一种天然气管道的户外监测感知系统的制作方法

1.本发明涉及结构健康检测技术，具体涉及一种天然气管道的户外监测感知系统。


背景技术：

2.目前，天然气使用的需要求量越来愈大，但是输气管道经常会穿越危险的环境区域，各种风险会严重改变管道的原始结构功能，从而导致损毁、泄漏和故障，造成严重的经济和生态后果。
3.此外，管线的运营环境自身运行随着时间的推移也会产生额外的磨损甚至损毁。结构和功能监测可以显著提高管道管理及其安全性，也能保障安全生产，定期地提供一些参数描述油气管道的结构和功能变化，监测可以帮助：(1)防止故障(2)及时侦测问题以及部位，(3)及时进行保养和维修工作。
4.目前工程中主要应用各类传感器来对压力、应力、沉降、雨量、温度等关系到系统安全的相关物理量进行实时测量，长期监测。而这些监测对应的数据一般需要先集成到相关平台数据库中，再最终的数据结果呈现给用户，在这种模式下，有以下缺点：
5.(1)一旦外界断网或者无4g信号后，系统就无法独立运行；
6.(2)所有的管线监测数据都存储于云中心，过度依赖云中心，风险性过大；
7.(3)所有信息只能通过云中心计算，对于云中心配置要求较高；
8.(4)现场采集设备无计算功能，数据无法现场展示；
9.(5)现场人员无法现场判断设备运行状态和管道情况。


技术实现要素：

10.发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种天然气管道的户外监测感知系统。
11.技术方案：本发明的一种天然气管道的户外监测感知系统，包括箱体、多通道采集仪和若干传感器，所述各传感器布置于管道，且实时采集现场数据并单独通过数据传输线缆传输至采集仪；所述采集仪设置于箱体内部，箱体安装于支撑杆顶端且支撑杆竖直于场地，支撑杆上还固定有led显示屏，led显示屏上的信号输入端与采集仪的信号输出端通过数据线缆连接；
12.所述采集仪中还设有本地数据存储模块和数据处理模块，本地数据存储模块通过卡槽插入128gb存储卡(sandisk)，收到的传感器数据存储于本地数据存储模块，然后由数据处理模块将收到的传感器数据转换为应变力数据，最终将应变力数据通过led显示屏显示；
13.其中，数据处理模块采用数字信号处理器(dsp)，周期性对传感器数据进行数字滤波、快速傅里叶变换、时频分析、语音信号和图像信号处理最后根据不同传感器数据类型采用相应解算方法进行换算应变力数据，同时，基于不同传感器的位置安装关系利用相应解算法解算出监测截面的附加应力情况，与其最大许用附加应力进行对比，作出正确的预警
和报警，从而真正保护管道的运行安全。
14.采集仪中本地数据存储模块以及数据处理模块等电路集成于同一芯片，并设置在一个时钟周期完成一次乘加运算，进而得到应变力数据，再根据相应解算方法解算出监测截面的附加应力情况。
15.为实现节能环保以及保证供电充足，所述箱体上方安装有单晶硅太阳能板，通过单晶硅太阳能板为采集仪和显示屏供电。
16.为增加系统的稳固性，所述箱体采用不锈钢材质制成，所述支撑杆采用碳钢材质制成。
17.进一步地，所述数据传输线缆的一端连接于传感器组件，数据传输线缆的另一端从支撑杆底部引入且穿过支撑杆与采集仪的信号输入端相连，所述数据传输线缆的外周套有硅芯管，能够保护数据传输线缆，延长其使用寿命。
18.安装在变形体表面的钢弦也会以同样方式变形，变形改变弦的应力，因此也改变它的自然谐振频率(共振)；频率(周期)与变形(应变)之间的关系如下：
19.进一步地，所述传感器为振弦式传感器，且数据处理模块的解算振弦式应变计的方法采用公式：εw＝0.391*109*f220.其中，εw是指应变值，f为振弦传感器接收后的信号频率；例如解调水位、泥位、雨量、加速度等物理量；而振弦的固有频率(共振频率)与应力，长度和质量有关，公式如：
21.lw为弦的长度，单位英寸；f为弦的应力，单位为磅；m为每单位长度弦的质量(磅，sec.2//in.2/)；
[0022][0023]
w为lw英寸长的弦重量(磅)，g为重力加速度(386in./sec.2)；
[0024]
w＝ρalw，ρ为振弦密度(0.2831b./in.3)，a为振弦的横截面积(in.2/)；
[0025]
合并后得出：
[0026]
注意应力(f)可用应变表示，如：f＝εwea；
[0027]
εw为振弦应变(in./in.)，e为弦的杨氏模数(30
×
106psi)；合并后得出：
[0028]
然后用所给数值代替e，g和ρ，得出：
[0029]
在显示振动周期t的“a”档上，乘以系数106，得到：
[0030][0031]
钢件管道的形变必须与弦的形变一致：εwlw＝εlg；
[0032]
ε为钢件中的应变，lg为应变计长度(英寸)
[0033]
合并后得出：
[0034]
lw为2.000英寸，lg为2.250英寸；
[0035]
最终得到：εw＝0.391*109*f2；
[0036]
将所得的最终传感器应变值结果利用led显示屏展示。
[0037]
进一步地，所述管道上安装有三个振弦式传感器，管道的半径为r，则管道的截面最大附加应力z值解算如下：
[0038]
当三个振弦式传感器之间呈90
°
安装时：
[0039][0040][0041][0042]
在确定和情况下，z为最大值或最小值；x和y指最大受力点在坐标系中的坐标值，a、b、c分别三个振弦式传感器测得的应变变化量。
[0043]
当三个振弦式传感器之间呈120
°
安装时：
[0044][0045][0046][0047]
在确定和情况下，z为附加应力的最大值；e、f和g分别三个振弦式传感器测得的应变变化量，x和y指最大受力点在坐标系中的坐标值。
[0048]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0049]
(1)本发明将传感器数据进行现场实时解算，在外界断网或者无数据信号后，数据既可以暂存于本地数据存储模块，然后通过显示屏进行实时展示，然后可以在信号恢复正常后，进行本地数据的上传工作；
[0050]
(2)本发明通过对采集仪的改进，增加有本地存储的功能(即本地数据存储模块)，因此在本地也有备份，降低数据丢失的风险；
[0051]
(3)现有采集仪基本不具备解算功能，只能通过云中心进行计算，而本本发明在本地写入解算程序，直接根据需求解算出最终数据，降低云中心的解算压力；同时直接通过led大屏进行现场展示；
[0052]
(4)本发明通过在现场的显示屏将数据进行直接展示，比较一目了然，能够帮助现
场人员实时对设备运行情况和管道运行状态进行了监控。
附图说明
[0053]
图1为本发明的整体结构示意图；
[0054]
图2为本发明的本地数据存储模块示意图；
[0055]
图3为实施例的采集仪示意图；
[0056]
图4为实施例中三个传感器管道表面呈90
°
点位图；
[0057]
图5为实施例中三个传感器管道表面呈120
°
点位图。
具体实施方式
[0058]
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0059]
如图1所示，本发明的一种天然气管道的户外监测感知系统，包括箱体、多通道采集仪和传感器组件，传感器组件实时采集现场数据并通过数据传输线缆传输至采集仪，采集仪设置于箱体内部，箱体安装于支撑杆顶端且支撑杆竖直于场地，支撑杆上还固定有显示屏，显示屏上的信号输入端与采集仪的信号输出端通过数据线缆连接；采集仪中还设有本地数据存储模块和数据处理模块，收到的传感器数据存储于本地数据存储模块，然后由数据处理模块将收到的传感器数据转换为应变力数据，最终将应变力数据通过显示屏(例如采用led屏)显示；其中，数据处理模块根据不同传感器数据类型采用相应解算方法进行换算应变力数据。同时，利用不同传感器的相互作用关系，利用相应解算方法解算出监测截面的附加应力情况，与其最大许用附加应力进行对比，作出正确的预警和报警，从而真正保护管道的运行安全。
[0060]
本实施例中的述箱体上方安装有单晶硅太阳能板，通过单晶硅太阳能板为采集仪和显示屏供电。同时箱体采用不锈钢材质制成，所述支撑杆采用碳钢材质制成。
[0061]
本实施例的数据传输线缆的一端连接于传感器组件，数据传输线缆的另一端从支撑杆底部引入且穿过支撑杆与采集仪的信号输入端相连，所述数据传输线缆的外周套有硅芯管。
[0062]
本实施例采用振弦式传感器，且数据处理模块的解算振弦式应变计的方法采用公式：εw＝0.391*109*f2；
[0063]
其中，εw是指应变值，f为传感器接收后的信号频率；例如解调水位、泥位、雨量、加速度等物理量；
[0064]
振弦的固有频率(共振频率)与应力，长度和质量有关，公式如下：
[0065][0066]
lw为振弦的长度，单位英寸
[0067]
f为振弦的应力，单位为磅
[0068]
m为每单位长度弦的质量(磅，sec.2//in.2/)
[0069]
[0070]
w为lw英寸长的弦重量(磅)，g为重力加速度(386in./sec.2)
[0071]
w＝paiw[0072]
ρ为弦密度(0.2831b./in.3)，a为弦横截面积(in.2/)
[0073]
合并上述公式得出：
[0074]
注意应力(f)可用应变表示，如：f＝εwea
[0075]
εw为弦应变(in./in.)，e为弦的杨氏模数(30
×
106psi)，
[0076]
在用所给数值代替e，g和ρ，得出：
[0077]
在显示振动周期t的“a”档上，乘以系数106：
[0078]
合并上述两个公式得出：
[0079]
此处必须用安装有应变计的钢件管道表面的应变来计算，由于钢件管道的形变必须与弦的形变一致，则：εwlw＝εlg[0080]
ε为钢件管道中的应变，lg为应变计长度(英寸)，进而可知：
[0081]
lw为2.000英寸，lg为2.250英寸；因此：
[0082]
将所得的最终传感器应变值结果利用led显示屏展示。
[0083]
本实施例中的管道上安装有三个振弦式传感器，管道的半径为r，则管道的截面最大附加应力解算如下：
[0084]
当三个振弦式传感器之间呈90
°
安装时：
[0085][0086][0087][0088]
在确定和情况下，z为最大值；a、b、c分别三个振弦式传感器测得的应变变化量；
[0089]
当三个振弦式传感器之间呈120
°
安装时：
[0090]
[0091][0092][0093]
在确定和情况下，z为最大值；e、f、g分别三个振弦式传感器测得的应变变化量。
[0094]
本实施例中，对于半径为r的管道来说，如图4和图5所示，所示a、b、 c(或e、f、g)三个位置处应变计的单轴纵向应变已知的前提下，能够求解管子横截面圆周上任何一点的纵向应变。
[0095]
实施例：
[0096]
本实施例以西南某处天然气管道为例，管道管径1219mm，设计压力10mpa，由于地处下坡路段，长期的应力累加可能导致此处管道发生较大应变变化甚至发生事故；此处经过开挖释放应力后，在该管道外周的3点、9点和12点钟方向分别布设了振弦式应变传感器，通过本发明的户外监测感知系统进行现场数据分析。
[0097]
本实施例的采集仪采集振弦式应变传感器的实时模数值，通过数字信号处理器使用已经编辑好的算法进行管道应力解析后，再利用led大屏实时展示了此处管道的受力状态，帮助现场人员实时对设备运行情况和管道运行状态进行了监控。
[0098]
实施例
[0099]
某天然气管道焊缝两侧加装了相应的监测截面，分别在3点、9点和12点钟方向安装了应变传感器，后期通过采集仪得到如下结果：3点方向为2637.5με，9点方向为2525.6με，12点方向为2127.2με，三个位置的应变传感器初始读数分别为 2701.3,2562.4和2125.4με，通过采集仪内部数字信号处理器(dsp)将相对变化量带入图1算法公式，可得监测截面最高受力点变化了114.1828mpa，而管道最大许用附加应力为432.3mpa，远远低于许用附加应力值，因此管道运行状态为安全状态，最终通过led展示屏进行现场展示。
[0100]
通过上述实施例可以看出，本发明具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输等功能。