CN114151736B - 一种监测天然气泄漏的超声三阵元报警定位仪及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化的天然气泄漏报警定位仪及方法。一种监测天然气泄漏的超声三阵元报警定位仪包括：超声拾音器和音频拾音器，超声波发生器，调理电路单元，A/D转换采集单元，微处理器单元，三维泄漏报警单元，阵元相差定位单元及UI参数设置/显示单元；本发明采用声波至超声波宽频带在线实时监测技术，监测天然气场站、阀室及天然气相关设施的各种微小泄漏特征，实现泄漏早期报警；通过动态自学习自适应天然气现场各种设施正常产生的环境噪声，采用频域、时域和空域三维融合方法提高系统抗噪声抗干扰能力；采用三角形三阵元组快拍相位差谱和时差谱计算、方位角谱估计和方位角空间交汇坐标定位的综合处理方法自动对天然气泄漏点进行精确定位。
Description
技术领域
本发明涉及天然气泄漏监测技术领域，具体涉及一种小型化的天然气泄漏报警定位装置及方法。
背景技术
天然气站场及阀室的工艺设备多，流程复杂，密封点多，泄漏的概率大。天然气站场及阀室内各种法兰密封圈、各种工艺阀门、各种螺纹和多层套筒等具有不同孔径不同压力不同形状不同背景噪声的泄漏特点，一旦泄漏，小则影响正常生产，大则造成人员伤亡、环境严重污染、爆炸等恶性事故和巨大经济损失。因此天然气场站/阀室以及天然气工艺管道场所的泄漏实时监测尤为必要。
现有可燃气体报警、红外气体探测和激光气体探测技术各有优点，但检测效果都受泄漏气体浓度、风和坏天气的影响较大，同时不能对泄漏点进行定位；超声波探测优点是基本不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰以及有毒气体的影响，但是传统的超声波检漏仪多采用接收40kHz单频或人工可调超声单频技术，采用人工扫描方式探查泄漏，检测距离近，而且也不能自主定位泄漏点，不适用于天然气站场及阀室各种工艺设施环境下在线自动监测泄漏发生。
发明内容
本发明的目的是：解决传统天然气泄漏监测手段效果易受泄漏气体浓度、风和差天气影响、不能定向定位泄漏点的问题，针对天然气站场/阀室及天然气工艺管道场所纵横交错的工艺管道环境，提供一种天然气泄漏监测定位装置及方法。
本发明的一个技术方案是：一种监测天然气泄漏的超声三阵元报警定位仪，它包括：超声拾音器和音频拾音器，超声波发生器，调理电路单元，间歇同步式高速A/D转换采集单元，微处理器单元，三维泄漏报警单元，阵元相差定位单元以及UI参数设置/显示单元。
超声拾音器和音频拾音器用于监测天然气泄漏的超声波信号和声波信号；超声拾音器监测的泄漏超声波的频率范围为20kHz～100kHz，音频拾音器监测的泄漏音频声波的频率范围为10kHz～20kHz；3组超声拾音器和音频拾音器组成三阵元组，三阵元组呈三角形分布。
超声波发生器用于对报警定位仪的工作状态进行自检；超声波发生器设置在三阵元组所在圆周的顶部，与三阵元组呈正菱形分布。
调理电路单元包括：三通道多频点滤波放大器和驱动电路；三通道多频点滤波放大器接收从超声拾音器和音频拾音器传来的信号，对超声和音频的宽频连续信号实时进行多频点滤波放大，并转变成离散谱，以减弱栅栏效应和谱间干扰对后续处理的影响；驱动电路用于驱动超声波发生器，定时发出40kHz频率超声波自检信号。
间歇同步高速A/D转换采集单元用于接收来自调理电路单元的信号，对其进行三通道的同步间歇式高速采样，并进行模数转换。
微处理器单元控制间歇同步高速A/D转换采集单元的间歇快拍采样和高速数模转换，控制三维泄漏报警单元进行不间断地智能自学习获得正常工作环境下现场背景噪声能量值，同时对三通道数字信号进行频域、时域、空域三维融合分析，判断现场是否存在天然气泄漏、是否应该声光报警，控制阵元相差定位单元对三通道的n个快拍进行相位差谱测算和时差谱计算，对n个快拍方位角进行谱估计，计算出泄漏点的方位角。
UI参数设置/显示单元在微处理器单元控制下，用于人机交互，进行系统初始参数的设置，自检结果的显示，工作状态的显示，设置和显示工作模式。
上述方案中，优选的，间歇同步高速A/D转换采集单元采用0.3秒间歇快拍、400KHz高速采样率，以减轻了数据处理负担。
在上述方案的基础上，进一步的，报警定位仪还包括：RS485接口，上位机；上位机仅在多机模式下配置，单机模式下不配置。
RS485接口执行Modbus通信协议，用于在多个报警定位仪模式下，天然气站场/阀室内现场监测的报警定位仪与远距离值班室内上位机的信号和数据传输。
在多机模式下，上位机至少远程管理二个以上现场报警定位仪。现场各个报警定位仪远程向上位机上传的现场检测的时频信号、天然气泄漏报警信息和泄漏点方位。上位机可以实时显示各个现场报警定位仪监测的天然气现场动态时频信号和现场泄漏声光报警信息；二个以上报警定位仪构成一个分布式超声阵列，上位机采用方位角交汇方法实现现场天然气泄漏点空间坐标定位。
本发明的另一个技术方案是：一种监测天然气泄漏的报警定位方法，它使用如上所述的报警定位仪，包括以下步骤：
A.三维泄漏报警单元在微处理器单元控制下，动态统计监测现场正常工作环境下的各频段的噪声能量谱，自动统计现场工作环境的噪声均值、最大值、标准差特征，不断学习和更新现场背景频带谱曲线和噪声特征作为报警阈值的基准，使得报警定位仪能够自适应不同的噪声工作环境。
B.将每次快拍数据FFT转换到频域分析，将10kHz至100kHz划分成若干频带，计算生成各个频带内的信号SPL能量谱；当天然气泄漏发生导致频带谱能量增加时，每当判别出有一定数量的相邻频带谱能量值80％超过报警阈值3dB，即半功率点时，该快拍时刻即作为泄漏发生的一个疑似时刻。
C.为了防止现场环境下非稳定强干扰引发误报，在频域分析泄漏基础上进行时域分析；每次快拍各相邻频带谱超过报警阈值3dB判别结果按时序排队放入一个报警缓冲环，当报警缓冲环的时序值大于等于预定的报警时延阈值时，将该时频分析结果作为一个报警参考。
D.为了防止监测空间外强干扰引发误报，在频域、时域分析泄漏基础上进行空间域分析；首先把满足报警条件的时域、频域分析交集结果作为泄漏参考条件，然后根据现场监测对象的空间方位范围设定最大监测空间张角∠β，基于3组超声拾音器和音频拾音器不同空间位置进行天然气泄漏源的定向定位测算，得到泄漏点方位角若天然气泄漏源方位角/>小于最大监测空间张角∠β，则最终确定识别为发生了一次天然气泄漏事件，同时给出泄漏点的准确方位。
多机模式下，可进一步实现泄漏点的空间坐标精确定位：
F.上位机使用二个以上报警定位仪的方位角进行空间交汇定位给出泄漏点准确坐标位置。
在上述方案的基础上，进一步的，步骤D中泄漏点方位角的计算方法为：
a.对三阵元组e1、e2、e3进行n个快拍采样，将三阵元快拍采样数据傅里叶变换到频域；
b.测算出每个阵元的快拍初相谱，将两两阵元之间e12、e13、e23的独立快拍初相谱相减，求解出相位差谱；
c.用相位差谱除以该10-100kHz监测频段内频率序列2πfk，计算出快拍时差谱；
d.三阵元组e1、e2、e3的坐标值为x1、x2、x3、y1、y2、y3，τ12k是波到达阵元e1和阵元e2的时差谱，τ13k是波到达阵元e1和阵元e3的时差谱，利用下式计算三阵元的方位角谱αk：
将三阵元方位角谱αk放入方位角环形缓冲区，对方位角谱αk进行频次谱估计，给出该报警定位仪至泄漏点的方位角
有益效果：1、本发明采用声波至超声波宽频域在线实时监测天然气站场、阀室及天然气场所内各种设施的微小泄漏特征，监测范围宽，微小泄漏能早期发现，且不受泄漏气体浓度及气体分散或风向改变的影响，可以适用于任何带压设施的天然气泄漏报警监测。
2、本发明采用在线动态自学习方法，可以自适应各天然气场所里各种正常运行设施产生背景噪声的影响，提高了系统适用的鲁棒性；基于三角形三阵元组采用频域、时域和空域三维融合处理方法，提高了系统抗噪声抗干扰的能力，减少了误报。
3、本发明采用三角形三阵元组快拍相位差谱测算、时差谱计算、方位角谱估计和方位角空间交汇定位的综合处理方法，单机可以自动测算天然气泄漏点的准确方位、多机自动确定泄漏点的准确空间坐标位置，不但克服了单频超声无法坐标定位问题和检测泄漏特征单一问题，而且扩展为360°全向监测空间，同时检测距离更远。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明中超声波发生器与三阵元组布置位置示意图；
图3为本发明所述报警处理方法的流程图；
图4为本发明所述定位处理方法的流程图；
图5为本发明在天然气站场中进行泄漏监测定位的原理图。
图中：1-超声拾音器、2-音频拾音器、3-超声波发生器、4-调理电路单元、5-间歇同步高速A/D转换采集单元、6-微处理器单元、7-三维泄漏报警单元、8-阵元相差定位单元、9-UI参数设置/显示单元、10-RS485接口、11-上位机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的多阵元超声监测的泄漏报警定位监测仪的具体实施方式进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：本实施例提供一种用于对天然气站场、阀室以及天然气工艺管道场所的工艺管道、法兰密封圈、工艺阀门、螺纹和多层套筒等等工艺设施进行全天候实时在线泄漏监测的报警定位仪。
参见附图1，一种监测天然气泄漏的超声三阵元报警定位仪，它包括：超声拾音器1和音频拾音器2，超声波发生器3，调理电路单元4，间歇同步式高速A/D转换采集单元5，微处理器单元6，三维泄漏报警单元7，阵元相差定位单元8以及UI参数设置/显示单元9。
参见附图2，超声拾音器1和音频拾音器2用于监测天然气泄漏的超声波信号和声波信号；超声拾音器1监测的泄漏超声波的频率范围为20kHz～100kHz，音频拾音器2监测的泄漏音频声波的频率范围为10kHz～20kHz；3组超声拾音器1和音频拾音器2组成三阵元组，三阵元组呈三角形分布。
超声波发生器3用于对报警定位仪的工作状态进行自检；超声波发生器3设置在三阵元组所在圆周的顶部，与三阵元组呈正菱形分布。
调理电路单元4包括：三通道多频点滤波放大器和驱动电路；三通道多频点滤波放大器接收从超声拾音器1和音频拾音器2传来的信号，对超声和音频的宽频连续信号实时进行多频点滤波放大，并转变成离散谱，以减弱栅栏效应和谱间干扰对后续处理的影响；驱动电路用于驱动超声波发生器3，定时发出40kHz频率超声波自检信号。
间歇同步高速A/D转换采集单元5用于接收来自调理电路单元4的信号，对其进行三通道的同步间歇式高速采样，并进行模数转换。优选的，间歇同步高速A/D转换采集单元5采用0.3秒间歇快拍、400KHz高速采样率，以减轻了数据处理负担。
微处理器单元6为该报警定位仪的控制处理核心，控制间歇同步高速A/D转换采集单元5的间歇快拍采样和高速数模转换，控制三维泄漏报警单元7进行不间断地智能自学习获得正常工作环境下现场背景噪声能量值，同时对三通道数字信号进行频域、时域、空域三维融合分析，判断现场是否存在天然气泄漏、是否应该声光报警，控制阵元相差定位单元8对三通道的n个快拍进行相位差谱测算和时差谱计算，对n个快拍方位角进行谱估计，计算出泄漏点的方位角。
UI参数设置/显示单元9在微处理器单元6控制下，用于人机交互，进行系统初始参数的设置，自检结果的显示，工作状态的显示，设置和显示工作模式。
实施例2：在实施例1的基础上，进一步的，上述报警定位仪还包括：RS485接口10，上位机11；上位机11仅在多机模式下配置，单机模式下不配置。
RS485接口10受微处理器单元6，执行Modbus通信协议，用于在多报警定位仪模式下，天然气站场/阀室内现场监测的报警定位仪与远距离值班室内上位机11的信号和数据传输。
在多机模式下，上位机11至少远程管理二个以上现场报警定位仪。现场各个报警定位仪远程向上位机上传的现场检测的时频信号、天然气泄漏报警信息和泄漏点方位。上位机11可以实时显示各个现场报警定位仪监测的天然气现场动态时频信号和现场泄漏声光报警信息；二个以上报警定位仪构成一个分布式超声阵列，上位机11采用方位角交汇方法实现现场天然气泄漏点空间坐标定位。
实施例3：一种监测天然气泄漏的报警定位方法，它使用如实施例1、2所述的报警定位仪，包括以下步骤：
参见附图3，A.三维泄漏报警单元7在微处理器单元6控制下，动态统计监测现场正常工作环境下的各频段的噪声能量谱，自动统计现场工作环境的噪声均值、最大值、标准差特征，不断学习和更新现场背景频带谱曲线和噪声特征作为报警阈值的基准，使得报警定位仪能够自适应不同的噪声工作环境。
B.将每次快拍数据FFT转换到频域分析，将10kHz至100kHz划分成若干频带，计算生成各个频带内的信号SPL能量谱；当天然气泄漏发生导致频带谱能量增加时，每当判别出有一定数量的相邻频带谱能量值80％超过报警阈值3dB，即半功率点时，该快拍时刻即作为泄漏发生的一个疑似时刻。
C.为了防止现场环境下非稳定强干扰引发误报，在频域分析泄漏基础上进行时域分析；每次快拍各相邻频带谱超过报警阈值3dB判别结果按时序排队放入一个报警缓冲环，当报警缓冲环的时序值大于等于预定的报警时延阈值时，将该时频分析结果作为一个报警参考。
D.为了防止监测空间外强干扰引发误报，在频域、时域分析泄漏基础上进行空间域分析；首先把满足报警条件的时域、频域分析交集结果作为泄漏参考条件，然后根据现场监测对象的空间方位范围设定最大监测空间张角∠β，基于3组超声拾音器1和音频拾音器2不同空间位置进行天然气泄漏源的定向定位测算，得到泄漏点方位角若天然气泄漏源方位角/>小于最大监测空间张角∠β，则最终确定识别为发生了一个天然气泄漏事件，同时给出泄漏点的准确方位。
参见附图4，本例中，泄漏点方位角的计算方法为：
a.对三阵元组e1、e2、e3进行n个快拍采样，将三阵元快拍采样数据傅里叶变换到频域。
b.测算出每个阵元的快拍初相谱，将两两阵元之间e12、e13、e23的独立快拍初相谱相减，求解出相位差谱。
c.用相位差谱除以该10-100kHz监测频段内频率序列2πfk，计算出快拍时差谱。
d.三阵元组e1、e2、e3的坐标值为x1、x2、x3、y1、y2、y3，τ12k是波到达阵元e1和阵元e2的时差谱，τ13k是波到达阵元e1和阵元e3的时差谱，利用下式计算三阵元的方位角谱αk：
将三阵元方位角谱αk放入方位角环形缓冲区，对方位角谱αk进行频次谱估计，给出该报警定位仪至泄漏点的方位角
多机模式下，可进一步实现泄漏点的空间坐标定位：
参见附图5，F.上位机11使用二个以上报警定位仪的方位角进行空间交汇定位给出泄漏点准确坐标位置。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种监测天然气泄漏的超声三阵元报警定位仪，其特征在于，它包括：超声拾音器(1)和音频拾音器(2)，超声波发生器(3)，调理电路单元(4)，间歇同步式高速A/D转换采集单元(5)，微处理器单元(6)，三维泄漏报警单元(7)，阵元相差定位单元(8)以及UI参数设置/显示单元(9)；
所述超声拾音器(1)和音频拾音器(2)用于监测天然气泄漏的超声波信号和声波信号；所述超声拾音器(1)监测的泄漏超声波的频率范围为20kHz～100kHz，所述音频拾音器(2)监测的泄漏音频声波的频率范围为10kHz～20kHz；3组所述超声拾音器(1)和所述音频拾音器(2)组成三阵元组，所述三阵元组呈三角形分布；
所述超声波发生器(3)用于对所述报警定位仪的工作状态进行自检；所述超声波发生器(3)设置在所述三阵元组所在圆周的顶部，与所述三阵元组呈正菱形分布；
所述调理电路单元(4)包括：三通道多频点滤波放大器和驱动电路；所述三通道多频点滤波放大器接收从所述超声拾音器(1)和所述音频拾音器(2)传来的信号，对超声和音频的宽频连续信号实时进行多频点滤波放大，并转变成离散谱，以减弱栅栏效应和谱间干扰对后续处理的影响；所述驱动电路用于驱动所述超声波发生器(3)，定时发出40kHz频率超声波自检信号；
所述间歇同步高速A/D转换采集单元(5)用于接收来自所述调理电路单元(4)的信号，对其进行三通道的同步间歇式高速采样，并进行模数转换；
所述微处理器单元(6)控制所述间歇同步高速A/D转换采集单元(5)的间歇快拍采样和高速数模转换，控制所述三维泄漏报警单元(7)进行不间断地智能自学习获得正常工作环境下现场背景噪声能量值，同时对三通道数字信号进行频域、时域、空域三维融合分析，判断现场是否存在天然气泄漏、是否应该声光报警，控制所述阵元相差定位单元(8)对三通道的n个快拍进行相位差谱测算和时差谱计算，对n个快拍方位角进行谱估计，计算出泄漏点的方位角；
所述UI参数设置/显示单元(9)在所述微处理器单元(6)控制下，用于人机交互，进行系统初始参数的设置，自检结果的显示，工作状态的显示，设置和显示工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种监测天然气泄漏的超声三阵元报警定位仪，其特征是：所述间歇同步高速A/D转换采集单元(5)采用0.3秒间歇快拍、400KHz高速采样率。
3.根据权利要求1或2所述的一种监测天然气泄漏的超声三阵元报警定位仪，其特征是：所述报警定位仪还包括：RS485接口(10)，上位机(11)；
所述RS485接口(10)执行Modbus通信协议，用于在多个报警定位仪模式下，天然气站场/阀室内现场监测的报警定位仪与远距离值班室内所述上位机(11)的信号和数据传输。
4.一种监测天然气泄漏的报警定位方法，其特征在于，它使用如权利要求1、2或3所述的报警定位仪，包括以下步骤：
A.所述三维泄漏报警单元(7)在所述微处理器单元(6)控制下，动态统计监测现场正常工作环境下的各频段的噪声能量谱，自动统计现场工作环境的噪声均值、最大值、标准差特征，不断学习和更新现场背景频带谱曲线和噪声特征作为报警阈值的基准，使得所述报警定位仪能够自适应不同的噪声工作环境；
B.将每次快拍数据FFT转换到频域分析，将10kHz至100kHz划分成若干频带，计算生成各个频带内的信号SPL能量谱；当天然气泄漏发生导致频带谱能量增加时，每当判别出有一定数量的相邻频带谱能量值80％超过报警阈值3dB，即半功率点时，该快拍时刻即作为泄漏发生的一个疑似时刻；
C.在频域分析泄漏基础上进行时域分析；每次快拍各相邻频带谱超过报警阈值3dB判别结果按时序排队放入一个报警缓冲环，当报警缓冲环的时序值大于等于预定的报警时延阈值时，将该时频分析结果作为一个报警参考；
D.在频域、时域分析泄漏基础上进行空间域分析；首先把满足报警条件的时域、频域分析交集结果作为泄漏参考条件，然后根据现场监测对象的空间方位范围设定最大监测空间张角∠β，基于3组所述超声拾音器(1)和所述音频拾音器(2)不同空间位置进行天然气泄漏源的定向定位测算，得到泄漏点方位角若天然气泄漏源方位角/>小于最大监测空间张角∠β，则最终确定识别为发生了一次天然气泄漏事件，同时给出泄漏点的准确方位。
5.如权利要求4所述的一种监测天然气泄漏的报警定位方法，其特征在于，所述步骤D中泄漏点方位角的计算方法为：
a.对三阵元组e1、e2、e3进行n个快拍采样，将三阵元快拍采样数据傅里叶变换到频域；
b.测算出每个阵元的快拍初相谱，将两两阵元之间e12、e13、e23的独立快拍初相谱相减，求解出相位差谱；
c.用相位差谱除以该10-100kHz监测频段内频率序列2πfk，计算出快拍时差谱；
d.三阵元组e1、e2、e3的坐标值为x1、x2、x3、y1、y2、y3，τ12k是波到达阵元e1和阵元e2的时差谱，τ13k是波到达阵元e1和阵元e3的时差谱，利用下式计算三阵元的方位角谱αk：
将三阵元方位角谱αk放入方位角环形缓冲区，对方位角谱αk进行频次谱估计，给出该报警定位仪至泄漏点的方位角
6.一种监测天然气泄漏的报警定位方法，其特征在于，它使用如权利要求3所述的报警定位仪，以及如权利要求5所述的报警处理方法，在所述步骤D之后，还包括：
F.所述上位机(11)使用二个以上所述报警定位仪的方位角进行空间交汇定位给出泄漏点准确坐标位置。
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