基于超声导波的管道结垢检测与识别方法与流程

本发明涉及一种基于超声导波的管道结垢检测与识别方法，属于管道检测技术领域。

背景技术：

现代工业中，管道运输在石油化工、天然气制备、自来水、食品加工和制药等行业中具有极其重要的地位。但长时间运输物质会导致管道内出现结垢现象，结垢严重时会堵塞管道，引发安全生产事故。因此准确地检测出管道内壁的结垢情况，识别出结垢区域，对于提高管道运输的安全性、降低生产运输成本具有十分重要的意义。

传统的管道结垢检测方法中，通过检测管道内的流体流速、压力等参数估计结垢情况，有时甚至不用任何测量，根据以往经验直接估计，并不能够及时准确地获知管道内结垢层状况。不能够及时检测到结垢层会导致除垢延误，没达到除垢条件就进行处理会使得管道本身受到损害，因此需要实时在线地检测评估管道内结垢状况，以便于及时去除结垢层。

近年来发展出一种快速、长距离、大范围、相对低成本的无损检测方法，超声导波技术。超声导波是一种由边界制导传播的超声波，在管道中传播的超声导波，传播路径长、衰减小，相比于传统超声检测可以实现长距离、大范围的检测。超声导波在管道检测上的应用目前主要集中于缺陷检测上，对于管道内的结垢状况同样能够进行检测，及时有效地检测区别出管道缺陷与结垢，对于高效地去除管道内壁的垢层有着重要的作用。

基于超声导波技术的管道结垢检测与识别方法，可以对长距离管道内壁的结垢区域进行检测与识别。当超声导波沿着管道传播时，在遇到结垢区时由于声阻抗的变化产生反射波，通过对反射波的处理检测识别出管道的结垢区域。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于超声导波的管道结垢检测与识别方法，技术方案包括以下步骤：

s1、信号发生模块产生激励电压信号；

可选的，上述信号发生模块产生的激励电压信号为脉冲信号。脉冲信号的脉冲宽度、频率以及能量均可控，激励信号频率在20khz以上。

可选的，激励信号由以微处理器为核心的集成信号发生模块产生；也可由通用的信号发生器产生；也可由多功能数据采集卡产生；也可由专门研制开发的超声导波激励装置产生。

s2、激励电压信号由信号调理模块处理后再作用于换能器模块；

可选的，上述信号调理模块由信号放大、滤波以及激励接收信号隔离三部分组成，包括对激励与接收信号的隔离、放大与滤波处理。

s3、换能器模块产生沿着管道传播的导波信号；

可选的，上述换能器模块由压电超声换能器组成，换能器组沿轴向均匀分布于待测管道的外表面，并用夹具固定。换能器模块基于压电效应将电压信号转换成机械振动信号，从而将电压信号转换为超声导波信号作用于管道壁，同时也用于接收反射波信号。

s4、导波信号遇到结垢区域时产生相应的反射波信号；

s5、反射波信号由同样的换能器模块接收，经信号调理模块处理后由信号采集模块采集，最后进入上位机模块进行处理与分析。

可选的，上述信号调理模块由信号放大、滤波以及激励接收信号隔离三部分组成，包括对激励与接收信号的隔离、放大与滤波处理。

可选的，信号采集模块使用多功能数据采集卡，根据信号特征的不同设定采样模式以及采样频率。

可选的，其中上位机模块对反射波信号进行分析处理，包括：

s51、检测信号处理；

s52、反射信号特征提取；

s53、模式识别。

可选的，上述信号处理包括采用小波分析、经验模态分解、匹配滤波器和零相位滤波等信号处理方法将背景噪声剔除，减小背景噪声的干扰，提高检测信号信噪比，突出真实的反射波信号；

可选的，上述反射信号特征提取包括小波分析、经验模态分解、混沌分析和复杂网络等方法，得到反射波信号特征向量。

可选的，反射信号模式识别包括利用人工神经网络和支持向量机等机器学习方法，对反射波信号的特征向量进行分类识别，判断管道中是否存在结垢。

本发明的优点在于能够有效地检测评估管道内的结垢状况。利用超声导波传播距离长的特点对长距离管道进行分布式监测，并且可以实现在不停产的前提下检测管道内结垢，通过对反射波的处理识别出管道的缺陷和结垢，为高效地去除管道内的垢层打下了基础。

附图说明

图1为本发明的工作原理示意图；

图1中，1-基于超声导波的管道结垢检测识别系统，2-超声换能器组，3-待检测管道，4-管道内壁结垢；

图2为仿真中的管道模型示意图；

图3为仿真中的激励信号；

图4为仿真的检测结果图；

图5为有结垢层的管道超声导波检测时域图；

图6为空管道超声导波检测时域图。

具体实施方式

下面从有限元仿真和实验两个方面对本发明作进一步的详细说明。

1.有限元仿真

对管道结垢模型进行超声导波检测仿真时，通过分析结垢层前后端反射的时间来确定结垢区域的位置与长度。

仿真中设置管道的外径为89mm，壁厚为2mm，长度为2.1m，材料为304不锈钢。参数为：密度8030kg/m³、杨氏模量209gpa、泊松比0.29。

结垢层前端距离管道首段1m，结垢区域长0.5m，结垢的材料设置为碳酸钙，如图2所示

信号频率为50khz，选择l(0，2)模态导波，群速度约为5323m/s。管道超声导波检测的激励信号选用hanning窗函数调制的正弦单音频脉冲信号，如图3所示。

由图4所示的仿真分析结果可看出，前端反射信号出现在0.4ms，前后端反射信号的时间差约为0.2ms，因此计算得：

结垢区域前端距离管道首段0.4×5323×10^-3/2＝1.0646m，与初始设置相差约0.0646m

结垢区域的长度为0.2×5323×10^-3/2＝0.5323m，与初始设置相差约0.0323m

因此计算结果基本符合仿真设置，说明利用超声导波检测管道垢层的方法在理论上是可行的。

2.实验

实验管道材质为304不锈钢圆管，长2.5m、外径89mm、壁厚2mm。在距离起始端0.14m处有进水口和排水口各一个，管道支架位于0.22m和0.95m处。换能器模块设置在距离管道起始端0.84m的位置，在距离换能器模块1.2m的位置放置橡皮泥模拟管道内结垢。

下面对实验具体过程做进一步说明。

实验装置由实验管道、超声换能器、超声导波激励接收隔离电路、功率放大器、示波器、直流电源、数据采集卡以及由计算机运行组成。

s1、信号发生模块产生激励电压信号；

具体的，激励电压信号由计算机驱动数字采集卡产生，产生hanning窗函数调制的正弦单音频脉冲信号，频率50khz。

s2、激励电压信号由信号调理模块处理后再作用于换能器模块；

具体的，信号调理模块采用功率放大器以及激励接收隔离电路，功率放大器用于放大从数字采集卡输出的电压信号，激励接收电路采用二极管串联限幅电路。

s3、换能器模块产生沿着管道传播的导波信号；

具体的，换能器模块采用压电换能器阵列，用于接收来自功率放大器的电压信号，基于压电效应将电压信号转换为振动信号，从而产生沿管道传播的超声导波信号。

s4、导波信号遇到结垢区域时产生相应的反射波信号；

具体的，由压电换能器阵列产生的导波信号在管道中传播，遇到结垢区域时由于声阻抗的变化产生反射波。

s5、反射波信号由同样的换能器模块接收，经信号调理模块处理后由信号采集模块采集，最后进入上位机模块进行处理与分析。

具体的，反射波信号由同样的压电换能器阵列接收，因此经过换能器的信号都需要隔离电路处理，防止相互干扰。

具体的，信号采集模块采用数字采集卡的ad转换模块，采集反射波信号。

具体的，上位机分析模块采用示波器，显示最终结果。

图5和图6分别为有结垢层的管道超声导波检测时域图和空管道超声导波检测时域图。通过比对有结垢层的管道超声导波检测结果和空管道超声导波检测结果，二者在约0.46ms处的波形有着显著的不同，有结垢层的管道超声导波检测结果在0.46ms时刻的信号幅值明显大于空管道的超声导波检测结果，说明在0.46ms出有明显的结垢检测结果。根据实验结果计算得管道结垢位置在0.46×5323×10-3＝1.22429m，与预设位置1.2m相差约0.02429m。

因此通过实验证明利用超声导波检测管道内的结垢是可行的。