CN100390531C - 基于微波技术的输气管道泄漏检测定位方法与系统 - Google Patents

Abstract

基于微波技术的输气管道泄漏检测定位方法与系统属于输气管道泄漏、裂纹故障状态的检测技术领域。其特征在于，它是往管道中发射TE₀₁和TM₀₁模式的微波，并分别检测TE₀₁和TM₀₁微波的模式、反射波功率或散射波功率，以及反射系数模和相角值，当检测到的任何一个值超过相应的超限阈值时，说明管道中有缺陷存在，则启动微波源向管道中发射调制微波，同时检测调制微波发射至收到反射时的时间差，然后根据时间差计算出管道中的缺陷位置。本发明采用三种检测模式同时进行检测，避免了小裂纹、小裂缝、毛刺等漏检的情况，使缺陷的检测更加准确。

Description

基于微波技术的输气管道泄漏检测定位方法与系统

技术领域：

基于微波技术的输气管道泄漏检测定位方法与系统属于输气管道泄漏、裂纹故障状态的检测技术领域。

背景技术：

使用管道运输流体是一种经济方便的运输方式，和其他运输方式相比，它具有高效率，安全经济，对环境影响小，节约人力物力和便于管理控制等多项优点，因此在石油，天然气以及其他燃气输送中占有重要的地位。但是由于管道设备老化，地理和气候条件的影响以及人为破坏等原因经常会造成泄漏事故的发生。

天然气管道一旦泄漏，不仅会带来经济损失和环境污染，还会发生火灾和爆炸，造成人员伤亡事故。目前，我国地域环境和气候变化情况复杂增加了管网的复杂性，使得检漏定位技术难度大；我国的输气管道(包括输油管道)以犯罪分子偷盗气(油)居多，盗气点经伪装难以发现，因而对漏点定位的精度要求高；目前的部分泄漏检测定位技术还需要在沿途布置测点或者需要信号传输线路，这不仅增加了实施的困难，更易成为犯罪分子破坏的目标。因此，对输气管道进行泄漏检测并进行泄漏定位，保障其安全运行是十分必要的。

由于气体具有可压缩性、摩阻小、管输压力高、压力波动无规律性大、流速快等特点，致使气体长输管线的泄漏检测技术相对液体管线难度要大一些。我国管道工业的发展起步较晚，泄漏检测技术相对落后。目前主要靠巡管工沿管道进行实际观察，无法及时、准确地发现泄漏事故。国外管道工程学者尽管作过许多工作，但令人满意的方法并不多，尤其是成熟的气体长输管线泄漏检测方法更少。现有的输气管道泄漏检测法大致分成四类：

一类是基于磁通、涡流、摄像等投球技术的管内检测法，称作管道爬行机或PIG。该方法定位准确、但它对管道条件要求较高，实际使用时容易发生堵塞、停运等事故且无法在线监测；

第二类是基于管线压力、温度、流量、振动等运行参数的外部检测法，应用较多的有流量差、压力差、负压波以及声波法，这类方法费用较低并且可以连续在线监测，但定位精度低，极易受到泵站内的工况扰动(压力和流量)，造成泄漏事故的漏报、误报率高，真正意义上的工程应用还需作大量的工作。而基于管道模型的方法，虽然理论意义上比较适合，但是实际的管道模型很难准确获得，并且随着管道的长年使用，部分管道参数还会发生变化，致使定位和检测的结果发生很大的误差。

第三类是针对人工巡检开发的许多辅助手段，如：便携式/车载式红外、激光气体探测器、泄漏噪声探测器等仪器以及专门训练的动物等以及某些针对特定输送介质的电缆、光纤检测法。

第四类是与本发明申请最接近的基于电磁波的检测技术，分为离线检测和在线检测两种方法。

专利1【名称：管道系统组成部分的电磁波检查方法，公开号：1141673，公开日：1997.01.29，日本东京都】提出了由发送装置的发送天线在检查对象管道系统的管道内激励电磁波并使其在管内传播，同时使接收装置的接收天线在外部沿着管道移动，接收泄漏的电磁波而对管道系统的组成部分进行检查，根据接收装置接收的电磁波电平达到峰值时接收天线的位置检测出检查对象管道上发生的腐蚀孔或裂纹等损伤部位或接头等的位置。

该专利虽然能很好地解决部分输气管道的泄漏和裂纹检测，但是该方法具有以下缺点：[1]不能对输气管道进行实时在线监测，必需由人工沿管道巡检，十分不方便；[2]只能对地面上的管道巡检，不能对埋地的地下输气管道检测泄漏和裂纹，而我国目前的油气田和输气管道，基本上都是地下管道输送，所以，该方法不适合我国的实际情况。

专利2【名称：管道防护泄漏检测装置及方法，公开号：1293366，公开日：2001.05.02，中国】用于检测管道缺损、破裂、泄漏、管道结构特征；其原理是应用电磁波在管道内辐射，利用管道裂缝、孔洞和管道结构特征对电磁波反射的原理检测管道运行概况。发射天线和接受天线都固定在管道壁内，当管道缺损、破裂、泄漏或结构形式变化时，接收到的电磁波将包含有相应的特征信息。对接收到的电磁波信号进行信号处理就可以确定管道缺损、破裂、泄漏、管道结构特征。

该专利提出的输气管道在线泄漏监测方案具有一下缺点：[1]并未提出如何具体检测管道中不同形状(纵向和横向裂纹)分布的裂纹，以及复杂弯曲管道的情况；[2]该方法提出，将微波源激励出的TE波转换为高阶TE波，但又提出管道内TE基模极不稳定，在跨越裂缝和孔洞时，产生新的激励电场，使原来的电场退化为高阶模，在管道的裂缝或孔洞上下游都设有接收天线，通过对反射和发射电磁波的时间差以及裂缝和孔洞反射电磁波的波形模式退化高阶模式的测定，来检测管道内的破损和裂缝位置以及尺寸。方法中既然已经将TE波转换为高阶TE波，所以管道内很难存在TE基模式；另外由于管道的实际分布、以及裂缝或孔洞的形状尺寸很难确定，所以反射回来的模式很难具体确定为何种模式。[3]由于微波在输气管道内的衰减很大，该方法并未提出如何解决微波衰减造成的管道检测距离有限的问题。[4]该方法并未给出如何有效检测管道的微小裂纹，因为微小裂纹对管道内微波传输模式的影响很小。[5]专利2中的电磁波接收发射器的原理框图中很难对管道中孔洞和裂纹激励发射的其它模式进行检测，接收电路部分还缺少必要的辅助电路，如：第一本振电路。[6]专利2中并未指出采用连续波，扫频波还是调制波的方式向管道内发射微波。[7]专利2中未考虑必要的微波接收发射装置隔离防爆措施。[8]专利2中未给出如何保证微波在正常状况下的单模工作和衰减小的措施。

发明内容：

本发明的目的在于，提出一种基于微波技术的输气管道泄漏检测定位方法与系统，该方法与系统能够克服现有技术的不足，利用微波模式变化检测出管道中大的横向裂纹和纵向裂纹的位置，利用反射系数模与相位的改变，以及反射波和散射波功率变化来确定小裂纹、小裂缝、以及孔洞、毛刺等，可在长距离管道上设置多个检测系统进行检测，从而防止微波衰减造成的影响。

下面先介绍基于微波技术的输气管道缺陷检测原理简介：

金属圆形管道可视为引导电磁波的圆波导。根据电磁波传播理论，微波在波导中的传播规律主要取决于波的频率、模式、波导横截面形状、尺寸和波导中介质的特性。当以上任意一个参数变化时，电磁波的传播特性将发生改变。如果管道中某处存在缺陷、裂纹、孔洞和其它物质的沉积，将在此处产生波的反射和散射。如果波在管道中是以单模传输的，当在管道中存在裂纹、裂缝时，由于这些裂纹、裂缝会截断表壁上的感应电流，因此，电磁场的分布将发生畸变，管道中将出现其它高次模传播，同时也将改变波在管道中的传播特性。

设管道半径为a，将金属视为理想导体构成的圆波导(即σ＝∞)。当在此管道传播TE₀₁模，则管道中的电磁场分布为：

$E_{\mathrm{\Φ}}=-\frac{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_{0}a}{3.82}{H}_m{J}_1\left(\frac{3.832}{a}r\right)e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}---(1-1)$

$H_r=\frac{\mathrm{j\β}a}{3.82}{H}_m{J}_1\left(\frac{3.832}{a}\right)e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}---(1-2)$

$H_z=H_m{J}_0\left(\frac{3.832}{a}r\right)e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}---(1-3)$

E_r＝E_z＝H_Φ＝0                   (1-4)

由导体与空气的边界条件J_s＝n×H|_s可得管道内表壁上的感应电流为

J_Φ＝H_mJ₀(3.832)e^j(ωt-βz)      (2)

若在内管壁上存在纵向裂纹、裂缝，这些裂缝将截断内管壁电流。其结果是：波将在此处发生反射和散射，TE₀₁模的场分布将发生改变，管道中除传播TE₀₁模外。还有其它高次模存在。则通过检测TE₀₁模在管道中传播时模式的改变可以判断管道内是否存在纵向裂纹、裂缝(及沿管道轴向分布的裂纹、裂缝)。

若在此管道中传播TM₀₁模，则管道中的电磁场分布为：

$E_r=\frac{\mathrm{j\ωa}}{2.405}{E}_m{J}_1\left(\frac{2.405}{a}r\right)e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}---(3-1)$

$E_z=E_m{J}_0\left(\frac{2.405}{a}r\right)e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}---(3-2)$

$H_{\mathrm{\Φ}}=\frac{\mathrm{j\ω}\mathrm{\ϵ}a}{2.405}{E}_m{J}_1^{\′}\left(\frac{2.405}{a}r\right)e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}---(3-3)$

E_Φ＝H_r＝H_z＝0                 (3-4)

由于在管壁附近磁场只有H_Φ分量，因此管壁电流只有J_z分量，其内表壁上磁场的感应电流为

$J=a_z\frac{\mathrm{j\ω\ϵa}}{2.405}{E}_m{J}_1^{\′}\left(2.405\right)e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}---\left(4\right)$

显然，任何a_Φ方向的裂纹、裂缝将截断内表壁上的感应电流。其结果是：波将在此处发生反射和散射，TM₀₁模的场分布将发生改变，管道中除传播TM₀₁模外，还有其它高次模存在。则通过检测TM₀₁模在管道中传播时模式的改变可以判断管道内是否存在横向裂纹、裂缝(及沿管道径向分布的裂纹、裂缝)。

一般说来，管道内壁上裂纹的取向是任意的，我们可以将其分解为横向分量和纵向分量，并分别在管道中传播TE₀₁模和TM₀₁模。通过检测其模式变化来检测其横向分量和纵向分量的存在，从而确定管道中裂纹、裂缝的存在和取向。

如图1所示，若将调制的微波脉冲分别以TE₀₁模和TM₀₁模从A端射入金属管道中，金属管道的另一端接匹配负载。设在B点存在缺陷，则调制波脉冲在B点受到反射。对于TE₀₁模，其截止波长λ_C＝1.640a，则波导中波的相速为

$v_P=\frac{c}{\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/1.640a)}^2}}---\left(5\right)$

通过测量调制波脉冲往返一周所需时间Δt可计算出纵向裂纹、裂缝的位置，即：

$\mathrm{\Δl}=\frac{v_P\mathrm{\Δt}}{2}=\frac{\mathrm{c\Δt}}{2\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/1.640a)}^2}}---\left(6\right)$

对于TM₀₁模，其截止波长λ_C＝2.620a，则波导中波的相速为

$v_P=\frac{c}{\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/2.620a)}^2}}---\left(7\right)$

通过测量调制波脉冲往返一周所需时间Δt可计算出横向裂纹、裂缝的位置，即：

$\mathrm{\Δl}=\frac{v_P\mathrm{\Δt}}{2}=\frac{\mathrm{c\Δt}}{2\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/2.620a)}^2}}---\left(8\right)$

这里，c为光速，λ为调制波的波长。

传播波模式的变化不仅与裂纹的取向和长短有关，而且与裂纹的深度有关。电磁波在金属表面上的感应电流不是分布在绝对表面上的，而是分布在一个薄层之中。根据电磁波的趋肤效应，电磁波在金属中随穿透深度按指数规律衰减，其感应的电流也随穿透深度按指数规律衰减，即

J＝J₀e^-aze^j(ωt-βz)               (9)

其中，J₀为导体表面上的感应电流值， $a=\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}$ 为导体对电磁波的衰减常数。由此可见，金属表面上的裂纹越深，则截断的感应电流越多，因此对传播模式的改变也就越大。

对于尺寸较小的表壁裂纹，由于其截断的感应电流较少，裂纹对传播波模式的影响较小，因此不能用传播的模式改变来判断管道中的小裂纹、裂缝，但这些小裂纹、小裂缝会对电磁波产生散射，这时需用散射波法来检测。

管道内表壁上的金属异物多为体积较小的金属结晶体或小的金属毛刺。小的金属结晶体可以视为半径很小的金属球，小的金属毛刺可视为半径很小的金属圆柱。当电磁波照射到这些小金属球和小金属圆柱体上时将发生散射。电磁波对半径为a的导体球的远区散射场为

$E_{\mathrm{\θc}}=\frac{E_0{e}^{-\mathrm{jkr}}}{\mathrm{kr}}\cos \mathrm{\Φ}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n[c_n\frac{d}{\mathrm{d\θ}}{P}_n^{\′}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)+d_n\frac{P_n^{\′}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}{\sin \mathrm{\θ}}]---(10-1)$

$E_{\mathrm{\Φc}}=-j\frac{E_0{e}^{-\mathrm{jkr}}}{\mathrm{kr}}\sin \mathrm{\Φ}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n[d_n\frac{d}{\mathrm{d\θ}}{P}_n^{\′}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)+c_n\frac{P_n^{\′}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}{\sin \mathrm{\θ}}]---(10-2)$

$H_{\mathrm{\θc}}=j\frac{E_0{e}^{-\mathrm{jkr}}}{\mathrm{kr\η}}\sin \mathrm{\Φ}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n[d_n\frac{d}{\mathrm{d\θ}}{P}_n^{\′}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)+c_n\frac{P_n^{\′}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}{\sin \mathrm{\θ}}]---(10-3)$

$H_{\mathrm{\Φc}}=j\frac{E_0{e}^{-\mathrm{jkr}}}{\mathrm{kr\η}}\cos \mathrm{\Φ}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n[c_n\frac{d}{\mathrm{d\θ}}{P}_n^{\′}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)+d_n\frac{P_n^{\′}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}{\sin \mathrm{\θ}}]---(10-4)$

远区散射场的平均功率为：

$s=\frac{1}{2}\mathrm{Re}(E_s\×H_s^3)=\frac{1}{2}\mathrm{Re}(E_{\mathrm{\θs}}{H}_{\mathrm{\Φs}}^3-E_{\mathrm{\Φs}}{H}_{\mathrm{\θs}}^3)a_r---\left(11\right)$

理论和实验证明，对于半径为a的导体小球，产生明显散射时对应于一确定的频率，此时，其半径a与波长λ的关系为：

Ka≈1，K＝2π/λ，λ为波长         (12)

因此，可以在终端接匹配负载时，在入射端通过提取散射波功率来检测金属管道中的异物。对于管道内毛刺检测，其检测原理与上述相同。小裂纹、裂缝也通过提取散射波功率来检测。

通常，管道内存在缺陷时，微波反射波的反射系数的模随缺陷程度的增加而单调地增长，当缺陷的尺寸为零时，反射系数的模也为零。因此测量反射系数模值的方法只能用于检测尺寸较大的缺陷；反射系数的相位对管道的缺陷特别敏感，当缺陷的厚度为零时，反射系数的相位发生突变。所以可以用测量反射系数相位的方法确定缺陷的存在，尤其是当缺陷的尺寸很小时，该方法特别有效。反射系数的模和相角都因缺陷的引入而发生改变，且改变量随工作频率而变化。缺陷对反射系数的模的影响较小；反射系数的相角对缺陷非常敏感，在某些频率上，相位之差可以达到±π。

基于上述原理，可通过检测以下信息来判断管道中的裂纹、裂缝和内表面金属异物，需提取的特征信号有：

1、管道中TE₀₁模和TM₀₁模；

2、反射波的反射系数模和相角；

3、穿过入射点截面的反射波功率Pr或散射波功率Ps；

4、调制波脉冲从入射点到缺陷处，经反射后再回到入射点所需的时间Δt。

本方法的特征在于：它由监控中心工控机控制执行以下步骤：

1)初始化监控中心工控机：

给定TE₀₁模微波的模式改变超限阈值；TM₀₁模微波的模式改变超限阈值；反射系数模的超限阈值；反射系数相角的超限阈值；反射波和散射波功率超限阈值；

所述TE₀₁模微波的模式改变超限阈值的确定方法是，在安装系统时，用开路环形电探针在管道的入口端和出口端，且在管道的径向r＝0处提取感应电压，该感应电压值即为TE₀₁模微波的模式改变超限阈值；

所述TM₀₁模微波的模式改变超限阈值的确定方法是，在安装系统时，用闭合小耦合环在管道的入口端和出口端，且沿管道轴向处提取感应电流，该感应电流值即为TM₀₁模微波的模式改变超限阈值；

反射系数模的超限阈值的确定方法是，在安装系统时，用Wiltron560A标量网络分析仪检测到的反射系数模值即是反射系数模的超限阈值；

反射系数相角的超限阈值的确定方法是，在安装系统时，用HP8408S矢量网络分析仪检测到的反射系数相角值即是反射系数相角的超限阈值；

所述反射波和散射波功率超限阈值等于所发射的TE₀₁和TM₀₁单模式微波功率的5％；

2)启动微波源向管道交替发射TE₀₁和TM₀₁单模式微波，所述微波的频率是保证微波在管道中单模式传输，并且使得反射或散射功率最大的敏感频率；

3)接收传播模式检测器检测到的TE₀₁和TM₀₁波的模式；接收反射系数模和相角检测器检测到的反射系数模与相角值；接收功率计检测到的反射波功率或散射波功率；

4)当上述TE₀₁和TM₀₁波的模式检测值超过其改变超限阈值，或反射系数模与相角的检测值超过其改变超限阈值，或上述反射波功率或散射波功率超过其超限阈值时，启动微波源发射脉冲调制波对管道进行扫描；

5)获取脉冲往返检测器检测到的脉冲调制微波入射和接到反射的时间差Δt，并计算缺陷所在位置Δl：

$\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{c\Δt}}{2\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/1.640a)}^2}},$ 当发射TE₀₁模微波时；

或 $\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{c\Δt}}{2\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/2.620a)}^2}},$ 当发射TM₀₁模微波时；

其中，c为光速，λ为调制波的波长，a为待测管道的半径，Δl为管道入口到缺陷之间的距离。

本系统的特征在于：它含有微波发射和接收单元，检测单元和监控中心；其中，

微波发射和接收单元：

含有通过同轴电缆依次连接的微波源、电控衰减器、功率放大器、双向耦合器，以及和所述双向耦合器依次用同轴电缆互连的隔离防爆装置、波导-同轴转换器，矩形-圆形波导过滤器；所述矩形-圆形波导过滤器连接过渡接头，所述过渡接头另一端连接待测管道的输入端；所述微波源的控制端连接监控中心；

检测单元：

含有两个传播模式检测器，分别装在待测管道有效检测长度的两端，该检测器含有沿管道径向安装，用于检测TE₀₁模的开路环形探针，和沿着管道轴向安装，用于检测TM₀₁模的闭合小耦合环；在管道有效检测长度的尾端还装有用于防止微波反射的匹配负载；所述开路环形探针和闭合小耦合环的信号输出端依次连接隔离防爆用的安全栅、和含有A/D转换器、控制模块和串行通讯接口的数据采集终端RTU，所述数据采集终端RTU通过有线或无线方式连接所述监控中心；

反射系数模和相角检测器，其参考信号输入端通过同轴电缆连接所述双向耦合器的参考信号输出端，其信号输入端通过同轴电缆连接所述双向耦合器的微波信号输出端，其输出端连接监控中心；

功率计，用于检测由管道反射或散射回来的微波功率，其输入端通过同轴电缆连接所述双向耦合器的功率输出端，其输出端连接监控中心；

脉冲往返时间检测器，用于检测脉冲调制波发射和接到反射波的时间差，其参考信号输入端通过同轴电缆连接所述双向耦合器的参考信号输出端，其信号输入端通过同轴电缆连接所述双向耦合器的微波信号输出端，其输出端连接监控中心；

监控中心：含有一台工控机，控制微波发射和接收单元、接收检测单元上传的检测数据、计算管道中缺陷的位置Δl。

所述反射系数模和相角检测器含有一个用于检测反射系数模的Wiltron560A标量网络分析仪，和一个用于检测反射系数相角的HP8408S矢量网络分析仪，所述Wiltron560A标量网络分析仪和HP8408S矢量网络分析仪的参考信号输入端分别通过同轴电缆连接所述双向耦合器的参考信号输出端，其信号输入端分别通过同轴电缆连接所述双向耦合器的微波信号输出端，其输出端分别连接监控中心。

实验证明，本发明能够有效的识别输气管道中是否存在缺陷，并能够准确定位缺陷的位置，达到了预期的目的。

附图说明：

图1：输气管道泄漏检测系统示意图；

图2：基于微波技术的输气管道泄漏检测与定位方法流程图

图3：开路环形探针放置位置示意图；

     201：管道；202：环形探针环

图4闭合小耦合环放置示意图；

     301：管道；302：闭合小耦合

图5(a)：RCM2200模块中的Rabbit芯片的中断引脚图；

图5(b)：RCM2200模块中的Rabbit芯片的中断逻辑图；

图5(c)：入射与反射调制脉冲波时间差示意图；

图6：用于传输模式检测器的RTU数据采集与传输示意图；

图7(a)：反射强度与缺陷裂纹程度的关系图；

图7(b)：反射相位与缺陷裂纹程度的关系图。

具体实施方式：

一、检测方法

结合图2的检测与定位方法流程示意图，整个系统的工作流程由监控中心进行控制，过程如下：

【1】启动微波源、各个检测与测量单元模块；

在整个系统工作之前，还应该进行如下工作：

1、当管道形状和分布比较规则时，TE₀₁波和TM₀₁波的模式改变超限阈值、反射功率超限阈值、散射功率超限阈值理论上都应为0。但由于实际管道的分布形状复杂多变，即使无缺陷故障时，管道仍然会对入射微波有一定程度的反射、散射、以及模式改变。所以，需要在检测前，通过对管道无故障初始状态的检测，分别设置TE₀₁波和TM₀₁波的模式改变超限阈值，反射功率超限阈值、散射功率超限阈值。初始状态的检测是在安装本系统时，一般均认为管道中没有缺陷，此时可通过在管道的入射端和出射端的r＝0处提取模式变化信号。首先测试金属管道中传播的TE₀₁模，用开路环形电探针提取到的感应电压值，即为该管道的当前TE₀₁模阈值；然后再测试管道中传播的TM₀₁模，用小耦合环提取到的感应电流值，即为该管道的当前TM₀₁模阈值。

2、针对特定尺寸(管道半径)的管道，找出合适的频率点，保证微波在该管道中能单模传播且功率衰减相对最小。关于如何根据具体的管道确定一个满足上述要求的微波传输频率，可以通过比对“管径-衰减特性曲线”以及“管径-截止频率曲线”来确定。详细的内容可参阅有关的微波原理介绍文献，也可参阅以下文献中的曲线关系介绍：

如文献[1]Kawahara N.Experimental wireless micromachine for inspection on innersurface of tube，The third International Micromachine Symposium，1997.137-140；(Kawahara N，用于管道内表面检测的试验无线微机器人，第三届国际微机器人研讨会，1997.137-140)

文献[2]Sasaya T，Shibata T，Kawahara N.Microwave energy supply in-pipe micromachine.The fourth International Micromachine Symposium，1998.159-164；(Sasaya T，Shibata T，Kawahara N，管道内微机器人的微波无线供能，第四届国际微机器人研讨会，1998.159-164)

文献[3]Mcspadeen J O，Yoo T，Chang K.Theoretical and experimental investigation ofrectenna element for microwave power transmission.IEEE Trans.Microwave Theory Thec，1992，MT-40(12)(Mcspadeen J O，Yoo T，Chang K.，微波功率传输的硅整流二极管天线的理论与试验研究，IEEE Trans.Microwave Theory Thec，1992，MT-40(12))

3、因为反射波和散射波功率与微波的频率有关。在系统启动之前，还应用扫频源，找出一个微波频率范围，也就是在该频率范围下，测量的反射波和散射波功率达到最大。

将2和3测得的频率范围取交集，在交集范围内的任意一个频率，均可作为敏感频率点。以后在工作时，就对该敏感频率点进行模式检测和功率测量。

工作时的入射微波功率一般要考虑现场的防爆问题，无特殊取值范围。

裂纹、裂缝的尺寸与反射波和散射波功率成正比，大量实验证明，在敏感频率附近，反射波和散射波功率占入射波功率5％时，通常，管道中会出现裂纹、裂缝。如果管道中微波的传输模式变化较大，则功率计所测的功率主要为反射波功率，如果管道中波的模式几乎没有变化，则功率计所测得为散射波功率。如下式介绍：

设：Thresh_TE为TE波的模式改变超限阈值，Thresh_TM为TM波的模式改变超限阈值，

V_TE为检测TE波模式改变的感应电压，I_TM为检测TM波模式改变的感应电流。

当V_TE≥2Thresh_TE或I_TM≥2Thresh_TM，则功率计所测的功率主要为反射波功率。

当Thresh_TE≤V_TE≤2Thresh_TE或Thresh_TM≤I_TM≤2Thresh_TM，则功率计所测的功率为散射波功率。

通常，在一个实际的、非理想状态下的管道中，反射波和散射波是几乎并存于管道中的。所以严格意义上，应该将两者的阈值合为一个阈值，即应该反射波与散射波超限阈值。为了便于分析是微小裂纹，还是较大裂纹，有时会将两者分开讨论。在本发明中，检测反射波与散射波的功率仅仅是为了得知管道中是否有缺陷，因此不必将反射波与散射波超限阈值分开设定。

4、反射系数模与相角的超限阈值的确定：

微波在实际的管道中传输时，还是会存在不同程度的反射波，所以需要对反射系数模和相角的超限阈值进行标定。以后如果检测值超过了阈值，则管道中存在缺陷。阈值的确定与TE₀₁波和TM₀₁波的模式改变超限阈值类似，在安装本系统时就进行，检测器件采用Wiltron560A标量网络分析仪，和HP8408S矢量网络分析仪，分别检测反射系数模和阈值，并将其作为检测的超限阈值。

【2】并行地执行TE波和TM波传播模式检测、反射系数模与相角检测、反射波功率与散射波功率检测；

上述3个模块用于检测被监测输气管道是否存在泄漏故障。三个模块同时并发执行，采用不同的检测方法来判断。当3个模块中任意一个模块的检测阈值发生超限报警，则立即启动脉冲调制波扫描进行定位；若无报警，则进行下一个周期的检测。

【3】启动脉冲调制波扫描进行定位；

该模块在上述3个模块的任一个发生阈值超限报警后启动，由微波源向管道中发射脉冲调制微波，然后用脉冲往返时间检测器检测被管道缺陷处反射回来的回波到达时间Δt，利用公式进行计算：

$\mathrm{\Δl}=\frac{v_P\mathrm{\Δt}}{2}=\frac{\mathrm{c\Δt}}{2\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/1.640a)}^2}}$ 当发射TE₀₁模微波时；

或 $\mathrm{\Δl}=\frac{v_P\mathrm{\Δt}}{2}=\frac{\mathrm{c\Δt}}{2\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/2.620a)}^2}}$ 当发射TM₀₁模微波时；

得到管道泄漏或缺陷的具体位置Δl，即从管道入口到缺陷位置的距离。调制波实质上是指将微波调制为脉冲，以配合脉冲往返时间检测器检测反射波的脉冲边沿，对于调制波的频率没有特殊要求，只要能满足脉冲往返时间检测器的检测分辨率就可。调制脉冲的持续时间最好小于1秒，以免反射波与入射波形成驻波，影响反射脉冲边沿检测的精度。

二、检测系统

如图1所示，检测系统通过“矩形-圆形波导过滤器”沿着被测金属圆形输气管道(相当于传输波导)的轴线方向接入，它包括：微波发射和接收单元；检测单元：包括微波传输模式变化检测器、反射系数模与相角检测器、反射波与散射波功率测量器、脉冲往返时间检测器；监测中心。整个检测系统装置基本上位于管道的一端(上游端或下游端)，考虑到微波沿管道传输的功率衰减，在管道沿途，每隔一定的距离(依微波的频率、发射功率、管道几何尺寸而定的有效检测距离)布置一套本检测装置。

1、微波发射和接收单元包括：微波源、电控衰减器、功率放大器、双向耦合器、隔离防爆装置、波导-同轴转换器、矩形-圆形波导过渡器、过渡接头。该单元负责向输气管道中发射用于检测管道泄漏的微波，同时接收由输气管道反射或散射回来的微波，并传给相应的检测器进行处理。下面一一进行介绍：

微波源：接收监控中心的控制，产生用于检测的微波信号；

电控衰减器与功率放大器：用于调整和控制微波信号的功率，在系统启动之前先调好；

双向耦合器：如图1，双向耦合器的用途(1)将微波源产生的微波传输到待测金属输气管道；(2)将微波源产生的参考信号传输到相应的检测和测量单元；(3)将从输气管道反射和散射回来的微波信号传输到相应的检测和测量单元；

隔离防爆装装置：用于油气田现场的电气隔离防爆安全装置；

波导-同轴转换器：矩形-圆形波导过渡器之前的微波信号是通过同轴电缆传递的，波导-同轴转换器用于将微波传输介质由同轴电缆转换为矩形波导；

矩形-圆形波导过渡器：将微波传输介质由矩形波导转换为圆形波导；

过渡接头：连接圆形波导与不同口径管道的过渡接头；

此外，还需要在管道有效检测长度的终端，接入终端匹配负载，防止无故障时，引起反射波产生，影响测量结果。

2、微波传输模式变化检测器：在管道有效检测长度的入口端(上游)和出口端(下游)各沿着径向放置一个开路环形探针，用于微波TE₀₁模式变化的提取，见图3。在管道径向r＝0处，电场强度E_Φ的变化若未超过阈值，说明管道中模式没有改变，则管道中没有纵向裂纹；如果E_Φ的变化超过阈值，则说明管道中一定存在其它模式的反射波和散射波模式，即有管道中存在缺陷。同样在管道有效检测长度的入口端(上游)和出口端(下游)各沿着轴向放置一个闭合小耦合环，用于微波TM₀₁模式变化的提取，见图4，如果在管道径向r＝0处，磁场强度H_Φ的变化未超过阈值，说明管道中模式没有改变，则管道中没有横向裂纹；如果E_Φ的变化超过阈值，则说明管道中一定存在其它模式的反射波和散射波模式，即有管道中存在缺陷。图1所示的传播模式检测器包含由开路环形探针和闭合小耦合环，开路环形探针实际检测得到的物理量为管道入口端(上游)和出口端(下游)的r＝0处的感应电压值，闭合小耦合环实际检测得到的物理量为管道入口端和出口端的r＝0处的感应电流值。电压(电流)可表征该处的E_Φ和H_Φ值，两者的输出端连接到监控中心，将检测到的数据传输到监控中心进行处理。开路环形探针与闭合小耦合环二者的测量点之间的距离根据管道的具体长度而定，一般为20cm～100cm。

将开路环形探针与闭合小耦合环采集的感应电压和感应电流输入到A/D数据采集芯片的模拟量输入端口，然后经过控制模块控制和串行通讯接口，将信号以无线数字扩频电台或微波专线方式或以太网方式传到监控中心。本发明采用以ZWord公司的RCM2300控制芯片作为核心处理芯片的远程数据采集终端RTU(Remote Terminal Unit)，见图6。该RTU含有A/D转换卡，RCM2300模块，RCM2300具备RS232接口，可用电台、微波专线等方式将数据传输到监控中心。也可采用RCM2200模块，该模块可以通过以太网方式将数据传输到监控中心。

本发明所采用的RTU系统的输出端口类型是RS232。信号输出的格式和时间间隔可以由用户通过编程器设定。监控中心每隔20秒向RTU发送上传数据命令，RTU发送的数据包含有过去20秒内的数据，通过具有RS232接口的数字电台广播出去，数据包内包括过去20秒内的管道上下游数据。

RTU主要系列的基本技术指标为：

模拟量输入，8路；

AD转换器分辨率12位，采样速率不低于50ms；

脉冲量输入：6路，光电隔离输入，最小汲取电流不大于2毫安；

RS232接口；

外形尺寸：145×90×38(I型，外接直流24V电源)45×90×72(II型，外接交流220V电源)；

工作温度范围：-40～85℃

由于油田和长输管道系统的泵站均属于防爆要求很高的区域，图6中的RTU必需通过安全栅隔离防爆设备连接到管道上下游的开路环形探针与闭合小耦合环。

3、反射系数模与相角检测器：如图1所示，在双向耦合器的参考信号和微波反射信号输出端连接反射系数模和相角检测器。反射系数模和相角检测器包括一个Wiltron560A标量网络分析仪，和一个HP8408S矢量网络分析仪。反射系数模的检测可以用Wiltron560A标量网络分析仪的驻波测试器测量，用HP8408S矢量网络分析仪分析反射系数相角。

4、功率计：用于检测反射波与散射波功率。如图1所示，管道终端接匹配负载，若管道中无裂纹、裂缝和其它金属异物，则在入射端没有反射信号。因此，可用功率计在入射端测量反射波或散射波的功率。微波功率测量的仪器市场上的品种有很多，如：Marconi公司的6960A型微波功率计，该功率计具有GPIB接口，可以很方便地与监测工控机通信。至于其它的型号，这里就不介绍了。具体的测量方法和原理还可以参阅以下文献：

[1]李景春，牛刚，黄嘉，微波信号功率频谱分析仪测量方法，无线通信，No.3，2003

[2]沈晓燕，张广，甄蜀春，微波虚拟时频分析仪的分析与设计，宇航计测技术，Vol.23，No.2，2003

5、脉冲往返时间检测器：当上述的微波传输模式变化检测器、反射系数模与相角检测器、反射波与散射波功率检测器中的任意一个检测结果发现管道中存在泄漏故障时，则启动脉冲往返时间检测器进行泄漏位置的定位。脉冲往返时间检测器采用时间比较器，如图5(a)所示的时间比较器采用Zword公司的运行μC-OS2嵌入式操作系统的RabbitCore RCM2200microprocessor模块作为主处理器，将入射的微波调制脉冲信号与反射回来的脉冲信号分别输入到RCM2200的PE0和PE1端口，也就是RCM2200的外部中断输入端口：INT0A(PE0)和INT1A(PE1)。然后通过嵌入式C语言编写RCM2200单片机中断服务程序，通过比较两个外部中断INT0A和INT1A的发生时间间隔，就可以计算出上述两个信号的时间差Δt。关于RCM2200的详细介绍以及程序设计请参阅Zword公司的“RabbitCoreRCM2200 User’s Manual”和“Dynamic C User’s Manual”技术文档。以上的硬件只是其中一种选择，系统可以根据需要，选择其它类型的芯片、模块和操作系统。图5(b)是RCM2200模块中的Rabbit芯片的中断逻辑；图5(c)是入射与反射调制脉冲波时间差示意图。

6、监测中心：本发明采用一台工控机进行监测，负责整个系统的所有调度工作，包括启动微波源；启动各个检测器，并与这些检测器通信，获取检测结果，以及进行一些必要的数据显示和存储。

三、测试结果：

1、基于传输模式变化检测

选半径30mm的铁质无缝钢管和同样的钢管次品作为被测样品。对于无缝的优质钢管，在入射端和出射端的r＝0处提取模式变化信号。当钢管中传播TE₀₁模时，用开路环形电探针不能提取到感应电压；当钢管中传播TM₀₁模时，用小耦合环也不能提取到感应电流，这说明管内传播的模式没有改变。在次品钢管中，当入射端发射功率为500mW的TE₀₁模微波时，用开路环形电探针提取的感应电压VTE₀₁＝12.78(mV)，当钢管中传播入射端发射功率为500mW的TM₀₁模微波时，用小耦合环提取的感应电流i＝207μA(以上结果是f＝5GHz～12GHz中测得的最大值)。

将f₁＝1MHz的矩形波调制f₂＝12GHz的正弦波作为调制波，并以TE₀₁模射入钢管，次品钢管终端接匹配负载，由时间比较器给出的反射波较入射调制波的时差为Δt＝7.85ns，由式(8)可算出缺陷在距输入端56.2cm处。再将次品钢管终端接匹配负载，测得输入端反射波和散射波功率P＝38mW。

将被测样品钢管在l＝56.2cm处锯断，发现在距离锯口2.5cm处有一条长约3mm的裂纹。

2、基于反射系数模和相角检测

在铁质无缝钢管的同一位置处模拟0.1～2mm范围内的缺陷裂纹。用Wiltron560A标量网络分析仪的驻波测试器560-97N50-1，检测反射强度与缺陷裂纹程度的关系，测量结果如图7(a)所示；用HP84085矢量网络分析仪测量反射相位与缺陷裂纹程度的关系，测量结果如图7(b)所示。图中实线为理论计算的结果，“+”号表示实际测量的结果，横坐标表示缺陷的宽度，单位为毫米，微波工作频率在12GHz。由下图可以看出，理论分析的结果与实际测量的结果相当一致。

由上述两种方法的实验情况可看出，该方法用于检测金属管道中的裂纹、裂缝的存在和位置是可行的。

本发明所提出的方法，在信号采集方面借鉴了现代微波通信技术的原理，合理设计检测传感的位置，采用了微波模式变化检测、反射系数模与相角变化检测、反射波和散射波功率的检测三者并行判断管道内是否由缺陷存在，然后计算缺陷距离，使检测结果准确可靠。

Claims (3)

1.基于微波技术的输气管道泄漏检测定位方法，其特征在于，它由监控中心工控机控制执行以下步骤：

1)初始化监控中心工控机：

给定TE₀₁模微波的模式改变超限阈值；TM₀₁模微波的模式改变超限阈值；反射系数模的超限阈值；反射系数相角的超限阈值；反射波和散射波功率超限阈值；

所述TE₀₁模微波的模式改变超限阈值的确定方法是，在安装系统时，用开路环形电探针在管道的入口端和出口端，且在管道的径向r＝0处提取感应电压，该感应电压值即为TE₀₁模微波的模式改变超限阈值；

所述TM₀₁模微波的模式改变超限阈值的确定方法是，在安装系统时，用闭合小耦合环在管道的入口端和出口端，且沿管道轴向处提取感应电流，该感应电流值即为TM₀₁模微波的模式改变超限阈值；

反射系数模的超限阈值的确定方法是，在安装系统时，用Wiltron560A标量网络分析仪检测到的反射系数模值即是反射系数模的超限阈值；

反射系数相角的超限阈值的确定方法是，在安装系统时，用HP8408S矢量网络分析仪检测到的反射系数相角值即是反射系数相角的超限阈值；

所述反射波和散射波功率超限阈值等于所发射的TE₀₁和TM₀₁单模式微波功率的5％；

2)启动微波源向管道交替发射TE₀₁和TM₀₁单模式微波，所述微波的频率是保证微波在管道中单模式传输，并且使得反射或散射功率最大的敏感频率；

3)接收传播模式检测器检测到的TE₀₁和TM₀₁波的模式；接收反射系数模和相角检测器检测到的反射系数模与相角值；接收功率计检测到的反射波功率或散射波功率；

4)当上述TE₀₁和TM₀₁波的模式检测值超过其改变超限阈值，或反射系数模与相角的检测值超过其改变超限阈值，或上述反射波功率或散射波功率超过其超限阈值时，启动微波源发射脉冲调制波对管道进行扫描；

5)获取脉冲往返检测器检测到的脉冲调制微波入射和接到反射的时间差Δt，并计算缺陷所在位置Δl：

$\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{c\Δt}}{2\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/1.640a)}^2}},$ 当发射TE₀₁模微波时；

或 $\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{c\Δt}}{2\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/2.620a)}^2}},$ 当发射TM₀₁模微波时；

其中，c为光速，λ为调制波的波长，a为待测管道的半径，Δl为管道入口到缺陷之间的距离。

2.基于微波技术的输气管道泄漏检测定位系统，其特征在于，它含有微波发射和接收单元，

检测单元和监控中心；其中，

微波发射和接收单元：

含有通过同轴电缆依次连接的微波源、电控衰减器、功率放大器、双向耦合器，以及和所述双向耦合器依次用同轴电缆互连的隔离防爆装置、波导一同轴转换器，矩形-圆形波导过滤器；所述矩形-圆形波导过滤器连接过渡接头，所述过渡接头另一端连接待测管道的输入端；所述微波源的控制端连接监控中心；

检测单元：

含有两个传播模式检测器，分别装在待测管道有效检测长度的两端，该检测器含有沿管道径向安装，用于检测TE₀₁模的开路环形探针，和沿着管道轴向安装，用于检测TM₀₁模的闭合小耦合环；在管道有效检测长度的尾端还装有用于防止微波反射的匹配负载；所述开路环形探针和闭合小耦合环的信号输出端依次连接隔离防爆用的安全栅、和含有A/D转换器、控制模块和串行通讯接口的数据采集终端RTU，所述数据采集终端RTU通过有线或无线方式连接所述监控中心；

反射系数模和相角检测器，其参考信号输入端通过同轴电缆连接所述双向耦合器的参考信号输出端，其信号输入端通过同轴电缆连接所述双向耦合器的微波信号输出端，其输出端连接监控中心；

功率计，用于检测由管道反射或散射回来的微波功率，其输入端通过同轴电缆连接所述双向耦合器的功率输出端，其输出端连接监控中心；

脉冲往返时间检测器，用于检测脉冲调制波发射和接到反射波的时间差，其参考信号输入端通过同轴电缆连接所述双向耦合器的参考信号输出端，其信号输入端通过同轴电缆连接所述双向耦合器的微波信号输出端，其输出端连接监控中心；

监控中心：含有一台工控机，控制微波发射和接收单元、接收检测单元上传的检测数据、计算管道中缺陷的位置Δl。

3.如权利要求2所述的基于微波技术的输气管道泄漏检测定位系统，其特征在于，所述反射系数模和相角检测器含有一个用于检测反射系数模的Wiltron560A标量网络分析仪，和一个用于检测反射系数相角的HP8408S矢量网络分析仪，所述Wiltron560A标量网络分析仪和HP8408S矢量网络分析仪的参考信号输入端分别通过同轴电缆连接所述双向耦合器的参考信号输出端，其信号输入端分别通过同轴电缆连接所述双向耦合器的微波信号输出端，其输出端分别连接监控中心。

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