个优点是采用线性调频声波和匹配滤波处理方法，抑制接收信号噪声成分收到，使输出的信噪比最大，增加堵塞位置的定位精度。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造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发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。