CN113984294A - 一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法及系统，采集超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图；获得输出波形图的横轴判定参数或纵轴判定参数；基于横轴判定参数和横轴判定阈值得出泄漏探测结果，或基于纵轴判定参数和纵轴判定阈值得出泄漏探测结果；将超声波流量计的计量原理应用到燃气泄漏检测过程中，超声波在接触更多的燃气介质后其传播特性只会相应改变而不会失效，且本方案基于超声波技术提供两种判定方法，分别以超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图的横轴方向和纵轴方向来判定，根据和实际检测环境选择相应的判定方法，判定方法简单准确。

Description

一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法及系统
技术领域
本发明涉及燃气探测技术领域，具体涉及一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法及系统。
背景技术
燃气是气体燃料的总称，它能燃烧而放出热量，供城市居民和工业企业使用；我国燃气供应行业和发达国家相比起步较晚，目前配送的燃气主要包括煤气、液化石油气和天然气三种；燃气使用方便，但一旦泄露就会给人身和财产带来不可估量的损失；随着科技的快速发展，燃气的使用越来越广泛。而燃气在使用过程中存在着一定的安全隐患，即燃气泄露的问题。当发生燃气泄露时，轻则导致人体产生头晕、呼吸困难等问题；重则发生爆炸事故，因此针对燃气泄露的检测方法至关重要。
现有技术中，目前的燃气泄露检测方法仅仅通过燃气检测传感器等来检测燃气的浓度，而这种传感器对于燃气浓度的测量能力是会被“消耗”的，即当接触的可燃气体、烟雾的数量达到一定程度时就会失效，在没有考虑到在燃气检测传感器出现失效的情况时，燃气泄露检测的准确性将会受到影响的问题；且现有的燃气检测传感器只能适用于一种气体，通用性不强。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前的燃气泄露检测方法通过燃气检测传感器等来直接检测燃气的浓度，当传感器接触的可燃气体、烟雾的数量达到一定程度时就会失效影响燃气泄露检测的准确性，且现有的燃气检测传感器只能适用于一种气体，通用性不强，本发明目的在于提供一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法及系统，以解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明提供一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，包括步骤：
步骤一：采集超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图；
步骤二：获得输出波形图的横轴判定参数或纵轴判定参数；
步骤三：基于横轴判定参数和横轴判定阈值得出泄漏探测结果，或基于纵轴判定参数和纵轴判定阈值得出泄漏探测结果。
本方案工作原理：目前的燃气泄露检测方法仅仅通过燃气检测传感器等来检测燃气的浓度，而这种传感器对于燃气浓度的测量能力是会被“消耗”的，即当接触的可燃气体、烟雾的数量达到一定程度时就会失效，在没有考虑到在燃气检测传感器出现失效的情况时，燃气泄露检测的准确性将会受到影响的问题，本方案提供的基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，将超声波流量计的计量原理应用到燃气泄漏检测过程中，超声波在接触更多的燃气介质后其传播特性只会相应改变而不会失效，燃气浓度的测量能力不会被“消耗”，且本方案基于超声波技术提供两种判定方法，分别以超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图的横轴方向和纵轴方向来判定，根据和实际检测环境选择相应的判定方法，且判定方法简单准确。
进一步优化方案为，所述输出波形图的横轴为采样时间，纵轴为输出电压；所述横轴判定参数包括：超声波穿过待测介质的声速；所述纵轴判定参数包括：接收信号输出电压峰值。
进一步优化方案为，获取超声波穿过待测介质的声速方法包括：通过声速模型计算或通过超声波飞行时间间接测量。
进一步优化方案为，通过声速模型计算超声波穿过待测介质的声速方法为：
采集超声波穿过待测介质的当前温度T；
基于当前温度t根据声速模型计算出超声波穿过待测介质的声速V；
所述声速模型为：
Figure BDA0003324631800000021
式中V0＝331.45m/s为T0＝273.15K时的声速，T＝(t+273.15)K。
进一步优化方案为，通过超声波飞行时间间接测量超声波穿过待测介质的声速方法为：
令超声波从上到下穿过固定腔室得到下飞行时间tdown；
令超声波从下到上穿过固定腔室得到上飞行时间tup；所述固定腔室内的气体介质与固定腔室外的气体介质相同，且所述固定腔室的截面均匀；可以将固定腔室设置成圆柱形或长方体柱状，令圆柱形或长方体柱平躺，超声波沿圆柱形或长方体柱截面的中心线穿过固定腔室，保证固定腔室内与固定腔室外连通，气体环境一致，以保证该方法检测的固定腔室内的飞行时间也能够代表固定腔室外的飞行时间，保证检测准确性。
求得下飞行时间tdown与上飞行时间tup的平均数tave；
基于超声波的飞行距离L和tave计算出超声波穿过待测介质的声速。
进一步优化方案为，获取接收信号输出电压峰值的方法为：绘制输出波形图的包络图，包络图即为接收信号输出电压峰值。
由于接收信号输出电压的波形图峰值变化不明显，因此绘制输出波形图的包络图进行比较，计算方便快捷；当燃气泄漏时，待测气体的浓度增加，超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图的峰值会减小，通过当前待测气体的输出波形图的包络图与超声波经过空气时的输出波形图的包络图进行比较即可得到是否泄露气体，当判定输出波形图的峰值变化量超出阈值时，立即报警。
进一步优化方案为，当待测介质为甲烷时，步骤三具体包括：
令横轴判定参数减去横轴基础参数得到横轴判定参数变化量，当横轴判定参数变化量大于横轴判定阈值时，判定燃气泄漏并报警；所述横轴基础参数与横轴判定参数具有相同的物理量，但横轴基础参数是在空气中获得；
或令纵轴判定参数减去纵轴基础参数得到纵轴判定参数变化量，当纵轴判定参数变化量大于纵轴判定阈值时，判定燃气泄漏并报警；所述纵轴基础参数与纵轴判定参数具有相同的物理量，但纵轴基础参数是在空气中获得。
现有的燃气泄漏检测方法，只能适用于某一种气体介质，对于不同的气体，需要适用不同的监测原理，不仅不能通用，还给检修过程带来很大不便，本方案对于不同的燃气介质，根据气体介质的特性和泄露要求设定不同的横轴判定阈值或纵轴判定阈值即可使用，该方法可以适用于多种气体介质，通用性好。
本方案还提供一种基于超声波技术的燃气泄漏探测系统，用于上述的基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，包括：采集模块、参数获取模块和判定模块；
采集模块用于采集超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图；
参数获取模块用于获得输出波形图的横轴判定参数或纵轴判定参数；
判定模块基于横轴判定参数和横轴判定阈值得出泄漏探测结果，或基于纵轴判定参数和纵轴判定阈值得出泄漏探测结果。
进一步优化方案为，所述参数获取模块包括横轴判定参数获取单元和纵轴判定参数获取单元；
所述横轴判定参数获取单元用于获取超声波穿过待测介质的声速；
所述纵轴判定参数获取单元用于获取接收信号输出电压峰值。
进一步优化方案为，所述横轴判定参数获取单元包括声速模型单元和间接测量单元；
所述声速模型单元通过声速模型计算出超声波穿过待测介质的声速；
所述间接测量单元通过超声波飞行时间间接测量出超声波穿过待测介质的声速。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法及系统，将超声波流量计的计量原理应用到燃气泄漏检测过程中，超声波在接触更多的燃气介质后其传播特性只会相应改变而不会失效，燃气浓度的测量能力不会被“消耗”，且本方案基于超声波技术提供两种判定方法，分别以超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图的横轴方向和纵轴方向来判定，根据和实际检测环境选择相应的判定方法，且判定方法简单准确；且对于不同的燃气介质，根据气体介质的特性和泄露要求设定不同的横轴判定阈值或纵轴判定阈值即可使用，可以适用于多种气体介质，通用性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为基于超声波技术的燃气泄漏探测方法流程示意图；
图2为实施例1输出波形图的包络图；
图3为实施例1的两组输出波形图的包络图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
现有技术中，目前的燃气泄露检测方法仅仅通过燃气检测传感器等来检测燃气的浓度，而这种传感器对于燃气浓度的测量能力是会被“消耗”的，即当接触的可燃气体、烟雾的数量达到一定程度时就会失效，在没有考虑到在燃气检测传感器出现失效的情况时，燃气泄露检测的准确性将会受到影响的问题；且现有的燃气检测传感器只能适用于一种气体，通用性不强；本实施例提供一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法及系统解决上述问题。
实施例1
如图1所示，一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，包括步骤：
步骤一：采集超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图；
步骤二：获得输出波形图的横轴判定参数或纵轴判定参数；
步骤三：基于横轴判定参数和横轴判定阈值得出泄漏探测结果，或基于纵轴判定参数和纵轴判定阈值得出泄漏探测结果。
所述输出波形图的横轴为采样时间，纵轴为输出电压；所述横轴判定参数包括：超声波穿过待测介质的声速；所述纵轴判定参数包括：接收信号输出电压峰值。
获取超声波穿过待测介质的声速方法包括：通过声速模型计算或通过超声波飞行时间间接测量。
通过声速模型计算超声波穿过待测介质的声速方法为：
采集超声波穿过待测介质的当前温度T；
基于当前温度t根据声速模型计算出超声波穿过待测介质的声速V；
所述声速模型为：
Figure BDA0003324631800000051
式中V0＝331.45m/s为在空气中，T0＝273.15K时的声速，T＝(t+273.15)K。
通过超声波飞行时间间接测量超声波穿过待测介质的声速方法为：
令超声波从上到下穿过固定腔室得到下飞行时间tdown；
令超声波从下到上穿过固定腔室得到上飞行时间tup；所述固定腔室内的气体介质与固定腔室外的气体介质相同，且所述固定腔室的截面均匀；
求得下飞行时间tdown与上飞行时间tup的平均数tave；
基于超声波的飞行距离L和tave计算出超声波穿过待测介质的声速。
获取接收信号输出电压峰值的方法为：绘制输出波形图的包络图，包络图如图2所示，包络图即为接收信号输出电压峰值。
当待测介质为甲烷时，步骤三具体包括：
令横轴判定参数减去横轴基础参数得到横轴判定参数变化量，当横轴判定参数变化量大于横轴判定阈值时，判定燃气泄漏并报警；所述横轴基础参数与横轴判定参数具有相同的物理量，但横轴基础参数是在空气中获得；
或令纵轴判定参数减去纵轴基础参数得到纵轴判定参数变化量，当纵轴判定参数变化量大于纵轴判定阈值时，判定燃气泄漏并报警；所述纵轴基础参数与纵轴判定参数具有相同的物理量，但纵轴基础参数是在空气中获得。
由于接收信号输出电压的波形图峰值变化不明显，因此绘制输出波形图的包络图进行比较，计算方便快捷；当燃气泄漏时，待测气体的浓度增加，超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图的峰值会减小，如图3所示，通过当前待测气体的输出波形图的包络图(图中虚线所示)与超声波经过空气时的输出波形图的包络图(图中实线所示)进行比较即可得到是否泄露气体，当判定输出波形图的峰值变化量超出阈值时，立即报警，本实施例中相同时间点的虚线与实线之差大于阈值，报警启动。
实施例2
一种基于超声波技术的燃气泄漏探测系统，用于上一实施例所述的基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，包括：采集模块、参数获取模块和判定模块；
采集模块用于采集超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图；
参数获取模块用于获得输出波形图的横轴判定参数或纵轴判定参数；
判定模块基于横轴判定参数和横轴判定阈值得出泄漏探测结果，或基于纵轴判定参数和纵轴判定阈值得出泄漏探测结果。
所述参数获取模块包括横轴判定参数获取单元和纵轴判定参数获取单元；
所述横轴判定参数获取单元用于获取超声波穿过待测介质的声速；
所述纵轴判定参数获取单元用于获取接收信号输出电压峰值。
所述横轴判定参数获取单元包括声速模型单元和间接测量单元；
所述声速模型单元通过声速模型计算出超声波穿过待测介质的声速；
所述间接测量单元通过超声波飞行时间间接测量出超声波穿过待测介质的声速。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一：采集超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图；
步骤二：获得输出波形图的横轴判定参数或纵轴判定参数；
步骤三：基于横轴判定参数和横轴判定阈值得出泄漏探测结果，或基于纵轴判定参数和纵轴判定阈值得出泄漏探测结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，其特征在于，所述输出波形图的横轴为采样时间，纵轴为输出电压；所述横轴判定参数包括：超声波穿过待测介质的声速；所述纵轴判定参数包括：接收信号输出电压峰值。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，其特征在于，获取超声波穿过待测介质的声速方法包括：通过声速模型计算或通过超声波飞行时间间接测量。
4.根据权利要求3所述的一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，其特征在于，通过声速模型计算超声波穿过待测介质的声速方法为：
采集超声波穿过待测介质的当前温度T；
基于当前温度t根据声速模型计算出超声波穿过待测介质的声速V；
所述声速模型为：
Figure FDA0003324631790000011
式中V0＝331.45m/s为T0＝273.15K时的声速，T＝(t+273.15)K。
5.根据权利要求3所述的一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，其特征在于，通过超声波飞行时间间接测量超声波穿过待测介质的声速方法为：
令超声波从上到下穿过固定腔室得到下飞行时间tdown；
令超声波从下到上穿过固定腔室得到上飞行时间tup；所述固定腔室内的气体介质与固定腔室外的气体介质相同，且所述固定腔室的截面均匀；
求得下飞行时间tdown与上飞行时间tup的平均数tave；
基于超声波的飞行距离L和tave计算出超声波穿过待测介质的声速。
6.根据权利要求2所述的一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，其特征在于，获取接收信号输出电压峰值的方法为：绘制输出波形图的包络图，包络图即为接收信号输出电压峰值。
7.根据权利要求1所述的一种基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，其特征在于，当待测介质为甲烷时，步骤三具体包括：
令横轴判定参数减去横轴基础参数得到横轴判定参数变化量，当横轴判定参数变化量大于横轴判定阈值时，判定燃气泄漏并报警；所述横轴基础参数与横轴判定参数具有相同的物理量，但横轴基础参数是在空气中获得；
或令纵轴判定参数减去纵轴基础参数得到纵轴判定参数变化量，当纵轴判定参数变化量大于纵轴判定阈值时，判定燃气泄漏并报警；所述纵轴基础参数与纵轴判定参数具有相同的物理量，但纵轴基础参数是在空气中获得。
8.一种基于超声波技术的燃气泄漏探测系统，其特征在于，用于权利要求1-7任意一项所述的基于超声波技术的燃气泄漏探测方法，包括：采集模块、参数获取模块和判定模块；
采集模块用于采集超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形图；
参数获取模块用于获得输出波形图的横轴判定参数或纵轴判定参数；
判定模块基于横轴判定参数和横轴判定阈值得出泄漏探测结果，或基于纵轴判定参数和纵轴判定阈值得出泄漏探测结果。
9.根据权利要求8所述的一种基于超声波技术的燃气泄漏探测系统，其特征在于，所述参数获取模块包括横轴判定参数获取单元和纵轴判定参数获取单元；
所述横轴判定参数获取单元用于获取超声波穿过待测介质的声速；
所述纵轴判定参数获取单元用于获取接收信号输出电压峰值。
10.根据权利要求9所述的一种基于超声波技术的燃气泄漏探测系统，其特征在于，所述横轴判定参数获取单元包括声速模型单元和间接测量单元；
所述声速模型单元通过声速模型计算出超声波穿过待测介质的声速；
所述间接测量单元通过超声波飞行时间间接测量出超声波穿过待测介质的声速。
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