CN105889763A - 一种管道泄漏的检测设备及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道泄漏的检测设备，包括声音收集体和外接主机，声音收集体的外壳包括内侧的金属壳体和外侧的发泡塑料层，金属壳体内设置有中空隔层，发泡塑料层上设置有若干个通孔，通孔与中空隔层相通，金属壳体呈梭形，声波传感器通过支架固定在金属壳体的中轴线上，第一储存器和蓄电池分别固定在金属壳体内侧的顶部和底部。本发明还提供了一种使用上述检测设备进行泄漏点检测的方法，通过对采集来的声波信号进行过滤筛选，并对无效信号进行二次利用，既起到了降噪的作用，还降低了降噪后样本信号的失真率，本发明能够改进现有技术的不足，适用于非金属大口径管道的检测。

Description

一种管道泄漏的检测设备及其检测方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其是一种管道泄漏的检测设备及其检测方法。

背景技术

供水管道漏水探测是水司节约水资源，降低产销差，提高自身经济效益的重要工作内容；目前供水管道漏水探测方法技术很多，诸如流量法、压力法、噪声法、听音法、相关分析法、管道内窥法、探地雷达法、地表温度测量法及气体示踪法等，以上方法技术解决了许多管道漏水问题，但是，针对非金属及大口径管道效果却非常不理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种管道泄漏的检测设备及其检测方法，能够解决现有技术的不足，适用于非金属大口径管道的检测。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种管道泄漏的检测设备，包括声音收集体和外接主机，声音收集体上设置有防水USB插口，所述声音收集体内设置有声波传感器、第一储存器和蓄电池，声波传感器连接至第一储存器，第一储存器和蓄电池分别连接至防水USB插口，声音收集体的外壳包括内侧的金属壳体和外侧的发泡塑料层，金属壳体内设置有中空隔层，发泡塑料层上设置有若干个通孔，通孔与中空隔层相通，金属壳体呈梭形，声波传感器通过支架固定在金属壳体的中轴线上，第一储存器和蓄电池分别固定在金属壳体内侧的顶部和底部；所述外接主机包括处理器，处理器分别连接有显示器和第二储存器。

一种使用上述检测设备的检测方法，包括以下步骤：

A、将声音收集体放入待测管路中，使声音收集体随着管道内的流体流动，当声音收集体经过待测管路后，将其取出，使用USB连接器将声音收集体与外接主机连接，连接主机读取第一储存器内记录的声音数据；

B、使用f(x)＝ax³+bx²+cx+d·exp^-αx2的曲线作为基础声波强度的拟合曲线，其中x为时间变量，将若干个基础声波强度曲线赋予不同时间变量，然后进行叠加求和，求和的结果为测量到的混合声波强度，使用若干个测量值进行拟合计算，得出基础声波强度曲线；

C、使用基础声波强度曲线对测量到的声波进行过滤筛选，将符合基础声波强度曲线的声波作为有效数据，将高于或低于基础声波强度曲线维数的声波作为无效数据；

D、将所有数据按照频率范围的不同分成若干个区间，选出有效数据的强度在中每个数据区间的最大值和最小值，然后使用无效数据每个频率区间中的数据单元与相同区间中有效数据的最大值和最小值进行比较，若无效数据中的数据单元位于有效数据的最大值和最小值之间，则将这一无效数据中这一区间的数据单元标记为有效数据单元，否则，继续标记为无效数据单元；

E、计算每个有效数据各区间强度的平均值，然后将无效数据中标记为有效数据单元的数据代替相应区间的强度的平均值，其它区间仍然使用本区间的平均值，形成一个新的有效数据单元，将所有新得到的有效数据单元使用调整因数进行加权处理后，融合入原有的有效数据单元中；

F、将步骤D中仍然标记为无效的数据单元按照区间的相关性进行重新排序，然后对各个区间进行权重排序，按照区间权重值由低到高的顺序依次选取各个区间的无效数据单元作为目标值对其相邻的无效数据单元进行线性拟合，拟合出的各个区间的数据组成的曲线作为新的基础声波强度曲线对采集的声音数据重新进行过滤筛选；

G、对步骤F中重新过滤筛选的声波信号进行扫描，标记出声波强度曲线的波谷位置，在波谷位置对高频段声波信号和低频段声波信号进行独立的分析，若低频段声波信号的下降幅度大于高频段声波信号下降幅度的2倍，则判断此处为泄漏点。

作为优选，步骤E中，将融合后形成的新的有效数据再次进行步骤C中的筛选过程，如果符合步骤C中的标准，则无需追加处理，如果不符合步骤C中的标准，则对调整因数进行调整，直至新的有效数据符合步骤C的标准。

作为优选，对调整因数进行调整的步骤为，

选取调整因数的1‰作为迭代步长，任意选取正向或负向迭代，通过迭代前后的结果变化率和迭代结果与目标结果差值的绝对值的计算，确定下一次迭代变化量，其关系为，

q＝(D·L₁)/(k·L₂)

其中，k为迭代前后的结果变化率，D为迭代结果与目标结果差值的绝对值，L₁为上一次迭代前数据所处位置的斜率，L₂为上一次迭代后数据所处位置的斜率，q为下一次迭代变化量

作为优选，步骤G中，当位于波谷纵向深度一半的位置的横向宽度大于500ms时，定义此波谷为有效波谷，其余为无效波谷，仅对有效波谷的高频段声波信号和低频段声波信号进行独立的分析，若低频段声波信号的下降幅度大于高频段声波信号下降幅度的2倍，则判断此处为泄漏点。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明可以提高管道内声波采集的强度，并通过对声波进行过滤处理，实现了对泄露点高精度的检测。

附图说明

图1是本发明一个具体实施方式中声音收集体的结构图。

图2是本发明一个具体实施方式中金属壳体的结构图。

图3是本发明一个具体实施方式的原理图。

图中：1、声波传感器；2、第一储存器；3、蓄电池；4、金属壳体；5、发泡塑料层；6、中空隔层；7、通孔；8、支架；9、处理器；10、显示器；11、第二储存器；12、毛细管。

具体实施方式

参照图1-3，本发明一个具体实施方式包括声音收集体和外接主机，声音收集体上设置有防水USB插口，所述声音收集体内设置有声波传感器1、第一储存器2和蓄电池3，声波传感器1连接至第一储存器2，第一储存器2和蓄电池3分别连接至防水USB插口，声音收集体的外壳包括内侧的金属壳体4和外侧的发泡塑料层5，金属壳体4内设置有中空隔层6，发泡塑料层5上设置有若干个通孔7，通孔7与中空隔层6相通，金属壳体4呈梭形，声波传感器1通过支架8固定在金属壳体4的中轴线上，第一储存器2和蓄电池3分别固定在金属壳体4内侧的顶部和底部；所述外接主机包括处理器9，处理器9分别连接有显示器10和第二储存器11。在中空隔层6与通孔7之间还设置有毛细管12。在流体通过通孔7进入中空隔层6后，可以使金属壳体4与流体直接接触，提高声波采集的强度，但是在这种狭窄的空间内，流体容易产生紊流，并与外壁相互撞击，从而出现噪声。毛细管12可以在中空隔层6中流体高速流动时产生微负压，将通孔中的部分流体通过毛细管12引入中空隔层6，从而提高了中空隔层6内压力的均衡性，减小了噪音强度。

使用上述检测设备的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

A、将声音收集体放入待测管路中，使声音收集体随着管道内的流体流动，当声音收集体经过待测管路后，将其取出，使用USB连接器将声音收集体与外接主机连接，连接主机读取第一储存器2内记录的声音数据；

B、使用f(x)＝ax³+bx²+cx+d·exp-αx²的曲线作为基础声波强度的拟合曲线，其中x为时间变量，将若干个基础声波强度曲线赋予不同时间变量，然后进行叠加求和，求和的结果为测量到的混合声波强度，使用若干个测量值进行拟合计算，得出基础声波强度曲线；

C、使用基础声波强度曲线对测量到的声波进行过滤筛选，将符合基础声波强度曲线的声波作为有效数据，将高于或低于基础声波强度曲线维数的声波作为无效数据；

D、将所有数据按照频率范围的不同分成若干个区间，选出有效数据的强度在中每个数据区间的最大值和最小值，然后使用无效数据每个频率区间中的数据单元与相同区间中有效数据的最大值和最小值进行比较，若无效数据中的数据单元位于有效数据的最大值和最小值之间，则将这一无效数据中这一区间的数据单元标记为有效数据单元，否则，继续标记为无效数据单元；

E、计算每个有效数据各区间强度的平均值，然后将无效数据中标记为有效数据单元的数据代替相应区间的强度的平均值，其它区间仍然使用本区间的平均值，形成一个新的有效数据单元，将所有新得到的有效数据单元使用调整因数进行加权处理后，融合入原有的有效数据单元中；

F、将步骤D中仍然标记为无效的数据单元按照区间的相关性进行重新排序，然后对各个区间进行权重排序，按照区间权重值由低到高的顺序依次选取各个区间的无效数据单元作为目标值对其相邻的无效数据单元进行线性拟合，拟合出的各个区间的数据组成的曲线作为新的基础声波强度曲线对采集的声音数据重新进行过滤筛选；

G、对步骤F中重新过滤筛选的声波信号进行扫描，标记出声波强度曲线的波谷位置，在波谷位置对高频段声波信号和低频段声波信号进行独立的分析，若低频段声波信号的下降幅度大于高频段声波信号下降幅度的2倍，则判断此处为泄漏点。

调整因数的计算公式为

$a=(\sqrt{{x_1}^2+{x_2}^2+...+{x_n}^2}-\sqrt{{y_1}^2+{y_2}^2+...+{y_n}^2})/e^{\frac{f_n}{f_x}}$

其中，x_n为新有效数据的第n频率区间据单元，y_n为与此新有效数据欧式距离最近的源数据中的有效数据的第n频率区间数据单元，f_n为第n频率区间的平均频率，f_x为新有效数据的频率。

步骤E中，将融合后形成的新的有效数据再次进行步骤C中的筛选过程，如果符合步骤C中的标准，则无需追加处理，如果不符合步骤C中的标准，则对调整因数进行调整，直至新的有效数据符合步骤C的标准。

对调整因数进行调整的步骤为，

选取调整因数的1‰作为迭代步长，任意选取正向或负向迭代，通过迭代前后的结果变化率和迭代结果与目标结果差值的绝对值的计算，确定下一次迭代变化量，其关系为，

q＝(D·L₁)/(k·L₂)

步骤G中，当位于波谷纵向深度一半的位置的横向宽度大于500ms时，定义此波谷为有效波谷，其余为无效波谷，仅对有效波谷的高频段声波信号和低频段声波信号进行独立的分析，若低频段声波信号的下降幅度大于高频段声波信号下降幅度的2倍，则判断此处为泄漏点。

在内径500mm，长度为100m的PVC管道内进行试验，流体为水，在不同流速和泄漏率的条件下进行试验，最终得到的基础声波强度的拟合曲线为 $f\left(x\right)=0.3x^3+{2x}^2+1.3x+{\exp }^{-{3x}^2},$

结果如下：

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种管道泄漏的检测设备，包括声音收集体和外接主机，声音收集体上设置有防水USB插口，其特征在于：所述声音收集体内设置有声波传感器(1)、第一储存器(2)和蓄电池(3)，声波传感器(1)连接至第一储存器(2)，第一储存器(2)和蓄电池(3)分别连接至防水USB插口，声音收集体的外壳包括内侧的金属壳体(4)和外侧的发泡塑料层(5)，金属壳体(4)内设置有中空隔层(6)，发泡塑料层(5)上设置有若干个通孔(7)，通孔(7)与中空隔层(6)相通，金属壳体(4)呈梭形，声波传感器(1)通过支架(8)固定在金属壳体(4)的中轴线上，第一储存器(2)和蓄电池(3)分别固定在金属壳体(4)内侧的顶部和底部；所述外接主机包括处理器(9)，处理器(9)分别连接有显示器(10)和第二储存器(11)。

2.一种使用权利要求1所述检测设备的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

A、将声音收集体放入待测管路中，使声音收集体随着管道内的流体流动，当声音收集体经过待测管路后，将其取出，使用USB连接器将声音收集体与外接主机连接，连接主机读取第一储存器(2)内记录的声音数据；

B、使用 $f\left(x\right)={\mathrm{ax}}^3+{\mathrm{bx}}^2+\mathrm{cx}+d\·{\exp }^{-{\mathrm{\αx}}^2}$ 的曲线作为基础声波强度的拟合曲线，其中x为时间变量，将若干个基础声波强度曲线赋予不同时间变量，然后进行叠加求和，求和的结果为测量到的混合声波强度，使用若干个测量值进行拟合计算，得出基础声波强度曲线；

C、使用基础声波强度曲线对测量到的声波进行过滤筛选，将符合基础声波强度曲线的声波作为有效数据，将高于或低于基础声波强度曲线维数的声波作为无效数据；

D、将所有数据按照频率范围的不同分成若干个区间，选出有效数据的强度在中每个数据区间的最大值和最小值，然后使用无效数据每个频率区间中的数据单元与相同区间中有效数据的最大值和最小值进行比较，若无效数据中的数据单元位于有效数据的最大值和最小值之间，则将这一无效数据中这一区间的数据单元标记为有效数据单元，否则，继续标记为无效数据单元；

E、计算每个有效数据各区间强度的平均值，然后将无效数据中标记为有效数据单元的数据代替相应区间的强度的平均值，其它区间仍然使用本区间的平均值，形成一个新的有效数据单元，将所有新得到的有效数据单元使用调整因数进行加权处理后，融合入原有的有效数据单元中；

F、将步骤D中仍然标记为无效的数据单元按照区间的相关性进行重新排序，然后对各个区间进行权重排序，按照区间权重值由低到高的顺序依次选取各个区间的无效数据单元作为目标值对其相邻的无效数据单元进行线性拟合，拟合出的各个区间的数据组成的曲线作为新的基础声波强度曲线对采集的声音数据重新进行过滤筛选；

G、对步骤F中重新过滤筛选的声波信号进行扫描，标记出声波强度曲线的波谷位置，在波谷位置对高频段声波信号和低频段声波信号进行独立的分析，若低频段声波信号的下降幅度大于高频段声波信号下降幅度的2倍，则判断此处为泄漏点。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：步骤E中，将融合后形成的新的有效数据再次进行步骤C中的筛选过程，如果符合步骤C中的标准，则无需追加处理，如果不符合步骤C中的标准，则对调整因数进行调整，直至新的有效数据符合步骤C的标准。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于：对调整因数进行调整的步骤为，

选取调整因数的1‰作为迭代步长，任意选取正向或负向迭代，通过迭代前后的结果变化率和迭代结果与目标结果差值的绝对值的计算，确定下一次迭代变化量，其关系为，

q＝(D·L₁)/(k·L₂)

其中，k为迭代前后的结果变化率，D为迭代结果与目标结果差值的绝对值，L₁为上一次迭代前数据所处位置的斜率，L₂为上一次迭代后数据所处位置的斜率，q为下一次迭代变化量。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤G中，当位于波谷纵向深度一半的位置的横向宽度大于500ms时，定义此波谷为有效波谷，其余为无效波谷，仅对有效波谷的高频段声波信号和低频段声波信号进行独立的分析，若低频段声波信号的下降幅度大于高频段声波信号下降幅度的2倍，则判断此处为泄漏点。