CN209558048U - 一种基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，所述管道泄漏定位***包括主站***和n套子站***，子站***依次相连，主站***分别连接首套子站***和最后一套子站***。主站***包括服务器、中心交换机、首站流量转换汇集器、末站流量转换汇集器、首站流量计、末站流量计。子站***包括次声波传感器和压力传感器、次声波转换器和压力转换器。通过次声波传感器和压力传感器实时获取管道内的次声波和压力数据，判断管道是否出现泄漏情况，并通过与泄漏点相邻的两个子站的数据判断具体泄漏位置。

Description

一种基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***

技术领域

本实用新型涉及管道检测技术领域，尤其涉及一种基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***。

背景技术

管道运行管理的核心是“安全和经济”。近年来，因为油气管道泄漏导致的灾难性事故频发，管道的安全运行和维护受到了威胁和挑战。因此需要使用先进的科学手段建立管道安全预报警体系，通过有效的技术手段对管道内流体泄漏事故进行实时监测，准确发出泄漏报警并快速定位，以便于生产单位启动相应的应急预案，并能够实现泄漏事件处理过程监控。要实现上述功能，首先需要通过技术手段持续监测管道内流体相关数据的变化，通过对管道内流体泄漏特征准确、快速的识别和提取，快速并准确定位泄露位置。

目前，管道内流体泄漏监测方法主要有：压力点分析法、负压波法、流量差监测法、光缆监测法等，这些方法只能判断管道内流体是否泄露，无法准确定位流体的泄露位置。近年来，压力法被用于定位管道内流体泄露位置，通过检测管道内流体泄露时产生的压力信号到达检测器的时间，乘以流体内部压力的传播速度，既可定位流体泄露位置。但是，压力传播速度受流体种类和性质、管道介质类型、温度、压力、流速和密度等影响、波动范围大，有些管段还需要加装信号隔离器。由于气体具有压力小、可压缩性大、输送压力范围大等特点，负压波法虽然在液体管道中得到了大量应用，但是并不适用于输气管道。而次声波则可以在各种介质中传播、并且衰减小，因此，采用次声波泄漏检测技术定位气体输送管道泄漏点具有很大优势。

针对现有技术中，工况变化对管道泄漏检测及定位影响较大，本发明提供一种基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，在液体通过时，通过采集分布在管道上的压力，进行压力分布计算，压力分布建模，压力趋势计算，压力分布点压力突变分析，进行管道泄漏判定和定位计算。在气体通过时，通过采集管道内因气体泄漏而产生的次声波信号，进行管道泄漏判定和定位计算。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的是通过提供一种基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，以解决工况变化对管道泄漏检测及定位影响，同时通过次声波传感器对气体传输管道出现的泄漏情况进行更精确的定位。

本实用新型提供一种基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，包括主站***和n套子站***，n≥2；所述n套子站***依次相连，所述主站***分别连接首套子站***和最后一套子站***。

优选地，所述主站***包括服务器(12)、中心交换机(11)、首站流量转换汇集器(10)、末站流量转换汇集器(13)、首站流量计(1)、末站流量计(14)、流量计数据线(2)，所述首站流量计(1)通过流量计数据线(2)与首站流量转换汇集器(10)相连接，末站流量计(14)通过流量计数据线(2’)与末站流量转换汇集器(13)相连接，首站流量转换汇集器(10)和末站流量转换汇集器(13)通过以太网与中心交换机(11)相连接，中心交换机(11)通过以太网与服务器(12)相连接。

优选地，所述主站***还包括转换汇集器电源(5)、转换汇集器GPS天线(6)、转换汇集器3G/4G天线(7)，所述首站流量转换汇集器(10)分别和与其对应的转换汇集器电源(5)、转换汇集器GPS天线(6)、转换汇集器3G/4G天线(7)相连接，所述末站流量转换汇集器(13)分别和与其对应的转换汇集器电源(5’)、转换汇集器GPS天线(6’)、转换汇集器3G/4G天线(7’)相连接。

优选地，所述首站流量转换汇集器(10)可以使用转换汇集器3G/4G天线(7)，通过3G/4G网络将数据发送给服务器(12),所述末站流量转换汇集器(13)可以使用转换汇集器3G/4G天线(7’)，通过3G/4G网络将数据发送给服务器(12)。

优选地，所述子站***包括多个次声波传感器和压力传感器(9)和多个次声波转换器和压力转换器(3)，每套子站***包括一个次声波传感器和压力传感器(9)和一个次声波转换器和压力转换器(3)，所述每套子站***内的次声波传感器和压力传感器(9)与次声波转换器和压力转换器(3)通过内部数据线相连接。

优选地，所述次声波转换器和压力转换器(3)包括次声波和压力转换器输入接线端子(15)和次声波和压力转换器输出端子(16)，所述次声波转换器和压力转换器(3)与次声波和压力转换器输入接线端子(15)通过次声波和压力转换器输入数据线相连接，子站***中的次声波和压力转换器输出端子(16)通过子站***连接线缆(4)与下一套子站的次声波和压力转换器输入接线端子(15)相连接，以此类推直到最后一套子站***。

优选地，首套所述子站***中的次声波和压力转换器输入接线端子(15)

通过连接线缆(8)与首站流量转换汇集器(10)相连接，最后一套所述子站***中的次声波和压力转换器输出端子(16)通过连接线缆(8’)与末站流量转换汇集器(13)相连接。

优选地，首套所述子站***和最后一套所述子站***分别连接外部电源，并通过子站***连接线缆(4)给其他子站***供电。

一种流体管道，其采用上述的***，所述管道底部开孔，通过开孔将次声波传感器和压力传感器(9)放置于管道内密封安装，与管道内的流体相接触，次声波传感器和压力传感器(9)的底部与安装在管道底部外壁的次声波转换器和压力转换器(3)相连接。

优选地，所述管道内密封安装的次声波传感器和压力传感器(9)和与其通过内部数据线相连接的次声波转换器和压力转换器(3)为一套子站***，多套所述子站***根据距离依次均匀分布，每套所述子站***中的次声波转换器和压力转换器(3)通过子站***连接线缆(4)与下一套子站***中的次声波转换器和压力转换器(3)相连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点是，首站、末站流量转换汇集器都具有接收数据和供电的功能，在某一流量转换汇集器出现问题时，另一端的流量转换汇集器也能够收集管道内子***采集到的数据并同时给子***供电，保证***的持续运行；在某根子站***连接线缆出现问题，无法传输数据时，此线缆两端的子***的数据能够传送至与其相连接的另一端的流量转换汇集器，流量转换汇集器能够通过中心交换机和3G/4G天线两种方式，将子站***收集到的数据发送至服务器，能够有效应对***出现的多种故障情况；多套子站***可以对泄漏源进行精确定位；对子站***有两种供电方式，保证整个管道泄漏定位***的稳定运行；在检测气体管道时，能够同时使用次声波和压力两种检测和定位方式，使整个***的判断更加准确。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方案的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的次声波转换器和压力转换器的结构示意图；

图3是本实用新型的无泄漏压力分布曲线图；

图4是本实用新型的有泄漏压力分布曲线图。

附图标记说明

1首站流量计 2流量计数据线

3次声波转换器和压力转换器 4子站***连接线缆

5转换汇集器电源 6转换汇集器GPS天线

7转换汇集器3G/4G天线 8连接线缆

9次声波传感器和压力传感器 10首站流量转换汇集器

11中心交换机 12服务器

13末站流量转换汇集器 14末站流量计

15次声波和压力转换器输入接线端子 16次声波和压力转换器输出端子

具体实施方式

下面结合参照附图对本实用新型的示例性实施方式作进一步的说明。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。

下面将结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

如图1所示，本实用新型的一种基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，包括主站***和n套子站***，n≥2；所述n套子站***依次相连，所述主站***分别连接首套子站***和最后一套子站***。

所述主站***包括服务器(12)、中心交换机(11)、首站流量转换汇集器(10)、末站流量转换汇集器(13)、首站流量计(1)、末站流量计(14)、流量计数据线(2)，所述首站流量计(1)通过流量计数据线(2)与首站流量转换汇集器(10)相连接，末站流量计(14)通过流量计数据线(2’)与末站流量转换汇集器(13)相连接，首站流量转换汇集器(10)和末站流量转换汇集器(13)通过以太网与中心交换机(11)相连接，中心交换机(11)通过以太网与服务器(12)相连接。

所述主站***还包括转换汇集器电源(5)、转换汇集器GPS天线(6)、转换汇集器3G/4G天线(7)，所述首站流量转换汇集器(10)分别和与其对应的转换汇集器电源(5)、转换汇集器GPS天线(6)、转换汇集器3G/4G天线(7)相连接，所述末站流量转换汇集器(13)分别和与其对应的转换汇集器电源(5’)、转换汇集器GPS天线(6’)、转换汇集器3G/4G天线(7’)相连接。

所述首站流量转换汇集器(10)可以使用转换汇集器3G/4G天线(7)，通过3G/4G网络将数据发送给服务器(12),所述末站流量转换汇集器(13)可以使用转换汇集器3G/4G天线(7’)，通过3G/4G网络将数据发送给服务器(12)。

所述子站***包括多个次声波传感器和压力传感器(9)和多个次声波转换器和压力转换器(3)，每套子站***包括一个次声波传感器和压力传感器(9)和一个次声波转换器和压力转换器(3)，所述每套子站***内的次声波传感器和压力传感器(9)与次声波转换器和压力转换器(3)通过内部数据线相连接。

如图2所示，所述次声波转换器和压力转换器(3)包括次声波和压力转换器输入接线端子(15)和次声波和压力转换器输出端子(16)，所述次声波转换器和压力转换器(3)与次声波和压力转换器输入接线端子(15)通过次声波和压力转换器输入数据线相连接，子站***中的次声波和压力转换器输出端子(16)通过子站***连接线缆(4)与下一套子站的次声波和压力转换器输入接线端子(15)相连接，以此类推直到最后一套子站***。

首套所述子站***中的次声波和压力转换器输入接线端子(15)通过连接线缆(8)与首站流量转换汇集器(10)相连接，最后一套所述子站***中的次声波和压力转换器输出端子(16)通过连接线缆(8’)与末站流量转换汇集器(13)相连接。

首套所述子站***和最后一套所述子站***分别连接外部电源，并通过子站***连接线缆(4)给其他子站***供电。

也可以通过首站流量转换汇集器(10)供电给首套所述子站***、末站流量转换汇集器(13)供电给和后一套所述子站***，并通过子站***连接线缆(4)给其他子站***供电。

一种流体管道,其采用上述的***，所述管道底部开孔，通过开孔将次声波传感器和压力传感器(9)放置于管道内密封安装，与管道内的流体相接触，次声波传感器和压力传感器(9)的底部与安装在管道底部外壁的次声波转换器和压力转换器(3)相连接。

所述管道内密封安装的次声波传感器和压力传感器(9)和与其通过内部数据线相连接的次声波转换器和压力转换器(3)为一套子站***，多套所述子站***根据距离依次均匀分布，每套所述子站***中的次声波转换器和压力转换器(3)通过子站***连接线缆(4)与下一套子站***中的次声波转换器和压力转换器(3)相连接。

本实用新型的工作原理及使用流程：子站***的次声波传感器和压力传感器(9)根据距离依次平均分布在管道内，把离首站最近的子站***命名为首站子***，子站***1和首站子***意义相同，下一个子站***命名为子站***2，以此类推，子站***3，把离末站最近的子站***命名为末站***，如果使用四套子站***的话，子站***4和末站***意义相同，如果使用n套子站***，则离末站最近的子站***n和末站***意义相同。子站***的次声波传感器和压力传感器(9)实时监测管道内的次声波和压力。首站流量转换汇集器(10)获取该子站的次声波和压力数据以及连接首站***的次声波和压力转换器输出端子(16)的子站的次声波和压力数据，以此类推，只要是通过串联到一起的子站***，其次声波和压力数据都可以通过首站流量转换汇集器(10)获取，也可以通过末站流量转换汇集器(13)获取，从哪个流量转换汇集器获取取决于线路是否损坏，以及***的配置情况。通过转换汇集器GPS天线(6)获取位置信息，并在获取的数据中添加时间和位置标签，区分数据的获取端。首站流量转换汇集器(10)同时采集首站流量计(1)数据，末站流量转换汇集器(13)同时采集末站流量计(14)数据，首站流量转换汇集器(10)和末站流量转换汇集器(13)通过以太网及交换机(11)将数据发给服务器(12)，也可以由转换汇集器3G/4G天线(7)通过3G/4G网络发送给服务器(12)。由于连接线缆(8)和子站***连接线缆(4)是一根4芯线缆，其中有2根是负责供电，有2根传输数据，所以首站流量转换汇集器(10)可以给首站***次声波转换器和压力转换器(3)供电。

在***运行时，服务器(12)实时获取各子站的压力数据并绘制出压力分布曲线。通过首站流量转换汇集器(10)和末站流量转换汇集器(14)，将采集到管道的首站压力定义为Qs，末站压力定义为Qm。

液体通过的压力损失计算式可以用如下算式表达：

等式中的λ和ξ都是系数，可以通过手册确定，L是管道长度；d是管道内径；v是有效断面上的平均流速，通常v＝Q/S，其中Q是流量，S是管道的内截面积，g重力加速度，管道总长度为Lz，通过此算式模型，△L为距离管道首站的距离，将△L从第1米起，每次增1米的方式，即可算出随△L离管道首站距离的压力损失曲线，用首站的压力和压力损失曲线即可计算出管道的压力分布曲线YS。

气体通过沿程压力损失计算式可以用如下算式表达：

其中,

公式中，Rm是单位长度管道的摩擦压力损失，简称比压损(或比摩阻)，单位为Pa/m；l是直管段长度，单位为m；λ为摩擦压损系数；v是管道内气体的平均流速,单位为m/s；ρ是管道内气体的密度，单位为kg/m³；R_s是管道的水力半径，单位为m，它是指流体流径直管段时，流体的断面积A(m²)与润湿周边x(m)之比，即

通过△L为距离管道首站的距离，将△L从第1米起，每次增1米的方式，即可算出随△L离管道首站距离的压力损失曲线，用首站的压力和压力损失曲线即可计算出管道的压力分布曲线YS。

定义Stv为计算子站压力阈值,某一子站点Zl采集到的压力为Pz,子站与首站之间的距离为dz,在计算出的压力分布曲线YS中，与首站距离为dz的点(与此子站Zl对应的点)的压力为Pl，压力分布曲线Pl点的压力值与Pz压力值的差值为Plz，当Plz的值超过此子站压力阈值Py时，***开始计时，经过Ty时间，Plz一直超过Py，则判定子站点Z1附近存在泄漏点。与Zl相邻的两个子站中的上游子站为Zls,下游子站为Zlx。子站Zls采集到的压力为Pzls，子站Zls在压力分布曲线YS中YSzls点的压力Pyszls的差值超过上游节点阈值Pyzs,子站Zlx采集到的压力为Pzlx，子站Zlx在压力分布曲线YS中YSzlx点的压力Pyszlx的差值超过下游节点阈值Pyzx,即可判定当前管道发送泄漏，位置在Zlx和Zls之间，通过Zls和Zlx的压力数据，液体管道通过负压波法进行计算，可得出当前泄漏点与Zls的距离Dzls以及与Zlx的距离Dzlx。气体管道除了能够使用压力传感器以外，还能通过次声波传感器对泄漏点进行更精确的计算。

如图3所示，纵轴为压力值，横轴为与首站之间的距离，其中两条线基本重合，则***判定管道无泄漏。

如图4所示，纵轴为压力值，横轴为与首站之间的距离，其中两条线在Zl处的点Pl和Pz的值出现较大差别，并持续超过了Ty时间，则***判定管道出现泄漏。

使用次声波传感器对气体管道进行检测和泄漏定位时，使用次声波传感器探测泄漏源次声波信号，得到泄漏源次声波数据。根据泄漏源的次声波数据计算得到当前管道时频域图像，并根据当前管道时频域图像和标准管道时频域图像，初步判断当前管道是否发生泄漏。使用离声波源最近的两个子站收到的次声波数据进行计算，判断是否泄漏，同时对泄漏源位置进行准确定位。

当***中首站和末站以外的子站***出现故障，无法获取和传输数据时，可以使用其他子站的数据进行监测和计算。若与子站Zl相邻的两个子站中的上游子站***Zls出现故障，则使用子站Zls上游的子站Zlss采集到的数据进行计算。若与子站Zl相邻的两个子站中的下游子站***Zlx出现故障，则使用子站Zlx下游的子站Zlxx采集到的数据进行计算。

若***中的一根子站***连接线缆(4)损坏，无法进行通讯，导致此线缆两端的上游子站***和下游子站***无法进行通讯时，此上游子站***能够通过其再上游的子站***将无法与下游子站***通讯的情况告知服务器，此线缆的下游子站***通过其再下游子站***将无法与上游子站***通讯的情况告知服务器，服务器通过收到的两个告知状态判断损坏的数据线位置，并将此状态通知给所有子站***。损坏的线缆的上游子站***数据通过其再上游子站***传送给服务器，损坏的线缆的下游子站***数据通过其再下游子站***传送给服务器。

若首站***发生最严重故障，无法采集次声波和压力数据，也无法转发其他节点的数据，则服务器自动放弃首站***，其他数据将通过末站***转发，首站***的下游子站***为当前监测管道的起始点，首站***到下游子站***部分的管道无法监测，从首站***的下游子站***到末站***部分的管道监测正常。

本实施例的益处在于：使用多套子站可以对泄漏源进行精确定位；对子站***有两种供电方式，保证整个管道泄漏定位***的稳定运行；首站、末站流量转换汇集器都具有接收数据和供电的功能，在***出现问题时，能够有效应对***出现的多种故障情况；在检测气体管道时，能够同时使用两种检测和定位方式，使整个***的判断更加准确。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，其特征在于，包括主站***和n套子站***，n≥2；所述n套子站***依次相连，所述主站***分别连接首套子站***和最后一套子站***。

2.如权利要求1所述的基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，其特征在于，所述主站***包括服务器(12)、中心交换机(11)、首站流量转换汇集器(10)、末站流量转换汇集器(13)、首站流量计(1)、末站流量计(14)、流量计数据线(2)，所述首站流量计(1)通过流量计数据线(2)与首站流量转换汇集器(10)相连接，末站流量计(14)通过流量计数据线(2’)与末站流量转换汇集器(13)相连接，首站流量转换汇集器(10)和末站流量转换汇集器(13)通过以太网与中心交换机(11)相连接，中心交换机(11)通过以太网与服务器(12)相连接。

3.如权利要求2所述的基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，其特征在于，所述主站***还包括转换汇集器电源(5)、转换汇集器GPS天线(6)、转换汇集器3G/4G天线(7)，所述首站流量转换汇集器(10)分别和与其对应的转换汇集器电源(5)、转换汇集器GPS天线(6)、转换汇集器3G/4G天线(7)相连接，所述末站流量转换汇集器(13)分别和与其对应的转换汇集器电源(5’)、转换汇集器GPS天线(6’)、转换汇集器3G/4G天线(7’)相连接。

4.如权利要求3所述的基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，其特征在于，所述首站流量转换汇集器(10)可以使用转换汇集器3G/4G天线(7)，通过3G/4G网络将数据发送给服务器(12),所述末站流量转换汇集器(13)可以使用转换汇集器3G/4G天线(7’)，通过3G/4G网络将数据发送给服务器(12)。

5.如权利要求1所述的基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，其特征在于，所述子站***包括多个次声波传感器和压力传感器(9)和多个次声波转换器和压力转换器(3)，每套子站***包括一个次声波传感器和压力传感器(9)和一个次声波转换器和压力转换器(3)，所述每套子站***内的次声波传感器和压力传感器(9)与次声波转换器和压力转换器(3)通过内部数据线相连接。

6.如权利要求5所述的基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，其特征在于，所述次声波转换器和压力转换器(3)包括次声波和压力转换器输入接线端子(15)和次声波和压力转换器输出端子(16)，所述次声波转换器和压力转换器(3)与次声波和压力转换器输入接线端子(15)通过次声波和压力转换器输入数据线相连接，子站***中的次声波和压力转换器输出端子(16)通过子站***连接线缆(4)与下一套子站的次声波和压力转换器输入接线端子(15)相连接，以此类推直到最后一套子站***。

7.如权利要求6所述的基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，其特征在于，首套所述子站***中的次声波和压力转换器输入接线端子(15)通过连接线缆(8)与首站流量转换汇集器(10)相连接，最后一套所述子站***中的次声波和压力转换器输出端子(16)通过连接线缆(8’)与末站流量转换汇集器(13)相连接。

8.如权利要求7所述的基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，其特征在于，首套所述子站***和最后一套所述子站***分别连接外部电源，并通过子站***连接线缆(4)给其他子站***供电。

9.一种流体管道，包括权利要求1-8所述的基于分布式次声波传感器的管道泄漏定位***，其特征在于，所述管道底部开孔，通过开孔将次声波传感器和压力传感器(9)放置于管道内密封安装，与管道内的流体相接触，次声波传感器和压力传感器(9)的底部与安装在管道底部外壁的次声波转换器和压力转换器(3)相连接。

10.如权利要求9所述的一种流体管道，其特征在于，所述管道内密封安装的次声波传感器和压力传感器(9)和与其通过内部数据线相连接的次声波转换器和压力转换器(3)为一套子站***，多套所述子站***根据距离依次均匀分布，每套所述子站***中的次声波转换器和压力转换器(3)通过子站***连接线缆(4)与下一套子站***中的次声波转换器和压力转换器(3)相连接。