CN110848579A - 一种埋地燃气管道泄露源定位的装置和算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种埋地燃气管道泄漏源定位的装置和算法，包括传感器阵列，阵列由中央声发射传感器，以及外围的26个甲烷传感器组成，外围传感器与中央传感器通过伸缩杆相连接，伸缩杆内部装有电机，能接收信号自由伸缩。包括控制主板，其中包括RAM储存器、CPU处理器、RTC实时时钟和FPGA，负责信息的储存和简单处理。两个放大器，分别连接阵列中的外围和中央传感器，用于放大信号。控制主板后依次连接信号转换装置和无线通讯装置，无线通讯装置分别从两条线路向控制中心传递甲烷浓度信息以及声场信息。最后还包括控制中心，控制中心提供高性能计算机用于数据处理，同时还具有发出燃气管道泄漏预警、人员调度以及显示泄露源位置等功能。

Description

一种埋地燃气管道泄露源定位的装置和算法

技术领域

本发明涉及埋地燃气管道泄漏定位的公共安全科学领域，具体来说是一种通过传感器阵列测量数据，并利用控制中心内置的算法计算分析得出泄露源位置的系统。

背景技术

目前，我国燃气管道总长度已达到5.5万公里，一些早年埋设的管网由于管道母材不合格、焊接质量存在缺陷、长期受到土壤中水分及化学成分的腐蚀、地质沉降和泥石流等影响，使管壁穿孔造成燃气泄漏事故。由于土壤的覆盖以及地下设施的干扰，泄漏发生后很难短时间对泄露源进行精准定位，造成事故的进一步扩大。目前常用的定位方式有人工检测法、示踪剂法、光纤检测法以及负压波法等，其中人工检测法需耗费大量人力，并且工作效率低下；示踪剂法操作周期长；光纤法灵敏度高，但价格昂贵且需要在埋设管道时提前敷设光纤；而负压波法的缺点在于对装置的要求很高，装置需及时的捕捉负压波信号。因此，针对埋地燃气管道泄漏问题，应当设计一种便于实现且可以重复利用的系统，来对泄露源进行定位。

发明内容

本发明的目的在于设计一种埋地燃气管道泄露源的定位装置，并研究得出一种通过测量甲烷浓度来实现快速、准确地定位泄露源的算法，装置用来获取泄漏管道附近土壤的甲烷浓度，算法内置于计算机中以求解变量，最终实现泄露源的定位。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种埋地燃气管道泄漏源定位装置，包括3×3×3的传感器阵列，放大器，控制主板，信号转换装置，无线通讯装置，控制中心，控制器以及供电装置。

其中，所述3×3×3的传感器阵列，其特征在于，所述传感器阵列由3×3×3的传感器所组成，阵列中央的传感器为声发射传感器，外围的26个传感器为甲烷传感器。外围传感器与中央传感器之间通过一根伸缩杆固定连接，伸缩杆原长0.4m，最大可伸长至1.2m。所述外围传感器上设有刀片，便于传感器深入土壤，所述刀片外围设有凹槽，防止土壤颗粒堵塞伸缩杆。所述伸缩杆由三段不同粗细的杆相互嵌套，粗杆位于外围，细杆位于最内部，这样设计可以防止伸缩杆堵塞停止运行。所述伸缩杆内部装有电机，电机具有信号接收功能，在传感器阵列埋入土壤后，若传感器之间的甲烷浓度区分性不大，则可以向电机发送信号，控制伸缩杆伸长，以此改变传感器所在位置。

其中，所述放大器与传感器阵列直接相连，另一端与控制主板相连。

其中，所述控制主板有RAM存储器、CPU处理器、FPGA和RTC实时时钟所组成，整个控制主板由外接的供电装置进行供电。

其中，所述信号转换装置与控制主板的CPU处理器相连，无线通讯装置与信号转换装置相连，无线通讯装置将处理得到的信息发送到控制中心的高性能计算机。

其中，所述控制器与控制主板中的FPGA相连，接收远程高性能计算机传输的信息，另一端与传感器阵列相连，负责对阵列中的电机发送调节信号。

其中，另一个放大器、信号转换装置和无线通讯装置直接连接传感器阵列，与控制中心保持联系，负责声发射传感器数据的传输。

其中，所述控制中心设置高性能计算机，可对大量数据进行处理，计算机中内置算法，可根据甲烷浓度和甲烷浓度上升速度对泄漏孔大小和传感器距泄漏孔距离进行求解，计算机计算处理数据实现定位后，可将泄露源位置在显示面板上显示出来。

本发明的优点：

本发明设计的装置通过设计一个传感器阵列，阵列中外围的甲烷传感器间距可调节，用以得到适合计算数据的传感器间距，阵列中央的声发射传感器进行辅助定位，主副传感器的设计提高了定位的准确性；高性能计算机根据测量出的数据和算法进行计算，26个传感器的设置减小了误差，提高了精度；本发明设计的系统仅需要在泄漏可疑点的一个地方进行安置即可，无需在整个管道全段埋设器件，省时省力，极大地减少了定位时间，可以快速、精准、高效地找准泄露源位置。

附图说明

下面结合附图对本专利作进一步的说明。

图1是本发明设计的传感器阵列示意图。

图2是本发明电路方框图。

图3是泄漏孔直径为0.02m时，距泄漏孔不同距离的传感器监测到的甲烷浓度随时间的变化关系。

图4是传感器距离泄漏孔2m时，不同泄漏孔下的甲烷浓度随时间的变化关系。

图5是计算出泄漏孔距离传感器位置后，泄露源定位方法的示意图。

具体实施方式

下面将结合本附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1，传感器阵列包括甲烷传感器，声发射传感器，伸缩杆，电机以及刀片，将整个传感器阵列垂直埋入土壤中，仅把最上层的九个甲烷传感器露出地表，甲烷传感器负责测量土壤中的甲烷浓度数据，中央的声发射传感器负责测量燃气管道的声学特性。

甲烷传感器得到的数据先通过放大器进行信号放大处理，之后传输到RAM中进行短暂储存，与此同时，CPU提取RAM中的数据，将不同传感器测得的甲烷浓度以及甲烷浓度上升速度进行简单的匹配、分析、整理，再将整理得到的数据通过信号转换装置和无线通讯装置发送到控制中心的高性能计算机中。并且，声发射传感器也在另一条通道，由放大器、信号转换装置和无线通讯装置将数据发往控制中心。

对于燃气管道泄漏，在泄漏事故发生后，维修人员可以首先查找该泄漏事故管道的设计图纸以及参考资料，确定泄漏管道的压力、管径，埋深以及该地段的土壤性质等条件，土壤性质还可以由维修人员在事故场地取样检测得出；腐蚀以及第三方施工占燃气管道泄漏起因的80％以上，地表渗透的液体以及施工过程中的开挖致使燃气管道的顶部发生破损，并且由于燃气管道顶部发生泄漏的甲烷扩散速度比其他部位发生泄漏要快的多，因此选取燃气管道顶部泄漏作为主要研究对象；再通过数值模拟仿真后，可以得出泄漏孔的形状对甲烷在土壤中扩散的影响很小，因此选取圆形泄漏孔进行研究。由于上层土壤的覆盖，泄漏孔的大小无法确定，而传感器距泄漏孔的距离是待求量，在确定一些重要参数后，仅剩下泄漏孔大小以及传感器距泄漏孔的距离这两个未知量。

通过数值模拟软件对燃气管道泄漏进行仿真，由图3可以看出，距离泄漏孔比较近的位置，甲烷浓度高，甲烷浓度上升速度较快，当泄漏孔附近区域的甲烷浓度趋近饱和时，甲烷浓度上升速度下降；而距离泄漏孔比较远的位置，甲烷浓度低，甲烷浓度上升速度慢，因此需要更多的时间甲烷浓度才能趋近饱和，甲烷浓度上升速度在一定时间内为一常数。由图4可以看出，当甲烷传感器与泄漏孔距离为2m时，泄漏孔越大，该点的甲烷浓度越高，甲烷浓度上升速度越快。通过数值模拟仿真得到的数据进行非线性曲面拟合后可以分别得出甲烷浓度、甲烷浓度上升速度随泄漏孔大小、传感器与泄漏孔距离变化的经验公式，埋入土壤中的甲烷传感器测量出该点的甲烷浓度以及甲烷浓度上升速度，两公式联立求解出泄漏孔大小以及传感器距泄漏孔的距离，实现泄露源定位，而如果传感器检测到甲烷浓度上升速度不是定值，则说明此传感器一定位于泄漏孔附近，甲烷浓度较高，只需要经过简单测量就可以确定泄露源位置。例如，当燃气管道管径为0.4m，管道压力为0.4MPa，管道埋深为1.5m，土壤孔隙率为0.45以及土壤颗粒直径为2.9×10^-4m时，拟合出的甲烷浓度上升速度与泄漏孔孔径和距离的经验公式为(由于篇幅限制，参数精度被限制，实际参数精度为小数点后10位)：

m＝[9.0818×10^-3(0.1251^y)+4.9402×10^-3]x-6.5232×10^-5

以及在泄漏15min时，甲烷浓度与泄漏孔孔径和距离的经验公式：

n＝(-0.8072+79.4659x-1.3083y+0.6609y²-0.08481y³)/(1-168.8798x+6938.1038x²-60402.6152x³+8.2545y-1.0757y²)

上两式中，m为甲烷浓度上升速度，单位为％/s；n为甲烷浓度，单位为％；x为泄漏孔孔径，单位为m；y为传感器与泄漏孔间距，单位为m。将公式储存在控制中心的高性能计算机中，甲烷传感器记录的甲烷浓度和甲烷浓度上升速度代入后，联立方程组对泄漏孔径和传感器距泄漏孔距离进行求解。如图5，当每一个甲烷传感器都求得一个孔径和距离的解时，以每个传感器为球心，该传感器求得的距离为半径画球形，可以得到两个球形的公共区域，可根据水平方向传感器测定的甲烷浓度大小来判断具体哪一个公共区域是泄漏孔。声发射传感器所判定的泄露源区域可以用来辅助定位，提高定位的准确性

实施例1：

某日12时06分27秒，总部控制中心发出警报，监测到某段燃气管道燃气压力发生变化，经过排查，发现该地段20m的燃气管道发生泄漏，具体泄露源位置未知。控制中心派出一队维修人员赶往事发地点设置定位装置，留下一队研究人员调出该段燃气管道的基本资料，经过调研，该段燃气管道管径为0.4m，管道压力为0.4MPa，管道埋深为1.5m，土壤孔隙率为0.45以及土壤颗粒直径为2.9×10^-4m，研究人员将重要参数输入高性能计算机的预设程序，得到甲烷浓度上升速度与泄漏孔孔径和距离的经验公式：

m＝[9.0818×10^-3(0.1251^y)+4.9402×10^-3]x-6.5232×10^-5

n＝(-0.8072+79.4659x-1.3083y+0.6609y²-0.08481y³)/(1-168.8798x+6938.1038x²-60402.6152x³+8.2545y-1.0757y²)

以及在泄漏15min后，甲烷浓度与泄漏孔孔径和距离的经验公式：

公式储存在控制中心的高性能计算机中，甲烷传感器记录的甲烷浓度和甲烷浓度上升速度代入后，联立方程组对泄漏孔径和传感器距泄漏孔距离进行求解。

12时17分06秒，维修人员在事故现场安装好定位装置，甲烷传感器开始记录数据并通过5G模块将数据发往控制中心。12时21分27秒，传感器矩阵中的一个甲烷传感器记录下的甲烷浓度为11.759％，甲烷浓度上升速度为0.012786％/s,代入方程联立求解得出泄漏孔径为0.03923m，此传感器与泄漏孔距离为4.741m，而实际孔径为0.04m，距离为4.8m，相对误差分别为1.93％以及1.23％，计算结果较为准确。其余25个甲烷传感器各求得一个孔径和距离的解，剔除可疑数据之后，以每个传感器为圆心，该传感器求得的距离为半径画球形，得到所有球形的公共区域后通过水平方向传感器监测到的甲烷浓度大小即可判断泄漏孔位置，此外，声发射传感器所判定的泄露源区域可以用来辅助定位，提高定位的准确性。12时35分42秒维修人员在目标地点开挖，顺利发现泄漏孔位置。12时59分，泄漏孔修补完成，填土完成，燃气泄漏事故被彻底排除。

以上所描述的实施例仅是本发明中一种实施例，而不是全部的实施例，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范围内。

Claims (9)

1.一种埋地燃气管道泄漏源定位装置，包括传感器阵列(1)、放大器(2)、控制主板(3)、信号转换装置(7)、无线通讯装置(8)、控制中心(9)、控制器(11)、放大器(12)，以及信号转换装置(13)、无线通讯装置(14)和供电装置(15)和供电装置(16)。

2.根据权利要求1所述一种埋地燃气管道泄露源定位装置，其特征在于：所述传感器阵列(1)包括1个声发射传感器(1-1)和26个甲烷传感器(1-2)，所有传感器按照3×3×3的方式进行排列，声发射传感器位于中央，甲烷传感器位于外围，声发射传感器与甲烷传感器之间使用伸缩杆(1-5)连接，伸缩杆采用三段式设计，原长为0.4m，最大可伸长至1.2m，伸缩杆内设置有电机(1-6)，甲烷传感器外安置刀片(1-3)，刀片上开设凹槽(1-4)。

3.根据权利要求1所述一种埋地燃气管道泄露源定位装置，其特征在于：所述控制主板(3)包括RAM存储器(4)、CPU处理器(5)、RTC实时时钟(6)以及FPGA(10)，RAM存储器与放大器(2)相连，之后连接CPU，RTC并联在CPU上提供时间信息。FPGA与控制器(11)连接，提供反馈信息调节传感器阵列。

4.根据权利要求1所述一种埋地燃气管道泄露源定位装置，其特征在于：所述信号转换装置(7)、无线通讯装置(8)与CPU相连，负责甲烷传感器数据传输任务；所述信号转换装置(13)、无线通讯装置(14)与放大器(12)相连，用于声学特性数据的传输，无线通讯装置(8)和(14)将数据发送至总部的控制中心(9)。

5.根据权利要求1至3任一项所述一种埋地燃气管道泄露源定位装置，其特征在于：所述控制器(11)一端连接FPGA(10)，另一端连接电机(1-6)。

6.根据权利要求1至3任一项所述一种埋地燃气管道泄露源定位装置，其特征在于：所述供电装置(15)与传感器阵列(1)相连，所述供电装置(16)与控制主板(3)相连。

7.根据权利要求1至4所述一种埋地燃气管道泄露源定位装置，其特征在于：所述控制中心设有高性能计算机，用于大量数据的处理以及泄露源位置的显示。

8.根据权利要求1至8所述一种埋地燃气管道泄露源定位装置，其特征在于：所述的无线通讯模块为5G模块。

9.一种埋地燃气管道泄露源定位的算法，其特征在于：算法的实施包含以下步骤：

步骤1：通过数值模拟仿真以及实验研究，整理数据后得出大量关于甲烷浓度、甲烷浓度上升速度随泄漏孔径以及距离变化的经验公式，生成数据库内置于控制中心(9)的高性能计算机中。

步骤2：传感器阵列(1)中的每一个甲烷浓度传感器(1-2)将监测到的该位置的甲烷浓度以及甲烷浓度上升速度经放大器(2)信号放大、控制主板(3)数据处理后由无线通讯装置(8)发往控制中心(9)，高性能计算机将数据代入算法后，求解泄露源位置。

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