CN102778631B - 基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法，包括有两根传感线及两根连续性检测信号线构成的传感电缆，其泄漏检测精确定位步骤为：1）自检；2）泄漏检测；3）泄漏定位。本发明提出基于分压补偿的传感电缆泄漏感应点精确定位方法，通过自检、泄漏检测和泄漏定位的有机结合，实现了系统误差的分压补偿，提高了传感电缆的泄漏检测可靠性及感应点的定位精度。
Description
基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种传感电缆，特别是一种传感电缆的液体泄漏定位方法。
背景技术
[0002] 传感电缆作为一种新型的分布式传感器在泄漏监测应用中具有耐腐蚀、强度高、实时性好、无误报及检测灵敏度高的特点，重点用于机房、数据中心、无人值守监控站、输油管道及储油罐区等的漏水及漏油监测。由导电聚合物加工而成的传感电缆，其单位长度电阻值被精确加工并定值，当双绞传感电缆回路被液体泄漏物浸泡，则二根导电聚合物之间被短接，并使检测电阻值发生变化，由此进行泄漏检测。国内自主研发的产品大多提供检测泄漏并及时报警的功能。准确定位难的主要原因在于传感电缆不同于点感应测漏原理，其每一部分都可感应液体的存在，导电聚合物的导通是一个由点到线的过程，电阻值与电缆感应的泄漏量有关，如果将其按简单的短路或导通电阻的接入处理，将会导致较大的定位误差。目前，对传感电缆泄漏检测如何采用高精度的数字电压采集技术实现准确定位还未见文献资料介绍，相关基于阻抗突变测量的研究也重点在报警。为此，本文提出一种基于分压补偿的传感电缆泄漏检测与精确定位方法，实现了无盲区泄漏检测及准确可靠的泄漏感应点定位。
[0003] 基于恒流源的检测机理如图1所示。图中，采用燃料传感电缆，恒流源供电，高阻抗电压表检测。
[0004] 无泄漏时,如图1 (a)所示，恒流源输出电流为零；有泄漏时，如图1 (b)所示，两传感线导通，恒流源工作 ，电流大于零，泄漏感应点与检测端的距离与高阻抗电压表测得的电压成正比，由此定位泄漏位置。
[0005] 根据图1 (b)，可画出长为L、距检测端X处发生泄漏时的传感电缆泄漏检测电路拓扑结构，如图2所示，图中V1为不可测点，Vy为其等电位可测点，尽为信号线等效电阻，八为连续性检测线等效电阻。
[0006] 根据图2，可得基于恒流源的定位公式
X= Vi(Jas)
[0007] = Vb一 Fx = Irs - Vy.¾ = (β-χ + U ί L = R1IL
[0008] 式中:¾为传感线电阻系数，即单位长度电阻值；尽为长度为JT的传感线电阻值；尽4为长度为(1-Λ的传感线电阻值；尽为长度为i的传感线电阻值t为测量端到泄漏感应点间的传感线长度；Z为测量端到终止端传感线长度。
[0009] 根据上述公式可得定位相对误差: dX dV dl dat
[0010]
[0011] 其不足在于:[0012] 1、无法实现在线自检
[0013] 由泄漏检测机理可见，电路拓扑结构的工作电流基点为零，与机械零点重合，无法识别系统断电及断线等故障，也不能进行传感线电阻系数在线自校准。
[0014] 2、定位精度与恒流源稳定度有关
[0015] 电压测量误差及恒流源误差是引起定位误差的两大根源，提高电压测量及恒流源精度是提高定位精度的关键。对电压测量，目前数字测量可以达到很高精度，如采用12位A/D转换模块，采集量程5V DC的电压，测量精度可达0.025%，采用24位A/D转换模块，测量精度可达0.000006%。而对恒流源，市场上很难直接买到精度优于0.1%需求的恒流模块，主要原因有三方面:温度漂移、工作电压范围限制及离线标定误差。
发明内容
[0016] 本发明的目的就是提供一种基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法，它可以实现在线自检，并进行高精度泄漏定位。
[0017] 本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有两根传感线及两根连续性检测信号线构成的传感电缆，在检测端，与信号线I相连的传感线I通过电阻5s和控制
开关Km与信号线II相连，与信号线II相连的传感线II通过电阻&接地，传感线I和传感线
II的电阻相等，均为，信号线I的电阻为馬，信号线II的电阻为，设G为电阻A的电
压值，V&为电阻Jis电流输入端的电位值，Z为传感线的长度，Z为两根传感线泄漏导通位置
到检测端的长度，^为两根传感`线泄漏导通点的电位值，其泄漏检测精确定位步骤如下:
[0018] I)自检，在未发生泄漏时，控制开关Km闭合，在线检测回路是否存在断电或断线故障、回路电阻值是否在允许误差范围内，若自检正常则在线设置泄漏检测参考电位及传感线电阻系数，并转向步骤2)，若异常则报警；
[0019] 2)泄漏检测，控制开关Km闭合，在线连续检测判断是否有泄漏电阻TPzrai，若有泄漏则报警，并转向步骤3)，若没有泄漏则转向步骤I)；
[0020] 3)泄漏定位，控制开关Km断开，通过高精度的数字电压采集，测量同一支路的可测电阻分压比，进行精确的泄漏定位。
[0021] 进一步，步骤I)中在线检测回路是否断电或断线故障的公式为:
[0023] 式中.4为回路断电或断线标志，0标志回路连续，I标志回路断电或断线；匕为«次^测量电位均值；G为第次测量点电位值，力测量次数；为G测量标准误差。
[0024] 进一步，步骤I)中检测回路电阻值误差是否超限的检测公式为:
[0026] 式中:Sat为回路电阻值误差超限标志，O标志正常，I标志误差超限；K为第:次
Vs测量点电位值；Ys为设定的电阻值允许误差；Rmt为η次乂测量点到1^测量点间的间接测量电阻平均值。
[0027] 进一步，步骤I)中在线设置泄漏检测参考电位及传感线电阻系数的公式为:
[0029] 式中:F】为泄漏检测参考电位；％为在线传感线电阻系数，即在线自校准后的单位长度电阻值。
[0030] 进一步，步骤2)中所述的在线连续检测判断是否有泄漏电阻算法为:
[0032] 式中:3輪-滅为泄漏检测报警标志，O标志正常，I标志泄漏报警'AFm为泄漏检测报警阈值；△&为Vb测量点电位与其参考电位间的偏差值； /为《次匕测量电位均值；(61为第i次Vb测量点电位值。
[0033] 进一步，调整的方法为:
[0034] 设理论上无泄漏时Vb的电位为Ff
[0036] 设理论上有泄漏时Vb的电位为Ff
[0038] 理论上泄漏发生后Vb的电位变化值即可设置为泄漏检测报警阈值AFsi ；
[0039] 调节，改变，使，则
[0041] 合理配置，即可完成报警阈值的调整。
[0042] 进一步，步骤3)中所述进行精确的定位公式为:
[0044] 式中:¾为泄漏后《次4^测量电阻均值；2¾为第:'次Rk测量电阻值，力在线
传感线电阻系数，即在线自校准后的单位长度电阻值。
[0045]进一步，
[0047] 式中，Vx为不可测点，将其用等电位可测点Fe代替，即Vx = Fjt，可得基于分压补偿的定位公式:
[0049] 由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点:
[0050] 本发明提出基于分压补偿的传感电缆泄漏感应点精确定位方法，通过自检、泄漏检测和泄漏定位的有机结合，实现了系统误差的分压补偿，提高了传感电缆的泄漏检测可靠性及感应点的定位精度。自检的故障自诊断及自动校准提高了泄漏检测的可靠性；泄漏检测的报警阈值与泄漏感应点的位置无关，容错范围大，实现了无盲区、无误报的泄漏检测；泄漏定位感应点位置与同一支路的可测电阻分压比成正比，与回路电压的波动及阻抗的时变性无关，定位准确可靠。
[0051] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
[0052] 本发明的附图说明如下。
[0053] 图1为基于恒流源的泄漏检测机理图；
[0054] 图2为图1的泄漏检测电路拓扑结构图；
[0055] 图3为本发明分压补偿检测与定位电路结构示意图。具体实施方式
[0056] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0057] 如图3所示，分压补偿检测与定位电路需要通过自检模式、泄漏检测模式及泄漏定位模式的有机结合，才能实现可靠的基于分压补偿的泄漏检测及精确的感应点定位。首先执行自检模式、然后执行泄漏检测模式，最后在泄漏报警后执行泄漏定位模式。
[0058] 1、自检模式:
[0059]自检模式等效电路如图3 (b)所示，控制开关Km闭合，在线检测回路是否存在断电或断线故障、回路电阻值是否在允许误差范围内。
[0060] 断电或断线故障自检算法
[0062] 式中:¾为回路断电或断线标志，0标志回路连续，I标志回路断电或断线；匕为
η次L测量电位均值；K为第i次Vb测量点电位值；n为测量次数；^为Fs测量标准误差。
[0063] 回路电阻值误差超限检测算法
[0065] 式中:为回路电阻值误差超限标志，0标志正常，I标志误差超限；K为第i次
Ve测量点电位值；Ys为设定的电阻值允许误差；Rm为η次^测量点到~测量点间的间接测量电阻平均值。
[0066] 泄漏检测参考电位及传感线电阻系数在线设置算法
V0B=Vb
[0067] ab=(RbR-Rr)L [0068] 式中:V0b为泄漏检测参考电位;ab为在线传感线电阻系数，即在线自校准后的单
位长度电阻值。
[0069] 2、泄漏检测模式[0070] 泄漏检测模式等效电路如图3 (c)所示，控制开关Km闭合，在线连续检测是否有泄漏电阻兄&并入检测回路。
[0071] 泄漏检测报警阈值设置算法
[0072] 理论上无泄漏时％电位:
[0073]
[0074] 理论上有泄漏时Vb电位:
[0075]
[0076] 理论上泄漏发生后Vb电位变化值即可设置为泄漏检测报警阈值:
[0077] AFm = F^-Vf
[0078]若调节，改变，使则
[0079]
[0080] 因此，只要合理配置P‘0 ,可以得到满足需要的最小电位变化，并可将该变化值设定为报警阈值，这也是提高传感电缆泄漏检测报警阈值容错范围的关键所在。
[0081 ]例如:若 U = 12 V ,只/ =咖 Ω , % = 10000 Q , I = 225 m , 3000 Q , Rm - 60 Q
,^ = 60 Ω,由实验测试无泄漏时Fb电位测量值的标准误差σ£0.5mV ,模拟微小泄漏时Rleak = 36000Ω ,则(¾ + Rs+ Rv)//Rleak = 9583'4Ω。
[0082] 由公式可得:
[0083] Ff = 74.0 mV , Vf= 94.17 rnV
[0084] AVm = 20,18 mV
[0085] 因此，在225米的监测范围内，可将报警阈值由= 4 σ= 2 mV提高到 = 20.18 mV ,从而容错范围大，在很小泄漏发生时，也不会有误报及漏报发生。
[0086]例如:同理,若 i = 22.5 m , ^ = 300 Q, Ri = 6 Ω , R1 = 6 Ω ,可得:
[0087] AFfts = 30.52 rnV。
[0088] 泄漏检测报警算法
[0090] 式中:S融-滅为泄漏检测报警标志，O标志正常，1标志泄漏报警；为泄漏检测报警阈值Δvb为vb测量点电位与其参考电位间的偏差值；为n次匕测量电位均
值；G为第i次Vb测量点电位值。
[0091] 3、泄漏定位模式及算法
[0092] 泄漏定位模式等效电路如图3 (d)所示，控制开关Km断开，通过高精度的数字电压采集技术，测量同一支路的可测电阻分压比，即可进行精确的泄漏定位。
[0093] 基于分压补偿的精确定位原理
[0094]
[0095] 式中Fr为不可测点，将其用等电位可测点Fa代替，即Fi = Fit，可得基于分压补偿的定位公式
[0096]
[0097] 由式可见，基于分压补偿的定位算法与同一支路的可测电阻分压比成正比，与回路电压的波动及阻抗的时变性无关。
[0098] 目前精密电阻的精度可以高达0.01%，因此，通过选用精密电阻，电阻A引起的误
差可以忽略，可得基于分压补偿的相对定位误差
[0099]
[0100] 恒流源误差项被电压测量误差项取代，提高恒流源精度转换为提高可测点VR，及s的分压测量精度，定位精度从两方面得到有效提高:
[0101] 通过两项分压相对误差之差，补偿了测量中存在的系统误差，有效提高了定位精度；
[0102] 采用高精度的数字电压采集技术，测量误差得到进一步降低。
[0103] 基于分压补偿的精确定位算法
[0104]
[0105] 式中:rx为泄漏后n次Rz测量电阻均值；rx为第i次 rx测量电阻值。[0106] 定位引用误差:
[0107]
[0108] 式中:Zs为实际泄漏位置。
[0109] 为了验证提出方法的有效性和正确性，采用长£ = 22.5 m的4线漏水监测电缆，按图3 (a)构成检测电路，离线测试& 二 300Ω, ^ = 8.18Ω,从检测端到终止端模拟八个漏点(0.0 m, 0.1m -J.4m, 7.5m ； 14.9 m, 15.0m ；22.4m, 22.5m)，漏量大小控制在瞬间作用到感应线的长度约为0.5cm，模拟很小泄漏发生，设置报警阈值,选用16位的A/D转换模块，A/D转换分辨率为0.08mV,实验结果如表1、表2及表3所示。
[0110] 表1自检模式监测数据
[0111]
[0112] 表2检测模式监测数据
[0113]
[0114] 表3定位模式监测数据
[0115]
[0116] 对比分析同一模式及不同模式的测试数据可知:
[0117] 正常状态下，由于电路内在噪声、环境电磁干扰及温度变化对电阻的影响，监测电压及其标准误差、间接测量的电缆电阻及其相对误差均在一定的范围波动；若波动超限，则工作状态异常或存在故障。为实时自诊断监测系统自身存在的故障，自校准设置参数，提高泄漏监测系统的可靠性及准确性，自检模式必须周期循环自动运行；
[0118] 在检测模式下，泄漏后的检测电位值变化无规律，标准误差也大于自检模式，其原因就在于泄漏导通电阻并入检测回路，其时变性造成检测回路电流的波动，波动的电流引起检测电位值无规律变化，但变化的数值远大于数十倍正常状态下的标准误差，并且与泄漏感应点的位置无关，因此，可设置容错范围大的报警阈值，实现无盲区、无误报的泄漏检测；
[0119] 在定位模式，泄漏感应点位置与同一支路的可测电阻分压比成正比，实现了系统误差的分压补偿，与回路电压的波动及泄漏导通电阻的时变性无关，定位准确可靠，在实验条件下，最大引用误差为0.16%。
[0120] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法，包括有两根传感线及两根连续性检测信号线构成的传感电缆，其特征在于，在检测端，与信号线I相连的传感线I通过电阻Rd和控制开关Km与信号线II相连，与信号线II相连的传感线II通过电阻R1接地，传感线I和传感线II的电阻相等，均为&，信号线I的电阻为RY，信号线II的电阻为RK，设Vb为电阻R1的电压值，Vk为电阻Rk电流输入端的电位值，L为传感线的长度，X为两根传感线泄漏导通位置到检测端的长度，Vx为两根传感线泄漏导通点的电位值，其泄漏检测精确定位步骤如下: O自检，在未发生泄漏时，控制开关Km闭合，在线检测回路是否存在断电或断线故障、回路电阻值误差是否超限，若自检正常则在线设置泄漏检测参考电位及传感线电阻系数，并转向步骤2)，若异常则报警； 2)泄漏检测，控制开关Km闭合，在线连续检测判断是否有泄漏电阻R^k,若有泄漏则报警，并转向步骤3)，若没有泄漏则转向步骤I)； 3)泄漏定位，控制开关Km断开，通过高精度的数字电压采集，测量同一支路的可测电阻分压比，进行精确的泄漏定位。
2.如权利要求1所述的基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法，其特征在于，步骤I)中在线检测回路是否断电或断线故障的公式为: 
式中，Sb为回路断电或断线标志，O标志回路连续，I标志回路断电或断线力η次Vb测量电位均值.ή为第i次Vb测量点电位值；n为测量次数；σ B为Vb测量标准误差。
3.如权利要求1所述的基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法，其特征在于，步骤I)中检测回路电阻值误差是否超限的检测公式为: 
式中:SBK为回路电阻值误差超限标志，O标志正常，I标志误差超限'K为第i次Vk测量点电位值；Y为设定的电阻值允许误差；Rbk为η次Vk测量点到Vb测量点间的间接测量电阻平均值。
4.如权利要求3所述的基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法，其特征在于，步骤I)中在线设置泄漏检测参考电位及传感线电阻系数的公式为:
式中:^为泄漏检测参考电位；a B为在线传感线电阻系数，即在线自校准后的单位长度电阻值。
5.如权利要求1所述的基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法，其特征在于，步骤2)中所述的在线连续检测判断是否有泄漏电阻R^k算法为:
式中:SalOT—lMk为泄漏检测报警标志，0标志正常，I标志泄漏报警；AVBth为泄漏检测报警阈值；Λ Vb为Vb测量点电位与其参考电位间的偏差值；F/为η次Vb测量电位均值；Vi为第i次Vb测量点电位值，U为泄漏检测参考电位。
6.如权利要求5所述的基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法，其特征在于，调整AVBth的方法为: 设理论上无泄漏时Vb的电位为Vf
U表示直流电源供电电压、Rl_x表示长度为(L-X)的传感线电阻值；RX表示两根传感线泄漏导通位置到检测端电阻、&表示长度为L的传感线电阻值； 设理论上有泄漏时Vb的电位为Ff
理论上泄漏发生后Vb的电位变化值即可设置为泄漏检测报警阈值AVBth ； 调节Rd,改变r，m <昏r ,则 
合理配置rd，即可完成报警阈值的调整。
7.如权利要求5所述的基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法，其特征在于，步骤3)中所述进行精确的泄漏定位公式为:
式中:t为泄漏后n次Rx测量电阻均值；Kx为第i次Rx测量电阻值，α Β为在线传感线电阻系数，即在线自校准后的单位长度电阻值。
8.如权利要求7所述的基于分压补偿的传感电缆泄漏检测精确定位方法，其特征在于: Rx= (VVb)VVb 式中，Vx为不可测点，将其用等电位可测点Vk代替，即Vx = Vk，可得基于分压补偿的定位公式: 
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