CN102563361A - 基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置及方法。检测装置包括传感器组、现场数据采集处理器、GPS接收器、通信网络、中心数据汇集处理器和监控主机；检测方法为分别采集管线上、下游的音波数据和流量、压力及温度常规数据，利用小波变换对音波数据滤除背景噪音，结合常规数据分别识别音波信号的时域、频域及时频域特征以排除外界干扰，实现泄漏信号特征提取，并采用基于相关分析法和GPS同步时间法的改进定位方法进行泄漏定位，根据音波信号的传播模型给出音波传感器的理论安装距离。常规数据可以与现场SCADA系统建立接口，只需在管线上、下游安装音波传感器，投资较小，设备灵敏度高，适应性强。

Description

基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种管道泄漏检测定位装置及检测方法，属于输气管道故障诊断与流动安全保障技术领域，主要功能是对长输天然气管道进行实时检测并区分外部干扰影响，准确识别泄漏信号，并对管线泄漏位置进行精确定位，以保障输气管道安全生产运营。

背景技术：

根据对国内外现行的输气管道泄漏检测和定位方法的调研发现，泄漏检测和定位方法主要集中在基于负压波法、瞬态模型法、声波泄漏检测法几个方面，国内外主要的专利有以下几项。

美国专利US6389881公开了一种基于音波法管道泄漏检测和定位方法。该方法通过捕捉由于泄漏引起的音波震荡，并通过波形模式匹配滤波方法排除外界干扰，以降低误报率、增加系统灵敏度。

中国专利200710097721.9公开了一种基于动态低频技术的管道泄漏检测仪及方法，该方法采用可调量程的动态压力传感器检测泄漏引起的管线首末站的动态压力变化(4-10Hz内信号)，提高了测量较小压力变化量的精度，区分出泄漏信号，并利用GPS检测信号到达上下游时间，进行泄漏定位。

中国专利200710177617.0公开了一种基于压力和声波信息融合的泄漏检测方法，该方法分别采集管道上下游压力和声波信号(0.2-20Hz内)，经过数据滤波、特征级融合和决策级融合三个层次的处理获得最终检测结果，并利用基于相关分析、小波分析等融合的定位方法进行泄漏定位，提高了泄漏检测的准确性和定位精度。

中国实用新型专利200820078616.0公开了一种音波泄漏检测定位装置，装置主要工作流程为，现场的声学传感器的声学信号经前置放大器放大，并经过模数转换传送到中心服务器，进行泄漏特征分析，实现泄漏检测。采用嵌入式PC+数据采集卡+GPS精确授时，成本低，性能较好。

以上专利技术，其核心原理均为采集泄漏产生的声波信号，且基本上均采集次声频段(＜20Hz)，采用的设备名称不一，但均为检测声波信号在管内引起的压力扰动，即检测管内动态压力的变化。但以上各专利，在采集信号的对象及处理方法上都存在一定问题，主要表现在以下几个方面：

(1)泄漏信号的次声和可听声的低频部分均可以作为泄漏检测的特征频段，且均可以远传，而以上专利，均只研究信号的次声部分，忽略了可听声低频部分，不利于信号特征提取，易引起误报。

(2)以上专利均未明确提出如何准确的排除外界干扰(如压缩机启停、阀门开关、管线敲击等)问题，美国专利虽提出了采用模式匹配的滤波方法，但需要在现场每一个处理器建立大型波形数据库以进行比对，并且每个现场处理器需要配备原始记录在现场电脑中的数据信息，使其现场处理器的结构复杂，造价较高，不利于现场开展。

(3)定位方法上大都采用GPS时间同步方法计算时间差，基本均未考虑温度、压力等对传播速度的影响，定位不够精确。

(4)以上专利均未提出音波传感器合适的安装距离，只是简单的提出安装在管线上、下游或首、末站，但当站与站之间距离较大，管线沿途状况较复杂时，低频信号也会大量衰减，因此需给出合适的安装距离。

发明内容：

本发明的主要目的是提供一种基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置和方法，以排除外界信号干扰，准确区分泄漏音波信号，站内操作等外部干扰信号及正常音波信号，并实现传感器的合理安装和精确定位。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测及定位装置硬件部分包括传感器组、现场数据采集处理器、GPS接收器、通信网络、中心数据汇集处理器和监控主机。装置基本连接关系为：在现场待测点的管壁上开孔安装传感器组，采集音波数据和常规数据，传感器组与现场数据采集处理器通过屏蔽线相连实现模数转换，现场数据采集处理器上安装有GPS接收器，将处理后的数字信号打上时间标签通过通信网络传输至中心数据汇集处理器，并通过监控主机实时检测。

由音波传感器、压力传感器、质量流量计、温度传感器组成成套传感器组，在要进行泄漏检测管段的起、终点分别安装一套传感器组，起、终点均采集音波信号和压力、流量、温度信号，除质量流量计外，每个传感器分别通过在管线上开孔，直接与管道里面的气体接触安装，质量流量计需截断管线安装，安装顺序无要求，各传感器之间距离0.5～1m。

现场数据采集处理器位于传感器组附近，它由常规数据处理模块和音波数据处理模块组成，两个模块均由前置放大设备、I/V板、稳压电源、模拟滤波器和数据采集卡组成，从传感器组来的数据先通过现场数据采集处理器上的数据接口与前置放大设备连接，然后依次经过I/V板、模拟滤波器、数据采集卡出现场数据采集处理器，以上控件在处理器内部通过屏蔽线顺序连接，稳压电源正极与传感器接入现场数据采集处理器正极相连，负极连接I/V板的负极，为传感器组提供电源。采集到的音波信号经传感器组转变成电信号后，通过屏蔽线与现场数据采集处理器的音波数据处理模块相连，经过前置放大设备将信号放大，其输出端与I/V板相连，将电流信号转换为电压信号，然后经模拟滤波器滤除高频噪声后，经动态数据采集卡转换成数字信号后出现场数据采集处理器。同样，采集到的压力、流量、温度常规数据，经传感器组转变成电信号后，通过屏蔽线与现场数据采集处理器的常规数据处理模块相连，经过前置放大器放大，其输出端与I/V板相连，将电流信号转换成电压信号，后经模拟滤波器滤除高频噪音后，经常规数据采集卡转化为数字信号出现场数据采集处理器，稳压电源提供传感器组所需要的直流电压。从现场数据采集处理器传出的音波数据和常规数据通过安装在现场数据采集处理器上的GPS接收器，打上GPS时间标签，由通信网络传至中心数据汇集处理器。

通信网络为专用的卫星网络或专用的光纤网络，安装在现场数据采集处理器和中心数据汇集处理器上的GPS接收器，通过通信网络实现数据通信和同步。

中心数据汇集处理器由包括核心数据模型处理软件的服务器为数据处理中心，可以通过数据线与监控主机相连，从而实时显示和处理采集到的信号，并进行远程监测、数据保存、声光报警、历史数据回放、参数设置、管理权限。现场应用时，对装有SCADA系统的现场监控设备，不需要安装常规数据传感器及现场数据采集器的常规数据采集模块，只需建立常规数据采集系统和SCADA系统的数据接口，实现常规数据共享。

基于常规数据和音波信号的泄漏检测和定位方法的软件部分在于，首先采用小波变换法对音波信号进行背景噪音滤除，然后分别采用时域分析、频域分析、时频联合分析方法对音波信号进行分析，提取其时域、频域及时频域特征，并与外界干扰信号(压缩机、阀门、敲击等外界工况)时域、频域及时频域特征进行对比，结合常规数据(流量、压力)变化情况，排除外界干扰工况，实现泄漏判断，并采用基于GPS时间同步法和互相关法的改进的定位方法进行泄漏定位，最终实现泄漏检测和定位，其具体实现步骤如下：

(1)利用音波传感器和常规数据传感器组分别采集管线两端的音波信号和压力、流量、温度常规信号，经现场数据采集处理器实现模数转换后，打上GPS时间标签，由通讯网络传至中心数据汇集处理器，音波数据的采样范围为0-100Hz，常规数据的采样频率为100Hz。

(2)对采集到的音波信号进行小波变换以滤除管线背景噪音影响，小波变换的参数为：选取sym8小波，进行5尺度分解，运用rigrsure规则和二次多项式算法进行处理；根据采集到的常规数据(压力、流量、温度)从中心数据汇集处理器更新相应的音波信号数据库，包括泄漏音波信号、外部干扰音波信号的时域、频域、时频域特征信息，将其作为实时数据的参比对象。

(3)对采集到的音波信号在线进行时域、频域及时频联合分析，并与数据库提供的泄漏信号及干扰信号的特征信息进行比较，判断是否有泄漏产生；时域分析的方法为，分别求取实时音波信号和数据库中信号的时域特征的相关函数，相关函数值最大的工况即认为是实际发生的工况，时域特征量有波形与幅值、信号均值、均方值、均方根值、偏度和峰度、互协方差、累加差分、均值差分、峰值差分；频域分析包括频谱分析、功率谱密度估计分析；时频联合分析是通过短时傅里叶变换提取时频3D信息；通过音波信号的时域、频域和时频域联合分析，以及采集到的常规数据进行对比分析，进一步排除外部干扰影响，这是基于不同的外部工况下，常规数据变化情况不同引起的；音波数据和常规数据联合判别依据如表1所示，音波时域、频域及时频域特征判别依据见表2。

表1音波数据和常规数据联合判别依据表

表2音波时域、频域及时频域特征判别依据表

(4)采用基于GPS时间同步法和互相关法的改进的定位方法进行泄漏定位，改进的定位公式为：

其中泄漏发生的位置距离管道起点为x，这一段管道内介质的平均流速为c₁，音速为a₁，泄漏音波传播到管道起点用时t₁；泄漏发生的位置距离管道终点为L-x，这一段管道内介质的平均流速为c₂，音速为a₂，泄漏音波传播到管道终点用时t₂，Δt＝t₁-t₂；

Δt的求取是通过GPS时间同步法和互相关法融合的方法求解，GPS时间同步法是指将音波传感器采集的信号数列全部打上时间标签，当发生泄漏时，可根据信号波形上显示泄漏的位置处的时间标签计算出Δt值。时间标签由GPS接收机负责，整个管线上的GPS接收机都是时间同步的。由于GPS接收机的时间同步是通过全球卫星定位系统达到的，所以各个接收机的时间同步是独立的，不会因卫星通讯故障或通讯中断影响检测泄漏。互相关法为：

当管道未发生泄漏时，利用互相关公式得到的相关函数r₁₂(τ)将维持在某一值附近，泄漏发生后，当τ＝τ₀时r₁₂(τ)将达到最大值时：r₁₂(τ₀)＝maxr₁₂(τ)，即可求得泄漏音波传播到首末站传感器的时间差值。通过将两种算法进行融合，当两者存在较大偏差时，反馈重新计算，来降低时间误差。

音波在管道气体介质中的传播速度与介质的压力、密度、比热和管道的材质以及传输介质的流速等均有关，考虑多方面影响，利用下式进行计算：

其中a为管内音波的传播速度，m/s；ρ为气体的密度，kg/m³；K为气体的体积弹性系数，Pa；D为管道直径，m；E为管材的弹性模量，Pa^-1；e为管壁厚度，m；C₁为与管道约束条件有关的修正系数；

在现场条件下，通过理论计算和现场反复试验，可以比较准确的确定音波在现场管线中的传播速度，即在现场进行试验，通过开关阀门模拟泄漏，利用定位公式反向计算音速。在管线正常运行过程中，通过音波传感器采集的数据和GPS接收机上传的时间标签及相关分析法可以随时的修正实际的音速值，使定位更精确；

(5)建立了泄漏音波在管道中的传播模型，考虑管线压力、介质密度、信号频率、管径多方面因素的影响，建立了音波信号在管道中幅值衰减模型，可以在确定管道运行工况及传感器参数已知的情况下，给出泄漏音波信号的理论最大传输距离，指导音波传感器的现场安装。由于在管道中传播的声波主要是平面波，考虑管中的阻尼作用时，音波在管内介质中的一维波动方程可以表示为：

${\mathrm{\ρ}}_0\frac{{\∂}^2\mathrm{\ξ}}{{\∂t}^2}=K_s\frac{{\∂}^2\mathrm{\ξ}}{{\∂x}^2}+\mathrm{\η}\frac{{\∂}^3\mathrm{\ξ}}{\∂x^2\∂t}---\left(1\right)$

其解表示为：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{Ae}}^{-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\η}}x}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx})}+{\mathrm{Be}}^{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\η}}\text{x}}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx})}---\left(2\right)$

其中k为波数：

$k=\sqrt{k_f^2(1+\frac{{2B}_f/a}{(\mathrm{Eh}/a^2)-j(\mathrm{\ω}{R}_{\mathrm{rad}}+\mathrm{\ηEh}/a^2)})}---\left(3\right)$

式(2)中，第一项代表以传播速度为c，角频率为ω向正x方向传播的音波，其振幅为

从式(2)中可以看出，在传播过程中音波的振幅A随距离指数地衰减；第二项代表向x的负方向传播的波。因此，声音沿管道传播的幅值衰减公式如下：

$A=A_0{e}^{-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\η}}x}---\left(4\right)$

其中：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\η}}=\frac{1}{r{C}_0}\sqrt{\frac{\mathrm{\πf}}{{\mathrm{\ρ}}_0}}\·\sqrt{\mathrm{\η}}---\left(5\right)$

通过公式(5)可以看出，音波吸收系数α_η与管子的半径成反比，与频率的平方根成正比。由管道的音波传播特性，管子愈细或频率愈高，这种由粘滞产生的吸收效应就愈显著。在管线压力、介质密度ρ、音波频率f、管径r一定的情况下，只有粘滞系数η是变量，它与具体的实验工况有关，可以根据具体的实验工况测的。因此，通过公式(1)～(5)即可建立音波在管内介质中的传播模型，并确定了影响音波传播的主要的影响因素。可以在确定管道运行工况及传感器参数已知的情况下，给出泄漏音波信号的理论最大传输距离，指导音波传感器的现场安装。

本发明的有益效果是：基于常规数据和音波信号的泄漏检测和定位装置及其方法对泄漏音波信号和各种干扰信号(压缩机、阀门、敲击等工况)分别进行了时域分析、频域分析、时频联合三方面的分析，提取了各自时域、频域、时频域特征，并结合常规数据(流量、压力)变化情况，排除外界干扰工况，实现泄漏判断，采用基于GPS时间同步法和互相关法的改进定位方法进行泄漏定位，且给出了音波传感器安装距离的计算模型，最终实现泄漏检测和定位有效地提高泄漏判断的灵敏度，同时减小泄漏判断的误报率，可用于现场天然气管道的泄漏检测和泄漏点定位。

附图说明：

图1为本发明基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测及定位装置示意图。

图2为本发明基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测和定位程序框图。

图3(a)为本发明所述小波变换滤除背景噪音的原理图。

图3(b)为本发明所述小波变换滤除背景噪音前的效果对比图。

图3(c)为本发明所述小波变换滤除背景噪音后的效果对比图。

图4(a)为本发明所述管线未发生泄漏时音波信号时域波形图。

图4(b)为本发明所述管线发生泄漏时音波信号时域波形图。

图4(c)为本发明所述管线未发生泄漏时音波信号均方根值变化图。

图4(d)为本发明所述管线发生泄漏时音波信号均方根值变化图。

图1中：1a-质量流量计，1b-质量流量计，2a-压力传感器，2b-压力传感器，3a-温度传感器，3b-温度传感器，4a-音波传感器，4b-音波传感器，5a-现场数据采集处理器，5b-现场数据采集处理器，6a-GPS接收器，6b-GPS接收器，6c-GPS接收器，7-中心数据汇集处理器，8-监控主机，9-通信网络，10-泄漏点。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案更加清晰明了，下面参照附图对本发明作进一步详细说明。

如附图1所示，一种基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测及定位装置，包括传感器组、现场数据采集处理器(5a和5b)、中心数据汇集处理器7、GPS接收器(6a、6b和6c)、通信网络9和监控主机8。

由音波传感器4a、压力传感器2a、质量流量计1a和温度传感器3a组成第一套传感器组；由音波传感器4b、压力传感器2b、质量流量计1b和温度传感器3b组成第二套传感器组。在要进行泄漏检测管段的起点安装第一套传感器组，在要进行泄漏检测管段的终点安装第二套传感器组。在起、终点均采集音波信号和压力、流量、温度常规信号，除质量流量计外，每个传感器通过在管线管壁上开孔安装，直接与管道里面的气体接触，质量流量计需截断管线安装，传感器间的安装无顺序要求，安装间隔一般取0.5m～1m。

音波传感器的安装距离可以根据前述公式(1)～(5)建立的音波在管道中传播模型，取实例分析：设现场管线两个站间距离为L，管径为1016×26.2mm，管网压力为5MPa，取不同频率下泄漏产生音波信号最大幅值均为100Pa，音波传感器接收的最小幅值取为0.69Pa(根据音波传感器实际工作情况)，计算0.5Hz下音波信号传播的理论最大传播距离L₀为53km，实际安装间距可达100km，即在该工况下，两个音波传感器之间的理论安装距离可达100km。实际安装时，需要根据实际两站间距L与音波传感器之间的理论安装距离L₀来确定，当L＜L₀时，两个音波传感器选择安装在首站的出站点和末站的入站点；当L≥L₀时，需要在两个站间安装三个音波传感器，理想的情况为起、终点和管线中点分别安装一个，但管线中点的音波传感器需要根据现场具体情况安装，可以适当的向上游或下游调整。常规数据(压力、温度、流量)传感器组，视现场情况进行安装，若现场无SCADA系统，则在两个站间的起、终点分别安装一套常规数据传感器组，来检测常规数据；若现场装有SCADA系统及监控设备，不需要安装常规数据传感器(压力、温度、流量)及现场数据采集器的常规数据采集模块，只需建立常规数据采集系统和SCADA系统的数据接口，实现常规数据共享。

现场数据采集处理器(5a和5b)位于传感器组附近，它由常规数据处理模块和音波数据处理模块组成，两个模块均由前置放大设备、I/V板、稳压电源、模拟滤波器和数据采集卡组成，从传感器接收的数据先通过现场数据采集处理器上的数据接口与前置放大设备连接，然后依次经过I/V板、模拟滤波器、数据采集卡出现场数据采集处理器，以上控件在处理器内部通过屏蔽线顺序连接，稳压电源正极与传感器接入现场数据采集处理器正极相连，负极连接I/V板的负极，为传感器提供电源。采集到的音波信号经传感器组转变成电信号后，通过屏蔽线与现场数据采集处理器的音波数据处理模块相连，经过前置放大设备将信号放大，其输出端与I/V板相连，将电流信号转换为电压信号，然后经模拟滤波器滤除高频噪声后，经音波数据采集卡转换成数字信号后出现场数据采集处理器。同样采集到的压力、流量、温度常规数据，经传感器组转变成电信号后，通过屏蔽线与现场数据采集处理器的常规数据处理模块相连，经过前置放大器放大，其输出端与I/V板相连，将电流信号转换成电压信号，后经模拟滤波器滤除高频噪音后，经常规数据采集卡转化为数字信号出现场数据采集处理器，稳压电源提供传感器组所需要的直流电压。从现场数据采集处理器传出的音波数据和常规数据通过安装在现场数据采集处理器上的GPS接收器，打上GPS时间标签，由通信网络传至中心数据汇集处理器。

中心数据汇集处理器7由包括核心数据模型处理软件的服务器为数据处理中心，可以在监控主机8上实时显示和处理采集到的信号，并进行远程监测、数据保存、声光报警、历史数据回放、参数设置、管理权限。通信网络为专用的卫星网络或专用的光纤网络。

图2为基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测和定位详细流程图。其中泄漏检测的主要步骤为：

1)对常规数据和音波数据进行采集，并对音波数据进行小波变换滤除背景噪音，在监控主机上实时显示常规数据和音波数据；

2)对去噪后的数音波据进行特征提取，分别计算音波信号的时域、频域和时频域联合特征，并根据常规数据提取音波数据库中相似压力、流量工况下的泄漏信号及干扰信号的特征进行比对(时域特征可通过求解数据库信号时域特征和实际信号特征的互相关函数，求取最大相关程度来判断是否发生泄漏；频域分析主要包括频谱分析、功率谱密度估计分析；时频联合分析主要是通过短时傅里叶变换提取时频3D信息)，给出发生的工况是泄漏还是外界干扰，同时结合常规数据的动态变化，最终确定是否发生泄漏，若发生泄漏，将进一步进行泄漏定位分析并发出泄漏警报，若产生外界干扰工况，将给出外界工况信息。同时，利用确定发生的泄漏工况和干扰工况对音波数据库中的信息进行实时更新；

3)当管线判定发生泄漏时，利用改进的定位公式对泄漏点进行定位，具体步骤为：

①根据管道起终点的仪表读取压力、流量和温度；②利用GPS时间同步法和互相关法计算时间差Δt，计算泄漏发生后的流速c₁、c₂；③计算管道平均压力和平均温度下的音速a₀，

④根据修改后的定位公式

计算泄漏点到管道起点的距离x₁；⑤计算泄漏点到管道起终点的平均压力p_pj1 p_pj2和平均温度T_pj1 T_pj2；⑥计算泄漏点到管道起终点的音速a₁ a₂；⑦再次计算泄漏点到管道起点的距离x₂；⑧查看|x₁-x₂|是否满足给定的精度要求，满足退出计算，不满足返回⑤。最终x₂为所求的泄漏点到管道起点的距离；

图2中音波数据库，可以通过室内试验分析以及现场安装调试阶段模拟不同条件下泄漏和干扰工况建立，并随着管线投产运营，不断的进行更新，提高泄漏检测的准确性。

图3(a)为采用小波变换滤除背景噪音的原理图，图3(b)和图3(c)为去噪前和去噪后效果对比图。如图3(a)采用小波变换滤除背景噪音的步骤如下：

1)信号预处理。主要是对信号进行规范化或整形，排除信号中的单个的突变点，当检测到信号产生异常突变时，对突变后一定微小时间内的数据与突变点进行比较，如只在突变点出现大变化，其余点均变化较小时，视为跳点，将其去除或者将该点数据用前后两点或数点的均值代替；

2)对含噪的音波信号进行小波变换多尺度分解，得到各个不同频带的子波信号，从而将有用信号和白噪声分开，这主要包括确定小波基、小波基的阶数、小波分解层次，然后选定合理的参数进行小波变换，计算音波信号在第N层的小波(包)系数；通过比较优选出的参数为：小波基为：Symlets小波族，小波基阶数：8阶，小波分解层次为：5尺度分解；

3)确定第1层到第N层的各层子波的滤波阈值选取原则以及阈值处理方法，对各细节小波(包)系数进行处理以量化小波(包)系数，方法为：将小波(包)系数的绝对值和阈值进行比较，小于或等于阈值的小波系数置零，大于阈值的小波(包)系数变为两者的差值；通过比较优选出阈值选取规则：无偏似然估计原则(rigrsure)，阈值处理方法：多项式插值法(二次多项式)；

4)小波重构(反变换)，利用第N层的近似部分小波系数和第1层到第N层经过处理的各细节小波(包)系数重构信号；

5)对去噪前后的音波信号进行对比，检验去噪效果，效果不好则返回到第一步重新选取参数或第二步重新设定阈值。

图3(b)、图3(c)分别是在5MPa下无泄漏的稳定工况，利用小波变换，采用以上参数及原则得到的去噪前后的效果对比图，通过对比可以明显看到，经过小波变换后，音波波形的变化趋势更加清晰，且去噪后保留了信号的尖峰和突变成分，去噪效果明显，利于进行音波信号特征量的提取和泄漏判断。

在某一试验工况下，对音波信号去噪处理后得到的稳定音波信号波形图4(a)和泄漏音波信号波形图4(b)进行对比。通过图4(a)和图4(b)对比可得，当管线无泄漏时，音波信号的幅值在0附近波动，幅值最大为0.20kPa，而当泄漏发生时，音波信号的幅值产生突变，出现一个明显的下降沿，音波幅值绝对值可达30kPa，远大于稳定无泄漏时的幅值，且幅值迅速恢复到0附近。对音波信号进行处理，分别求取其均方根值，得到稳定音波信号均方根图4(c)和泄漏音波信号均方根图4(d)，可得当管线发生泄漏后，泄漏音波信号均方值也会产生一个明显的突变，可达10kPa，并迅速归零，而无泄漏时均方值基本在0附近波动，因此，在无外界干扰的情况下，通过采集音波信号幅值、均方根值等特征参量，均能实现泄漏判断。

Claims (7)

1.一种基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置，包括传感器组、现场数据采集处理器、GPS接收器、通信网络、中心数据汇集处理器和监控主机，其特征是：在现场待测管线段的起点和终点管壁上开孔分别安装一套传感器组，同时采集音波数据和常规流量、压力、温度数据，传感器组由音波传感器、压力传感器、质量流量计和温度传感器组成，各传感器之间的安装间距为0.5～1米；现场数据采集处理器由常规数据处理模块和音波数据处理模块组成，置于传感器组附近，传感器组与现场数据采集处理器通过屏蔽线相连实现模数转换，现场数据采集处理器上安装有GPS接收器，将处理后的数字信号打上时间标签通过通信网络，传输至中心数据汇集处理器，并通过监控主机实时检测。

2.如权利要求1所述的基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置，其特征在于：所述的常规数据处理模块和音波数据处理模块均由前置放大设备、I/V板、稳压电源、模拟滤波器和数据采集卡组成，从传感器接收的数据先通过现场数据采集处理器上的数据接口与前置放大设备将连接，然后依次经过I/V板、模拟滤波器、数据采集卡出现场数据采集处理器，以上控件在处理器内部通过屏蔽线顺序连接，稳压电源正极与传感器接入现场数据采集处理器正极相连，负极连接I/V板的负极，为传感器提供电源。

3.如权利要求1所述的基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置，其特征在于：中心数据汇集处理器由包括核心数据模型处理软件的服务器为数据处理中心，通过数据线在监控主机上实时显示和处理采集到的信号，并进行远程监测、数据保存、声光报警、历史数据回放、参数设置、管理权限。

4.如权利要求1所述的基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置，其特征在于：通信网络为卫星网络或光纤网络，安装在现场数据采集处理器和中心数据汇集处理器上的GPS接收器，通过通信网络实现数据通信和同步。

5.如权利要求1所述的基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置，其特征在于音波数据和常规数据按以下方式传输：

(1)音波数据的传输——采集到的音波信号经传感器组转变成电信号后，通过屏蔽线与现场数据采集处理器的音波数据处理模块相连，经过前置放大设备将信号放大，其输出端与I/V板相连，将电流信号转换为电压信号，然后经模拟滤波器滤除高频噪声后，经动态数据采集卡转换成数字信号后出现场数据采集处理器；稳压电源提供动态压力传感器所需要的直流电压；从现场数据采集处理器传出的音波数据，通过安装在现场数据采集处理器上的GPS接收器，打上GPS时间标签，由通信网络传至中心数据汇集处理器，通过核心数据模型处理软件进行泄漏识别和定位；

(2)常规数据的传输——采集到的常规流量、压力、温度数据，经传感器组转变成电信号后，通过屏蔽线与现场数据采集处理器的常规数据处理模块相连，经过前置放大器放大，其输出端与I/V板相连，将电流信号转换成电压信号，后经模拟滤波器滤除高频噪音后，经常规数据采集卡转化为数字信号出现场数据采集处理器，稳压电源提供传感器组所需要的直流电压；从现场数据采集处理器传出的常规数据通过安装在现场数据采集处理器上的GPS接收器，打上GPS时间标签，由通信网络传至中心数据汇集处理器，通过核心数据模型处理软件进行泄漏识别和定位。

6.利用如权利要求1所述的泄漏检测及定位装置进行输气管道泄漏检测和定位的方法，其特征在于：分别采集管线上、下游的音波数据和常规流量、压力及温度数据，采用小波变换法对采集到的音波信号进行背景噪音滤除，然后分别利用时域分析、频域分析、时频联合分析方法对音波信号进行分析，提取其时域、频域和时频域特征，结合流量、压力数据变化情况，排除外界干扰，实现泄漏信号特征提取，并采用基于相关分析法和GPS同步时间法的改进定位方法进行泄漏定位，具体实现步骤如下：

(1)利用音波传感器和由质量流量计、压力传感器、温度传感器组成的常规数据传感器组分别采集管线两端的音波信号和常规压力、流量、温度信号，经现场数据采集处理器实现模数转换后，打上GPS时间标签，由通讯网络传至中心数据汇集处理器，音波数据的采样范围为0-100Hz，常规数据的采样频率为100Hz；

(2)在中心数据汇集处理器对采集到的音波信号进行小波变换以滤除管线背景噪音，小波变换的参数为：选取sym8小波，进行5尺度分解，运用rigrsure规则和二次多项式算法进行处理；根据采集到的压力、流量和温度常规数据从中心数据汇集处理器更新相应的音波信号数据库，包括泄漏音波信号、外部干扰音波信号的时域、频域及时频域特征信息，将其作为实时数据的参比对象；

(3)对采集到的音波信号在线进行时域、频域及时频联合分析，并与数据库提供的泄漏信号及干扰信号的特征信息进行比较，判断是否有泄漏产生；时域分析的方法为，分别求取实时音波信号和数据库中信号的时域特征的相关函数，相关函数值最大的工况即认为是实际发生的工况，时域的特征量有波形与幅值、信号均值、均方值、均方根值、偏度和峰度、互协方差、累加差分、均值差分、峰值差分；频域分析包括频谱分析、功率谱密度估计分析；时频联合分析是通过短时傅里叶变换提取时频3D信息；通过音波信号的时域、频域和时频域联合分析，以及采集到的常规数据进行对比分析，进一步排除外部干扰影响；

(4)采用基于GPS时间同步法和互相关法的改进定位方法进行泄漏定位，改进的定位公式为：

其中泄漏发生的位置距离管道起点为x，这一段管道内介质的平均流速为c₁，音速为a₁，泄漏音波传播到管道起点用时t₁；泄漏发生的位置距离管道终点为L-x，这一段管道内介质的平均流速为c₂，音速为a₂，泄漏音波传播到管道终点用时t₂；Δt的求取是通过GPS时间同步法和互相关法融合的方法求解，GPS时间同步法是它是指将音波传感器采集的信号数列全部打上时间标签，当发生泄漏时，可根据信号波形上显示泄漏的位置处的时间标签计算出Δt值；互相关法为当管道未发生泄漏时，利用互相关公式得到的相关函数

将维持在某一值附近，泄漏发生后，当τ＝τ₀时r₁₂(τ)将达到最大值时，存在r₁₂(τ₀)＝maxr₁₂(τ)，即可求得泄漏音波传播到起终点传感器的时间差值，通过将两种算法进行融合，当两者存在较大偏差时，反馈重新计算，来降低时间误差；音波在管道气体介质中的传播速度与介质的压力、密度、比热和管道的材质以及传输介质的流速等均有关，考虑多方面影响，利用下式进行计算：其中a为管内音波的传播速度，m/s；ρ为气体的密度，kg/m³；K为气体的体积弹性系数，Pa；D为管道直径，m；E为管材的弹性模量，Pa^-1；e为管壁厚度，m；C₁为与管道约束条件有关的修正系数，在现场条件下进行试验，通过开关阀门模拟泄漏，利用定位公式反向计算音速，在管线正常运行过程中，通过音波传感器采集的数据和GPS接收机上传的时间标签及相关分析法可以随时修正实际的音速值，使定位更精确。

7.根据权利要求6所述的输气管道泄漏检测及定位方法，其特征在于：音波信号在管道中的衰减模型为

其解为：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{Ae}}^{-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\η}}x}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx})}+{\mathrm{Be}}^{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\η}}\text{x}}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx})},$

其中，波数 $k=\sqrt{k_f^2(1+\frac{{2B}_f/a}{(\mathrm{Eh}/a^2)-j(\mathrm{\ω}{R}_{\mathrm{rad}}+\mathrm{\ηEh}/a^2)})};$ 幅值的衰减公式为：

其中

因此，通过以上公式建立音波在管内介质中的传播理论模型，在确定管道运行工况及传感器参数已知的情况下，给出泄漏音波信号的理论最大传输距离，指导音波传感器的现场安装。

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