CN101240876B - 管道侵扰源的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道侵扰源的定位方法，包括以下步骤：(1)在管道上安装设立一套基于低频声发射方法的管道安全预警系统；(2)在两个相邻的低频声发射信号传感器之间取n个测试点，依次在测试点处敲击管道，产生声发射信号，测得在每个测试点处获得的两端传感器接收信号能量比，从而确定信号的能量比与侵扰位置的关系；(3)在系统受到侵扰时，根据测得的侵扰信号的能量比确定侵扰位置。本发明的管道侵扰源的定位方法，避免了测定信号时差和波速，减小了声信号在管道中传播时发生频散所产生的影响，特别适用于基于低频声发射原理的管道安全预警系统。

Description

管道侵扰源的定位方法 

技术领域

本发明涉及管道检测技术，特别是涉及一种管道侵扰源的定位方法。 

背景技术

现代管道运输起始于19世纪中叶。经过一百多年的发展，目前世界上大型油气管道已超过200万公里。管道运输业已成为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输手段之一。在我国，至2003年，已建成油气管道累计45865km。我国管道运输业充满生机，必将快速持续发展。 

据统计，目前世界上总管网的50％已经运行了30年甚至更长的时间，由于腐蚀、人为破坏等原因，管道泄漏事故频频发生。由于其所输介质的危险性和污染性，一旦发生事故将会造成巨大的生命财产损失和环境污染。在我国，油气管网相当一部分已经步入衰老期，近十余年来又遭到前所未有的人为破坏，泄漏事故造成的损失十分巨大，严重影响了管道运输的发展。 

目前国内已有数十家单位开展了管道泄漏检测技术研究，但目前的方法都是根据油品从管道泄漏时产生的泄漏信号对故障进行报警并定位，此时管道已经被破坏，事故已然发生。 

现有的预警技术大都需要与管道同沟敷设分布式光纤传感器，虽然预警的效果很好，但是缺点也很明显，它只适用于新建管道。这种方法对于我国已有的数万公里在役老管道很难推广应用。 

基于低频声发射原理的管道安全预警技术可以对在役的管道进行预警。这种安全预警技术在进行预警的同时，需要对侵扰源进行准确定位。目前在管道泄漏监测系统中比较常用的定位方法是时差定位法，其公式为  $x=\frac{L+\mathrm{a\Δt}}{2},$ 式中L为管道两端传感器之间距离是确定的，只要测得两端感器传播时间差Δt和信号传播速度a就可以计算出侵扰源的位置x。但是由于声发射信号在输油管道中传播时会发生频散现象，导致信号的模态众多、各模态的波速不同、在管道及油品中的传播途径又十分复杂，从而很难确定声信号波速以及信号时间差。因此，对于基于低频声发射原理的管道安全预警系统采用时差定位法很难得出正确的定位结果。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种适用于基于低频声发射原理的管道安全预警系统的侵扰源定位方法。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种管道侵扰源的定位方法，包括以下步骤： 

(1)在管道上安装设立一套基于低频声发射原理的管道安全预警系统，此系统包括：伸入到管道中，用于接收管道内流体传输的低频信号的低频声发射信号传感器、通过信号传输电缆连接低频声发射信号传感器的前置放大器、通过信号传输线缆连接前置放大器的信号采集器以及通过通讯线路连接信号采集器的计算机； 

(2)在两个相邻的1号和2号低频声发射信号传感器之间取n个测试点，依次在测试点处敲击管道产生声发射信号，设1号低频声发射信号传感器和2号低频声发射信号传感器接收的能量分别为Q₁、Q₂，管道总长为L，敲击地点与1号低频声发射信号传感器距离为x，与2号低频声发射信号传感器距离为L-x，则：Q₁＝QF(x)，Q₂＝QF(L-x)， 

令 

则F(x)-kF(L-x)＝0，设每个测试点与1号低频声发射信号传感器距离分别为x₁，x₂，...，x_n，从而测得在每个测试点处获得的两端传感器接收信号能量比k₁，k₂，...，k_n，将其依次带入方程得： 

$\left\{\begin{array}{c}F\left(x_1\right)-k_{1}F(L-x_1)=0\\ F\left(x_2\right)-k_{2}F(L-x_2)=0\\ .\\ .\\ .\\ F\left(x_n\right)-k_{n}F(L-x_n)=0\end{array}\right.$

设 

其中a_i为系数，则： 

解该方程组得到a₀，a₁，…“，a_n-1的值； 

(3)在系统受到侵扰时，将测得的侵扰信号的能量比k带入方程F(x)-kF(L-x)＝0，即 

解得x值，x为0～L的实数。 

每两个相邻测试点之间的间距为1～2km。 

本发明的管道侵扰源的定位方法，采用测量声信号能量的方法，避免了测定信号时差和波速，减小了声信号在管道中传播时发生频散所产生的影响，特别适用于基于低频声发射原理的管道安全预警系统。 

附图说明

图1为声发射信号能量衰减示意图； 

图2为基于声发射信号能量衰减倍数定位方法的原理图； 

图3为基于低频声发射方法的管道安全预警系统结构图； 

图4为图3中信号采集器的内部结构框图； 

图5为声发射信号波形图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的管道侵扰源的定位方法进行详细说明。 

声发射信号在输油管道中传播时，其能量衰减情况与其传播的距离呈现某种特定的函数对应关系。如图1所示，设侵扰信号发生在a处，其声发射信号的总能量为Q。而在距a处L远的b处传感器10测得的声发射信号能量为Q’，则Q’＝QF(L)。定位的关键在于确定能量衰减函数F(L)。F(L)方程用高次函数逼近的方法确定。设 

其中a_i为系数，a_i(i＝0，1，...，n-1)确定的方法如下： 

在已经装有基于低频声发射原理的管道安全预警装置的管道沿线上，在两个低频声发射信号传感器之间取多个测试点，设其数量为n，n值依两低频声发射信号传感器之间的间距L而定，每两个相邻测试点之间的间距一般为1～2km。如图2所示，依次在测试点处敲击管道产生声发射信号。该信号通过管道中的液体传递到两端的1号和2号低频声发射信号传感器11、12，传感器11、12接收到的信号能量是衰减的，设传感器11、12接收的能量分别 为Q₁、Q₂，距离为L，敲击地点与1号传感器11距离为x，与2号传感器12距离为L-x，则Q₁＝QF(x)，Q₂＝QF(L-x)， 

令 

则F(x)-kF(L-x)＝0，设每个测试点与1号传感器11距离分别为x₁，x₂，...，x_n，从而测得在每个测试点处获得的两端传感器接收信号能量比k₁，k₂，...，k_n，将其依次带入方程得： 

$\left\{\begin{array}{c}F\left(x_1\right)-k_{1}F(L-x_1)=0\\ F\left(x_2\right)-k_{2}F(L-x_2)=0\\ .\\ .\\ .\\ F\left(x_n\right)-k_{n}F(L-x_n)=0\end{array}\right.$

将 

带入方程推导得 

解该方程组得到a₀，a₁，…，a_n-1的值。 

之后当系统正常工作时，一旦两个传感器11、12获得侵扰信号，便根据测得的侵扰信号的能量比k，带入方程F(x)-kF(L-x)＝0，即 

解得x值，取其中最合理的x值，x值的范围应该是0～L的实数。 

如图3所示，在管道上安装设立一套基于低频声发射方法的管道安全预警系统。此系统包括：伸入到管道中，用于接收管道内流体传输的低频信号的低频声发射信号传感器1、通过信号传输电缆2连接低频声发射信号传感器1的前置放大器3、通过信号传输线缆2连接前置放大器3的信号采集器4以及通过通讯线路5连接信号采集器的计算机6。另外，如图4所示，所述的信号采集器4包括：信号调理模块7、A/D转换模块8和通讯模块9，信号调理模块7的输出端连接A/D转换模块8的输入端，A/D转换模块8的输出端连接通讯模块9的输入端，通讯模块9的输出端经通讯线路5连接至计算机9的通讯接口。信号传输电缆2采用同轴电缆，具有良好的抗干扰性能。 

低频声发射信号传感器1为一种压电换能装置，只对1～20Hz低频振动 信号敏感，且具有很强的耐腐蚀性能，其敏感元件伸入到管道内，与管道内的液体直接接触。 

在已经装有基于低频声发射原理的管道安全预警装置的管道沿线上，在两个低频声发射信号传感器之间取多个测试点，设其数量为n，n值大小依两传感器之间间距L而定，每两个测试点之间的间距一般为1～2km。依次在测试点处敲击管道产生声发射信号。该信号通过管道中的液体传递到两端的低频声发射信号传感器，传感器接收到的信号能量是衰减的。 

如图5所示，声发射信号能量的准确检测关键在于对检测设备的阈值、信号鉴别时间、采集闭锁时间等参数的合理设置。阈值过小会产生大量噪声信号，阈值过大会导致有用的声发射信号不能被采集；信号鉴别时间过短会使采集的声发射信号不完整，过长会导致采集到过多噪声信号；采集闭锁时间的正确设置可以避免信号衰减时非真实检测及提高数据采集速度。这些参数通过实验即可确定。 

当声发射信号的幅值超过阈值时，开始记录信号，直到声发射信号幅值小于阈值时，停止记录。从开始到停止记录的这段时间是信号持续时间，所记录的信号是一个完整的声发射信号，信号持续时间必须小于或等于信号鉴别时间。当信号鉴别时间结束，系统停止检测信号，系统进入闭锁状态。这时无论声发射信号幅值有多大都不会被检测记录。直到闭锁时间结束，系统重新检测信号。 

当声发射信号被传感器检测到以后，需要计算信号的能量大小。计算信号能量可以应用公式： 

式中f(iΔt)为在信号持续时间内采集到的各点声发射信号幅值，Δt为采样点时间间隔，i为采样点序号。 

 如图2所示，两个传感器接收的能量为Q₁、Q₂，管道总长为L，敲击地点与1号传感器距离为x，与2号传感器距离为L-x，则Q1＝QF(x)，Q2＝QF(L-x)， 

令 

则F(x)-kF(L-x)＝0，设每个测试点与1号传感器距离分别为x₁，x₂，...，x_n，从而测得在每个测试点处获得的两端传感器接收信号能量比k₁，k₂，...，k_n，将其依次带入方程得：

解得a₀，a₁，...，a_n-1的值。确定F(L)。 

当系统正常工作时，一旦两个传感器获得侵扰信号，便根据测得的侵扰信号的能量比k，带入方程F(x)-kF(L-x)＝0，即 $\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i[x^i-k{(L-x)}^i]=0,$ 解得x值，取其中最合理的x值，x值的范围应该是0～L的实数。 

Claims (2)

1.一种管道侵扰源的定位方法，包括以下步骤：

(1)在管道上安装设立一套基于低频声发射方法的管道安全预警系统，此系统包括：伸入到管道中，用于接收管道内液体传输的低频信号的低频声发射信号传感器、通过信号传输电缆连接低频声发射信号传感器的前置放大器、通过信号传输线缆连接前置放大器的信号采集器以及通过通讯线路连接信号采集器的计算机；

(2)在两个相邻的1号和2号低频声发射信号传感器之间取n个测试点，依次在测试点处敲击管道，产生声发射信号，设1号低频声发射信号传感器和2号低频声发射信号传感器接收的能量分别为Q₁、Q₂，管道总长为L，敲击地点与1号低频声发射信号传感器距离为x，与2号低频声发射信号传感器距离为L-x，令

则F(x)-kF(L-x)＝0，设每个测试点与1号低频声发射信号传感器距离分别为x₁，x₂，...，x_n，从而测得在每个测试点处获得的两端传感器接收信号能量比k₁，k₂，...，k_n，将其依次带入方程得：

$\left\{\begin{array}{c}F\left(x_1\right)-k_{1}F(L-x_1)=0\\ F\left(x_2\right)-k_{2}F(L-x_2)=0\\ .\\ .\\ .\\ F\left(x_n\right)-k_{n}F(L-x_n)=0\end{array}\right.$

设

其中a_i为系数，则：

解该方程组得到a₀，a₁，…，a_n-1的值；

(3)在系统受到侵扰时，将测得的侵扰信号的能量比k带入方程F(x)-kF(L-x)＝0，即

解得x值，x为0～L的实数。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：每两个相邻测试点之间的间距为1～2km。

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