專利名稱：區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水利水電工程中的泄水建筑結(jié)構(gòu)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，水利水電工程中的泄水建筑物破壞事例很多。空蝕破壞在其中占有相當(dāng)?shù)谋戎?。然而，人們?duì)空化空蝕的監(jiān)測(cè)主要集中在水輪機(jī)、水泵等水力機(jī)械上，并形成了相應(yīng)的技術(shù)和產(chǎn)品，如測(cè)量過流部件壓力、水壓脈動(dòng)、振動(dòng)、噪聲，或者監(jiān)測(cè)葉片的磨蝕損壞，水輪機(jī)效率下降等。至今為止，人們對(duì)泄水建筑物空化空蝕監(jiān)測(cè)的關(guān)注還不夠，也缺乏成熟的技術(shù)和產(chǎn)品可以應(yīng)用。泄水建筑物的空化空蝕與水輪機(jī)等水力機(jī)械的空化空蝕特征存在以下差異(1)泄水建筑物的流速高，破壞能力強(qiáng)；(2)泄水建筑物可能產(chǎn)生空蝕破壞的區(qū)域?qū)?、不確定因素多；(3)泄水建筑物為混凝土材料，空蝕破壞發(fā)展速度快、后果更為嚴(yán)重。目前，水輪機(jī)等水力機(jī)械上采用的空化空蝕監(jiān)測(cè)儀器多是“點(diǎn)”式傳感器，主要是通過測(cè)試水壓脈動(dòng)、振動(dòng)或噪聲來監(jiān)測(cè)空化空蝕的發(fā)生。將水力機(jī)械的空蝕監(jiān)測(cè)儀器用于泄洪建筑物空蝕監(jiān)測(cè)存在以下問題和缺陷(1)泄水建筑物可能產(chǎn)生空蝕破壞的區(qū)域?qū)?，“點(diǎn)”式傳感器存在監(jiān)測(cè)范圍不夠大，容易產(chǎn)生“漏測(cè)”的現(xiàn)象；(2)泄水建筑物的流速高，未發(fā)生空蝕之前的振動(dòng)和噪聲就相對(duì)較大，空蝕監(jiān)測(cè)的“信噪比”相對(duì)較小，“點(diǎn)”式傳感器容易產(chǎn)生“誤診”的現(xiàn)象；(3)這些“點(diǎn)”式傳感器長(zhǎng)期承受高速水流的作用，儀器容易失效。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、診斷準(zhǔn)確率高、耐久性好，施工方便，工程造價(jià)低的特點(diǎn)。
本發(fā)明為解決上述問題所采用的方案是設(shè)計(jì)一種區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳感器、傳輸光纜、分析系統(tǒng)和預(yù)警、報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于沿監(jiān)測(cè)保護(hù)區(qū)域的泄水建筑物表面下3～6cm處，自水流方向上游一端至下游一端，在整截面上呈網(wǎng)狀鋪設(shè)一根光纖傳感器，并在該截面下15～30cm處的第二截面處，與前述光纖傳感器呈相同形狀交錯(cuò)鋪設(shè)另一根光纖傳感器；所說的兩根光纖傳感器的終端通過光纜連接到終端盒，始端通過光纜接續(xù)盒和長(zhǎng)距離光纜連接到光纖振動(dòng)探測(cè)儀上，光纖振動(dòng)探測(cè)儀將振動(dòng)信號(hào)傳到信號(hào)處理和分析模塊，該模塊通過對(duì)信號(hào)處理和分析，將振動(dòng)信號(hào)分解為高頻分量和低頻分量，并輸出相應(yīng)的自功率譜和互相關(guān)譜，高頻信號(hào)傳送到空化預(yù)警系統(tǒng)，低頻信號(hào)傳送到空蝕程度報(bào)警系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于該系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、診斷準(zhǔn)確率高、耐久性好的特點(diǎn)，以及區(qū)域性同步空化空蝕監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，在光纖網(wǎng)絡(luò)布置區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)發(fā)生劇烈的空泡群空化和空蝕剝離脫落時(shí)都會(huì)被監(jiān)測(cè)到并報(bào)警。而且光纖網(wǎng)絡(luò)前端是完全無源的，也就是所有供電設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備都是在數(shù)公里外的控制室內(nèi)，通過一根光纜連接即可，施工和運(yùn)行管理方便。

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的待測(cè)區(qū)域光纖傳感器平面布置示意圖。
圖中1為泄水建筑物監(jiān)測(cè)保護(hù)區(qū)域，2為上層光纖分布振動(dòng)傳感器，3為下層光纖分布振動(dòng)傳感器，4為高速水流及其流向，5為光纜接續(xù)盒，6為終端盒，7為長(zhǎng)距離光纜，8為光纖振動(dòng)探測(cè)儀，9為信號(hào)處理和分析模塊，10為高頻信號(hào)分量，11為低頻信號(hào)分量，12為空化群預(yù)警系統(tǒng)，13為空蝕程度報(bào)警系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式本發(fā)明區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)泄水建筑物的等級(jí)和內(nèi)部水流流態(tài)來確定空化空蝕監(jiān)測(cè)防護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。該區(qū)域包括沿泄水建筑物的表面范圍和縱向深度。當(dāng)泄水建筑物施工到指定層面時(shí)，一般為距其過水表面15～30cm，將光纖傳感器沿水流方向在該平面(或弧面)上呈波浪曲線，或云形曲線、連續(xù)“8”字形曲線等網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)曲線鋪設(shè)在該層面上，光纖的兩個(gè)端頭分別接到各自的光纜接續(xù)盒中。然后繼續(xù)施工到另一監(jiān)測(cè)層面，一般為距泄水建筑物表面3～6cm，按照相同的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋪設(shè)方式將光纖傳感器相對(duì)于下一層交錯(cuò)的鋪設(shè)在該層，兩端的光纖接頭分別接入前一層的光纜接續(xù)盒中。最后完成整個(gè)泄水建筑物的施工。
本發(fā)明所使用的光纖傳感器是光纖分布振動(dòng)傳感器，所使用的光纜是可直埋光纜，如鎧裝光纜等。兩根光纖傳感器的終端通過光纜連接到終端盒，始端通過長(zhǎng)距離光纜連接到光纖振動(dòng)探測(cè)儀上。
光纖振動(dòng)探測(cè)儀由光電轉(zhuǎn)換器連接寬帶放大器組成，光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)上攜帶的振動(dòng)信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過寬帶放大器放大并輸出給信號(hào)處理和分析模塊。
信號(hào)處理和分析模塊由帶通濾波器和頻譜變換器組成。帶通濾波器可以是數(shù)字濾波器(例如切比雪夫?yàn)V波器，自適應(yīng)濾波器等)或模擬濾波器，也可以是虛擬濾波器。頻譜變換器可以是用傅里葉變換或是快速傅里葉等其他分析方法，或者使用數(shù)據(jù)采集卡和虛擬數(shù)字濾波技術(shù)，例如labview軟件等。其功能是將信號(hào)的頻譜、自功率譜、互相關(guān)譜、最大譜功率分量以及其他信息等等按高頻分量和低頻分量?jī)蓚€(gè)部分輸出，分別輸出給空化群預(yù)警系統(tǒng)和空蝕程度報(bào)警系統(tǒng)。高頻信號(hào)傳送到空化預(yù)警系統(tǒng)，用來判斷泄水建筑物是否發(fā)生空化以及發(fā)生空化的區(qū)域；低頻信號(hào)傳送到空蝕程度報(bào)警系統(tǒng)，用來判斷泄水建筑物空蝕的程度。
空化群預(yù)警系統(tǒng)的主要預(yù)警辦法是對(duì)上層光纖傳感器的高頻信號(hào)來分析識(shí)別的。當(dāng)高頻分量顯著增長(zhǎng)，低頻分量變化不大，而下層光纖傳感器的振動(dòng)信號(hào)變化不大時(shí)，說明再某些部位產(chǎn)生了空泡群。
空蝕程度報(bào)警系統(tǒng)是通過分析兩個(gè)層面內(nèi)某些特征頻率譜的關(guān)系估計(jì)空蝕的深度。當(dāng)空蝕剝離脫落到上層光纖振動(dòng)傳感器層時(shí)，該層光纖傳感器會(huì)劇烈振動(dòng)，這時(shí)的振動(dòng)將以低頻(10KHz以下)為主，而下層光纖傳感器的高頻信號(hào)顯著增長(zhǎng)，這樣就警示我們空蝕剝落程度已經(jīng)達(dá)到了某個(gè)設(shè)定深度。當(dāng)空蝕破壞繼續(xù)發(fā)展時(shí)，上層光纖傳感器可能因?yàn)楸粵_毀而失去信號(hào)，下層光纖傳感器會(huì)重復(fù)上面的過程。
因?yàn)榭张菰肼曉?～100kHz上均有分布，并在30kHz以上明顯增大，最大聲輻射強(qiáng)度的頻率一般均低于400kHz，所以空化噪聲主要表現(xiàn)為高頻信號(hào)分量(30KHz以上)。當(dāng)泄水建筑物正常工作時(shí)，兩層光纖的振動(dòng)信號(hào)在各個(gè)頻段上均較弱。當(dāng)泄水建筑物的某些部位開始發(fā)生空化空蝕時(shí)，相應(yīng)部位的上層光纖傳感器的高頻信號(hào)分量顯著增長(zhǎng)，低頻分量變化不大，而下層光纖傳感器的振動(dòng)信號(hào)變化不大，由于高頻空化衰減得很快，可以通過分析兩個(gè)層面內(nèi)某些特征頻率譜的關(guān)系估計(jì)空蝕的深度。當(dāng)空蝕剝離脫落到上層光纖振動(dòng)傳感器層時(shí)，該層光纖傳感器會(huì)劇烈振動(dòng)，這時(shí)的振動(dòng)將以低頻(10KHz以下)為主，而下層光纖傳感器的高頻信號(hào)顯著增長(zhǎng)，這樣就警示我們空蝕剝落程度已經(jīng)達(dá)到了某個(gè)設(shè)定深度。當(dāng)空蝕破壞繼續(xù)發(fā)展時(shí)，上層光纖傳感器可能因?yàn)楸粵_毀而失去信號(hào)，下層光纖傳感器會(huì)重復(fù)上面的過程。
本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例如下如圖1和圖2所示的一種光纖區(qū)域分布空化空蝕監(jiān)測(cè)防護(hù)系統(tǒng)，其由光纖分布振動(dòng)傳感器、光纜接續(xù)盒5、終端盒6、光纜7、光纖振動(dòng)探測(cè)儀8、信號(hào)處理分析模塊9、空化群預(yù)警系統(tǒng)12和空蝕程度報(bào)警系統(tǒng)13組成。光纖分布振動(dòng)傳感器一般為兩層布置，上層光纖傳感器2層面距泄水建筑物表面3～6cm，在平面上呈波浪形分布，從監(jiān)測(cè)保護(hù)區(qū)域1的水流4上游一端鋪設(shè)到下游另一端；下層光纖傳感器3層面距泄水建筑物表面15～30cm，在平面上呈與上層光纖傳感器交錯(cuò)的波浪形分布，也從監(jiān)測(cè)保護(hù)區(qū)域的一端鋪設(shè)到另一端；光纖傳感器的兩個(gè)端頭分別接入到光纜接續(xù)盒中，其終端通過光纜連接到終端盒，始端通過長(zhǎng)距離光纜連接到光纖振動(dòng)探測(cè)儀上；光纖振動(dòng)探測(cè)儀將振動(dòng)信號(hào)傳到信號(hào)處理和分析模塊，該模塊通過對(duì)信號(hào)處理和分析，將振動(dòng)信號(hào)分解為高頻分量10和低頻分量11，并輸出其相應(yīng)的自功率譜和互相關(guān)譜；高頻信號(hào)傳送到空化預(yù)警系統(tǒng)用來判斷泄水建筑物是否發(fā)生空化以及發(fā)生空化的區(qū)域；低頻信號(hào)傳送到空蝕程度報(bào)警系統(tǒng)用來判斷泄水建筑物空蝕的程度。這樣構(gòu)成的光纖區(qū)域分布空化空蝕監(jiān)測(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)范圍廣、診斷準(zhǔn)確率高、耐久性好，又可以同時(shí)監(jiān)測(cè)空化空蝕發(fā)生情況和破壞程度，分級(jí)報(bào)警。
權(quán)利要求
1一種區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括傳感器、傳輸光纜、分析系統(tǒng)和預(yù)警、報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于沿監(jiān)測(cè)保護(hù)區(qū)域的泄水建筑物表面下3～6cm處，自水流方向上游一端至下游一端，在整截面上呈網(wǎng)狀鋪設(shè)一根光纖傳感器，并在該截面下15～30cm處的第二截面處，與前述光纖傳感器呈相同形狀交錯(cuò)鋪設(shè)另一根光纖傳感器；所說的兩根光纖傳感器的終端通過光纜連接到終端盒，始端通過光纜接續(xù)盒和長(zhǎng)距離光纜連接到光纖振動(dòng)探測(cè)儀上，光纖振動(dòng)探測(cè)儀將振動(dòng)信號(hào)傳到信號(hào)處理和分析模塊，該模塊通過對(duì)信號(hào)處理和分析，將振動(dòng)信號(hào)分解為高頻分量和低頻分量，并輸出相應(yīng)的自功率譜和互相關(guān)譜，高頻信號(hào)傳送到空化預(yù)警系統(tǒng)，低頻信號(hào)傳送到空蝕程度報(bào)警系統(tǒng)。
2按照權(quán)利要求1所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所說的光纖傳感器呈波浪曲線鋪設(shè)。
3按照權(quán)利要求1或2所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所說的光纖傳感器是光纖分布振動(dòng)傳感器。
4按照權(quán)利要求1所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所說的光纜是可直埋光纜。
5按照權(quán)利要求1或2、4所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所說的光纖振動(dòng)探測(cè)儀由光電轉(zhuǎn)換器連接寬帶放大器組成，光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)上攜帶的振動(dòng)信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過寬帶放大器放大并輸出給信號(hào)處理和分析模塊。
6按照權(quán)利要求3所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所說的光纖振動(dòng)探測(cè)儀由光電轉(zhuǎn)換器連接寬帶放大器組成，光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)上攜帶的振動(dòng)信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過寬帶放大器放大并輸出給信號(hào)處理和分析模塊。
7按照權(quán)利要求1或2、4、6所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所說的信號(hào)處理和分析模塊由帶通濾波器和頻譜變換器組成，它將信號(hào)的頻譜、自功率譜、互相關(guān)譜、最大譜功率分量信息按高頻和低頻兩個(gè)部分輸出，分別輸出給空化群預(yù)警系統(tǒng)和空蝕程度報(bào)警系統(tǒng)。
8按照權(quán)利要求5所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所說的信號(hào)處理和分析模塊由帶通濾波器和頻譜變換器組成，它將信號(hào)的頻譜、自功率譜、互相關(guān)譜、最大譜功率分量信息按高頻和低頻兩個(gè)部分輸出，分別輸出給空化群預(yù)警系統(tǒng)和空蝕程度報(bào)警系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器、傳輸光纜、分析系統(tǒng)和預(yù)警、報(bào)警系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)保護(hù)區(qū)域的泄水建筑物表面下兩個(gè)截面上，呈網(wǎng)狀分別鋪設(shè)一根光纖傳感器；兩根光纖傳感器通過光纜連接光纖振動(dòng)探測(cè)儀，光纖振動(dòng)探測(cè)儀將振動(dòng)信號(hào)傳到信號(hào)處理和分析模塊，該模塊又將振動(dòng)信號(hào)分解為高頻分量和低頻分量，并輸出相應(yīng)的自功率譜和互相關(guān)譜，高頻信號(hào)傳送到空化預(yù)警系統(tǒng)，低頻信號(hào)傳送到空蝕程度報(bào)警系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、診斷準(zhǔn)確率高、耐久性好的特點(diǎn)，以及可實(shí)現(xiàn)區(qū)域性同步空化空蝕監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。而且光纖網(wǎng)絡(luò)前端是完全無源的，所有供電設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備都是在數(shù)公里外的控制室內(nèi)，施工和運(yùn)行管理方便。
文檔編號(hào)G01N21/84GK1834618SQ20061001347
公開日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2006年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月19日
發(fā)明者練繼建, 葛春風(fēng), 劉昉 申請(qǐng)人:天津大學(xué)