一种基于压电阻抗频移的管道泄漏监测装置
技术领域
本实用新型涉及结构健康监测技术领域，涉及管道泄漏监测，具体涉及一种基于压电阻抗频移的管道泄漏监测装置。
背景技术
管道运输在石油、天然气、城市给排水等多个领域应用广泛，然而运输管道在常年服役过程中由于受到空气、土壤等自然环境侵蚀或电化学腐蚀，很容易造成运输管道的局部泄漏，不仅造成了传输能源的巨大浪费，污染了周边环境，甚至可能因泄露处理不及时而造成人员伤亡和财产损失，因此对运输管道的服役状况尤其是泄露病害进行有效地监测预警具有十分重要的现实意义。
压电陶瓷(Lead Zirconate Titanate,PZT)以其特有的传感和作动功能而成为近年来在航空航天、能源、机械、建筑结构等领域广泛研究和应用的智能材料之一。其因具有响应快，频率范围宽，易裁剪，价格低廉等特点而在工程结构监测方面存在着巨大的应用潜力。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，针对运输管道泄漏监测，提出了一种基于压电阻抗频移的管道泄漏监测装置，利用该管道泄漏监测装置可以对管道泄漏进行实时准确的监测和识别。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
一种基于压电阻抗频移的管道泄漏监测装置，其特征在于：包括阻抗分析仪、压电陶瓷片和预紧在待监测管道上的卡箍，所述压电陶瓷片耦合安装在卡箍上，压电陶瓷片通过线缆连接到阻抗分析仪，通过阻抗分析仪持续或者间断监控压电陶瓷片的压电阻抗频移，利用压电阻抗频移监控管道内压力变化，从而监控管道内泄漏情况。
作为优选，所述卡箍通过紧固螺栓预紧，所述紧固螺栓上打磨出用于安装压电陶瓷片的平面。
作为优选，所述压电陶瓷片通过结构胶耦合固定在紧固螺栓上。
作为优选，还包括电脑分析终端，所述压电陶瓷片通过夹具转换线缆与阻抗分析仪相连，所述阻抗分析仪通过LAN线缆与电脑分析终端相连。
作为优选，所述压电陶瓷片为锆钛酸铅压电陶瓷片。
本实用新型还公开了一种基于压电阻抗频移的管道压强变化监测方法，该监测方法采用的设备包括阻抗分析仪、压电陶瓷片和卡箍，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将卡箍的紧固螺栓表面进行打磨处理，在打磨平整位置表面粘贴压电陶瓷片，并在表面进行防水绝缘处理；
步骤2、步骤1中的卡箍安装固定在管道待监测位置，并将压电陶瓷片与阻抗分析仪相连接；
步骤3、对安装了压电陶瓷片的卡箍进行压电阻抗扫频激励，标记阻抗信号峰值特征频率，作为监测识别特征参数值基准值，之后通过监测管道后续服役状态下不同时期管道压电阻抗信号的特征参数值，将其与识别特征参数基准值对比分析，进而评估管道内压强变化，通过管道内压强变化判断管道的泄漏情况和健康状况。
作为优选，步骤4中，进行压电阻抗扫频激励时，分析记录电阻抗峰值特征频率变化量ΔΩm，根据公式ΔΩm＝λP0计算管道内压强P0，从而判断管道内压强变化，λ为与卡箍和管道相关的常数。
作为优选，步骤4中，
上述公式中常数λ确定方法如下：
步骤1、在管道上安装所述卡箍，管道内半径为R，卡箍宽度为b，假设管道内部压力为P0，则管道和卡箍垂直于管道剖面方向的力分别为F0和F1，根据微分算法，垂直于剖面的力进行积分，其计算结果为：
因此，当管道内部存才压强P0时，卡箍或紧固螺栓的受力为F1，同时卡箍和管道发生环向一致变形，其应变ε是相同的，即：
即：
其中，h0和h1分别为管道和卡箍的厚度，E0和E1分别为管道和卡箍的弹性模量，ε0和ε1分别为管道和卡箍的应变，α为中间参数，α＝h0E0/(h1E1)，由此，将公式(3)代入公式(1)即得：
其中，β＝Rb/(1+α)，公式(4)即为卡箍中的紧固螺栓的受力F1与管道内部压强P0的关系；
步骤2、卡箍中紧固螺栓的轴向力改变会直接引起其特征频率的变化，用公式表达如下：
公式(5)中N1表示紧固螺栓所受的轴向力，
步骤3、将公式(4)中的紧固螺栓的受力F1作为紧固螺栓轴向力N代入公式(5)，即可得到压电阻抗峰值特征频率变化ΔΩm与管道内部压强P0之间的关系，即：
由此可得
本实用新型的有益效果在于将压电陶瓷传感器技术应用到管道健康状况(泄漏病害)的监测和识别，原理明确、成本低廉、操作简单易行、识别准确，可以实现运输管道健康工作状态的长期在线监测和识别，对于减少运输管道泄漏病害的发生，降低整个管道系统的监测和运行维护成本，科学评判和预测管道的服役安全和剩余寿命，保障整个管道工程的安全高效运转，维护广大人民的生命财产安全，将产生积极的意义。
另外本实用新型无需对待监测的运输管道进行特殊定制，仅仅将布设有压电陶瓷传感器的金属卡箍安装固定在已有管道表面上即可，方便快捷，使用成本低廉。
附图说明
附图1为本实用新型不含阻抗分析仪的管道泄漏监测装置示意图。
附图2是本实用新型的监测流程图。
附图3(a)是本实用新型的管道应力监测剖面图之一。
附图3(b)是本实用新型的管道应力监测剖面图之二。
附图4(a)是本实用新型算例在不同外力作用下压电阻抗峰值特征频率变化图。
附图4(b)是本实用新型算例在不同外力作用下压电阻抗峰值特征频率变化线性拟合图。
图中：1-卡箍，2-紧固螺栓，3-压电陶瓷片，4-夹具转换线缆，5-阻抗分析仪，6-LAN线缆，7-电脑分析终端，8-管道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对实用新型的实施方式做具体的描述：
针对管道卡箍1，在紧固螺栓2表面适当位置进行打磨处理，在打磨平整位置表面粘贴压电陶瓷片3，并在表面进行防水绝缘处理；
将压电陶瓷片3正反面通过合适的夹具转换线缆4连接到阻抗分析仪5上，本实施例采用的阻抗分析仪5为高精度阻抗分析仪，随后，阻抗分析仪5通过LAN线缆6与电脑分析终端7相连；
如图2和图3所示，电脑分析终端7通过LAN线缆6控制阻抗分析仪5产生一扫频电压信号，并通过夹具转换线缆4输出到压电陶瓷片3上，利用压电材料的逆压电效应，扫频电压信号驱动压电陶瓷片3产生机械振动，从而带动压电陶瓷片3周边的紧固螺栓产生振动响应；与此同时，振动响应信号被压电陶瓷片3所捕捉和采集，利用压电材料的正压电效应，压电陶瓷片3将捕捉的振动响应信号转化为电阻抗信号，经夹具转换线缆4传回到阻抗分析仪5，阻抗分析仪5将接收的电阻抗信号转化为数字信号，之后通过LAN线缆6传输回电脑分析终端7；
在电脑分析系统中定义管道正常密封工作状态下，所测得的压电陶瓷片3的电阻抗信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后通过监测不同时期管道卡箍压电片测量采集的电阻抗信号的识别特征参数，将识别特征参数与识别特征参数基准值对比分析，进而根据公式推出卡箍紧固螺栓的轴向力变化，最终通过卡箍环向应力的变化获悉管道管内压力变化，知晓管道的健康状况。
本实用新型的工作原理：首先，输入高频交流电压对压电陶瓷片3(PZT)进行高频激励，由于压电材料的逆压电效应，激励电压驱动压电陶瓷片产生x方向的机械振动，从而带动主体结构发生振动，此时主体结构与压电陶瓷片相互耦合，主体结构的物体特性参数(质量M、刚度K和阻尼C)变化直接影响到与之耦合的压电陶瓷片的振动响应，在压电材料正压电效应的作用下，压电陶瓷片的振动响应又输出为电阻抗信号，因此通过监测压电陶瓷片的电阻抗信号的变化即可间接地反映出主体结构的振动特性，即结构的健康状况。
如图3(a)所示为一管道剖面图，在管道8某位置安装本实用新型的卡箍1，管道8内半径为R，卡箍1宽度为b。再如图3(b)所示，假设管道内部压力为P0，则管道8和卡箍1垂直于管道剖面方向的力分别为F0和F1。则根据微分算法，垂直于剖面的力进行积分，其计算结果为：
因此，当管道8内部存才压强P0时，卡箍1(或紧固螺栓2)的受力为F1。同时，根据图3(b)所示，卡箍1和管道8发生环向一致变形，其应变ε认为是相同的，即：
即：
其中，h0和h1分别为管道8和卡箍1的厚度，E0和E1分别为管道8和卡箍1的弹性模量，α＝h0E0/(h1E1)。由此，将公式(3)代入公式(1)即得：
其中，β＝Rb/(1+α)。由此即可推导出卡箍1中的紧固螺栓2的受力F1与管道8内部压强P0的关系。
另一方面，众多研究学者通过大量研究发现，结构的特征频率变化与结构所受外力息息相关，针对本实用新型，即卡箍1中紧固螺栓2的轴向力改变会直接引起其特征频率的变化，即如公式(5)所示：
公式(5)中N1表示紧固螺栓2所受的轴向力，Ys,Is,ρs,As分别为紧固螺栓2的杨氏模量、截面惯性矩、密度和截面积，ΔΩm为紧固螺栓2的特征频率变化量。通过公式(5)可以看出，紧固螺栓2特征频率的变化与其轴向力成正比例关系。而紧固螺栓2特征频率可以较为方便地通过获取粘贴在其表面的压电片阻抗信号峰值频率来获取。
为验证公式(5)的正确性，对一尺寸为10mm×50mm×1mm的薄钢条及在其中间表面粘贴的一尺寸为8mm×8mm×0.127mm的PZT-5A型压电陶瓷片进行了仿真验证，得出结果如图4(a)和4(b)所示。可以看出，当对钢条进行轴向压缩或拉伸时，其压电片的阻抗信号峰值特征频率变化较为明显，且与钢条轴向受力之间呈现良好的线性关系。
此时，将公式(4)中的紧固螺栓2的受力F1作为紧固螺栓轴向力N代入公式(5)，即可得到压电阻抗峰值特征频率变化ΔΩm与管道8内部压强P0之间的关系，即：
当卡箍1和紧固螺栓2以及管道8各项几何尺寸和材料参数确定时，公式(6)中λ为一固定值。由此，即可得出结论，本实用新型基于压电阻抗频移的管道应力监测卡箍传感器，其监测压电阻抗信号的峰值特征频率变化ΔΩm与管道内部压强P0呈线性相关，通过监测阻抗峰值频率变化即可正确反推出管道的内部压强变化，对于监测管道由于局部泄露导致的内部压强变化具有十分重要的意义，进而对降低运输管道的安全隐患和运行风险，提高总体经济效益，将产生积极的意义。
