CN101260976B - 一种管道泄漏检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管道泄漏检测系统，包括控制器和管道泄漏检测仪，所述控制器通过无线技术对所述管道泄漏检测仪内的数据进行处理和存储；所述管道泄漏检测仪还包括：传感器，安装在待测管道上；放大器，与所述传感器连接；模数转换模块，与所述放大器连接；主处理器，与所述模数转换模块连接；全球定位系统时钟同步控制模块，与所述主处理器连接；无线通讯模块，与所述主处理器连接；供电模块，与所述主处理器连接。本发明在管道外壁每隔一定距离安装传感器，在GPS授时误差小于200nS的同步条件下接收管道上的泄漏点产生的声波，从而实现管道泄漏高灵敏度检测和高精度泄漏源的定位。另外还具有成本低、体积小、重量轻、易于携带、操作简便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及管道输送领域，特别是涉及一种检测管道泄漏的管道泄漏检测系统。
背景技术
管道输送是与铁路、公路、水运、航运并列的五大运输行业之一，它作为一种特殊设备越来越广泛用于石油、化工、化肥、电力、冶金、轻工、医药等各工业领域和城市燃气、供热系统，几乎一切流体在其生产、加工、运输及使用过程中都使用压力管道。据1998年的报导，世界上目前共有长输管道230多万公里，美国有长输管道96万公里，城市内燃气管道196万公里。据2002年的统计，我国在用长输管道3万多公里，城市公用管道17万公里，工业管道43万公里。虽然我国压力管道量大面广，但与世界上主要工业化国家相比仍有很大差距，可以预计，随着我国经济的持续发展，以及西气东输和大中城市燃气工程的建设，我国管道拥有量必将大大增加，其安全问题至关重要。
在所有管道中，城市埋地燃气管道与人们的日常生活最紧密相关，又称之为城市生命线。由于城市埋地燃气管网输送介质具有易爆、易燃、有毒等危险特性，一旦发生失效破坏，往往造成巨大经济损失，甚至导致灾难性事故，威胁人身安全和破坏生态环境。
我国现有13万多公里的城市埋地燃气输送管道，其中有40％已运行20年左右，不少管道已进入事故高发阶段。由于管线的老化，不可避免的腐蚀、自然或人为损坏等因素，管道泄漏事故频频发生，曾多次发生由泄漏引发的恶性事故。城市燃气管道常埋在地下，因此使泄漏检测变得困难。如果泄漏得不到及时发现并加以制止，不仅造成能源浪费、经济损失，而且可产生爆炸、火灾、环境污染等灾难性事故，造成巨大的生命和财产损失。然而目前我国在城市埋地燃气管道检测监测技术方面非常落后，在泄漏检测方面，没有能够快速确定埋地管道泄漏的部位的技术和仪器，有些管道一旦发生泄漏，往往需要花费大量的物力、人力和时间来寻找泄漏点，为管道的安全运行带来事故隐患。
发明内容
本发明的目的是针对城市埋地燃气管道泄漏检测的现状、存在问题和市场需求，提出城市埋地燃气管道连续泄漏声信号相关分析定位技术，研制便携式埋地燃气管道泄漏点定位检测装置，以提高埋地燃气管道检测技术水平，特别是提供一种检测管道泄漏的管道泄漏检测系统。
为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种管道泄漏检测系统，包括控制器和管道泄漏检测仪，所述控制器通过无线技术对所述管道泄漏检测仪进行控制，具体为对数据进行采集设置和对数据进行处理、存储及传输；所述管道泄漏检测仪还包括：传感器，安装在待测管道上，用于检测所述待测管道的声波信号，并将所述声波信号转换成模拟信号；放大器，与所述传感器连接，用于将所述模拟信号放大为放大模拟信号；模数转换模块，与所述放大器连接，用于将所述放大模拟信号转换为数字信号；主处理器，与所述模数转换模块连接，用于对所述数字信号进行数据的处理和命令的发送；全球定位系统时钟同步控制模块，与所述主处理器连接，用于高时间精度的数据采集的控制和实现；无线通讯模块，与所述主处理器连接，用于无线接收所述控制器的指令并传送给所述主处理器执行和将所述主处理器处理完的数据发送给控制器；供电模块，与所述主处理器连接，用于为所述主处理器提供电源。
其中，所述传感器为微小位移-电信号的声学传感器。
其中，所述放大器的频带宽度在1千赫到250千赫范围内，在通频带内增益的变动量不超过3分贝。
其中，所述主处理器包括中央处理器CPU和复杂可编程逻辑器件CPLD，其中，所述CPLD与所述模数转换模块连接，所述CPU分别与所述全球定位系统时钟同步控制模块、无线通讯模块、供电模块连接。
其中，所述全球定位系统时钟同步控制模块包括；全球定位模块，与所述CPU连接，用于检测前对时钟进行同步；实时时钟芯片，与所述CPU连接，用于检测中对时钟进行同步。
其中，所述无线通讯模块采用码分多址CDMA无线技术与所述主处理器进行无线连接。
其中，所述无线通讯模块通用无线分组业务GPRS无线技术与所述主处理器进行无线连接。
其中，所述无线通讯模块采用第三代数字通信3G无线技术与所述主处理器进行无线连接。
其中，所述供电模块为锂电池。
其中，所述管道泄漏检测仪还包括通用串行总线USB接口模块，与所述主处理器连接，用于连线接收所述控制器的指令并传送给所述主处理器执行和将所述主处理器处理完的数据发送给所述控制器。
上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点：在管道外壁每隔一定距离安装传感器，在GPS授时误差小于200nS的同步条件下接收管道上的泄漏点产生的声波，从而实现管道泄漏高灵敏度检测和高精度泄漏源的定位。仪器可程控设置任意时刻自动检测，巡检人员可定期从泄漏定位仪中读取数据到通用计算机以直观图形和数字的形式确定管道是否存在泄漏和漏点的准确位置。可组成任意多通道测点对复杂大规模管道系统进行泄漏检测与定位。另外还具有成本低、体积小、重量轻、易于携带、操作简便的特点。
附图说明
图1是本发明实施例的一种管道泄漏检测系统结构示意图
图2是本发明实施例的另一种管道泄漏检测系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明实施例的一种管道泄漏检测系统结构示意图，图2是对图1中的管道泄漏检测系统进行进一步细化的结构示意图，结合图1、图2，本实施例的管道泄漏检测系统包括：控制器和管道泄漏检测仪，控制器通过无线技术对管道泄漏检测仪内的数据进行处理和存储。管道泄漏检测仪还包括：用于检测管道泄漏的传感器，传感器依次与预放大器、主放大器、模数转换模块(ADC，Analog to DigitalConverter)连接，模数转换模块将生成的数字信号传送给CPLD(Complex PLD(Programmable Logic Device，可编程逻辑器件)，复杂可编程逻辑器件)，其中，CPLD与预放大器、主放大器分别连接，对其进行增益控制；CPLD与CPU(Central Processing Unit，中央处理器)通过地址总线和数据总线连接(图1中两者之间的单箭头实线表示地址总线，双箭头实线表示数据总线)；CPU通过地址总线和数据总线与FLASH存储器和RAM存储器连接，通过I2C总线与实时时钟RTC(Real-Time Clock，实时时钟芯片)连接，通过I/O线与供电模块连接，通过串口1与无线通讯模块连接，通过串口2与GPS(GlobalPositioning System，全球定位系统)模块连接。GPS模块上有GPS天线，用于收发信号。无线通讯模块上包含CDMA(Code DivisionMultiple Access，码分多址)天线，或其它无线技术的天线，用于收发无线信号，无线通讯模块通过CDMA天线与控制器进行数据交换(图中虚线表示无线连接)。
下面对本实施例的管道泄漏检测系统的各部分进行详细描述。
传感器(也称为探头)是将力、位移或速度转换为电压参数，由敏感元件、转换元件和转换电路组成。在实际的泄漏检测过程中，检测到的信号往往是经过多次反射和波形变换的复杂信号，信号由传感器接收并转换成电信号，探头根据特定的校准方法，给出频率—灵敏度曲线，据此可根据检测目的和环境选择不同类型、不同频率和灵敏度的传感器。
传感器是泄漏检测系统的重要部分。如果传感器设计不合理，或许使得接收到的信号和希望接收到的信号有较大差别，直接影响采集到的数据真实度和数据处理结果。在泄漏检测中，大多使用的是谐振式传感器和宽带响应的传感器。谐振式传感器基于两个基本假设：(1)泄漏是阻尼正弦波；(2)声波是以某一固定的速度传播的。它的假设意味着传播信号除了单纯衰减以外，它的声波形状是不变的。它是以不变的波形和不变的声速获取泄漏信号的参数。
传感器的选择应根据被测泄漏信号来确定。首先是了解被测泄露信号的频率范围和幅度范围，包括有可能存在的噪音信号。然后选择相对感兴趣的泄漏信号灵敏、对噪声信号不灵敏的传感器进行检测。就泄漏源定位而言，实际运用中大量遇到的是结构稳定的金属材料，这类材料的声向各向异性较小，声波衰减系数很小，频带范围大多是25KHz～750KHz，因此选用谐振式传感器比较合适，即微小位移-电信号的声学传感器。
放大器包括预放大器和主放大器。预放大器也叫前置放大器，传感器输出的信号的电压有时低至微伏数量级，这样微弱的信号，若经过长距离的传输，信躁比必然要降低。靠近传感器的预放大器将信号提高到一定程度，常用有30、40到60分贝，传输给信号的处理单元。预放大器的输入是传感器输出的模拟信号，输出是放大后的模拟信号。
传感器的输出阻抗比较高，预放大器需要具有阻抗匹配和变换的功能，有时传感器输出信号过大，还需抗电冲击的保护能力和阻塞现象的恢复能力，并且具有较大的输出动态范围。
预放大器的一个主要指标是噪声电平，一般应小于10微伏。有些特殊用途的预放大器，噪声电平应小于2微伏。预放大器一般采用宽频带放大电路，频带宽度可以在1千赫到250千赫范围内，在通频带内增益的变动量不超过3分贝。使用这种放大器往往插入高通或带通滤波器抑制噪声。这种电路结构的预放大器适应性强，应用比较普遍。但也有采用调谐或电荷放大电路结构的预放大器。
所以在泄漏系统中，预放大器占有重大的地位，整个系统的噪声由预放大器性能决定，它在整个系统中作用是要提高信噪比，要有高增益和低噪声的性能。此外还要具有调节方便，一致性好，体积小等优点，由于检测t通常在强的机械噪声(频带通常低于50KHz)、液体噪声(通常100KHz～1MHz)和电气噪声的环境中，因此预放大器还应具有一定的强抗干扰能力和排除噪声的能力。
泄漏信号经预放大器放大后，通常需要进行二级主放大以提高系统的动态范围。主放大器的输入信号是预放大器输出的模拟信号，输出是放大后的模拟信号，因此主放大器是模拟信号。
系统要求主放大器具有一定的增益，与预放大器一样，要具有1千赫～250千赫的频带宽度，在频带宽度范围内增益变化量不超过3分贝。另外还要具有一定的负载能力和较大的动态范围。
通常主放大器提供给预放大器的直流工作电流。为了更好的适用不同信号幅度大小、不同频带的泄漏信号，主放大器往往具有放大倍数调整、频带范围调节等功能。
由于微机系统运算、传输、存储数据都是数字式信号，即通常说的逻辑1、0。而在自然界中往往都是呈现连续的模拟信号，因此欲将外界物理量的变化量传入微机中运算或微机输出指令都要将信号进行转换处理。所以信号通过主放大器的放大后，需要进行模数转换成数字信号传入CPLD中处理。模数转换模块就是将连接变化的模拟量转换为离散的数字量，是一个滤波、采样、保持电路和量化、编码电路的过程，其中量化、编码电路是最核心的部件。模拟信号经带限滤波，采样保持电路，变为阶梯形状信号，然后通过编码器，使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。
主处理器由CPU、CPLD或FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或DSP(Digtal Signal Processor，数字信号处理器)以及存储器等电子器件和写入的软件程序组成。主处理器主要进行采入数据的处理和命令的发送。比如发送什么时间采集信号的指令，发出操作指令，信号数据的处理等等。由于该泄漏检测仪是靠电池充电，并且使用周期比较长。所以为了省电就需要优选功耗低的CPU和CPLD。
GPS时钟同步控制模块包括GPS模块和RTC实时时钟模块。GPS向全球范围内提供定时和定位的功能，全球任何地点的GPS用户通过低成本的GPS接收机接受卫星发出的信号，获取准确的空间位置信息、同步时标及标准时间。泄漏检测按照检测长度划分为若干区段，在区段两端安置传感器，各个传感器之间相距几百米，每个探头均连着GPS同步时钟，GPS天线接受GPS时钟同步信号，做相应的处理得到时钟同步信号和绝对时间戳并发送给采集设备，采集设备接收处理后的GPS同步信号，达到同步整个分布式采集系统。
这里说的时钟同步有2方面含义：数据采样频率的同步，包括采样时钟信号的脉冲同步以及相位同步。时间轴上的同步，即采样点时间标签的同步。只有2方面都达到同步，才能称为真正的同步采集。
同步技术由于电缆的局限性，距离过长会导致信号衰减，很难做到公里级数的时钟同步采集，所以在本系统中GPS技术都采用卫星来作为同步时钟信号传输的载体，可以做到无地域限制的同步采集，符合本系统的同步需求。采用主从时钟模块同步的方式，以一个时钟模块的内部时钟作为其余时钟模块的参考时钟，虽然理论上同步的准确性可以保证，但是由于信号通过电缆作为载体发送，长时间运行后，电缆的自身老化以及外部的突发事件是否会对信号的造成干扰。而时钟信号的传输采用卫星无线发送，极少会受到信号干扰。GPS能够精确定时，确保漏点的高精度定位，而且GPS同步技术经过多年的发展以及大量应用，现在已经有了比较成熟的开发方案，与现有的NI采集系统相结合开发，对于大型分布式采集系统，有着得天独厚的优势，不仅打破了原有时钟同步技术的地域局限，并且在完成相同功能的情况下，降低了GPS技术的开发成本。
实时时钟芯片RTC是PC主板上的晶振及相关电路组成的时钟电路的生成脉冲，RTC经过8254电路的频产生一个频率较低一点的OS(系统)时钟TSC，系统时钟每一个cpu周期加一，每次系统时钟在系统初起时通过RTC初始化。8254本身工作也需要有自己的驱动时钟(PIT)。它的主要作用就是提供稳定的时钟信号给后续电路用。主要功能有：时钟、日历，闹钟，周期性中断输出，32KHz时钟输出。RTC的主要性能指标有：(1)控制方式：二线制，三线制，四线制。(2)晶振：分内置晶振和外置晶振。(3)耗流，时间微调范围，时间精度以及是否有TTF功能。
通过GPS天线同步时钟，实现无线和离线多通道异步同时钟数据采集的技术。相关性定位的核心就是时间同步，GPS天线很好的解决可这个问题。同样为了节省电源应该搭配使用GPS模块和RTC实时时钟模块。由于GPS模块比较耗电，所以该仪器在检测过程中，每次检测前都由GPS模块同步时钟，在采集过程中就由RTC实时时钟模块来控制采集的时间，以达到省电的效果。
无线通讯模块采用CDMA无线技术、GPRS(General Packet RadioService，通用无线分组业务)或3G(3rd Generation，第三代数字通信)无线技术实现无线通讯。可以根据不同的具体情况选择不同的无线技术来实现本发明的目的。对于只有GPRS覆盖的郊区或偏远山区，可以采用GPRS无线通讯技术。随着3G无线通讯技术的成熟，成本的降低，也可以选择服务质量较好的3G无线技术来实现无线通讯。对于城市内的铺设的管道，则可以优选速度较快的CDMA无线技术来实现无线通讯。
泄漏检测管道环境是非常恶劣的，由于探头要接触管道壁，所以需要两能探测的距离足够的长，例如某些城市开挖一个坑就要50万人民币。而且探头布置好后很长一段时间都不取出，所以需要电源足够充足，电路足够省电。Zigbee无线技术虽然省钱、操作简单，但是由于是局域网络、可测距离偏近所以受到一定限制，效率低下，传输数据量小；GPRS的传输速度太慢了，导致传输时间增长，非常费电；CDMA技术传输速度块、并且传输数据量大、相比GPRS的成本还很低。能在艰苦环境下工作，不需人工采集，只需要通过网络接受实验数据，可跨省、跨国操作，因此优先CDMA无线传输技术。但本发明的无线通讯模块并不是仅仅局限于CDMA无线传输技术，其它可以实现数据传输的无线技术均可以应用到本模块中。
由于泄漏检测是长时间检测，所以电源模块显得尤为重要，在节约电源的同时，也应当配置一款能充电，容量大的电池。考虑到体积、容量、使用年限、价格等因素，供电模块由充电电源，锂电池组组成。锂电池无记忆效应，重量较轻。通过可充电的锂电池供给±5V或±15V的电流，允许锂电池电压波动50％，支持10分钟数据采集，一年待机的功耗。
另外，本发明实施例管道泄漏检测系统中的控制器可以为个人电脑、服务器等能够进行数据采集、处理和对处理器进行设置及控制的设备，由于受工作环境的限制，优选为笔记本电脑。本发明实施例管道泄漏检测仪还包括USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口模块，与主处理器连接，当将埋入地下管道中管道泄漏检测仪取出后，可以通过USB连接线主处理器与控制器连接，此时不需要无线通讯模块工作，就可以实现对处理器数据的采集和处理，另外也可以对处理器进行设置，另外，无线通讯模块出现异常时，也可以通过USB接口模块与控制器通讯。本发明实施例管道泄漏检测系统中还包括大容量的FLASH存储器，至少可存储100次超长采样波形，保证数据的及时、安全的储存。
本发明实施例管道泄漏检测系统采用声学方法进行埋地管道泄漏检测，其原理为：流体穿过管壁漏孔外泄时，会激发沿管道壁传输的声信号，贴装在管道外壁的声波传感器监测泄漏信号的大小和位置。没有泄漏发生时，声波传感器获得的是背景噪声信号，当有泄漏发生时，可产生传感器可探测的低频泄漏声信号，如采用两个以上的传感器进行探测，通过相关分析即可以得到泄漏源的位置。
由以上实施例可以看出，本发明实施例管道泄漏检测系统在管道外壁(材质不限)每隔一定距离(通常10-800米)安装高灵敏度泄漏定位仪专用传感器，在GPS授时误差小于200nS的同步条件下接收管道上的泄漏点产生的声波，从而实现管道泄漏高灵敏度检测和高精度泄漏源定位的目的。仪器可程控设置任意时刻自动检测，巡检人员可定期从泄漏定位仪中读取数据到通用计算机以直观图形和数字的形式确定管道是否存在泄漏和漏点的准确位置。可组成任意多通道测点对复杂大规模管道系统进行泄漏检测与定位。
采集器可以在白天或夜间任意时段运行，可以设定在任何时段进行检测，确保把使用和泄漏区分开来。工作者在数字地图上部署探头安放位置，在办公室里就能获得泄漏探测结果分析。本发明实施例管道泄漏检测系统还具有可扩展的优点，可以将更多的采集器可加入系统，组成任意多通道测点。效率高，实现一次操作完成泄漏探测与漏点定位。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种管道泄漏检测系统，用于埋地燃气管道连续泄漏声信号相关分析定位，其特征在于，包括控制器和管道泄漏检测仪，所述控制器通过无线技术对所述管道泄漏检测仪进行控制，具体为对数据进行采集设置和对数据进行处理、存储及传输；当有泄漏发生时，可产生传感器可探测的低频泄漏声信号，采用两个以上的传感器进行探测，通过相关分析得到泄漏源的位置；所述管道泄漏检测仪还包括：传感器，安装在待测管道上，用于检测所述待测管道的声波信号，并将所述声波信号转换成模拟信号；
放大器，与所述传感器连接，用于将所述模拟信号放大为放大模拟信号；所述放大器包括预放大器和主放大器；所述预放大器插入有带通滤波器，用于放大从传感器输出的模拟信号并同时滤波抑制噪声；所述主放大器对从预放大器输出的模拟信号进行二级主放大，以提高系统的动态范围；所述放大器的频带宽度在1千赫到250千赫范围内，在通频带内增益的变动量不超过3分贝；
模数转换模块，与所述放大器连接，用于将所述放大模拟信号转换为数字信号；
主处理器，与所述模数转换模块连接，用于对所述数字信号进行数据的处理和命令的发送；
全球定位系统时钟同步控制模块，包括全球定位模块、实时时钟芯片，与所述主处理器连接，用于高时间精度的数据采集的控制和实现，GPS授时误差小于200nS；无线通讯模块，与所述主处理器连接，用于无线接收所述控制器的指令并传送给所述主处理器执行和将所述主处理器处理完的数据发送给控制器；
供电模块，与所述主处理器连接，用于为所述主处理器提供电源。
2.如权利要求1所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述传感器为微小位移-电信号的声学传感器。
3.如权利要求3所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述主处理器包括中央处理器CPU和复杂可编程逻辑器件CPLD，其中，所述CPLD与所述模数转换模块连接，所述CPU分别与所述全球定位系统时钟同步控制模块、无线通讯模块、供电模块连接。
4.如权利要求4所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述全球定位系统时钟同步控制模块包括；
全球定位模块，与所述CPU连接，用于检测前对时钟进行同步；
实时时钟芯片，与所述CPU连接，用于检测中对时钟进行同步。
5.如权利要求5所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述无线通讯模块采用码分多址CDMA无线技术与所述主处理器进行无线连接。
6.如权利要求5所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述无线通讯模块通用无线分组业务GPRS无线技术与所述主处理器进行无线连接。
7.如权利要求5所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述无线通讯模块采用第三代数字通信3G无线技术与所述主处理器进行无线连接。
8.如权利要求5～7任一项所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述供电模块为锂电池。
9.如权利要求9所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述管道泄漏检测仪还包括通用串行总线USB接口模块，与所述主处理器连接，用于连线接收所述控制器的指令并传送给所述主处理器执行和将所述主处理器处理完的数据发送给所述控制器。
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