一種基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，包括數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊、信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機(jī)交互模塊；數(shù)據(jù)采集模塊包括貼附于對應(yīng)爐管位置的鍋爐爐墻外壁面的傳感器陣列：在鍋爐爐墻的不同外壁面分別布置傳感器，同一水平截面上的四個傳感器構(gòu)成四元十字陣列；無線傳輸模塊包括無線信號發(fā)射模塊和無線信號接收模塊；傳感器陣列的輸出端與無線信號發(fā)射模塊相連；無線信號接收模塊的輸出端依次串接有信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機(jī)交互模塊。根據(jù)傳感器的有效接收距離與鍋爐的高度，設(shè)置一層或多層所述傳感器陣列。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)合理、便攜性好、實(shí)施簡單，成本較低。
【專利說明】
一種基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于工業(yè)設(shè)備檢測裝置領(lǐng)域，特別是一種基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐 管泄漏檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 截至2011年我國擁有各種容量的在用鍋爐共計(jì)62.03萬臺。鍋爐的四管（水冷壁、 省煤器、過熱器、再熱器)泄漏是造成鍋爐非計(jì)劃停運(yùn)的主要原因。傳統(tǒng)的鍋爐泄漏檢測方 法是工作人員在現(xiàn)場巡視監(jiān)聽，或通過補(bǔ)水量的變化、壓力溫度等參數(shù)的改變進(jìn)行分析判 斷。此方法容易受到很大干擾且遲滯性很大，無法滿足現(xiàn)場要求。而檢漏裝置由于可以探測 出微小的泄漏點(diǎn)，比人工方式可提早15天進(jìn)行預(yù)警。因此國外在20世紀(jì)70年代研制出了鍋 爐泄漏檢測裝置并投入運(yùn)行，這時期的產(chǎn)品由傳感器、前置放大器、電子間信號處理柜、主 控室顯示組件等構(gòu)成。到了20世紀(jì)90年代，由于電子微工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的集成度提 高，由傳感器、前置放大器、主控室計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)等構(gòu)成。目前海外擁有這項(xiàng)技術(shù)的國家 主要是英國、美國、南非等。
[0003] 我國20世紀(jì)80年代開始了電廠鍋爐爐管檢漏產(chǎn)品的研究但仍處于研究階段。90年 代初期國內(nèi)第一代檢漏裝置投入使用，該產(chǎn)品主要參照國外70年代末的同類產(chǎn)品進(jìn)行設(shè) 計(jì)。在第一代的基礎(chǔ)上，第二代產(chǎn)品不久研制成功并投入使用至今。其中典型代表有南京華 能中電電力有限公司的XLB型鍋爐爐管泄漏自動報(bào)警裝置、東北電力大學(xué)學(xué)院開發(fā)的BLD鍋 爐承壓管泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)。
[0004] 我國鍋爐泄漏檢測設(shè)備研發(fā)時間較短，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期也很長。現(xiàn)有產(chǎn)品較 初期設(shè)計(jì)變化不大:不僅探頭數(shù)量眾多（多達(dá)60-80個），而且系統(tǒng)含有大量銅質(zhì)導(dǎo)線、工控 機(jī)、大型電子設(shè)備間，造成了高成本、高安裝費(fèi)用、低便攜性的問題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于聲學(xué)原理的 便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，實(shí)施簡單，能夠在不破壞爐墻，不進(jìn)行大量施工的基礎(chǔ)上，實(shí) 現(xiàn)對爐管泄漏的泄漏報(bào)警與漏點(diǎn)定位;結(jié)構(gòu)新穎，便攜性好，成本低。
[0006] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案為：
[0007] -種基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，包括數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸 模塊、信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機(jī)交互模塊；
[0008] 所述數(shù)據(jù)采集模塊包括貼附于對應(yīng)爐管位置的鍋爐爐墻外壁面的傳感器陣列:在 鍋爐爐墻的不同外壁面分別布置傳感器，同一水平截面上的四個傳感器構(gòu)成四元十字陣 列；
[0009] 同一水平截面，即同一層的四個傳感器陣列構(gòu)成四元平面十字陣列；即同一層上 爐墻不同側(cè)面設(shè)有4個傳感器測點(diǎn)，分別位于"十字"的四個端點(diǎn)；
[0010]根據(jù)鍋爐本體的結(jié)構(gòu)，將傳感器貼附于對應(yīng)著爐管位置的鍋爐爐墻外壁面上，測 量準(zhǔn)確；
[0011]無線傳輸模塊包括無線信號發(fā)射模塊和無線信號接收模塊；
[0012]傳感器陣列的輸出端與無線信號發(fā)射模塊相連;無線信號發(fā)射模塊和無線信號接 收模塊通信連接;無線信號接收模塊的輸出端依次串接有信號頻譜分析模塊、聲源定位模 塊和人機(jī)交互模塊。
[0013] 傳感器把聲信號轉(zhuǎn)換為電流信號，通過一體設(shè)計(jì)的前置信號處理裝置(放大濾波 電路)進(jìn)行信號的初步處理。接著由對稱的無線信號發(fā)射、接收模塊把信號傳入便攜式工控 機(jī)中，由主機(jī)中的信號頻譜分析模塊來確定是否發(fā)生了泄漏。若泄漏發(fā)生，立刻報(bào)警，與此 同時聲源定位模塊將給出聲源(即泄漏點(diǎn))具體位置。
[0014] 根據(jù)傳感器的有效接收距離與鍋爐的高度，在鍋爐爐墻不同高度的水平截面上， 設(shè)置一層或多層所述傳感器陣列;若鍋爐較高可按照需要多設(shè)置幾層，使得測量結(jié)果更加 準(zhǔn)確。
[0015] 所述信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機(jī)交互模塊均集成于便攜式工控機(jī) 中。也可以采用獨(dú)立的信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機(jī)交互模塊。
[0016] 所述便攜式工控機(jī)上還集成有聲光報(bào)警模塊。也可采用外部獨(dú)立的聲光報(bào)警模 塊。
[0017] 所述無線信號發(fā)射模塊和無線信號接收模塊均包括單片機(jī)、無線通信芯片和增益 天線;增益天線與無線通信芯片相連，無線通信芯片與單片機(jī)相連。
[0018] 所述無線信號接收模塊的單片機(jī)通過USB-232轉(zhuǎn)接器與便攜式工控機(jī)相連。
[0019] 所述無線通信芯片為串口傳輸?shù)腘ordic公司nRF24101芯片。nRF2401是單片射頻 收發(fā)芯片，工作于2.4~2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和 調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。其串口的應(yīng)用非常簡單，并 且傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實(shí)際速率。
[0020] 鍋爐爐內(nèi)復(fù)雜的隨機(jī)噪聲信號被聲音傳感器采集，經(jīng)過與傳感器設(shè)計(jì)一體的前置 信號處理裝置進(jìn)行信號的初步處理，再經(jīng)由單片機(jī)控制的無線發(fā)射模塊將數(shù)字信號發(fā)送出 去。以上幾個步驟都是在測點(diǎn)附近完成的。監(jiān)測室內(nèi)無線接收模塊對現(xiàn)場聲音信號進(jìn)行接 收，通過單片機(jī)和工控機(jī)PC間的接口電路把信號傳輸?shù)奖銛y式工控機(jī)上。工控機(jī)上搭載的 信號頻譜分析模塊，即頻譜分析儀即對信號進(jìn)行頻譜分析，包括：由信號采樣模塊對聲音信 號進(jìn)行采樣(可設(shè)定采樣頻率），由FIR濾波器先濾波，過濾鍋爐背景噪聲，提取泄漏信號，畫 出濾波后的時域波形圖，對語音信號進(jìn)行快速傅里葉變換，繪出得到信號頻譜圖，；頻譜圖 可以直觀地顯示鍋爐運(yùn)行聲音信號的能量與頻率的關(guān)系。當(dāng)鍋爐正常運(yùn)行時背景噪聲集中 在中低頻范圍，而泄漏噪聲頻譜分布在1000-4000HZ的范圍內(nèi)，相對背景噪聲是高頻噪聲。 基于頻率的差別，并按聲壓級設(shè)定報(bào)警閾值，將能從信號頻譜圖中識別是否存在泄漏;所述 工控機(jī)中集成有定時器，當(dāng)信號持續(xù)一段時間（即預(yù)設(shè)的定時時間)超過報(bào)警閾值系統(tǒng)將觸 發(fā)聲光報(bào)警模塊，發(fā)出警報(bào)。最后由聲源定位模塊采用時延估計(jì)的方式進(jìn)行定位。同一平面 上不同幾何位置傳感器接收到同源信號的時間差稱為時延值。將時延值代入四元十字陣定 位模型即可求出聲源坐標(biāo)，通過人機(jī)交互模塊進(jìn)行顯示。
[0021] 本裝置對鍋爐進(jìn)行檢測時，主要檢測水冷壁、省煤器、過熱器、再熱器這些易損換 熱管道。
[0022] 有益效果：
[0023] 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種利用無線傳輸技術(shù)的基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏 檢測裝置。裝置設(shè)計(jì)緊湊，包含數(shù)據(jù)采集模塊、信號頻譜分析模塊、無線傳輸模塊、聲源定位 模塊和人機(jī)交互模塊。通過聲音傳感器陣列采集聲音信號，無線傳輸?shù)奖銛y式工控機(jī)上，便 攜式工控機(jī)將對聲音進(jìn)行分析與計(jì)算。一旦捕捉泄漏信號將延時跟蹤，其聲壓級超過閾值 后將發(fā)出警報(bào)，同時聲源定位模塊給出泄漏點(diǎn)的坐標(biāo)。技術(shù)人員在現(xiàn)場通過人機(jī)交互界面 就可以了解泄漏狀況，查看泄漏點(diǎn)位置妥善安排停爐檢修，能很快就能找到微小泄漏點(diǎn)，定 位精度高。
[0024] 本實(shí)用新型中不采用聲導(dǎo)管，不對鍋爐爐墻打孔，能夠在不破壞爐墻，不進(jìn)行大量 施工的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對爐管泄漏的泄漏報(bào)警與漏點(diǎn)定位;應(yīng)用無線通信技術(shù)，避免電纜接地 的麻煩，使得整個系統(tǒng)便于移動。
[0025] 本實(shí)用新型的便攜性，一體現(xiàn)在傳感器陣列貼附與爐墻表明的設(shè)計(jì)，二體現(xiàn)在信 號的無線通訊方式，三體現(xiàn)在便攜式工控機(jī)的使用。可以大大節(jié)省檢漏成本，減少設(shè)備占地 面積，保證鍋爐使用單位的安全生產(chǎn)。
[0026]本產(chǎn)品可適用于不同容量、參數(shù)的鍋爐，通過設(shè)定合理的閾值即可實(shí)現(xiàn)其正常功 能。鍋爐檢漏設(shè)備的小型化、便攜化降低了工業(yè)企業(yè)的成本，也為各種壓力容器、壓力管道 的泄漏檢測提供了參考。
【附圖說明】
[0027]圖1是本實(shí)用新型原理圖 [0028]圖2是本實(shí)用新型的實(shí)物設(shè)計(jì)圖；
[0029]圖3是傳感器陣列圖示；
[0030]圖4是傳感器陣列與聲源位置關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031 ]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0032]圖1和圖2所示為一套完整的基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置。
[0033] 一種基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，包括數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸 模塊、信號頻譜分析模塊，即頻譜分析儀、聲源定位模塊和人機(jī)交互模塊；
[0034] 所述數(shù)據(jù)采集模塊包括貼附于對應(yīng)爐管位置的鍋爐爐墻外壁面的傳感器陣列:在 鍋爐爐墻的不同外壁面分別布置傳感器，同一水平截面上的四個傳感器構(gòu)成四元十字陣 列；
[0035] 同一水平截面，即同一層的四個傳感器陣列構(gòu)成四元平面十字陣列；即同一層上 爐墻不同側(cè)面設(shè)有4個傳感器測點(diǎn)，分別位于"十字"的四個端點(diǎn)；
[0036] 根據(jù)鍋爐本體的結(jié)構(gòu)，將傳感器貼附于對應(yīng)著爐管位置的鍋爐爐墻外壁面上，測 量準(zhǔn)確；
[0037]無線傳輸模塊包括無線信號發(fā)射模塊和無線信號接收模塊；
[0038]傳感器陣列的輸出端與無線信號發(fā)射模塊相連;無線信號發(fā)射模塊和無線信號接 收模塊通信連接;無線信號接收模塊的輸出端依次串接有信號頻譜分析模塊、聲源定位模 塊和人機(jī)交互模塊。
[0039] 傳感器把聲信號轉(zhuǎn)換為電流信號，通過一體設(shè)計(jì)的前置信號處理裝置(放大濾波 電路)進(jìn)行信號的初步處理。接著由對稱的無線信號發(fā)射、接收模塊把信號傳入便攜式工控 機(jī)中，由主機(jī)中的信號頻譜分析模塊來確定是否發(fā)生了泄漏。若泄漏發(fā)生，立刻報(bào)警，與此 同時聲源定位模塊將給出聲源(即泄漏點(diǎn))具體位置。
[0040] 圖3和圖4是聲音傳感器的平面十字陣列，Sl(D/2,0,0)，S2(0，D/2,0)，S3(-D/2,0， 0)，34(0，-0/2,0)，聲源1'(1，7,2)。聲源定位模塊可采用基于時延的定位算法。定位模型與 算法如下：
[0041]
[0042]
[0043]其中，di2，di3，di4為聲程差(m) 為時延值（s) ;c為聲速340(m/s) ;ri為T 與距離，以為!1到達(dá)81的時間。
[0044] 聯(lián)立可得聲源坐標(biāo)：
[0045]
[0046]算法先由相關(guān)函數(shù)得出時延值，再結(jié)合傳聲器布置的集合位置關(guān)系與聲學(xué)原理， 可推導(dǎo)出以時延值為自變量的定位公式。該定位算法在現(xiàn)有公開的專利文件，如申請?zhí)枮?201210204877.3的一種基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)以及申請?zhí)枮?00910242403.6的 電站鍋爐"四管"泄漏聲測精確定位系統(tǒng)都有用到，因此，本實(shí)用新型未涉及算法上的改進(jìn)， 只需要采用現(xiàn)有的具有實(shí)現(xiàn)這一算法的硬件模塊。
[0047]根據(jù)傳感器的有效接收距離與鍋爐的高度，在鍋爐爐墻不同高度的水平截面上， 設(shè)置一層或多層所述傳感器陣列;若鍋爐較高可按照需要多設(shè)置幾層，使得測量結(jié)果更加 準(zhǔn)確。
[0048]聲光報(bào)警模塊所述信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機(jī)交互模塊均集成于便 攜式工控機(jī)中。
[0049] 所述便攜式工控機(jī)中還集成有聲光報(bào)警模塊。
[0050] 所述無線信號發(fā)射模塊和無線信號接收模塊均包括單片機(jī)、無線通信芯片和增益 天線;增益天線與無線通信芯片相連，無線通信芯片與單片機(jī)相連。
[0051] 所述無線信號接收模塊的單片機(jī)通過USB-232轉(zhuǎn)接器與便攜式工控機(jī)相連。
[0052] 所述無線通信芯片為串口傳輸?shù)腘ordic公司nRF24101芯片。nRF2401是單片射頻 收發(fā)芯片，工作于2.4~2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和 調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。其串口的應(yīng)用非常簡單，并 且傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實(shí)際速率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，其特征在于，包括數(shù)據(jù)采集模塊、 無線傳輸模塊、信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機(jī)交互模塊； 所述數(shù)據(jù)采集模塊包括貼附于對應(yīng)爐管位置的鍋爐爐墻外壁面的傳感器陣列:在鍋爐 爐墻的不同外壁面分別布置傳感器，同一水平截面上的四個傳感器構(gòu)成四元十字陣列； 無線傳輸模塊包括無線信號發(fā)射模塊和無線信號接收模塊； 傳感器陣列的輸出端與無線信號發(fā)射模塊相連;無線信號發(fā)射模塊和無線信號接收模 塊通信連接;無線信號接收模塊的輸出端依次串接有信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和 人機(jī)交互模塊。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，其特征在于，根 據(jù)傳感器的有效接收距離與鍋爐的高度，在鍋爐爐墻不同高度的水平截面上，設(shè)置一層或 多層傳感器陣列。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，其特征在于，所 述信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機(jī)交互模塊均集成于便攜式工控機(jī)上。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，其特征在于，所 述便攜式工控機(jī)上還集成有聲光報(bào)警模塊。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，其特征在于，所 述無線信號發(fā)射模塊和無線信號接收模塊均包括單片機(jī)、無線通信芯片和增益天線；增益 天線與無線通信芯片相連，無線通信芯片與單片機(jī)相連。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，其特征在于，所 述無線信號接收模塊的單片機(jī)通過USB-232轉(zhuǎn)接器與便攜式工控機(jī)相連。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于聲學(xué)原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，其特征在于，所 述無線通信芯片為nRF24101芯片。
【文檔編號】G01M3/00GK205607603SQ201620362634
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】劉志強(qiáng), 彭小蘭, 張建智, 廖伊丹, 黃霄
【申請人】中南大學(xué)