CN113932158A - 一种长输管道泄漏信号的采集传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是一种长输管道泄漏信号的采集传输装置，它包括多源传感器模块、远程数据采集传输终端；多源传感器模块包含压力变送器、火焰传感器、电磁流量计和振动传感器，长输管道的进口和出口两端均设置压力变送器和电磁流量计，在长输管道上等距离间隔成对安装振动传感器和火焰传感器；远程数据采集传输终端包括核心处理器、北斗模块、物联网模块、报警模块和电源模块,北斗模块通过接受北斗卫星的广播星历得到地理位置和时间戳，并将其信息授予核心处理器；核心处理器中通过一种多源传感器数据信号降噪方法对数据进行降噪处理。本发明采用多源传感器模块能够增加可用于分析管道状况的指标，提高对长输管道泄漏的监测强度和管道的数字化程度。

Description

一种长输管道泄漏信号的采集传输装置
技术领域
本发明涉及的是信号处理和长输管道泄漏检测技术领域，具体涉及的是一种长输管道泄漏信号的采集传输装置。
背景技术
我国油气管道里程数虽然在逐年增加，但油气管道的数字化成熟程度仅有19％，且现役油气管道中有相当一部分已经进入油气管道的“老龄期”，由于在户外环境对管道的影响和人为破坏管道盗油，管道事故时常发生，国内关于油气管道泄漏检测和预测存在漏报、误报等情况，在泄漏检测中甚至存在检测成本高于更换管道成本的情况。
现有采用变分模态分解算法进行降噪过程中采用互相关函数进行判断有效模态存在一定程度的主观偏差，并且在各个模态的互相关函数差别不大的情况下无法有效准确的判断出有效模态分量和噪声模态分量的分界点。
发明内容
本发明的目的是提供一种长输管道泄漏信号的采集传输装置，这种长输管道泄漏信号的采集传输装置用于解决户外管道工况监测存在不足的问题,提高泄漏检测的准确性便利性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种长输管道泄漏信号的采集传输装置包括多源传感器模块、远程数据采集传输终端；
多源传感器模块包含压力变送器、火焰传感器、电磁流量计和振动传感器，长输管道的进口和出口两端均设置压力变送器和电磁流量计，在长输管道上等距离间隔成对安装振动传感器和火焰传感器；
远程数据采集传输终端包括核心处理器、北斗模块、物联网模块、报警模块和电源模块，北斗模块、物联网模块、报警模块和电源模块均与核心处理器连接，远程数据采集传输终端与多源传感器模块之间采用RS-485串口通信进行数据传输，北斗模块通过接受北斗卫星的广播星历得到地理位置和时间戳，并将其信息授予核心处理器；核心处理器中通过一种多源传感器数据信号降噪方法对数据进行降噪处理，并利用物联网模块将核心处理器中带有地理位置和时间戳的降噪后的数据采用无线传输的方式发送出去；远程数据采集传输终端也内置火焰传感器；
各压力变送器、各火焰传感器、各电磁流量计、各振动传感器均与核心处理器连接；
所述多源传感器模块将信号传输到核心处理器时，核心处理器内置的多源传感器数据信号降噪方法采用变分模态分解算法将该信号分解为若干个模态分量，计算各模态分量与原始信号之间的互相关函数值，通过引入曼-肯德尔法构建有效模态分量判别模型，判断出有效模态分量和噪声模态分量的分界点，并将有效模态分量重构信号，得到降噪后的信号。
上述方案中多源传感器数据信号降噪方法是基于曼-肯德尔法的变分模态分解降噪算法，包括如下步骤：
步骤1：将原始信号f(t)经过变分模态分解得到K个模态分量uk(t)：
Figure BDA0003320211470000021
其中uk(t):＝{u1(t),…,uK(t)}；
步骤2：计算步骤1中的各模态分量uk(t)与原始信号f(t)之间的互相关函数，互相关函数用公式表示为：
Figure BDA0003320211470000024
其中τ表示两个信号之间的时差，E表示进行互相关运算；
步骤3：对步骤2中得到的各模态分量的互相关函数值采用曼-肯德尔法计算其各个模态分量互相关函数值的突变点，进而判断有效模态分量与噪声分量的分界点，曼-肯德尔法用公式表示为：
Figure BDA0003320211470000022
Figure BDA0003320211470000023
其中R表示各模态分量的互相关函数样本值，Ri和Ri分别表示i时刻和j时刻的样本值，ri表示样本符合条件的秩序列，Sk表示秩序列的累积和，UF1＝0，E(Sk)是Sk的均值，var(Sk)是Sk的方差，在各样本相互独立的情况下即可得到：
E(Sk)＝n(n+1)/4
var(Sk)＝n(n-1)(2n+5)/72
将各样本逆序排列并重复进行上述计算，此时UBk＝-UFk，k＝n，n-1，...，1；
根据曼-肯德尔法计算出在UBk与UFk两曲线的交点即为样本序列的突变点，将其作为噪声模态分量和有效模态分量的分界点，选取分界点前的模态分量为有效模态分量；
步骤4：选取有效模态分量进行重构，得到最终的降噪信号。
上述方案中压力变送器、火焰传感器、振动传感器和电磁流量计将采集的信号均通过RS-485串口通信传输到核心处理器。
上述方案中振动传感器和火焰传感器监测到管道附近发生火灾或者异常振动信号时立即发出声光报警，同时将报警信号传输至核心处理器。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明包含压力传感器、电磁流量计、振动传感器和火焰传感器，不仅采集管道运行中的压力数据、运输油气的流量数据，还可以通过等间距安装振动传感器来监测是否发生打孔盗油，利用火焰传感器监测管道周围是否发生火灾。采用多源传感器模块能够增加可用于分析管道状况的指标，提高了对长输管道泄漏的监测强度和管道的数字化程度。
2、本发明采用的传感器均通过RS-485串口通信与采集传输终端之间进行数据传输，抗干扰能力强，信号传输速率高，而且在硬件电路设计上不需要增加额外的数模转换等信号处理电路，降低了硬件开发成本和更好的保留了原始信号的信息。
3、本发明提出的基于曼-肯德尔法的变分模态分解降噪算法为选取有效模态分量提供一种客观且定量的方法，提升了对信号的降噪效果，有助于提高泄漏检测的准确性。
附图说明
图1为本发明的一种长输管道泄漏信号的采集传输装置的结构示意图；
图2为本发明具体实施例的核心处理器电路结构图；
图3为本发明的一种多源传感器数据信号降噪方法流程图；
其中，1核心处理器，2火焰传感器，3压力变送器，4电磁流量计，5振动传感器，6物联网模块，7报警模块，8北斗模块，9电源模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，一种长输管道泄漏信号的采集传输装置，该装置包括多源传感器模块、远程数据采集传输终端。多源传感器模块包含压力变送器3、火焰传感器2、电磁流量计4和振动传感器5，其中压力变送器和电磁流量计都分别放置在管道的进出口两端，压力变送器用来采集管道内的压力数据，电磁流量计则采集管道进出口两端实时的流量数据，振动传感器和火焰传感器一同在管道上等距离间隔安装实时监测管道状况，火焰传感器还内置于远程数据采集传输终端监测终端周围是否发生火灾。
远程数据采集传输终端包括核心处理器1、北斗模块8、物联网模块6、报警模块7和电源模块9，数据采集传输终端与多源传感器模块之间采用RS-485串口通信进行数据传输，北斗模块8通过接受卫星的广播星历得到地理位置和时间戳，并将带有地理位置和时间戳的多源传感器模块采集的数据传输给核心处理器1；核心处理器中通过一种多源传感器数据信号降噪方法对数据进行降噪处理，并利用物联网模块将核心处理器中带有地理位置和时间戳的降噪后的数据采用无线传输的方式发送出去。
报警模块在振动传感器和火焰传感器监测管道时发现异常信号时立即发出声光报警，电源模块则对长输管道泄漏信号采集传输装置进行提供电源。
核心处理器1中内嵌一种多源传感器数据信号降噪方法，如图2所示为核心处理器电路结构图。
如图3所示的一种多源传感器数据信号降噪方法是基于曼-肯德尔法的变分模态分解降噪算法，包括如下步骤：
步骤1：将信号f(t)经过变分模态分解得到K个模态分量uk(t)；
进一步地，所述的步骤1中，变分模态分解算法分解结果用公式表示为：
Figure BDA0003320211470000051
其中uk(t)：＝{u1(t)，…，uK(t)}；
步骤2：计算步骤1中的每一个模态分量uk(t)与原始信号f(t)之间的互相关函数值；
进一步地，所述的步骤2中，互相关函数用公式表示为：
Figure BDA0003320211470000054
其中τ表示两个信号之间的时差，E表示进行互相关运算；
步骤3：对步骤2中得到的各模态分量的互相关函数值采用曼-肯德尔法计算其各个模态分量互相关函数值的突变点，进而判断有效模态分量与噪声分量的分界点；
进一步地，所述的步骤3中，曼-肯德尔法用公式表示为：
Figure BDA0003320211470000052
Figure BDA0003320211470000053
其中R表示各模态分量的互相关函数样本值，Ri和Rj分别表示i时刻和j时刻的样本值，ri表示样本符合条件的秩序列，Sk表示秩序列的累积和，UF1＝O，E(Sk)，var(Sk)是Sk的均值和方差，在各个样本相互独立的情况下即可得到：
E(Sk)＝n(n+1)/4
var(Sk)＝n(n-1)(2n+5)/72
将各样本逆序排列并重复进行上述计算，此时UBk＝-UFk，k＝n，n-1，...，1。
根据曼-肯德尔法可得在UBk与UFk两曲线的交点即为突变点，将其作为噪声模态分量和有效模态分量的分界点，选取分界点前的模态分量为有效模态分量。
步骤4：选取有效模态分量进行重构，得到最终的降噪信号。
本发明采用多种传感器有助于丰富了分析管道状况的指标，提高了对长输管道泄漏的监测强度和管网的数字化程度。采用的传感器均通过RS-485串口通信方式进行数据传输，抗干扰能力强，信号传输速率高，而且在硬件电路设计上不需要增加额外的数模转换等信号处理电路，降低了硬件开发成本和更好保留了原始信号的信息。本发明提出的基于曼-肯德尔法的变分模态分解降噪算法为选取有效模态分量提供一种客观且定量的方法，提升了对信号的降噪效果，有助于提高泄漏检测的准确性。

Claims (4)

1.一种长输管道泄漏信号的采集传输装置，其特征在于：这种长输管道泄漏信号的采集传输装置包括多源传感器模块、远程数据采集传输终端；
多源传感器模块包含压力变送器、火焰传感器、电磁流量计和振动传感器，长输管道的进口和出口两端均设置压力变送器和电磁流量计，在长输管道上等距离间隔成对安装振动传感器和火焰传感器；
远程数据采集传输终端包括核心处理器、北斗模块、物联网模块、报警模块和电源模块，北斗模块、物联网模块、报警模块和电源模块均与核心处理器连接，远程数据采集传输终端与多源传感器模块之间采用RS-485串口通信进行数据传输，北斗模块通过接受北斗卫星的广播星历得到地理位置和时间戳，并将其信息授予核心处理器；核心处理器中通过一种多源传感器数据信号降噪方法对数据进行降噪处理，并利用物联网模块将核心处理器中带有地理位置和时间戳的降噪后的数据采用无线传输的方式发送出去；远程数据采集传输终端也内置火焰传感器；
各压力变送器、各火焰传感器、各电磁流量计、各振动传感器均与核心处理器连接；
所述多源传感器模块将信号传输到核心处理器时，核心处理器内置的多源传感器数据信号降噪方法采用变分模态分解算法将该信号分解为若干个模态分量，计算分解后的各模态分量与原始信号之间的互相关函数值，通过引入曼-肯德尔法构建有效模态分量判别模型，判断出有效模态分量和噪声模态分量的分界点，并将有效模态分量重构信号，得到降噪后的信号。
2.根据权利要求1所述的长输管道泄漏信号的采集传输装置，其特征在于：所述的多源传感器数据信号降噪方法是基于曼-肯德尔法的变分模态分解降噪算法，包括如下步骤：
步骤1：将信号f(t)经过变分模态分解得到K个模态分量uk(t)：
Figure FDA0003320211460000011
其中uk(t):＝{u1(t),…,uK(t)}；
步骤2：计算步骤1中的各模态分量uk(t)与原始信号f(t)之间的互相关函数，互相关函数用公式表示为：
Figure FDA0003320211460000021
其中τ表示两个信号之间的时差，E表示进行互相关运算；
步骤3：对步骤2中得到的各模态分量的互相关函数值采用曼-肯德尔法计算其各个模态分量互相关函数值的突变点，进而判断有效模态分量与噪声分量的分界点，曼-肯德尔法用公式表示为：
Figure FDA0003320211460000022
Figure FDA0003320211460000023
其中R表示各模态分量的互相关函数样本值，Ri和Rj分别表示i时刻和j时刻的样本值，ri表示样本符合条件的秩序列，Sk表示秩序列的累积和,UF1＝0,E(Sk)是Sk的均值,var(Sk)是Sk的方差，在各样本相互独立的情况下即可得到：
E(Sk)＝n(n+1)/4
var(Sk)＝n(n-1)(2n+5)/72
将各样本逆序排列并重复进行上述计算，此时UBk＝-UFk，k＝n，n-1，...，1；
根据曼-肯德尔法计算出在UBk与UFk两曲线的交点即为样本序列的突变点，将其作为噪声模态分量和有效模态分量的分界点，选取分界点前的模态分量为有效模态分量；
步骤4：选取有效模态分量进行重构，得到最终的降噪信号。
3.根据权利要求2所述的长输管道泄漏信号的采集传输装置，其特征在于：所述的压力变送器、火焰传感器、振动传感器和电磁流量计将采集的信号均通过RS-485串口通信传输到核心处理器。
4.根据权利要求3所述的长输管道泄漏信号的采集传输装置，其特征在于：所述的振动传感器和火焰传感器监测到管道附近发生火灾或者异常振动信号时立即发出声光报警，同时将报警信号传输至核心处理器。
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