長(zhǎng)輸架空管道振動(dòng)狀況無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)*

陳建勛，林冠堂，彭曉軍

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院，廣東珠海 519002）

0 引言

化工園區(qū)的長(zhǎng)輸架空管道一般數(shù)條甚至十幾條集中鋪設(shè)在公共管廊上，管道內(nèi)部輸送的是各種化工、化學(xué)物料，大多數(shù)為易燃易爆或有毒介質(zhì)[1-2]。公共管廊通常蜿蜒數(shù)十千米，涉及總長(zhǎng)數(shù)千千米壓力管道，架空管道受基礎(chǔ)不均勻沉降、局部變形、腐蝕減薄等因素影響，運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生安全隱患，若一條管道的一個(gè)部位出現(xiàn)問題，便會(huì)造成整條管廊事故，影響力大，破壞力強(qiáng)[3-4]。受現(xiàn)場(chǎng)條件制約，現(xiàn)有常規(guī)管道檢測(cè)手段很難準(zhǔn)確地對(duì)架空管道整體進(jìn)行可靠的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可在傳統(tǒng)壓力管道定期檢驗(yàn)安全評(píng)估方法基礎(chǔ)上，建立一套符合在役架空管道實(shí)際應(yīng)用的架空管道流固耦合模型進(jìn)行仿真分析，得到架空管道在流動(dòng)載荷下的受力和振動(dòng)特征[5-6]。為提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可靠性，需通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)實(shí)際振動(dòng)情況進(jìn)行研究，并綜合分析仿真結(jié)果，經(jīng)模型修正后共同建立管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估原則。

三軸加速度傳感器具有體積小和重量輕的特點(diǎn)，可以測(cè)量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，該傳感器在坡度測(cè)試、人體行為識(shí)別、故障監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到大量應(yīng)用[7-9]。振動(dòng)測(cè)試是安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要輔助手段，為全方位了解管道振動(dòng)狀況，可采用三軸加速度傳感器對(duì)架空管道典型位置軸向、切向和徑向進(jìn)行多點(diǎn)三方向加速度測(cè)試，并可進(jìn)一步對(duì)振動(dòng)頻率、振動(dòng)速度和振動(dòng)幅度進(jìn)行分析。受管道長(zhǎng)度和架空高度的影響，有線監(jiān)測(cè)手段難以滿足實(shí)際測(cè)試要求，因此需要開發(fā)專門針對(duì)長(zhǎng)輸架空管道的振動(dòng)狀況無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用于戶外管道多節(jié)點(diǎn)同步監(jiān)測(cè)。

1 測(cè)試原理

通過在長(zhǎng)輸架空管道不同節(jié)點(diǎn)處布置三軸加速度傳感器用于管道軸向、切向和徑向振動(dòng)加速度在線采集，并將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給計(jì)算機(jī)終端。將獲得的“加速度-時(shí)間”離散數(shù)據(jù)序列進(jìn)行連續(xù)化處理以達(dá)到積分條件。對(duì)加速度進(jìn)行積分運(yùn)算計(jì)算出振動(dòng)速度，計(jì)算時(shí)加速度為零時(shí)的速度對(duì)應(yīng)該震蕩周期內(nèi)的最大速度，加速度值最大的時(shí)刻對(duì)應(yīng)該周期內(nèi)的速度為零，以此確定具體的積分原函數(shù)。對(duì)速度曲線進(jìn)行進(jìn)一步積分計(jì)算出各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)處的位移值，確定振動(dòng)位移原函數(shù)時(shí)可認(rèn)為加速度曲線上數(shù)據(jù)最大的點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大位移。對(duì)“加速度-時(shí)間”離散數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換，可得出加速度頻域分析曲線，通過頻域曲線可分析出管道振動(dòng)的頻率構(gòu)成和不同振動(dòng)頻率下的振動(dòng)能量大小。

2 系統(tǒng)組網(wǎng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用2.4 G無線通訊技術(shù)，系統(tǒng)最多可同時(shí)配置16 個(gè)振動(dòng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，以管道現(xiàn)場(chǎng)3 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)為例，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。數(shù)據(jù)終端或分布式節(jié)點(diǎn)處的無線通訊模塊或加速度傳感器分別由各自的鋰電池提供直流24 V供電。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端處無線通訊模塊的RS485 信號(hào)和PC機(jī)的USB信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。分布式節(jié)點(diǎn)處的無線通訊模塊直接通過RS485通訊方式獲取各自加速度傳感器的數(shù)字信號(hào)。各個(gè)無線通訊模塊之間通過射頻天線進(jìn)行2.4 GHz數(shù)據(jù)透?jìng)鳌?/p>

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

選用ACC345H型數(shù)字式三軸加速度傳感器，該傳感器采用RS485 串口通訊模式，可設(shè)置傳感器加速度量程從±2g到±16g改變，可設(shè)置“應(yīng)答式”和“自動(dòng)吞吐”式數(shù)據(jù)獲取方式。該傳感器既可單獨(dú)測(cè)試某軸方向的加速度信號(hào)，也可同時(shí)測(cè)試X 軸、Y 軸和Z 軸3 個(gè)方向的加速度信號(hào)。在3 個(gè)軸同時(shí)自動(dòng)數(shù)據(jù)吞吐模式下，每軸的數(shù)據(jù)接收頻率最大可達(dá)到400 Hz，考慮實(shí)際應(yīng)用條件，在架空管道振動(dòng)測(cè)試前通過配置軟件設(shè)置加速度傳感器采樣頻率為50 Hz，量程為±2g。如圖2所示，測(cè)試前通過傳感器上的4個(gè)磁吸座安裝于架空管道上，并調(diào)節(jié)磁吸座的高度使Z軸方向?yàn)榻沏U垂方向。

所用無線通訊模塊如圖3 所示。該模塊為實(shí)時(shí)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)?.4 G 頻段高速無線數(shù)傳電臺(tái)，采用DC9～35 V 直流外部供電，可連接外部模塊實(shí)現(xiàn)RS485 通訊，傳輸速率高，可雙向同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，有效數(shù)據(jù)傳輸距離2 km，具有組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、覆蓋范圍遠(yuǎn)的特點(diǎn)，尤其適合點(diǎn)多而分散、地理環(huán)境復(fù)雜等場(chǎng)合。該數(shù)傳電臺(tái)模塊可在半雙工和全雙工兩種通訊模式下工作，由于本系統(tǒng)采用的三軸加速度傳感器預(yù)先設(shè)置為自動(dòng)吞吐數(shù)據(jù)傳輸模式，因此，設(shè)置該模塊的工作模式為半雙工無線透?jìng)髂Ｊ健?/p>

圖2 傳感器安裝方法

圖3 無線通訊模塊

組網(wǎng)前需設(shè)置三軸加速度傳感器和無線通訊模塊串口通訊參數(shù)一致，RS458 通訊波特率統(tǒng)一設(shè)置為115 200 bit/s，奇偶校驗(yàn)方式為“8N1”。

3 軟件系統(tǒng)

利用VB 語言通過Visual Basic 6.0 開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件開發(fā)，軟件運(yùn)行流程如圖4 所示。開始測(cè)試時(shí)首先用戶設(shè)置通訊串口號(hào)、波特率和校驗(yàn)方式等通訊參數(shù)，隨后進(jìn)行無線組網(wǎng)測(cè)試，若各個(gè)分布式模塊與計(jì)算機(jī)通訊成功則直接獲取數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的加速度數(shù)字信號(hào)，否則要求操作者重新設(shè)置通訊參數(shù)或檢查硬件連接是否正常，重新進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試。計(jì)算機(jī)獲得數(shù)字幀數(shù)據(jù)后依據(jù)模塊地址對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，提取出加速度數(shù)據(jù)序列，通過積分運(yùn)算計(jì)算出速度和位移，并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)。當(dāng)系統(tǒng)接收到用戶的停止數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)命令后結(jié)束測(cè)試。

軟件中需要對(duì)三軸加速度傳感器傳回的數(shù)字幀進(jìn)行解碼，傳感器通過16進(jìn)制數(shù)據(jù)幀格式對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)，一幀數(shù)據(jù)中個(gè)字節(jié)含義如表1所示。其中，標(biāo)志符固定為“77”，地址碼為各個(gè)傳感器的通訊地址，用于通訊時(shí)區(qū)分不同傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)，對(duì)于三節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方式，傳感器地址碼可分別設(shè)置為“0×00”、“0×01”和“0×02”。第5部分為包含加速度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)域，由12個(gè)字節(jié)表示X方向、Y方向和Z方向3個(gè)字段的小端在前格式浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，每個(gè)字段各分配4個(gè)字節(jié)，單位為重力加速度g。

圖4 軟件運(yùn)行流程圖

表1 傳感器自動(dòng)吞吐對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

軟件數(shù)據(jù)界面如圖5 所示，為便于戶外現(xiàn)場(chǎng)在線分析，用戶可將測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的管道照片或模型圖片加載到軟件界面，并可標(biāo)注出各個(gè)振動(dòng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)在管道上的具體位置。各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)管道軸向、徑向和切向的加速度、速度和位移信號(hào)可通過文本和曲線動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)顯示刷新頻率和數(shù)據(jù)盤文件存儲(chǔ)頻率均設(shè)置為50 Hz。數(shù)據(jù)以.txt 文檔格式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)硬盤指定文件路徑下，以開啟數(shù)據(jù)記錄的時(shí)刻為文件名，例如，文件“20200115T103030.txt”表示開始振動(dòng)監(jiān)測(cè)的日期為2020年1月15日，時(shí)刻為10時(shí)30分30秒。

圖5 振動(dòng)狀況無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)界面

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該系統(tǒng)應(yīng)用于某石化港口長(zhǎng)輸架空管道振動(dòng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，傳感器戶外布置現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。系統(tǒng)的信號(hào)接收端如圖7所示，包括計(jì)算機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、無線通訊模塊和可充電鋰電池，其中，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊直接由計(jì)算機(jī)USB 端口供電，可充電鋰電池用于給無線通訊模塊供電。

圖6 傳感器布置現(xiàn)場(chǎng)

圖7 信號(hào)接收端

將待測(cè)管道某節(jié)點(diǎn)徑向加速度數(shù)據(jù)提取出20 s 進(jìn)行分析，繪制出“加速度-時(shí)間”曲線，如圖8所示，可知振動(dòng)加速度基本在0.1 m·s-2范圍內(nèi)，進(jìn)一步分析時(shí)域曲線可得到該段時(shí)間內(nèi)最大加速度值和對(duì)應(yīng)時(shí)刻。

圖8 某管道節(jié)點(diǎn)徑向振動(dòng)加速度曲線

圖9 加速度信號(hào)頻域分析曲線

將圖8 中的加速度數(shù)據(jù)序列進(jìn)行離散傅里葉變換，得出頻譜曲線，如圖9所示，在0～25 Hz頻譜范圍內(nèi)，各個(gè)頻率的振動(dòng)能量分布比較均勻。通過頻譜曲線可分析出振動(dòng)能量較大的主要頻率構(gòu)成。進(jìn)一步分析時(shí)域曲線、頻域曲線和積分計(jì)算可得到振動(dòng)狀況分析參數(shù)，如表2 所示，最大加速度為0.228 m/s，在5.1 Hz 頻率下振動(dòng)能量最大，最大振動(dòng)速度為3.42 mm/s，振動(dòng)位移為0.05 mm。綜合數(shù)據(jù)分析可知，管道在該節(jié)點(diǎn)徑向的振動(dòng)并不明顯。

表2 管道某節(jié)點(diǎn)鉛垂方向振動(dòng)分析結(jié)果

5 結(jié)束語

本文通過2.4 G無線組網(wǎng)技術(shù)配合三軸加速度傳感器開發(fā)出長(zhǎng)輸架空管道振動(dòng)狀況無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在線記錄長(zhǎng)輸管道多個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)處軸向、徑向和切向振動(dòng)加速度，通過積分運(yùn)算可得出振動(dòng)速度和振動(dòng)位移，通過傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析可分析振動(dòng)頻率組成。該系統(tǒng)可應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試，用于輔助長(zhǎng)輸架空管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。