[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

说明书

技术领域

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，涉及机械振动的测量、一般的安全装置和管道系统技术领域。

背景技术

长输油气管线不可避免穿越地形地质条件复杂、自然环境恶劣的地区，经常遭受各类地质灾害的影响。为了监控地质灾害对管道造成的风险，管道管理部门多采取对管体应力应变进行监测的方式，这对于滑坡、崩塌、地面塌陷、冻土等大规模土体移动类灾害是一种非常有效的措施。但对于一些水力冲刷类灾害，如暴雨山洪、泥石流等，管道极有可能被水冲出，形成与地表面不直接接触的悬空管段，湍急水流流经管线时，会导致管线的尾流区产生涡旋，并且涡旋以一定的频率在管线后侧交替释放，引起管线振动，这一现象通常称为涡激振动，它是影响水力冲刷类作用下管线的使用寿命、引发管跨段疲劳失效的主要因素之一。单纯的监测管体应力应变已不能满足管道安全防护的要求，而需要对管线的振动频率进行监测。

在工程振动测试领域中，根据各种参数的测量方法及测量过程的物理性质不同，测试手段与方法多种多样，大致可分为三大类：机械法、电测法和光学法。其中机械法通过将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的测量仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪。机械法在现场测试时较为简单方便，但能测量的频率范围及动态、线性范围窄，测试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果，一般仅适用于低频大振幅振动及扭振的测量。电测法是将工程振动的参量转换成电信号（电动势、电荷及其它电量），经电子线路放大后显示和记录。这种方法灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，但易受电磁场干扰，并随着监测时间的增加产生时漂、温漂效应，不适用于大型工程的长期监测。光学法对于振动的测量属于非接触精密测量，利用光波干涉原理，将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录，如读数显微镜和激光测振仪等。这种方法不受电磁场干扰，测量精度度高，可以对微小振动进行高精度测量。但是该方法由于具有高灵敏性，外界环境扰动对其影响非常突出，当光程质量不理想时，测量将无法进行；而且在实际应用中很难保证入射光垂直于被测物体表面，以及目标物体表面的不平整性，使得由目标物返回的检测光与参考光将不能很好的重合，这将使测量无法进行。因此，目前该技术理论上的方法虽多，但在工程应用中较少，主要应用于一些精密仪器的测量和传感器、测振仪标定中。

振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。其敏感元件是一根两端固定的金属丝弦（一般称为振弦），常用弹性弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢制成。在受到外力F作用时，振弦内部将产生一定的张力，并且根据不同的张力大小和振弦的不同长度有着不同的固有振动频率，通过测试振弦固有振动频率的变化就可以确定其内部张力的变化，进而可获得振弦的应变值。振弦的固有振动频率f可表示为：

f=12Fm0l0---(1)]]>

根据理论力学和材料力学知识，有：

F＝σS₀=E₀S₀ε        （2）

其中，m₀、l₀和S₀分别为振弦的质量、长度和截面积，σ、ε和E₀分别为振弦的应力、应变和弹性模量。

联合式（1）、（2），可得：