專利名稱：區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及水利水電工程中的泄水建筑結構自動監(jiān)測技術領域，特別是一種區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
目前，水利水電工程中的泄水建筑物破壞事例很多。空蝕破壞在其中占有相當?shù)谋戎?。然而，人們對空化空蝕的監(jiān)測主要集中在水輪機、水泵等水力機械上，并形成了相應的技術和產(chǎn)品，如測量過流部件壓力、水壓脈動、振動、噪聲，或者監(jiān)測葉片的磨蝕損壞，水輪機效率下降等。至今為止，人們對泄水建筑物空化空蝕監(jiān)測的關注還不夠，也缺乏成熟的技術和產(chǎn)品可以應用。泄水建筑物的空化空蝕與水輪機等水力機械的空化空蝕特征存在以下差異(1)泄水建筑物的流速高，破壞能力強；(2)泄水建筑物可能產(chǎn)生空蝕破壞的區(qū)域寬、不確定因素多；(3)泄水建筑物為混凝土材料，空蝕破壞發(fā)展速度快、后果更為嚴重。目前，水輪機等水力機械上采用的空化空蝕監(jiān)測儀器多是“點”式傳感器，主要是通過測試水壓脈動、振動或噪聲來監(jiān)測空化空蝕的發(fā)生。將水力機械的空蝕監(jiān)測儀器用于泄洪建筑物空蝕監(jiān)測存在以下問題和缺陷(1)泄水建筑物可能產(chǎn)生空蝕破壞的區(qū)域寬，“點”式傳感器存在監(jiān)測范圍不夠大，容易產(chǎn)生“漏測”的現(xiàn)象；(2)泄水建筑物的流速高，未發(fā)生空蝕之前的振動和噪聲就相對較大，空蝕監(jiān)測的“信噪比”相對較小，“點”式傳感器容易產(chǎn)生“誤診”的現(xiàn)象；(3)這些“點”式傳感器長期承受高速水流的作用，儀器容易失效。

發(fā)明內容本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)，該結構具有監(jiān)測范圍廣、診斷準確率高、耐久性好，施工方便，工程造價低的特點。
本發(fā)明為解決上述問題所采用的方案是設計一種區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳感器、傳輸光纜、分析系統(tǒng)和預警、報警系統(tǒng)，其特征在于沿監(jiān)測保護區(qū)域的泄水建筑物表面下3～6cm處，自水流方向上游一端至下游一端，在整截面上呈網(wǎng)狀鋪設一根光纖傳感器，并在該截面下15～30cm處的第二截面處，與前述光纖傳感器呈相同形狀交錯鋪設另一根光纖傳感器；所說的兩根光纖傳感器的終端通過光纜連接到終端盒，始端通過光纜接續(xù)盒和長距離光纜連接到光纖振動探測儀上，光纖振動探測儀將振動信號傳到信號處理和分析模塊，該模塊通過對信號處理和分析，將振動信號分解為高頻分量和低頻分量，并輸出相應的自功率譜和互相關譜，高頻信號傳送到空化預警系統(tǒng)，低頻信號傳送到空蝕程度報警系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于該系統(tǒng)具有監(jiān)測范圍廣、診斷準確率高、耐久性好的特點，以及區(qū)域性同步空化空蝕監(jiān)測的優(yōu)點，在光纖網(wǎng)絡布置區(qū)域內的任何一點發(fā)生劇烈的空泡群空化和空蝕剝離脫落時都會被監(jiān)測到并報警。而且光纖網(wǎng)絡前端是完全無源的，也就是所有供電設備和監(jiān)測設備都是在數(shù)公里外的控制室內，通過一根光纜連接即可，施工和運行管理方便。

圖1為本發(fā)明的整體結構示意圖；圖2為本發(fā)明的待測區(qū)域光纖傳感器平面布置示意圖。
圖中1為泄水建筑物監(jiān)測保護區(qū)域，2為上層光纖分布振動傳感器，3為下層光纖分布振動傳感器，4為高速水流及其流向，5為光纜接續(xù)盒，6為終端盒，7為長距離光纜，8為光纖振動探測儀，9為信號處理和分析模塊，10為高頻信號分量，11為低頻信號分量，12為空化群預警系統(tǒng)，13為空蝕程度報警系統(tǒng)。
具體實施方式本發(fā)明區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)泄水建筑物的等級和內部水流流態(tài)來確定空化空蝕監(jiān)測防護的重點區(qū)域。該區(qū)域包括沿泄水建筑物的表面范圍和縱向深度。當泄水建筑物施工到指定層面時，一般為距其過水表面15～30cm，將光纖傳感器沿水流方向在該平面(或弧面)上呈波浪曲線，或云形曲線、連續(xù)“8”字形曲線等網(wǎng)狀結構曲線鋪設在該層面上，光纖的兩個端頭分別接到各自的光纜接續(xù)盒中。然后繼續(xù)施工到另一監(jiān)測層面，一般為距泄水建筑物表面3～6cm，按照相同的網(wǎng)狀結構鋪設方式將光纖傳感器相對于下一層交錯的鋪設在該層，兩端的光纖接頭分別接入前一層的光纜接續(xù)盒中。最后完成整個泄水建筑物的施工。
本發(fā)明所使用的光纖傳感器是光纖分布振動傳感器，所使用的光纜是可直埋光纜，如鎧裝光纜等。兩根光纖傳感器的終端通過光纜連接到終端盒，始端通過長距離光纜連接到光纖振動探測儀上。
光纖振動探測儀由光電轉換器連接寬帶放大器組成，光電轉換器將光信號上攜帶的振動信號通過光電轉換器轉化為電信號，然后通過寬帶放大器放大并輸出給信號處理和分析模塊。
信號處理和分析模塊由帶通濾波器和頻譜變換器組成。帶通濾波器可以是數(shù)字濾波器(例如切比雪夫濾波器，自適應濾波器等)或模擬濾波器，也可以是虛擬濾波器。頻譜變換器可以是用傅里葉變換或是快速傅里葉等其他分析方法，或者使用數(shù)據(jù)采集卡和虛擬數(shù)字濾波技術，例如labview軟件等。其功能是將信號的頻譜、自功率譜、互相關譜、最大譜功率分量以及其他信息等等按高頻分量和低頻分量兩個部分輸出，分別輸出給空化群預警系統(tǒng)和空蝕程度報警系統(tǒng)。高頻信號傳送到空化預警系統(tǒng)，用來判斷泄水建筑物是否發(fā)生空化以及發(fā)生空化的區(qū)域；低頻信號傳送到空蝕程度報警系統(tǒng)，用來判斷泄水建筑物空蝕的程度。
空化群預警系統(tǒng)的主要預警辦法是對上層光纖傳感器的高頻信號來分析識別的。當高頻分量顯著增長，低頻分量變化不大，而下層光纖傳感器的振動信號變化不大時，說明再某些部位產(chǎn)生了空泡群。
空蝕程度報警系統(tǒng)是通過分析兩個層面內某些特征頻率譜的關系估計空蝕的深度。當空蝕剝離脫落到上層光纖振動傳感器層時，該層光纖傳感器會劇烈振動，這時的振動將以低頻(10KHz以下)為主，而下層光纖傳感器的高頻信號顯著增長，這樣就警示我們空蝕剝落程度已經(jīng)達到了某個設定深度。當空蝕破壞繼續(xù)發(fā)展時，上層光纖傳感器可能因為被沖毀而失去信號，下層光纖傳感器會重復上面的過程。
因為空泡噪聲在0～100kHz上均有分布，并在30kHz以上明顯增大，最大聲輻射強度的頻率一般均低于400kHz，所以空化噪聲主要表現(xiàn)為高頻信號分量(30KHz以上)。當泄水建筑物正常工作時，兩層光纖的振動信號在各個頻段上均較弱。當泄水建筑物的某些部位開始發(fā)生空化空蝕時，相應部位的上層光纖傳感器的高頻信號分量顯著增長，低頻分量變化不大，而下層光纖傳感器的振動信號變化不大，由于高頻空化衰減得很快，可以通過分析兩個層面內某些特征頻率譜的關系估計空蝕的深度。當空蝕剝離脫落到上層光纖振動傳感器層時，該層光纖傳感器會劇烈振動，這時的振動將以低頻(10KHz以下)為主，而下層光纖傳感器的高頻信號顯著增長，這樣就警示我們空蝕剝落程度已經(jīng)達到了某個設定深度。當空蝕破壞繼續(xù)發(fā)展時，上層光纖傳感器可能因為被沖毀而失去信號，下層光纖傳感器會重復上面的過程。
本發(fā)明一個實施例如下如圖1和圖2所示的一種光纖區(qū)域分布空化空蝕監(jiān)測防護系統(tǒng)，其由光纖分布振動傳感器、光纜接續(xù)盒5、終端盒6、光纜7、光纖振動探測儀8、信號處理分析模塊9、空化群預警系統(tǒng)12和空蝕程度報警系統(tǒng)13組成。光纖分布振動傳感器一般為兩層布置，上層光纖傳感器2層面距泄水建筑物表面3～6cm，在平面上呈波浪形分布，從監(jiān)測保護區(qū)域1的水流4上游一端鋪設到下游另一端；下層光纖傳感器3層面距泄水建筑物表面15～30cm，在平面上呈與上層光纖傳感器交錯的波浪形分布，也從監(jiān)測保護區(qū)域的一端鋪設到另一端；光纖傳感器的兩個端頭分別接入到光纜接續(xù)盒中，其終端通過光纜連接到終端盒，始端通過長距離光纜連接到光纖振動探測儀上；光纖振動探測儀將振動信號傳到信號處理和分析模塊，該模塊通過對信號處理和分析，將振動信號分解為高頻分量10和低頻分量11，并輸出其相應的自功率譜和互相關譜；高頻信號傳送到空化預警系統(tǒng)用來判斷泄水建筑物是否發(fā)生空化以及發(fā)生空化的區(qū)域；低頻信號傳送到空蝕程度報警系統(tǒng)用來判斷泄水建筑物空蝕的程度。這樣構成的光纖區(qū)域分布空化空蝕監(jiān)測防護結構，監(jiān)測范圍廣、診斷準確率高、耐久性好，又可以同時監(jiān)測空化空蝕發(fā)生情況和破壞程度，分級報警。
權利要求
1一種區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳感器、傳輸光纜、分析系統(tǒng)和預警、報警系統(tǒng)，其特征在于沿監(jiān)測保護區(qū)域的泄水建筑物表面下3～6cm處，自水流方向上游一端至下游一端，在整截面上呈網(wǎng)狀鋪設一根光纖傳感器，并在該截面下15～30cm處的第二截面處，與前述光纖傳感器呈相同形狀交錯鋪設另一根光纖傳感器；所說的兩根光纖傳感器的終端通過光纜連接到終端盒，始端通過光纜接續(xù)盒和長距離光纜連接到光纖振動探測儀上，光纖振動探測儀將振動信號傳到信號處理和分析模塊，該模塊通過對信號處理和分析，將振動信號分解為高頻分量和低頻分量，并輸出相應的自功率譜和互相關譜，高頻信號傳送到空化預警系統(tǒng)，低頻信號傳送到空蝕程度報警系統(tǒng)。
2按照權利要求1所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所說的光纖傳感器呈波浪曲線鋪設。
3按照權利要求1或2所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所說的光纖傳感器是光纖分布振動傳感器。
4按照權利要求1所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所說的光纜是可直埋光纜。
5按照權利要求1或2、4所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所說的光纖振動探測儀由光電轉換器連接寬帶放大器組成，光電轉換器將光信號上攜帶的振動信號通過光電轉換器轉化為電信號，然后通過寬帶放大器放大并輸出給信號處理和分析模塊。
6按照權利要求3所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所說的光纖振動探測儀由光電轉換器連接寬帶放大器組成，光電轉換器將光信號上攜帶的振動信號通過光電轉換器轉化為電信號，然后通過寬帶放大器放大并輸出給信號處理和分析模塊。
7按照權利要求1或2、4、6所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所說的信號處理和分析模塊由帶通濾波器和頻譜變換器組成，它將信號的頻譜、自功率譜、互相關譜、最大譜功率分量信息按高頻和低頻兩個部分輸出，分別輸出給空化群預警系統(tǒng)和空蝕程度報警系統(tǒng)。
8按照權利要求5所述的區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所說的信號處理和分析模塊由帶通濾波器和頻譜變換器組成，它將信號的頻譜、自功率譜、互相關譜、最大譜功率分量信息按高頻和低頻兩個部分輸出，分別輸出給空化群預警系統(tǒng)和空蝕程度報警系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種區(qū)域分布式泄水建筑物空蝕監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器、傳輸光纜、分析系統(tǒng)和預警、報警系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)在監(jiān)測保護區(qū)域的泄水建筑物表面下兩個截面上，呈網(wǎng)狀分別鋪設一根光纖傳感器；兩根光纖傳感器通過光纜連接光纖振動探測儀，光纖振動探測儀將振動信號傳到信號處理和分析模塊，該模塊又將振動信號分解為高頻分量和低頻分量，并輸出相應的自功率譜和互相關譜，高頻信號傳送到空化預警系統(tǒng)，低頻信號傳送到空蝕程度報警系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)具有監(jiān)測范圍廣、診斷準確率高、耐久性好的特點，以及可實現(xiàn)區(qū)域性同步空化空蝕監(jiān)測的優(yōu)點。而且光纖網(wǎng)絡前端是完全無源的，所有供電設備和監(jiān)測設備都是在數(shù)公里外的控制室內，施工和運行管理方便。
文檔編號G01N21/84GK1834618SQ20061001347
公開日2006年9月20日 申請日期2006年4月19日 優(yōu)先權日2006年4月19日
發(fā)明者練繼建, 葛春風, 劉昉 申請人:天津大學