长输架空管道振动状况无线监测系统的研发*

陈建勋，林冠堂，彭晓军

（广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东珠海 519002）

0 引言

化工园区的长输架空管道一般数条甚至十几条集中铺设在公共管廊上，管道内部输送的是各种化工、化学物料，大多数为易燃易爆或有毒介质[1-2]。公共管廊通常蜿蜒数十千米，涉及总长数千千米压力管道，架空管道受基础不均匀沉降、局部变形、腐蚀减薄等因素影响，运行过程中可能产生安全隐患，若一条管道的一个部位出现问题，便会造成整条管廊事故，影响力大，破坏力强[3-4]。受现场条件制约，现有常规管道检测手段很难准确地对架空管道整体进行可靠的安全风险评估，可在传统压力管道定期检验安全评估方法基础上，建立一套符合在役架空管道实际应用的架空管道流固耦合模型进行仿真分析，得到架空管道在流动载荷下的受力和振动特征[5-6]。为提高风险评估的可靠性，需通过现场试验对实际振动情况进行研究，并综合分析仿真结果，经模型修正后共同建立管道安全风险评估原则。

三轴加速度传感器具有体积小和重量轻的特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质，该传感器在坡度测试、人体行为识别、故障监测等领域已经得到大量应用[7-9]。振动测试是安全风险评估的重要辅助手段，为全方位了解管道振动状况，可采用三轴加速度传感器对架空管道典型位置轴向、切向和径向进行多点三方向加速度测试，并可进一步对振动频率、振动速度和振动幅度进行分析。受管道长度和架空高度的影响，有线监测手段难以满足实际测试要求，因此需要开发专门针对长输架空管道的振动状况无线监测系统，应用于户外管道多节点同步监测。

1 测试原理

通过在长输架空管道不同节点处布置三轴加速度传感器用于管道轴向、切向和径向振动加速度在线采集，并将数据无线发送给计算机终端。将获得的“加速度-时间”离散数据序列进行连续化处理以达到积分条件。对加速度进行积分运算计算出振动速度，计算时加速度为零时的速度对应该震荡周期内的最大速度，加速度值最大的时刻对应该周期内的速度为零，以此确定具体的积分原函数。对速度曲线进行进一步积分计算出各个数据点处的位移值，确定振动位移原函数时可认为加速度曲线上数据最大的点对应最大位移。对“加速度-时间”离散数据进行离散傅里叶变换，可得出加速度频域分析曲线，通过频域曲线可分析出管道振动的频率构成和不同振动频率下的振动能量大小。

2 系统组网

监测系统采用2.4 G无线通讯技术，系统最多可同时配置16 个振动测试节点，以管道现场3 节点组网为例，系统结构原理图如图1所示。数据终端或分布式节点处的无线通讯模块或加速度传感器分别由各自的锂电池提供直流24 V供电。信号转换模块用于实现数据终端处无线通讯模块的RS485 信号和PC机的USB信号相互转换。分布式节点处的无线通讯模块直接通过RS485通讯方式获取各自加速度传感器的数字信号。各个无线通讯模块之间通过射频天线进行2.4 GHz数据透传。

图1 系统结构原理图

选用ACC345H型数字式三轴加速度传感器，该传感器采用RS485 串口通讯模式，可设置传感器加速度量程从±2g到±16g改变，可设置“应答式”和“自动吞吐”式数据获取方式。该传感器既可单独测试某轴方向的加速度信号，也可同时测试X 轴、Y 轴和Z 轴3 个方向的加速度信号。在3 个轴同时自动数据吞吐模式下，每轴的数据接收频率最大可达到400 Hz，考虑实际应用条件，在架空管道振动测试前通过配置软件设置加速度传感器采样频率为50 Hz，量程为±2g。如图2所示，测试前通过传感器上的4个磁吸座安装于架空管道上，并调节磁吸座的高度使Z轴方向为近似铅垂方向。

所用无线通讯模块如图3 所示。该模块为实时可靠数据传输的2.4 G 频段高速无线数传电台，采用DC9～35 V 直流外部供电，可连接外部模块实现RS485 通讯，传输速率高，可双向同时进行数据收发，有效数据传输距离2 km，具有组网结构灵活、覆盖范围远的特点，尤其适合点多而分散、地理环境复杂等场合。该数传电台模块可在半双工和全双工两种通讯模式下工作，由于本系统采用的三轴加速度传感器预先设置为自动吞吐数据传输模式，因此，设置该模块的工作模式为半双工无线透传模式。

图2 传感器安装方法

图3 无线通讯模块

组网前需设置三轴加速度传感器和无线通讯模块串口通讯参数一致，RS458 通讯波特率统一设置为115 200 bit/s，奇偶校验方式为“8N1”。

3 软件系统

利用VB 语言通过Visual Basic 6.0 开发平台进行监测系统软件开发，软件运行流程如图4 所示。开始测试时首先用户设置通讯串口号、波特率和校验方式等通讯参数，随后进行无线组网测试，若各个分布式模块与计算机通讯成功则直接获取数据节点发送的加速度数字信号，否则要求操作者重新设置通讯参数或检查硬件连接是否正常，重新进行组网测试。计算机获得数字帧数据后依据模块地址对数据进行分类，提取出加速度数据序列，通过积分运算计算出速度和位移，并进行数据显示与存储。当系统接收到用户的停止数据监测命令后结束测试。

软件中需要对三轴加速度传感器传回的数字帧进行解码，传感器通过16进制数据帧格式对外发送数据，一帧数据中个字节含义如表1所示。其中，标志符固定为“77”，地址码为各个传感器的通讯地址，用于通讯时区分不同传感器发回的数据，对于三节点组网方式，传感器地址码可分别设置为“0×00”、“0×01”和“0×02”。第5部分为包含加速度数据的数据域，由12个字节表示X方向、Y方向和Z方向3个字段的小端在前格式浮点型数据，每个字段各分配4个字节，单位为重力加速度g。

图4 软件运行流程图

表1 传感器自动吞吐对外发送数据帧格式

软件数据界面如图5 所示，为便于户外现场在线分析，用户可将测试现场的管道照片或模型图片加载到软件界面，并可标注出各个振动测试节点在管道上的具体位置。各个节点对应管道轴向、径向和切向的加速度、速度和位移信号可通过文本和曲线动态显示，数据采集频率、数据显示刷新频率和数据盘文件存储频率均设置为50 Hz。数据以.txt 文档格式存储于计算机硬盘指定文件路径下，以开启数据记录的时刻为文件名，例如，文件“20200115T103030.txt”表示开始振动监测的日期为2020年1月15日，时刻为10时30分30秒。

图5 振动状况无线监测系统软件数据界面

4 现场应用

该系统应用于某石化港口长输架空管道振动监测现场，传感器户外布置现场如图6所示。系统的信号接收端如图7所示，包括计算机、信号转换模块、无线通讯模块和可充电锂电池，其中，信号转换模块直接由计算机USB 端口供电，可充电锂电池用于给无线通讯模块供电。

图6 传感器布置现场

图7 信号接收端

将待测管道某节点径向加速度数据提取出20 s 进行分析，绘制出“加速度-时间”曲线，如图8所示，可知振动加速度基本在0.1 m·s-2范围内，进一步分析时域曲线可得到该段时间内最大加速度值和对应时刻。

图8 某管道节点径向振动加速度曲线

图9 加速度信号频域分析曲线

将图8 中的加速度数据序列进行离散傅里叶变换，得出频谱曲线，如图9所示，在0～25 Hz频谱范围内，各个频率的振动能量分布比较均匀。通过频谱曲线可分析出振动能量较大的主要频率构成。进一步分析时域曲线、频域曲线和积分计算可得到振动状况分析参数，如表2 所示，最大加速度为0.228 m/s，在5.1 Hz 频率下振动能量最大，最大振动速度为3.42 mm/s，振动位移为0.05 mm。综合数据分析可知，管道在该节点径向的振动并不明显。

表2 管道某节点铅垂方向振动分析结果

5 结束语

本文通过2.4 G无线组网技术配合三轴加速度传感器开发出长输架空管道振动状况无线监测系统，该系统可在线记录长输管道多个分布式节点处轴向、径向和切向振动加速度，通过积分运算可得出振动速度和振动位移，通过傅里叶变换进行频谱分析可分析振动频率组成。该系统可应用于长输管道现场振动测试，用于辅助长输架空管道安全风险评估。