阅读说明：本技术 一种充填管道堵塞检测装置和检测方法 (Filling pipeline blockage detection device and detection method ) 是由 李桂臣 许嘉徽 孙长伦 毕瑞阳 何景涛 王喜 董玉玺 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：一种充填管道堵塞检测装置,包括超声波换能器、超声波发生器和多个超声波传感器,超声波换能器和超声波发生器电连接,超声波发生器安装在待测管道的一端,以超声波发生器的安装点为起点,沿待测管道长度方向的外壁上等间距布置超声波传感器；一种充填管道堵塞检测方法,包括如下步骤：安装检测装置、调试检测装置、校准超声波波速、粗定堵塞位置和标定堵塞位置,该装置和方法能够方便准确的确定管道堵塞部位,设备简单,易于操作,利于降低充填系统的运营成本。(A filling pipeline blockage detection device comprises an ultrasonic transducer, an ultrasonic generator and a plurality of ultrasonic sensors, wherein the ultrasonic transducer is electrically connected with the ultrasonic generator; a filling pipeline blockage detection method comprises the following steps: the device and the method can conveniently and accurately determine the blocked position of the pipeline, have simple equipment and easy operation, and are favorable for reducing the operation cost of a filling system.)

一种充填管道堵塞检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及一种管道检测装置和检测方法，具体涉及一种充填管道堵塞检测装置和检测方法，属于充填管道堵塞检测技术领域。

背景技术

充填开采相比于传统开采方式具有诸如减少矸石外排、避免像传统开采那般引起地表变形与沉陷、地下水流失以及实现低贫损开采的优点，是一种环境友好型与远景资源节约型的煤炭开采方式。

但在充填系统的运行过程中，最突出的缺陷在于充填效率跟不上资源开采效率，导致充填开采效率低。充填效率低的原因除了充填材料本身，如膏、胶体充填材料在充填后的硬化需要一定的时间外，充填管道堵塞是另一降低充填效率的重要因素，充填管道堵塞不仅会引起施工中断，寻找、疏通堵塞点费时费力，而且会在一定程度上限制充填材料的输送速度。

目前常用的堵塞部位寻找方法包括分段拆管法、压力监测法，对于长距离的充填材料运输管道来说，这些方法实施起来会非常的困难，且大大增加了运营成本。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种充填管道堵塞检测装置和检测方法，该装置和方法能够方便准确的确定管道堵塞部位，设备简单，易于操作，利于降低充填系统的运营成本。

为了实现上述目的，本发明提供一种充填管道堵塞检测装置，包括超声波换能器、超声波发生器和多个超声波传感器，超声波换能器和超声波发生器电连接，超声波发生器安装在待测管道的一端，以超声波发生器的安装点为起点，超声波传感器沿待测管道长度方向的外壁等间距布置。

一种充填管道堵塞检测方法，包括如下步骤：

(1)安装检测装置：将超声波发生器安装在待测管道的一端，以超声波发生器的安装点为起点，在待测管道长度方向的外壁上每间隔距离D，安装一台超声波传感器，直至待测管道外壁上均布有超声波传感器；

(2)调试检测装置：开启超声波发生器，短暂发射一次，检验各超声波传感器能够正常捕捉超声波信号，若超声波传感器存在故障，则进行调试，直至能够正常捕捉超声波信号；在各超声波传感器能正常捕捉超声波信号的情况下，再次使超声波发生器短暂发射，进入正式测试程序：发射波初次单向传输过程中被各超声波传感器接收并记录，各超声波传感器产生第一次定点时间t，分别记录为t₁，t₂，t₃，...，t_n-1，t_n；当有超声波传感器接收到反射波之后，产生第二次定点时间T，分别记录为T_n，T_n-1，T_n-2，...，T₁；

(3)计算现场工作环境下的超声波传播速度V_t，计算公式如下：

式中，D代表任意相邻超声波传感器之间的距离，n与x表示任意选取的两台超声波传感器的编号，其中x＝1,2，...，n-1；t_n与t_x分别表示n号与x号超声波传感器记录的时间；

(4)粗定堵塞位置：对堵塞位置与超声波传感器之间的距离S进行计算，计算公式如下：

式中，V_t为步骤(3)中经计算得到的超声波波速，t_i与T_i分别表示单个超声波传感器记录的捕捉发射波与反射波的时间，其中i＝1,2，....，n；

(5)堵塞位置的标定：以步骤(4)粗定的堵塞位置为中心，调整相邻超声波传感器之间的间距D，重复步骤(2)至步骤(4)，进行堵塞位置的二次验算，对其进行精确标定。

本发明通过利用声波定位原理，在待测管道一端安装超声波发生器，再以超声波发生器的安装点为起点，沿待测管道长度方向的外壁上等间距布置多台超声波传感器，超声波传感器接收发射波，发射波在传播的过程中如遇到堵塞，会以堵塞部位作为发射波发生点，向其相对的方向回馈反射波，反射波被其所经过的超声波传感器二次记录，根据同一台传感器二次记录的定点时间和第一次接收到反射波的定点时间之间的差值与校准的超声波波速之间的关系即可粗定堵塞位置，再以粗定的堵塞位置为中心，通过调整各相邻超声波传感器之间的等距分布距离，进行堵塞位置的精确标定，从而准确快速的确定出堵塞位置，且该检测方法的操作均在管道外部进行，无需对管道本身进行任何改进，为堵点的寻找提供了无损、简便、低成本的方法，大大提高了充填开采的效率、降低了系统运行的成本。

附图说明

图1是本发明的检测装置结构示意图；

图2是本发明超声波发射的管道内部情况示意图；

图3是反射波产生的管道内部情况示意图；

图4是对管道中存在的多处堵塞进行筛选、确定堵塞情况的第一阶段过程示意图；

图5是对管道中存在的多处堵塞进行筛选、确定堵塞情况的第二阶段过程示意图；

图6是对管道中存在的多处堵塞进行筛选、确定堵塞情况的第三阶段过程示意图；

图7是对管道中存在的多处堵塞进行筛选、确定堵塞情况的第四阶段过程示意图；

图8是对管道中存在的多处堵塞进行筛选、确定堵塞情况的第五阶段过程示意图；

图9是对管道中存在的多处堵塞进行筛选、确定堵塞情况的最后阶段过程示意图；

图10是声时、声速和累计时间之间的关联图。

图中:1、超声波发生器，2、超声波传感器，3、待测管道，4、堵塞位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种充填管道堵塞检测装置，包括超声波换能器、超声波发生器1和多个超声波传感器2，超声波换能器和超声波发生器1电连接，超声波发生器1安装在待测管道3的一端，以超声波发生器1的安装点为起点，超声波传感器2沿待测管道3长度方向的外壁等间距布置。

如图2和图3所示，一种充填管道堵塞检测方法，包括如下步骤：

(1)安装检测装置：将超声波发生器1安装在待测管道3的一端，以超声波发生器1的安装点为起点，在待测管道3长度方向的外壁上每间隔距离D，安装一台超声波传感器2，直至待测管道3外壁上均布有超声波传感器2；

(2)调试检测装置：开启超声波发生器1，短暂发射一次，检验各超声波传感器2能否正常捕捉超声波信号，若超声波传感器存在故障，则进行调试，直至能够正常捕捉超声波信号；在各超声波传感器2能正常捕捉超声波信号的情况下，再次使超声波发生器1短暂发射，进入正式测试程序：发射波初次单向传输过程中被各超声波传感器2接收并记录，各超声波传感器2产生第一次定点时间t，分别记录为t₁，t₂，t₃，...，t_n-1，t_n；当有超声波传感器2接收到反射波之后，产生第二次定点时间T，分别记录为T_n，T_n-1，T_n-2，...，T₁；

(3)计算现场工作环境下的超声波传播速度V_t，计算公式如下：

式中，D代表任意相邻超声波传感器2之间的距离，n与x表示任意选取的两台超声波传感器2的编号，其中x＝1,2，...，n-1；t_n与t_x分别表示n号与x号超声波传感器2记录的时间；

(4)粗定堵塞位置：对堵塞位置4与超声波传感器2之间的距离S进行计算，计算公式如下：

式中，V_t为步骤(3)中经计算得到的超声波波速，t_i与T_i分别表示单个超声波传感器2记录的捕捉发射波与反射波的时间，其中i＝1,2，....，n；

(5)堵塞位置的标定：以步骤(4)粗定的堵塞位置为中心，调整相邻超声波传感器之间的间距D，重复步骤(2)至步骤(4)，进行堵塞位置的二次验算，对其进行精确标定。

步骤(1)至步骤(4)完成第一处堵塞部位的粗略确定，若存在捕捉到二次反射波的情况，则按照粗定第一处堵塞位置的方法进行第二处堵塞位置的粗定。

有些情况下，部分超声波传感器2会记录多次定点时间，但多次反射波被记录并不意味着管道中存在多处堵塞，需要对定点时间进行筛选才能确定堵塞情况，筛选原理如下：

为便于描述，将多台等间距布置的超声波传感器2从距离超声波发生器1由近及远依次编号为1号传感器、2号传感器、......n-1号传感器，n号传感器；将堵塞位置4从距离超声波发生器1由近及远依次编号为堵塞位置A、堵塞位置B。

如图4所示，发射波经过1号超声波传感器和2号超声波传感器后遇到堵塞位置A，1号超声波传感器和2号超声波传感器捕捉到发射波信号并记录下定点时间t₁和t₂；

如图5所示，发射波经过堵塞位置A继续传播的同时，堵塞位置A处产生的第一道反射波开始反向传播，并依次经过2号超声波传感器和1号超声波传感器，2号超声波传感器和1号超声波传感器捕捉到反射波信号并记录下定点时间T₂和T₁；

如图6所示，发射波继续传播至下一堵塞位置B，3号超声波传感器至n-2号超声波传感器捕捉到发射波信号并记录下定点时间t₃和t_n-2；

如图7所示，发射波经过堵塞位置B继续传播的同时，堵塞位置B处产生的第二道反射波开始反向传播，并依次经过n-2号超声波传感器和3号超声波传感器，n-2号超声波传感器和3号超声波传感器捕捉到反射波信号并记录下定点时间T_n-2和T₃；

如图8所示，第二道反射波遇到堵塞位置A的另一端面，并产生第三道反射波，第三道反射波向与第二道反射波相反的方向进行传播；

如图9所示，第三道反射波经过3号超声波传感器并被记录下定点时间后遇到堵塞位置B，第三道反射波被再次反射，此后堵塞位置A和堵塞位置B被不断反射，不断衍生出反射波，部分超声波传感器正序、反序多次记录信号信息。

由以上分析可知，当存在两个及以上的堵塞位置的情况下，只有初次捕捉到的发射波信号以及第一道和第二道反射波信号是能够真实的反映堵塞位置的，之后产生的反射波信号均是再衍生的，不能用于堵塞位置的确定，因此，当粗定堵塞位置大于两处时，将前两处的堵塞位置疏通后再进行其他堵塞位置的计算与确定会更为精确。

实验例：分别制作0.5m长和1m长的实验管道，在0.5m长的管道内注满水泥砂浆封堵两端后，在管道上安装和调试检测装置到位后进行实验，记录实验数据得到表一，并根据表一绘制得折线图10：

表一 0.5m封闭管充注水泥砂浆样品多天间断检测

通过表一和图10可知，在测点固定的条件下，检测装置所测得的声时随时间的累积不断减小，相应的超声波在其中的传播速度不断提高，幅值也有明显的增大至稳定的变化过程，说明水泥砂浆在凝固后，仅从声波的传播速度以及声波幅值的变化来看，介质的性质明显发生改变。

在1m长的实验管道内预置凝固的水泥砂浆硬块，并在管道内灌注水泥砂浆封堵两端后，在纯湿段(流动砂浆段)的管道两侧固定超声波发生器和超声波传感器，实时获得声时T、幅值A和声速V三个参数值，排除一组数据中与实际测距相差最大的两个最值，其余保留取声时与波速的平均值，并记录数据分别得表二和表三：

表二 1m封闭管内预置凝固块充注水泥砂浆样品干湿段径向对比检测

表三 1m封闭管内预置凝固块充注水泥砂浆样品干湿段定距对比检测

由表二可知，同等条件下，超声波穿过干湿水泥砂浆，纯干段(预置硬块段)的幅值要高于纯湿段的幅值，说明凝固后的水泥砂浆对超声波能量的吸收能力不及未凝固时的状态；表三中夹预置凝固硬块组所得的幅值数据明显低于纯湿段，意味着有相当一部分能量以反射或散射的形式耗散，即存在可以捕捉的反向波信号。

实验结论：水泥砂浆凝固后，仅作为声波传播介质来看，性质明显发生改变。水泥砂浆作为超声波传播介质，内部性质不均一时，超声波传输时会产生可捕捉的反向波。