PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置及方法，该装置包括模拟断丝及导波装置、分布式声学监测装置、振动信号采集装置和信号对比检验系统；模拟断丝及导波装置，被配置为模拟预应力钢丝发生断裂的过程并将断丝产生的机械振动信号传递到管壁及管内水体；分布式声学监测装置，被配置为沿管道轴向应用分布式传感系统实时检测断丝产生的机械振动信号；振动信号采集装置，被配置为在管道典型断面实时检测断丝产生的机械振动信号或水中的脉动信号；信号对比检验系统，被配置为将分布式声学监测装置和振动信号采集装置采集的信号进行对比分析，评定分布式声学监测装置的硬件感知精度、软件分析精度和定位误差，实现对分布式声学监测装置的在线验证。分布式声学监测装置的在线验证。分布式声学监测装置的在线验证。

Online verification device and method of PCCP wire breaking acoustic monitoring device

【技术实现步骤摘要】
PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置及方法


[0001]本专利技术是关于一种PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置及方法，涉及PCCP监测领域。

技术介绍

[0002]预应力钢筒混凝土管(PrestressedConcreteCylinderPipe，简称PCCP)是由钢筒、高强预应力钢丝、混凝土管芯和砂浆保护层等几种材料组合而成的复合管材，其能够充分发挥混凝土抗压、钢丝抗拉、钢筒抗渗等特点。但是，在内水压力和土压力的作用下，管道外壁有可能出现开裂。受到地下水以及外加电场等因素的影响，管壁内部预应力钢丝有可能存在腐蚀以至断裂的风险。通过应用声光纤监测技术监测预应力钢筋断裂的数量以便及时预警，就有可能避免爆管事故的发生。
[0003]近年来，国内在声光纤监测系统硬件制造(包括声光纤本身)、相应数据分析的软件开发等方面取得较多进展，然而，由于缺少鉴别可用于PCCP输水工程断丝监测系统的检验方法，给国产化声光纤监测系统的商业化应用和推广带来不利影响。本专利旨在提供一种可用于现场检验PCCP断丝监测系统感知精度、软件分析能力的装置和方法。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种提高验证效果的PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置及方法。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置，该装置包括模拟断丝及导波装置、分布式声学监测装置、振动信号采集装置和信号对比检验系统；
[0007]所述模拟断丝及导波装置，被配置为模拟预应力钢丝发生断裂的过程并将断丝产生的机械振动信号传递到管壁及管内水体；
[0008]所述分布式声学监测装置，被配置为沿管道轴向应用分布式传感系统实时检测断丝产生的机械振动信号；
[0009]所述振动信号采集装置，被配置为在管道典型断面实时检测断丝产生的机械振动信号或水中的脉动信号；
[0010]所述信号对比检验系统，被配置为将所述分布式声学监测装置和振动信号采集装置采集的信号进行对比分析，评定所述分布式声学监测装置的硬件感知精度、软件分析精度和定位误差，从而实现对所述分布式声学监测装置的在线验证。
[0011]进一步地，所述模拟断丝及导波装置包括自平衡框架、钢丝、千斤顶、导波杆和电化学腐蚀系统；所述电化学腐蚀系统包括腐蚀水槽、腐蚀液、电源和用作电极的导体；
[0012]所述自平衡框架底部通过锚固螺栓与钢管段固定，所述自平衡框架侧端设置延伸段连接钢管段；
[0013]所述钢丝一端锚固于所述自平衡框架的一侧端，所述钢丝的另一端通过所述千斤
顶锚固于所述自平衡框架的另一侧端；
[0014]所述钢丝浸没在所述腐蚀水槽中，所述腐蚀水槽内设置有所述腐蚀液，形成电源—>导体—>腐蚀液—>钢丝—>电源的回路，其中，通过控制所述电化学腐蚀系统的所述导体的电位、所述腐蚀液的物质浓度和腐蚀液温度以及所述千斤顶施加荷载的速率控制模拟断丝的发生时刻，断丝产生的信号通过所述延伸段、导波杆和锚固螺栓传入钢管段中。
[0015]进一步地，所述导波杆是由两个对称的弧形杆段和直杆段连接而成，所述导波杆的一端通过螺栓使之与排气阀主管紧密接触，所述导波杆的另一端通过螺栓与所述自平衡框架紧密接触，所述自平衡框架底部与钢管段之间还设置有垫层。
[0016]进一步地，所述分布式声学监测装置包括声光纤信号采集系统、光缆盘、声光纤和终端盒；
[0017]所述声光纤设置于管道内，用于感知断丝产生的机械振动信号；
[0018]所述光缆盘用于调节所述声光纤光缆的长度，以便测试断丝监测的定位精度；
[0019]所述声光纤信号采集系统，用于采集所述声光纤检测到机械振动信号，识别断丝信号并获得管道内断丝定位结果。
[0020]所述终端盒，用于放置所述声光纤末端的反射镜，同时保护光纤末端不受破坏。
[0021]进一步地，所述振动信号采集装置包括振动信号采集系统、振动传感器或水声传感器；
[0022]所述振动传感器固定设置在管道排气阀金属构件的外表面，使得所述振动传感器接收到的振动信号与预应力钢丝断裂信号的特征一致；
[0023]所述水声传感器设置在管道内的水体中，用于接收水中的脉动信号；
[0024]所述振动信号采集系统，用于接收所述振动传感器或所述水声传感器的信号。
[0025]第二方面，本专利技术还提供一种PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置的在线验证方法，包括：
[0026]将待验证的声光纤布置于管道内并布置模拟断丝及导波装置；
[0027]通过模拟断丝及导波装置在管道外侧产生模拟的断丝振动信号，信号通过导波杆和锚固螺栓传递到钢管段进而被声光纤信号采集系统和振动信号采集系统接收；
[0028]通过对比声光纤监测成果与振动信号采集系统的监测结果实现对分布式声学监测装置的在线验证。
[0029]进一步地，通过对比声光纤监测成果与振动信号采集系统的监测结果实现对分布式声学监测装置的在线验证，包括：
[0030]通过控制输水流量为0，开展模拟断丝试验，对比声光纤监测成果与振动信号采集系统监测结果，判断声学监测装置的信号感知能力；
[0031]通过调节光缆盘内光纤长度，重复开展模拟断丝试验，检验声学监测装置的定位精度；
[0032]通过控制输水流量至正常输水流量或叠加水锤工况，开展模拟断丝试验，对比声光纤监测成果与振动信号采集系统监测成果，判断声学监测装置的软件分析能力。
[0033]进一步地，判断分布式声学监测装置的信号感知能力，包括：
[0034]根据声光纤监测成果与振动信号采集系统监测结果的归一化后断丝信号能量比值A1、归一化后信号峰值频率比值A2、归一化信号频谱图形形心对应频率比值A3、归一化后
信号裕度指标比值A4及归一化后信号峭度指标比值A5的加权平均值获得相对误差，若相对误差越小，表明判断声学监测装置与振动信号采集装置获取断丝信号的感知精度接近，则判断声学监测装置的信号感知能力越好，其中，相对误差计算公式为：
[0035][0036]式中，i是指5种指标的编号，取值为1～5，p是指信号感知能力，Δ
p
则是指声学监测装置信号感知精度的相对误差，k是指计算加权平均值中5种指标各自的权重。
[0037]进一步地，通过调节光缆盘内光纤长度，重复开展模拟断丝试验，检验声学监测装置的定位精度，包括：当第一光缆盘光纤长度为L1，第二光缆盘光纤长度L2，管道内布设光纤长度L3，两排气阀之间光缆布设距离L0，则对于声光纤取得断丝信号的定位相对误差评价按下式计算：
[0038][0039]式中，X表示声光纤给出的断丝定位结果；
[0040]通过上式计算出相对误差，若相对误差的数值越小，则表明声学监测装置的定位精度越高。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置，其特征在于，该装置包括模拟断丝及导波装置、分布式声学监测装置、振动信号采集装置和信号对比检验系统；所述模拟断丝及导波装置，被配置为模拟预应力钢丝发生断裂的过程并将断丝产生的机械振动信号传递到管壁及管内水体；所述分布式声学监测装置，被配置为沿管道轴向应用分布式传感系统实时检测断丝产生的机械振动信号；所述振动信号采集装置，被配置为在管道典型断面实时检测断丝产生的机械振动信号或水中的脉动信号；所述信号对比检验系统，被配置为将所述分布式声学监测装置和振动信号采集装置采集的信号进行对比分析，评定所述分布式声学监测装置的硬件感知精度、软件分析精度和定位误差，从而实现对所述分布式声学监测装置的在线验证。2.根据权利要求1所述的PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置，其特征在于，所述模拟断丝及导波装置包括自平衡框架、钢丝、千斤顶、导波杆和电化学腐蚀系统；所述电化学腐蚀系统包括腐蚀水槽、腐蚀液、电源和用作电极的导体；所述自平衡框架底部通过锚固螺栓与钢管段固定，所述自平衡框架侧端设置延伸段连接钢管段；所述钢丝一端锚固于所述自平衡框架的一侧端，所述钢丝的另一端通过所述千斤顶锚固于所述自平衡框架的另一侧端；所述钢丝浸没在所述腐蚀水槽中，所述腐蚀水槽内设置有所述腐蚀液，形成电源—>导体—>腐蚀液—>钢丝—>电源的回路，其中，通过控制所述电化学腐蚀系统的所述导体的电位、所述腐蚀液的物质浓度和腐蚀液温度以及所述千斤顶施加荷载的速率控制模拟断丝的发生时刻，断丝产生的信号通过所述延伸段、导波杆和锚固螺栓传入钢管段中。3.根据权利要求2所述的PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置，其特征在于，所述导波杆是由两个对称的弧形杆段和直杆段连接而成，所述导波杆的一端通过螺栓使之与排气阀主管紧密接触，所述导波杆的另一端通过螺栓与所述自平衡框架紧密接触，所述自平衡框架底部与钢管段之间还设置有垫层。4.根据权利要求1所述的PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置，其特征在于，所述分布式声学监测装置包括声光纤信号采集系统、光缆盘、声光纤和终端盒；所述声光纤设置于管道内，用于感知断丝产生的机械振动信号；所述光缆盘用于调节所述声光纤光缆的长度，以便测试断丝监测的定位精度；所述声光纤信号采集系统，用于采集所述声光纤检测到机械振动信号，识别断丝信号并获得管道内断丝定位结果；所述终端盒，用于放置所述声光纤末端的反射镜，同时保护光纤末端不受破坏。5.根据权利要求1所述的PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置，其特征在于，所述振动信号采集装置包括振动信号采集系统、振动传感器或水声传感器；所述振动传感器固定设置在管道排气阀金属构件的外表面，使得所述振动传感器接收到的振动信号与预应力钢丝断裂信号的特征一致；所述水声传感器设置在管道内的水体中，用于接收水中的脉动信号；所述振动信号采集系统，用于接收所述振动传感器或所述水声传感器的信号。
6.基于权利要求2到5任一项所述PCCP断丝声学监测装置的在线验证装置的在线验证方法，其特征在于包括：将待验证的声光纤布置于管道内并布置模拟断丝及导波装置；通过模拟断丝及导波装置在管道外侧产生模拟的断丝振动信号，信号通过导波杆和锚固螺栓传递到钢管段进而被声光纤信号采集系统和振动信号采集系统接收；通过对比声光纤监测成果与振动信号采集系统的监测结果实现对分布式声学监测装置的在线验证。7.根据权利要求6所述的在线验证方法，其特征在于，通过对比声光纤监测成果与振动信号采集系统的监测结果实现对分布式声学监测装置的在线验证，包括：通过控制输水流量为0，开展模拟断丝试验，对比声光...

【专利技术属性】
技术研发人员：商峰，刘毅，杨波，韦昊南，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：