一种用于管路泄露检测定位的超声波接收器的安装及布阵方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103542260 A (43)申请公布日 2014.01.29 CN 103542260 A (21)申请号 201210236352.8 (22)申请日 2012.07.10 F17D 5/06(2006.01) (71)申请人 哈尔滨盛仕瑞达科技发展有限公司 地址 150006 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 98 号 2 楼 80 号 (72)发明人 邹文江 李昆 张强 张芃浩 邹艾一 宋凯 (54) 发明名称 一种用于管路泄露检测定位的超声波接收器 的安装及布阵方法 (57) 摘要 本发明提供的是一种用于管路泄露检测定位 的超声波接收器的安装及布阵方法，

2、它涉及超声 接收器的安装形式、 布阵方式。 本发明解决了因老 化或外部应力造成的管路开裂破损致使管路内介 质泄露的精确检测定位问题。本发明的制造方法 由以下关键内容组成 ： 超声接收器的选择， 选择 具有叠层复合结构的一体化半球壳陶瓷压电振子 作为超声接收器 ； 泄露方位检测超声接收器布阵 为等边三角形的三个顶点， 超声接收器的压电振 子安装方式为凸面向外， 改善水平波束指向性， 增 强超声波探测方位能力 ； 定位超声接收器布置在 上述等边三角形的重心点， 超声接收器的压电振 子安装方式为凹面向外， 缩小垂直方向接收角， 使 定位范围减小， 提高定位精度。 (51)Int.Cl. 权利要求书

3、1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103542260 A CN 103542260 A 1/1 页 2 1. 一种用于管路泄露检测定位的超声波接收器的安装及布阵方法， 其特征在于利用叠 层复合结构的一体化半球壳陶瓷压电振子作为超声接收器， 通过超声接收器的凸凹面不同 的安装形式及超声波接收器的三角形布阵方式， 实现管路介质泄露的精确检测定位。 2. 根据权利要求 1 所述的一种用于管路泄露检测定位的超声波接收器的安装及布阵 方法， 其特征在于利用具有叠层复合结构的一体

4、化半球壳陶瓷压电振子作为超声接收器， 使压电振子安装方式为凸面向外， 改善水平波束指向性， 增强超声波探测方位能力， 利用 3 只超声接收器布阵为等边三角形的三个顶点， 实现泄露方位指示。 3. 根据权利要求 1 所述的一种用于管路泄露检测定位的超声波接收器的安装及布阵 方法， 其特征在于利用具有叠层复合结构的一体化半球壳陶瓷压电振子作为超声接收器， 布置在等边三角形的重心点， 并使压电振子安装方式为凹面向外， 缩小垂直方向接收角， 使 定位范围减小， 提高定位精度， 实现泄露位置定位。 权 利 要 求 书 CN 103542260 A 2 1/3 页 3 一种用于管路泄露检测定位的超声波接收

5、器的安装及布阵 方法 ( 一 ) 技术领域 0001 本发明涉及的是一种应用超声波技术用于传输介质为气体或液体的管路泄露检 测定位， 特别涉及超声换能器安装方式及布阵方法， 用于管路产生泄露事故的识别、 检测和 精确定位， 属于自动化测试技术领域。 ( 二 ) 背景技术 0002 管路运输是基于管路进行物质运输的一种方式， 其与公路、 铁路、 飞机、 及海运并 称为五大运输方式之一， 在国民生产生活中起着重要的作用。 现有的管路运输有石油运输， 天然气运输， 城市燃气运输、 自来水运输、 采暖热水 ( 热气 ) 运输。管路运输在我国国民经 济中起着越来越重要的作用。 但由于管路一般采用铸铁管进

6、行运输， 而且埋藏在地下， 随着 时间的推移， 其由于受水的腐蚀及地表汽车的碾压， 很容易受到损害而产生裂缝或微孔， 造 成泄露情况的发生。 有机塑料尼龙管路长时间使用也会造成管路老化， 随着管线的增多、 管 龄的增长、 施工缺陷、 腐蚀老化等问题和人为破坏的原因， 管路泄露事故频频发生， 给人们 的生命财产和生存环境造成了巨大的威胁。 0003 当管路中气体发生泄露时， 现有的测量定位手段主要为采用煤气或可燃气体报警 器来进行泄露测量然后进行泄露点的定位， 一般情况下泄露点都是处于地表以下， 由于土 地的结构不同， 土地表面的硬化程度不同， 当可燃气体从泄露点扩散至地表时， 其距离泄露 点的

7、水平距离也是难以预测的， 所以在工程上只能采用先直接挖开地面逐段进行泄露点的 查找， 这样使工作量很大， 而且很难直接找到泄露点。 采超声波泄露检测方法实现管路泄露 点的探测可以成为一个比较好的选择方案。首先其属于被动式检测， 对被测量的媒质没有 损伤。其次由于其比较精确的定位能力， 使得对于煤气泄露点的查找变得十分方便。可以 大大节省劳动强度， 实现生产效率的提高。 0004 目前使用的超声波技术用于管路泄露检测定位的研究成果很多， 但是运用超声接 收器阵列形式的检漏定位仪很少。 一般都是采用片式或柱式超声接收器接收由于泄露产生 的超声波信号， 得以检测的泄露信息并定位。 0005 美国专利

8、 4964059 公开了一种长输管路产生检测机器人。其采用阵列平面形超声 波探头布阵方法， 超声波探头镶嵌在圆柱形塑料载体沟槽内的探头孔位内， 为增加检测灵 敏度， 采用高速旋转进行检查扫描。 0006 专利 CN1370989A 公开了一种采用旋转探头环管路超声检测装置， 此装置需要电 动驱动探头盘旋转， 需要大容量蓄电池供电。在这样的技术背景下改进设计势在必行。 0007 专利 ZL200620070557.3 公开了利用合金传输棒与超声波传感器衔接， 实现对泄 露的特征频谱的抓取更加精确、 灵活， 实现早期报警， 提高了扑捉背景噪声中的超声波的能 力。 0008 专利 ZL2004200

9、49717.7 公开了一种城市地下天然气管路无线监控网络系统。系 统核心包括管路泄漏超声波探测器及单片机、 无线路由器和 GSM/GPRS 无线收发器， 该专利 说 明 书 CN 103542260 A 3 2/3 页 4 涉及的监控网络系统可实现无人远程监测。 0009 本发明在已有的管路泄露检测定位的研究成果基础上， 提出一种利用叠层复合结 构的一体化半球壳陶瓷压电振子作为超声接收器， 通过超声接收器的凸凹面不同的安装形 式及超声波接收器的三角形安装及布阵方法， 实现输送介质 ( 气体或液体 ) 管路泄露的精 确检测定位。这种方法可提高管路泄露检测灵敏度、 提高定位仪定位精度。 0010

10、该发明可应用于城市供热管网、 燃气管网、 自来水管网以及工农业领域气、 液输送 管网的泄露安全检测与定位的仪器开发中， 用以实现实施检测报警定位。为规避和减少灾 害与危险， 实施救援提供信息支持。 0011 本发明方法的有益效果是， 利用具有叠层复合结构的一体化半球壳陶瓷压电振子 作为超声接收器， 使压电振子安装方式为凸面向外， 改善水平波束指向性， 增强超声波探测 方位能力， 利用 3 只超声接收器布阵为等边三角形的三个顶点， 利用复三角目标定位方法， 在一直两两传感器的位置及两条甚至多条方位线的交点时， 可采用三角定位法确定目标的 最大可能方位， 实现泄露方位的指示。利用具有叠层复合结构的

11、一体化半球壳陶瓷压电振 子作为超声接收器， 布置在等边三角形的重心点， 并使压电振子安装方式为凹面向外， 缩小 垂直方向接收角， 使定位范围减小， 实现泄露位置精度定位。呈现出良好的工程适用特点。 ( 三 ) 发明内容 0012 本发明的目的是为了解决超声波管路泄露检测定位仪以下问题 ： 0013 (1)检测灵敏度不高。 一些低压力介质泄露产生的超声波较弱， 特别是一些埋地管 路泄露往往检测灵敏度不高， 噪声淹没了信号， 往往无法检测出泄露信号 ； 0014 (2)定位精度不高。 一些检测定位仪多采用一只超声波接收器， 很多噪声的干扰无 法实现高精度定位。有一些检漏仪虽然采用了超声波阵列， 但

12、由于超声波的检测灵敏度较 低， 又存在布阵和解算方法问题， 定位精度一直解决不理想 ； 0015 (3) 泄漏点指向性不明确。目前超声波管路泄露检测定位仪还未见到在泄漏点检 测过程中漏点方向指向功能的。 本专利利用3只超声接收器布阵为等边三角形的3个顶点， 实现泄露点方位检测， 经过矢量计算， 可实现泄漏点方位指向性。 0016 本发明的目的是这样实现的 ： 0017 用于管路泄露检测定位仪的超声波接收器选择具有叠层复合结构的一体化半球 壳陶瓷压电振子， 超声波接收器布阵采用三角形加重心结构， 使用 4 个超声波探头。泄露方 位检测超声接收器布阵为等边三角形的三个顶点， 超声接收器的压电振子安

13、装方式为凸面 向外， 改善水平波束指向性， 增强超声波探测方位能力 ； 定位超声接收器布置在上述等边三 角形的重心点， 超声接收器的压电振子安装方式为凹面向外， 缩小垂直方向接收角， 使定位 范围减小。该超声波接收器布阵方法具有较强的识别和定位以及抗干扰能力。 0018 本发明的结构包括， 图1为凸面安装压电振子的超声波接收器示意图， 图2为凹面 安装压电振子的超声波接收器示意图， 图 3 为超声波接收器阵列布阵示意图。整体结构包 括超声波接收器阵列 (3 个凸面向外安装方式的压电振子， 1 个凹面向外安装方式的压电振 子 ) 和信号处理显示模块 ( 信号采集预处理电路， A/D 转换， 单片

14、机信息处理单元， LCD 方位 指向， 定位指示灯 )。 0019 本发明的想法是， 将超声波接收器的信号看作与泄露产生的超声波有关， 作为信 说 明 书 CN 103542260 A 4 3/3 页 5 号处理部分的输入信号， 信号处理单元的输出信号为泄漏点的方位指向、 位置定位、 定位指 示。信号采集预处理电路输出泄露信号经过单片机进行支持向量机处理， 使用信息融合算 法， 从而得到泄漏点的扑捉与定位。 ( 四 ) 附图说明 0020 图 1 为凸面安装压电振子的超声波接收器示意图 0021 图 2 为凹面安装压电振子的超声波接收器示意图 0022 图 3 为超声波接收器阵列布阵示意图 (

15、 五 ) 具体实施方式 0023 参照图 1， 表示凸面安装压电振子的超声波接收器示意图。概括起来为 ： 取叠层复 合结构的一体化半球壳陶瓷压电振子， 将两条引出电极通过绝缘电缆引出， 制作金属外壳， 将半球壳陶瓷压电振子用胶封接在金属外壳的安装处， 半球壳凸面向外并突出在金属壳 外， 引线通过金属外壳内孔引出， 完成超声波接收器的制作。 0024 参照图 2， 表示凹面安装压电振子的超声波接收器示意图。概括起来为 ： 取叠层复 合结构的一体化半球壳陶瓷压电振子， 将两条引出电极通过绝缘电缆引出， 制作金属外壳， 将半球壳陶瓷压电振子用胶封接在金属外壳的安装处， 半球壳凹面向外并内含在金属壳

16、内， 引线通过金属外壳内孔引出， 完成超声波接收器的制作。 0025 参照图3， 表示超声波接收器阵列布阵示意图。 取3只凸面安装压电振子的超声波 接收器安装在三角形支架的三个顶点， 取 1 只凹面安装压电振子的超声波接收器安装在三 角形支架的重心支架顶点上， 完成超声波接收器阵列布阵。 0026 超声波接收器的信号处理显示模块主要包括 ： 信号采集预处理电路， A/D 转换， 单 片机信息处理单元， LCD 方位指向， 定位指示灯。超声波接收器的压电振子的谐振频率为 25kHZ、 40kHZ、 60kHZ， 经选频后， 将干扰信号滤掉， 只有谐振 25kHZ、 40kHZ、 60kHZ 的有用信 号 ( 泄露产生的超声波信号 ) 送入高通放大器放大、 拾取， 经单片机进行支持向量机处理， 使用信息融合算法， 得到泄漏点的扑捉与定位。 说 明 书 CN 103542260 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103542260 A 6