一种充液管道中泥沙含量检测的方法技术

本发明专利技术公开了一种充液管道中泥沙含量检测的方法，包括以下步骤：1）建立含泥沙的充液管道模型，根据模型的位移与势函数的关系、应力与势函数的关系以及充液管道界面的边界条件，推导出该模型中导波的频散方程；2）对导波的频散方程进行分析，得出模型下的声速表达式；3）通过有限元仿真软件仿真得出理论上不同泥沙含量对应的理论频散曲线，理论频散曲线表示了理论上不同泥沙含量与不同声速的对应关系；4）通过仪器设备对被测管道进行实际测量，向被测管道激发超声导波获得实测数据，从实测数据中确定实际频散曲线；5）将实际频散曲线与理论频散曲线进行对比，判断出实测泥沙含量。能更好地得到充液管道中泥沙含量的情况。

A method for detecting the content of sediment in a liquid filled pipe

The present invention discloses a method for detecting the content of sediment in a liquid filled pipe, including the following steps: 1) establishing a sediment filled pipe model, based on the relationship between the displacement and potential function, the relationship between the stress and potential function and the boundary condition of the fluid filled pipe interface, and deduces the dispersion equation of the guided wave in the model; 2) The dispersion equation of the guided wave is analyzed and the expression of the sound velocity under the model is obtained. 3) the theoretical dispersion curve corresponding to the different sediment content in theory is obtained through the simulation software simulation. The theoretical dispersion curve indicates the corresponding correlation between the different sediment content and the different sound velocity in theory; 4) through the instrument equipment, the measured pipeline is entered. In actual measurement, the measured data are obtained from the measured pipeline, and the actual dispersion curves are determined from the measured data. 5) the actual dispersion curves are compared with the theoretical dispersion curves to determine the measured sediment content. It can better obtain the sediment content in the liquid filled pipeline.

【技术实现步骤摘要】
一种充液管道中泥沙含量检测的方法
本专利技术涉及一种检测方法，特别是涉及一种充液管道中泥沙含量检测的方法，属于超声无损检测

技术介绍
随着超声技术的发展，超声检测在工程领域的应用越来越频繁。管道作为五大运输工具之一，在运送液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势。充液管道的检测是石油、化工及电力等部门中密切关注的问题，也是一大难题。采用超声导波法进行管道质量检测的研究过程中，研究超声导波在该结构中的传播特性将为检测提供理论参考。同时在实验管道中加入泥沙等杂质，会符合实际情况；有的实验管道是充入泥浆，泥浆管道的泄漏检测也值得研究。泥沙问题已经成为了影响我国经济生产建设诸多领域的重要因素之一，直接影响到河流的通航、供水以及流域生态环境各个方面。目前的泥沙含量检测法有：(1)激光法：激光法是利用光在水体中传播时由于泥沙颗粒散射、衍射、吸收等原因，造成光强度上一定程度的衰减，通过对其衰减系数的测定，进而得到水体中泥沙含量等诸多信息。(2)红外线法：红外线法是基于光与泥沙颗粒相互作用的关系，通过建立不同的泥沙含量与反射光产生的电压信号强度的对应关系，测定给定系统的电压输出，达到预测泥沙含量的目标。(3)超声波法：现有的利用超声波对含泥沙充液管道的检测主要利用SH波、导波、界面波这几种声波模式。由于SH波难以激发，界面波的产生也需要满足特定的参数条件，而管道中导波的模态丰富且容易产生。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种充液管道中泥沙含量检测的方法，能够对含泥沙管道中的泥沙含量进行更好地检测。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种充液管道中泥沙含量检测的方法，包括以下步骤：1)建立含泥沙的充液管道模型，根据模型的位移与势函数的关系、应力与势函数的关系以及充液管道界面的边界条件，推导出该模型中导波的频散方程；2)对导波的频散方程进行分析，得出模型下的声速表达式；3)通过有限元仿真软件仿真得出理论上不同泥沙含量对应的理论频散曲线，理论频散曲线表示了理论上不同泥沙含量与不同声速的对应关系；4)通过仪器设备对被测管道进行实际测量，向被测管道激发超声导波获得实测数据，从实测数据中确定实际频散曲线；5)将实际频散曲线与理论频散曲线进行对比，判断与实测的声速相对应的理论泥沙含量即为实测泥沙含量。本专利技术进一步设置为：所述步骤1)的推导出该模型中导波的频散方程，具体为，将模型的位移场u分解为标量势φ和矢量势H，并且为拉普拉斯算子，则得式(1)，只考虑纵向轴对称模态，则矢量势H的径向分量和轴向分量均为0；只保留矢量势H的轴向分量Hθ，且该轴向分量Hθ为r、z和t的函数，r为半径，z为径向方向，t为时间，则得式(2)，其中，c1为介质的纵波波速；令f(r)为方程解，h(r)为方程解，i为虚部，k为复波数，ω为频率；将式(3)代入式(2)进行求解，则得式(4)，其中，A1为待求系数，A2为待求系数，α为纵波波数差，为汉克尔函数，为汉克尔函数，B1为待求系数，B2为待求系数，β为横波波数差，为汉克尔函数，为汉克尔函数；由此可得充液管道的径向位移ur为式(5)，其中，为汉克尔函数，为汉克尔函数；利用胡克定律，可得相应的位移分量为式(6)，其中，σrr、σrz分别为充液管道界面上的法向应力与切向应力，μ为介质拉美常数，μr为法向位移，μz为切向位移；当波在非粘性充液管道中传播时，位移场上标f表示液体；其中，φf＝CJ0(αfr)exp[i(kz-ωt)](7)，C为待求系数，J0为贝塞尔函数；根据式(7)，求解uf、充液管道界面的边界条件为式(8)，其中，a为充液管道的内半径，b为充液管道的外半径，上标p表示管道；将式(6)和式(7)推导求得的应力和位移表达式代入式(8)得到一组非线性方程，根据方程组有解条件，得到该模型中导波的频散方程；其中，方程组有解条件为该方程组的系数行列式为零。本专利技术进一步设置为：所述有限元仿真软件为Matlab软件。本专利技术进一步设置为：所述仪器设备包括超声信号发生器和信号采集器，所述超声信号发生器从被测管道的一侧激发纵向超声导波的L(0，2)模态，所述信号采集器从被测管道的另一侧进行信号采集而获取实测数据。本专利技术进一步设置为：所述实测数据为时域波形，对时域波形采用小波分析得到实际频散曲线。本专利技术进一步设置为：所述时域波形通过示波器提取接收，所述小波分析通过计算机完成。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果是：本专利技术提供的充液管道中泥沙含量检测的方法，通过对所建立的含泥沙的充液管道模型进行理论分析得到理论频散曲线，并通过向被测管道激发超声导波获得实测数据来确定实际频散曲线后，将实际频散曲线与理论频散曲线进行对比，由频散曲线中的低阶频率与声传播速度关系来判断泥沙含量，能更好地得到充液管道中泥沙含量的情况，有利于对水利工程进行质量监测和维护。上述内容仅是本专利技术技术方案的概述，为了更清楚的了解本专利技术的技术手段，下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。附图说明图1是本专利技术的含泥沙的充液管道模型的结构示意图；图2是本专利技术的导波的频散方程的推导流程图；图3是本专利技术的理论上不同泥沙含量对应的理论频散曲线。具体实施方式下面结合说明书附图，对本专利技术作进一步的说明。一种充液管道中泥沙含量检测的方法，包括以下步骤：1)建立含泥沙的充液管道模型，如图1所示；根据模型的位移与势函数的关系、应力与势函数的关系以及充液管道界面的边界条件，推导出该模型中导波的频散方程。导波的频散方程的推导过程如图2所示，具体为，将模型的位移场u分解为标量势φ和矢量势H，并且为拉普拉斯算子，则得式(1)，只考虑纵向轴对称模态，则矢量势H的径向分量和轴向分量均为0；只保留矢量势H的轴向分量Hθ，且该轴向分量Hθ为r、z和t的函数，r为半径，z为径向方向，t为时间，则得式(2)，其中，c1为介质的纵波波速；令f(r)为方程解，h(r)为方程解，i为虚部，k为复波数，ω为频率；将式(3)代入式(2)进行求解，则得式(4)，其中，A1为待求系数，A2为待求系数，α为纵波波数差，为汉克尔函数，为汉克尔函数，B1为待求系数，B2为待求系数，β为横波波数差，为汉克尔函数，为汉克尔函数；由此可得充液管道的径向位移ur为式(5)，其中，为汉克尔函数，为汉克尔函数；利用胡克定律，可得相应的位移分量为式(6)，其中，σrr、σrz分别为充液管道界面上的法向应力与切向应力，μ为介质拉美常数，μr为法向位移，μz为切向位移；当波在非粘性充液管道中传播时，位移场上标f表示液体；其中，φf＝CJ0(αfr)exp[i(kz-ωt)](7)，C为待求系数，J0为贝塞尔函数；根据式(7)，求解uf、充液管道界面的边界条件为式(8)，其中，a为充液管道的内半径，b为充液管道的外半径，上标p表示管道；将式(6)和式(7)推导求得的应力和位移表达式代入式(8)得到一组非线性方程，根据方程组有解条件，得到该模型中导波的频散方程；其中，方程组有解条件为该方程组的系数行列式为零。2)对导波的频散方程进行分析，得出模型下的声速表达式。3)通过有限元仿真软件Matlab软件仿真得出理论上不同泥沙含量对应的理论频散曲线，理论频散曲线表示了理论上不同泥沙含量与不同声速的对应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种充液管道中泥沙含量检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立含泥沙的充液管道模型，根据模型的位移与势函数的关系、应力与势函数的关系以及充液管道界面的边界条件，推导出该模型中导波的频散方程；2)对导波的频散方程进行分析，得出模型下的声速表达式；3)通过有限元仿真软件仿真得出理论上不同泥沙含量对应的理论频散曲线，理论频散曲线表示了理论上不同泥沙含量与不同声速的对应关系；4)通过仪器设备对被测管道进行实际测量，向被测管道激发超声导波获得实测数据，从实测数据中确定实际频散曲线；5)将实际频散曲线与理论频散曲线进行对比，判断与实测的声速相对应的理论泥沙含量即为实测泥沙含量。

【技术特征摘要】
1.一种充液管道中泥沙含量检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立含泥沙的充液管道模型，根据模型的位移与势函数的关系、应力与势函数的关系以及充液管道界面的边界条件，推导出该模型中导波的频散方程；2)对导波的频散方程进行分析，得出模型下的声速表达式；3)通过有限元仿真软件仿真得出理论上不同泥沙含量对应的理论频散曲线，理论频散曲线表示了理论上不同泥沙含量与不同声速的对应关系；4)通过仪器设备对被测管道进行实际测量，向被测管道激发超声导波获得实测数据，从实测数据中确定实际频散曲线；5)将实际频散曲线与理论频散曲线进行对比，判断与实测的声速相对应的理论泥沙含量即为实测泥沙含量。2.根据权利要求1所述的一种充液管道中泥沙含量检测的方法，其特征在于：所述步骤1)的推导出该模型中导波的频散方程，具体为，将模型的位移场u分解为标量势φ和矢量势H，并且▽·H＝0，▽为拉普拉斯算子，则得式(1)，u＝▽φ+▽×H(1)只考虑纵向轴对称模态，则矢量势H的径向分量和轴向分量均为0；只保留矢量势H的轴向分量Hθ，且该轴向分量Hθ为r、z和t的函数，r为半径，z为径向方向，t为时间，则得式(2)，其中，c1为介质的纵波波速；令f(r)为方程解，h(r)为方程解，i为虚部，k为复波数，ω为频率；将式(3)代入式(2)进行求解，则得式(4)，其中，A1为待求系数，A2为待求系数，α为纵波波数差，为汉克尔函数，为汉克尔函数，B1为待求系数，B2为待求系数，β为横波波数差，为汉克尔函数，为汉克尔函数；由此可得充液管道的径向位移ur为式(5)，

【专利技术属性】
技术研发人员：韩庆邦，蒋謇，仲晓敏，曹元，贾静，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32