物联网声发射无人值守定量泄漏监测
谢杰辉 ，谢志鹏 ，刘时风
(清诚声发射研究 (广州) 有限公司，广州 510520)
摘 要：本文从原理上分析泄漏的声发射监测理论基础。通过实际现场泄漏实验，得到相同压差条件下的不同泄漏量与声 发射参数的定量关系；相同阀门开度条件下不同压差与声发射参数及泄漏量的定量关系； 以及相同压差条件下的不同泄漏开度与 声发射参数特征关系 (罐壁堵头) 。建立在线水管定量泄漏演示实验系统，声发射采集器自动判断泄漏及泄漏量，进而传输到云 服务器，设定报警条件，达到报警条件时推送到手机，开放云服务器供读者查阅。
关键词：声发射；泄漏；定量；物联网；无人值守；报警
中图分类号：TB51；TB52 文献标识码：B
Acoustic emission unattended quantitative leakage monitoring of Internet of things
Xie Jiehui Xie Zhipeng Lui Shifeng
(QingCheng AE Institute (Guangzhou) Co., Ltd, Guangzhou 510520)
Abstract: This paper analyzes the theoretical basis of acoustic emission monitoring of leakage in principle. Through the actual field leakage experiment, the quantitative relationship between different leakage quantities and acoustic emission parameters under the same differential pressure is obtained; The quantitative relationship between different pressure difference and acoustic emission parameters and leakage under the condition of the same valve opening; And the characteristic relationship between different leakage opening and acoustic emission parameters under the same differential pressure (tank wall plug). Establish an online water pipe quantitative leakage demonstration experimental system, and the acoustic emission collector will automatically judge the leakage and leakage amount, and then transmit it to the cloud server, set the alarm conditions, push it to the mobile phone when the alarm conditions are met, and open the cloud server for readers to consult.
Key words: Acoustic emission; Leakage; Quantitative; Internet of things；Unattended; Alarm
阀门、管道广泛应用于各行各业，大到航空航天工业、船舶海洋工业、石油化工工业，小到家庭供水供气， 应用已非常普遍。然而阀门、管道在长期使用中受冲刷、腐蚀等影响，导致阀芯与阀座密封不严、管壁减薄等，常常发生泄漏事故。虽然常规检测方法 (如直接观察法、流量平衡法、负压波法、运行压力法等) 应用已经比较 广泛，但是其不足之处就是要依赖专业专业人员去现场巡查，而且需要逐点扫查甚至需要开挖检查埋地管道，劳动强度大，工作效率低。
声发射泄漏检测技术作为声发射技术应用的重要分支之一，其动态、高灵敏度、覆盖面广的优势，使得声发 射泄漏检测技术应用近年来越来越被广泛认可。但是，目前的技术、设备始终还是需要依赖声发射技术专家来分 析声发射数据从而判断是否泄漏及泄漏量大小，限制这项技术的大范围工业应用。本文从原理上分析泄漏的声发 射监测理论基础。通过实际现场泄漏实验，得到相同压差条件下的不同泄漏量与声发射参数的定量关系；相同阀门开度条件下不同压差与声发射参数及泄漏量的定量关系；以及相同压差条件下的不同泄漏开度与声发射参数特 征关系 (罐壁堵头) 。建立在线水管定量泄漏演示实验系统，声发射采集器自动判断泄漏及泄漏量，进而传输到云服务器，设定报警条件，达到报警条件时推送到手机，开放云服务器供读者查阅。
1、泄漏监测的声发射原理及理论基础
泄漏产生声发射信号的原理是介质从缝隙因压力差喷射而出形成紊流，该紊流中的介质与介质密封表面产生 冲击和摩擦，从而激发出弹性应力波；该弹性应力波的信号强度、频率范围等与介质紊流的速度即压力差、泄漏 速率、阀门介质与结构等因素都密切相关。产生的泄漏信号会随着管道管壁、介质等传播，当利用声发射传感器 在管道表面合理的位置，会接收到该信号，利用传感器的压电效应将弹性波信号转换成电压信号，然后经过采集 设备的放大、分析处理和输出显示等。
图 1 管道泄漏模型图
典型的泄漏信号特征具有连续、随机非平稳信号的特点，其频率分布具有明显的陡峰，因此具有一定的抗干扰能力。而通过喷射泄漏的模型可以看出，泄漏信号主要在湍流混合区和过渡区产生，在泄漏口附近主要产生高频摩擦冲击信号，而在远离泄漏口的位置则主要产生低频震荡信号。一般而言，泄漏量越大，泄漏产生的声发射 信号的能量密度越大。压力差增大时，会产生泄漏阻塞导致的冲击声，该冲击声要比湍流信号高出不少，这些信号都可以作为检测有意义的信号。
当气体或液体在一定压力作用下从漏孔泄漏时会在漏孔处激发出连续的机械波，通过示波器观察泄漏激发的 声发射波形，其形状为幅度波动很小的、连续的、几乎无任何规律的波动。泄漏声发射波的频带范围分布随漏孔大小、泄漏速度、泄漏介质不同可从几Hz到几百kHz不等。利用适合的声发射传感器接收这些来自泄漏部位的声 发射波，然后将机械波转变成电信号并放大后传送至声发射主机，经过分析处理就可以得到泄漏量的大小的信息，设置合适的阈值，达到阈值输出报警，通过物联网通讯将泄漏量或报警参数传输到互联网云平台，进而推送到终 端用户管理员，达到无人值守定量泄漏监测智能报警的目的。
2、声发射泄漏定量实验
2.1 实验背景介绍
本次实验是在深圳某潜水器生产公司完成的。实验所用的潜水器、潜水器外部的阀门以及流量计如图2、图3 所示。潜水器内部有足够的体积，打入一定压力的空气，保证在接下来做泄漏实验压力可以稳定在很小的范围。 被检阀门是球阀，公称通径为15mm，阀门完全关闭时无泄漏。阀门后端连接一个气体流量计，用以定量计量泄漏 速率。
实验采用清诚声发射研究 (广州) 有限公司的SAEU3H-4型数字化声发射检测仪，与配套的声发射传感器、同 轴电缆线、采集卡和分析软件等组成声发射检测系统。声发射传感器选用SR40M型谐振传感器(中心频率为40kHz， 频域范围15~70KHz) ，外置增益40dB前置放大器。详细如下图所示。灵敏度断铅测试99dB。
图 2 实验原理图 图 3 现场图片
表1 采样参数
| 采样率 1000KHz | 参数强制截止时间：30ms | 滤波器 20KHz~400KHz |
| 撞击定义时间 HDT：300us | 撞击锁闭时间 HLT：1000us | 门限 23dB |
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