CN105351756A - 一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***及方法，其主要技术特点是：该***包括管道次声波传感器、数字化仪、直流稳压电源和监测服务器；所述管道次声波传感器分别设置在被测管道两端且其敏感头通过被测管道上的开孔与管道内的介质完全接触并沉浸在介质中，管道次声波传感器均通过数字化仪将测量信号上传给监测服务器；监测服务器根据两个数字化仪上传的测量信号计算出两个管道次声波传感器之间管道内的声压分布的声像图，从声像图上识别泄漏声源的位置和强度。本发明利用泄漏声音的宽频带特点，从声图像的稳定性上识别泄漏，提高对泄漏识别的准确率，准确率达到95％以上，误报率低于5％，而且能够反映泄漏过程，估计泄漏流量。

Description

一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***及方法

技术领域

本发明属于流体输送管道泄漏识别技术领域，尤其是一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***。

背景技术

管道泄漏监测是近二十年来的一个技术难题，更是由于现有测量方法的局限导致对泄漏误报率高和漏报率高，究其原因是不能准确识别泄漏信号和不能排除非泄漏信号的干扰。具体来说，现有的方法按照应用广泛程度排序依次有负压波法、流量差法、光纤法等。其中负压波法是指利用突然泄漏引起了管道内的一个较大的压力脉冲波，在管道两端的传感器接收到同一个压力脉冲波的时间差与泄漏点到传感器的距离具有对应关系，据此结合传感器坐标可以计算出泄漏点的坐标，该压力脉冲波达到1000Pa级，而其主要能量集中在频率低于5Hz的频段，也包含有可听声音，所以又被俗称为音波法。负压波法(音波法)的缺点有五个：一是容易受到管道所在环境中的冲击干扰声(如挖掘声、汽车辗压声、敲击声)影响而导致虚警；二是对于一些人为的偷盗性泄漏，在人为控制的慢放过程中，负压波的幅值较小，容易被背景噪声淹没而导致***监测不到，导致漏报，对于一些3mm以下的细孔泄漏也容易由于所产生的负压波脉冲弱而漏报；三是只能检测突发的压力变化，不能监测持续的泄漏过程，导致对干扰的排除能力差；四是对于不同的介质，这种由于突发性泄漏引起的负压波在管道内的传播衰减差异较大，在水和油等液体介质中的传播衰减小，而在天然气和煤气等气体介质中的传播衰减大，因而在输气管道上应用效果差；五是环境温度和管道内的温度变化引起了介质中的声速变化，不同介质中的声速有很大的差别，且泄漏点上下游声速不一致引起的定位误差不能被消除，导致对泄漏点定位误差大。总之负压波法误报率和漏报率高，对气体管道比对水管和油管的漏报率更大，在工况良好和快速突发性大泄漏的识别率约85％，对小泄漏和偷盗时的慢泄漏的识别率低于60％。流量差法是基于泄漏改变了管道上、下游的介质总流量，理想状态下对于不可压缩介质(水、油)泄漏引起上游流量增加或者不变，而下游流量减少，根据流量差来判断是否出现了泄漏，并且根据上下游流量传感器接收信号出现改变的时间差来计算泄漏点坐标，但是对于可压缩介质(各类气体)，泄漏引起的流量变化向上、下游传递的效应差，因而响应灵敏度低，容易出现漏报。光纤法是沿管道铺设光纤，当出现泄漏时，泄漏引起的振动诱发光纤振动，可以从光纤头上检测出这种振动信号，进而确定泄漏位置，该方法也能监测泄漏过程。光纤法的缺点是铺设成本高，不能用于老管道的监测，同时容易受到管道周围的振动和冲击的干扰而导致误报。

综上所述，负压波法(音波法)、流量差法、光纤法等都是只利用了信号的时间域信息和能量域信息。压力管道的泄漏既可以产生突变的脉冲声波，也可以产生宽频带的噪声，如何充分利用泄漏时产生的声音与非泄漏时的环境中其他声音的区别来提高对泄漏的识别准确率，从而降低监测***的误报率和漏报率，是一个瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、抗干扰能力强且识别准确的基于声波成像的管道泄漏识别和定位***及方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***，包括管道次声波传感器、数字化仪、直流稳压电源和监测服务器；所述管道次声波传感器分别设置在被测管道两端，每个管道次声波传感器安装在被测管道壁上且其敏感头通过被测管道上的开孔与管道内的介质完全接触并沉浸在介质中，管道次声波传感器均通过信号线与数字化仪连接并将输出声音信号传给数字化仪；所述数字化仪为管道次声波传感器提供工作电源，所述数字化仪连接有GPS天线用来获取GPS时间和坐标数据，所述数字化仪连接有3G天线并将采集的测量信号上传给监测服务器；所述直流稳压电源给数字化仪供电；所述监测服务器根据管道两端的数字化仪上传的测量信号计算出两个管道次声波传感器之间管道内的声压分布的声像图，从声像图上识别泄漏声源的位置和强度。

而且，所述监测服务器利用管道两端的传感器信号计算管道内的声像图，并从声像图的稳定性上识别泄漏。

而且，所述被测管道每一端安装的管道次声波传感器的数量为一个或二个。

而且，所述被测管道两端安装的管道次声波传感器可以测量突发泄漏引起的脉冲次声波和泄漏过程中的包括次声波的宽频带声波。

而且，所述数字化仪在将传感器采集信号文件上传给所述的监测服务器时，数据文件中包含了GPS坐标和文件开始的GPS时刻数据值。

而且，所述管道次声波传感器安装在被测管道壁上并通过管壁开孔与管道内的介质完全接触并沉浸在介质中。

一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位方法，包括以下步骤：

步骤1、将管道次声波传感器安装在被测管道两端且其敏感头与管道内的介质完全接触并沉浸在介质中；

步骤2、被测管道两端的管道次声波传感器分别向各自连接的数字化仪输出测量信号；

步骤3、每个数字化仪将监测点的GPS时间、GPS坐标和管道次声波传感器传来的测量信号传送给监测服务器；

步骤4、监测服务器根据被测管道两端的传感器信号，根据已知声音传播的速度参数，结合GPS时间基准，计算沿管道分布的声像图，从声像图上识别泄漏声源的位置和强度，实现泄漏识别与定位功能。

而且，所述步骤4计算沿管道分布的声像图的方法为：管道两端的信号s₁(t)和s₄(t)延时迭加，不考虑介质流速影响时，距离第一个管道次声波传感器的距离r处的合成声压信号的频域表示式S_r(jω)是：

$S_r\left(j\mathrm{\ω}\right)=S_1\left(j\mathrm{\ω}\right)e^{-j\mathrm{\ω}\frac{r}{v}}+S_4\left(j\mathrm{\ω}\right)e^{-j\mathrm{\ω}\frac{L-r}{v}}$

其中L是被测管道长度，v是声音在管道内传播的速度，两端管道次声波传感器之间的时延量τ₁₄与泄漏处距离r的关系是：

$\frac{r}{v}-\frac{L-r}{v}={\mathrm{\τ}}_{14}$

沿管道计算不同距离r处的S_r(jω)的能量，换算成声压值后就可以得出沿管道的声压分布。

考虑上、下游速度不一致时，相距上游端管道次声波传感器1的距离r处的声压信号的频域表示式S_r(jω)是：

$S_r\left(j\mathrm{\ω}\right)=S_1\left(j\mathrm{\ω}\right)e^{-j\mathrm{\ω}\frac{r}{v_{up}}}+S_4\left(j\mathrm{\ω}\right)e^{-j\mathrm{\ω}\frac{L-r}{v_{down}}}$

其中L是管段的长度，v_up和v_down分别是泄漏声音向上游和下游传播的速度，v_up等于声速减去介质流速，v_down等于声速加上介质流速，v_up和v_down可以通过在两个确定点激发信号的办法得到，在距离传感器1的位置r1和r2现两处得到的时延符合以下公式：

$\frac{L-r_1}{v_{down}}-\frac{r_1}{v_{up}}={\mathrm{\τ}}_{14}^{r1}$

$\frac{L-r_2}{v_{down}}-\frac{r_2}{v_{up}}={\mathrm{\τ}}_{14}^{r2}$

而且，所述步骤4从声像图上识别泄漏声源的位置和强度的方法为：监测服务器依据声像图的稳定性识别泄漏和定位泄漏位置，对泄漏过程连续显示，所显示的声像图反映出管道内介质流动的声音状况并以一条多变的彩色带在不断地移动；当有泄漏发生时，就会在管道上的泄漏位置显示一个稳定不移动的声像斑，并且是高亮度的，反映出声音强度超出周边位置的声音。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明利用泄漏声音的宽频带特点，将突发性脉冲声波作为预警信号和对泄漏初步定位，并根据泄漏过程中的声波来识别泄漏，更重要的是利用泄漏声波的声成像图来获得泄漏的空间信息，从声像图的稳定性上识别泄漏，提高对泄漏识别的准确率，对包括突发性泄漏、偷盗性慢泄漏、3mm以上泄漏的准确率高，误报率低，而且能够反映泄漏过程，估计泄漏流量。

2、本发明与现有方法相比，同时利用了泄漏信号的时间域信息、能量域信息、空间域信息来识别泄漏：其采用双传感器配对计算某一管段声像，从声像的稳定性来判断泄漏的真实性；其不仅利用了突然发生的负压波脉冲声音信号作为预警信号和对泄漏初步定位，又利用了泄漏持续期间的宽带噪声信号成像定位泄漏。

3、本发明在气体管道上和液体管道上具有几乎相同的泄漏识别率水平，而且泄漏量越大识别效果越好，管道内介质压力越高识别效果越好，管内介质流速越低识别效果越好，管道内流噪声越低效果越好。

4、本发明还可以与负压波法、流量差法信息融合，进一步提高监测可靠度。

附图说明

图1是本发明的二个管道次声波传感器监测***示意图；

图2是本发明的管道次声波传感器通过球阀安装在被测管道外的示意图；

图3是本发明的管道次声波传感器的敏感头进入被测管道的安装示意图；

图4是本发明的四个管道次声波传感器监测***示意图；

图5是在实验管道上出现一个泄漏时管道声场成像图；

图6是在实验管道上出现一个泄漏时管道内声压分布曲线图；

图7是在实验管道上多点依次泄漏时的脉冲次声波的波形图；

图8是在实验管道上多点依次泄漏时的引起的宽频带泄漏声波的波形图；

图中，1-管道次声波传感器，2-被测管道，3-数字化仪，4-监测服务器，5-GPS天线，6-3G/4G天线，7-直流稳压电源。

具体实施方式

以下结合图对本发明实施例做进一步详述：

实施例1

本实施例提供了一种包括二个管道次声波传感器的基于声波成像的管道泄漏识别和定位监测***，如图1所示。

一般情况下管道内的压力不低于0.01MPa，泄漏孔径大于1mm。管道直径小于2m，管道长度小于100km。在被测管道2的两端分别安装了一个高一致性的管道次声波传感器1，管道次声波传感器安装在被测管道壁上，管道次声波传感器的敏感头通过被测管道壁上的开孔与管内介质连通，敏感头完全沉浸在被测管道内的介质中。管道次声波传感器与被测管道的安装有两种方式，一种方式如图2所示，管道次声波传感器的敏感头通过球阀与被测管道内的介质相接触(图中的球阀是为了便于安装传感器使用，不是泄漏监测关键元件)，另一种方式如图3所示，管道次声波传感器的敏感头伸入被测管道内并与被测管道内的介质相接触。每个管道次声波传感器分别连接到一个数字化仪3(数字化仪1和数字化仪2)上，每个数字化仪均连接一个直流稳压电源为其供电，直流稳压电源为太阳能电池、蓄电池或市电转化的直流稳压电源，在危险区域时要求使用本安电源。数字化仪给管道次声波传感器提供直流工作电压，二个管道次声波传感器检测管道内的声音并以模拟电压或者电流形式输送到数字化仪的采样输入端，管道次声波传感器检测信号包含了泄漏开始时的脉冲次声波(波形如图7所示)以及泄漏引起的包含次声波的宽带声波(波形如图8所示)，数字化仪将管道次声波传感器输出信号采集转化成数字信号后，以数据文件的方式通过网络上传到监测服务器4上，同时将GPS时间和GPS坐标上传到服务器。每一个数字化仪安装了一个GPS天线5用以接收GPS时间和坐标信息，保证了被测管道两端的信号采集时基同步，每一个数字化仪安装了一个3G/4G网络天线6或有宽带网络接口用以上传输数据文件，监测服务器利用两端管道次声波传感器检测的信号计算管道内的声压分布(如图6所示)，进而计算出沿管道的声像图(如图5所示)，从声像图上彩色高亮的红色声斑对应声源幅值和位置来识别泄漏和定位泄漏。

所述管道次声波传感器具有对泄漏声波高灵敏度的输出，而对管道内的静态压力无输出的特点，其输出信号可以有多种类型，一种是电压型信号，参考值是0至5v，另一种是电流信号，参考值是4mA至20mA，还可以是485型数字输出信号，其3dB测量频率范围能够覆盖泄漏引起的次声波和低频声波，参考范围是0.1Hz至500Hz，管道次声波传感器1的测量动态范围要求可以覆盖泄漏产生的声波的最大幅值，泄漏脉冲次声波的参考最大幅值为1000Pa，泄漏宽带声波的参考最大幅值为200Pa。被测管道两端的管道次声波传感器用来精确测量出泄漏声音向上游和下游传播的速度，以提高对泄漏识别和定位的精度。

所述数字化仪为一个多路模拟信号采集单元，具有将信号数据保存在本机，可以通过3G、4G网络、宽带网络、ADSL、GPRS、WIFI等任意一种网络形式向监测服务器上传数据，每一个数字化仪可以同时与多个管道次声波传感器连接，参考数量为1个或者2个。数字化仪还可以接收GPS的时钟信息和GPS坐标信息，向监测服务器上传本机的时间基准和位置坐标。

所述监测服务器是一个传感器信号数据保存设备和管道泄漏识别观察操作设备，其***工作软件基于声成像计算方法，对管网上的每段管道计算声像图，与管道分布图透明叠加在一起显示，也可以与地图复合显示，方便察看每一条管道上的声压分布，也可以察看每一个传感器的信号，并能给出综合的泄漏识别结果。

本实施例的管道声成像计算出的声场的信噪比高，其合成声音的波束旁瓣低，声像清晰度高，具有较好的抑制管道内其他噪声干扰的能力。

在实施例中，数字化仪还可以连接流量表和压力表，把流量数据和压力数据上传，用来与声音传感器判定的泄漏信息进行融合分析，具体分析方法在本专利不做赘述。

在危险环境下，管道次声波传感器和数字化仪需要通过防爆和防护认证，要求传感器信号线穿过防爆扰性管，起到防爆防水作用。在要求不高的情况下可以采用压力变送器等代替管道次声波传感器，这些属于行业内基本常知，在本专利不做赘述。

值得补充说明的一点是，在本基于声波成像的管道泄漏识别和定位监测***上，还有一些安装附件，因属通用零件，可理解为常识，在此不做赘述。

实施例2

本实施例提供了一种包括四个管道次声波传感器的基于声波成像的管道泄漏识别和定位的监测***，如图3所示。

实施例2与实施例1不同之处仅在于，在管道的两端分别安装了两个高一致性的管道次声波传感器，每一端的两个管道次声波传感器的间距是可以精确测量的确定值，并且两个管道次声波传感器连接到同一个数字化仪，按照同一时基采样转化成数字信号，保证了两路信号的时间同步误差小到可以忽略。根据同一端的两个管道次声波传感器接收到同一泄漏声源的信号可以计算出声波在该管道内传播的真实速度。上游端的双传感器信号可以计算出泄漏声音向上游传播的速度v_up,下游端的双传感器信号可以计算出泄漏声音向下游传播的速度v_down。

声成像的具体计算是管道两端的信号s₁(t)和s₄(t)延时迭加，相距上游端管道次声波传感器1的距离r处的声压信号的频域表示式S_r(jω)是：

$S_r\left(j\mathrm{\ω}\right)=S_1\left(j\mathrm{\ω}\right)e^{-j\mathrm{\ω}\frac{r}{v_{up}}}+S_4\left(j\mathrm{\ω}\right)e^{-j\mathrm{\ω}\frac{L-r}{v_{down}}}$

其中L是管段的长度，v_up和v_down分别是泄漏声音向上游和下游传播的速度，v_up等于声速减去介质流速，v_down等于声速加上介质流速。

两端管道次声波传感器之间的时延量τ_up-down与泄漏处距离r的关系是：

$\frac{r}{v_{up}}-\frac{L-r}{v_{down}}={\mathrm{\τ}}_{up-down}$

按照图3所示的布置，利用泄漏信号计算出传感器1与传感器2之间的时延量τ₁₂，以及传感器4与传感器3之间的时延量τ₄₃，就可以得到泄漏声音向上游和下游传播的速度：

$v_{up}=\frac{{\mathrm{\τ}}_{12}}{d_{12}}$

$v_{down}=\frac{{\mathrm{\τ}}_{43}}{d_{43}}$

实施例2比实施例1的计算精度更高。

本实施例的管道声成像计算出的声场的信噪比高，其合成声音的波束旁瓣低，声像清晰度高，具有较好的抑制管道内其他噪声干扰的能力。

本发明的基于声波成像的管道泄漏识别和定位方法是在上述***上实现的。其利用安装在管道两端的管道次声波传感器检测到的声音信号，通过滤波分为5Hz以下次声频的脉冲声信号和5Hz以上包含次声波的低频宽带声信号，利用脉冲信号作为预警信号和对泄漏初步定位，利用低频宽带声信号成像计算出沿管道内的声像图，用声像图的变化来反映管道内的介质流动情况，当出现定点不变的声像，同时声像的强度达到一定值时可作为识别泄漏的依据。具体包括以下步骤：

步骤1、将管道次声波传感器安装在被测管道两端且其敏感头与管道内的介质完全接触并沉浸在介质中；

步骤2、被测管道两端的管道次声波传感器分别向各自连接的数字化仪输出声音信号；

步骤3、每个数字化仪将GPS时间、坐标和管道次声波传感器传来的声音信号传送给监测服务器；

步骤4、监测服务器根据被测管道两端的传感器信号，按照声音传播的方向和速度参数，结合GPS坐标，计算沿管道分布的声像图，从声像图上识别泄漏声源的位置和强度，实现泄漏识别与定位功能。

在监测服务器上根据声像图进行泄漏识别与定位的方法为：声像图反映的是管道内介质流动的声音状况并以一条多变的彩色带在不断地移动；当有泄漏发生时，就会在管道上的泄漏位置显示一个稳定不移动的声像斑，并且是高亮度的，反映出声音强度超出周边位置的声音。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***，其特征在于：包括管道次声波传感器、数字化仪、直流稳压电源和监测服务器；所述管道次声波传感器分别设置在被测管道两端，每个管道次声波传感器安装在被测管道壁上且其敏感头通过被测管道上的开孔与管道内的介质完全接触并沉浸在介质中，管道次声波传感器均通过信号线与数字化仪连接并将输出声音信号传给数字化仪；所述数字化仪为管道次声波传感器提供工作电源，所述数字化仪连接有GPS天线用来获取GPS时间和坐标数据，所述数字化仪连接有3G天线并将采集的测量信号上传给监测服务器；所述直流稳压电源给数字化仪供电；所述监测服务器根据管道两端的数字化仪上传的测量信号计算出两个管道次声波传感器之间管道内的声压分布的声像图，从声像图上识别泄漏声源的位置和强度，不仅能监测突发泄漏，而且能监测持续的泄漏过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***，其特征在于：所述监测服务器利用管道两端的传感器信号计算管道内的声像图，并从声像图的稳定性上识别泄漏，不仅能监测突发泄漏，而且能监测持续的泄漏过程。

3.根据权利要求1所述的一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***，其特征在于：所述被测管道每一端安装的管道次声波传感器的数量为一个或二个。

4.根据权利要求1所述的一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***，其特征在于：所述被测管道两端安装的管道次声波传感器可以测量突发泄漏引起的脉冲次声波和泄漏过程中的包括次声波的宽频带声波。

5.根据权利要求1所述的一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***，其特征在于：所述数字化仪在将传感器采集信号文件上传给所述的监测服务器时，数据文件中包含了GPS坐标和文件开始的GPS时刻数据值。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***，其特征在于：所述管道次声波传感器安装在被测管道壁上并通过管壁开孔与管道内的介质完全接触并沉浸在介质中。

7.一种如权利要求1至6任一项所述的一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位***的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、将管道次声波传感器安装在被测管道两端且其敏感头与管道内的介质完全接触并沉浸在介质中；

步骤2、被测管道两端的管道次声波传感器分别向各自连接的数字化仪输出测量信号；

步骤3、每个数字化仪将监测点的GPS时间、GPS坐标和管道次声波传感器传来的测量信号传送给监测服务器；

步骤4、监测服务器根据被测管道两端的传感器信号，根据已知声音传播的速度参数，结合GPS时间基准，计算沿管道分布的声像图，从声像图上识别泄漏声源的位置和强度，实现泄漏识别与定位功能。

8.根据权利要求7所述的一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位方法，其特征在于：所述步骤4计算沿管道分布的声像图的方法为：管道两端的信号s₁(t)和s₄(t)延时迭加，距离第一个管道次声波传感器的距离r处的合成声压信号的频域表示式S_r(jω)是：

$S_r\left(j\mathrm{\ω}\right)=S_1\left(j\mathrm{\ω}\right)e^{-j\mathrm{\ω}\frac{r}{v}}+S_4\left(j\mathrm{\ω}\right)e^{-j\mathrm{\ω}\frac{L-r}{v}}$

其中L是被测管道长度，v是声音在管道内传播的速度，两端管道次声波传感器之间的时延量τ₁₄与泄漏处距离r的关系是：

$\frac{r}{v}-\frac{L-r}{v}={\mathrm{\τ}}_{14}$

沿管道计算不同距离r处的S_r(jω)的能量，换算成声压值后就可以得出沿管道的声压分布。

9.根据权利要求7所述的一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位方法，其特征在于：所述步骤4从声像图上识别泄漏声源的位置和强度的方法为：监测服务器依据声像图的稳定性识别泄漏和定位泄漏位置，对泄漏过程连续显示，所显示的声像图反映出管道内介质流动的声音状况并以一条多变的彩色带在不断地移动；当有泄漏发生时，就会在管道上的泄漏位置显示一个稳定不移动的声像斑，并且是高亮度的，反映出声音强度超出周边位置的声音。