一种液体泄漏的声学检测方法和装置与流程

相关申请的交叉引用

根据美国法典第35章第119条(e)，本申请要求于2017年4月5日提交的申请号为62/481753的美国临时专利申请的优先权，并通过引用将其全部内容纳入本申请。

本发明涉及一种监测和检测系统，用于监测管道或通道中所含流体和流动流体的工作参数。更优选地，本发明涉及一种用于检测工业应用中流体分配系统的管道中的泄漏的方法和设备，更优选地，本发明涉及一种可操作的设备，用于声学检测水管或管道中的流体泄漏，例如炼钢炉(如电弧炉)中的冷却板断裂引起的漏水现象。

背景技术：

在最理想的电弧炉炼钢应用中，采用了流体或水冷板，以保护炉子的上壳、炉顶和侧壁免受熔化钢产生的极端热量和电弧辐射的影响。由于取得了优异的效果，这种解决方案得到了广泛的应用。然而，水冷板的引入带来了水从受损板漏入炉内的风险。尤其是，冷却剂面板结构设有一个或多个蛇形延伸的冷却管或管道，与炉侧壁热接触。水作为冷却液在冷却管中循环，以影响炉内冷却和散热。由于炉子内部的极端热变化和电弧炉装料阶段废料的影响，冷却板受到强烈的热机械应力。最终，由于膨胀/收缩过程、热应力和废料冲击，面板结构可能会开裂，导致水直接溢出到炉内。

当液态水进入电弧炉时，它将立即开始沸腾产生蒸汽(水蒸汽)。随后，生成的水蒸气可以在液态水周围形成气膜，从而减少传热并延长沸腾时间。当熔炉中有熔化的熔渣和金属时，存在爆炸危险，然而，如果出现突然的干扰，例如未熔化的废料落入池中，或电弧炉摇晃或倾斜时，这可能变得特别严重。由此产生的熔融“晃动”很容易将液态水淹没在熔渣和钢水下面。

在这种晃动的情况下，通常会发生两次爆炸，第一次爆炸是由于蒸汽被困在地下喷射出熔融金属和熔渣，第二次爆炸可能是由于电弧炉内存在的可燃气体co和h2的快速点燃而引起的更严重的爆炸。在这方面，电弧炉干舷中的h2浓度可能由于漏水产生的h2o减少而升高。

人们已经认识到，有效、实时的电弧炉漏水检测技术的商业化将是所有电弧炉车间的重要安全工具。事实证明，在可靠的水平上发展这种技术是困难的。

通常，电弧炉漏水的检测是在停炉期间对炉进行目视检查的基础上进行的。这种做法只依赖电弧炉操作人员的专业知识，可能会受到人为错误的影响。已经提出了自动检测水冷板泄漏的系统，包括监测水冷系统的压力/流量、分析炉内废气中的湿度和分析板结构的振动。

为了检测漏水情况，提出了直接测量进出水流量。经验表明，简单的全局输入/输出流量测量容易产生高信号噪声和低响应时间。关于水冷系统的压力/流量监测，通常炉水面板是更复杂的电厂冷却方案的子系统。由于工厂的正常运行，流量和压力出现显著变化，漏水的影响可以掩盖在正常压力/流量行为中。在这种情况下，为了提高漏水检测的有效性，需要在外壳中安装多个冷却水回路，回路中的每个面板都装有流量、温度和压力传感器，参见例如l.s.valentas和e.p.tierney，美国专利7832367，其全部公开内容通过引用并入本文。由此产生的大规模传感器网络增加了系统的复杂性，影响了系统的可靠性、维护和资金成本。

本文还提出了炉内废气湿度分析作为检测方法。由于水泄漏的副产物是气态的(h2和h2o蒸汽)，废气分析可以作为电弧炉水检测的一种有效而快速的方法。这种废气分析系统必须能够对废气中的h2和h2o蒸汽进行可靠和准确的分析。废气中存在许多“正常”的h2o蒸汽源，包括从燃料燃烧炉中或燃料燃烧炉中注入的废料上残留的残油中产生的燃烧产物，以及废料上的水分和通常用于冷却电极的喷水。因此，已经认识到，尾气-水泄漏检测系统优选地配备有能够区分尾气化学中的h2和h2o蒸汽的这些“正常”水平和与水面板泄漏相关的“异常”水平的软件。迄今为止，用于检测水蒸气的传统废气分析技术的一个主要限制仍然是开发软件，该软件能够可靠地将实际漏水与工艺和典型炉子操作所产生的正常湿度变化区分开来，同时保持可接受的漏水错误报警率。

lumarmetals最近提出了一种基于在面板结构中流动的流体提供的振动分析的检测系统，该系统在申请号为wo2014013362a1的国际专利公开中进行了描述，其全部内容通过引用整体并入本文中。这种方法依赖于压电传感器的使用，压电传感器安装在带有冷藏管的流体向前流动的方向上。该系统监测通过冷藏管道输送的水的湍流行为。在运行中，在系统启动之前，对系统的振动标准行为进行详细的调查。当压电传感器检测到这种振动行为的变化时，软件会分析扰动，以确定其是否由漏水引起。将泄漏产生的振动噪声与“正常条件”下产生的流动噪声进行比较，从而在检测到显著差异时产生警报。人们认识到，这种方法的一个主要局限性在于电弧炉环境的显著振动噪声，这可能会掩盖泄漏现象。

技术实现要素：

本发明的所有应用的共同特征包括检测管道或通道中的流体泄漏。因此，本发明的一个非限制性目的是提供一种改进的装置以及用于听觉监测与管道或通道中所含流体相关的一个或多个操作参数的方法。更优选地，该系统提供了一种可操作的装置，其可在用于冷却炉侧壁板、烟管板的管道、通道或流体管道中听到泄漏，还能在喷枪、风口或其他辅助冷却设备中听到泄漏，并且这种装置例如可用于但不限于工业炉，例如用于钢铁工业的炉。

另一个非限制性目标是为燃料或输油管道、管道或其他流体管道提供检漏装置，其降低了先前检漏装置/解决方案的局限性和缺点，并且优选为用于工业应用的冷却回路中的检漏装置，例如在面板、导管、喷枪、风口、金属铸造模具等中的检漏装置，以及最优选为用于在电弧炉或其他冶金炉中应对漏水检测问题的那些检漏装置，如果液态水与熔融金属接触，则存在严重爆炸威胁。

本发明的另一个非限制性目标解决了快速可靠地检测由于电弧炉或其他工业炉冷却面板结构的机械断裂而导致面板漏水的需要。为了克服与现有技术系统相关联的至少一些缺点，本发明提供了一种监测和/或检测系统，该监测和/或检测系统可用于通过声音监测冷却液工业装置的一个或多个操作参数。监测和/或检测系统包括一个声学传感器组件，该声学传感器组件被定位和配置为在安装的冷却液流中发送、接收和感测一个或多个声学信号。更优选地，声学传感器组件包括一个或多个位于流体中的声学传感器。最优选地，其包括一个或多个各自的信号发射元件和一个或多个信号接收元件，二者均直接布置在冷却剂流体流中，并且其中选择声学传感器组件以高于和/或低于背景噪声频率范围发射和感测声学信号，其中背景噪声频率范围与装置正常或典型运行相关的。

更优选地，声学传感器组件操作以发射和接收代表流体在其中流动的回路中的传播条件的声学信号。感测到的声学信号包括由远离背景噪声发射的目标频率和流内的背景噪声发射的目标频率。数据被发送到处理器，该处理器运行以将从声学传感器组件接收的数据信号与一个或多个目标频率剖面进行比较。目标频率剖面优选地预定为表示与发送的已知信号相关联的声学频率。附加的声学频率与预定的安装操作参数或事件相关，并且该附加的声学频率可包括但不限于与正常安装启动和/或关闭程序相关的频率；与正常或最佳安装运行操作相关的频率，以及与特定安装危险(如容器破裂、漏水等)相关的频率。处理器可操作以将由声学传感器组件检测到的感测声学信号的一个或多个频率分量同与发送的信号和安装操作参数相关联的一个或多个预定目标频率进行比较，并输出警告和/或控制信号，其中比较的频率分量偏离其目标频率预定的阈值量。

更优选地，本发明提供一种方法和设备，用于检测导管和管道的流体泄漏，更优选地，用于使用冷却板和其他辅助设备(例如但限于管道、喷枪、风口、铸造模具等)检测工业应用中出现的冷却液泄漏，并且最优选地用于检测在冶金炉(例如炼钢电弧炉和转炉)中发生的流体泄漏。

申请人已意识到提供一种用于检测和/或感测在装置冷却液导管的冷却液流中传输的已知声学信号，有利地减少可能导致错误读数的入射背景噪声。尤其是，申请人已经认识到，冷却剂流体流，特别是通过冷却板或冷却通道(如炼钢应用中使用的冷却板或冷却通道)的冷却剂流，可有利地可以提供到炼钢炉或辅助设备的更直接的信号路径。通过检测通过冷却液流传输的已知发射的音频信号，不仅可以监测传输和接收器之间的传输路径以及炉的持续运行，而且还可以听到炉的异常情况，同时降低来自环境噪声信号的干扰。在一个实施例中，本发明提供至少部分基于以下原理的泄漏检测装置和方法：

传播声波进入和/或沿着冷却水或其他流体流动的可能性；和

冷却管道或管道基础设施中出现的任何不连续性，如泄漏，或输送流体中出现的任何不连续性，都会在传输声波中产生或影响声波瞬变，而声波在冷却液流中以波异常或变化的形式传播。

在一个非限制性实施例中，本发明提供了一种用于监测冷却液冷却的工业装置(例如工业炉)的操作的系统，该系统可用于从声学上识别计划的和意外的装置操作参数。申请人已意识到，通过监测检测到的声波频率的变化，可以监测炉的预期持续运行参数，以及检测可能出现的维护或安全问题。在简化结构中，该系统配备有一个声学传感器组件，该声学传感器组件具有一个或多个声学传感器，所述声学传感器位于一个或多个流体管道中和/或沿着一个或多个流体管道布置，在最优选的应用中，所述一个或多个流体管道与待冷却的装置的熔炉部分热接触。所述声学传感器组件适于发送和接收代表声学信号的电子数据，所述声学信号通过流体传播以进行处理。优选地，选择用于处理的声学信号的频率低于或更优选地高于所确定的装置的背景噪声。

申请人已明白，大多数装置在其正常操作周期内，会借助其操作而发出可识别范围内的背景操作噪音。举例来说，人们已经认识到，对于电弧炉(eaf炉)等工业钢炉，在正常条件下运行的eaf炉将发出频率在0至小于10khz范围内的声学噪声信号。类似地，通过基本的音频监控技术，可以容易地确定其他独立工业炉和/或辅助设备和其他装置在其典型或最佳日常运行期间所发出的背景噪声频率。

申请人已意识到，不仅可以对工业炉的正常运行参数进行声学监测，例如在电弧炉的情况下，还可以对熔化和装料操作进行声学监测，还可以使用声学传感器识别异常或潜在的危险的熔炉操作参数，如漏水、氧气不完全或无效和/或熔炉燃料喷射或输入、和/或不完全燃烧和/或反应。在优选方面，设想在检测到异常操作事件时，系统将输出适当的信号以通知操作员或更优选地启动自动安全协议和/或调整熔炉控制或输入以减轻或改善任何缺陷或危险。

更优选地，本发明提供一种通过监测在面板内流动的流体的声学响应和/或变化来评估流体导管和/或面板结构完整性的系统和方法。最优选地，本发明提供一种具有至少一个、且优选两个或更多个水听器或振动声学传感器的系统，所述水听器或振动声学传感器用作音频传感器/接收器。音频传感器被放置在要监视的导管或管道结构上，并且更优选地位于要监视的导管或管道结构中，并且优选地与移动的冷却液接触。为了在流体流过导管或管道时最小化与流体浊度相关的背景噪声，系统最优选地运行以使得沿管道的流体流动没有空气空间，并且由此流体不被提供为自由表面或明渠流。申请人已理解，有利地将流体流提供为自由无表面管流，可有利地将空气夹带和管内浊度减至最小，这不利地可导致产生不希望的二次噪声或声音信号。

在一个实施例中，系统是可操作的，由此在流体流动沿其流动的引导导管或结构中发生的任何变形或缺陷将影响流动传播特性，并因此影响在流体自身内流动的压力或声波。因此，通过监测和检测在预先选择的声波频率下沿、通过和/或穿过流体管道传输的信号或波的变化，可以识别流体泄漏和流动不规则。

在另一实施例中，一个或多个声学发射器沿流体导管或管道放置，或更优选地直接放置在流体导管或管道内，例如但不限于工业炉冷却面板的冷却流体导管。声学发射器优选为全向发射器，然而也可以使用线性和/或定向信号发射器并操作该线性和/或定向信号发射器以发射输出声学信号。一个或一个以上的声学传感器沿着并且优选地位于流体导管内，该流体导管距离信号发射器一段距离，以检测和感测所发射的声学信号。最优选地，至少一个声学传感器被定位在下游位置，该下游位置朝流体流的中间部分间隔开，并且与流体导管侧壁分离一段距离。这样的定位可以有利地减少与管道和/或熔炉冷却板振动相关的背景噪声问题。

在进一步的实施例中，该系统可以操作，使得声音信号发射器或发射器组件以一个或多个选择的频率或频带发射已知的声学信号(波形)或声音。声学传感器组件可操作以检测与发射信号相关的预选基线频率。在一种可能的操作模式中，声学传感器可操作以检测所发射的音频信号中的一个或多个频率或频带的变化，或检测到作为流体泄漏存在的指示器的次级声学频率或信号的存在。

在一个非限制性实施例中，声学发射器可操作以在与流体导管或管道的共振频率相关的频率下发射一个或多个输出声学信号。在一种可能的模式中，声学信号由声学发射器以选择的优先沿流体导管或管道传播的频率输出，以便在一个或多个系统音频传感器/接收器处提供相对强的信号剖面。在一个可能的简化实施例中，可以通过声学测试和/或实验建模预先选择输出信号的信号频率，以预先识别频率范围，该频率范围对于所选择的流体导管或管道几何结构或配置显示最佳传播特性。

在另一个可能的实施例中，系统可以与声学发射器和音频传感器/接收器一起工作，以自动初始化和/或重新校准并选择用于输出和检测的最佳频率。在一种非限制性操作模式中，在初始化时，并且优选地在预设的重新校准周期上，声学发射器操作以在频谱范围内输出多个不同的测试声学信号。在一种模式下，以1至5khz的增量，单个输出频率可在约10khz至约75khz之间变化。系统音频传感器/接收器分别感测沿管道或导管传播的单个测试输出信号。然后，例如通过系统处理器和存储器，将每个单独测试信号分布曲线的信号强度彼此比较。一个或多个预选基线频率是根据其传播强度或其他特性来选择的。在一种可能的模式中，优选地选择用于输出的选定基线频率作为信号频率，该信号频率在信号发射器和音频传感器/接收器之间的流体导管或管道上相对地表现出更强或最强的信号传播。在替代的可能模式中，基线信号频率可被预选为输出信号频率，其提供的信号强度超过所有测试声学信号的平均或中值信号强度的最小阈值量。

可选地，在系统的初始化和/或重新校准以识别预选的最佳基线频率之后，可以驱动声学信号发射器发射为已知的声学信号，即根据基线频率定制的信号。在一种模式下，声学传感器可操作以检测直接输出的特定基线频率。在替代可能模式下，系统可与声学传感器协同作用，以检测输出主基线频率(f0)和/或其一个或多个相关谐波频率(即f2＝2f1；f3＝3f1；和更高的多次谐波)的变化。

在另一操作模式中，系统可操作以在第一位置发射声学信号，并且该声学信号具有预选的基线频率。音频传感器组件在第二位置检测所发射的信号，并输出用于识别基线频率的所选分量何时偏离预选目标或正常频率阈值量的数据信号。在识别这种情况时，向用户或控制系统输出指示特定安装操作参数的信号，并且最优选可能存在的冷却面板或管道泄漏。优选地，该系统可用于检测发射的基线频率，并识别其一个或多个预选频率峰值是否上升或下降预选阈值量，该阈值量指示可能的导管泄漏。该系统可操作，其中一个或多个感测目标频率峰值的识别增加和/或降低至少2倍，优选至少5倍，且最优选至少10倍用于指示潜在泄漏。

最优选地，该系统可用于检测电弧炉冷却面板等中的漏水。优选地，该系统具有音频信号发射器，该音频信号发射器用于发射目标频率范围在电弧炉的背景噪声频率以下且更优选地在该背景噪声频率以上的已发射音频信号。在最优选的结构中，音频信号发射器被配置成在与音频系统传感器上游隔开的位置处沿着冷却面板的冷却管发射和传播输出音频信号。

进一步认识到，本系统的另一实施例声学发射器发射器组件和/或声学传感器组件可各自扩展以包括多个耦合信号发射器和/或单个声学传感器。

因此，本发明不受限制地提供了各种方面，其中包括：

1.在工业炉和/或辅助设备(如喷枪、风口、铸造模具等)的电路组件中，用于检测流体泄漏和优选冷却液或水泄漏的流体泄漏检测系统；所述电路组件包括一导管，用于沿着该导管接收冷却液流，所述冷却液与所述待冷却设备的一部分热连通，所述声波发射器可沿所述导管的至少一部分发射和传播输出声波信号，所述输出声波信号包括一个或多个在工业装置的背景噪声频率以上选择的频率范围内的预选基线频率分量，用于接收和感测沿着所述导管与所述声学发射器隔开的位置处发射的声学信号的声学传感器，所述声传感器可操作以输出代表感测发射的声音信号的数据信号，与所述声学传感器电子通信的处理器，所述处理器包括可操作的程序指令，以比较感测发射的声学信号中的至少一个基线频率分量是否偏离各自的预选目标频率阈值量；并且在将所述至少一个比较的基线频率分量识别为以阈值量偏离预选目标频率时，输出指示潜在的冷却液泄漏的信号，以及影响预先选择的安全协议的控制信号中的至少一个。

2.一种监测和检测系统，用于监测工业应用和/或装置中流体的工作参数，工业应用和/或装置包括一个接收流体流动的流体导管，一个可操作以发射和传播沿所述导管的至少一部分输出声学信号，所述输出声学信号包括一个或多个预先选择的基线频率分量，所述基线频率分量在工业应用的背景噪声频率以上选择的频率范围内，布置成接收感测所述流体流中发射的声学信号的一声学传感器组件，感测的声学信号在与工业应用和/或安装相关的背景噪声频率范围之上或之下的频率范围内，所述声学传感器组件可操作以输出代表感测的声学信号的数据信号，与所述声学传感器组件进行电子通信的处理器，所述处理器包括存储器和存储在存储器中的程序指令，所述存储器可操作以将感测的声学信号的至少一个频率分量与与安装操作参数相关联的至少一个目标频率进行比较，并且当感测的声学信号的比较频率分量偏离目标频率阈值量时，产生指示相关操作参数的操作状态的输出信号和/或用于控制所述工业应用和/或装置的操作。

3.检测电弧炉(eaf)的冷却面板中的水冷却泄漏的漏水检测系统；所述冷却面板包括与要冷却的电弧炉的一部分热连通的冷却流体导管，所述冷却流体导管接收作为其中的冷却剂流的水流；一种声学发射器，其可沿所述导管在第一位置向所述冷却剂流发射输出声波信号，所述输出声波信号包括预选基线频率分量，该基线频率分量的频率范围在约10khz至约100khz之间，以及更优选地，在大约40khz到75khz之间；一种声学传感器组件，包括至少一个布置在沿着所述导管的第二位置处的声学传感器，所述导管与所述第一位置隔开，所述声学传感器可操作以感测所述冷却剂流中发射的声学信号并输出数据信号，该数据信号代表在第二位置被感测的发出的声学信号；一处理器，其与所述声学传感器组件进行电子通信，所述处理器具有存储器和存储在所述存储器中的程序指令，所述存储器可操作用于比较感测到所发射的声学信号的基线频率分量是否偏离存储在所述存储器中的预选目标频率达阈值量；并且在识别出所比较的基线频率分量偏离预选目标频率所述阈值量时，输出信号指示冷却板中可能有水冷却液泄漏的信号的至少一个，以及一个或多个控制信号，所述一个或多个控制信号可操作以影响电弧炉的自动安全协议。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中输出声学信号的预选基线频率分量相对于导管的至少一部分的共振频率来进行预选。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中预选的基线频率分量具有选择来优先沿所述流体流传播的信号频率，其中所述流体优选地是冷却流体。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中所述输出声学信号包括脉冲信号，该脉冲信号的脉冲持续时间选择在大约0.25到3分钟之间，优选在0.5到1分钟之间，而该脉冲信号的脉冲重复周期在大约1到5分钟之间。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中所述处理器包括存储器，所述预选的目标频率存储在存储器中，所述程序指令进一步操作以对所感测的所发射的声学信号执行至少一种以下操作，所述操作包括信号放大、时间序列分析、傅里叶变换(包括短傅里叶变换)、时频分析、频谱分析、滤波理论、信号自相关和互相关。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中所述工业装置或炉包括电弧炉(eaf)，所述冷却组件包括电弧炉冷却板，所述冷却液包括水，所述电弧炉的背景噪声频率小于约10khz，其中预选的基线频率分量包括目标频带，该目标频带的频率范围大于约10khz，优选在约10khz到约100khz之间，且最优选在约40khz到约75khz之间。

根据上述或下文描述的任何方面的系统。其中，沿着所述导管的所述流体流包括基本上自由的无表面的管流，并且其中，所述声学发射器被定位以在所述流体流的中心部分内发射所述输出声学信号。

根据上述或下文所述的任何方面的系统，其中所述声学传感器被定位以在所述声学发射器下游的位置处的所述流体中心部分流内接收和感测所述发射的声学信号。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中，所述导管包括通常为蛇形的导管段，所述导管段具有流体入口端部和流体出口端部，所述声学发射器被布置在靠近所述流体入口部的第一上游位置处的所述流体流中，所述声学传感器设置在所述流体流中，所述流体流位于第二位置，所述第二位置与所述第一位置的下游间隔开，所述第一位置的下游间隔朝向所述出口端部。

根据上述或下文所述的任何方面的系统，其中所述声学传感器沿所述导管与所述声学发射器间隔开与应用相称的距离，并且在最优选的应用中，间隔在约5到50米，优选10到30米之间。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中操作参数从包括流体流动的潜在中断和流体的潜在损失的组中选择。该系统还包括定位成在所述流体流中发射所述声学信号作为所发射的输出声学信号的声学发射器，所发射的输出声学信号包括预选的基线频率分量，所选择的预选的基线频率分量在背景噪声频率范围之上，并且其中程序指令可操作以将所感测的所发射的声学信号的所述基线频率分量与至少一个预定目标频率进行比较；并且在识别到所比较的基线频率分量偏离至少一个预定目标频率阈值量时，处理器生成指示流体潜在损失的信号作为输出信号。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中所述声学传感器组件包括声学传感器，所述声学传感器定位成在所述声学发射器下游的位置接收和感测所述流体流中的所述声学信号。

根据上述或下文所述的任何方面的系统，其中所述流体导管包括具有流体入口端和流体出口端的通常呈蛇形延伸的导管，所述声学发射器朝向所述流体入口端布置，以及所述声学传感器组件朝向流体出口端布置，其中流体流包括基本上自由的无表面的管流。

根据上述或下文所述的任何方面的系统，其中工业装置包括炼钢炉，所述冷却液包括水，和/或与预定目标频率相关联的操作参数是从由碳注入效应、氧枪注入流、炉燃烧气体流和冷却水泄漏组成的组中选择的一个或多个。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中操作参数包括从碳注入效应、氧注入流和炉燃烧气体流组成的组中选择的钢炉操作参数。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中，所述工业装置包括工业冷却设备，例如熔炉、喷枪、喷射器、烟道、风口、面板、铸造模具、流体压缩机等，所述冷却液包括水等，以及与预定目标频率相关联的操作参数为选择的一个或多个操作参数，以确定冷却剂流体泄漏。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中所述处理器可操作以对输出数据信号执行信号放大、时间序列分析、傅立叶变换(包括短傅立叶变换)、时频分析、频谱分析、滤波理论、信号自相关和互相关中的至少一个。根据上述或下文所述的任何方面的系统，其中所述流体导管包括蛇形延伸的导管部分，该导管部分具有上游入口端部分和下游出口端部分，所述流包括基本上自由无表面的流体。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中，所述声学发射器包括用于定位在流的基本中心部分的换能器，所述至少一个声学传感器包括布置在所述流的所述中心部分的相应信号接收部分。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中所述传感器组件包括沿着所述导管在不同位置间隔开的多个所述声学传感器。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中所述系统在系统初始化和周期性系统重新校准的一个或多个上可操作，以；

驱动所述声学发射器输出多个测试声学信号，每个所述测试声学信号具有相关的信号频率，

使用一个或多个声学传感器检测测试声学信号，以及

比较检测到的测试声学信号，以识别与管道共振频率相关的相关声学信号频率。

根据上述或下文描述的任何方面的系统，其中目标频带和/或基线频率分量处于在约48至约70khz之间选择的频率范围内。

根据上述任一方面的系统，其中，在识别与共振频率相关的声学信号频率时，系统以识别的声学频率输出发射的输出声学信号。

附图说明

现在可参考以下详细说明和附图，其中：

图1示意性地示出了根据本发明第一实施例的系统在检测冷却液漏水方面的操作；

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的电弧炉炉壳监测和泄漏检测系统；

图3示意性地示出了图2系统中用于冷却炉侧壁的冷却板；

图4示意性地示出了图3所示的电弧炉冷却面板漏水检测系统；

图5示意性地示出了根据本发明第二实施例的图3所示的检测冷却液和漏水的系统的操作；

图6示出了根据优选实施例的用于发射预选基线频率信号的示例性声学信号发射器/传感器；

图7a和7b示意性地示出了显示图6所示信号发射器/传感器安装在图2所示冷却面板的冷却液导管侧壁中的部分横截面图；

图8示出了在图3所示的泄漏检测系统中使用的示例性声学接收器/传感器，用于感测和检测冷却面板的冷却液导管管道中的声学信号；

图9a和9b示意性地示出了一个局部横截面图，显示了图9中的声学接收器/传感器在冷却液导管侧壁中的安装；

图10a和10b示意性地示出了使用图3系统检测漏水时声学频率信号的发送和接收；

图11以图形方式显示了在传统电弧炉操作过程中由图1所示的电弧炉发出的被监测的背景频率声纹；

图12所示为频谱分析，说明了在模拟正常和泄漏/裂纹条件的实验条件下，发射基线频率信号的检测频率分量的变化；

图13、14和15显示了频谱分析，说明了在密封和模拟泄漏/裂纹条件下，构成感测的基线频率信号一部分的多个感测目标波长频率的变化；

图16a和16b显示了电弧炉发出的检测到的背景声学信号的频谱分析，显示了燃烧气流产生的信号效应的变化；

图17a和17b显示了电弧炉发出的检测到的背景声学信号的频谱分析，显示了氧枪流量影响的信号变化；

图18a至图18c显示了电弧炉发出的检测到的背景声学信号的频谱分析，显示了碳注入影响的信号变化；以及

图19a至19c显示了电弧炉发出的检测到的背景声学信号的频谱分析，显示了信号随电弧稳定性的变化。

具体实施方式

下面的描述描述了优选实施例中的声学泄漏检测系统设计的方法。应当理解，类似的方法适用于其他实施例的声学泄漏检测系统的设计。

可参考图1，其中示出了泄漏检测系统26，分别包括声学信号发射器38和声学信号接收器组件40，该声学信号接收器组件40包括至少一个声学接收器或检测器42。声学检测器42和发射器38优选地沿导管28隔开。尽管不是必需的，但是检测系统26优选地包括传感器系统处理器44。在非限制方面，传感器处理器44可以被提供为声学信号接收器组件40的一部分，并且其优选地与声学信号发射器38和声学信号检测器42电子通信并控制两者。更优选地，进一步设有传感器系统处理器44，其与控制cpu20电子通信，并且运行以向控制cpu20输出表示感测音频信号组件的数据信号。优选地，选择信号发射器38以在一个或多个预选目标频率处生成音频或声学信号。最优选地，发射器38工作以发射目标频率范围在约10至100khz和优选约40至75khz之间的声学信号s0(t)，作为脉冲信号，该脉冲信号以在约0.25至5分钟、优选约1至3分钟之间选择的脉冲持续时间内循环。

考虑到管道30的谐振频率，目标频率(f0)最好预先选择为优先沿冷却流体导管28传播。目标频率(f0)可通过以不同已知频率单独发射和感测一系列测试信号来预选，以识别在发射器38和检测器42之间提供不同且优选的最强信号传播的频率。在另一个实施例中，在初始激活和/或定时或强制重新校准时，声学信号发射器38可被驱动以发射一系列测试信号，每个测试信号具有相关的信号频率。测试信号可在10khz至100khz的信号频谱范围内以1至5khz的频率增量输出。在信号检测器42感测并向cpu20输出代表每个测试信号的数据信号时，cpu20可被激活以自动选择特定声学测试信号so(t)作为具有供使用的最佳目标频率。在一种模式中，所选择的静止信号被选为信号频率，该信号频率沿着冷却流体导管28显示出令人满意的传播特性。例如，这些特性可以包括但不限于与被测试的剩余测试信号和/或在具有检测到的信号强度的信号频率下的剩余测试信号相比，在信号发射器和信号检测器之间表现出最强信号传播的信号频率，其中检测到的信号强度超过检测到的测试信号的中值或平均信号强度的阈值量。

信号接收器42被提供为选择用于接收由信号发射器38生成的目标频率范围内的振动和声学信号的振动声学传感器，以允许在已知基线源信号和检测到的信号简档中的任何变化之间进行比较。信号发射器38优选地安装在流体入口32附近，并且定位为在水流101的中间部分发射输出声学信号。信号接收器42优选地位于流体出口34的上游和附近，以便在水流101的中间部分检测和接收声学信号。

如图1所示，启动流体循环系统以使冷却水流101通过导管28循环，从而沿着流动路径100移动。同时，传感器处理器44用于激活信号发射器38以从信号发射器38发射预选的声学信号s0(t)，脉冲持续时间在0.25秒到1分钟之间，脉冲循环重复时间在1到5分钟之间。信号接收器42同时被激活以接收和检测发射的信号能量，该发射的信号能量在沿着导管28流动时沿着导管通过水流101传播。

信号接收器42优选地经校准以获取特定目标基线频带(f0)(接收器模式)中的振动声学信号和/或其与预选发射基线频率相关的谐波频率(f1、f2…)。在一种可能的工作模式下，每个基线输出信号的谐波频率由奈奎斯特-香农采样定理确定。

给定f0为矩形脉冲的主频，fs为接收装置的采样频率，发送信号的谐波为ii–2*f0

iii–3*f0

iv–4*f0

v–5*f0

接收到的目标基线信号的频谱将在频域内从0到fs/2(通过傅里叶变换)，信号谐波>fs/2将置于0-fs/2间隔内，根据：

falias＝fs/2–(f–fs/2)＝fs–fforfs/2<f<fs

falias＝f–fsforfs<f<3/2fs

falias＝fs/2–(f–3/2fs)＝2fs–ffor3/2fs<f<2fs

基于上述方程，可在fs＝150khz时计算每个输出基线信号的谐波频率。

数据集:w6tx4_20171023_142326

·f0(主载波)48.3khz

·ii:53.4khz

·iii:69.9khz

·iv:43.2khz

·v:58.5khz

在水冷电弧炉12(图2)的情况下，发射的目标频带通常在约40至75khz之间。申请人明白，根据个别工业装置或炉型，可根据工业装置在其正常操作期间产生的背景噪声信号，选择不同的目标频率。更优选地，信号发射器38可操作以产生和发射特定目标声波(换能器模式)，该特定目标声波在处理器44中调谐到所监视的冷却条件的特定传播特性。

可参考图2，该图说明了用于电弧炉(eaf)监测和冷却剂泄漏检测的系统10。系统10包括具有由冷却面板阵列16冷却的炉侧14的电弧炉12和中央处理单元(cpu)20。如将要描述的，cpu20用于输出调节熔炉12及其辅助系统的操作的控制信号，以及向用户显示器22提供指示正在进行的熔炉操作参数和条件的输出。

在所示的实施例中，冷却面板阵列16由单个冷却面板18a、18b、18c、18d组成。如图2所示，每个冷却面板18还具有相关联的漏水检测系统26，该漏水检测系统26与cpu20进行电子通信。

更具体地，每个冷却面板18被设置为水冷面板，例如，水冷面板用于形成电弧炉炉壁14的一部分。如图3所示，面板18配备有蛇形延伸的冷却流体导管28，该导管28用于放置与要冷却的熔炉12的一部分热接触的位置。冷却液导管28由一系列通常对齐的圆柱形金属冷却管30a、30b、30c…30n的焊接连接而成，这些金属冷却管优选地以基本上并排的方式连接，并且每个管30的下游端与下一个相邻管30的上游端流体连通，其上有一个弯头，以便沿该弯头定义一个弯曲的冷却液流动路径100。冷却导管28从最上游的流体入口32延伸至最下游的出口34，冷却水通过该入口流入面板18。入口32和出口34与水冷循环系统(未示出)流体连通。水冷却循环系统由cpu20控制，并通过冷却面板18的导管28f泵送冷却水作为冷却液流。泵送的冷却水流过并沿着冷却流动路径100的金属管30a、30b、30c…30n流向出口34。优选地，水冷却循环系统操作以提供沿着冷却剂流体流动路径100的冷却水流101(图4)作为流体的自由表面流动，由此冷却水基本上占据整个冷却管体积，而不是作为明渠流。当从出口34离开时，温水返回到水冷循环系统进行冷却和随后的再循环。

图3和图4分别示出了每个泄漏检测系统26，其包括声学信号发射器38和包括至少一个声学接收器或检测器42的声学信号接收器组件40。声学检测器42和发射器38优选地沿导管28彼此间隔约5到50米。尽管不是必需的，但是每个检测系统26优选地包括传感器系统处理器44。在非限制方面，传感器处理器44可以被提供为声学信号接收器组件40的一部分，并且其优选地与声学信号发射器38和声学信号检测器42电子通信并控制两者。更优选地，传感器系统处理器44还与电弧炉cpu20进行电子通信，并操作以向其输出表示感测音频信号分量的数据信号。当从面板电路18接收到输出数据信号时，cpu20工作以在检测到冷却面板18中漏水的情况下向熔炉12提供警告和/或关闭或其他控制信号。或者，泄漏检测系统26输出的数据信号可以直接在cpu20中发送和处理，以提供用于调节熔炉操作的警告和/或自动控制系统。

尽管图1示出了本发明的实施例，其中声学信号接收器组件40包括单个声学检测器42，但本发明并不限于此。可参考图5，图5示出了本发明的替代实施例，其中类似的附图标记可用于识别类似的组件。在所示的结构中，声学信号接收器组件40配备有单独的声学检测器42a、42b，声学检测器位于沿着导管28的间隔位置处。

应当理解，在替代结构中，系统26可以配备多个发射器38和/或更多个信号接收器42，以及包括发射/接收能力的单个传感器。作为非限制性示例，可以在冷却液流动路径100的每根管道30a、30b、30c…30n的不同间隔位置处提供多个接收器42，用于识别沿不同流动路径段的声学信号传播的不稳定性。在替代的可能结构中，可以提供多个发射器38以同时或顺序发射不同频率和/或不同持续时间的声学信号，以供一个或多个接收器42检测。

图6、7a和7b示出了图3所示的水检测系统26中使用的声学信号发射器38的优选结构；以及其穿过导管30的侧壁的布置。发射器38具有安装在螺纹支撑柱64的前端上的灯泡状传感器头62。如图7b中清楚示出，支撑柱64具有选定的长度，使得当发射器38安装在穿过导管30的侧壁的孔70中时，传感器头62位于水流101的中间部分。传感器头62具有选择的圆锥形或圆形整体轮廓，以在冷却水流101移动通过导管28时最小化导管28内湍流涡流的产生。由锁环68和螺纹螺母72组成的锁环组件66用于将传感器头62固定在冷却管侧壁中形成的孔70中，因此，传感器62的信号频率发射端通常位于与冷却流体流101的流的中心部分相邻的位置，并且与管道隔开一段距离。

图8、9a和9b显示声学检测器42，包括安装在螺纹支撑柱80上的声学信号感测传感器78。感测传感器78优选地具有选择用于最小化水流101中的湍流和涡流的形成的圆柱形细长椭圆形主体轮廓。图9b最清楚地显示了用于安装声学检测器42的锁紧环组件82，该锁紧环组件82包括锁紧垫圈84和锁紧螺母86。垫圈84和锁紧螺母86用于将传感器78固定在管道30侧壁的下游成形孔径74中，传感器78朝向管道30的中间，并固定在与管道侧壁隔开的冷却剂水流101的中间部分。

在使用中，传感器/处理器44最初被操作以在正常炉操作条件下影响信号发射器38和接收器组件40之间用于每个冷却面板18的基线声学响应的特性。通过处理已知信号源的声音测量，传感器处理器44可以因此处理和表征导管28的完整(未改变)引导结构的声信道响应。

通过确定声信道响应，随后由声学检测器器42对发射的声音信号进行的传播和测量允许对检测到的声学信号以及待处理的结果数据进行分析，以识别在信号发射器38和声学检测器42之间发生的冷却面板结构中的故障或异常，其可能指示可能指示管道破裂或泄漏的破裂。

在优选模式下，传感器处理器44和/或cpu20的典型信号处理可以包括但不限于信号放大、时间序列分析、傅里叶变换(包括短傅里叶变换)、时频分析、频谱分析、滤波理论、信号自动和相互关联。因此，泄漏检测系统26利用声学信号接收器检测器42来检测和获取在冷却导管28内的水流101内以预选目标频率移动的振动声信号或波能量。

如图10a和10b所示，系统26以已知的预选频率和所选的脉冲时间间隔发出和发射声学信号，以导出引导导管28结构的声信道响应。如图10a和10b中示意性地示出的，信号发射器38可操作以在10至100khz的频率或频率发射具有预选波形的预定基线声学信号。最优选地，由发射器38从在导管28内流动的水流101内的点发射基线信号。发射的基线频率作为声学信号s0(t)通过水流101并沿着导管28传播，其中在下游位置由声学检测器42感测和检测到该声学信号s0(t)。系统26能够更准确地分离和识别由于破裂或断裂而检测到的信号响应的变化。特别地，信号发射器38和信号检测器42分别作为能够在特定目标频率范围内分别发射(换能器模式)和接收(接收器模式)声波的有源传感器工作。传感器处理器44还包括存储的软件，该软件包含估计发射器38和声学检测器42之间的声学信道响应的信号处理算法，反之亦然。泄漏检测算法优选地基于检测到的声学信号和/或其谐波频率相对于已知基线或源信号(测试波)的变化，并且最优选地，所述声学信号和/或其谐波频率已被选择或调谐为在正常炉处理噪声之外，并且与信号检测器42检测到的其它频率的强度相比，预选为沿着导管28提供更好的信号传播。

图10a和10b示意性地显示了在没有泄漏和泄漏情况下的系统。

在操作中，声学信号s0(t)由信号发射器38产生，并直接传播到在导管28中行进的冷却水流101中并沿其传播。朝向导管28的出口端34放置的信号检测器42接收并测量传播的源信号和/或其谐波信号。通过比较接收到的信号和/或其谐波信号与发射源信号，可以估计冷却导管28的声学响应hab(t)。然后，当信号在正常结构中沿着流动路径100移动时，信道响应可用于关联通过冷却水流101的信号的传播特性。这允许从信号接收器获得的测量中减少正常的声学噪声，并且估计来自已知源信号s0(t)的声学信道响应hab(t)。

在发射器38和信号检测器42之间的位置z处发生漏水、破裂或其他此类异常将导致在信号检测器42处记录的检测到的声学响应hab(t)失真。通过信号检测器42处的测量到的信号之间的比较能够检测出面板结构异常，以及传感器处理器44和/或cpu20向熔炉12输出指示和/或响应于检测到的漏水的警告和/或控制信号。

可参考图11至图15，图11至图15以图形方式示出了模拟电弧炉冷却板中的水流体泄漏的实验测试信号中从漏水检测系统26输出的样本信号。在初始操作中，系统26使用声学信号接收器组件40来识别电弧炉12在正常操作循环期间发出的背景噪声信号模式。如图11所示，发现电弧炉12在一次完整加热过程中的操作产生了频率范围为0至约10khz的背景噪声信号。此外，背景噪声信号剖面显示为随特定炉操作阶段或参数的模式响应而变化，背景噪声频率信号在初始熔化和装料以及二次熔化精炼和加工之间变化。

在参照图12最佳所示的实验测试中，检漏系统26被操作以影响由声学信号发射器38输出的预定基线频率，所述预定基线频率被选择在约48.3、53.4、69.6khz的范围内，选择在电弧炉12的0～10khz背景频率范围以上。在实验测试中，使用信号发射器38在冷却水流量101中输出预定的基线频率信号s_0(t)，然后将由声学检测器42检测到的发射信号作为数据发送到传感器处理器44。

如图13至15所示，模拟建立了漏水检测系统26的可操作性，以识别电路28中的潜在液体泄漏。特别是，在流体泄漏或破裂的情况下，由声学传感器42检测到的感测发射频率信号示出了发射基线频率信号中包含的一个或多个预选感测目标频率峰值的显著变化(即振幅的减小或变化)。在模拟管道泄漏的试验研究中，选定的目标频率范围为40000至50000赫兹；显示频率变化w为10倍之多；目标频率为50000至70000赫兹；显示感测到的变化为2倍或更多倍；与接收机在密封工作测试条件下检测到的频率信号进行比较。

已经认识到，在识别所发射基线信号内的感测目标频率发生变化时，系统可以运行以向用户或自动控制器提供指示可能的流体泄漏的信号。

虽然图2和图3示出了炉冷却板18作为通常为矩形的板，但应理解，在本发明的上下文中，板18可以交替地形成为管式电弧炉冷却管，该管式电弧炉冷却管例如形成为具有平行的以端到端方式和/或通过定义蛇形冷却液流动路径的集管连接的管道，同时该管式电弧炉冷却管例如可以构成电弧炉侧壁和/或炉顶的一部分。

尽管图2和图3示出了用于检测电弧炉冷却面板18的冷却剂水泄漏的泄漏检测系统26，但是应当理解，本发明对于检测各种不同环境中的流体泄漏同样具有可操作性。作为非限制性示例，泄漏检测系统26可用于检测在各种工业和工业过程中用于工业装置的液体导管或管道中的液体流体泄漏。这些可能的用途包括但是不限制于检测其他水加热和/或冷却管道、石油管道应用和/或气体或其他冷却液体管道中的泄漏。应当理解，在修改用于不同工业装置的泄漏检测系统26时，首先通过例如传统的声学监测来识别装置的背景噪声频率。此后，选择目标频率由信号发射器38发射和传播，信号发射器38具有唯一的特征轮廓带宽和/或持续时间，以及该特征轮廓带宽和/或持续时间例如允许由一个或多个适当放置的声学检测器42检测、提取和分析发射信号频率分量。

申请人已经理解，在另一操作模式下，系统26可用于监视电弧炉12的正在进行的操作参数。特别地，申请人已经认识到，声学信号接收器组件40可用于连续监测由熔炉12发射的背景噪声。所接收的背景噪声信号可与代表在最佳和/或正常操作期间由熔炉发射的背景噪声剖面的预存储信号剖面进行比较。检测到的背景噪声信号和存储的背景噪声信号之间的偏差可以有利地用于识别其它“故障”操作条件。

作为示例，图16a和16b以图形方式示出了电弧炉12的检测到的背景噪声信号剖面，其示出了检测到的信号分量和在初始装料循环结束时由燃烧气体输入表示的变化。

图17a和17b以图形方式说明了精炼和结束操作期间通过熔炉氧枪引入氧气所代表的检测到的噪声信号频率的变化。图18a至18c和19a至19c用图形方式示出了在熔炉运行期间，测量的噪声谱以及用碳注入和熔炉电弧稳定系数测量的检测到的噪声信号频率和声强的变化。申请人已理解，与常规或基线信号剖面相比，检测到的信号中的偏差可用于识别喷枪磨损问题和/或不完全氧气注入。

虽然具体实施方式将每个冷却面板18描述为具有自己的信号发射器38和处理器44，但本发明并不局限于此。在另一实施例中，可以使用单个信号发射器38或声源和/或信号传感器处理器44来监视多个冷却面板18。信号处理允许识别发射器和声学检测器之间和/或在多个检测器42的情况下，任何两个信号检测器/接收器之间的漏水。

尽管具体实施方式描述了根据本发明的最佳模式的各种优选实施例，但本发明并不严格限于所描述的明示构造。本领域技术人员现在将想到许多变化和修改。