一种基于声波震动的pe材质燃气管道测深装置及方法
技术领域
1.本发明涉及管道探测技术领域，特别是涉及一种基于声波震动的pe材质燃气管道测深装置及方法。
背景技术：2.地下燃气管道作为城市的重要基础设施之一，一方面关系着城市居民生活及城市工业的发展，担负着巨大的社会责任，另一方面由于深埋于地下，管道具有不透明性、纵横交错、结构复杂、信息量及查询量大、使用期长、不间断运行等特点，管理极为复杂。
3.随着pe管道在天然气及供水行业的进一步普及，燃气中/低压管网由pe管逐步取代钢管及铸铁管。由于pe管不导电，不导磁，无法对pe管进行追踪，给日后的管道维修带来了不便。现今城市建设高速发展与落后的地下管道管理手段之间的矛盾也日益突出。例如因燃气管道埋设情况不明而导致地面施工造成损坏的事故不断发生，也造成了一些社会影响。因此，尽早、尽快查清城市燃气埋地管道的现状，全面掌握有关资料数据，作为燃气公司安全运营管理的依据，已是亟待解决的问题。
4.现有“燃气管道声波检测法技术”通过采集声波震动信号的强弱，已基本实现pe管道走向定位。根据管道的敷设状况，选择接入放散阀或调压箱等接口，对燃气管道中的燃气施加特殊调制的声波震动信号，声波震动信号在燃气管道中顺着燃气向前传输，顺着燃气管道向前传输的过程中也会带动pe管的振动，pe管振动再带动埋设管道土壤的振动，土壤振动再带动地面振动，在远端用接收器在地面上采集声波震动信号的强弱，根据声波震动信号的特性和强弱定位管道的位置。但该方案只能探测出燃气管道平面位置，声波的传播速度取决于介质，比如声波在常温常压下，其在空气中的传输速度是344米每秒，淡水中为1430米每秒，海水中1500米每秒，钢铁中5800米每秒，铝中6400米每秒，石英玻璃中5370米每秒，而在橡胶中仅为30到50米每秒。土壤是非均质的，不同区域土壤，甚至不同季节土壤，其声波传输速度都大相径庭，受组份、含水率、颗粒级配、有机质含量、温度等影响极为严重，声波在土壤中传输速度不同。在无法得知传输速度情况下，也难以根据声波传输时间求得声波传输距离，故至今，燃气管道深度探测难以实现。现有技术均未涉及声波在不同介质中的传输速度实时检测，故无法对pe管道埋深进行探测。
5.且现有燃气管道声波检测法技术的声波频率选用方法缺乏理论指导，多采用随机试验的方法确认声波频率，这导致声波的传输距离受限，声波传输距离受限就导致燃气管道走向与深度探测精度降低。
技术实现要素：6.本发明的目的是提供一种基于声波震动的pe材质燃气管道测深装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，装置结构及流程简单，可操作性强，满足管道探测迫切需求。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供了一种基于声波震动的pe材质燃气管道测深装置，包括第一声波震动
器、第一声波信号接收器、第二声波信号接收器和地层声波传输性质原位测试箱；
9.所述第一声波震动器设置在燃气管道的一端，所述第一声波信号接收器设置在燃气管道的另一端，所述第二声波信号接收器设置在测深点，所述第一声波信号接收器和所述第二声波信号接收器均用于接收所述第一声波震动器发射的声波信号；
10.所述地层声波传输性质原位测试箱包括箱体、第三声波信号接收器和第二声波震动器，所述箱体用于盛放燃气管道上覆地层土样，所述第三声波信号接收器设置在所述箱体的上端，所述第二声波震动器设置在所述箱体的下端，所述第三声波信号接收器用于接收所述第二声波震动器发射的声波信号。
11.本发明还提供了一种采用所述的基于声波震动的pe材质燃气管道测深装置的燃气管道测深方法，包括以下步骤：
12.步骤一，进行燃气管道的走向探测；
13.步骤二，沿燃气管道走向进行测深点规划，标记测深点；
14.步骤三，确定燃气管道固有频率q
pe
，确定某一频率脉冲声波信号在燃气管道中的传输速度v
pe
；
15.步骤四，确定燃气管道上覆地层的固有频率q
地层
与任意频率声波在燃气管道上覆地层中的传输速度v
地层
；
16.步骤五，对燃气管道施加脉冲声波信号，脉冲信号频率为步骤三确定的燃气管道固有频率q
pe
或步骤四确定燃气管道上覆地层的固有频率q
地层
，在测深点处进行脉冲声波信号接收，确定脉冲声波信号强度幅值，并根据接收的脉冲声波信号幅值确定施加的脉冲声波信号频率，并记录脉冲声波信号发射时间与声波信号接收时间的间隔为t
总
；
17.步骤六，根据步骤一确定的燃气管道的走向，测量步骤二所标记的测深点位置与第一声波震动器位置的地表水平距离l
测深点
；
18.步骤七，根据步骤三与步骤六，计算脉冲声波在燃气管道中的传输时间t
pe
；
19.步骤八，根据步骤五与步骤七，得到脉冲信号在燃气管道上覆地层中的传输时间t
地层
，并根据步骤四所测得声波在燃气管道上覆地层中的传输速度v
地层
，计算得到燃气管道埋深h
pe
。
20.优选地，所述步骤三中，在燃气管道一端调压阀处，利用第一声波震动器对燃气管道施加不同频率的脉冲声波信号，在燃气管道另一端调压阀安装第一声波信号接收器，进行相应的频率脉冲声波信号接收，在第一声波震动器频率变化条件下，通过第一声波信号接收器信号强度幅值确定燃气管道固有频率q
pe
，第一声波信号接收器信号强度幅值越高，相应的声波频率越接近燃气管道固有频率q
pe
，通过第一声波信号接收器信号强度幅值确定燃气管道固有频率q
pe
。
21.优选地，所述步骤三中，在燃气管道一端调压阀处通过第一声波震动器施加某一频率的脉冲声波信号，在另一端调压阀处通过第一声波信号接收器接收脉冲声波信号，计时脉冲信号发射与接收的时间差为t
pe总
，根据步骤一，已知燃气管道走向，并已知燃气管道一端调压阀与另一端调压阀的位置，得到两个调压阀之间的燃气管道的长度为l
pe
，则某一频率脉冲声波信号在燃气管道中的传输速度v
pe
＝l
pe
/t
pe总
。
22.优选地，所述步骤四中，燃气管道上覆地层的固有频率q
地层
的测试方法包括以下步骤：
23.a：现场原位取样，将燃气管道上覆地层土样装填入地层声波传输性质原位测试箱的箱体中；
24.b：通过地层声波传输性质原位测试箱的箱体下端的第二声波震动器对箱体中的土壤施加不同频率的脉冲声波信号，箱体上端的第三声波信号接收器接收相应的频率脉冲声波信号，在箱体下端的第二声波震动器频率变化条件下，通过箱体上端的第三声波信号接收器信号强度幅值确定燃气管道上覆地层固有频率q
地层
，第三声波信号接收器信号强度幅值越高，相应的声波频率越接近燃气管道上覆地层固有频率q
地层
，通过第三声波信号接收器信号强度幅值确定燃气管道上覆地层固有频率q
地层
。
25.优选地，所述步骤四中，通过地层声波传输性质原位测试箱的箱体下端的第二声波震动器施加某一频率的脉冲声波信号，通过地层声波传输性质原位测试箱的箱体上端的第三声波信号接收器接收脉冲声波信号，计时脉冲信号发射与接收的时间差为t
地层
，地层声波传输性质原位测试箱的箱体的高度为l
测试箱
，则得到某一频率脉冲声波信号在燃气管道上覆地层中的传输速度v
地层
＝l
测试箱
/t
地层
。
26.优选地，所述步骤五中，在测深点进行脉冲声波信号接收，确定脉冲声波信号强度幅值，并根据接收的脉冲声波信号幅值确定施加的脉冲声波信号频率，当第一声波震动器施加的脉冲信号频率为q
pe
时，第二声波信号接收器接收的信号强度幅值为x，当第一声波震动器施加的脉冲声波信号频率为q
地层
时，第二声波信号接收器接收的信号强度幅值为y，如果x＞y，则确定第一声波震动器施加的脉冲声波信号频率为q
pe
，如果x《y，则确定第一声波震动器施加的脉冲声波信号频率为q
地层
。
27.优选地，所述步骤七中，t
pe
＝l
测深点
/v
pe
。
28.优选地，所述步骤八中，t
地层
＝t
总-t
pe
；h
pe
＝v
地层
×
t
地层
。
29.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
30.本发明通过通过脉冲声波信号，可以测得声波发射与接收的时间差，已知燃气管道走向(即已知声波发射点到声波接收点的水平距离)，只需要知道声波在燃气管道中的传输速度和声波在燃气管道覆盖土层中的传输速度，即可得到燃气管道的埋深。本发明的装置结构及流程简单，可操作性强，满足管道探测迫切需求。本发明通过声波共振的特点，选用声波频率，提升探测精度。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明的第一声波震动器和第一声波信号接收器位置示意图；
33.图2为本发明的地层声波传输性质原位测试箱示意图；
34.图3为本发明的第一声波震动器和第二声波信号接收器示意图；
35.其中：1-第一声波震动器，2-第一声波信号接收器，3-第二声波信号接收器，4-地层声波传输性质原位测试箱，5-燃气管道，6-第二声波震动器，7-第三声波信号接收器，8-箱体，9-调压阀。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本发明的目的是提供一种基于声波震动的pe材质燃气管道测深装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，装置结构及流程简单，可操作性强，满足管道探测迫切需求。
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
39.实施例一
40.如图1-图3所示：本实施例提供了一种基于声波震动的pe材质燃气管道测深装置，包括第一声波震动器1、第一声波信号接收器2、第二声波信号接收器3和地层声波传输性质原位测试箱4；
41.第一声波震动器1设置在燃气管道5的一端，第一声波信号接收器2设置在燃气管道5的另一端，第二声波信号接收器3设置在测深点，第一声波信号接收器2和第二声波信号接收器3均用于接收第一声波震动器1发射的声波信号；
42.地层声波传输性质原位测试箱4包括箱体8、第三声波信号接收器7和第二声波震动器6，箱体8为长方体，采用塑料制成，箱体8用于盛放燃气管道上覆地层土样，第二声波震动器6位于箱体8下端的中间位置，第三声波信号接收器7位于箱体8上端的中间位置，第三声波信号接收器7用于接收第二声波震动器6发射的声波信号。
43.实施例二
44.本实施例提供了一种采用实施例一的基于声波震动的pe材质燃气管道测深装置的燃气管道测深方法，包括以下步骤：
45.步骤一，进行燃气管道5的走向探测；
46.具体地，采用市面现有的燃气管道定位仪进行燃气管道5走向探测；
47.步骤二，沿燃气管道5走向进行测深点规划，如图1所示，标记测深点为a；
48.步骤三，确定燃气管道5固有频率q
pe
，确定某一频率脉冲声波信号在燃气管道5中的传输速度v
pe
；
49.具体地，如图1所示，在燃气管道5左端调压阀9(或调压箱、或放散阀接口)处，利用第一声波震动器1对燃气管道5施加不同频率的脉冲声波信号，在燃气管道5右端调压阀9(或调压箱、或放散阀接口)处安装第一声波信号接收器2，进行相应的频率脉冲声波信号接收，根据共振原理，在第一声波震动器1频率变化条件下，通过第一声波信号接收器2信号强度幅值确定燃气管道5固有频率q
pe
，第一声波信号接收器2信号强度幅值越高，相应的声波频率越接近燃气管道5固有频率q
pe
，例如，第一声波震动器1施加100hz声波信号，第一声波信号接收器2的信号强度幅值为3，第一声波震动器1施加500hz声波信号，第一声波信号接收器2的信号强度幅值为20，即说明燃气管道5的固有频率更接近500hz，并依次类推，通过第一声波信号接收器2信号强度幅值确定燃气管道5固有频率q
pe
；
50.本实施例中，步骤三中，在燃气管道5一端调压阀9处通过第一声波震动器1施加某一频率的脉冲声波信号，在另一端调压阀9处通过第一声波信号接收器2接收脉冲声波信
号，计时脉冲信号发射与接收的时间差为t
pe总
，根据步骤一，已知燃气管道5走向，并已知燃气管道5一端调压阀9与另一端调压阀9的位置，得到两个调压阀9之间的燃气管道5的长度为l
pe
，则某一频率脉冲声波信号在燃气管道5中的传输速度v
pe
＝l
pe
/t
pe总
；
51.步骤四，确定燃气管道上覆地层的固有频率q
地层
与任意频率声波在燃气管道上覆地层中的传输速度v
地层
；
52.本实施例中，步骤四中，燃气管道上覆地层的固有频率q
地层
的测试方法包括以下步骤：
53.a：现场原位取样，将燃气管道上覆地层土样装填入地层声波传输性质原位测试箱4的箱体8中；
54.b：通过地层声波传输性质原位测试箱4的箱体8下端的第二声波震动器6对箱体8中的土壤施加不同频率的脉冲声波信号，箱体8上端的第三声波信号接收器7接收相应的频率脉冲声波信号，根据共振原理，在箱体8下端的第二声波震动器6频率变化条件下，通过箱体8上端的第三声波信号接收器7信号强度幅值确定燃气管道上覆地层固有频率q
地层
，第三声波信号接收器7信号强度幅值越高，相应的声波频率越接近燃气管道上覆地层固有频率q
地层
，例如，第二声波震动器6对箱体8施加200hz声波信号，第三声波信号接收器7信号强度幅值为2，第二声波震动器6对箱体8施加1khz声波信号，第三声波信号接收器7信号强度幅值为20，即说明燃气管道上覆地层的固有频率更接近1khz，并依次类推，通过第三声波信号接收器7信号强度幅值确定燃气管道上覆地层固有频率q
地层
；
55.本实施例中，步骤四中，通过地层声波传输性质原位测试箱4的箱体8下端的第二声波震动器6施加某一频率的脉冲声波信号，通过地层声波传输性质原位测试箱4的箱体8上端的第三声波信号接收器7接收脉冲声波信号，计时脉冲信号发射与接收的时间差为t
地层
，地层声波传输性质原位测试箱4的箱体8的高度为l
测试箱
，则得到某一频率脉冲声波信号在燃气管道上覆地层中的传输速度v
地层
＝l
测试箱
/t
地层
；
56.步骤五，利用第一声波震动器1对燃气管道5施加脉冲声波信号，脉冲信号频率为步骤三确定的燃气管道5固有频率q
pe
或步骤四确定燃气管道上覆地层的固有频率q
地层
，在测深点a处利用第二声波信号接收器3进行脉冲声波信号接收，确定脉冲声波信号强度幅值，并根据接收的脉冲声波信号幅值确定施加的脉冲声波信号频率，当第一声波震动器1施加的脉冲信号频率为q
pe
时，第二声波信号接收器3接收的信号强度幅值为x，当第一声波震动器1施加的脉冲声波信号频率为q
地层
时，第二声波信号接收器3接收的信号强度幅值为y，如果x＞y，则确定第一声波震动器1施加的脉冲声波信号频率为q
pe
，如果x《y，则确定第一声波震动器1施加的脉冲声波信号频率为q
地层
，第一声波震动器1施加脉冲声波信号与测深点a处的第二声波信号接收器3接收脉冲声波信号时间间隔为t
总
；
57.步骤六，如图3所示，根据步骤一确定的燃气管道5的走向，测量步骤二所标记的测深点a的位置与第一声波震动器1位置的地表水平距离l
测深点
；
58.步骤七，根据步骤三与步骤六，计算脉冲声波在燃气管道5中的传输时间t
pe
，t
pe
＝l
测深点
/v
pe
；
59.步骤八，根据步骤五与步骤七，得到脉冲信号在燃气管道上覆地层中的传输时间t
地层
，t
地层
＝t
总-t
pe
，并根据步骤四所测得声波在燃气管道上覆地层中的传输速度v
地层
，计算得到燃气管道5埋深h
pe
，h
pe
＝v
地层
×
t
地层
。
60.本实施例通过原位测试能够确定燃气管道5的固有频率；能够确定任意频率声波在燃气管道5中的传输速度；通过原位测试，确定燃气管道上覆地层的固有频率；确定任意频率声波在燃气管道上覆地层中的传输速度；计算燃气管道5的埋深。
61.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
技术特征：1.一种基于声波震动的pe材质燃气管道测深装置，其特征在于：包括第一声波震动器、第一声波信号接收器、第二声波信号接收器和地层声波传输性质原位测试箱；所述第一声波震动器设置在燃气管道的一端，所述第一声波信号接收器设置在燃气管道的另一端，所述第二声波信号接收器设置在测深点，所述第一声波信号接收器和所述第二声波信号接收器均用于接收所述第一声波震动器发射的声波信号；所述地层声波传输性质原位测试箱包括箱体、第三声波信号接收器和第二声波震动器，所述箱体用于盛放燃气管道上覆地层土样，所述第三声波信号接收器设置在所述箱体的上端，所述第二声波震动器设置在所述箱体的下端，所述第三声波信号接收器用于接收所述第二声波震动器发射的声波信号。2.一种采用权利要求1所述的基于声波震动的pe材质燃气管道测深装置的燃气管道测深方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，进行燃气管道的走向探测；步骤二，沿燃气管道走向进行测深点规划，标记测深点；步骤三，确定燃气管道固有频率q
pe
，确定某一频率脉冲声波信号在燃气管道中的传输速度v
pe
；步骤四，确定燃气管道上覆地层的固有频率q
地层
与任意频率声波在燃气管道上覆地层中的传输速度v
地层
；步骤五，对燃气管道施加脉冲声波信号，脉冲信号频率为步骤三确定的燃气管道固有频率q
pe
或步骤四确定燃气管道上覆地层的固有频率q
地层
，在测深点处进行脉冲声波信号接收，确定脉冲声波信号强度幅值，并根据接收的脉冲声波信号幅值确定施加的脉冲声波信号频率，并记录脉冲声波信号发射时间与声波信号接收时间的间隔为t
总
；步骤六，根据步骤一确定的燃气管道的走向，测量步骤二所标记的测深点位置与第一声波震动器位置的地表水平距离l
测深点
；步骤七，根据步骤三与步骤六，计算脉冲声波在燃气管道中的传输时间t
pe
；步骤八，根据步骤五与步骤七，得到脉冲信号在燃气管道上覆地层中的传输时间t
地层
，并根据步骤四所测得声波在燃气管道上覆地层中的传输速度v
地层
，计算得到燃气管道埋深h
pe
。3.根据权利要求2所述的燃气管道测深方法，其特征在于：所述步骤三中，在燃气管道一端调压阀处，利用第一声波震动器对燃气管道施加不同频率的脉冲声波信号，在燃气管道另一端调压阀安装第一声波信号接收器，进行相应的频率脉冲声波信号接收，在第一声波震动器频率变化条件下，通过第一声波信号接收器信号强度幅值确定燃气管道固有频率q
pe
，第一声波信号接收器信号强度幅值越高，相应的声波频率越接近燃气管道固有频率q
pe
，通过第一声波信号接收器信号强度幅值确定燃气管道固有频率q
pe
。4.根据权利要求2所述的燃气管道测深方法，其特征在于：所述步骤三中，在燃气管道一端调压阀处通过第一声波震动器施加某一频率的脉冲声波信号，在另一端调压阀处通过第一声波信号接收器接收脉冲声波信号，计时脉冲信号发射与接收的时间差为t
pe总
，根据步骤一，已知燃气管道走向，并已知燃气管道一端调压阀与另一端调压阀的位置，得到两个调压阀之间的燃气管道的长度为l
pe
，则某一频率脉冲声波信号在燃气管道中的传输速度v
pe
＝l
pe
/t
pe总
。
5.根据权利要求2所述的燃气管道测深方法，其特征在于：所述步骤四中，燃气管道上覆地层的固有频率q
地层
的测试方法包括以下步骤：a：现场原位取样，将燃气管道上覆地层土样装填入地层声波传输性质原位测试箱的箱体中；b：通过地层声波传输性质原位测试箱的箱体下端的第二声波震动器对箱体中的土壤施加不同频率的脉冲声波信号，箱体上端的第三声波信号接收器接收相应的频率脉冲声波信号，在箱体下端的第二声波震动器频率变化条件下，通过箱体上端的第三声波信号接收器信号强度幅值确定燃气管道上覆地层固有频率q
地层
，第三声波信号接收器信号强度幅值越高，相应的声波频率越接近燃气管道上覆地层固有频率q
地层
，通过第三声波信号接收器信号强度幅值确定燃气管道上覆地层固有频率q
地层
。6.根据权利要求2所述的燃气管道测深方法，其特征在于：所述步骤四中，通过地层声波传输性质原位测试箱的箱体下端的第二声波震动器施加某一频率的脉冲声波信号，通过地层声波传输性质原位测试箱的箱体上端的第三声波信号接收器接收脉冲声波信号，计时脉冲信号发射与接收的时间差为t
地层
，地层声波传输性质原位测试箱的箱体的高度为l
测试箱
，则得到某一频率脉冲声波信号在燃气管道上覆地层中的传输速度v
地层
＝l
测试箱
/t
地层
。7.根据权利要求2所述的燃气管道测深方法，其特征在于：所述步骤五中，在测深点进行脉冲声波信号接收，确定脉冲声波信号强度幅值，并根据接收的脉冲声波信号幅值确定施加的脉冲声波信号频率，当第一声波震动器施加的脉冲信号频率为q
pe
时，第二声波信号接收器接收的信号强度幅值为x，当第一声波震动器施加的脉冲声波信号频率为q
地层
时，第二声波信号接收器接收的信号强度幅值为y，如果x＞y，则确定第一声波震动器施加的脉冲声波信号频率为q
pe
，如果x<y，则确定第一声波震动器施加的脉冲声波信号频率为q
地层
。8.根据权利要求2所述的燃气管道测深方法，其特征在于：所述步骤七中，t
pe
＝l
测深点
/v
pe
。9.根据权利要求2所述的燃气管道测深方法，其特征在于：所述步骤八中，t
地层
＝t
总-t
pe
；h
pe
＝v
地层
×
t
地层
。
技术总结本发明公开了一种基于声波震动的PE材质燃气管道测深装置及方法，涉及管道探测技术领域，基于声波震动的PE材质燃气管道测深装置包括第一声波震动器、第一声波信号接收器、第二声波信号接收器和地层声波传输性质原位测试箱；所述地层声波传输性质原位测试箱包括箱体、第三声波信号接收器和第二声波震动器。本发明通过通过脉冲声波信号，可以测得声波发射与接收的时间差，已知燃气管道走向(即已知声波发射点到声波接收点的水平距离)，只需要知道声波在燃气管道中的传输速度和声波在燃气管道覆盖土层中的传输速度，即可得到燃气管道的埋深。本发明的装置结构及流程简单，可操作性强，满足管道探测迫切需求。满足管道探测迫切需求。满足管道探测迫切需求。
技术研发人员：陈子申 程丹仪 徐晗 薛海红 魏欣
受保护的技术使用者：中煤（西安）地下空间科技发展有限公司
技术研发日：2022.07.25
技术公布日：2022/11/1
