CN108332063A - 一种基于互相关的管道泄漏定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于互相关的管道泄漏定位方法，基于下述检测装置实现：在待检测管道上安装两个传感器，传感器为加速度传感器或者水听器；每个传感器各连接数据采集仪，用于同步采集管道泄漏时引起的流体中传播的泄漏声信号；所述方法包括：获取两个传感器拾取的泄漏声时域信号，计算互功率谱密度函数；对互功率谱密度函数加权后进行傅里叶逆变换得到互相关函数，获取互相关函数峰值对应的时间延迟估计，从而通过定位公式反推出泄漏点相对第一传感器的距离。本发明的方法无需对传感器信号进行滤波处理；能够有效消除反射影响，从而更准确实现复杂工况下管道泄漏定位。
Description
技术领域
本发明涉及管道输送领域，特别是涉及到复杂工况下城市供水管道的泄漏定位方法，具体涉及一种基于互相关的管道泄漏定位方法。
背景技术
随着城市化进程的加速和人口的递增，水资源的需求量不断增加。我国城市供水管网规划建设、运营管理中，普遍存在地下基础设施腐蚀、老化，管线信息缺乏，过度的交通负载和人为破坏，监测及运营管理手段落后等问题，导致管道泄漏频发。管道泄漏通常占水损失总量的70％以上，造成直接和间接的能源、经济损失和安全隐患；二则，当前综合智能城市管廊建设迫切需要管道泄漏检测与定位方法的创新和技术转化。因此，针对地下供水管网具有多分支、多节点的复杂工况，一种及时、准确的管道泄漏定位方法尤为重要。目前通常使用声学法进行城市供水管道泄漏检测，特别是采用相关检漏法实现漏点定位。相关检漏法采用互相关分析法计算泄漏声沿管道传播时到达安装在管道上的两端的传感器拾取信号之间的时延，需要已知声波传播速度以及两个测点的管道距离来确定泄漏点的位置。但该方法在实际管道漏损定位时有三个问题是难以解决的：一是当检测非金属管道、水压低、深埋管等工况时，则对漏点定位精度不高，甚至误判；二是通常需预知泄漏声和背景噪声的先验知识，选取泄漏声占主导的非频散频段(文献[1]：Y.Gao,M.J.Brennan,P.F.Joseph,J.M.Muggleton,O.Hunaidi,A model of the correlation function ofleak noise in buried plastic pipes,Journal of Sound and Vibration 277(1-2)(2004)133-148.)，先对传感器拾取信号进行滤波处理，然实际中很难获得这些先验知识；三是当泄漏声在管道的分支、节点处产生声波的反射(文献[2]：Y.Gao,M.J.Brennan,P.F.Joseph,On the effect of reflections on time delay estimation for leakdetection in buried plastic water pipes,Journal of Sound and Vibration 325(3)(2009)649-663.)，将对漏点定位不准确。
发明内容
本发明的目的在于克服目前管道泄漏定位方法存在的上述问题，提出了一种基于互相关的管道泄漏定位方法。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于互相关的管道泄漏定位方法，基于下述检测装置实现：在待检测管道上安装两个传感器，传感器为加速度传感器或者水听器；每个传感器各连接数据采集仪，用于同步采集管道泄漏时引起的流体中传播的泄漏声信号；所述方法包括：获取两个传感器拾取的泄漏声时域信号，计算互功率谱密度函数；对互功率谱密度函数加权后进行傅里叶逆变换得到互相关函数，获取互相关函数峰值对应的时间延迟估计，从而通过定位公式反推出泄漏点相对第一传感器的距离。
作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：
步骤1)获取两个传感器拾取的泄漏声压时域信号xk(t)，k＝1,2；
步骤2)在频域上建立两组时域信号之间的互功率谱密度函数：
其中，X1(ω)、X2(ω)分别表示x1(t)、x2(t)的傅里叶变换，*表示复共轭；
步骤3)对乘以频率加权函数ω2之后进行傅里叶逆变换，得到互相关函数：
其中，表示傅里叶逆变换；
步骤4)获取互相关函数峰值对应的时间延迟估计ΔT；
步骤5)通过定位公式求出泄漏点相对第一传感器的距离d1：
d1＝(D-cΔT)/2
其中，D为两个传感器之间的距离，c为泄漏声传播速度。
本发明的优势在于：
1、本发明提出的方法直接对传感器拾取的时域信号经行傅里叶变换，通过在频域上对互谱密度函数加权后作傅里叶逆变换求取互相关结果；无需掌握泄漏声信号和背景噪声的频域信息，简单易实现，对漏损检测人员的相关专业知识要求低；
2、本发明的方法无需对传感器信号进行滤波处理；能够有效消除反射影响，从而更准确实现复杂工况下管道泄漏定位。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的方法的流程图；
图3为n＝0时，互相关函数的示意图；
图4为n＝2时，互相关函数的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示，本发明的原理为：
在时域流程图中，xk(t),(k＝1,2),为两个传感器拾取的时域信号，对其进行预滤波后对延迟信号x2(t+τ)和x1(t)相乘并作积分，求得互相关函数其中 表示傅里叶逆变换；时域原理也可表示为其中表示卷积，RBCC(τ)为基本互相关函数。
该处理过程可视为，在频域上先求两个传感器拾取信号的互功率谱密度(CSD)，再对互谱进行加权后作逆傅里叶变换(IFT)得到互相关函数由于对传感器拾取的时域信号直接求n阶导数运算，
因此加权函数ωn，可视为当忽略其相变in时的求导运算所产生的系数，其中表示傅里叶变换。
因为供水管道泄漏声信号具有低频、窄带特性，设定管道中泄漏声主要集中在f0内，特别是在小于几Hz和大于f0的频段上，传感器拾取的信号通常为背景噪声占主导。当对互谱密度函数加权后，使得几Hz内的低频信号相对较高频段上的贡献量大幅降低。因此直接消除了低频背景噪声的干扰，而不用人为进行滤波选取去除背景噪声的操作。另外，通常管道中声波反射对拾取信号在低频段的影响大，可见通过对互谱密度函数进行加权后，可同时有效去除反射影响。
如图2所示，本发明方法基于互相关的原理，提出一种用于管道泄漏的定位方法，包括以下步骤：
步骤一：在待测管道上安装两个传感器实现同步采集，两个传感器各拾取一组时域信号；
所述同步采集为数据采集仪在同一时刻采样；
所述传感器为声信号-电信号传感器；
所述传感器感知管道泄漏时引起的流体中传播的泄漏声压信号xk(t),(k＝1,2)；
步骤二：在频域上，建立两组传感器拾取信号之间的互功率谱密度函数，乘以加权函数之后，对其进行傅里叶逆变换，得到互相关函数其中加权函数为ωn，n＝0,2,…,N；。特别地，当n＝0,给出基本互相关函数RBCC(τ)。
所述互相关函数可以用公式表示为
其中表示傅里叶逆变换，*表示复共轭；
步骤三：求取互相关时，一般地可设置n＝1-4，可使互相关函数的峰值得到锐化，从而有利于峰值点的提取。通常当n＝2时加权函数为最优，取峰值对应的时间延迟估计进行漏点定位。
实例：
步骤一：地下供水管道发生泄漏时，沿待测管线选取两处检修井，并在管道两端各安装一个传感器，传感器类型可以是加速度传感器或者水听器。传感器连接数据采集仪，同步采集两组时域信号。
步骤二：计算两组传感器拾取的时域信号xk(t),(k＝1,2)的互功率谱密度：
其中*表示复共轭。对互功率谱密度加权，其中加权函数设为ωn(n＝2)，对乘以频率加权函数ω2之后，进行傅里叶逆变换，得到互相关函数：
步骤三：实验中可以通过定位公式反演计算出实际时间延迟，时延公式可以表示为：
式中，D为传感器之间的距离，单位：m；d1为第一个传感器与泄漏源之间的距离，单位：m；c为泄漏声传播速度，单位：m/s。本实施例中D＝102.6m，d1＝73.5m，c＝479m/s，求出精确时间延迟估计为τ＝-0.0927s。
采用本发明方法，根据步骤二中互相关函数的峰值求得时间延迟，求得的互相关函数如图3所示，时间延迟为τ1＝-0.09s，相对误差(|τ|-|τ1|)/τ等于2.9％，能够实现泄漏定位。本发明提出的方法中当n＝0时，即为基本互相关方法，结果如图4所示，时间延迟估计为0.326s，无法进行泄漏定位。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种基于互相关的管道泄漏定位方法，基于下述检测装置实现：在待检测管道上安装两个传感器，传感器为加速度传感器或者水听器；每个传感器各连接数据采集仪，用于同步采集管道泄漏时引起的流体中传播的泄漏声信号；所述方法包括：获取两个传感器拾取的泄漏声时域信号，计算互功率谱密度函数；对互功率谱密度函数加权后进行傅里叶逆变换得到互相关函数，获取互相关函数峰值对应的时间延迟估计，从而通过定位公式反推出泄漏点相对第一传感器的距离。
2.根据权利要求1所述的基于互相关的管道泄漏定位方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1)获取两个传感器拾取的泄漏声压时域信号xk(t)，k＝1,2；
步骤2)在频域上建立两组时域信号之间的互功率谱密度函数：
其中，X1(ω)、X2(ω)分别表示x1(t)、x2(t)的傅里叶变换，*表示复共轭；
步骤3)对乘以频率加权函数ω2之后进行傅里叶逆变换，得到互相关函数：
其中，表示傅里叶逆变换；
步骤4)获取互相关函数峰值对应的时间延迟估计ΔT；
步骤5)通过定位公式求出泄漏点相对第一传感器的距离d1：
d1＝(D-cΔT)/2
其中，D为两个传感器之间的距离，c为泄漏声传播速度。
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