一種基于聲學原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于聲學原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，包括數據采集模塊、無線傳輸模塊、信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機交互模塊；數據采集模塊包括貼附于對應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成四元十字陣列；無線傳輸模塊包括無線信號發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交互模塊。根據傳感器的有效接收距離與鍋爐的高度，設置一層或多層所述傳感器陣列。本實用新型設計合理、便攜性好、實施簡單，成本較低。
【專利說明】
一種基于聲學原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置
技術領域
[0001] 本實用新型屬于工業設備檢測裝置領域，特別是一種基于聲學原理的便攜式鍋爐 管泄漏檢測裝置。
【背景技術】
[0002] 截至2011年我國擁有各種容量的在用鍋爐共計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劃停運的主要原因。傳統的鍋爐泄漏檢測方 法是工作人員在現場巡視監聽，或通過補水量的變化、壓力溫度等參數的改變進行分析判 斷。此方法容易受到很大干擾且遲滯性很大，無法滿足現場要求。而檢漏裝置由于可以探測 出微小的泄漏點，比人工方式可提早15天進行預警。因此國外在20世紀70年代研制出了鍋 爐泄漏檢測裝置并投入運行，這時期的產品由傳感器、前置放大器、電子間信號處理柜、主 控室顯示組件等構成。到了20世紀90年代，由于電子微工業技術的發展，系統的集成度提 高，由傳感器、前置放大器、主控室計算機顯示系統等構成。目前海外擁有這項技術的國家 主要是英國、美國、南非等。
[0003] 我國20世紀80年代開始了電廠鍋爐爐管檢漏產品的研究但仍處于研究階段。90年 代初期國內第一代檢漏裝置投入使用，該產品主要參照國外70年代末的同類產品進行設 計。在第一代的基礎上，第二代產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警裝置、東北電力大學學院開發的BLD鍋 爐承壓管泄漏在線監測系統。
[0004] 我國鍋爐泄漏檢測設備研發時間較短，產品更新換代的周期也很長。現有產品較 初期設計變化不大:不僅探頭數量眾多（多達60-80個），而且系統含有大量銅質導線、工控 機、大型電子設備間，造成了高成本、高安裝費用、低便攜性的問題。 【實用新型內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術的不足，提供一種基于聲學原理的 便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，實施簡單，能夠在不破壞爐墻，不進行大量施工的基礎上，實 現對爐管泄漏的泄漏報警與漏點定位;結構新穎，便攜性好，成本低。
[0006] 本實用新型的技術方案為：
[0007] -種基于聲學原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，包括數據采集模塊、無線傳輸 模塊、信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機交互模塊；
[0008] 所述數據采集模塊包括貼附于對應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成四元平面十字陣列；即同一層上 爐墻不同側面設有4個傳感器測點，分別位于"十字"的四個端點；
[0010]根據鍋爐本體的結構，將傳感器貼附于對應著爐管位置的鍋爐爐墻外壁面上，測 量準確；
[0011]無線傳輸模塊包括無線信號發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射模塊相連;無線信號發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 塊和人機交互模塊。
[0013] 傳感器把聲信號轉換為電流信號，通過一體設計的前置信號處理裝置(放大濾波 電路)進行信號的初步處理。接著由對稱的無線信號發射、接收模塊把信號傳入便攜式工控 機中，由主機中的信號頻譜分析模塊來確定是否發生了泄漏。若泄漏發生，立刻報警，與此 同時聲源定位模塊將給出聲源(即泄漏點)具體位置。
[0014] 根據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置幾層，使得測量結果更加 準確。
[0015] 所述信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機交互模塊均集成于便攜式工控機 中。也可以采用獨立的信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機交互模塊。
[0016] 所述便攜式工控機上還集成有聲光報警模塊。也可采用外部獨立的聲光報警模 塊。
[0017] 所述無線信號發射模塊和無線信號接收模塊均包括單片機、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相連。
[0018] 所述無線信號接收模塊的單片機通過USB-232轉接器與便攜式工控機相連。
[0019] 所述無線通信芯片為串口傳輸的Nordic公司nRF24101芯片。nRF2401是單片射頻 收發芯片，工作于2.4~2.5GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和 調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。其串口的應用非常簡單，并 且傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率。
[0020] 鍋爐爐內復雜的隨機噪聲信號被聲音傳感器采集，經過與傳感器設計一體的前置 信號處理裝置進行信號的初步處理，再經由單片機控制的無線發射模塊將數字信號發送出 去。以上幾個步驟都是在測點附近完成的。監測室內無線接收模塊對現場聲音信號進行接 收，通過單片機和工控機PC間的接口電路把信號傳輸到便攜式工控機上。工控機上搭載的 信號頻譜分析模塊，即頻譜分析儀即對信號進行頻譜分析，包括：由信號采樣模塊對聲音信 號進行采樣(可設定采樣頻率），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行聲音信號的能量與頻率的關系。當鍋爐正常運行時背景噪聲集中 在中低頻范圍，而泄漏噪聲頻譜分布在1000-4000HZ的范圍內，相對背景噪聲是高頻噪聲。 基于頻率的差別，并按聲壓級設定報警閾值，將能從信號頻譜圖中識別是否存在泄漏;所述 工控機中集成有定時器，當信號持續一段時間（即預設的定時時間)超過報警閾值系統將觸 發聲光報警模塊，發出警報。最后由聲源定位模塊采用時延估計的方式進行定位。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，通過人機交互模塊進行顯示。
[0021] 本裝置對鍋爐進行檢測時，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] 本實用新型設計了一種利用無線傳輸技術的基于聲學原理的便攜式鍋爐管泄漏 檢測裝置。裝置設計緊湊，包含數據采集模塊、信號頻譜分析模塊、無線傳輸模塊、聲源定位 模塊和人機交互模塊。通過聲音傳感器陣列采集聲音信號，無線傳輸到便攜式工控機上，便 攜式工控機將對聲音進行分析與計算。一旦捕捉泄漏信號將延時跟蹤，其聲壓級超過閾值 后將發出警報，同時聲源定位模塊給出泄漏點的坐標。技術人員在現場通過人機交互界面 就可以了解泄漏狀況，查看泄漏點位置妥善安排停爐檢修，能很快就能找到微小泄漏點，定 位精度高。
[0024] 本實用新型中不采用聲導管，不對鍋爐爐墻打孔，能夠在不破壞爐墻，不進行大量 施工的基礎上，實現對爐管泄漏的泄漏報警與漏點定位;應用無線通信技術，避免電纜接地 的麻煩，使得整個系統便于移動。
[0025] 本實用新型的便攜性，一體現在傳感器陣列貼附與爐墻表明的設計，二體現在信 號的無線通訊方式，三體現在便攜式工控機的使用。可以大大節省檢漏成本，減少設備占地 面積，保證鍋爐使用單位的安全生產。
[0026]本產品可適用于不同容量、參數的鍋爐，通過設定合理的閾值即可實現其正常功 能。鍋爐檢漏設備的小型化、便攜化降低了工業企業的成本，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是本實用新型原理圖 [0028]圖2是本實用新型的實物設計圖；
[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系圖。
【具體實施方式】
[0031 ]下面結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0032]圖1和圖2所示為一套完整的基于聲學原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置。
[0033] 一種基于聲學原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，包括數據采集模塊、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交互模塊；
[0034] 所述數據采集模塊包括貼附于對應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成四元平面十字陣列；即同一層上 爐墻不同側面設有4個傳感器測點，分別位于"十字"的四個端點；
[0036] 根據鍋爐本體的結構，將傳感器貼附于對應著爐管位置的鍋爐爐墻外壁面上，測 量準確；
[0037]無線傳輸模塊包括無線信號發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射模塊相連;無線信號發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 塊和人機交互模塊。
[0039] 傳感器把聲信號轉換為電流信號，通過一體設計的前置信號處理裝置(放大濾波 電路)進行信號的初步處理。接著由對稱的無線信號發射、接收模塊把信號傳入便攜式工控 機中，由主機中的信號頻譜分析模塊來確定是否發生了泄漏。若泄漏發生，立刻報警，與此 同時聲源定位模塊將給出聲源(即泄漏點)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81的時間。
[0044] 聯立可得聲源坐標：
[0045]
[0046]算法先由相關函數得出時延值，再結合傳聲器布置的集合位置關系與聲學原理， 可推導出以時延值為自變量的定位公式。該定位算法在現有公開的專利文件，如申請號為 201210204877.3的一種基于麥克風陣列的聲源定位系統以及申請號為200910242403.6的 電站鍋爐"四管"泄漏聲測精確定位系統都有用到，因此，本實用新型未涉及算法上的改進， 只需要采用現有的具有實現這一算法的硬件模塊。
[0047]根據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置幾層，使得測量結果更加 準確。
[0048]聲光報警模塊所述信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機交互模塊均集成于便 攜式工控機中。
[0049] 所述便攜式工控機中還集成有聲光報警模塊。
[0050] 所述無線信號發射模塊和無線信號接收模塊均包括單片機、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相連。
[0051] 所述無線信號接收模塊的單片機通過USB-232轉接器與便攜式工控機相連。
[0052] 所述無線通信芯片為串口傳輸的Nordic公司nRF24101芯片。nRF2401是單片射頻 收發芯片，工作于2.4~2.5GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和 調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。其串口的應用非常簡單，并 且傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率。
【主權項】
1. 一種基于聲學原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，其特征在于，包括數據采集模塊、 無線傳輸模塊、信號頻譜分析模塊、聲源定位模塊和人機交互模塊； 所述數據采集模塊包括貼附于對應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成四元十字陣列； 無線傳輸模塊包括無線信號發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射模塊相連;無線信號發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 人機交互模塊。2. 根據權利要求1所述的基于聲學原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，其特征在于，根 據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，設置一層或 多層傳感器陣列。3. 根據權利要求2所述的基于聲學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交互模塊均集成于便攜式工控機上。4. 根據權利要求3所述的基于聲學原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，其特征在于，所 述便攜式工控機上還集成有聲光報警模塊。5. 根據權利要求4所述的基于聲學原理的便攜式鍋爐管泄漏檢測裝置，其特征在于，所 述無線信號發射模塊和無線信號接收模塊均包括單片機、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相連。6. 根據權利要求5所述的基于聲學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通過USB-232轉接器與便攜式工控機相連。7. 根據權利要求6所述的基于聲學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
【發明人】劉志強, 彭小蘭, 張建智, 廖伊丹, 黃霄
【申請人】中南大學