CN103672415A

CN103672415A - 基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测和定位系统及方法

Info

Publication number: CN103672415A
Application number: CN201310653288.8A
Authority: CN
Inventors: 刘翠伟; 李玉星; 李雪洁; 孟令雅; 钱昊铖; 曹鹏飞; 刘光晓
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: North Sensor Technology (wuhan) Co Ltd
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: CN103672415B

Abstract

本发明公开了一种基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测定位系统及方法，该系统包括：非介入式次声波传感器，计时器，信号调理器，滤波器，模数转换器，数据传输媒质和中控计算机。检测和定位方法为：非介入式次声波传感器采集气体管道泄漏时和气体介质传播的次声波信号，计时器标记采集到的次声波信号的时间，信号调理器为非介入式次声波传感器提供电源并进行信号调理，滤波器对次声波信号进行滤波，模数转换器将传感器采集到的电信号转换为数字信号，转换后的数字信号通过数据传输媒质传输至中控计算机，进行数据存储和分析。本发明成本低，灵敏度高，避免了在管道上打孔安装，不影响现行管道的运行状况，适用性强。

Description

基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测和定位系统及方法

技术领域

本发明涉及输气管道故障诊断与流动安全保障技术领域，尤其涉及一种基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测和定位系统及方法。

背景技术

随着气体管道的大规模铺设，由于腐蚀、裂纹、疲劳破坏以及第三方破坏造成的管道泄漏时有发生，不仅造成能源浪费，对环境造成污染，还会危及人们的生命健康。特别是当气体管道中的气体为易燃、易爆或有毒气体时，能够及时、准确地发现泄漏，并精确定位泄漏发生位置是气体管道泄漏检测的关键问题。

气体管道泄漏检测方法目前有质量/体积平衡法、应用统计法、负压波法、瞬态模型法、分布式光纤法和声波法等。声波法具有诸多优点：灵敏度高、定位精度高、误报率低、检测时间短、适应性强等，因此具有较好的应用前景。但是这些方法包括现行的声波法采用的传感器多采用打孔安装，使感测元件与被测流体介质接触的方式，这不仅影响流体流态，导致过程参量测量不准，还会引入由于焊接质量等原因引起的安全隐患。虽然有一些便携式非介入检测仪器在气体管道泄漏检测方面具有很好的灵敏度，但由于它们的检测距离有限，仪器使用易受风向、环境噪音等影响，因而得不到广泛的应用。

气体管道泄漏定位方法目前有GPS时钟法和相关分析法。GPS时钟法和相关分析法的基础都是在待测管线两端各安装一个介入式传感器，大大增加了成本，同时GPS时钟法实施过程中准确度较差，相关分析法实施过程中由于弹性波在大部分介质和结构中存在频散，大大限制了其应用，因此使得泄漏定位精度并不高，二者得不到广泛应用。

气体管道发生泄漏时，由于管内外压差和可压缩性使气体迅速冲出，管内压力骤降，产生一个冲击波信号，同时由于气体与管壁的摩擦产生声波信号，二者都既可以沿管内气体介质传播，又可以沿管壁传播，且由于信号中的高频部分衰减较快，不能远传，因此通过感测气体管道泄漏时沿管内气体介质传播的次声波信号和沿管壁传播的次声波信号进行泄漏检测是一种非介入式、可检测较长距离、又有较高检测灵敏度的气体管道泄漏检测方法，具有重大意义。

根据调研结果，现阶段国内外涉及气体管道泄漏声波检测的专利主要有：

美国专利US5117676公开了一种采用麦克风为感测元件的天然气管道泄漏检测定位系统；

美国专利US6389881公开了一种基于模式匹配滤波技术的实时管道泄漏声学检测方法和设备；

中国专利200720153848.3公开了一种介入式双传感器结构声波气体泄漏检测定位技术；

中国专利200610072879.6公开了一种基于分布式光纤声学传感技术检测管道泄漏定位的方法；

中国专利200710177617.0公开了一种基于压力信号和声波信号的泄漏检测定位技术；

现有的专利较少涉及非介入式检测和单传感器定位，尚没有发现基于非介入式次声波传感器检测管道内部介质传播的泄漏声波信号或沿管壁传导的次声波信号的气体管道泄漏检测方面的专利，也没有发现基于非介入式次声波传感器采集的两个信号进行定位方面的专利。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测和定位系统和方法，实现一种非介入式、可检测较长距离、有较高检测灵敏度、投资成本低的气体管道泄漏检测方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测和定位系统，包括非介入式次声波传感器、计时器、信号调理器、滤波器、模数转换器、数据传输媒质和中控计算机，所述系统通过磁性基座与管壁的吸附作用固定安装于气体管道管壁外侧，所述非介入式次声波传感器安装于待测管线上游末端或下游末端，用于采集气体管道泄漏时沿管壁传播的次声波信号和沿管内气体介质传播的次声波信号，所述计时器标记非介入式次声波传感器采集到的次声波信号的时间，所述信号调理器为非介入式次声波传感器提供电源并进行信号调理，所述滤波器将次声波信号中的背景噪音和干扰滤除，所述模数转换器将传感器采集到的电信号转换为数字信号，转换后的数字信号通过所述数据传输媒质传输至所述中控计算机，进行数据存储和分析。

在本发明的较佳实施方式中，所述非介入式次声波传感器，包括磁性基座、底座、保护壳、受力隔膜、加速度补偿块、压电晶体、电极、传导电路、集成电路放大器、信号输出端、套筒和保护膜，所述非介入式次声波传感器通过磁性基座吸附固定安装于气体管道管壁外侧，所述底座固定支撑所述非介入式次声波传感器；所述保护壳对所述加速度补偿块、所述压电晶体、所述电极、所述传导电路、所述集成电路放大器、所述保护膜和所述套筒进行保护，与所述底座采用螺纹进给配合方式，安装时需要通过旋紧所述保护壳使其紧贴输气管道管壁外侧；所述受力隔膜连接于所述保护壳上；所述加速度补偿块位于所述压电晶体的上下两侧，与所述受力隔膜接触的所述加速度补偿块将所述受力隔膜振动位移转换为振动加速度作用于所述压电晶体；所述压电晶体感测所述加速度补偿块传递来的所述受力隔膜振动加速度从而产生变形，进而产生电荷积聚；所述压电晶体产生的电荷经过所述电极引导产生电流，所述电流流经所述传导电路和所述集成电路放大器，所述电流经过放大通过所述信号输出端输出，所述套筒和所述保护膜对所述压电晶体和所述加速度补偿块起到固定支撑和保护作用，同时对所述压电晶体起到绝缘作用。

一种基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测和定位方法，包括如下步骤：

（1）通过非介入式次声波传感器采集气体管道泄漏时沿管壁传播的次声波信号和沿管内气体介质传播的次声波信号；

（2）通过计时器标记非介入式次声波传感器采集到的次声波信号的时间；

（3）通过信号调理器为非介入式次声波传感器提供电源并进行信号调理；

（4）通过滤波器将次声波信号中的背景噪音和干扰滤除；

（5）通过模数转换器将传感器采集到的电信号转换为数字信号，转换后的数字信号通过数据传输媒质传输至中控计算机；

（6）通过中控机判断管线是否发生泄漏；

（7）若泄漏，根据计时器标记的时间得到两个次声波信号被非介入式次声波传感器采集的时间差，对泄漏位置进行定位，具体过程如下：

通过管道运行状况得到次声波在管内气体介质中的传播速度；通过管道材质、管壁厚度得到次声波在管壁中的传播速度，将非介入式次声波传感器安装在管线下游末端时，定位算法由以下公式实现：

(L - x) (\frac{1}{v_{g}} - \frac{1}{v_{s}}) = t_{2} - t_{1}

式中，L为待测管线长度，x为泄漏位置距待测管线上游端的距离，v_g为次声波在管内介质中的传播速度，v_s为次声波在管壁中的传播速度，t₁为沿管壁传播的次声波被非介入式传感器采集时计时器标记的时间，t₂为沿管内气体介质传播的次声波被非介入式传感器采集时计时器标记的时间；

将非介入式次声波传感器安装在管线上游末端时，定位算法由以下公式实现：

x (\frac{1}{v_{g}} - \frac{1}{v_{s}}) = t_{2} - t_{1}

式中，x为泄漏位置距待测管线上游端的距离，v_g为次声波在管内介质中的传播速度，v_s为次声波在管壁中的传播速度，t₁为沿管壁传播的次声波被非介入式传感器采集时计时器标记的时间，t₂为沿管内气体介质传播的次声波被非介入式传感器采集时计时器标记的时间。

在本发明的较佳实施方式中，所述步骤2中计时器通过采样点与采样频率相除实现或通过外加时钟实现。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述步骤6中控计算机安装以LabVIEW软件编写的次声波信号显示、滤波、特征提取，泄漏判断和定位程序，用于判断是否发生泄漏。

本发明提供的气体管道泄漏次声波检测系统和方法，通过感测气体管道泄漏时沿管内气体介质传播的次声波信号和沿管壁传导的次声波信号进行泄漏检测，避免了在管道上打孔安装，从而不影响现行管道的运行和流动状况，填补了现阶段非介入式次声波传感器泄漏检测的空白，填补了单传感器进行泄漏定位的空白。本发明结构简单，安装方便，灵敏度高，便于维修，提高了声波法泄漏检测技术的适用性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测和定位系统结构原理图；

图2是一个较佳实施例的基于非介入式气体管道泄漏次声波检测传感器的结构原理图；

图3是本发明的一个较佳实施例的基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测和定位方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测和定位系统，包括非介入式次声波传感器1，计时器2，信号调理器3、滤波器4，模数转换器5、数据传输媒质6和中控计算机7，该系统通过磁性基座与管壁的吸附作用固定安装于气体管道管壁外侧，非介入式次声波传感器1安装于待测管线上游末端或下游末端，用于采集气体管道泄漏时沿管壁传播的次声波信号和沿管内气体介质传播的次声波信号；计时器2标记非介入式次声波传感器采集到的次声波信号的时间，信号调理器3为非介入式次声波传感器提供电源并进行信号调理，滤波器4将次声波信号中的背景噪音和干扰滤除，模数转换器5将传感器采集到的电信号转换为数字信号，转换后的数字信号通过数据传输媒质5传输至中控计算机6，进行数据存储和分析；从次声波传感器1接收的数据通过数据接口信号调理器3连接，然后依次经过滤波器4，模数转换器5到达数据传输媒质6，以上控件在通过屏蔽线顺序连接，采集到的次声波信号经传感器1转变成电信号后，通过屏蔽线与信号调理器3相连，经过滤波器4滤除干扰和噪音后，经模数转换器5转换成数字信号后到达数据传输媒质。

如图2所示，声波检测传感器1包括磁性基座101，底座102，保护壳103，受力隔膜104，加速度补偿块105，压电晶体106，电极107，传导电路108，集成电路放大器109，信号输出端110以及套筒111和保护膜112。所述非介入式次声波传感器1通过磁性基座101吸附固定安装于气体管道管壁外侧114，所述底座102固定支撑所述非介入式次声波传感器1；所述保护壳103对所述加速度补偿块105、所述压电晶体106、所述电极107、所述传导电路108、所述集成电路放大器109、所述保护膜111和所述套筒112进行保护，与所述底座102采用螺纹113进给配合方式，安装时需要通过旋紧所述保护壳103使其紧贴输气管道管壁外侧114；所述受力隔膜104连接于所述保护壳103上；所述加速度补偿块105位于所述压电晶体106的上下两侧，与所述受力隔膜104接触的所述加速度补偿块105将所述受力隔膜104振动位移转换为振动加速度作用于所述压电晶体106；所述压电晶体106感测所述加速度补偿块105传递来的所述受力隔膜104振动加速度从而产生变形，进而产生电荷积聚；所述压电晶体106产生的电荷经过所述电极107引导产生电流，所述电流流经所述传导电路108和所述集成电路放大器109，所述电流经过放大通过所述信号输出端110输出，所述套筒111和所述保护膜112对所述压电晶体106和所述加速度补偿块105起到固定支撑和保护作用，同时对所述压电晶体106起到绝缘作用。

该声波检测传感器1通过感测气体管道泄漏时沿管内气体介质传播的次声波信号和沿管壁传播的次声波信号进行泄漏检测，具体工作过程为：磁性基座101吸附在管壁114上，保护壳103旋紧使受力隔膜104紧贴管壁114，感测沿气体介质传播的次声波信号和沿管壁传播的次声波信号，使与其接触的加速度补偿块105产生振动加速度，进而使压电晶体106产生变形从而产生电荷，通过电极107引导，传导电路108传输和集成电路放大器109放大信号，最后通过信号输出端110输出信号，套筒111和保护膜112对压电晶体106和加速度补偿块105起到固定支撑和保护作用，同时对压电晶体106起到绝缘作用。

一种基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测和定位系统实现泄漏检测和定位方法为，包括如下步骤：

（1）通过非介入式次声波传感器1采集气体管道泄漏时沿管壁传播的次声波信号和沿管内气体介质传播的次声波信号；

（2）通过计时器标2记非介入式次声波传感器采集到的次声波信号的时间，计时器可以通过采样点与采样频率相除实现，也可以通过外加时钟实现；

（3）通过信号调理器3为非介入式次声波传感器提供电源并进行信号调理；

（4）通过滤波器4将次声波信号中的背景噪音和干扰滤除；

（5）通过模数转换器5将传感器采集到的电信号转换为数字信号，转换后的数字信号通过数据传输媒质6传输至中控计算机7；

（6）通过中控机7上的信号处理和分析软件判断管线是否发生泄漏，中控机7安装以LabVIEW软件编写的次声波信号显示、滤波、特征提取，泄漏判断和定位程序；

（7）若泄漏，根据计时器2标记的时间得到两个次声波信号被非介入式次声波传感器1采集的时间差，对泄漏位置进行定位；

通过管道运行状况得到次声波在管内气体介质中的传播速度；通过管道材质等参数得到次声波在管壁中的传播速度，将非介入式次声波传感器1安装在管线下游末端时，定位算法由以下公式实现：

(L - x) (\frac{1}{v_{g}} - \frac{1}{v_{s}}) = t_{2} - t_{1}

将非介入式次声波传感器1安装在管线上游末端时，定位算法由以下公式实现：

x (\frac{1}{v_{g}} - \frac{1}{v_{s}}) = t_{2} - t_{1}

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测定位系统，包括非介入式次声波传感器（1）、计时器（2）、信号调理器（3）、滤波器（4）、模数转换器（5）、数据传输媒质（6）和中控计算机（7），其特征在于，所述系统通过磁性基座与管壁的吸附作用固定安装于气体管道管壁外侧，所述非介入式次声波传感器（1）安装于待测管线上游末端或下游末端，用于采集气体管道泄漏时沿管壁传播的次声波信号和沿管内气体介质传播的次声波信号，所述计时器（2）标记非介入式次声波传感器采集到的次声波信号的时间，所述信号调理器（3）为非介入式次声波传感器提供电源并进行信号调理，所述滤波器（4）将次声波信号中的背景噪音和干扰滤除，所述模数转换器（5）将传感器采集到的电信号转换为数字信号，转换后的数字信号通过所述数据传输媒质（6）传输至所述中控计算机（7），进行数据存储和分析。

2.如权利要求1所述的基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测定位系统，其中，所述非介入式次声波传感器（1），包括磁性基座（101）、底座（102）、保护壳（103）、受力隔膜（104）、加速度补偿块（105）、压电晶体（106）、电极（107）、传导电路（108）、集成电路放大器（109）、信号输出端（110）、套筒（111）和保护膜（112），所述非介入式次声波传感器（1）通过磁性基座（101）吸附固定安装于气体管道管壁外侧（114），所述底座（102）固定支撑所述非介入式次声波传感器1；所述保护壳（103）对所述加速度补偿块（105）、所述压电晶体（106）、所述电极（107）、所述传导电路（108）、所述集成电路放大器（109）、所述保护膜（111）和所述套筒（112）进行保护，与所述底座（102）采用螺纹（113）进给配合方式，安装时需要通过旋紧所述保护壳（103）使其紧贴输气管道管壁外侧（114）；所述受力隔膜（104）连接于所述保护壳（103）上；所述加速度补偿块（105）位于所述压电晶体（106）的上下两侧，与所述受力隔膜（104）接触的所述加速度补偿块（105）将所述受力隔膜（104）振动位移转换为振动加速度作用于所述压电晶体（106）；所述压电晶体（106）感测所述加速度补偿块（105）传递来的所述受力隔膜（104）振动加速度从而产生变形，进而产生电荷积聚；所述压电晶体（106）产生的电荷经过所述电极（107）引导产生电流，所述电流流经所述传导电路（108）和所述集成电路放大器（109），所述电流经过放大通过所述信号输出端（110）输出，所述套筒（111）和所述保护膜（112）对所述压电晶体（106）和所述加速度补偿块（105）起到固定支撑和保护作用，同时对所述压电晶体（106）起到绝缘作用。

3.一种基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过非介入式次声波传感器（1）采集气体管道泄漏时沿管壁传播的次声波信号和沿管内气体介质传播的次声波信号；

步骤2：通过计时器标（2）记非介入式次声波传感器采集到的次声波信号的时间；

步骤3：通过信号调理器（3）为非介入式次声波传感器提供电源并进行信号调理；

步骤4：通过滤波器（4）将次声波信号中的背景噪音和干扰滤除；

步骤5：通过模数转换器（5）将传感器采集到的电信号转换为数字信号，转换后的数字信号通过数据传输媒质（6）传输至中控计算机（7）；

步骤6：通过中控机（7）判断管线是否发生泄漏；

步骤7：若泄漏，根据计时器（2）标记的时间得到两个次声波信号被非介入式次声波传感器（1）采集的时间差，对泄漏位置进行定位，具体过程如下：

通过管道运行状况得到次声波在管内气体介质中的传播速度；通过管道材质、管壁厚度得到次声波在管壁中的传播速度，将非介入式次声波传感器（1）安装在管线下游末端时，定位算法由以下公式实现：

(L - x) (\frac{1}{v_{g}} - \frac{1}{v_{s}}) = t_{2} - t_{1}

将非介入式次声波传感器（1）安装在管线上游末端时，定位算法由以下公式实现：

x (\frac{1}{v_{g}} - \frac{1}{v_{s}}) = t_{2} - t_{1}

4.如权利要求3所述的基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测定位方法，其中，所述步骤2中计时器（2）通过采样点与采样频率相除实现或通过外加时钟实现。

5.如权利要求3所述的基于非介入式传感器的气体管道泄漏检测定位方法，其中，所述步骤6中控计算机（7）安装以LabVIEW软件编写的次声波信号显示、滤波、特征提取，泄漏判断和定位程序，用于判断是否发生泄漏。