CN110319357A - 一种采用声注入的气体管道泄漏检测定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用声注入的气体管道泄漏检测定位系统和方法，所述系统包括：扬声器、信号处理模块和传声器；所述扬声器密封固定于管道的端头或者三通的法兰，用于发射指定频率和带宽的声信号；所述传声器固定在燃气管道壁的开口处，用于采集反射声波信号，所述信号采集与处理模块用于对传声器采集的反射声波信号进行处理，由此实现泄漏孔的定位检测。所述方法包括：步骤1)将所述传声器采集到的声信号送入信号处理模块进行处理；步骤2)利用随机共振算法对声信号进行处理后输出；步骤3)对步骤2)输出的信号进行短时傅里叶变换，计算短时功率谱，根据出现特征频率的数据帧所在的时间，结合声波在管道内的传播速度，实现泄漏孔的定位检测。

Description

一种采用声注入的气体管道泄漏检测定位系统及方法

技术领域

本发明涉及管道泄漏检测领域，具体地说，涉及一种采用声注入的气体管道泄漏检测定位系统及方法。

背景技术

城市燃气输送主要采用管道方式，我国城市燃气管网处于快速建设阶段，目前我国城镇燃气输配管道长度为25.6万公里，预计2020年将达到60万公里左右，所以针对燃气管道泄漏监测与定位显得越来越急迫。燃气管道为有压管道，而且天然气本身具有较大的压缩性，一旦发生燃气泄漏，极易遇到明火或者撞击而引发火灾和爆炸，造成人员伤亡和环境破坏等巨大损失。因此，提出一种对城镇燃气管道泄漏点的快速准确定位具有重要意义。

几十年来，工程技术人员发明了多种油气管道泄漏监测方法。总体来说，管道泄漏检测方法可以大致分为管道内检测方法和管道外检测方法。常用的有次声波法、负压波法、压力梯度法、导波法、光纤传感检测法、示踪剂检测法和流量法等等。其中基于声学的泄漏检测定位方法，得到广泛的研究和应用。文献1(杨红英，华科，叶昊，等.基于管内声波的输气管道泄漏诊断方法研究[J].计算机与应用化学,2010,27(8):1009-1012.)研究了基于声波法的输气管道泄漏检测与定位系统，实验结果并取得了很好的检测效果。文献2(郝永梅，邢志样，等.应力管道泄漏声发射源定位的实验研究.中国安全生产科学技术2011,7(6):140-144.)基于声发射技术不仅对充气管道进行仿真与验证，而且还对充液管道进行仿真与验证。她们的结论表明声发射技术的可行性，但是监测的准确度与传感器的安装位置息息相关，而且受外界干扰噪声的影响较大。文献3(于殿强，赵海培，鄢召民.输油管道泄漏监测技术在胜利油田的应用.石油规划设计.2004,15(5):39～41)中清华大学基于负压波法，与胜利油田油气集输公司联合研制了长输管道泄漏监测系统，利用小波分析法和相关分析法同时进行泄漏孔检测，然而该方法只在泄漏瞬间出现一次有效信号，不能用于燃气管道的泄漏点定位。文献4(张晓丹.基于超声导波的管道防腐层检测技术研究.沈阳工业大学,2017.)中采用超声导波进行管道内检测防腐层缺陷的方法，避免了自然环境对检测的限制，节省了人力、物力，但受限于检测的距离较短，而且不易区分由弯头、螺纹、腐蚀坑等非泄漏引起的回波。

城市埋地气体管道管网分布比较复杂，三通、弯头这些节点比较多，管内的压力又没有长输管线那么高，而且管道周围环境人员活动比较频繁，背景噪声比较强。特别是城市管道基本上都是埋于地下，燃气泄漏之后，它会聚集在土层内，由地下建筑，坚硬的土层以及路面等，形成一个新的界面，把燃气包裹在一个新的更大的空间里。管道内外压力趋于平衡，泄漏非常微弱。因此，基于负压波法、声发射法、互相关法的管道泄漏监测，由于不能检测到有效的声波信号无法定位，而导波法激励的高频信号沿管道衰减快，埋地管道的检测距离只有十米左右，不能解决城市埋地气体管道面临的情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的传统方法不能解决城市埋地气体管道面临的问题。提出一种适用于城市埋地气体管道泄漏监测的方法，所需设备主要由扬声器、功率放大器、传声器、信号采集和处理平台构成。

为了实现上述目的，本发明提出了一种采用声注入的气体管道泄漏检测定位系统，所述系统包括：扬声器、信号处理模块和传声器；所述扬声器密封固定于管道的端头或者三通的法兰，所述扬声器发射指定频率和带宽的声信号，所述传声器固定在燃气管道壁的开口处，用于采集反射声波信号，所述传声器采用自由场预极化传声器，频率响应带宽为1kHz，所述信号采集与处理模块用于对传声器采集的反射声波信号进行处理，由此实现泄漏孔的定位检测。

根据上述系统，本发明还提出了一种采用声注入的气体管道泄漏检测定位方法，所述方法包括：

步骤1)将所述传声器采集到的声信号送入信号处理模块进行处理；

步骤2)利用随机共振算法对声信号进行处理后输出；

步骤3)对步骤2)输出的信号进行短时傅里叶变换，计算短时功率谱，根据出现特征频率的数据帧所在的时间，结合声波在管道内的传播速度，实现泄漏孔的定位检测。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)之前还包括：将采集的声信号进行预处理：首先通过低通滤波器，去除高频干扰信号段；然后信号经过二次采样、变尺度处理使其满足随机共振使用的限制要求。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤4-1)将输出信噪比作为遗传算法的目标优化函数，目标优化函数为：

F(a,b)＝SNR(sr(a,b))

sr(a,b)代表随机共振算法，a和b为参数；SNR(sr(a,b))表示随机共振输出信噪比的表达式；s(t)为目标微弱信号：

s(t)＝Acos(ω₀t+φ)+ζ(t)

其中，ζ(t)为背景噪声信号；为周期信号：A为幅度，ω₀为频率，为相位；

步骤4-2)s(t)经过变尺度处理后满足随机共振算法对频率的要求；然后利用上述目标优化函数，经过遗传算法的若干次迭代，得到最优的参数a和b；

步骤4-3)计算输出信号x(t)：

本发明的优势在于：

1、本发明的方法解决了传统检测方法所不能解决的埋地气体管道泄漏检测定位的问题。针对气体管道泄漏不能激励声波，被动方式无法接收到有效泄漏信号的情况，采取向管道内主动注入声波的方法，通过回波信号特征和时间延迟分析，实现对泄漏点的检测定位；

2、相对于导波方法检测长度仅限于十米左右的情况，本发明的方法由于注入低频声波，声波在管道内衰减更小，检测距离可达到几百米，大大提高了检测距离。在降低噪声干扰方面，该方法无需过多关注降低背景噪声，仅仅需要先用低通滤波器滤除高频干扰信号；

3、现有技术的负压波法、次声波法只在泄漏瞬间产生一次有效泄漏信号，本发明的方法由于主动注入声波，不受外部情况限制，有利于对泄漏的准确检测和定位。

附图说明

图1是本发明的气体管道泄漏检测定位系统的示意图；

图2是赫姆霍兹共振腔结构图；

图3是本发明的气体管道泄漏检测定位方法的流程图；

图4是本发明的随机共振系统的示意图；

图5是无泄漏时管道声波信号分析示例图；

图6是存在1mm泄漏孔的管道声波信号分析示例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容和特点进行进一步的说明。

如图1所示，本发明的系统包括：将扬声器密封固定于管道的端头或者三通的法兰，扬声器发射指定频率和带宽的声信号，声信号在燃气管道中传播。把管道泄漏孔及附近管外空间看做赫姆霍兹共振腔，则声波在泄露处由于管道声阻抗的不连续性，从而产生的反射声波；传声器采用自由场预极化传声器，频率响应带宽为1kHz。将传声器固定在燃气管道壁的开口处，用于接收反射声波信号。

将扬声器固定在管道的一端，连接处密封起来。传声器固定在管道壁预先开口处，也做密封处理。扬声器的发射信号可以人为控制，此处发射的是200Hz脉冲信号，间隔约0.4s。传声器接收的信号由数据采集卡采集，先对数据进行低通滤波预处理，再对信号进行预处理，最后送入随机共振双稳态系统，实现微弱信号检测。

该方法涉及到的声学和信号处理理论主要包括：

将具有泄漏孔的埋地气体管道视为一个赫姆霍兹共振器，共振腔的腔体体积视为无穷大，赫姆霍兹共振器的简易图见图2所示。赫姆霍兹共振器的声阻为R_b，声抗为为共振器短管的声质量，l为短管长度，为共振器腔体声容，V_b为腔体积。则声强反射率公式为

式中，ρ₀是管道内介质密度，c₀是管道内的声速，S是管道的横截面积。由于埋地气体管道表面具有泄漏孔，将会造成管道内的声阻抗不连续，所以会在泄漏孔处产生反射回波。

该方法涉及到的随机共振理论：

随机共振双稳态系统可以用式(2)来表达，为对称反射双稳态势阱，为周期信号，ζ(t)为外界干扰噪声。

考虑到传感器采集到的信号已经同时包含了周期信号和噪声，因此，可以令：

s(t)＝Acos(ω₀t+φ)+ζ(t) (式3)

则s(t)为随机共振输入信号，而x(t)为输出信号，(2)式可写为：

将传声器接收的信号经过预处理，经过低通滤波器后直接送入到式(4)，式(4)可以由龙格库塔算法求解。

如图3所示，本发明提出技术方案如下：

1、将传声器采集到的声学信号送入信号采集和处理平台进行处理。有效声学信号的起始和结束由管道长度的先验条件决定。

2、将采集的声信号进行预处理。(a)通过低通滤波器，去除高频干扰信号段。(b)由于随机共振只能检测小参数信号，将传声器接收的信号经过二次采样、变尺度等使其满足随机共振使用的限制要求。

3、传声器的输出信号经过预处理后送入到随机共振系统中。把随机共振系统输出结果的信噪比作为优化目标函数，利用遗传算法对随机共振结构参数进行优化处理。如图4所示，具体包括：

步骤4-1)将输出信噪比作为遗传算法的目标优化函数，目标优化函数为：

F(a,b)＝SNR(sr(a,b))

sr(a,b)代表随机共振算法，a和b为参数；SNR(sr(a,b))表示随机共振输出信噪比的表达式；s(t)为目标微弱信号：

s(t)＝Acos(ω₀t+φ)+ζ(t)

其中，ζ(t)为背景噪声信号；为周期信号：A为幅度，ω₀为频率，为相位；

步骤4-2)s(t)经过变尺度处理后满足随机共振算法对频率的要求；然后利用上述目标优化函数，经过遗传算法的若干次迭代，得到最优的参数a和b；

步骤4-3)计算输出信号x(t)：

4、将随机共振系统的输出信号通过短时傅里叶变换，计算得到短时功率谱，根据出现特征频率(即扬声器发射的特定频率)的数据帧所在的时间，结合声波在管道内的传播速度，即可实现泄漏孔的定位检测。

结论：

在实验管道上人工开凿了1mm、3mm、6mm泄漏孔，下面以1mm泄漏孔为例进行分析。将式(4)求解出的信号转换到频域上，取扬声器发射信号频率处的幅值与原始信号对齐，如图5、图6所示。无泄漏孔时的分析结果如图4所示，1mm泄漏孔时的分析结果如图6所示。对比图5和图6，峰值1、3、4都存在，峰值4是扬声器发射信号的一次回波，经过分析峰值1和峰值3是管道焊缝引起的干扰峰。图6的峰值2较图5的峰值3明显较高，经过分析，可以确认峰值3处为1mm泄漏孔。

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 (4)

1.一种采用声注入的气体管道泄漏检测定位系统，所述系统包括：扬声器、信号处理模块和传声器；其特征在于，所述扬声器密封固定于管道的端头或者三通的法兰，所述扬声器发射指定频率和带宽的声信号，所述传声器固定在燃气管道壁的开口处，用于采集反射声波信号，所述传声器采用自由场预极化传声器，频率响应带宽为1kHz，所述信号采集与处理模块用于对传声器采集的反射声波信号进行处理，由此实现泄漏孔的定位检测。

2.一种基于权利要求1所述的系统实现的采用声注入的气体管道泄漏检测定位方法，所述方法包括：

步骤1)将所述传声器采集到的声信号送入信号处理模块进行处理；

步骤2)利用随机共振算法对声信号进行处理后输出；

步骤3)对步骤2)输出的信号进行短时傅里叶变换，计算短时功率谱，根据出现特征频率的数据帧所在的时间，结合声波在管道内的传播速度，实现泄漏孔的定位检测。

3.根据权利要求2所述的采用声注入的气体管道泄漏检测定位方法，其特征在于，所述步骤2)之前还包括：将采集的声信号进行预处理：首先通过低通滤波器，去除高频干扰信号段；然后信号经过二次采样、变尺度处理使其满足随机共振使用的限制要求。

4.根据权利要求2或3所述的采用声注入的气体管道泄漏检测定位方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤4-1)将输出信噪比作为遗传算法的目标优化函数，目标优化函数为：

F(a,b)＝SNR(sr(a,b))

sr(a,b)代表随机共振算法，a和b为参数；SNR(sr(a,b))表示随机共振输出信噪比的表达式；s(t)为目标微弱信号：

s(t)＝Acos(ω₀t+φ)+ζ(t)

其中，ζ(t)为背景噪声信号；为周期信号：A为幅度，ω₀为频率，为相位；

步骤4-2)s(t)经过变尺度处理后满足随机共振算法对频率的要求；然后利用上述目标优化函数，经过遗传算法的若干次迭代，得到最优的参数a和b；

步骤4-3)计算输出信号x(t)：