本发明专利技术是一种基于振弦式传感器的油气管道振动监测方法和装置。它是利用金属杆(10）的受力把管线的振幅、加速度参量转化为轴向应变量，进而转化为振弦式应变传感器(12）的输出频率信号，通过测量该频率变化信号，就可以实现对油气管线振动加速度的测量；对振动加速度a(t)进行FFT快速傅立叶变换计算后，可得到管线的振动频谱，从而得到振动周期；由四分之一周期内的波数，即可得到测点处的振幅和频率，并可绘出管线涡激振动的振幅—时程曲线。本发明专利技术将管线的振动频率加速度转化为振弦式传感器的应变值，实现对油气管线振动频率的高精度、抗干扰、性能稳定的自动监测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是一种基于振弦式传感器的油气管道振动监测方法和装置，涉及机械振动的测量、一般的安全装置和管道系统
技术介绍
长输油气管线不可避免穿越地形地质条件复杂、自然环境恶劣的地区，经常遭受各类地质灾害的影响。为了监控地质灾害对管道造成的风险，管道管理部门多采取对管体应力应变进行监测的方式，这对于滑坡、崩塌、地面塌陷、冻土等大规模土体移动类灾害是一种非常有效的措施。但对于一些水力冲刷类灾害，如暴雨山洪、泥石流等，管道极有可能被水冲出，形成与地表面不直接接触的悬空管段，湍急水流流经管线时，会导致管线的尾流区产生涡旋，并且涡旋以一定的频率在管线后侧交替释放，引起管线振动，这一现象通常称为涡激振动，它是影响水力冲刷类作用下管线的使用寿命、引发管跨段疲劳失效的主要因素之一。单纯的监测管体应力应变已不能满足管道安全防护的要求，而需要对管线的振动频率进行监测。在工程振动测试领域中，根据各种参数的测量方法及测量过程的物理性质不同，测试手段与方法多种多样，大致可分为三大类：机械法、电测法和光学法。其中机械法通过将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的测量仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪。机械法在现场测试时较为简单方便，但能测量的频率范围及动态、线性范围窄，测试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果，一般仅适用于低频大振幅振动及扭振的测量。电测法是将工程振动的参量转换成电信号（电动势、电荷及其它电量），经电子线路放大后显示和记录。这种方法灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，但易受电磁场干扰，并随着监测时间的增加产生时漂、温漂效应，不适用于大型工程的长期监测。光学法对于振动的测量属于非接触精密测量，利用光波干涉原理，将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录，如读数显微镜和激光测振仪等。这种方法不受电磁场干扰，测量精度度高，可以对微小振动进行高精度测量。但是该方法由于具有高灵敏性，外界环境扰动对其影响非常突出，当光程质量不理想时，测量将无法进行；而且在实际应用中很难保证入射光垂直于被测物体表面，以及目标物体表面的不平整性，使得由目标物返回的检测光与参考光将不能很好的重合，这将使测量无法进行。因此，目前该技术理论上的方法虽多，但在工程应用中较少，主要应用于一些精密仪器的测量和传感器、测振仪标定中。振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。其敏感元件是一根两端固定的金属丝弦（一般称为振弦），常用弹性弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢制成。在受到外力F作用时，振弦内部将产生一定的张力，并且根据不同的张力大小和振弦的不同长度有着不同的固有振动频率，通过测试振弦固有振动频率的变化就可以确定其内部张力的变化，进而可获得振弦的应变值。振弦的固有振动频率f可表示为：f=12Fm0l0---(1)]]>根据理论力学和材料力学知识，有：F＝σS0=E0S0ε （2）其中，m0、l0和S0分别为振弦的质量、长度和截面积，σ、ε和E0分别为振弦的应力、应变和弹性模量。联合式（1）、（2），可得：ϵ=4m0l0E0S0f2---(3)]]>式（3）是基于温度恒定的假设得到的。当外界温度发生变化时，振弦的应变也会随之改变，考虑温度变化引起的振弦热膨胀情况，式（3）将表示为：ϵ=4m0l0E0S0f2+αΔT---(4)]]>其中，ΔT为温度变化，α为振弦金属材料的热膨胀系数。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与传统的电阻应变计相比，有着突出的优越性。从上世纪60年代起，国内外相继研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、应力计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展前景。文献调研和专利查新显示，目前还未有采用振弦式传感器对油气管线振动频率进行监测的方法和装置。
技术实现思路
本专利技术的目的专利技术一种将管线的振动频率、加速度转化为振弦式传感器的应变值、实现对油气管线振动频率的高精度、抗干扰、性能稳定的自动监测的基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法和装置。本专利技术提出了一种基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法和装置，该装置的结构如图1所示，主要包括自主研制的振弦式振动监测计2及设置在监测站里的振弦读数仪4、下位机5、无线通信模块Ⅰ6、无线通讯模块Ⅱ7和上位机8。在洪水冲刷导致的悬空管段上安装振弦式振动监测计2，从振弦式振动监测计2引出电缆3，电缆3与振弦读数仪4连接，振弦读数仪4的输出接下位机5的输入，下位机5输出接无线通信模块Ⅰ6，无线通讯模块Ⅱ7输出接上位机8的输入。振弦式振动监测计2的构成如图2所示，在不锈钢防水盒9一侧内壁上固定一根金属杆10，金属杆10的自由端固定一个金属块11，将一支温度补偿型振弦式应变传感器12粘贴于金属杆10表面，并通过通讯电缆3将测量信号引至现场监测站，振弦式振动监测计2的测量原理如下：在图2中，如将金属杆10等效为一悬臂梁，根据材料力学，有σx(t)=E1b1h136l13σ=E1b1h126l1ϵ---(5)]]>式中：E1、h1、l1和b1分别是悬臂梁的弹性模量、厚度、长度和宽度，σ为梁的应力，x(t)为梁自由端的挠度，根据式（5），有x(t)=l12h1ϵ---(6)]]>当金属杆10自由端的金属块11随着外部环境一起振动时，由于惯性力的作用，使得粘贴于金属杆上的振弦式应变传感器12产生轴向应变，其变化关系见式（4）。联合式（4）、（6），有x(t)=l12h1(4m0l0E0S0f2+αΔT)---(7)]]>假设在外部环境作用下，不锈钢防水盒9做振幅为A、角频率为ω1的简谐振动，其振动位移x(t)可表示为x(t)=Acos(ω1-θ) （8）对x(t)求二阶导数，可得振动加速度a(t)，如下a(t)=x(t)′′=-Aω12cos(ω1t-本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法，其特征是该方法所用
装置主要包括自主研制的振弦式振动监测计[2]及设置在监测站里的振弦读数仪
[4]、下位机[5]、无线通信模块Ⅰ[6]、无线通讯模块Ⅱ[7]和上位机[8]；在洪水
冲刷导致的悬空管段上安装振弦式振动监测计[2]，从振弦式振动监测计[2]引出
电缆[3]，电缆[3]与振弦读数仪[4]连接，振弦读数仪[4]的输出接下位机[5]的输
入，下位机[5]输出接无线通信模块Ⅰ[6]，无线通讯模块Ⅱ[7]输出接上位机[8]
的输入；
所述振弦式振动监测计[2]的构成为：在不锈钢防水盒[9]一侧内壁上固定一
根金属杆[10]，金属杆[10]的自由端固定一个金属块[11]，将一支温度补偿型振
弦式应变传感器[12]粘贴于金属杆[10]表面，并通过通讯电缆[3]将测量信号引至
现场监测站；
监测方法如下：
将金属杆[10]等效为一悬臂梁，根据材料力学，有
σx(t)=E1b1h136l13σ=E1b1h126l1ϵ---(5)]]>式中：E1、h1、l1和b1分别是悬臂梁的弹性模量、厚度、长度和宽度，σ为梁
的应力，x(t)为梁自由端的挠度，根据式（5），有
x(t)=l12h1ϵ---(6)]]>当金属杆[10]自由端的金属块[11]随着外部环境一起振动时，由于惯性力的
作用，使得粘贴于金属杆上的振弦式应变传感器[12]产生轴向应变，其变化关系
见式（4）；
联合式（4）、（6），有
x(t)=l12h1(4m0l0E0S0f2+αΔT)---(7)]]>假设在外部环境作用下，不锈钢防水盒[9]做振幅为A、角频率为ω1的简谐振
动，其振动位移x(t)可表示为
x(t)＝Acos(ω1-θ) （8）
对x(t)求二阶导数，可得振动加速度a(t)，如下
a(t)=x(t)′′=-Aω12cos(ω1t-θ)---(9)]]>联合式（8）、（9），有
a(t)=-ω12x(t)---(10)]]>联合式（7）、（10），有
a(t)=-ω12l12h1(4m0l0E0S0f2+αΔT)---(11)]]>其中角频率ω1可用下式表示
ω1=E1b1h136m1l13---(12)]]>其中m1为金属块[11]的质量；联合式（11）、（12），有
a(t)=-E1b1h126m...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩冰，郝建斌，谭东杰，荆宏远，吴张中，马云宾，刘建平，郑军，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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