CN105953080A - 基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法，包括建立待测管段传感器同侧布置的泄漏定位模型；在待测管段同侧安装声波传感器并利用声波传感器采集声波信号；获取待测管段与两传感器间运行参数，根据运行参数分别计算管段与传感器之间的衰减因子；将步骤二中的声波信号与衰减因子代入泄漏定位模型，进行泄漏定位。本发明的有益效果是：本发明将两传感器设置于待测管段同侧，与现有技术中采用管道两端打孔方式相比，降低了打孔的危险程度；本发明不采用通过计算时间差来对泄漏点进行定位的方式，只需计算两传感器与待测管段末端或者首端的距离，可操作性强，安全性较高。

Description

基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法

技术领域

本发明涉及油气管道声波法泄漏监测技术领域，尤其是一种基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法。

背景技术

目前可以应用于油气管道的泄漏监测方法有许多种，其中，声波法与传统的质量平衡法、负压波法、瞬态模型法等相比具有诸多优点：灵敏度高、定位精度高、误报率低、检测时间短、适应性强；测量的是管线流体中的微弱动态压力变化量，与管线运行压力的绝对值无关；响应频率更宽，检测范围更宽等。

针对输气管道声波法泄漏检测与定位技术的研究中，声速、声波到达管道两端传感器的时间差以及管道两端传感器之间的安装距离决定泄漏定位精度，但目前研究大都集中在声速和声波到达管道两端的时间差的求解计算，以此实现泄漏的准确定位。国内外学者也多是针对声波传播速度的改进以及时间差精度的提高进行研究的。根据调研，现阶段国内外涉及基于声波技术的油气管道泄漏定位方法的专利主要有：

美国专利US6389881公开了一种基于音波技术的管道实时泄漏检测装置和方法。该技术利用传感器采集管内动态压力，采用模式匹配滤波技术对信号进行滤波处理，排除噪声，降低干扰，提高了定位精度；

中国专利200810223454.X公开了一种利用动态压力和静态压力数据进行管道泄漏监测的方法及装置。该方法在管道首末端分别安装一套动态压力传感器和静态压力传感器，测量管内音波信号，音波信号经数据采集装置处理后提取泄漏信号，并利用GPS系统打上时间标签，进行泄漏定位。

中国专利201510020155.6公开了一种基于声波幅值的油气管道泄漏定位方法，该方法采用经过小波分析处理后得到低频段声波幅值来进行泄漏检测和定位，建立了泄漏声波在油气管道介质内的传播模型，提出了一种不考虑声速及时间差的泄漏定位方法。

现有的专利较少涉及传感器管道同端布置的泄漏定位方法，对泄漏定位的实现更多的是依靠传感器在管道两端布置，进而拾取泄漏信号，对传感器管道同端布置的泄漏定位方法没有描述，具体表现为：传感器安装在管道两端需要对管道两端打孔，针对运行的管道进行打孔增大了危险程度，同时泄漏声波信号向管道两端传播需要采用计算时间差的方法对泄漏进行定位，响应时间长，投资规模大，安全性低，这都降低了声波法推广的可行性和适用性。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种传感器管道同端布置的泄漏定位方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法，包括以下步骤：

步骤一：建立待测管段传感器同侧布置的泄漏定位模型；

步骤二：在待测管段同侧安装声波传感器并利用声波传感器采集声波信号；

步骤三：获取待测管段与两传感器间运行参数，根据运行参数分别计算管段与传感器之间的衰减因子；

步骤四：将步骤二中的声波信号与衰减因子代入泄漏定位模型，进行泄漏定位。

优选的，所述步骤一中，传感器安装于待测管段首端，泄漏定位模型为：

$x=\frac{ln(p_1/p_2)-{\mathrm{\α}}_2(L-l)}{{\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1}$

其中，L表示上游传感器与待测管段末端之间距离，p₂表示上游传感器采集信号幅值，α₂表示衰减因子；l表示下游传感器与待测管段末端之间距离，p₁表示下游传感器采集信号幅值，α₁表示衰减因子；x表示下游传感器与泄漏点之间距离。

优选的，所述步骤一中，传感器安装于待测管段末端时，泄漏定位模型为：

$x=\frac{ln(p_2/p_1)+{\mathrm{\α}}_2(L-l)}{{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2}$

其中，L表示上游传感器与待测管段末端之间距离，p₂表示上游传感器采集信号幅值，α₂表示衰减因子；l表示下游传感器与待测管段末端之间距离，p₁表示下游传感器采集信号幅值，α₁表示衰减因子；x表示下游传感器与泄漏点之间距离。

优选的，所述步骤二中，在待测管段同一侧安装声波传感器指将两传感器均安装在待测管段首端或将两传感器均安装在待测管段末端，并且，两传感器之间具有一定间距。

优选的，所述步骤二中，所述运行参数包括待测管段直径、介质密度、角频率、特定频段声波的中心频率、管内声波传播速度、介质切变黏滞系数、容变黏滞系数、热传导系数、介质的定容比热、定压比热、气体流动雷诺数和气体流速。

进一步优选的，所述步骤三中，若两传感器均安装在待测管段首端时，衰减因子表示为：

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{ra}}_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}^{\′}\mathrm{\ω}}{2{\mathrm{\ρ}}_0}}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·{\mathrm{\η}}^{\′\′}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·\mathrm{\χ}(\frac{1}{C_v}-\frac{1}{C_p})+\frac{f\left(\mathrm{Re}\right)}{4r}\frac{v}{c}}{1-\frac{v}{c}}$

其中，r表示待测管段直径，单位为m；ρ₀表示介质密度，单位为kg/m³；ω表示角频率，ω＝2πf，f表示特定频段声波的中心频率，单位为Hz，c表示管内声波传播速度，单位为m/s，η′表示介质切变黏滞系数，单位为Pa·s；η″表示容变黏滞系数，单位为Pa·s；χ表示热传导系数，单位为W/(m·K)；介质的定容比热C_v，单位为kJ/(kg·K)；C_p表示定压比热，单位为kJ/(kg·K)；Re表示气体流动雷诺数；v表示气体流速单位为m/s。

进一步优选的，所述步骤三中，若两传感器均安装在待测管段末端，衰减因子表示为：

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{ra}}_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}^{\′}\mathrm{\ω}}{2{\mathrm{\ρ}}_0}}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·{\mathrm{\η}}^{\′\′}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·\mathrm{\χ}(\frac{1}{C_v}-\frac{1}{C_p})+\frac{f\left(\mathrm{Re}\right)}{4r}\frac{v}{c}}{1+\frac{v}{c}}$

其中，r表示待测管段直径，单位为m；ρ₀表示介质密度，单位为kg/m³；ω表示角频率，ω＝2πf，f表示特定频段声波的中心频率，单位为Hz，c表示管内声波传播速度，单位为m/s，η′表示介质切变黏滞系数，单位为Pa·s；η″表示容变黏滞系数，单位为Pa·s；χ表示热传导系数，单位为W/(m·K)；介质的定容比热C_v，单位为kJ/(kg·K)；C_p表示定压比热，单位为kJ/(kg·K)；Re表示气体流动雷诺数；v表示气体流速单位为m/s。

本发明的有益效果是：

1.本发明将两传感器设置于待测管段同侧，与现有技术中采用管道两端打孔方式相比，降低了打孔的危险程度；

2.本发明不采用通过计算时间差来对泄漏点进行定位的方式，只需计算两传感器与待测管段末端或者首端的距离再进行后续的模型运算，因此，本发明的参数均通过实际测量获取，不需要进行时间响应，因此，本发明可操作性强，同时，安全性较高。

附图说明

图1是本发明提供的基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法流程图；

图2是本发明提供的基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法，包括以下步骤：

步骤S101：建立待测管段传感器同侧布置的泄漏定位模型；

步骤S102：在待测管段同侧安装声波传感器并利用声波传感器采集声波信号；

步骤S103：获取待测管段与两传感器间运行参数，根据运行参数分别计算管段与传感器之间的衰减因子；

步骤S104：将步骤二中的声波信号与衰减因子代入泄漏定位模型，进行泄漏定位。

如图2所示，下面以泄漏点位于待测管段上游某点为例，对本发明的工作流程进行说明：

上游传感器和下游传感器分别安装在待测管段末端，并且上游传感器和下游传感器之间具有一定间距，上游传感器、下游传感器与待测管段首端距离分别为l和L，衰减因子分别为α₁和α₂，上游传感器、下游传感器采集声波信号的幅值分别为p₁和p₂，泄漏点发生在上游传感器与待测管段首端之间，并且泄漏点与上游传感器的距离为x。

已知参数为l和L，将上游传感器、下游传感器与待测管段首端距离分别为l和L代入下述衰减因子公式进行计算，可分别得到上游传感器、下游传感器对应的衰减因子，表示为α₁和α₂。

由于两传感器均安装在待测管段末端，因此，泄漏定位公式采用下述公式：

$x=\frac{ln(p_2/p_1)+{\mathrm{\α}}_2(L-l)}{{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2}$

将α₁、α₂、l和L代入上述公式，即可求解出泄漏点位置。

本发明将两传感器设置于待测管段同侧，与现有技术中采用管道两端打孔方式相比，降低了打孔的危险程度。同时，本发明不采用通过计算时间差来对泄漏点进行定位的方式，只需计算两传感器与待测管段末端或者首端的距离再进行后续的模型运算，因此，本发明的参数均通过实际测量获取，不需要进行时间响应，因此，本发明可操作性强，同时，安全性较高。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：建立待测管段传感器同侧布置的泄漏定位模型；

步骤二：在待测管段同侧安装声波传感器并利用声波传感器采集声波信号；

步骤三：获取待测管段与两传感器间运行参数，根据运行参数分别计算管段与传感器之间的衰减因子；

步骤四：将步骤二中的声波信号与衰减因子代入泄漏定位模型，进行泄漏定位。

2.如权利要求1所述的基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法，其特征是，所述步骤一中，传感器安装于待测管段首端，泄漏定位模型为：

$x=\frac{ln(p_1/p_2)-{\mathrm{\α}}_2(L-l)}{{\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1}$

其中，L表示上游传感器与待测管段末端之间距离，p₂表示上游传感器采集信号幅值，α₂衰减因子；l表示下游传感器与待测管段末端之间距离，p₁表示下游传感器采集信号幅值，α₁表示衰减因子；x表示下游传感器与泄漏点之间距离。

3.如权利要求1所述的基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法，其特征是，所述步骤一中，传感器安装于待测管段末端时，泄漏定位模型为：

$x=\frac{ln(p_2/p_1)+{\mathrm{\α}}_2(L-l)}{{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2}$

其中，L表示上游传感器与待测管段末端之间距离，p₂表示上游传感器采集信号幅值，α₂表示衰减因子；l表示下游传感器与待测管段末端之间距离，p₁表示下游传感器采集信号幅值，α₁表示衰减因子；x表示下游传感器与泄漏点之间距离。

4.如权利要求1所述的基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法，其特征是，所述步骤二中，在待测管段同一侧安装声波传感器指将两传感器均安装在待测管段首端或将两传感器均安装在待测管段末端，并且，两传感器之间具有一定间距。

5.如权利要求4所述的基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法，其特征是，所述运行参数包括待测管段直径、介质密度、角频率、特定频段声波的中心频率、管内声波传播速度、介质切变黏滞系数、容变黏滞系数、热传导系数、介质的定容比热、定压比热、气体流动雷诺数和气体流速。

6.如权利要求5所述的基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法，其特征是，所述步骤三中，若两传感器均安装在待测管段首端时，衰减因子表示为：

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{ra}}_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}^{\′}\mathrm{\ω}}{2{\mathrm{\ρ}}_0}}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·{\mathrm{\η}}^{\′\′}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·\mathrm{\χ}(\frac{1}{C_v}-\frac{1}{C_p})+\frac{f\left(\mathrm{Re}\right)}{4r}\frac{v}{c}}{1-\frac{v}{c}}$

其中，r表示待测管段直径；ρ₀表示介质密度；ω表示角频率，ω＝2πf，f表示特定频段声波的中心频率，c表示管内声波传播速度，η′表示介质切变黏滞系数，η″表示容变黏滞系数；χ表示热传导系数，C_v表示介质的定容比热，C_p表示定压比热，Re表示气体流动雷诺数；v表示气体流速。

7.如权利要求5所述的基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法，其特征是，所述步骤三中，若两传感器均安装在待测管段末端，衰减因子表示为：

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{ra}}_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}^{\′}\mathrm{\ω}}{2{\mathrm{\ρ}}_0}}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·{\mathrm{\η}}^{\′\′}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·\mathrm{\χ}(\frac{1}{C_v}-\frac{1}{C_p})+\frac{f\left(\mathrm{Re}\right)}{4r}\frac{v}{c}}{1+\frac{v}{c}}$

其中，r表示待测管段直径；ρ₀表示介质密度；ω表示角频率，ω＝2πf，f表示特定频段声波的中心频率，c表示管内声波传播速度，η′表示介质切变黏滞系数，η″表示容变黏滞系数；χ表示热传导系数，C_v表示介质的定容比热，C_p表示定压比热，Re表示气体流动雷诺数；v表示气体流速。