CN114017681A - 基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法 - Google Patents

基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法 Download PDF

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彭阳阳
张传琦
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Abstract

本发明涉及一种一种基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1:利用负压波法对泄露进行检测，并定位出初始的泄露位置，对初始的泄露管道位置进行隔离；步骤S2：对隔离出的管道施加激励，产生瞬变流，利用动态压力传感器，在施加激励后持续测量并记录管道中该处的压力信号；步骤S3:将采集到的压力信号划分出不同的周期；步骤S4:对划分出不同周期的信号做傅里叶变换，得到每个周期内的信号频谱，并将每个谐波在不同周期中的强度提取出来后进行指数拟合，得到该谐波的衰减率；步骤S5:根据拟合后得到谐波的衰减率，进一步计算得到定位结果。本发明实现检测微小泄漏的定位，且定位精准，可行性较高。

Description

基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法
技术领域
本发明涉及管道泄漏检测领域，具体涉及一种基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法。
背景技术
管道运输是能源和供水的主要运输工具，但由于管道的自然老化、磨损等自然损坏和人为破坏等原因，管道泄漏成为了管道运输安全的一大威胁。管道泄漏不仅会造成巨大的经济损失，还会对自然环境造成严重污染，对人类的生活造成巨大影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法，实现检测微小泄漏的定位，且定位精准，可行性较高。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:利用负压波法对泄露进行检测，并定位出初始的泄露位置，对初始的泄露管道位置进行隔离；
步骤S2：对隔离出的管道施加激励，产生瞬变流，利用动态压力传感器，在施加激励后持续测量并记录管道中该处的压力信号；
步骤S3:将采集到的压力信号划分出不同的周期；
步骤S4:对划分出不同周期的信号做傅里叶变换，得到每个周期内的信号频谱，并将每个谐波在不同周期中的强度提取出来后进行指数拟合，得到该谐波的衰减率；
步骤S5:根据拟合后得到谐波的衰减率，进一步计算得到定位结果。
进一步的，所述利用负压波法对泄露进行检测，具体为：
设X(m)是泄漏点离上游传感器的距离，L(m)是管道全长,a(m/s)是压力波在管道的传播速度，V(m/s)是流体流速，t1、t2(s)分别为上下游传感器收集到泄漏点的压力波的时间；
则存在如下关系：
Figure BDA0003340231790000021
推导可得：
Figure BDA0003340231790000022
忽略V对a的影响，上式可以简化为:
Figure BDA0003340231790000023
进一步的，所述施加激励时引发的瞬变流能在管道中维持多个周期，从而保证衰减拟合的准确度。
进一步的，所述步骤S4具体为：
测量某一位点的压力，然后按照不同周期分别进行傅里叶变换，得到不同谐波在不同周期中的幅值，第i个周期中第n次谐波的幅值表示为：
Figure BDA0003340231790000031
其中
Figure BDA0003340231790000032
是该谐波在第一个周期中的幅值，其表达式为：
Figure BDA0003340231790000033
进一步的，所述步骤S5具体为：
设一截水平管道，在xL处存在着泄漏，泄漏量是QL，分析x1和x2之间部分的流体，这段流体的质量满足：
Figure BDA0003340231790000034
其中x是管线方向的位置坐标，t是时间，ρ是流体密度，A是管道的横截面积，V是管道流速，QL是管道泄漏点的流量；
考虑到水的可压缩性以及管道的弹性，将式(1)简化为通常的方程：
Figure BDA0003340231790000035
其中H是测压水头，g是重力加速度；
同理得到流体的动量守恒方程为：
Figure BDA0003340231790000036
联立管道中流体的连续性方程和动量守恒方程，加入边界条件得到管道中某点压力的线性解析式：
Figure BDA0003340231790000037
傅里叶系数An和Bn表示为：
Figure BDA0003340231790000038
Figure BDA0003340231790000041
其中：
Figure BDA0003340231790000042
RnL是泄漏造成的第n次谐波的衰减系数，
Figure BDA0003340231790000043
是泄漏位点在管道中的相对位置，CdAL是泄漏量，A是管道横截面积，HL0是压头值，a是压力波速，g是重力加速度；
由式(7)可知，管道中任意一点的压力变化，分解为不同谐波的叠加，在时间尺度上呈指数衰减趋势，衰减趋势，衰减系数为(R+RnL)，而泄漏点位置会对不同次谐波的衰减率RnL产生特异性影响；
通过将两个不同衰减率相除消去无关量，得到：
Figure BDA0003340231790000044
根据得到Rn2L/Rn1L的值，通过反三角函数求得
Figure BDA0003340231790000045
即得到了泄露位置。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明实现检测微小泄漏的定位，且定位精准，可行性较高。
附图说明
图1是本发明一实施例中负压波的传播模型；
图2是本发明一实施例中管道中流体流量分布模型；
图3是本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图3，本发明提供一种基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:利用负压波法对泄露进行检测，并定位出初始的泄露位置，对初始的泄露管道位置进行隔离；
步骤S2：对隔离出的管道施加激励，产生瞬变流，利用动态压力传感器，在施加激励后持续测量并记录管道中该处的压力信号；
步骤S3:将采集到的压力信号划分出不同的周期；
步骤S4:对划分出不同周期的信号做傅里叶变换，得到每个周期内的信号频谱，并将每个谐波在不同周期中的强度提取出来后进行指数拟合，得到该谐波的衰减率；
步骤S5:根据拟合后得到谐波的衰减率，进一步计算得到定位结果。
在本实施例中，当管道泄漏时，泄漏处的压力和流速会降低，压力降低会引起流体自上而下迅速流至泄漏点附近的低压区，并以一定的速度向管道的上游和下游端传播，从而产生新的压差。因此泄漏处产生的压力波称为负压波，通过压力传感器采集到的不同压力信号来判断泄漏是否发生，根据上下游传感器接收到负压波信号的时间差来确定泄露位置。负压波的检测原理如图1所示
X(m)是泄漏点离上游传感器的距离，L(m)是管道全长,a(m/s)是压力波在管道的传播速度，V(m/s)是流体流速，t1、t2(s)分别为上下游传感器收集到泄漏点的压力波的时间。则存在如下关系：
Figure BDA0003340231790000061
推导可得：
Figure BDA0003340231790000062
由于忽略V对a的影响，上式可以简化为:
Figure BDA0003340231790000063
优选的，本实施例中，通过负压波检测法对泄漏进行初步定位，再利用谐波衰减法对泄漏管道进行精确定位，具体如下：
设一长直管道在坐标xL处存在泄漏，泄漏流量，为QL。瞬变流在管道中的传播规律是基于流体的两个基本的方程实现的：运动方程和连续性方程。在泄漏管道中，截取管道的一部分如图2所示。
设这是一截水平管道，在xL处存在着泄漏，泄漏量是QL；分析x1和x2之间部分的流体，这段流体的质量满足：
Figure BDA0003340231790000064
其中x是管线方向的位置坐标，t是时间，ρ是流体密度，A是管道的横截面积，V是管道流速，QL是管道泄漏点的流量；
考虑到水的可压缩性以及管道的弹性，将式(1)简化为通常的方程：
Figure BDA0003340231790000065
其中H是测压水头，g是重力加速度。同理可以得到流体的动量守恒方程为：
Figure BDA0003340231790000071
联立管道中流体的连续性方程和动量守恒方程，做可以忽略的近似之后，加入边界条件可以得到管道中某点压力的线性解析式：
Figure BDA0003340231790000072
傅里叶系数An和Bn可以表示为：
Figure BDA0003340231790000073
Figure BDA0003340231790000074
其中：
Figure BDA0003340231790000075
RnL是泄漏造成的第n次谐波的衰减系数，
Figure BDA0003340231790000076
是泄漏位点在管道中的相对位置，CdAL是泄漏量，A是管道横截面积，HL0是压头值，a是压力波速，g是重力加速度。
由式(7)可知，管道中任意一点的压力变化，可以分解为不同谐波的叠加，在时间尺度上呈指数衰减趋势，衰减趋势，衰减系数为(R+RnL)，而泄漏点位置会对不同次谐波的衰减率RnL产生特异性影响。通过这一原理，我们可以通过测量某一点的压力变化曲线，进行傅里叶变换，从而分析不同谐波的衰减情况对泄漏点进行定位。通过将两个不同衰减率相除可以消去无关量，得到：
Figure BDA0003340231790000077
根据以上原理，RnL是泄漏位置以及泄漏量的共同函数，根据如下过程可以对泄漏进行定位以及定量分析：
搭建测量系统，可以通过阀门的突然关闭，在管道中引入突然的激励。测量某一位点的压力，然后按照不同周期分别进行傅里叶变换，得到不同谐波在不同周期中的幅值，第i个周期中第n次谐波的幅值可以表示为：
Figure BDA0003340231790000081
其中
Figure BDA0003340231790000082
是该谐波在第一个周期中的幅值，其表达式为：
Figure BDA0003340231790000083
对谐波在各个周期内的幅值，对谐波曲线进行拟合，曲线应满足下面形式即：y＝axb
拟合得到的b即为衰减系数。在没有泄漏的情况下，得到的衰减系数是R，有泄漏的情况下的衰减系数是R+RnL，计算所需的RnL可以由R+RnL减去R得到。所以得到Rn2L/Rn1L的值，通过反三角函数求得
Figure BDA0003340231790000084
即得到了泄露位置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:利用负压波法对泄露进行检测，并定位出初始的泄露位置，对初始的泄露管道位置进行隔离；
步骤S2：对隔离出的管道施加激励，产生瞬变流，利用动态压力传感器，在施加激励后持续测量并记录管道中该处的压力信号；
步骤S3:将采集到的压力信号划分出不同的周期；
步骤S4:对划分出不同周期的信号做傅里叶变换，得到每个周期内的信号频谱，并将每个谐波在不同周期中的强度提取出来后进行指数拟合，得到该谐波的衰减率；
步骤S5:根据拟合后得到谐波的衰减率，进一步计算得到定位结果。
2.根据权利要求1所述的基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法，其特征在于，所述利用负压波法对泄露进行检测，具体为：
设X(m)是泄漏点离上游传感器的距离，L(m)是管道全长,a(m/s)是压力波在管道的传播速度，V(m/s)是流体流速，t1、t2(s)分别为上下游传感器收集到泄漏点的压力波的时间；
则存在如下关系：
Figure FDA0003340231780000011
推导可得：
Figure FDA0003340231780000021
忽略V对a的影响，上式可以简化为:
Figure FDA0003340231780000022
3.根据权利要求1所述的基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法，其特征在于，所述施加激励时引发的瞬变流能在管道中维持多个周期，从而保证衰减拟合的准确度。
4.根据权利要求1所述的基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
测量某一位点的压力，然后按照不同周期分别进行傅里叶变换，得到不同谐波在不同周期中的幅值，第i个周期中第n次谐波的幅值表示为：
Figure FDA0003340231780000023
其中
Figure FDA0003340231780000024
是该谐波在第一个周期中的幅值，其表达式为：
Figure FDA0003340231780000025
5.根据权利要求1所述的基于负压波与谐波衰减法耦合的管道泄漏检测定位的方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：
设一截水平管道，在xL处存在着泄漏，泄漏量是QL，分析x1和x2之间部分的流体，这段流体的质量满足：
Figure FDA0003340231780000026
其中x是管线方向的位置坐标，t是时间，ρ是流体密度，A是管道的横截面积，V是管道流速，QL是管道泄漏点的流量；
考虑到水的可压缩性以及管道的弹性，将式(1)简化为通常的方程：
Figure FDA0003340231780000031
其中H是测压水头，g是重力加速度；
同理得到流体的动量守恒方程为：
Figure FDA0003340231780000032
联立管道中流体的连续性方程和动量守恒方程，加入边界条件得到管道中某点压力的线性解析式：
Figure FDA0003340231780000033
傅里叶系数An和Bn表示为：
Figure FDA0003340231780000034
Figure FDA0003340231780000035
其中：
Figure FDA0003340231780000036
RnL是泄漏造成的第n次谐波的衰减系数，
Figure FDA0003340231780000037
是泄漏位点在管道中的相对位置，CdAL是泄漏量，A是管道横截面积，HL0是压头值，a是压力波速，g是重力加速度；
由式(7)可知，管道中任意一点的压力变化，分解为不同谐波的叠加，在时间尺度上呈指数衰减趋势，衰减趋势，衰减系数为(R+RnL)，而泄漏点位置会对不同次谐波的衰减率RnL产生特异性影响；
通过将两个不同衰减率相除消去无关量，得到：
Figure FDA0003340231780000041
根据得到Rn2L/Rn1L的值，通过反三角函数求得
Figure FDA0003340231780000042
即得到了泄露位置。
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康宪芝等: "《基于瞬变流法的管道泄漏 定位研究》", 《计算机工程与应用》, vol. 51, no. 19, pages 255 - 259 *
康宪芝等: "基于瞬变流法的管道泄漏定位研究", 《计算机工程与应用》 *
康宪芝等: "基于瞬变流法的管道泄漏定位研究", 《计算机工程与应用》, no. 19, 30 September 2015 (2015-09-30), pages 255 *
路通达: "基于瞬态压力波法的输油管道泄漏检测技术研究", 《仪器仪表用户》 *
路通达: "基于瞬态压力波法的输油管道泄漏检测技术研究", 《仪器仪表用户》, no. 05, 8 October 2011 (2011-10-08) *

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