[发明专利]一种基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法和装置

摘要

本发明是一种基于振弦式传感器的油气管道振动监测方法和装置。它是利用金属杆(10）的受力把管线的振幅、加速度参量转化为轴向应变量，进而转化为振弦式应变传感器(12）的输出频率信号，通过测量该频率变化信号，就可以实现对油气管线振动加速度的测量；对振动加速度a(t)进行FFT快速傅立叶变换计算后，可得到管线的振动频谱，从而得到振动周期；由四分之一周期内的波数，即可得到测点处的振幅和频率，并可绘出管线涡激振动的振幅—时程曲线。本发明将管线的振动频率加速度转化为振弦式传感器的应变值，实现对油气管线振动频率的高精度、抗干扰、性能稳定的自动监测。

主权项

1.一种基于振弦式传感器的油气管线振动监测方法，其特征是该方法所用装置主要包括自主研制的振弦式振动监测计[2]及设置在监测站里的振弦读数仪[4]、下位机[5]、无线通信模块Ⅰ[6]、无线通讯模块Ⅱ[7]和上位机[8]；在洪水冲刷导致的悬空管段上安装振弦式振动监测计[2]，从振弦式振动监测计[2]引出电缆[3]，电缆[3]与振弦读数仪[4]连接，振弦读数仪[4]的输出接下位机[5]的输入，下位机[5]输出接无线通信模块Ⅰ[6]，无线通讯模块Ⅱ[7]输出接上位机[8]的输入；所述振弦式振动监测计[2]的构成为：在不锈钢防水盒[9]一侧内壁上固定一根金属杆[10]，金属杆[10]的自由端固定一个金属块[11]，将一支温度补偿型振弦式应变传感器[12]粘贴于金属杆[10]表面，并通过通讯电缆[3]将测量信号引至现场监测站；监测方法如下：将金属杆[10]等效为一悬臂梁，根据材料力学，有σx(t)=E1b1h136l13σ=E1b1h126l1ϵ---(5)]]>式中：E₁、h₁、l₁和b₁分别是悬臂梁的弹性模量、厚度、长度和宽度，σ为梁的应力，x(t)为梁自由端的挠度，根据式（5），有x(t)=l12h1ϵ---(6)]]>当金属杆[10]自由端的金属块[11]随着外部环境一起振动时，由于惯性力的作用，使得粘贴于金属杆上的振弦式应变传感器[12]产生轴向应变，其变化关系见式（4）；联合式（4）、（6），有x(t)=l12h1(4m0l0E0S0f2+αΔT)---(7)]]>假设在外部环境作用下，不锈钢防水盒[9]做振幅为A、角频率为ω₁的简谐振动，其振动位移x(t)可表示为x(t)＝Acos(ω₁-θ)                （8）对x(t)求二阶导数，可得振动加速度a(t)，如下a(t)=x(t)′′=-Aω12cos(ω1t-θ)---(9)]]>联合式（8）、（9），有a(t)=-ω12x(t)---(10)]]>联合式（7）、（10），有a(t)=-ω12l12h1(4m0l0E0S0f2+αΔT)---(11)]]>其中角频率ω₁可用下式表示ω1=E1b1h136m1l13---(12)]]>其中m₁为金属块[11]的质量；联合式（11）、（12），有a(t)=-E1b1h126m1l1(4m0l0E0S0f2+αΔT)---(13)]]>由式（13）知，振弦式应变传感器的输出频率f与振源的振动加速度a(t)变化呈线性关系，振弦式振动监测计[2]就是基于式（13）间接测量油气管线[1]的涡激振动参量；利用金属杆[10]的受力把管线的振幅、加速度等参量转化为轴向应变量，进而转化为振弦式应变传感器[12]的输出频率信号，通过测量该频率变化信号，就可以实现对油气管线振动加速度的测量；对振动加速度a(t)进行FFT快速傅立叶变换计算后，可得到管线的振动频谱，从而得到振动周期；由四分之一周期内的波数，即可得到测点处的振幅和频率，并可绘出管线涡激振动的振幅—时程曲线。