煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀的製作方法
2023-09-23 05:26:20
專利名稱：煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體洩漏檢測儀器，特別涉及一種煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀。
背景技術：
近年來，隨著礦井生產機械化水平和生產集約化程度的提高，更多礦區進入深部開採，瓦斯湧出量急劇增加。將煤層中的瓦斯抽出並加以利用，既可防止和減少煤礦重大瓦斯事故的發生，保證礦井安全生產，又可保護礦區環境，獲得較好的經濟效益和社會效益。 煤礦瓦斯的治理、開採和利用都離不開瓦斯輸送。管道洩漏是井下瓦斯安全輸送的重要安全隱患。煤礦區抽採煤層氣的濃度由其抽採方法工藝及抽採系統的集輸管線的密封狀態決定的，在具體的抽採條件確定了其抽採方法及工藝後，抽採系統的集輸管線的密封狀態決定了其抽採濃度的高低。輸送管路本身的漏氣，關係到煤層氣在輸送過程中的安全、高效和穩定，從而對下遊其他相關環節，諸如煤層氣電廠是否能正常運行，民用燃氣是否能正常供應等造成直接影響。更為嚴重的是管道瓦斯濃度如果處在爆炸範圍，一旦出現事故，對礦井帶來的後果是災難性的。目前，管道檢漏的研究主要集中在正壓流體輸送管道，而瓦斯輸送管道處於負壓狀態，針對其這一特點必須選用相應的洩漏檢測方法。傳統的洩漏檢測方法如絕對壓力法、 壓差法、氣泡法等主要適用於正壓輸送管道檢漏，操作複雜並且對技術人員要求較高，而且不具有實時性，因此不適用於煤礦井下的環境。工業上廣泛利用洩漏產生超聲波的原理來進行洩漏檢測，而且對於正壓、負壓狀態的管道檢漏都有效。在國外，由於煤層地質條件及煤層透氣性相對較好，礦井瓦斯抽採主要採取地面井抽採，極少國家採取井下瓦斯抽採，井下瓦斯抽採技術發展緩慢。在我國，井下輸運管網技術主要還是採用鋼管、抽採管道參數監測，環境傳感器監測等技術。煤礦井下使用的煤層氣輸送管路(即瓦斯抽放管路)多數仍為金屬鋼管，而鋼管存在著易腐蝕、安裝效率低、服務年限短和易產生摩擦火花等問題。雖然近幾年非金屬管道在煤礦逐步開始推廣應用，但其進展的速度較慢，使用的效果還不太理想，主要原因是目前的非金屬管路系統的安全性、 可靠性還不夠好，存在著耐長期負壓性能不好(易吸癟)、抗衝擊韌性不高(易發生脆性破壞)等缺點。所以在井下輸運管網安全保障技術方面仍很欠缺。隨著近幾年國家對煤層氣開發及瓦斯災害的重視，煤層氣作為一種潔淨能源來開發逐漸引起了大家的認同。從而推動了相關產業的發展和成熟，但井下輸送管網洩漏技術方面目前還是空白，但在地面石油天然氣管道輸運方面，檢漏技術已有一定發展。因此急需一種成本低、使用方便、速度快、便於現場檢測的適用於煤礦井下爆炸性氣體環境下的瓦斯輸送管道的洩漏檢測裝置
發明內容
有鑑於此，為了解決上述問題，本發明提出一種成本低、使用方便、速度快、便於現場檢測的適用於煤礦井下爆炸性氣體環境下的瓦斯輸送管道的洩漏檢測裝置。利用超聲波檢測氣體洩漏位置，不僅方法簡單，而且準確可靠。本發明提供的煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，包括超聲波探頭、信號放大電路、音頻處理電路，所述超聲波探頭用於獲取管道洩漏產生的洩漏超聲波信號，所述洩漏超聲波信號經過信號放大電路後輸入到音頻處理電路，所述音頻處理電路將洩漏產生的超聲波高頻信號轉化為人耳可聽的低頻信號。進一步，所述信號放大電路包括前置放大電路、帶通濾波電路和二次放大電路，所述前置放大電路將獲取的洩漏超聲波信號進行電壓放大，所述帶通濾波電路用於濾掉洩漏超聲波信號中的背景噪聲和電路中器件或電路產生的噪聲，所述帶通濾波電路的輸入端與前置放大電路的輸出端連接，所述二次放大電路的輸入端與帶通濾波電路的輸出端連接。進一步，所述音頻處理電路音頻處理電路包括本振電路、混頻器、功率驅動電路， 所述本振電路產生的振蕩信號輸入到混頻器中，所述混頻器的另一輸入端接收信號放大電路的輸出信號，所述混頻器的輸出端與功率驅動電路的輸入端連接。 進一步，還包括頻率顯示電路，所述頻率顯示電路的輸入端與信號放大電路的輸出端連接，所述頻率顯示電路用於實時顯示超聲波信號的頻率值。進一步，還包括單片機控制器，所述單片機控制器的輸入端與信號放大電路的輸出端連接，所述單片機控制器的輸出端與液晶顯示電路的輸入端連接，用於控制頻率顯示電路的頻率顯示。進一步，所述單片機控制器包括信號採集模塊、信號放大模塊、濾波模塊、液晶顯示模塊，所述信號採集模塊，用於採集超聲波探頭獲取的管道洩漏產生的洩漏超聲波信號； 信號放大模塊，用於將洩漏超聲波信號進行放大處理；濾波模塊，用於濾掉洩漏超聲波信號中的背景噪聲和電路中器件或電路產生的噪聲；液晶顯示模塊，用於實時顯示超聲信號的頻率值。進一步，還設置有用於給檢漏儀提供電源的充電電源接口，所述充電電源接口與檢漏儀的充電電池連接，用於對檢漏儀的充電電池充電。進一步，還設置有用於檢測充電電源電量的電源指示燈。進一步，所述單片機的型號為AT89C51。本發明的優點在於本發明採用超聲波探頭來獲取管道洩漏產生的洩漏超聲波信號，將洩漏超聲波高頻信號轉化為人耳可聽的低頻信號或將超聲波信號的頻率值通過頻率顯示電路實時顯示，本發明提供的洩漏檢測裝置成本低、使用方便、速度快、準確可靠、便於現場檢測，適用於煤礦井下爆炸性氣體環境下的瓦斯輸送管道的氣體洩漏檢測。本發明的其它優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其它優點可以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中圖1為本底噪聲與洩漏聲聲壓圖；圖2為超聲波檢漏儀系統原理圖；圖3為液晶模塊與AT89C51的硬體接口框圖；圖4為超聲波檢漏儀控制系統流程圖。
具體實施例方式以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護範圍。圖1為本底噪聲與洩漏聲聲壓圖，如圖所示，聲波檢測的原理是當管道內液體洩漏時，由於管道內外的壓力差使得管內的液體在通過洩漏點到達管外時由於擠壓而形成渦流，這個渦流產生振蕩變化的壓力波或聲波。洩漏產生的聲波有很寬的頻譜，通常分布在 6-SOKHz之間，聲波法檢測就是將洩漏產生的噪聲作為信號源，由傳感器拾取後，通過相關的軟硬體方法分析以確定洩漏。小孔氣體洩漏所發出的超聲波強度是極其微弱的，而且在工業場合，環境噪聲是相當大的。所以要檢測出在惡劣環境下的氣體洩漏所發出的超聲，必須對系統信號放大部分進行精心的設計。在本系統中只檢測40kHz點的洩漏超聲波的強度，原因是在40kHz點的洩漏超聲波能量比較大，而且洩漏聲和本底噪聲能量差值也最大，如圖1所示，這樣選擇可以增加系統靈敏度。圖2為超聲波檢漏儀系統原理圖，如圖所示本發明提供的煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，包括超聲波探頭201、信號放大電路、音頻處理電路，所述超聲波探頭201用於獲取管道洩漏產生的洩漏超聲波信號，所述洩漏超聲波信號經過信號放大電路後輸入到音頻處理電路，所述音頻處理電路將洩漏超聲波高頻信號轉化為人耳可聽的低頻信號。作為上述實施例的進一步改進，所述信號放大電路包括前置放大電路202、帶通濾波電路203和二次放大電路204，所述前置放大電路202將獲取的洩漏超聲波信號進行電壓放大，前置放大電路202選用LM837低噪音四運算放大器，它的主要功能是將信號源提供的微弱音頻信號進行電壓放大，並輸出一定電平的音頻信號至功率放大器電路，所述帶通濾波電路203用於濾掉洩漏超聲波信號中的背景噪聲和電路中器件或電路產生的噪聲，所述帶通濾波電路203的輸入端與前置放大電路的輸出端連接，所述帶通濾波電路203為有源帶通濾波電路，選用的是LF444CN。它是一個超精密的低噪聲四運算放大器，具有極低的電壓和電流偏移以及很高的增益穩定性。在這一級可以濾掉前面濾波器沒有濾掉的大部分背景噪聲和由器件或電路產生的噪聲。這裡選擇的通帶為38kHz-42kHz。所述二次放大電路204的輸入端與帶通濾波電路203的輸出端連接。所述二次放大電路204為同相放大電路，選用的晶片是HA17324，它是一個高性能四運算單電源放大器。作為上述實施例的進一步改進，所述音頻處理電路音頻處理電路包括本振電路、 混頻器、功率驅動電路，所述本振電路產生的振蕩信號輸入到混頻器中，所述混頻器的另一輸入端接收信號放大電路的輸出信號，所述混頻器的輸出端與功率驅動電路205的輸入端連接，所述功率驅動電路驅動耳機或蜂鳴器發206出人耳能聽見的報警聲音。設計音頻處理電路的目的是能夠比較方便地判斷哪裡有洩漏的產生。由於人耳的聽覺範圍大約在IkHz到20kHz之間，因此檢測到的超聲信號必須通過降頻才能為人耳所聽到。降頻的原理是利用差分信號的乘法特性，然後在輸出信號端接上低通濾波器，則可得差頻信號。選用本振電路的頻率為37kHz，那麼得到的差頻信號為3kHz，可為人耳聽到。作為上述實施例的進一步改進，還包括頻率顯示電路207，所述頻率顯示電路207 的輸入端與信號放大電路的輸出端連接，所述頻率顯示電路207用於實時顯示超聲波信號的頻率值。作為上述實施例的進一步改進，還包括單片機控制器208，所述單片機控制器208 的輸入端與信號放大電路的輸出端連接，所述單片機控制器208的輸出端與液晶顯示電路的輸入端連接，用於控制頻率顯示電路的頻率顯示。圖3為液晶模塊與AT89C51的硬體接口框圖；如圖所示，信號放大電路的輸出端接入頻率顯示電路，由常用單片機AT89C51對液晶顯示模塊1602進行控制，將超聲信號的頻率值在液晶屏上實時顯示出來。作為上述實施例的進一步改進，所述單片機控制器包括信號採集模塊、信號放大模塊、濾波模塊、液晶顯示模塊，所述信號採集模塊，用於採集超聲波探頭獲取的管道洩漏產生的洩漏超聲波信號；信號放大模塊，用於將洩漏超聲波信號進行放大處理；濾波模塊， 用於濾掉洩漏超聲波信號中的背景噪聲和電路中器件產生的噪聲；液晶顯示模塊，用於實時顯示超聲信號的頻率值。圖4為單片機控制器的流程圖；如圖所示，程序開始時，首先初始化單片機和液晶顯示模塊，然後啟動信號採集模塊控制超聲波探頭進行信號採集，將採集到的信號通過信號放大模塊進行放大，並通過濾波模塊濾掉洩漏超聲波信號中的背景噪聲和電路中器件或電路產生的噪聲，最後通過液晶顯示模塊將超聲信號的頻率值實時顯示在液晶顯示器上。作為上述實施例的進一步改進，設置有用於給檢漏儀提供電源的充電電源接口， 所述充電電源接口與檢漏儀的充電電池連接，用於對檢漏儀的充電電池充電。作為上述實施例的進一步改進，還設置有用於檢測充電電源電量的電源指示燈。作為上述實施例的進一步改進，所述單片機的型號為AT89C51。以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，其特徵在於包括超聲波探頭、信號放大電路、 音頻處理電路，所述超聲波探頭用於獲取管道洩漏產生的洩漏超聲波信號，所述洩漏超聲波信號經過信號放大電路後輸入到音頻處理電路，所述音頻處理電路將洩漏超聲波信號轉化為人耳可聽的低頻信號。
2.根據權利要求1所述的煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，其特徵在於所述信號放大電路包括前置放大電路、帶通濾波電路和二次放大電路，所述前置放大電路將獲取的洩漏超聲波信號進行電壓放大，所述帶通濾波電路用於濾掉洩漏超聲波信號中的背景噪聲和電路中器件或電路產生的噪聲，所述帶通濾波電路的輸入端與前置放大電路的輸出端連接，所述二次放大電路的輸入端與帶通濾波電路的輸出端連接。
3.根據權利要求1或2所述的煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，其特徵在於所述音頻處理電路音頻處理電路包括本振電路、混頻器、功率驅動電路，所述本振電路產生的振蕩信號輸入到混頻器中，所述混頻器的另一輸入端接收信號放大電路的輸出信號，所述混頻器的輸出端與功率驅動電路的輸入端連接。
4.根據權利要求3所述的煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，其特徵在於還包括頻率顯示電路，所述頻率顯示電路的輸入端與信號放大電路的輸出端連接，所述頻率顯示電路用於實時顯示超聲波信號的頻率值。
5.根據權利要求4所述的煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，其特徵在於還包括單片機控制器，所述單片機控制器的輸入端與信號放大電路的輸出端連接，所述單片機控制器的輸出端與液晶顯示電路的輸入端連接，用於控制頻率顯示電路的頻率顯示。
6.根據權利要求5所述的煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，其特徵在於所述單片機控制器包括信號採集模塊、信號放大模塊、濾波模塊、液晶顯示模塊，所述信號採集模塊， 用於採集超聲波探頭獲取的管道洩漏產生的洩漏超聲波信號；信號放大模塊，用於將洩漏超聲波信號進行放大處理；濾波模塊，用於濾掉洩漏超聲波信號中的背景噪聲和電路中器件或電路產生的噪聲；液晶顯示模塊，用於實時顯示超聲信號的頻率值。
7.根據權利要求6所述的煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，其特徵在於還設置有用於給檢漏儀提供電源的充電電源接口，所述充電電源接口與檢漏儀的充電電池連接，用於對檢漏儀的充電電池充電。
8.根據權利要求7所述的煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，其特徵在於還設置有用於檢測充電電源電量的電源指示燈。
9.根據權利要求8所述的煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，其特徵在於所述單片機的型號為AT89C51。
全文摘要
本發明公開了一種煤礦用瓦斯抽放管道超聲波檢漏儀，涉及一種氣體洩漏檢測儀器，包括超聲波探頭、信號放大電路、音頻處理電路、頻率顯示電路、單片機控制器，超聲波探頭用於獲取管道洩漏產生的洩漏超聲波信號，洩漏超聲波信號經過信號放大電路後輸入到音頻處理電路，音頻處理電路將洩漏超聲波高頻信號轉化為人耳可聽的低頻信號，頻率顯示電路實時顯示超聲波信號的頻率值。本發明採用超聲波探頭來獲取管道洩漏產生的洩漏超聲波信號，將洩漏超聲波高頻信號轉化為低頻信號或將超聲波信號的頻率值通過頻率顯示電路實時顯示，該檢漏儀成本低、使用方便、速度快、準確可靠、便於現場檢測，適用於煤礦井下爆炸性氣體環境下的瓦斯輸送管道的氣體洩漏檢測。
文檔編號F17D5/06GK102192407SQ201110108718
公開日2011年9月21日 申請日期2011年4月28日 優先權日2011年4月28日
發明者任文賢, 劉勝, 劉虎, 吳益曉, 周燕, 唐勇, 嶽建平, 常宇, 李柏均, 楊娟, 林雪峰, 王藝樹, 邱飛, 邸志強 申請人:煤炭科學研究總院重慶研究院