CN103292160B - 管道泄漏的超声波检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道泄漏的超声波检测装置及方法，其是通过在管道或者管道接头的两端分别设置有发射超声换能器与接收超声换能器，发射超声换能器发射超声波信号，接收超声换能器接收超声波信号，利用前置放大器对信号进行放大处理，信号采集器采集信号后经过计算机进行相关相消方法处理提取出缺陷信号，从而判断管道是否发生泄漏，本发明的装置结构简单、操作方便、检测结果准确，检测精度较高，并可进行实时监控，而且本发明的方法不仅能够检测出传输管道上发生的泄漏，还能检测出发生在管道接头处的泄漏，其检测灵敏度和准确性较高，抗干扰能力强，提高了接收信号的信噪比，同时结合信号的相关相消处理，可以有效提取缺陷信号。

Description

管道泄漏的超声波检测装置及方法

技术领域

本发明属于管道检测技术领域，特别涉及一种管道泄漏的超声波检测装置及方法。

背景技术

在石油工业中，管道是非常重要的运输设备，但是由于侵蚀、机械故障、施工等原因都会造成管道泄漏，不仅会造成一定的经济损失，而且可能会引起爆炸等灾难性事件。因此，对于管道泄漏的检测，对于石油和天然气工业领域具有重要的意义。

目前管道泄漏的现象已经引起了有关部门及科研院所的高度重视，有很多单位开展了管道泄漏检测技术的研究，部分受破坏严重的管道已经安装上了泄漏检测装置。这些检测装置对避免管道泄漏事故的进一步扩大也起到了非常重要的作用。一般的管道泄漏检测方法主要是基于管道内流体的压力、流量变化、超声波或漏磁技术来判断是否存在泄漏事故。

管道接头在管道检测中被称为不可检测区域。在检测中，传输管道和管道接头并不能视为一个整体，在接头处的检测信号很容易被干扰并掩盖，这样就不能提取出泄漏信号，也无法检测到管道接头处是否发生泄漏。

发明内容

为了克服现有技术中无法检测管道接头处发生泄漏的问题，本发明提供了一种抗干扰能力强、灵敏度高、检测精度高并可实时检测的管道泄漏的超声波检测装置。

本发明还提供了一种抗干扰能力强、检测精度高且能够有效防止泄漏事故的发生的管道泄漏的超声波检测方法。

本发明实现上述目的所采用的技术方案包括信号发生器、发射超声换能器、接收超声换能器、前置放大器、信号采集器和计算机；

信号发生器：产生功率为10～50W的电信号；

发射超声换能器：设置在管道一端管壁上，通过传输电缆与信号发生器的输出端相连接，接收信号发生器产生的电信号，并转化为声信号沿着管道传输出去；

接收超声换能器：沿流体流动方向设置在管道另一端管壁上，接收发射超声换能器输出的声信号，并转换成电信号输出；

前置放大器：通过传输电缆与接收超声换能器相连接，并将收集的电信号进行放大处理；

信号采集器：通过传输电缆与前置放大器相连接；

计算机：通过数据线与信号采集器相连接，接收信号采集器输出的信号，并将其与所存储的未发生泄漏时的信号进行相关相消处理，判断管道是否有泄漏。

上述传输电缆是同轴电缆。

上述信号发生器产生的电信号为矩形脉冲信号，其频率为1～5MHz，脉冲宽度为信号周期的二分之一。

上述发射超声换能器与接收超声换能器为压电超声换能器，其频率为1～5MHz，带宽不小于其中心频率的30%。

本发明还提供了一种用上述管道泄漏的超声波检测装置检测管道的方法，由以下步骤组成：

（1）信号发生器产生功率为5～50W的电信号，通过传输电缆传输给设置在管道一端管壁上的发射超声换能器；

（2）发射超声换能器将接收到的电信号转换成声信号，并沿管道壁传输；

（3）设置在管道另一端的接收超声换能器接收发射超声换能器输出的声信号，并将声信号转化为电信号传输给前置放大器；

（4）前置放大器将接收的电信号进行放大处理，并通过传输电缆输送至信号采集器后传输给计算机，计算机对所接收到的信号与计算机中存储的未发生泄漏时接收的信号进行相关相消处理，得到缺陷信号s，并判断，若处理所得的缺陷信号s是一条直线或缺陷信号s中含有幅度小于正常管道传输信号0.1倍的噪声信号，则管道无泄漏发生；若缺陷信号s中含有幅度大于正常管道传输信号0.1倍的突变信号，则管道上有泄漏发生。

上述步骤（4）中，相关相消处理方法是：

4.1）将没有泄漏时的管道正常传输信号作为参考信号x，测量管道泄漏时接收到的信号为y，对测量信号y进行线性变换，即：

m＝Hy

其中，H为变换矩阵；

4.2）根据差信号e与测量信号y的不相关性，将线性变换后的信号m与参考信号x进行差信号处理，去掉测量信号y中与参考信号x相关的部分，得出差信号e，即代表测量信号y中的管道泄漏信息，具体公式如下：

R_ey＝E[ey^T]=E[(x-m)y^T]＝E[(x-Hy)y^T]＝0

由上式，可得变换矩阵H的表达式为：H＝E[xy^T]E[yy^T]^-1＝R_xyR_yy ^-1，

可得差信号e＝x-m＝x-Hy；

4.3）对得到的代表测量信号y中的管道泄漏信息的差信号e用带通滤波器滤波，得到缺陷信号s。

本发明提供的管道泄漏的超声波检测装置是通过在管道或者管道接头的两端分别设置有发射超声换能器与接收超声换能器，由管道一端的发射超声换能器发射超声波信号，管道另一端的接收超声换能器接收超声波信号后，利用前置放大器对信号进行放大处理，信号采集器采集信号后经过计算机进行相关相消方法处理提取出缺陷信号，从而判断管道是否发生泄漏，本发明的装置结构简单、操作方便、检测结果准确，检测精度较高，并可进行实时监控，而且本发明的方法不仅能够检测出传输管道上发生的泄漏，还能检测出发生在管道接头处的泄漏，其检测灵敏度和准确性较高，抗干扰能力强，提高了接收信号的信噪比，同时结合信号的相关相消处理，可以有效提取缺陷信号，能够有效防止人为或正常泄漏事故的发生，可广泛应用于各种管道及接头的泄漏信号检出。

附图说明

图1为实施例1的装置结构示意图。

图2为管道泄漏的超声波检测方法的相关相消原理图。

具体实施方式

现结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述实施的情形。

实施例1

如图1所示，本实施例的管道泄漏的超声波检测装置由信号发生器1、发射超声换能器2、接收超声换能器3、前置放大器4、信号采集器5以及计算机6连接构成。

本实施例的发射超声换能器2安装在输油管道接头的一侧管壁上，接收超声换能器3安装在输油管道接头的另一侧管壁上，发射超声换能器2通过同轴电缆与信号发生器1连接，接收信号发生器1产生的电信号，并转化为声信号沿着输油管道传输出去，由接收超声换能器3接收，并转化为电信号输出，接收超声换能器3的输出端通过同轴电缆与前置放大器4的输入端相连，前置放大器4的输出端通过同轴电缆与信号采集器5的输入端相连接，信号采集器5的输出端通过数据线与计算机6相连接，前置放大器4将接收的电信号进行放大处理，通过信号采集器5将信号传输给计算机6，由计算机6对输油管道泄漏信号与未发生泄漏时的信号进行相关相消处理，判断输油管道接头处是否有泄漏。

用上述的检测装置对输油管道接头泄漏进行超声波检测的方法由以下步骤实现：

（1）信号发生器1发出功率为25W、频率为3MHz，脉冲宽度为信号周期的二分之一的矩形脉冲电信号，该信号的功率满足激励电声换能器所需要的能量，具体使用时可根据管道信号的测量情况确定。

（2）上述的矩形脉冲电信号通过同轴电缆传输至发射超声换能器2，发射超声换能器2将接收到的矩形脉冲电信号转换成超声信号沿输油管道传输；该换能器为市售的普通的压电超声换能器，其频率为3MHz，带宽为其中心频率的50%。

（3）设置在输油管道接头另一端的接收超声换能器3接收经由管道传输过来的超声信号，并将接收的超声信号转化为电信号传输给前置放大器4。

上述的接收超声换能器3采用市售的普通的压电超声换能器，其频率、带宽与发射超声换能器2相一致。

（4）前置放大器4对接收的电信号进行放大处理，信号的增益为40dB，放大后的信号通过传输电缆传输至信号采集器5，最后传输给计算机6，由计算机6对所接收到的信号与计算机6中存储的未发生泄漏时接收的信号进行相关相消处理，参见图2，具体如下：

4.1）将没有泄漏时的管道正常接收信号作为参考信号x，测量管道泄漏时接收到的信号为y，对测量信号y进行矩阵变换并对测量信号y进行线性变换，即为：m＝Hy

其中，H为变换矩阵。

由于x和y具有一定的相关性，即

R_xy＝E[xy^T]≠0

4.2）根据差信号e与测量信号y的不相关性，将线性变换后的信号m与参考信号x进行差信号处理，去掉测量信号y中与参考信号x相关的部分，得出差信号e，代表测量信号y中与管道泄漏相关的信息，计算公式如下：

R_ey＝E[ey^T]=E[(x-m)y^T]＝E[(x-Hy)y^T]＝0

根据上式，可以求出变换矩阵的表达式如下

H＝E[xy^T]E[yy^T]^-1＝R_xyR_yy ^-1，

即可得差信号e＝x-m＝x-Hy

4.3）对得到的代表测量信号y中与管道泄漏相关信息的差信号e用带通滤波器滤波，得到缺陷信号s；

计算机6根据所得到的缺陷信号s判断管道上是否有泄漏发生，若处理所得的缺陷信号s是一条直线或缺陷信号s中含有幅度小于正常管道传输信号0.1倍的噪声信号，则管道无泄漏发生；若缺陷信号s中含有幅度大于正常管道传输信号0.1倍的突变信号，则管道上有泄漏发生。

实施例2

本实施例的管道泄漏的超声波检测装置结构与实施例1相同。

用该检测装置对输油管道接头泄漏进行超声波检测的方法中，步骤（1）为信号发生器1发出功率为10W、频率为1MHz，脉冲宽度为信号周期的二分之一的矩形脉冲电信号。步骤（2）为上述的矩形脉冲电信号通过同轴电缆传输至发射超声换能器2，发射超声换能器2将接收到的矩形脉冲电信号转换成超声信号沿输油管道传输；该换能器为市售的普通的压电超声换能器，其频率为1MHz，带宽为其中心频率的30%。步骤（4）为前置放大器4对接收的电信号进行放大处理，信号的增益为60dB，放大后的信号通过传输电缆传输至信号采集器5，最后传输给计算机6，由计算机6对所接收到的信号与计算机6中存储的未发生泄漏时接收的信号进行相关相消处理，根据所得到的缺陷信号s判断管道上是否有泄漏发生。

其它的步骤与实施例1相同。

实施例3

本实施例的管道泄漏的超声波检测装置结构与实施例1相同。

用该检测装置对输油管道接头泄漏进行超声波检测的方法中，步骤（1）为信号发生器1发出功率为50W、频率为5MHz，脉冲宽度为信号周期的二分之一的矩形脉冲电信号。步骤（2）上述的矩形脉冲电信号通过同轴电缆传输至发射超声换能器2，发射超声换能器2将接收到的矩形脉冲电信号转换成超声信号沿输油管道传输；该换能器为市售的普通的压电超声换能器，其频率为5MHz，带宽为其中心频率的60%。步骤（4）为前置放大器4对接收的电信号进行放大处理，信号的增益为20dB，放大后的信号通过传输电缆传输至信号采集器5，最后传输给计算机6，由计算机6对所接收到的信号与计算机6中存储的未发生泄漏时接收的信号进行相关相消处理，根据所得到的缺陷信号s判断管道上是否有泄漏发生。

其它的步骤与实施例1相同。

用本发明的管道泄漏的超声波检测装置对管道进行检测时，可将发射超声换能器2安装在管道一端的管壁上，将接收超声换能器3安装在管道的另一端管壁上，其它的部件及其连接关系与上述实施例相同，即可检测出发生在管道两端之间任何位置的泄漏信息。

Claims (2)

1.一种管道泄漏的超声波检测方法，其所用的超声波检测装置包括信号发生器(1)、发射超声换能器(2)、接收超声换能器(3)、前置放大器(4)、信号采集器(5)和计算机(6)；

信号发生器(1)：产生功率为10～50W的矩形脉冲信号，其频率为1MHz～5MHz，脉冲宽度为信号周期的二分之一；

发射超声换能器(2)：设置在管道一端管壁上，通过传输电缆与信号发生器(1)的输出端相连接，接收信号发生器(1)产生的电信号，并转化为声信号沿着管道传输出去；

接收超声换能器(3)：沿流体流动方向设置在管道另一端管壁上，接收发射超声换能器(2)输出的声信号，并转换成电信号输出；

前置放大器(4)：通过同轴电缆与接收超声换能器(3)相连接，并将收集的电信号进行放大处理；

信号采集器(5)：通过传输电缆与前置放大器(4)相连接；

计算机(6)：通过数据线与信号采集器(5)相连接，接收信号采集器(5)输出的信号，并将其与所存储的未发生泄漏时的信号进行相关相消处理，判断管道是否有泄漏；

其中发射超声换能器(2)与接收超声换能器(3)为压电超声换能器，其频率为1MHz～5MHz，带宽不小于其中心频率的30％；

其特征在于该检测方法是由以下步骤组成：

(1)信号发生器(1)产生功率为5～50W的电信号，通过传输电缆传输给设置在管道一端管壁上的发射超声换能器(2)；

(2)发射超声换能器(2)将接收到的电信号转换成声信号，并沿管道壁传输；

(3)设置在管道另一端的接收超声换能器(3)接收发射超声换能器(2)输出的声信号，并将声信号转化为电信号传输给前置放大器(4)；

(4)前置放大器(4)将接收的电信号进行放大处理，并通过传输电缆输送至信号采集器(5)后传输给计算机(6)，计算机(6)对所接收到的信号与计算机(6)中存储的未发生泄漏时接收的信号进行相关相消处理，得到缺陷信号s，并判断，若处理所得的缺陷信号s是一条直线或缺陷信号s中含有幅度小于正常管道传输信号0.1倍的噪声信号，则管道无泄漏发生；若缺陷信号s中含有幅度大于正常管道传输信号0.1倍的突变信号，则管道上有泄漏发生。

2.根据权利要求1所述的管道泄漏的超声波检测方法，其特征在于所述步骤(4)中，相关相消处理方法是：

4.1)将没有泄漏时的管道正常传输信号作为参考信号x，测量管道泄漏时接收到的信号为y，对测量信号y进行线性变换，即：

m＝Hy

其中，H为变换矩阵；

4.2)根据差信号e＝x-m与测量信号y的不相关性，将线性变换后的信号m与参考信号x进行差信号处理，去掉测量信号y中与参考信号x相关的部分，得出差信号e，即代表测量信号y中的管道泄漏信息，具体公式如下：

R_ey＝E[ey^T]＝E[(x-m)y^T]＝E[(x-Hy)y^T]＝0

由上式，可得变换矩阵H的表达式为：

H＝E[xy^T]E[yy^T]^-1＝R_xyR_yy ^-1，

可得差信号e＝x-m＝x-Hy；

4.3)对得到的代表测量信号y中的管道泄漏信息的差信号e用带通滤波器滤波，得到缺陷信号s。