CN104132248B - 流体管道泄漏检测定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体管道泄漏检测定位方法，包括被测管道，其创新在于：所述被测管道上至少设置有两个传感装置，两个传感装置之间间隔一定距离，传感装置所在位置形成采集点，所述传感装置能够同时对两个方向上的管道声振动进行感应，这两个方向分别为管道轴向和管道径向；当两个采集点之间的被测管道上存在泄漏点时，根据如下公式对泄漏点进行定位： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{L12}{V}_L+l_1-l_2=0\\ {\mathrm{\τ}}_{T12}{V}_T+l_1-l_2=0\\ {\mathrm{\τ}}_2{l}_1-{\mathrm{\τ}}_1{l}_2=0\\ l_1+l_2=L\end{array}\right.$ 本发明的有益技术效果是：定位准确性好，不需要知道管道的声振动波速，处理复杂度低，而且可以实际测定管道的纵波和横波声速。

Description

流体管道泄漏检测定位方法

技术领域

本发明涉及一种管道泄漏定位技术，尤其涉及一种流体管道泄漏检测定位方法。

背景技术

在流体管道泄漏检测定位中，相关峰值定位法是最常采用的方法，相关峰值定位法的具体操作是：在被测管道上设置若干个采集点，每个采集点处都设置有声传感器或振动传感器，检测过程中，对相邻两个传感器的输出信号进行互相关处理，如果两个传感器的输出信号存在明显的相关峰值，表明这两个传感器所在采集点之间的管道上存在泄漏点，相关峰值所在位置就是泄漏点处声振动信号传播到两采集点位置处的时间延迟，然后结合两采集点之间的距离和泄漏点处的声振动在管道中的传播速度来确定泄漏点的位置。

相关定位法是一种基于延时估计的管道泄漏定位方法，从其处理过程中不难看出，该方法的实施是以声振动信号在管道中的传播速度已知为先决条件的，但是在工程实际中，由于受管道材质、尺寸、埋设条件、环境变化等因素的影响，导致不同管道中的声振动信号传播速度各不相同，甚至是同一管道上的不同区段，声振动信号的传播速度也存在差别，这无疑增加了问题的复杂性，现有技术为了简化这一问题，通常采用声速理论值或者估计值来代替实际声速，这就与实际声速相差较多，存在较大的原理误差，并且由误差所带来的定位准确性会随着管道长度的增加而大幅下降，导致相关定位法难以应用于大长度管道的监测。

针对前述问题，本领域技术人员也进行了研究，并提出了一些替代方案，如杨进等人提出的通过盲系统辨识方法来估计泄漏声信号在管道中传输的绝对时间，该方法可以在泄漏信号声速未知的情况下对流体管道进行泄漏定位，并且可以计算出管道的实际声速值，但是该方法算法复杂，运算量大，且要求采集的信号应具有较高的信噪比才能进行分析，其适用的检测距离相对较短(J.Yang,Y.Wen and P.Li,Leaklocation using blind system identification in water distribution pipelines,Journal of Sound and Vibration 310(2008)134-148.J.Yang,Y.Wen and P.Li,The genetic-algorithm-enhanced blind system identification for waterdistribution pipeline leak detection,Measurement Science and Technology 18(2007)2178-2184.)。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了1、一种流体管道泄漏检测定位方法，包括被测管道，其创新在于：所述被测管道上至少设置有两个传感装置，两个传感装置之间间隔一定距离，传感装置所在位置形成采集点，所述传感装置能够同时对两个方向上的管道声振动进行感应，这两个方向分别为管道轴向和管道径向；当两个采集点之间的被测管道上存在泄漏点时，根据如下方法对泄漏点进行定位：

设两个采集点分别为采集点1和采集点2，两个采集点之间的管道长度记为L，采集点1与泄漏点之间的管道长度记为l₁，采集点2与泄漏点之间的管道长度记为l₂，纵波信号在被测管道上的传播速度记为V_L，横波信号在被测管道上的传播速度记为V_T；所述传感装置的输出量中包含了径向声振动信号和轴向声振动信号，对应采集点1的径向声振动信号和轴向声振动信号的互相关函数在时延零点以外的峰值最大值的时延值记为τ₁，对应采集点2的径向声振动信号和轴向声振动信号的互相关函数在时延零点以外的峰值最大值的时延值记为τ₂，两个采集点的轴向声振动信号的互相关函数的峰值最大值的时延值记为τ_L12，两个采集点的径向声振动信号的互相关函数的峰值最大值的时延值记为τ_T12；L为已知；

当τ_L12≠0、τ_T12≠0和τ₁+τ₂≠0同时成立时，根据如下方法求解泄漏点位置：

用如下方程组对V_L、V_T、l₁和l₂进行求解：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{L12}{V}_L+l_1-l_2=0\\ {\mathrm{\τ}}_{T12}{V}_T+l_1-l_2=0\\ {\mathrm{\τ}}_2{l}_1-{\mathrm{\τ}}_1{l}_2=0\\ l_1+l_2=L\end{array}\right.$

求解出V_L、V_T、l₁和l₂后，根据l₁和l₂即可获知泄漏点位置；

当τ_L12＝0、τ_T12＝0和τ₁+τ₂＝0中的任意一个成立时，则根据如下方法求解泄漏点位置：

若τ_L12＝0，τ_T12＝0，而τ₁+τ₂≠0，则泄漏点位于两个采集点之间的中点位置处；若τ₁+τ₂＝0，说明两个传感装置之间的间隔为零，则泄漏点、采集点1和采集点2三者位于同一位置处。

前述方法的原理是：

在压力流体管道中，由于管道流体运动以及其他原因造成的管道振动有三种模式，即纵振模式、扭转模式和弯曲模式，这三种模式分别记为L(r,t)、T(r,t)和F(r,t)，其中，L(r,t)也叫纵波信号，T(r,t)和F(r,t)也叫横波信号，r是位置坐标，t是时间；管壁上任意位置处的振动信号均由纵波信号和横波信号构成。

其中，沿管道长度方向(即管道轴向)传播的振动信号可由下式表达：

x(t)＝L(t)+δ_LT(t)+ξ_LF(t) ①

沿管道径向传播的振动信号可由下式表达：

z(t)＝T(t)+δ_TL(t)+ξ_rF(t) ②

在①②两式中，δ_L和δ_T均是由管道材料的泊松比决定的参数，表示由材料正向应变引起的横向应变的程度，δ_L对应管道轴向，δ_T对应管道径向，显然δ_L和δ_T均小于1；ξ_L和ξ_r分别表示管道弯曲应变在轴向和径向上的投影尺度参数，所以ξ_L和ξ_r也都是小于1的参数；

根据相关函数理论，轴向振动信号x(t)和径向振动信号z(t)的相关函数可用下式表示：

由于几种振动的自相关部分(即R(T(t),T(t+τ))，R(L(t),L(t+τ))和R(F(t),F(t+τ)))的相关函数的极大值都发生在时延零点，因此可以将几种振动的自相关部分从③式的相关函数中去除，则上式可简化为：

对④式中的各个因子进行分析后我们可以发现，由于δ_L、δ_T、ξ_L和ξ_r均小于1，因此R_r(x(t),z(t+τ))的最大峰值由R(L(t),T(t+τ))项产生；

根据相关峰值理论可知，峰值所在位置τ即为因横波信号和纵波信号的传播速度之差所导致的时间差，不妨将纵波L(t)的传播速度记为V_L，横波F(t)和T(t)的传播速度记为V_T，由于纵波波速大于横波波速，则有下式成立：

其中，l为声源传输到信号拾取点的距离；

对应到泄漏点两侧的采集点，将两个采集点分别记为采集点1和采集点2，则可用下式来表达相关函数R_r(x_i(t),z_i(t))的峰值处时延τ_i和波速、距离的关系：

其中，i＝1,2，i等于1或2时分别对应采集点1和采集点2，l_i即为采集点i与泄漏点之间的距离。

根据相关函数理论，不同采集点处的轴向振动相关函数R(x_i(t),x_j(t+τ))(i≠j)可由下式表达：

对⑦式中各个因子的系数进行分析后可以看出，不同采集点处的轴向振动信号的互相关函数R(x_i(t),x_j(t+τ))的主要项是R(L_i(t),L_j(t+τ))，也即最大峰值由R(L_i(t),L_j(t+τ))确定。峰值处时延τ_Lij即为因纵波L(t)传播到两个采集点的距离差而导致的时延，其和波速以及采集点位置的关系为：

|τ_Lij|＝|l_i-l_j|/V_L ⑧

根据相关函数理论，不同采集点处的径向振动信号相关函数R(z_i(t),z_j(t+τ))(i≠j)可由下式表达：

对⑨式中各个因子的系数进行分析后可以看出，不同采集点处的径向振动信号的互相关函数R(z_i(t),z_j(t+τ))的主要项是R(T_i(t),T_j(t+τ))，也即最大峰值由R(T_i(t),T_j(t+τ))确定。峰值处时延τ_Tij即为因横波信号T(t)传播到两个采集点的距离差而导致的时延，时延与波速以及采集点位置的关系为：

|τ_Tij|＝|l_i-l_j|/V_T ⑩

将⑥式分别对应到采集点1和采集点2后，与⑧式和⑩式联立可得如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_1=l_1\·(\frac{1}{V_T}-\frac{1}{V_L})\\ {\mathrm{\τ}}_2=l_2\·(\frac{1}{V_T}-\frac{1}{V_L})\\ \left|{\mathrm{\τ}}_{L12}\right|=\left|(l_1-l_2)\right|/V_L\\ \left|{\mathrm{\τ}}_{T12}\right|=\left|(l_1-l_2)\right|/V_T\end{array}\right.---\left(11\right)$

由实际情况可知，当l₁＞l₂时，τ_L12＜0、τ_T12＜0，反之，当l₁＜l₂时，τ_L12＞0、τ_T12＞0，则方程组(11)可整理为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_1=l_1\·(\frac{1}{V_T}-\frac{1}{V_L})\\ {\mathrm{\τ}}_2=l_2\·(\frac{1}{V_T}-\frac{1}{V_L})\\ {\mathrm{\τ}}_{L12}{V}_L+l_1-l_2=0\\ {\mathrm{\τ}}_{T12}{V}_T+l_1-l_2=0\end{array}\right.---\left(12\right)$

从方程组(12)中可以看出，τ_L12、τ_T12、τ₁、τ₂能根据传感装置的输出量计算获得，V_L、V_T、l₁和l₂为未知量，方程组中的四个方程可以求解出这四个未知量，其中，l₁和l₂即可用于对泄漏点位置进行准确定位；

方程组虽然设计好了，但发明人在对其进行验证时发现，由于方程组(12)中的第1，2式线性相关，方程组(12)能够产生的确定解只能是零，这和实际情况显然不相符合，否则，根据方程组(12)会得到无穷多组解。这说明，仅仅利用上述的时延值，并不能完全求解出未知的监测距离。于是发明人又对方程组(12)进行了改良：基于实际情况可知，l₁和l₂满足如下关系：

l₁+l₂＝L (13)

其中，L为泄漏点两侧的两个采集点之间的距离；

将方程组(12)与方程(13)结合后可以化为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{L12}{V}_L+l_1-l_2=0\\ {\mathrm{\τ}}_{T12}{V}_T+l_1-l_2=0\\ {\mathrm{\τ}}_2{l}_1-{\mathrm{\τ}}_1{l}_2=0\\ l_1+l_2=L\end{array}\right.---\left(14\right)$

为了对方程组(14)进行验证，可先将其化为如下的矩阵形式：

$\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{\τ}}_{L12}& 0& 1& -1\\ 0& {\mathrm{\τ}}_{T12}& 1& -1\\ 0& 0& {\mathrm{\τ}}_2& -{\mathrm{\τ}}_1\\ 0& 0& 1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{V}_L\\ V_T\\ l_1\\ l_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ L\end{array}\right)---\left(15\right)$

设矩阵(15)的行列式为D，则有：

$D=\left|\begin{array}{cccc}{\mathrm{\τ}}_{L12}& 0& 1& -1\\ 0& {\mathrm{\τ}}_{T12}& 1& -1\\ 0& 0& {\mathrm{\τ}}_2& -{\mathrm{\τ}}_1\\ 0& 0& 1& 1\end{array}\right|={\mathrm{\τ}}_{L12}{\mathrm{\τ}}_{T12}({\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2)---\left(16\right)$

从行列式(16)中可以看出，当D≠0时，线性方程组(14)有唯一解，当D＝0时，线性方程组(14)可能无解或者有多个解。

结合实际情况以及对数据进行分析后，发明人发现，D≠0和D＝0恰恰反映了泄漏点的两种位置状态，即：D≠0时，泄漏点位于采集点1和采集点2之间既非中点也非端点的位置处，D＝0时，要么泄漏点和采集点1以及采集点2处于相同位置，要么位于采集点1和采集点2的中点位置处，于是有如下结论：

要使D≠0，只要τ_L12≠0、τ_T12≠0、τ₁+τ₂≠0同时成立即可，此时方程组(14)有如下解：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_L=\frac{({\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1)L}{({\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2){\mathrm{\τ}}_{L12}}\\ V_T=\frac{({\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1)L}{({\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2){\mathrm{\τ}}_{T12}}\\ l_1=\frac{{\mathrm{\τ}}_{1}L}{{\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2}\\ l_2=\frac{{\mathrm{\τ}}_{2}L}{{\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2}\end{array}\right.---\left(17\right)$

通过l₁和l₂即可获知泄漏点的具体位置；

当τ_L12＝0、τ_T12＝0、τ₁+τ₂＝0任意一个成立时，D＝0，则此时线性方程组(14)可能无解或者有多个解，但是仍然可以根据波速和时延的物理意义，用如下方法求解出泄漏点的位置：

若τ_L12＝0，τ_T12＝0，而τ₁+τ₂≠0，则泄漏点位于两个采集点之间的中点位置处，即泄漏点距任一采集点的距离为L/2；若τ₁+τ₂＝0，此种情况只可能出现在两个采集点位置重合的情况下，此时泄漏点和采集点1以及采集点2处于相同位置(实际操作中，有可能出现在同一位置处布设两个采集点的情况，此种情况，可视为两个传感装置的间隔距离为零)。

采用本发明方案后，只需根据传感装置输出的检测数据进行简单计算就能获知泄漏点的位置，算法的处理复杂度较低，系统响应速度快，泄漏检测装置定位的准确性较高，而且不仅不需要知道声振动信号在管道中的传播速度，反而可以求解出声振动信号的传播速度，避免了不同管道导致的声传播速度不同而引起的定位误差，特别适用于对大长度管道的漏点检测。

本发明的有益技术效果是：定位准确性好，不需要知道管道的声振动波速，处理复杂度低，而且可以实际测定管道的纵波和横波声速。

附图说明

图1、本发明的传感装置设置位置示意图。

具体实施方式

一种流体管道泄漏检测定位方法，包括被测管道，其创新在于：所述被测管道上至少设置有两个传感装置，两个传感装置之间间隔一定距离，传感装置所在位置形成采集点，所述传感装置能够同时对两个方向上的管道声振动进行感应，这两个方向分别为管道轴向和管道径向；当两个采集点之间的被测管道上存在泄漏点时，根据如下方法对泄漏点进行定位：

设两个采集点分别为采集点1和采集点2，两个采集点之间的管道长度记为L，采集点1与泄漏点之间的管道长度记为l₁，采集点2与泄漏点之间的管道长度记为l₂，纵波信号在被测管道上的传播速度记为V_L，横波信号在被测管道上的传播速度记为V_T；所述传感装置的输出量中包含了径向声振动信号和轴向声振动信号，对应采集点1的径向声振动信号和轴向声振动信号的互相关函数在时延零点以外的峰值最大值的时延值记为τ₁，对应采集点2的径向声振动信号和轴向声振动信号的互相关函数在时延零点以外的峰值最大值的时延值记为τ₂，两个采集点的轴向声振动信号的互相关函数的峰值最大值的时延值记为τ_L12，两个采集点的径向声振动信号的互相关函数的峰值最大值的时延值记为τ_T12；L为已知；

当τ_L12≠0、τ_T12≠0和τ₁+τ₂≠0同时成立时，根据如下方法求解泄漏点位置：

用如下方程组对V_L、V_T、l₁和l₂进行求解：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{L12}{V}_L+l_1-l_2=0\\ {\mathrm{\τ}}_{T12}{V}_T+l_1-l_2=0\\ {\mathrm{\τ}}_2{l}_1-{\mathrm{\τ}}_1{l}_2=0\\ l_1+l_2=L\end{array}\right.$

求解出V_L、V_T、l₁和l₂后，根据l₁和l₂即可获知泄漏点位置；

当τ_L12＝0、τ_T12＝0和τ₁+τ₂＝0中的任意一个成立时，则根据如下方法求解泄漏点位置：

若τ_L12＝0，τ_T12＝0，而τ₁+τ₂≠0，则泄漏点位于两个采集点之间的中点位置处；若τ₁+τ₂＝0，则说明两个传感装置之间的间隔为零，此时泄漏点、采集点1和采集点2三者位于同一位置处。

本发明中的传感装置可采用两个声/振动传感器实现也可采用一个双轴声/振动传感器实现；采用一个双轴的声/振动传感器实现时，使传感器的一个敏感轴(即图1中的x向)与管道的轴向平行，另一个敏感轴(即图1中的z向)与管道的径向平行，两轴的传感输出即分别为轴向声振动信号和径向声振动信号。采用两个声/振动传感器实现时，使其中一个传感器的传感方向(即图1中x向)与管道轴向平行，同时，使另一个传感器的传感方向(即图1中z向)与管道径向平行，两个传感器的传感输出即分别为轴向声振动信号和径向声振动信号。获取到轴向声振动信号和径向声振动信号后，通过两个传感装置就能获取两对轴向声振动信号和径向声振动信号，从而形成四组互相关函数，对四组互相关函数进行分析计算后，我们就能获得τ_L12、τ_T12、τ₁和τ₂这四个时延值。

Claims (1)

1.一种流体管道泄漏检测定位方法，包括被测管道，其特征在于：所述被测管道上至少设置有两个传感装置，两个传感装置之间间隔一定距离，传感装置所在位置形成采集点，所述传感装置能够同时对两个方向上的管道声振动进行感应，这两个方向分别为管道轴向和管道径向；当两个采集点之间的被测管道上存在泄漏点时，根据如下方法对泄漏点进行定位：

设两个采集点分别为采集点1和采集点2，两个采集点之间的管道长度记为L，采集点1与泄漏点之间的管道长度记为l₁，采集点2与泄漏点之间的管道长度记为l₂，纵波信号在被测管道上的传播速度记为V_L，横波信号在被测管道上的传播速度记为V_T；所述传感装置的输出量中包含了径向声振动信号和轴向声振动信号，对应采集点1的径向声振动信号和轴向声振动信号的互相关函数在时延零点以外的峰值最大值的时延值记为τ₁，对应采集点2的径向声振动信号和轴向声振动信号的互相关函数在时延零点以外的峰值最大值的时延值记为τ₂，两个采集点的轴向声振动信号的互相关函数的峰值最大值的时延值记为τ_L12，两个采集点的径向声振动信号的互相关函数的峰值最大值的时延值记为τ_T12；L为已知；

当τ_L12≠0、τ_T12≠0和τ₁+τ₂≠0同时成立时，根据如下方法求解泄漏点位置：

用如下方程组对V_L、V_T、l₁和l₂进行求解：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{L12}{V}_L+l_1-l_2=0\\ {\mathrm{\τ}}_{T12}{V}_T+l_1-l_2=0\\ {\mathrm{\τ}}_2{l}_1-{\mathrm{\τ}}_1{l}_2=0\\ l_1+l_2=L\end{array}\right.$

求解出V_L、V_T、l₁和l₂后，根据l₁和l₂即可获知泄漏点位置；

当τ_L12＝0、τ_T12＝0和τ₁+τ₂＝0中的任意一个成立时，则根据如下方法求解泄漏点位置：

若τ_L12＝0，τ_T12＝0，而τ₁+τ₂≠0，则泄漏点位于两个采集点之间的中点位置处；若τ₁+τ₂＝0，则说明两个传感装置之间的间隔为零，此时泄漏点、采集点1和采集点2三者位于同一位置处。