CN103245454B - 一种非侵入式管道实时监测和预警及故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种非侵入式管道实时监测和预警及故障定位方法，属于管道系统温度压力监测和管道系统故障诊断技术领域，采用的方法包括三个方面，温度压力实时监测：压力监测和温度监测采用非侵入式测量方法，压力监测采用超声波非侵入式测量，温度采用传统温度传感器非侵入式测量，其传感器都是安装于管道外壁；预警：通过设计数据库对故障信号进行预警，故障定位：采用负压波检漏法对管道系统故障位置定位。

Description

一种非侵入式管道实时监测和预警及故障定位方法

技术领域

本发明涉及对管道系统温度压力监测和管道系统故障诊断的技术领域，特别是涉及一种利用超声波技术来实现管外压力实时监测和管道系统的故障诊断，以及利用温度传感器实现管外温度实时监测。

背景技术

传统的压力测量方法是在被测点安装温度传感器、压力传感器,由感温、感压元件直接与被测介质相接触,把温度、压力值转换成电信号并以与现场相适应的方式向外温度传输,包括有线和无线等方式。这种方法的优点是简单、直接,传感器直接感受到压力的变化。但是用这种方法进行测量的时候必须在被测点做压力、温度传感器的安装,而这在很多场合是不允许的。同时把传感器安装于管道内部，采用传统压力、温度测量方法,既不方便又容易留下安全隐患，还影响介质的流动。对于长距离管道系统因流体泄漏，可能引起安全事故，因此不仅要对管道系统温度压力实时监测，还要通过实现对管道泄漏时的压力实时检测，确定发生泄漏的位置，为泄漏事故的及时检修提供方便，将可以最大限度地减少经济损失和资源浪费，尽可能地避免环境污染和安全事故的发生，具有极为重要的现实意义。随着社会发展人们在追求简单、方便、安全的测温测压以及管道故障定位装置。人们在改善这种工具方面进行了大量的探索和研究，也生产出了许多新型的产品，但是统观市场发现非侵入式管道实时监测和预警及故障定位装置仍没有得到很好的发展。

中国专利申请号为921087772《超声波管外测压方法及仪器》公开了一种基于超声波的测压方法及仪器，该仪器只能实现一次测量，不能对管道压力实时监测，同时该专利采用单个换能器进行发射和接收，主要有以下问题：首先要对回波进行判断，这样增加了电路的复杂程度；其次如果管道内壁的反射面不光滑会对回波产生很大的影响，使测量得到的结果会产生误差；最后温度对超声波的传送会有很大的影响，该仪器没有对温度影响做出相应的校正。

与本发明最接近的文献是《超声波石油管道压力测量及应用》(宋利、黄钉劲、阮照军，《国外电子测量技术》2006，Vol.25,No.10)。该文献提供了一种非侵入式管道压力测量的方法，该方法采用了双晶探头对管道压力测量，通过超声波传送的时间差得出压力。同样该方法没有提出对管道压力的实时监测，同时该方法也没有对温度对管道压力影响进行补偿，也没有对元器件的迟滞时间进行补偿，这样就使测得的压力结果会有很大的误差，同时该文献也并没有提及对管道温度压力的实时监测。

针对上述已有状况，本发明提出了一种非侵入式管道实时监测和预警及故障定位方法，本发明控制芯片采用DSP，处理数据速度快，通过用定时器的周期中断不停地启动装置产生超声波对压力进行实时监测，由于周期中断时间相当短，故可以视为连续采样，从而达到管道压力实时监测。同时本发明通过DSP的串行通信接口与计算机进行通信，把采集得到的数据传送到计算机，然后通过计算机界面反映出压力实时变化的波形图。本发明采用负压波检漏法，当输送管道发生泄漏时可以准确定位管道泄漏点位置，负压波检漏法不需要数学模型，计算量小，适用于发生快速的、突发性泄漏的场合，并且大多数只用压力信号，特别适合我国管道应用。本发明采用双晶直探头，发射换能器和接收换能器分别安装于管道的两侧，这样不需要对反射回波进行判断，减少了电路的复杂程度，同时本发明添加了温度测量装置，通过测得的不同温度对压力的影响，进而对压力进行校正。本发明特别适合实时监测系统，同时本发明的键盘扫描单元可以对管道参数和介质参数进行设置，这使本发明能适用各种内径、各种介质、各种材料的管道系统。

发明内容

本发明目的是为了克服传统的管道侵入式温度、压力测量系统和现有非侵入式压力测量系统的不足，提出一种非侵入式管道实时监测和预警及故障定位方法，本发明主要体现该系统及方法的实时性，使用方便、安全，不破坏管道系统整体特性的完整性，同时能准确的定位管道系统故障的位置。

本发明采用的技术方案是：本发明是一种非侵入式管道实时监测和预警及故障定位方法，主要由超声波发射换能器，超声波接收换能器，温度传感器，超声波激振电路，接收电路，数据处理单元，键盘扫描、显示、报警、串行通信单元、金属罩，定位装置组成。该方法的实现步骤如下：

步骤1.超声波换能器采用双晶纵波直探头，换能器对称的安装与管道两侧，通过超声波在管道中传送的时间差将管道内压力反映出来，并且同过控制单元的周期中断连续的启动测量装置，从而达到压力实时监测，高精度的温度传感器安装于管道外壁，并在传感器表面涂上隔热涂层，管道与温度传感器之间用热导硅胶连接，这样减少外界温度对传感器的影响，在温度传感器和超声波换能器外安装金属罩，避免外界对传感器的损坏，同时在每对超声波换能器旁安装噪音传感器，用于检测背景噪音，提高超声波换能器的测量精度；

步骤2.对于整个管道系统，要采用多点测量，在管道系统中换能器和温度传感器及定位装置的安装：在管道拐弯处、升降处外壁安装超声波换能器和温度传感器，在管道非弯曲段的管道外壁按照一定的间距安装超声波换能器和温度传感器，并在每一对超声波换能器和温度传感器安装点安装一个定位装置，获取位置信息，同时本发明采用液体输送管道泄漏检测方法，对管道泄漏点进行定位；

步骤3.温度传感器通电后开始工作，通过数据处理单元的A/D转换实现管道系统温度实时监测；通电后，压力的实时监测如下所述：(1)数据处理单元启动定时器T0开始计时，同时数据处理单元发射信号启动超声波发射控制单元，超声波发射控制单元产生一定频率和幅值的脉冲信号激发超声波发射换能器，超声波发射换能器产生超声波透过管道送至接收换能器，接收换能器把接收到的信号经过转换送至数据处理单元，数据处理单元经过处理得出第一次测量的压力值；(2)数据处理单元接收到第一次测得的信号过后立刻启动另一个定时器T1开始定时，通过T1的周期中断再次启动定时器T0并且发射信号启动超声波发射控制单元，重复(1)的过程从而得出第二次压力值；(3)经过重复(1)、(2)的过程，不断循环得出压力值从而实现压力实时监测；

步骤4.通过实验数据对被测压力值进行校正，其方法如下：取被测介质，用高精度的压力表测量该介质在不同温度下的压力值，在与用超声波测压法测量得到的压力值进行比较，得出它们不同温度下的差值_Δp，并把不同温度下的差值建立数据库，在现场测量中根据不同温度进行压力值补偿；

步骤5.通过定位装置获得每个安装点的位置信息，与该位置的温度、压力信息组合成一帧数据，多个安装点数据依次形成多帧数据，建立历史数据库，以此为基础，通过信号处理建立管道不同位置的温度三维模型、压力三维模型；

步骤6.根据管道系统正常工作的历史数据、温度和压力变化规律，确定不同位置温度和压力变化阈值；如果实际监测的温度和压力变化超过所设定的相应的阈值，则通过报警单元报警，确定温度和压力异常地段，并利用信号处理方法，计算出故障位置，进行相应地处理。

本发明还有键盘扫描、显示、报警单元，键盘扫描主要是用于设置管道的参数以及介质的参数，以便能适用于不同管材、不同介质的温度压力测量，同时键盘扫描单元也能设定管道温度压力的上限值和下限值，如果管道压力或者是温度超过上限或者下限值就通过报警装置报警。串行通信单元电脑连接，通过计算机反映出压力变化的波形。如果测得的压力值和温度值与管道系统正常工作的压力值和温度值有很大差别，则通过报警单元报警，这样可以减少安全事故，同时也能让维护人员及时维修管道，减少损失。

定位装置获得每个安装点的位置信息，与该位置的温度、压力信息组合成一帧数据，多个安装点数据依次形成多帧数据，建立历史数据库，以此为基础，通过信号处理建立管道不同位置的温度三维数据模型、压力三维数据模型。

附图说明

图1是一种非侵入式管道实时监测和预警及其故障定位方法结构框图，图1中有1.发射换能器，2.接收换能器，3.温度传感器,4.管道5.超声波发射控制单元，6.接收控制单元，7.数据处理单元，8.键盘扫描、显示、报警、与计算机通信单元，9.噪音传感器，10.GPS接收机。

图2是一种非侵入式管道实时监测和预警及其故障定位方法换能器很温度传感器安装示意图，图2中有1.超声波发射换能器，2.接收换能器，3.温度传感器,4.管道，11.金属罩。

图3是一种非侵入式管道实时监测和预警及其故障定位方法的管道系统传感器安装示意图；

图3中有12.管道始节点，13.管道末端节点，14.定位装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明是一种非侵入式管道实时监测和预警及故障定位方法，主要由中发射换能器1、接收换能器2、温度传感器3、管道4、超声波发射控制单元5、接收控制单元6、数据处理单元7、键盘扫描、显示、报警、与计算机通信单元8、噪音传感器9组成。发射换能器1和接收换能器2是一对双晶直探头，发射换能器1的中心频率为2.5MHZ。数据处理单元7采用TMS320F2812，该DSP成本低，时钟频率可达150MHz，运算处理数据速度快，内部资源丰富。超声波发射控制单元5主要功能是通过控制电路启动发送控制单元产生一个具有一定功率、一定脉冲宽度、一定频率的电脉冲激发超声波发射换能器产生超声波。本发明利用555时基集成电路构成超声波发射控制电路，需要很少的附加元件、简单经济。接收控制单元包括超声波接收控制和温度数据处理，超声波接收控制主要是把超声波接收换能器接收到的微弱信号经过滤波，放大、检波、整形得到足够大的电信号传送到数据处理部分，本发明采用专用集成电路LM1808，外围元件少、调试方便。

温度数据处理主要是把温度传感器测量到的信号经过滤波、放大后送到TMS320F2812的A/D转换单元，测得实时的温度值，并且根据实验建立的数据库对压力值进行补偿。温度传感器采用LM35CAN,LM35CAN是精密集成电路温度传感器，其输出的电压线性地与摄氏温度成正比，灵敏度为10.0mV/℃，精度在0.4摄氏度至0.8摄氏度，工作温度范围在-40摄氏度至110摄氏度。噪声传感器主要接收噪声信号特征，为信号很好的分析出背景噪音，这为后续故障分析提供了便利。

如图2所述，本发明发射换能器1和接收换能器2对称粘贴在管道的两侧，粘贴前要对管道进行处理，首先要去除管道外表面涂层、铁锈、凹凸不平的地方要打磨平整，管壁与换能器之间要涂膜一层耦合剂，本方法中选择的是导热硅脂。超声波接收和发射换能器外用金属罩保护着，抽掉金属罩内的空气，使换能器处于真空环境中，首先避免了外界的损坏，其次避免了外界因素的影响。温度传感器3直接安装在管道的外壁，安装前也要对管道外壁进行处理，首先除去漆、铁锈，凹凸不平的地方要打磨平整。温度传感器3与管壁用导热系数高的热导硅胶粘贴，粘贴过后，传感器表面涂上绝热涂层，与外界温度隔开，避免外界温度影响。同样温度传感器外安装金属罩，使温度传感器与外界隔离，避免了外界的损坏和外界因素的影响。

如图3所述，本图揭示了管道系统传感器安装示意图，在整个管道系统中要多点测量，对于管道系统中换能器和温度传感器及定位装置的安装：在管道拐弯处、升降处外壁安装超声波换能器和温度传感器，在管道非弯曲段的管道外壁按照一定的间距安装超声波换能器和温度传感器；并在每一对超声波换能器和温度传感器安装点安装一个定位装置；当输送管道发生泄漏时，以泄漏处为界，视输送管道为上、下游两个管道，由于输送管道内外压差的存在，使得泄漏处的液体迅速流失，压力突降。当以泄漏前的压力作为参考标准时，泄漏时产生的减压波就称为负压波。该负压波将以一定的速度向管道两端传播，经过若干时间后分别被上、下游的压力传感器检测到。根据检测到的负压力波的波形特征，就可以判断是否发生了泄漏，再根据负压力波传到上、下游传感器的时间差和负压力波的传播速度就可以进行泄漏点的定位。

更具体地说，测量装置安装完成过后开始通电工作，数据处理单元7启动通用定时器T0并且开始计时，同时数据处理单元7的GPIOA0引脚发出高电平信号启动超声波发射控制单元5产生一定频率和幅值的信号启动超声波发射换能器1，超声波发射换能器1把电信号转换成声信号，声波信号透过管道4至超声波接收换能器2，接收换能器2把接收的声波信号转换成电信号传至接收控制单元6，接收控制单元6把接收到的信号经过滤波、放大、检波、整形处理过后送至数据处理单元7，数据处理单元接收到信号后通过中断立刻停止计时，计得时间t，并且通过压力和时间的关系求得压力。

压力和时间满足关系式：

$\frac{c}{c_0}=p\×k---\left(1\right)$

$c=\frac{d}{t-2t_2-t_3}---\left(2\right)$

$p=\frac{d}{(t-2t_2-t_3)*(k\×c_0)}---\left(3\right)$

式中：C-管道中介质的声速，m/s；C0-常温一个大气压下管道中介质的声速，m/s；P-管道中介质压力,Pa；K-比例系数；t1-声波在管道介质中的传播时间,s；t2-声波在管道壁的传播时间,s；t3-系统的延迟时间，s；d-管道的内径，m；

式中k的确定可以通过实验方法得出，取介质在压力为p的容器中，通过超声波换发射超声波和超声波接收换能器得出超声波在介质中的传播时间，从而得出压力p是超声波在介质中的传播速度c而独处k值。式中系统的延时时间可以根据采用芯片的参数确定。

通过式(1)(2)(3)可以得出管道的压力。

数据处理单元中断T0过后，立刻启动通用定时器T1，定时周期为0.01s，通过T1的周期中断再次启动T0计时，并且发出启动信号开始进行第二测量管道压力，通过这样循环达到管道压力实时监测。

通电过后，温度传感器开始工作，温度传感器测得的数据经过滤波、放大过后送至数据处理单元的A/D转换器，经过数据处理单元的A/D转换器得到温度值。TMS320F2812具有12位的ADC内核，时钟频率最高可达25MHz，采样频率最高位12.5MPS，本发明采用TMS320F2812的级联顺序采样，直接采用TMS320F2812的ADCINA0引脚进行数据输入，其余的DAC转换引脚接地，其采样得到的数据为：

V＝((float)AdcRegs.RESULT0)*3.0/65520.0  (4)

T＝V/(10*A)  (5)

式中：AdcRegs.RESULT0-TMS320F281的ADC数据存储器

T-温度值

A-放大倍数

通过温度传感器连续的采集数据从而实现温度实时监测。

测得温度过后，根据实验建立的数据库对温度进行校正。经过校正后得到的压力为：

p＝p₀+_Δp  (6)

式中：

p-校正过后的压力值，Pa；p₀-校正前求得的压力值，Pa；_Δp-温度对压力的补偿值，Pa；式中_Δp是通过实验现场实验获得的数据。_Δp获得及数据库建立的具体方法如下述：取被测介质，用高精度的压力表测量该介质在不同温度下的压力值，其中不同温度应在现场温度变化范围内，再与相同条件下超声波测量装置测得的压力值比较，得出它们不同温度下的差值_Δp即是温度补偿值，并把不同温度下的温度补偿值建立成数据库，以便在现场使用时对不同温度下的温度补偿值进行调用。

根据负压波传播到两端的时间差和压力波的传播速度进行定位，该方法具有很快的相应速度和较高的定位精度。定位公式为

$x=\frac{l-v*\mathrm{\Δt}}{2}---\left(7\right)$

其中：x-泄漏点距起始端的距离，m；l-管线全长，m；V-压力波波速，m/s。

本发明为了准确获得泄漏引发的压力波传播到上下游传感器的时间差，需要准确的捕捉到泄压波信号序列的对应特征点。由于供应现场中的一些干扰因素，采集到压力波信号序列附加了大量噪声，为了准确提取信号，利用小波分析对信号进行处理。

管内压力波的传播速度决定于液体的弹性、液体的密度、和管材的弹性：

$v=\sqrt{\frac{k/\mathrm{\ρ}}{1+\left[(k/E)(D/e)\right]c_1}}---\left(8\right)$

式中：V-管内压力波的传播速度，rn/s；K-液体的体积弹性系数，Pa；ρ-液体的密度，Kg/m³；E-管材的弹性，Pa；D-管道直径，m；e-管壁厚度，m；C₁-与管道约束条件有关的修正系数；上述公式描述了波速和温度密度以及管道特征之间的关系，但是其中大部分参数很难准确获得，在实际使用时需要根据现场情况进行调整。根据上述公式可以准确的定位到泄漏点。

通过定位装置获得每个安装点的位置信息，与该位置的温度、压力信息组合成一帧数据，多个安装点数据依次形成多帧数据，建立历史数据库，以此为基础，通过信号处理建立管道不同位置的温度三维模型、压力三维模型，通过计算机界面显示。最后把测得的温度、压力信号送至按键扫描、显示、报警、串行通信单元。如果管道出现问题，则通过报警装置报警，并根据负压波传播到两端的时间差和压力波的传播速度进行定位，这样可以及时有效的发现管道泄漏、盗窃现象，避免了损失和水、气资源的巨大浪费、避免因为泄漏和偷盗造成环境污染；减少了不必要的事故，也便于进行快速维修。键盘扫描单元是对不同介质、不同管道材料的参数进行设置，使该测量装置有了更加广的应用领域。

Claims (1)

1.一种非侵入式管道实时监测和预警及故障定位方法，其特征在于：它依次包括下述步骤：

步骤1.高精度的温度传感器安装于管道外壁，并在传感器表面涂上隔热涂层，超声波换能器对称安装于管道两侧，在温度传感器和超声波换能器外部安装金属罩，避免仪器受到外界损坏，同时超声波接收换能器附近安装噪音传感器，用于检测背景噪音；

步骤2.对于管道系统中换能器和温度传感器及定位装置的安装：在管道拐弯处、升降处外壁安装超声波换能器和温度传感器，在管道非弯曲段的管道外壁按照一定的间距安装超声波换能器和温度传感器；并在每一对超声波换能器和温度传感器安装点安装一个定位装置,获取位置信息，并且系统采用液体输送管道泄漏检测方法，对管道泄漏点进行定位；

步骤3.温度传感器通电后开始工作，通过数据处理单元的A/D转换实现管道系统温度实时监测；通电后，压力的实时监测如下所述：(1)数据处理单元启动定时器T0开始计时，同时数据处理单元发射信号启动超声波发射控制单元，超声波发射控制单元产生一定频率和幅值的脉冲信号激发超声波发射换能器，超声波发射换能器产生超声波透过管道送至接收换能器，接收换能器把接收到的信号经过转换送至数据处理单元，数据处理单元经过处理得出第一次测量的压力值；(2)数据处理单元接收到第一次测得的信号过后立刻启动另一个定时器T1开始定时，通过T1的周期中断再次启动定时器T0并且发射信号启动超声波发射控制单元，重复(1)的过程从而得出第二次压力值；(3)经过重复(1)、(2)的过程，不断循环得出压力值从而实现压力实时监测；

步骤4.通过实验数据对被测压力值进行校正，其方法如下：取被测介质，用高精度的压力表测量该介质在不同温度下的压力值，再与用超声波测压法测量得到的压力值进行比较，得出它们在相同条件下的差值，并把不同温度下的差值建立数据库，在现场测量中根据不同温度进行压力值补偿；

步骤5.通过定位装置获得每个安装点的位置信息，与该位置的温度、压力信息组合成一帧数据，多个安装点数据依次形成多帧数据，建立历史数据库，以此为基础，通过信号处理技术建立管道不同位置的温度三维模型、压力三维模型；

步骤6.根据管道系统正常工作的历史数据、温度和压力变化规律，确定不同位置温度和压力变化阈值；如果实际监测的温度和压力变化超过所设定的相应的阈值，则通过报警单元报警，确定温度和压力异常地段，并利用信号处理方法，计算出故障位置，进行相应地处理。