CN113514199A - 检测和定位流体泄漏的方法 - Google Patents
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Abstract
一种检测和定位泄漏的方法,对于每个超声流体计(7),该方法包括以下步骤:·采集或评估噪声电平,每个噪声电平与相应不同的检测周期相关联,每个噪声电平代表测量样本中包含的泄漏噪声信号的电平,该测量样本来自于所述超声流体计的换能器(22a,22b)在相关联的检测周期期间进行的测量;·将每个噪声电平与噪声阈值进行比较;·在检测到大于预定噪声阈值并且与在时间上间隔开至少预定历时的诸检测周期相对应的至少预定数量的相继噪声电平时,检测到超声流体计(7)附近存在流体泄漏。
Description
技术领域
本发明涉及检测和定位流体分配网络中的泄漏的领域。
背景技术
被称为“智能水表”的现代水表正在逐步取代传统的水表。
智能水表自然能够测量由客户的设施所消耗的水量,以便针对该消耗向客户计费。智能水表还能够产生、传送、接收和分析各种数据(例如,与设施的消耗、配水网的状态或实际上与水表的运行有关),以便能够执行新功能。这些新功能对于配水机构、配水网运营商和客户同时受益。
举例而言,智能水表因此使客户能够改进对客户消耗的监控,并且从而更好地控制它,优化计费,并且由于远程读取而避免被仪表读取器的访问所干扰。
已经建议利用智能水表的新功能,以改进对配水网中的漏水的检测和定位。
发明内容
本发明的目的是检测和定位流体分配网络中发生的流体泄漏,并以准确、可靠和廉价的方式进行。
为了实现该目的,提供了一种检测和定位流体分配网络中的流体泄漏的方法,该流体分配网络包括多个超声流体计,每个流体计包括至少一个换能器,对于每个超声流体计,该方法包括以下步骤:
·采集或评估噪声电平,每个噪声电平与相应不同的检测周期相关联,每个噪声电平代表测量样本中包含的泄漏噪声信号的电平,该测量样本来自于所述超声流体计的换能器在相关联的检测周期期间进行的测量;
·将每个噪声电平与预定噪声阈值进行比较;
·在检测到大于预定噪声阈值并且与在时间上间隔开至少预定历时的诸检测周期相对应的至少预定数量的相继噪声电平时,检测到超声流体计附近存在流体泄漏。
因此,本发明的检测和定位方法利用由仪表的换能器进行的测量中包含的噪声电平以便检测和定位水的泄漏。
由于流体分配网络通常包括大量的仪表,因此区域被相对精细地的网格化,并且可以以非常精确的方式来定位泄漏。
本发明的方法用于区分泄漏和泵噪声,泄漏是持续且持久的现象,泵噪声通过该方法过滤并消除。这通过降低虚假检测率来改善检测到泄漏的可靠性。
本发明的方法可以通过使用也被用于测量流体消耗的仪表换能器来执行。因此,不需要在仪表上安装专用于检测和定位泄漏的换能器。因此,可以廉价地执行本发明的方法。
还提供了如上所述的方法,其中每个超声流体计包括位于流体分配网络旁边的上游换能器和位于由所述流体分配网络供给流体的设施旁边的下游换能器,并且其中用于执行该方法的测量样本包括来自由所述超声流体计的下游换能器所进行的测量的第一测量样本。
还提供了一种如上所述的方法,当检测到泄漏时,该方法进一步包括将所述泄漏定位成处于所述超声流体计上游的流体分配网络中的步骤。
还提供了如上所述的方法,其中每个超声流体计包括位于流体分配网络旁边的上游换能器和位于由所述流体分配网络供给流体的设施旁边的下游换能器,并且其中用于执行该方法的测量样本包括来自由所述超声流体计的上游换能器所进行的测量的第二测量样本。
还提供了一种如上所述的方法,当检测到泄漏时,该方法进一步包括将所述泄漏定位成处于所述超声流体计下游的所述设施中的步骤。
还提供了一种如上所述的方法,其中检测周期以如下方式被定义:每个检测周期紧接在不小于预定历时的历时的初步周期之后,并且在此初步周期期间超声流体计测量到零流体消耗。
还提供了一种如上所述的方法,其中通过以下步骤来评估每个检测周期的噪声电平:
·对所述检测周期的测量样本应用数字带通滤波,以便获得包括经滤波测量样本的经滤波检测信号;
·计算经滤波检测信号的自相关。
还提供了一种如上所述的方法,其中通过使用以下公式来评估检测周期内的噪声电平:
还提供了包括第一通信模块和第一处理器模块的装备,该第一通信模块和第一处理器模块被布置成执行如上所述的方法。
还提供了如上所述的装备,该装备是信息系统、或网关、或数据集中器、或区域智能仪表。
还提供了一种包括用于使上述装备执行上述方法的各步骤的指令的计算机程序。
还提供了一种计算机可读存储介质,其上记录有上述计算机程序。
还提供了一种检测和定位流体分配网络中的流体泄漏的方法,该方法在包括至少一个换能器的超声流体计中执行,该方法包括以下步骤:
·采集来自从由换能器在检测周期期间进行的测量的测量样本;
·对于每个检测周期,评估代表所述检测周期的测量样本中包含的泄漏噪声信号的电平的噪声电平;
·将噪声电平传送给外部装备,以便所述外部装备通过寻求检测超声流体计附近的流体泄漏来对该噪声电平作出响应。
还提供了一种如上所述的方法,其中检测周期以如下方式被定义:每个检测周期紧接在不小于预定历时的历时的初步周期之后,并且在此初步周期期间超声流体计测量零流体消耗。
还提供了一种如上所述的方法,其中通过以下步骤来评估每个检测周期的噪声电平:
·对所述检测周期的测量样本应用数字带通滤波,以便获得包括经滤波测量样本的经滤波检测信号;
·计算经滤波检测信号的自相关。
还提供了一种如上所述的方法,其中通过使用以下公式来评估检测周期内的噪声电平:
还提供了一种包括被布置成执行上述方法的至少一个换能器、第二通信模块、和第二处理器模块的超声流体计。
还提供了一种包括用于使上述超声流体计执行上述方法的各步骤的指令的计算机程序。
还提供了一种计算机可读存储介质,其上记录有上述计算机程序。
本发明可以鉴于以下对本发明的特定非限定性实施例的描述而被更好地理解。
附图说明
参考附图,在附图中:
图1示出了其中实现本发明的配水网;
图2示出了配水网的超声水表。
具体实施方式
参照图1,在该示例中,本发明的用于检测和定位流体泄漏的方法在用于向“区域”2供水的配水网1,即具有多个水设施的地理区域中实现,每个水设施例如位于住宅、餐厅、商店等中。
配水网1具有主管3和副管4,每个管连接到相应的水设施5。
配水网1还具有配水网管理器、网关Gj和超声水表7的信息系统(IS)6。
IS 6具有应用服务器8、远程(LoRa)网络服务器(LNS)9和第一通信模块10。
应用服务器8包括第一处理器模块11,其包括至少一个第一处理器组件,该第一处理器组件被适配成执行用于执行用于检测和定位漏水的方法的某些步骤的程序的指令。作为示例,第一处理器组件16可以是处理器、微控制器、或事实上是可编程逻辑电路(诸如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC))。
LNS服务器9尤其用于管理与所有网关Gj以及与LNS服务器9连接到的所有水表7的通信。LNS服务器9与网关Gj直接通信,并且经由网关Gj与水表7通信。为了与网关Gj和水表7通信,LNS服务器9使用第一通信模块10,在该示例中,第一通信模块10用于执行LoRa协议的无线电通信传输帧。
网关Gj是LoRa网关。变量j位于1到P的范围中。
每个网关Gj包括通信模块,该通信模块使其能够通过在该示例中用于传输LoRa协议的帧的无线电通信与LNS服务器通信。
IS 6和水表7之间的所有通信,无论是上行链路还是下行链路,都经由网关Gj。
在该示例中,水表7包括主水表CCQ以及多个副水表CCi,该主水表CCQ是区域的智能仪表,多个副水表CCi是相应的智能仪表。
主水表CCQ被连接至主管3。相应的副水表CCi被连接到每个副管4。变量i在范围1到N上变化,其中N是副管4的数量,并且因此是副水表CCi的数量。
副管4从属于主管3,即它们都被连接至主水表CCQ下游的主管3:从主水表CCQ下游,主管3分为由副管4形成的管束。
在该示例中,术语“上游”意指配水网的一侧上,而术语“下游”意指水设施5的一侧上。
每个水表7包括第二通信模块14,第二通信模块14使其能够通过无线电通信(在该示例中,利用LoRa协议)与网关Gj通信。
每个水表7还包括第二处理器模块15,第二处理器模块15包括至少一个第二处理器组件,该第二处理器组件被适配成执行用于执行以下描述的用于检测和定位漏水的方法的某些步骤的程序的指令。举例而言,第二处理器组件可以是处理器、微控制器,或者实际上是诸如FPGA或ASIC之类的可编程逻辑电路。
每个水表7进一步包括如下管道连同用于测量水流速的测量设备21:通过该管道,由配水网1供应的水流向与水表7连接的水设施5(或者实际上,对于主仪表CCQ,是诸水设施5)。
测量设备21在图2中可见。
水在管道中从上游流向下游,如由箭头F的方向所示。
测量设备21包括至少一个换能器,并且特别是上游换能器22a和下游换能器22b。测量设备还包括连接到上游换能器22a和下游换能器22b的测量模块23。
上游换能器22a和下游换能器22b是成对的。在该示例中,上游换能器22a和下游换能器22b是压电换能器。
测量模块23包括第三处理器组件24,以及模数转换器(ADC)25,其可任选地并入处理器组件24中。
测量模块23控制上游换能器22a和下游换能器22b。
上游换能器22a和下游换能器22b各自相继地执行发射的超声测量信号26的发射器的功能和收到的超声测量信号27的接收器的功能。
测量模块23生成电激励信号28并将电激励信号28传递给发射器。
发射器将电激励信号28转换为所发射的超声测量信号26。测量模块23采集由接收器接收的收到的超声测量信号27。
电激励信号28具有频率fus和周期Tus。频率fus常规地位于范围900千赫(kHz)到4兆赫(MHz)中,并且在该示例中,它等于2MHz。当流体是气体并且不是水时,应该观察到,频率fus通常是几十千赫的量级。
因此,在上游换能器22a和下游换能器22b之间,发射的超声测量信号26沿着定义长度L的路径从上游到下游(然后从下游到上游进行测量,其中进行发射的是换能器22b)。在该示例中,定义长度的路径是上游换能器22a与下游换能器22b之间的直线路径。
在图2中,上游换能器22a被示为执行发射器的功能,而下游换能器22b被示为执行接收器的功能。因此,电激励信号28被应用为至上游换能器22a的输入,以便发射所发射的超声测量信号26。因此,发射的超声测量信号26遵循从上游到下游的定义长度L的路径。超声测量信号26由发射器以电平NE发射。收到的超声测量信号27由接收器以低于电平NE的电平NR接收。
测量模块23采集收到的超声测量信号27(在其已经沿定义长度的路径行进之后)。测量模块23通过使用ADC 25来将收到的超声测量信号27数字化,并且它产生测量样本。对于频率fus=2MHz的信号而言,采样频率通常为8MHz,以便符合Shannon准则。
测量模块23测量由发射的超声信号26沿所定义长度的路径从上游到下游行进所花费的行进时间。
实际上,测量模块23测量从上游换能器22a到下游换能器22b的全局传输时间TAB。
该全局传输时间TAB使得:
TAB=TAA+ToFAB+TRB,其中:
·TAA是上游换能器22a的导通时间;
·ToFAB对应于由发射的测量超声信号26沿上游换能器22a与下游换能器22b之间的定义长度的路径行进所花费的飞行时间;
·TRB是下游换能器22b的接收时间。
同样地,下游换能器22b发射由上游换能器22a接收的超声测量信号。
测量模块23测量全局传递时间TBA,其使得:
TBA=TAB+ToFBA+TRA,其中:
·TAB是下游换能器22b的导通时间;
·ToFBA对应于由超声测量信号沿下游换能器22b与上游换能器22a之间的定义长度的路径行进所花费的飞行时间;
·TRA是上游换能器22a的接收时间。
假设:
TAA=TAB并且TRA=TRB(成对的换能器),则获得以下:
ΔT=tba-tab=ToFBA-ToFAB=DtoF;
其中DToF是差分飞行时间。
然而,DToF与流体的均值速度成比例,并且测量模块23随后使用DToF来计算流体的均值速度。均值速度是有符号的,并且它可以是正、负或零。
测量模块23然后推导出在管道中流动的均值速度。
下面描述了本发明的检测和定位方法的实现。
在每个水表7中,第二处理器模块15采集第一测量样本,该第一测量样本来自所述水表7的测量设备21的下游换能器22b所进行的测量并且是通过数字化已由下游换能器22b接收的收到的超声波测量信号27而获得的。
所讨论的测量是在在时间上间隔开的诸检测周期期间进行的。
因此,在测量流速的时间段之外,并且随时间以重复的方式,水表7唤醒,在检测周期期间捕获第一测量样本,并且随后返回休眠。
检测周期以如下方式被定义:每个检测周期紧接不小于预定的初步历时的历时的初步周期之后,在此初步周期期间,由水表7测量的水消耗为零(或至少小于非常低的预定阈值)。初步周期为“零流动”周期,在此期间,水的速度和因此其流速为零。
在该示例中,每个检测周期的具有等于5秒(s)的历时。在该示例中,预定义的初步历时等于5s。采集第一测量样本的采样频率通常等于50kHz。
水表7的第二处理器模块15评估噪声电平,每个噪声电平与相应的不同检测周期相关联。每个噪声电平代表来自由水表7的下游换能器22b在相关联的检测周期期间所进行测量的第一测量样本中包含的泄漏噪声信号的电平。如果水表7附近发生漏水,则噪音电平为高。
所有水表7通过使用LoRa协议、经由网关Gj将噪声电平传送到外部装备,特别是传送到IS 6。
IS 6的应用服务器8的第一处理器模块11采集由所有水表7产生的噪声电平。
此后,对于每个水表7和对于每个检测周期,第一处理器模块11将检测周期的噪声电平与预定噪声阈值进行比较。
第一处理器模块11在检测到超过预定噪声阈值的至少预定数量的相继噪声电平时,它检测到在水表7的附近存在漏水,所述诸噪声电平与在时间上间隔开至少预定历时的诸检测周期相对于。
在该示例中,术语“大于预定噪声阈值的预定数量的相继噪声电平”应被理解为意指,在与所述相继噪声电平相关联的诸检测周期中,没有检测到噪声电平小于或等于预定噪声阈值的检测周期。
在该示例中,术语“在时间上间隔开至少预定历时”应被理解为意指,这些相继检测周期的第一检测周期的开始与这些相继检测周期的最后一个检测周期的结束之间的历时不小于预定历时。
在该示例中,预定数量等于3。
预定历时等于几小时,例如5小时。
因此,检测周期的噪声电平大于预定噪声阈值的事实仅构成可能存在漏水的假设(即,它是提示)。
对于第一处理器模块11,确认可能存在漏水的假设,并且必须满足以下条件才实际上检测到水表7附近存在漏水:
·第一处理器模块11必须检测到其中噪声电平大于预定噪声阈值的至少三个(预定数量)相继检测周期;
·这三个检测周期必须间隔开至少5小时(预定历时)。
上述条件用于消除在某些检测周期期间可能在第一测量样本中检测到的泵噪声。
当第一处理器模块11检测到在水表7附近存在漏水时,第一处理器模块11将漏水定位为在水表7附近和上游的配水网1中(因为下游换能器22b的位置使得其能够有效地检测仪表7上游的漏水)。
自然地,第一处理器模块11有可能在多个水表7附近检测到漏水。这可能表示多个漏水,或者从由多个水表7进行的测量中检测到的单个漏水。沿管道工程具有最高噪声电平的水表7是最靠近漏水的仪表。泄漏的邻近度由逐网络的子区域具有最高噪声电平的水表7来确定。
因此,第一处理器模块11可以准确地定位泄漏,并且可以生成警报,以便调度行动以修理引起泄漏的管道或任何其他元件。
下面更详细地描述水表7的第二处理器模块15在检测周期期间评估泄漏噪声信号的噪声电平的方式。
泄漏噪声的性质是已知的。这种噪声是准周期的,并且频率很低(从10赫兹(Hz)到几百赫兹)。其他噪声通常为高频(1kHz至2kHz),并且通常为白噪声。
第二处理器模块15采集每个检测周期的第一测量样本an,并且随后对所述检测周期的测量样本应用数字带通滤波,以便获得包括第一滤波测量样本的滤波检测信号。
数字带通滤波首先用于消除任何偏移,并且其次通过抑制带外噪声来仅选择“感兴趣的”频带(通常位于范围10Hz到400Hz中)。
在带通滤波器的输出处获得以下第一经滤波测量样本:
Sn=Un+bn;
其中Un对应于“有用的”泄漏噪声信号,而bn对应于不需要的白噪声。
然后,水表7的第二处理器模块15计算滤波器检测信号的自相关。众所周知,自相关方法用于使得能够提取隐藏在噪声中的周期性信息。
经滤波泄漏信号的噪声电平使用以下公式进行评估:其中M是噪声电平(在该示例中,对应于经滤波泄漏信号的功率),Sn是第n个第一经滤波测量样本,Sn-k是第(n-k)个第一经滤波测量样本,而R是小于或等于检测周期的第一测量样本数量的整数(在该示例中,该整数等于250000,因为检测周期的历时是5秒,并且用于获得第一测量样本的采样频率等于50kHz)。
由于信号Un是周期性的,而噪声bn是以高斯白噪声为中心的,因此该公式用于消除噪声bn,并推导泄漏噪声Un的功率。
这用于消除与其他原因相关联的干扰噪声,例如管道中的自然水流:当“有用的”泄漏噪声信号被隐藏在与此类其他原因相关联的白噪声中时,该检测和定位方法不会被愚弄。
重要的是,观察到本发明的检测和定位方法可以用也被水表用于测量水消耗的换能器(22a、22b)来执行,并且因此不需要任何额外的换能器。上游换能器22a和下游换能器22b是在低频率下呈现高阻抗的换能器,这使得它们能够对低频率进行采样,该低频率对于在可接受的水平上检测和定位泄漏是有用的。
还应观察到,为了执行本发明的检测和定位方法,完全可以使用来自由每个水表7的上游换能器22a所进行的测量的第二测量样本。在此类情况下,当通过水表7的上游换能器22a进行的测量检测到漏水时,IS 6的应用服务器8的第一处理器模块11将漏水定位为位于所述水表7下游的与所述水表7连接的水设施5中。
自然地,可以使用第一测量样本和第二测量样本两者来执行该方法,由此改善水泄漏被定位的精度。
自然地,本发明不限于所描述的实施例,而是涵盖了落入如由权利要求书限定的本发明范围内的任何变型。
仪表、网关和IS之间的通信可以使用任何类型的通信技术和任何类型的协议来执行。
以上描述的在IS的应用服务器中执行的部分或所有步骤可以在IS的任何服务器中执行,或者在连接到仪表的网关中执行,或者实际上在连接到仪表的数据集中器中执行,或者甚至在仪表中执行,并且特别是在区域智能仪表中执行。同样,以上描述的在仪表中执行的一些步骤(并且特别是计算噪声电平)可以在其他装备中执行,并且例如在IS的任何服务器中,或者在连接到仪表的网关中,或者实际上在连接到仪表的数据集中器中执行。
本发明可以用除了水表以外的流体计来执行:油表等。
Claims (18)
1.一种检测和定位流体分配网络(1)中的流体泄漏的方法,所述流体分配网络包括多个超声流体计(7),每个超声流体计包括至少一个换能器(22a,22b),对于每个超声流体计(7),所述方法包括以下步骤:
·采集或评估噪声电平,每个噪声电平与相应不同的检测周期相关联,每个噪声电平代表测量样本中包含的泄漏噪声信号的电平,所述测量样本来自于所述超声流体计的所述换能器在相关联的检测周期期间进行的测量;
·将每个噪声电平与预定噪声阈值进行比较;
·在检测到大于预定噪声阈值并且与在时间上间隔开至少预定历时的诸检测周期相对应的至少预定数量的相继噪声电平时,检测到所述超声流体计(7)附近存在流体泄漏。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,每个超声流体计(7)包括位于所述流体分配网络(1)旁边的上游换能器(22a)和位于由所述流体分配网络供给流体的设施(5)旁边的下游换能器(22b),并且其中用于执行所述方法的测量样本包括来自由所述超声流体计的所述下游换能器(22b)所进行的测量的第一测量样本。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,进一步包括:当检测到泄漏时,将所述泄漏定位成处于所述超声流体计(7)上游的所述流体分配网络(1)中的步骤。
4.如任一前述权利要求所述的方法,其特征在于,每个超声流体计(7)包括位于所述流体分配网络(1)旁边的上游换能器(22a)和位于由所述流体分配网络供给流体的设施(5)旁边的下游换能器(22b),并且其中用于执行所述方法的测量样本包括来自由所述超声流体计的所述上游换能器(22a)所进行的测量的第二测量样本。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,进一步包括:当检测到泄漏时,将所述泄漏定位成处于所述超声流体计(7)下游的所述设施(5)中的步骤。
6.如任一前述权利要求所述的方法,其特征在于,所述检测周期以如下方式被定义:每个检测周期紧接在不小于预定历时的历时的初步周期之后,并且在此初步周期期间所述超声流体计(7)测量到零流体消耗。
7.如任一前述权利要求所述的方法,其特征在于,通过以下步骤来评估每个检测周期的噪声电平:
对所述检测周期的测量样本应用数字带通滤波,以便获得包括经滤波测量样本的经滤波检测信号;
计算所述经滤波检测信号的自相关。
9.一种包括被布置成执行如任一前述权利要求所述的方法的第一通信模块(10)和第一处理器模块(11)的装备。
10.如权利要求9所述的装备,其特征在于,所述装备是信息系统(6)、或网关、或数据集中器、或区域智能仪表。
11.一种包括指令的计算机程序,所述指令用于使得如权利要求9或权利要求10所述的装备执行如权利要求1到8中任一项所述的方法的步骤。
12.一种其上存储有如权利要求11所述的计算机程序的计算机可读存储介质。
13.一种检测和定位流体分配网络(1)中的流体泄漏的方法,所述方法在包括至少一个换能器(22a,22b)的超声流体计(7)中执行,所述方法包括以下步骤:
采集来自从由所述换能器在检测周期期间进行的测量的测量样本;
对于每个检测周期,评估代表所述检测周期的所述测量样本中包含的泄漏噪声信号的电平的噪声电平;
将所述噪声电平传送给外部装备,以便所述外部装备从所述噪声电平中寻求检测所述超声流体计(7)附近的流体泄漏;
通过以下步骤来评估针对每个检测周期的所述噪声电平:
对所述检测周期的所述测量样本应用数字带通滤波,以便获得包括经滤波测量样本的经滤波检测信号;
计算所述经滤波检测信号的自相关。
14.如权利要求13所述的方法,其特征在于,所述检测周期以如下方式被定义:每个检测周期紧接在不小于预定历时的历时的初步周期之后,并且在此初步周期期间所述超声流体计(7)测量到零流体消耗。
16.一种包括被布置成执行如权利要求13到15中任一项所述的方法的至少一个换能器(22a,22b)、第二通信模块(14)、以及第二处理器模块(15)的超声流体计。
17.一种包括指令的计算机程序,所述指令用于使得如权利要求16所述的超声流体计执行如权利要求13到15中任一项所述的方法的步骤。
18.一种其上存储有如权利要求17所述的计算机程序的计算机可读存储介质。
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