CN105226837A - 一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统及方法，系统包括多个漏点检测模块、电能供给模块、信号发射模块、信号接收模块、信号处理模块，漏点检测模块用于实时检测管道内流体冲击波参数和压力参数，电能供给模块将管网中流体压力、流体摩擦、流体水锤效应产生的振动能量转化为电能，为漏点检测模块和信号发射模块供电，同时，电能供给模块输出的电信号中携带的冲击波参数和流体压力参数输入漏点检测模块，作为漏点检测模块的输入信号，通过信号发射模块发送给信号接收模块，信号处理模块用于判断管道是否发生泄漏，并判断出漏点信息。本发明能够避免管道检漏过程中检测范围太大、人工检测耗时耗力的问题，同时避免了更换电池的麻烦。

Description

一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统及方法

技术领域

本发明涉及管网泄漏监测技术领域，尤其涉及一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统及方法。

背景技术

管道输运是运输行业中的很重要的一种输运方式。管道输运具有自己特有的优势，效率高，污染小，成本低并且受外界影响小，所以几乎所有的流体都用管道来运输，近年来，管道输运更是得到迅速的发展。

随着管道使用时间的增加，管道不可避免会产生磨损，同时，水锤效应的存在也会对管道造成冲击，使得管道容易发生泄漏。管道泄漏不仅会造成宝贵资源的浪费、环境的污染，甚至会危害到人民的生命财产安全。而管道堵塞不仅会影响管道正常工作状态，降低管道系统的工作效率，对供水系统而言还会破坏供水水质和降低水压，给城市居民的身体健康带来危害和供水困难。因此，建立一套有效的管网漏点自动实时检测系统，来避免或者尽可能减少资源的浪费，具有重要意义。

目前，国内多数城市都采用被动检漏的方法或以被动法为主进行检测，检测手段也都是人工检测，由经验丰富的人通过听漏仪沿着管道逐段的听来自地下管道发出的响声，依次来判断管道是否发生泄漏。这种方法多数需要在夜间测试，不仅耗费了大量的人力物力，并且容易受干扰，可靠性较低，较小的泄漏通过此法并不能听出。

近些年来，流体管网漏点检测技术发展很快，有一些新的自动检漏装置的出现，现有的自动检漏装置大致分为两种，一种是利用无线水流传感器采集水流的数据，将数据发送到基站处理；另一种是用泄漏传感器大面积覆盖管道，来检测管道是否发生泄漏。现有的自动检漏装置的配置都较复杂，需要在管道中大面积铺盖，成本较高，且都采用外部供电，更换电源相当麻烦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统及方法，装置简单，解决了管道检漏的过程中检测范围太大、人工检测耗时耗力、难以实时检测的问题，同时避免了更换电池麻烦的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统，包括设置在管道接口开关或阀门处的多个漏点检测装置及设置在管道外的信号接收模块和信号处理模块，每个漏点检测装置均包括漏点检测模块、电能供给模块和信号发射模块，漏点检测模块用于实时检测管道内流体的冲击波参数和流体压力参数，并通过信号发射模块发送给信号接收模块，所述信号接收模块用于将接收到的信号发送给信号处理模块，信号处理模块用于对接收到的信号进行处理，判断该漏点检测模块监控范围内的管道是否发生泄漏，并判断出漏点的位置、大小和漏点所在处管道外的物理状态，所述电能供给模块用于将管网中流体压力、流体摩擦、流体水锤效应产生的振动能量转化为电能，为检测模块和信号发射模块供电，同时，电能供给模块输出的电信号中携带的冲击波参数和流体压力参数输入漏点检测模块，作为漏点检测模块的检测信号，通过信号发射模块发送给信号接收模块。

所述每个电能供给模块均包括金属加固层，金属加固层与管道焊接在一起，金属加固层内依次设置有振动发电装置、压电薄膜和摩擦发电薄膜，振动发电装置、压电薄膜和摩擦发电薄膜均为环形结构，且摩擦发电薄膜的内径与管道的内径相同，摩擦发电薄膜、压电薄膜、振动发电装置上均通过导线引出，为泄漏检测模块和无线发射模块供电。

所述摩擦发电薄膜、压电薄膜、振动发电装置通过微纳制造工艺一层一层地设置在一起，且摩擦发电薄膜与压电薄膜之间、压电薄膜与振动发电装置之间、金属加固层与振动发电装置之间均设置有绝缘层，金属加固层上设置有通孔。

所述振动发电装置包括设置在压电薄膜和金属加固层之间的多个振动发电单元，每个振动发电单元均包括外壳及设置在外壳内的永磁杆，每个振动发电单元内的永磁杆均与电能供给模块中的金属加固层的轴线平行，永磁杆的两端分别固定设置有移动片，移动片与永磁杆垂直设置，永磁杆两端的移动片分别通过弹簧与外壳的两端固定相连，在永磁杆的周围设置有线圈绕组，线圈绕组的两端分别与两端的移动片固定连接，且线圈绕组的两端通过导线引出，与压电薄膜、摩擦发电薄膜一起为泄漏检测模块和无线发射模块供电。

所述泄漏检测模块包括直流测试电路、交流测试电路和信号编码电路，直流测试电路的输入端通过信号线连接压电薄膜，直流测试电路用来对压电薄膜采集到的管道内流体的压力参数进行分析处理，交流测试电路的输入端通过信号线连接振动发电单元的线圈绕组，交流测试电路用来对绕组线圈采集到的管道内冲击波的频率、幅值、相位参数进行处理，直流测试电路的输出端和交流测试电路的输出端分别连接信号编码电路的输入端，信号编码电路的输出端连接无线发射模块。

所述信号发射模块采用无线发射天线，无线发射天线采用薄层聚合物裹闭，且通过加固层预留孔固定于窨井壁，无线发射天线接近地面设置。

一种自供电流体输运管网漏点自动检测方法，依次包括以下步骤：

(1)将每个泄漏检测装置分别放置在管道的每个接口开关或阀门处，为每个泄漏检测装置编号，并将此编号信息和每个泄漏检测装置所在的位置信息录入信号处理模块；

(2)漏点检测模块利用外加电源，分别检测该模块所在范围内管道内部的冲击波参数和流体压力参数，并将此冲击波参数和流体压力参数与每个漏点检测模块一一对应，录入信号处理模块，作为管道未泄漏时的对比数据；

(3)电能供给模块发电，漏点检测模块和无线发射模块开始工作；

(4)每个泄漏检测模块分别采集该模块所在范围内管道内部的冲击波参数和流体压力参数，并通过无线发射天线发送至信号接收模块；

(5)信号接收模块将接收到的信号输送给信号处理模块，信号处理模块将接收到的信号进行处理，并与管道未泄漏时的参数进行对比，判断该漏点检测模块监控范围内是否发生泄漏；

(6)若该漏点检测模块监控范围内未发生泄漏，则返回步骤(3)；若发生泄漏，信号处理模块从接收到的信号中分离出漏点的特征信息。

所述步骤(3)中，摩擦发电薄膜基于流体与摩擦发电薄膜之间的摩擦发电，压电薄膜基于水流对压电薄膜的压力发电，振动发电单元基于流体的振动和电磁感应原理发电。

所述步骤(4)中，所述无线发射天线上设置有时钟电路，无线发射天线每隔设定的时间发射一次信号。

所述步骤(6)中，信号处理模块利用水锤效应产生的沿管道传输的振动波信息、流体压力变化信息来判断漏点的位置、大小和漏点所在处管道外的物理状态。

本发明提出的一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统及方法，能够保证在无人值守的情况下及时发现大面积管道网络是否发生泄漏，并能准确判断出漏点的位置和漏点大小，无需耗费大量人力物力进行检测，能够直接在泄漏处对管道修复，提高检测速度，避免大面积开挖管道造成的资源浪费；电能供给模块利用管道中流体流动携带的能量来发电，从而供给漏点检测模块和信号发射模块，避免了更换电池的麻烦，节约成本；无线发射模块采用无线发射天线，不影响信号在管道内的传输；。

附图说明

图1为本发明所述漏点检测模块的原理框图；

图2为本发明所述电能供给模块的结构示意图；

图3为本发明所述振动发电单元的结构示意图；

图4为本发明在流体管网中的位置示意图。

发明内容

如图1至图4所示，本发明所述一种自供电大面积流体管网漏点自动检测系统，包括设置在管道接口开关或阀门12处的多个漏点检测装置13及设置在管道外的信号接收模块和信号处理模块，每个漏点检测装置13均包括漏点检测模块、电能供给模块和信号发射模块，漏点检测装置13设置于管道接口开关或阀门12处，便于维修人员对装置进行维护和管理，漏点检测模块用于实时检测管道内流体的冲击波参数和流体压力参数，并通过信号发射模块发送给信号接收模块，信号接收模块用于将接收到的信号发送给信号处理模块，信号处理模块用于对接收到的信号进行处理，判断该漏点检测模块监控范围内的管道是否发生泄漏，并判断出漏点的位置、大小和漏点所在处管道外的物理状态，在本实施例中利用水锤效应判断漏点位置、大小和漏点所在处管道外物理状态，此判断方法为现有技术，不再赘述，电能供给模块用于将管网中流体压力、流体摩擦、流体水锤效应产生的振动能量转化为电能，为检测模块和信号发射模块供电，同时，电能供给模块输出的电信号中携带的冲击波参数和流体压力参数输入漏点检测模块，作为漏点检测模块的检测信号，通过信号发射模块发送给信号接收模块。无线发射模块采用无线发射天线，无线发射天线采用薄层聚合物裹闭，且通过加固层预留孔固定于窨井壁，无线发射天线接近地面设置，以便于无线信号的发射。

电能供给模块用于为漏点检测模块和无线发射模块供电，每个电能供给模块均包括金属加固层4，在本实施例中，金属加固层4采用环形金属加固层，金属加固层4与管道焊接在一起，用来提高装置的机械强度，金属加固层4上设置有通孔5，以便无线信号通过，金属加固层4内依次设置有振动发电装置3、压电薄膜2和摩擦发电薄膜1，振动发电装置3、压电薄膜2和摩擦发电薄膜1均为环形结构，且摩擦发电薄膜1的内径与管道的内径相同，避免流体中的杂质在摩擦发电薄膜1处堆积，影响流体的流动，摩擦发电薄膜1、压电薄膜2、振动发电装置3通过微纳制造工艺一层一层地设置在一起，最大限度的加大发电薄膜与流体的接触面积，且摩擦发电薄膜1与压电薄膜2之间、压电薄膜2与振动发电装置3之间均设置有绝缘层，金属加固层4与振动发电装置3之间也设置有绝缘层，防止振动发电装置3上的电能流失；摩擦发电薄膜1、压电薄膜2、振动发电装置3上均通过导线引出，为漏点检测模块和无线发射模块供电。

振动发电装置3包括设置在压电薄膜2和金属加固层4之间的多个振动发电单元，每个振动发电单元均包括外壳11及设置在外壳11的永磁杆9，每个振动发电单元内的永磁杆9均与电能供给模块中的金属加固层4的轴线平行，永磁杆9的两端分别固定设置有移动片6，移动片6与永磁杆9垂直设置，永磁杆9两端的移动片6分别通过弹簧10与外壳11的两端固定相连，在永磁杆9的周围设置有线圈绕组8，线圈绕组8的两端分别与两端的移动片6固定连接，且线圈绕组8的两端通过导线引出，与压电薄膜2和摩擦发电薄膜1一起为漏点检测模块和无线发射模块供电。在本实施例中，永磁杆9的中部也设置有与永磁杆9垂直的移动片7，位于永磁杆9中部的移动片7将线圈绕组8分为左右两部分，左侧线圈绕组的两端分别与左侧移动片和中部移动片7固定连接，右侧线圈绕组分别与中部移动片7和右侧移动片固定连接。

摩擦发电薄膜1基于流体与薄膜之间的摩擦发电，不同的物体所约束电子的能力不同，所以在流体与摩擦发电薄膜1相互接触时会发生电子的转移，而使流体和摩擦发电薄膜1带上等量的异种电荷，摩擦薄膜采用高度绝缘薄膜，避免获得的电荷对流体的输运产生影响。

压电薄膜2基于水流对压电薄膜2的压力发电，当压电薄膜2内的晶体受到外力作用时，内部就产生电极化现象，同时在压电薄膜2的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变。通过流体压力的变化对压电薄膜2产生电荷，从而实现电能的采集。

振动发电装置3基于流体的振动和电磁感应原理发电，永磁杆9在外壳11内沿流体流动方向运动，永磁杆9的两端安装有弹力极小的弹簧10，使运动之后的永磁杆9能回复到原来的位置，以便进行下一次的位移运动，永磁杆9的周围设置有许多线圈绕组8，永磁杆9往复运动导致线圈绕组8往复切割磁力线，进而产生电流，电流通过线圈两端的导线导出。

由于流体管网中流体的摩擦、压力和振动时时处处存在，是巨大的能量来源，电能供给模块产生的电能过多，漏点检测模块难以完全利用，在能量供给模块的输出端设置有储能装置，将多余的电能储存起来，后续发展规划可采用无线充电技术，为装置周边一定范围内的便携式电子产品充电，以便能源的有效利用。

漏点检测模块包括直流测试电路、交流测试电路和信号编码电路，直流测试电路的输入端通过信号线连接压电薄膜2，直流测试电路用来对压电薄膜2采集到的管道内流体压力参数进行分析处理，交流测试电路的输入端通过信号线连接振动发电单元的线圈绕组8，交流测试电路用来对绕组线圈采集到的管道内冲击波的频率、幅值、相位参数进行处理，直流测试电路的输出端和交流测试电路的输出端分别连接信号编码电路的输入端，信号编码电路的输出端连接无线发射天线。

由于压电薄膜2对压力变化比较敏感，晶体受力所产生的电荷量的大小与外力的大小成正比，所以压电薄膜2可以用来测量管道内的流体压力参数变化。振动发电单元电流信号的大小与永磁杆9的运动速度、运动频率、位移密切相关，而永磁杆9的运动速度、运动频率、位移与冲击波的频率、幅值、相位相对应，因此从振动发电单元输出的电信号中可以获得管道内流体的频率、幅值、相位参数，进而获得管道漏点的特征参数。

一种利用自供电大面积流体管网漏点自动检测系统进行漏点自动检测的方法，依次包括以下步骤：

(1)将每个漏点检测装置13分别放置在管道的每个接口开关或阀门12处，为每个漏点检测装置13编号，并将此编号信息和每个漏点检测装置13所在的位置信息录入信号处理模块；

(2)漏点检测模块利用外加电源，分别检测该模块所在范围内管道内部的冲击波参数和流体压力参数，并将此冲击波参数和流体压力参数与每个漏点检测模块一一对应，录入信号处理模块，作为管道未泄漏时的对比数据；

(3)电能供给模块发电，漏点检测模块和无线发射模块开始工作；

(4)每个漏点检测模块分别采集该模块所在范围内管道内部的冲击波参数和流体压力参数，并通过无线发射天线发送至信号接收模块；

无线发射天线上设置有时钟电路，无线发射天线每隔设定的时间发射一次信号，这样既节约电能，又能延长装置的使用寿命。

(5)信号接收模块将接收到的信号输送给信号处理模块，信号处理模块将接收到的信号进行处理，并与管道未泄漏时的参数进行对比，判断该漏点检测模块监控范围内是否发生泄漏；

(6)若该漏点检测模块监控范围内未发生泄漏，则返回步骤(3)；若发生泄漏，信号处理模块从接收到的信号中分离出漏点的特征信息，并将该漏点信息发送给维修部门，通知维修部门对该点进行维修。

流体在管道中流动时会产生冲击波，该冲击波携带有寄点的特征信息，主要包括寄点的位置，寄点的大小，根据该冲击波参数，与管道未泄漏时的参数进行对比，就可以判断寄点是否发生泄漏，方便维修人员进行维修，判断寄点是否发生泄漏有很多种方法，如阈值法、频率分析法，在此不再赘述。同时，流体压力参数也携带有漏点特征参数，两类参数综合分析，便可判断出漏点特征。

信号处理模块基于流体压力变化和水锤效应冲击波综合判断漏点的位置和大小，水锤动力学模型为：

$\frac{\∂Q(z,t)}{\∂t}+gA\frac{\∂H(z,t)}{\∂z}+\frac{{\mathrm{fQ}}^2(z,t)}{2DA}=0$

$\frac{\∂H(z,t)}{\∂t}+\frac{b^2}{gA}\frac{\∂Q(z,t)}{\∂z}=0$

其中，H表示压位差；Q表示流量；b表示波速；g表示重力加速度；A表示管道横截面积；D表示直径；f表示摩擦系数；t表示时间；z表示距离，z∈[0,L](L表示管道长度)。通过正交配置法可以分析同一时间多点泄漏、不同时间同点泄漏以及不同时间多点泄露的多种情况，得出流量与时间之间的关系曲线，通过分析流量与时间的关系曲线就可以推断出漏点的位置与大小。此方法为现有技术，不再赘述。

本发明能够很好的解决管道泄漏造成的资源浪费问题，能够在最短时间内发现泄漏管道泄漏所在的位置并进行维修；泄漏采集模块和无线发射模块所需电能由电能供给模块供给，避免了更换电池的麻烦，节约成本。

此外，本发明还可用于管道堵塞的检测，检测方法及原理与管道漏点检测一样。

Claims (10)

1.一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统，其特征在于：包括设置在管道接口开关或阀门处的多个漏点检测装置及设置在管道外的信号接收模块和信号处理模块，每个漏点检测装置均包括漏点检测模块、电能供给模块和信号发射模块，漏点检测模块用于实时检测管道内流体的冲击波参数和流体压力参数，并通过信号发射模块发送给信号接收模块，所述信号接收模块用于将接收到的信号发送给信号处理模块，信号处理模块用于对接收到的信号进行处理，判断该漏点检测模块监控范围内的管道是否发生泄漏，并判断出漏点的位置、大小和漏点所在处管道外的物理状态，所述电能供给模块用于将管网中流体压力、流体摩擦、流体水锤效应产生的振动能量转化为电能，为检测模块和信号发射模块供电，同时，电能供给模块输出的电信号中携带的冲击波参数和流体压力参数输入漏点检测模块，作为漏点检测模块的检测信号，通过信号发射模块发送给信号接收模块。

2.如权利要求1所述的一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统，其特征在于：所述每个电能供给模块均包括金属加固层，金属加固层与管道焊接在一起，金属加固层内依次设置有振动发电装置、压电薄膜和摩擦发电薄膜，振动发电装置、压电薄膜和摩擦发电薄膜均为环形结构，且摩擦发电薄膜的内径与管道的内径相同，摩擦发电薄膜、压电薄膜、振动发电装置上均通过导线引出，为泄漏检测模块和无线发射模块供电。

3.如权利要求2所述的一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统，其特征在于：所述摩擦发电薄膜、压电薄膜、振动发电装置通过微纳制造工艺一层一层地设置在一起，且摩擦发电薄膜与压电薄膜之间、压电薄膜与振动发电装置之间、金属加固层与振动发电装置之间均设置有绝缘层，金属加固层上设置有通孔。

4.如权利要求2所述的一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统，其特征在于：所述振动发电装置包括设置在压电薄膜和金属加固层之间的多个振动发电单元，每个振动发电单元均包括外壳及设置在外壳内的永磁杆，每个振动发电单元内的永磁杆均与电能供给模块中的金属加固层的轴线平行，永磁杆的两端分别固定设置有移动片，移动片与永磁杆垂直设置，永磁杆两端的移动片分别通过弹簧与外壳的两端固定相连，在永磁杆的周围设置有线圈绕组，线圈绕组的两端分别与两端的移动片固定连接，且线圈绕组的两端通过导线引出，与压电薄膜、摩擦发电薄膜一起为泄漏检测模块和无线发射模块供电。

5.如权利要求2所述的一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统，其特征在于：所述泄漏检测模块包括直流测试电路、交流测试电路和信号编码电路，直流测试电路的输入端通过信号线连接压电薄膜，直流测试电路用来对压电薄膜采集到的管道内流体的压力参数进行分析处理，交流测试电路的输入端通过信号线连接振动发电单元的线圈绕组，交流测试电路用来对绕组线圈采集到的管道内冲击波的频率、幅值、相位参数进行处理，直流测试电路的输出端和交流测试电路的输出端分别连接信号编码电路的输入端，信号编码电路的输出端连接无线发射模块。

6.如权利要求1所述的一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统，其特征在于：所述信号发射模块采用无线发射天线，无线发射天线采用薄层聚合物裹闭，且通过加固层预留孔固定于窨井壁，无线发射天线接近地面设置。

7.利用权利要求1或6所述的一种自供电流体输运管网漏点自动检测系统来进行漏点自动检测的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

（1）将每个泄漏检测装置分别放置在管道的每个接口开关或阀门处，为每个泄漏检测装置编号，并将此编号信息和每个泄漏检测装置所在的位置信息录入信号处理模块；

（2）漏点检测模块利用外加电源，分别检测该模块所在范围内管道内部的冲击波参数和流体压力参数，并将此冲击波参数和流体压力参数与每个漏点检测模块一一对应，录入信号处理模块，作为管道未泄漏时的对比数据；

（3）电能供给模块发电，漏点检测模块和无线发射模块开始工作；

（4）每个泄漏检测模块分别采集该模块所在范围内管道内部的冲击波参数和流体压力参数，并通过无线发射天线发送至信号接收模块；

（5）信号接收模块将接收到的信号输送给信号处理模块，信号处理模块将接收到的信号进行处理，并与管道未泄漏时的参数进行对比，判断该漏点检测模块监控范围内是否发生泄漏；

（6）若该漏点检测模块监控范围内未发生泄漏，则返回步骤（3）；若发生泄漏，信号处理模块从接收到的信号中分离出漏点的特征信息。

8.如权利要求7所述的一种自供电大面积流体管网漏点自动检测方法，其特征在于：所述步骤（3）中，摩擦发电薄膜基于流体与摩擦发电薄膜之间的摩擦发电，压电薄膜基于水流对压电薄膜的压力发电，振动发电单元基于流体的振动和电磁感应原理发电。

9.如权利要求7所述的一种自供电大面积流体管网漏点自动检测方法，其特征在于：所述步骤（4）中，所述无线发射天线上设置有时钟电路，无线发射天线每隔设定的时间发射一次信号。

10.如权利要求7所述的一种自供电大面积流体管网漏点自动检测方法，其特征在于：所述步骤（6）中，信号处理模块利用水锤效应产生的沿管道传输的振动波信息、流体压力变化信息来判断漏点的位置、大小和漏点所在处管道外的物理状态。