一种远程在线阀门泄露监测装置及其工作方法与流程

本发明属于阀门监测配件应用技术领域，具体涉及一种远程在线阀门泄露监测装置及其工作方法。

背景技术：

阀门泄漏是一个不容忽视得问题，由于阀门开关得磨损、介质流动得磨损和腐蚀、杂质挤压等原因，阀门得密封面会形成坑陷、划痕、斑点等损坏。据统计，80％得阀门泄漏是由于阀门密封面得损坏引起得，阀门泄漏会造成传输介质流失、环境污染、生产故障(如调节阀得泄漏会造成化学产品得成分不准)；重大事故灾难(如安全阀得泄漏会导致爆炸，有毒气体得泄漏等)；同时，在火电和核电行业，由于阀门泄漏导致得发电功率降低或紧急停机事故所造成得经济损失惊人。

工业生产过程中阀门泄漏的检测方法通常是定期将卸压阀拆下，取回车间，用专门的设备检测和试验。在没有发生任何泄漏事件时，规定5年对卸压阀检查一次，在例行的检查中约有30%的卸压阀有某些程度的泄漏，超过了规定的允许值，其中约有10%泄漏严重，成为产品泄漏和污染的主要来源。

如果能够采取有效措施，及时发现和修复泄漏，那么经由阀门泄漏所造成的生产损耗和排放大约有80%至90%完全可以避免。从这个意义上讲，阀门泄漏的检测，最大的挑战是如何在阀门开始发生泄漏之时尽可能早地发现它。所以清醒认识和认真解决管道和塔罐、压力容器中存在的阀门泄漏问题，对有可能发生泄漏的部位进行监测，已成为当前管道安全工作的重要内容。因此，准确地判断阀门产生泄漏的位置并及时修补，对于提高企业的生产效率和节约能源具有重大的意义。

阀门如果在无保养性维修得情况下，一旦泄漏，往往已经是损坏非常严重了，这不仅增大了修复得难度，而且常常甚至已经丧失维修得可能和价值。因此，对于组织和管理完善得阀门维修工作来说，不仅有关人员要有相应得意识，更重要得是预防和保养措施，即定期得对阀门进行检查(例如，阀门相对于外界得密封性，阀门在关闭状态下得密闭性等等)。预防性维修阀门得关键是在第一次发现阀门有泄漏现象时，立即对阀门进行修复，因为流通得介质即使在极微小得密封面坏损得情况下，也能在短时间内引起密封面得大面积坏损，以致造成昂贵得维修成本。

综上分析，阀门的使用质量关键在于预防阀门的早期泄漏，只有早发现才能杜绝阀门大的事故发生以及阀门维修量的减少，这就要求开发一种在线阀门泄漏检测装置，随时检测阀门的运行状态，做到早发现早维护，确保设备安全运行和重大生产事故的发生。

因此，基于上述问题，本发明提供一种远程在线阀门泄露监测装置及其工作方法。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种远程在线阀门泄露监测装置及其工作方法，其整体结构设计合理，解决人工现场巡检和漏检，杜绝突发生产事故发生，能提前诊断阀门运行状态，发现阀门故障，对阀门使用寿命启起到监测作用。

技术方案：本发明的一方面提供一种远程在线阀门泄露监测装置，包括外壳，及设置在外壳一面的耦合板，及设置在耦合板上的压电陶瓷传感器，及设置在外壳一侧内且与压电陶瓷传感器连接的端子，其中，耦合板安装在待监测的阀门上，及与端子连接的监控组件；所述监控组件包括与压电陶瓷传感器连接的放大器单元，及与放大器单元连接的滤波器单元，及与滤波器单元连接的放大a/d存储单元，及与放大a/d存储单元连接的显示单元。

本技术方案的，所述压电陶瓷传感器包括传感器外壳，及设置在传感器外壳两端的上盖、下盖，及设置在传感器外壳内的压电晶体，其中，传感器外壳与压电晶体之间设置阻尼剂，及贯穿下盖且与压电晶体连接的波导杆，及贯穿上盖且与压电晶体相配合使用的高频插头，其中，高频插头与压电晶体之间通过导线连接。

本技术方案的，所述远程在线阀门泄露监测装置，还包括与滤波器单元连接的外差调频单元，及与外差调频单元连接的功率放大单元，及与功率放大单元（连接的耳机。

本技术方案的，所述远程在线阀门泄露监测装置，还包括设置在外壳上的定位单元。

本发明的另一方面提供一种远程在线阀门泄露监测装置，包括以下步骤，步骤1、利用外壳一端的耦合板将外壳安装在待监测的阀门上。步骤2、压电陶瓷传感器和监控组件将待监测的阀门的信息发送至远程监控上位机。

本技术方案的，所述步骤2中压电陶瓷传感器中波导杆的作用是在检测高温阀泄漏时，进行降温并把泄漏产生的声发射信号有效地传到压电晶体上，其中，压电晶体采用高灵敏度锆钛酸铅，将压电晶体的负极面用导电胶粘在底座上正极面焊出一根细的引线与高频插座的芯线连接，传感器外壳接地，构成单端谐振式声发射传感器。

本技术方案的，所述步骤2中压电陶瓷传感器的输出电压经放大器单元、滤波器单元、放大a/d存储单元、显示单元进行处理，显示单元显示的数值为泄漏声发射信号的幅值，以表示阀门泄漏量的相对大小；外差调频单元、功率放大单元、耳机将泄漏的超声波频率信号用外差调频的方法转换成能听到的声频，经功率放大后使检测人员从大功率耳机中听到压电陶瓷传感器接收到的阀门泄漏信号，其中，耳机为大功率耳机，用大功率耳机可隔绝工业生产环境常有的强大噪声。

与现有技术相比，本发明的一种远程在线阀门泄露监测装置及其工作方法的有益效果在于：1、利用发门泄漏产生震荡波的原理，通过检测这种声波的强度来判别是否存在阀门泄漏；并利用数字信号处理技术对气体泄漏所产生的震荡波强度信号进行fir滤波和傅立叶变换等处理，通过对泄漏点的超声波频谱的分析来判别阀门泄漏等级，从而实现高精度数字式检测；2、具有无线通信功能，满足监控人员实时监测工业现场的需求，并可实现泄漏点相关参数的远程调用，这对现场工人的检修工作具有重要的指导作用；3、实现阀门泄漏有无的检测，实现阀门泄漏超声波频谱分析和确定泄漏等级，实现阀门现场泄漏装置和监控中心主机远程通信，其具有准确、实时、远程特性，满足工业生产的高效性要求。

附图说明

图1是本发明的一种远程在线阀门泄露监测装置的压电陶瓷传感器的结构示意图；

图2是本发明的一种远程在线阀门泄露监测装置的监控组件的结构示意图；

图3是本发明的一种远程在线阀门泄露监测装置的待监测阀门结构示意图；

图4是本发明的一种远程在线阀门泄露监测装置的外壳、耦合板等的结构示意图；

其中，图中序号标注如下：1-波导杆、2-下盖、3-压电晶体、4-传感器外壳、5-阻尼剂、6-导线、7-上盖、8-高频插头、9-外壳、10-耦合板、11-压电陶瓷传感器、12-端子、13-放大器单元、14-滤波器单元、15-放大a/d存储单元、16-显示单元、17-外差调频单元、18-功率放大单元、19-耳机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

实施例

如图1、图2和图4所示的本发明的一种远程在线阀门泄露监测装置，包括外壳9，及设置在外壳9一面的耦合板10，及设置在耦合板10上的压电陶瓷传感器11，及设置在外壳9一侧内且与压电陶瓷传感器11连接的端子12，其中，耦合板10安装在待监测的阀门上，及与端子12连接的监控组件；所述监控组件包括与压电陶瓷传感器11连接的放大器单元13，及与放大器单元13连接的滤波器单元14，及与滤波器单元14连接的放大a/d存储单元15，及与放大a/d存储单元15连接的显示单元16。

进一步优选的，所述压电陶瓷传感器11包括传感器外壳4，及设置在传感器外壳4两端的上盖7、下盖2，及设置在传感器外壳4内的压电晶体3，其中，传感器外壳4与压电晶体3之间设置阻尼剂5，及贯穿下盖2且与压电晶体3连接的波导杆1，及贯穿上盖7且与压电晶体3相配合使用的高频插头8，其中，高频插头8与压电晶体3之间通过导线6连接；所述远程在线阀门泄露监测装置，还包括与滤波器单元14连接的外差调频单元17，及与外差调频单元17连接的功率放大单元18，及与功率放大单元18连接的耳机19；所述远程在线阀门泄露监测装置，还包括设置在外壳9上的定位单元（用于远程定位待监测阀门的位置）。

本发明的一种远程在线阀门泄露监测装置的工作方法，包括以下步骤，步骤1、利用外壳（9）一端的耦合板（10）将外壳（9）安装在待监测的阀门上。步骤2、压电陶瓷传感器（11）和监控组件将待监测的阀门的信息发送至远程监控上位机。

进一步优选的，所述步骤2中压电陶瓷传感器11中波导杆1的作用是在检测高温阀泄漏时，进行降温并把泄漏产生的声发射信号有效地传到压电晶体3上，其中，压电晶体3采用高灵敏度锆钛酸铅，将压电晶体3的负极面用导电胶粘在底座上，正极面焊出一根细的引线与高频插座8的芯线连接，传感器外壳4接地，构成单端谐振式声发射传感器；所述步骤2中压电陶瓷传感器11的输出电压经放大器单元13、滤波器单元14、放大a/d存储单元15、显示单元16进行处理，显示单元16显示的数值为泄漏声发射信号的幅值，以表示阀门泄漏量的相对大小；外差调频单元17、功率放大单元18、耳机19将泄漏的超声波频率信号用外差调频的方法转换成能听到的声频，经功率放大后使检测人员从大功率耳机中听到压电陶瓷传感器11接收到的阀门泄漏信号，其中，耳机19为大功率耳机，用大功率耳机可隔绝工业生产环境常有的强大噪声。

通过对多种阀门在多种工况下进行阀门泄漏试验得出,泄漏产生的声发射信号为连续型的，所激发的应力波信号频率范围非常宽，既有声频、又有超声频，并且泄漏信号频带随介质不同、压力大小、阀门类型及泄漏大小而变化，泄漏产生的信号中超声频段最强，频谱都具有很陡的尖峰，而且在阀门泄漏的各种工况下，40khz频段有很强的泄漏声发射信号，而在该频段的工业噪声相对较小，所以40khz是检测阀门泄漏的最佳频率，将其作为检测阀门泄漏的工作频率，即声发射传感器的固有调谐频率和带通滤波器的中心频率。在实际检测中通过仪表的显示值很容易找出阀门有无泄漏及泄漏的相对大小，并且泄漏时可从耳机中听到嘶撕的声音，检测方便准确。但在个别情况下，仪表显示阀门有泄漏，但后发现阀门并无泄漏，通过对检测现场分析表明，现场有很强的频率为40khz的干扰噪声。这时通过理论研究与实际检测分析表明，在有较强噪声的情况下，用阀上阀下差值法也可方便准确地检测出阀门泄漏。阀上阀下指阀门的上流和下流，如图3所示,差值法指检测阀上和阀下信号大小的差值。当阀门泄漏时,阀上阀下产生声发射信号的大小是不同的。泄漏时阀下的声发射信号有三种声源：（1）漏处形成的射流与泄漏孔壁相互作用，在孔壁上产生声发射信号由阀中传到阀下，（2）液体(或气体)高速流出泄漏孔，冲击到阀下内壁，在阀下产生声发射信号，（3）液体(或气体)从阀上到阀下是层流到湍流的过程，由此在阀下产生一系列波长的声音，即所谓的白噪声，白噪声中含有超声频率。

以上第一种声源产生在阀的中间位置，在阀上阀下测得的声发射信号幅值基本相等，而第二和第三种声源在阀下，泄漏时阀下的声发射信号远远大于阀上，所以在较大的背景噪声情况下检测阀门泄漏时，可根据阀上阀下声发射信号差值的大小判断阀门有无泄漏和泄漏的相对大小。

如图2所示，压电陶瓷传感器11的输出阻抗特别大，放大器单元13需具有较高的输入阻抗；压电陶瓷传感器11的传感器信号电压的变化范围大，一般由微伏到接近伏数量级，要求放大器单元13具有足够的放大能力，具有抗电冲击的保护能力和阻塞现象的恢复能力，并具有较大的输出动态范围；滤波器单元14采用窄带通滤波器，中心频率与传感器固有谐振频率相同，以便更好地排除干扰噪声（这在背景噪声严重的实际检测中特别重要）。

本结构的远程在线阀门泄露监测装置采用声发射技术，即材料或构件受外力或内力作用产生变形或断裂时，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射，利用仪器检测、分析和利用声发射信号推断声发射源的技术称声发射技术。声发射技术在各行各业中应用极为广泛，特别是在材料研究、压力容器评价、飞机构件的强度监视和测定燃料燃速等方面的研究与应用中已取得了明显的效果，声发射检测是一种动态无损检测，应用领域非常广泛，应用范围也在不断扩大。

本结构的远程在线阀门泄露监测装置的检测原理是，当阀门关闭时，若有泄漏,其主要特征是在泄漏处形成多相湍射流，该射流不但使流体发生紊乱，而且与泄漏孔壁相互作用，在孔壁上产生高频应力波，并在阀体中传播。此应力波并非严格定义上的声发射，因为阀体只是波导，本身并不释放能量，但是，此应力波的特点和声发射相似，所以可认为这也是声发射称之为被动声发射。根据质点的偏振方向(即振动方向)，声发射可分为两大类，即纵波与横波，纵波质点振动方向平行于传播方向，横波质点振动方向垂直于传播方向，横波一般比纵波传播得慢。若固体有界时，由于边界的限制，理论证明在固体的自由界面上存在表面波，是一种表面声扰动，大部分能量集中于表面下大约一个波长的厚度，表面波速度比横波慢，不同于纵波和横波，其质点的运动是一种椭圆偏振是相位差为90°的纵横振动部分合成的结果。阀门泄漏时，流体压力喷射而诱发应力波并在阀体中传播，应力波的纵波、横波和表面波引起的阀体振动包括纵振动、横振动和圆环振动。试验表明，该应力波的频谱很宽，既包括声频成分，也包括超声频成分，而超声频最强，用声发射传感器接触阀体外壁，接收泄漏产生的在阀体中传播的弹性波，转换成电信号，经信号放大处理后显示和监听，从而达到检测阀门泄漏的目的。

本结构的远程在线阀门泄露监测装置，当阀门关闭时，若有泄漏，其主要特征是在泄漏处形成多相湍射流，该射流不但使流体发生紊乱，而且与泄漏孔壁相互作用，在孔壁上产生高频应力波，并在阀体中传播。阀门泄漏时,流体压力喷射而诱发应力波并在阀体中传播，应力波的纵波、横波和表面波引起的阀体振动包括纵振动、横振动和圆环振动。试验表明，该应力波的频谱很宽，既包括声频成分，也包括超声频成分，而超声频最强，用声发射传感器接触阀体外壁，接收泄漏产生的在阀体中传播的弹性波，转换成电信号，经信号放大处理后显示和监听，从而达到检测阀门泄漏的目的。

本结构的远程在线阀门泄露监测装置，主要实现了以下功能：(1)实现微弱信号的提取，从高噪音的工业环境中提取泄漏超声波信号，采用三级式模拟信号调理电路，对震荡波传感器检测的信号分别进行了无源高通滤波，高精度仪表放大，有源带通滤波和同向放大等模拟信号处理，同时对该模块的供电电路进行了设计，经过示波器检验，信号通过模拟调理电路后的波形已经可以作为初步判断泄漏的依据，实现了从高噪音中提取微弱信号的目的。(2)基于dsp技术的超声信号处理和分析，在准确检测阀门泄漏并对泄漏量定级，同时对信号进行了进一步的数字处理运算，以tms320c5402芯片为核心的tms320c54xp数字信号处理模块，在硬件的基础上，主要采用fir(finiteimpulseresponse)滤波、fft(fastfouriertransform)等算法，将泄漏信号转化成频谱信息。（3）阀门泄漏程度的定级，分析了泄漏量和声压级之间的关系，通过对dsp处理产生的频谱信息进行分析，提取功率谱中有效因素的参数，进行处理和分析，作为判断泄漏程度的依据，实现泄漏定级。（4）无线通信模块，主要采用了cc2430芯片，利用wia无线跳频技术以其为核心设计了无线终端节点和协调器，由dsp处理后的数据通过无线终端向与中央控制室上位机相连的协调器发送数据，显示泄漏的有无和等级，从而实现了远程实时实时监控阀门的状态，及时发现泄漏采取措施的目的。（5）远程监控中心人机接口的设计，为使本装置更加完善，可设计远程监控中心界面，根据工业的性质设计动态或静态网页，实时显示需要的信息。（6）将无线通信技术运用于现场检漏仪与监控中心主机的连接，本检漏装置又一个最重要的技术特点，该技术特点能建立现场检漏人员与控制中心之间有效地连接，对于快速检出漏点并安全及时的补漏有着重要的实际意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。