CN113614493A - 泄漏检测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种检测泄漏的方法，该方法包括下述步骤：执行监测操作序列；以及当确定存在泄漏时，提供指示检测到的泄漏的信号。每个监测操作包括下述步骤：生成呈现时变频率的发射信号；接收由发射信号在表面处的反射产生的反射信号；基于发射信号和反射信号形成用于当前监测操作的中频信号；确定用于当前监测操作的中频信号的相位；基于用于当前监测操作的相位和与至少一个先前监测操作相关联的相位，确定指示相位的当前变化率的测量；将该测量与预定阈值进行比较；以及基于该比较确定泄漏的存在。

Description

泄漏检测系统和方法
技术领域
本发明涉及检测罐的泄漏的方法以及泄漏检测系统。
背景技术
石油和其他物品通常储存在大型存储罐中，该存储罐可能在罐区中或地下等。
如果在这样的存储罐中发生泄漏，则高度期望尽快可靠地检测到这样的泄漏，以防止环境破坏和物品浪费。
例如，原油存储罐可能具有几十万立方米的尺寸，并且一毫米的物品对应几立方米的油。
检测存储罐漏油的已知方法包括在存储罐下方或周围安装油感测线缆。当油到达线缆时，可以检测到泄漏。
期望提供改进的泄漏检测，特别是更快的泄漏检测。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的总体目的是提供一种改进的泄漏检测，特别是更快的泄漏检测。
因此，根据本发明的第一方面，提供了一种使用雷达料位计系统检测包含物品的罐的泄漏的方法，该雷达料位计系统包括收发器、耦接至该收发器的传播装置以及耦接至该收发器的处理电路，该方法包括下述步骤：执行监测操作序列，每个监测操作包括下述步骤：由收发器生成呈现时变频率的电磁发射信号；通过传播装置向罐中的物品的表面传播发射信号；通过传播装置向收发器返回由发射信号在表面处的反射产生的电磁反射信号；由收发器接收该反射信号；由收发器基于发射信号和反射信号形成用于当前监测操作的中频信号；由处理电路确定用于当前监测操作的中频信号的相位；基于用于当前监测操作的中频信号的相位和与监测操作中序列的至少一个先前监测操作相关联的中频信号的相位，确定指示用于监测操作序列的当前的所述中频信号的相位的当前变化率的测量；将指示相位的当前变化率的测量与预定阈值进行比较；以及基于该比较确定泄漏的存在；以及当确定存在泄漏时，提供指示检测到的泄漏的信号。
每个监测操作可以包括存储指示相位的当前变化率的测量和/或指示与当前监测操作相关联的中频信号的相位的测量。指示相位的变化率的测量例如可以是罐中的物品的料位的变化率。
电磁发射信号可以有利地是微波信号。例如，发射信号可以在微波频率范围内的载波上进行频率和/或幅度调制。
本发明基于下述认识：虽然不能直接用于确定到物品的表面的绝对距离(并且因此确定罐中的物品的料位)，但是在FMCW型雷达料位计系统中中频信号的相位高度适合于准确确定物品的表面的距离的变化。特别地，本发明人发现，监测中频信号的相位随时间的变化提供了对填充料位随时间的非常小的变化的快速、准确且可靠的确定。
根据本发明的实施方式，上面提及的中频信号的相位可以是中频信号的传输能量呈现其最高最大值的中频信号的频率处的相位。该相位可以基于用于监测操作序列中的每个监测操作的中频信号的本身已知的频率分析(诸如FFT)来确定。本领域的普通技术人员将意识到，还存在确定相位的其他方式。
通过在本发明的实施方式中可实现的罐中的物品的料位的变化率的快速、准确且可靠的指示，可以在大量物品从罐中泄漏之前的早期阶段检测到罐中存在的泄漏。此外，可靠地检测罐中的料位的持续但非常小的降低所需的非常短的时间可以使得根据本发明的实施方式的泄漏检测方法对温度变化相对不敏感，特别是在可以确定任何温度变化呈现与检测到的料位变化相比随时间的不同的行为的情况下。
根据实施方式，可以仅基于当前监测操作以及在当前监测操作之前少于五分钟执行的先前监测操作来确定当前变化率。这可以减少温度波动对所确定的当前变化率的影响。为了更进一步降低温度波动的影响，可以仅基于当前的监测操作以及在当前的监测操作之前少于两分钟执行的先前监测操作来确定相位的当前变化率。
此外，根据各种实施方式，该方法还可以包括重复获取指示罐处的温度的变化率的测量的步骤。
这样的测量可以从为了最佳性能而布置在罐内部的温度传感器或罐外部的温度传感器获取，这可能更方便。
在实施方式中，对泄漏的存在的确定可以另外基于罐处的温度的变化率。基于罐中的物品的温度的变化率的指示，可以针对温度影响校正由中频信号的相位的变化率指示的料位的变化率。因此，可以提供更可靠的泄漏检测。
有利地，对泄漏的存在的确定可以另外基于罐处的温度根据时间的变化率。
根据各种实施方式，对泄漏的存在的确定可以另外基于中间信号的根据时间的相位，或中间信号的相位根据时间的变化率。根据诸如罐的位置和/或配置的因素，可以预期温度与时间之间的某种关系。例如，针对布置在地面上的存储罐，可以预期温度可能以24小时周期变化。例如，通过监测相位或相位随时间的变化率，可以识别和补偿这样的周期行为。例如，可以预测性地补偿当前和未来的温度影响。
在实施方式中，对泄漏的存在的确定可以基于中间信号根据时间的相位，或中间信号的相位根据时间——在至少24小时的时间段内，或更优选在至少48小时的时间段内——的变化率。
此外，有利地，可以以每秒至少一个监测操作的平均频率来执行监测操作。使用更高的测量频率，可以在更短的时间内实现足够高的置信度值。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测包含物品的罐的泄漏的泄漏检测系统，该泄漏检测系统包括：传播装置，该传播装置用于向罐中的物品的表面传播电磁发射信号，并且返回由该发射信号在物品的表面处的反射产生的电磁反射信号；耦接至传播装置的收发器，该收发器用于生成并向传播装置提供呈现时变频率的发射信号，接收反射信号，并且将发射信号和反射信号进行混合以形成中频信号；以及耦接至收发器的处理电路，并且该处理电路被配置成：确定由收发器形成的中频信号的相位；基于用于当前监测操作的中频信号的相位和与至少一个先前监测操作相关联的中频信号的相位，确定指示用于监测操作序列的当前的中频信号的相位的变化率的测量；将指示相位的当前变化率的测量与预定阈值进行比较；基于该比较确定该泄漏的存在；以及当确定存在泄漏时，提供指示检测到的泄漏的信号。
“收发器”可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括单独的发射器单元和收发器单元的系统。
应当注意，处理电路可以作为一个设备或一起工作的若干设备来提供。
传播装置可以是辐射天线，或者是向罐中的物品延伸并延伸至其中的探针。
总之，本发明因此涉及一种检测泄漏的方法，该方法包括下述步骤：执行监测操作序列；以及当确定存在泄漏时，提供指示检测到的泄漏的信号。每个监测操作包括下述步骤：生成呈现时变频率的发射信号；接收由发射信号在表面处的反射产生的反射信号；基于发射信号和反射信号形成用于当前监测操作的中频信号；确定用于当前监测操作的中频信号的相位；基于用于当前监测操作的相位和与至少一个先前监测操作相关联的相位，确定指示相位的当前变化率的测量；将该测量与预定阈值进行比较；以及基于该比较确定泄漏的存在。
附图说明
现在将参照示出本发明的当前优选实施方式的附图更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：
图1示意性地以罐区的形式示出针对根据本发明的泄漏检测系统和方法的实施方式的应用；
图2是根据本发明实施方式的示例性泄漏检测系统的放大图，其示意性地示出泄漏检测系统的功能部件；
图3是图2中的泄漏检测系统的部分示意框图；
图4是示意性地示出根据本发明的方法的示例实施方式的流程图；
图5A至图5C是示出图4中的方法的步骤的示图；以及
图6是示出使用根据本发明的方法的实施方式实现的物品水平的变化率的估计的示例的图。
具体实施方式
图1示意性地以罐区1的形式示出了针对根据本发明的泄漏检测系统和方法的应用，罐区1包括包含物品5的多个存储罐3。在图1的示例应用中，每个存储罐3设置有根据本发明的实施方式的泄漏检测系统7和单独的温度传感器9。在图1中，每个泄漏检测系统7是具有泄漏检测能力的雷达料位计系统，其可以是在料位确定模式与泄漏检测模式之间可控制的。在料位确定模式下，雷达料位计系统7可以基于中频信号的频率确定罐3中物品5的料位，而在泄漏检测模式下，雷达料位计系统7可以基于中频信号的相位的变化率确定泄漏的存在。雷达料位计系统7可以是可控制的以在料位确定模式与泄漏检测模式之间交替。
图2是根据本发明的实施方式的示例性泄漏检测系统7的放大图，其示意性地示出了泄漏检测系统7的功能部件。参照图2，泄漏检测系统7包括传播装置，此处传播装置为抛物面天线11的形式、收发器13、处理电路17、通信接口19和通信天线21，通信接口19和通信天线21用于使得泄漏检测系统7与外部单元——诸如针对图1中的罐区1的控制系统(未示出)——之间能够进行无线通信。
在处理电路17的控制下，收发器13生成并发射呈现时变频率的电磁发射信号ST(类似调频连续波型的雷达料位计系统)。发射信号ST从收发器13向天线11传递，天线11将发射信号ST向罐3中的物品辐射，如图2示意性示出的。天线向收发器13返回由发射信号ST在罐3中的物品的表面处的反射产生的电磁反射信号SR。如下面将进一步更详细描述的，收发器13基于发射信号ST和反射信号SR形成中频信号SIF。该中频信号SIF由处理电路17进行处理，以确定中频信号SIF的相位Φ。基于相位序列确定，可以对相位Φ的变化率进行估计，这进而可以用于检测泄漏。如果检测到泄漏，则可以借助于通信接口19和通信天线21将指示泄漏的信号提供至远程位置，诸如上面提及的控制系统。
在图2的示例实施方式中，来自/去往泄漏检测系统/雷达料位计系统7的通信被示出为无线通信。替选地，可以例如通过模拟和/或数字的基于有线的通信通道进行通信。例如，通信通道可以是两线式4mA至20mA回路，并且可以通过在两线式4mA至20mA回路上提供与填充料位对应的特定电流来传送填充料位和/或泄漏检测信号。也可以使用HART协议通过这样的4mA至20mA回路发送数字数据。此外，可以使用例如网络通信协议(Modbus)或基金会现场总线(Foundation Fieldbus)的纯数字通信协议。
图3是图2中的泄漏检测系统7的局部且简化的示意性框图。参照图3A，该框图示出了包括图2中的收发器13和处理电路17的测量通道。
收发器13在此处被示为包括微波源23、功率分配器25和混合器27。处理电路17被示出为包括定时电路29、采样器31、FFT块33、相位确定块35、存储器37和泄漏确定块39。
如图3中示意性示出的，定时电路29耦接至微波源23以控制微波源23生成发射信号ST。微波源23经由功率分配器25连接至天线11，并且因此将发射信号ST提供至天线11。来自天线11的反射信号SR被功率分配器25路由至混合器27，混合器27还被连接成接收来自微波源23的信号。由微波源23提供的发射信号ST和来自天线11的反射信号SR进行组合，以形成中频信号SIF。
如图3中示意性示出的，中频信号SIF由采样器31进行采样，采样器31可以由定时电路29控制以与发射信号ST同步。经采样的中频信号SIF由FFT块33和相位确定块35进一步处理，以确定中频信号SIF的相位。相位可选地与温度数据一起被存储在存储器37中，如图3中的虚线箭头示意性示出的。基于存储在存储器37中的数据，泄漏确定块37确定是否检测到泄漏，并且提供指示确定结果的信号。
虽然收发器13的元件通常以硬件实现并且形成集成单元——常被称为微波单元——的一部分，但是处理电路17的至少一些部分通常可以通过由嵌入式处理器执行的软件模块实现。本发明不限于该特定实现，并且可以考虑被发现适用于实现本文中描述的功能的任何实现方式。
现在将参照图4中的流程图来描述根据本发明的方法的示例实施方式。根据本发明的实施方式，按顺序执行监测操作。在第一步骤100中，生成并发射序列中监测操作编号n的发射信号ST,n。在步骤101中接收由发射信号ST,n在罐3中的物品5的表面处的反射产生的反射信号SR,n。在步骤102中，将发射信号ST,n和反射信号SR,n进行组合以形成所谓的中频信号SIF，以使用在FMCW型雷达料位计系统领域本身公知的技术来监测操作。图5A在时域中示出了示例性中频信号SIF,n。
在随后的步骤103中，基于发射信号ST,n和反射信号SR,n形成用于当前监测操作的中频信号SIF,n的相位Φn。根据本发明的实施方式，这可以通过下述来完成：例如借助于图3中的FFT块33将中频信号SIF,n变换到频域；识别与物品的表面5处的反射对应的频率(中频信号携带最大能量的频率)；以及确定针对该频率的中频信号SIF,n的相位Φn。该过程由图5B示意性地示出，图5B示出了中频信号SIF,n根据频率承载的能量，而图5C示出了根据频率的相位。应注意，图5B和图5C针对与发射信号在物品的表面处的反射对应的中频信号的频率周围的相当窄的频率间隔进行了放大。在步骤104中，将针对当前监测操作确定的相位Φn存储在存储器37中。
在随后的步骤105中，从存储器37中检索与监测操作序列中的至少一个先前的监测操作相关联的中频信号的相位Φn-1、Φn-2、……。此后，在步骤106中，基于在步骤105中从存储器37中检索的当前的相位Φn和先前的相位值Φn-1、Φn-2、……来确定指示用于监测操作序列的当前的中频信号的相位的变化率的测量。在图4所示的示例方法中，指示相位的当前变化率的测量由罐3中的物品5中的当前的料位的变化率(ΔL/Δt)n表示。
因此，监测操作序列中的每个监测操作可能导致罐3中的物品5的当前的料位的变化率。这由图6中的线41示意性地示出。
在随后的步骤107中，将上面提及的指示相位的当前变化率的测量——此处为当前的料位的变化率(ΔL/Δt)n——与预定阈值TH进行比较，并且基于该比较确定(估计)存在泄漏。在图6的示例中，确定当前的料位的变化率的幅度连同针对该确定的置信区间。针对图6的示例实施方式，当以至少99.7％的置信度确定当前变化率为负(指示降低的料位)时，可以确定存在泄漏。在图6的示例中，这发生在泄漏开始的40秒内——在图6所示的时间tL处。在此之前，料位的变化率被确定为负，而置信度被认为是不够的。如图4所示，该方法然后进行至步骤108，计数器递增并且继续执行序列中的新的监测操作。当可以以足够的置信度确定当前的料位的负变化率时，该方法改为进行至步骤109并且提供指示检测到泄漏的信号。泄漏检测系统7然后继续监测，如图4中示意性示出的。根据用于达到图6示出的结果的示例设置，每秒执行40次监测操作。监测操作可以以更低或更高的频率和/或不规则地执行。使用更高的监测频率，可以更快地实现可靠的泄漏检测。应当注意，确定上面提及的置信度以及/或者将确定的置信度用作针对泄漏检测的标准并不是必须的。例如，泄漏确定可以执行持续足够长的时间使得总是达到足够的置信度，或者可以调整阈值TH以考虑置信度水平可能变化。
本领域技术人员认识到，本发明绝不限于上面描述的优选实施方式。相反，在所附权利要求书的范围内可以进行许多修改和变化。

Claims (13)

1.一种使用雷达料位计系统检测包含物品的罐的泄漏的方法，所述雷达料位计系统包括收发器、耦接至所述收发器的传播装置以及耦接至所述收发器的处理电路，所述方法包括下述步骤：
执行监测操作序列，每个监测操作包括下述步骤：
由所述收发器生成呈现时变频率的电磁发射信号；
通过所述传播装置向所述罐中的所述物品的表面传播所述发射信号；
通过所述传播装置向所述收发器返回由所述发射信号在所述表面处的反射产生的电磁反射信号；
由所述收发器接收所述反射信号；
由所述收发器基于所述发射信号和所述反射信号形成用于当前监测操作的中频信号；
由所述处理电路确定用于所述当前监测操作的所述中频信号的相位；
基于用于所述当前监测操作的所述中频信号的相位和与所述监测操作序列中的至少一个先前监测操作相关联的中频信号的相位，确定指示用于所述监测操作序列的所述中频信号的相位的当前变化率的测量；
将指示所述相位的所述当前变化率的测量与预定阈值进行比较；以及
基于所述比较确定泄漏的存在；
以及
当确定存在泄漏时，提供指示检测到的泄漏的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述当前变化率仅基于所述当前监测操作以及在所述当前监测操作之前少于5分钟执行的先前监测操作来确定。
3.根据权利要求1或2的方法，其中，
所述方法还包括重复获取指示所述罐处的温度的变化率的测量的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，对所述泄漏的存在的确定另外基于所述罐处的温度的变化率。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对所述泄漏的存在的确定另外基于所述罐处的温度根据时间的变化率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述泄漏的存在的确定另外基于所述中间信号根据时间的相位，或所述中间信号的相位根据时间的变化率。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以每秒至少一个监测操作的平均频率执行所述监测操作。
8.一种用于检测包含物品的罐的泄漏的泄漏检测系统，所述泄漏检测系统包括：
传播装置，所述传播装置用于向所述罐中的所述物品的表面传播电磁发射信号，并且返回由所述发射信号在所述物品的表面处的反射产生的电磁反射信号；
耦接至所述传播装置的收发器，所述收发器用于生成并向所述传播装置提供呈现时变频率的所述发射信号，接收所述反射信号，并且将所述发射信号与所述反射信号进行混合以形成中频信号；以及
耦接至所述收发器的处理电路，所述处理电路被配置成：
确定由所述收发器形成的所述中频信号的相位；
基于用于当前监测操作的所述中频信号的相位和与至少一个先前监测操作相关联的中频信号的相位，确定指示用于监测操作序列的所述中频信号的相位的当前变化率的测量；
将指示所述相位的所述当前变化率的测量与预定阈值进行比较；
基于所述比较确定泄漏的存在；以及
当确定存在泄漏时，提供指示检测到的泄漏的信号。
9.根据权利要求8所述的泄漏检测系统，其中，
所述泄漏检测系统还包括温度传感器；并且
所述处理电路被配置成重复获取指示所述罐处的温度的变化率的测量。
10.根据权利要求9所述的泄漏检测系统，其中，所述处理电路被配置成另外基于所述罐处的温度的变化率来确定所述泄漏的存在。
11.根据权利要求10所述的泄漏检测系统，其中，所述处理电路被配置成另外基于所述罐处的温度的根据时间的变化率来确定所述泄漏的存在。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的泄漏检测系统，其中，所述处理电路被配置成另外基于所述中间信号的根据时间的相位和/或所述中间信号的相位的根据时间的变化率来确定所述泄漏的存在。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的泄漏检测系统，其中，所述处理电路被配置成控制所述泄漏检测系统以每秒至少一个监测操作的平均频率执行监测操作。
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