CN114923136A - 一种多阵列管道泄漏定位方法与装置 - Google Patents

一种多阵列管道泄漏定位方法与装置 Download PDF

Info

Publication number
CN114923136A
CN114923136A CN202210828863.2A CN202210828863A CN114923136A CN 114923136 A CN114923136 A CN 114923136A CN 202210828863 A CN202210828863 A CN 202210828863A CN 114923136 A CN114923136 A CN 114923136A
Authority
CN
China
Prior art keywords
array
pipeline
directional
sound
pickup device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210828863.2A
Other languages
English (en)
Inventor
桂生
廉国选
王坤
周雨轩
刘雨欣
余芬芬
王晓波
刘胜军
赵中
余达炉
陈志彪
徐志广
曹翠清
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui Yunqing Technology Industry Development Co ltd
Original Assignee
Anhui Yunqing Technology Industry Development Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui Yunqing Technology Industry Development Co ltd filed Critical Anhui Yunqing Technology Industry Development Co ltd
Priority to CN202210828863.2A priority Critical patent/CN114923136A/zh
Publication of CN114923136A publication Critical patent/CN114923136A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D5/00—Protection or supervision of installations
    • F17D5/02—Preventing, monitoring, or locating loss
    • F17D5/06—Preventing, monitoring, or locating loss using electric or acoustic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/02—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
    • G01M3/04—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point
    • G01M3/24—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point using infrasonic, sonic, or ultrasonic vibrations
    • G01M3/243—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point using infrasonic, sonic, or ultrasonic vibrations for pipes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Examining Or Testing Airtightness (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多阵列管道泄漏定位方法，该方法包含如下步骤：S1：在待检测管道附近的空间布置基于MEMS麦克风设计的定向拾音装置阵列；S2：获取定向拾音装置阵列采集的超声信号；S3：通过互相关公式求取阵列中每个换能器信号到达延时；S4：根据S3中所给出的阵列之间超声信号的延迟，根据阵列几何形状以及相关算法确定泄漏点方位角和距离实现管道泄漏点定位。上述方法中，通过多个定向拾音装置建立的阵列获取同一泄露位置声音信号的信息，采用时间延迟计算准确实现了泄露位置的确定，该方法通过延时差实现位置反演的定位方法实时性强、误报率低。

Description

一种多阵列管道泄漏定位方法与装置
技术领域
本申请技术属于仪器设备故障分析、检测领域，特别是利用超声学信息实现管道泄漏定位检测、分析的方法，即一种多阵列管道泄漏定位方法与装置。
背景技术
管道运输在工业生产、日常生活中有着广泛的应用，特别是伴随着能源的存储与使用，其更会涉及到能源的可持续发展以及相应的安全保护。合理的资源利用，有利于资源的再生及可持续发展；缜密的安保措施，有利于保护资源不被窃取和浪费。但随着油气管道运输的发展，管线的数量越来越多，管道的铺设距离也变得越来越长，伴随着服役期的增长，加上环境和人为破坏，运行磨损，设备老化，腐蚀等多种因素，导致管道泄漏时有发生，进而引发许多重大泄漏事故。我国大部分管道目前已运行超过40年，数据显示，美国、欧洲、我国的管道事故率分别为0.42/百公里，0.46/百公里和0.50/百公里。我国运行超过20年的油气管道已经占总管道数的60%。随着油气管道的控制日益复杂，运行形势复杂多变，应该把管道运输的安全保障问题视为首要任务。
在特殊要求的管道运输中，例如，在高压管道和其他加压系统管道中的气体泄漏是高压管道领域所面临的特殊挑战。这些高压管道所泄露的气体会产生高度的局部积聚，这些积聚会迅速从泄漏点散逸，造成高压泄露甚至爆炸的危险。传统的方法是通过气体感知传感器的方式进行监测，这种方法的局限性在于，传感器监测范围有限，太远泄漏的气体无法被传感器感知，在有外界气流变换的环境中（例如风），泄漏的气体散逸，无法被传感器探测到。与传统技术不同，超声管道泄漏监测不取决于气体浓度，其工作原理是通过布置超声探测阵列换能器，监测管道泄漏时产生的超声，响应管道的泄漏，同时通过超声快速定位的方法迅速定位到响应的泄漏点。但现有超波法的定位精度仍受到制约，其影响因素包括:1) 延时估计误差，该误差主要由背景噪声干扰引起，且估计精度进一步受延时估计函数自身性能的制约;2)理论速度误差，管道环境复杂且管内气体介质处于流动状态，使用理论速度模型估计泄漏信号波速将不可避免的产生误差。高分辨率谱估计法通过求解空间信号相关矩阵来估计声源位置，理论上可实现超分辨率估计，但较多的阵元数目需求和混响干扰限制了其实际应用效果。常用的波束形成法包括自适应波束形成和常规波束形成。自适应波束形成旁瓣小且自适应能力强，然而其实际应用效果受限于对信源先验知识的要求。常规波束形成则直接以延时补偿的方式进行阵列输出加权，因此无需信源与噪声的先验知识。常规波束形成中，除自谱的互功率谱波束形成(以下简称互功率谱波束形成)可抑制不相关噪声，具有一定的抗噪声干扰能力。
基于上述现有的超声管道泄漏检测方法中存在缺陷和误差，有必要在对该检测方法予以改进和突破以实现复杂工况下管道泄漏的准确、可靠定位。
发明内容
本申请的技术方案就是针对现有超声管道检测中存在的定位精度差，灵敏度、智能化程度低的缺陷提出了一种多阵列管道泄漏定位方法与装置，其通过布置超声探测阵列换能器，监测管道泄漏时产生的超声响应管道的泄漏，通过超声快速定位的方法迅速定位到泄漏点。
实现上述发明目的本申请采用的技术方案为：一种多阵列管道泄漏定位方法，该方法包含如下步骤：
S1：在待检测定位的管道空间布置基于MEMS麦克风设计的定向拾音装置阵列；
S2：获取定向拾音装置阵列采集的声音信号；
S3：通过互相关公式求取每个阵列中每个换能器信号到达延时
Figure 994565DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 256919DEST_PATH_IMAGE002
上式中
Figure 187966DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 902866DEST_PATH_IMAGE004
分别对应相应的信号，E为互相关算子；
S4：根据S3中所给出的阵列之间超声信号的延迟，定位管道泄漏点方位角和距离；目标定位的计算公式如下：
Figure 30091DEST_PATH_IMAGE005
上式的（
Figure 740427DEST_PATH_IMAGE006
）表示目标信号所在的坐标参数，（
Figure 107954DEST_PATH_IMAGE007
），（
Figure 270951DEST_PATH_IMAGE008
）是定向拾音装 置i与j的各自坐标，c是声波传播速度，τ ij 代表声波传输至定向拾音装置i与j的时间差，n个 拾音装置的阵列将会产生n-1个时间延迟，d表示拾音装置i与j之间的距离，θ表示i，j拾音 装置与泄露点连线所形成的方位角。
上述方法中，通过多个定向拾音装置建立的阵列获取同一泄露位置声音信号的信息，采用时间延迟计算准确实现了泄露位置的确定，该通过延时差实现位置反演的方法实时性强、误报率低。
上述方法中所使用的定向拾音装置为MEMS换能器，MEMS换能器具备体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。
为了增加声音新型号的传输效率和数据保真度，上述步骤中的声音信号通过udp协议获取。
在整个阵列中，如果采用不同性能的拾音装置将导致接收声音信号的差异，从而影响延时的准确计算，因此阵列中的每个装置为具有相同性能的全方向传声器，并且该阵列通常采用64个定向拾音装置矩阵式排布构成。
本申请还提出了一种利用前述的多阵列管道泄漏定位方法所构建的多阵列管道泄漏定位装置，该装置包括在待检测定位的管道空间布置的基于MEMS麦克风设计的定向拾音装置阵列，该阵列的每个定向拾音装置均与一个可编程FPGA芯片连接实现数据的传输，该FPGA芯片通过网络与终端电脑实现数据交换。这里的定向拾音装置阵列为MEMS换能器，其采集声音信号并将其转换为电信号发送至可编程FPGA芯片。该可编程FPGA芯片接收各MEMS换能器信后计算其信号的延迟定位管道泄漏点。
本申请利用定向拾音装置阵列对管道泄露声音信号进行采集，通过各拾音装置的声音信号延迟反演计算确定泄露点，高效、准确的实现了管道泄露位置的定位。
附图说明
图1本申请所提出的多阵列管道泄漏定位装置结构示意图；
图2本申请所述定位方法中实现快速定位反演计算示意图；
图3为本申请具体使用的“+”字形MEMS换能器阵列实物照片；
图4为本申请具体使用的“[”形MEMS换能器阵列实物照片；
图5本申请的定位方法实际应用效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明申请所提出的方法做进一步的说明。如图1所示为本申请所提出的多阵列管道泄漏定位装置结构示意图，如图1。该装置包括在待检测定位的管道空间布置的基于MEMS麦克风设计的定向拾音装置阵列，该阵列的每个定向拾音装置均与一个可编程FPGA芯片连接实现数据的传输，该FPGA芯片通过网络与终端电脑实现数据交换。这里的定向拾音装置阵列为MEMS换能器，其采集声音信号并将其转换为电信号发送至可编程FPGA芯片。该可编程FPGA芯片接收各MEMS换能器信后计算其信号的延迟定位管道泄漏点。利用上述定位装置进行定位的方法步骤为：
S1：在待检测定位的管道空间布置基于MEMS麦克风设计的定向拾音装置阵列；
S2：获取定向拾音装置阵列采集的声音信号；
S3：通过互相关公式求取每个阵列中每个换能器信号到达延时
Figure 483758DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 314180DEST_PATH_IMAGE002
上式中
Figure 321450DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 237322DEST_PATH_IMAGE004
分别对应相应的信号，E为互相关算子；
S4：根据S3中所给出的阵列之间超声信号的延迟，定位管道泄漏点；目标定位的计算公式如下：
Figure 253820DEST_PATH_IMAGE009
，
上式的（
Figure 938748DEST_PATH_IMAGE006
）表示目标信号所在的坐标参数，（
Figure 241553DEST_PATH_IMAGE007
），（
Figure 395454DEST_PATH_IMAGE008
）是定向拾音装 置i与j的各自坐标，c是声波传播速度，τ ij 代表声波传输至定向拾音装置i与j的时间差，n个 拾音装置的阵列将会产生n-1个时间延迟。如图2为利用延时信号反演计算泄露位置的示意 图。如图所示，M点为泄露点，其距离三个拾音装置A（a,0,0），B(0,b,0)，C(0,0,0)的距离分 别为L1，L2，L3，由于泄露点发出声音距离各个装置的距离不同，根据声音传播的速度和延 时即可通过上述公式计算获得M点的坐标位置；图3和图4给出了分别给出了利用8个拾音装 置和9个拾音装置排布成“+”字形和“[”形阵列的图形，其实际定位效果如图5。
上述方法中，通过多个定向拾音装置建立的阵列获取同一泄露位置声音信号的信息，采用时间延迟计算准确实现了泄露位置的确定，该通过延时差实现位置反演的方法实时性强、误报率低。
上述方法中所使用的定向拾音装置为MEMS换能器，MEMS换能器具备体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。
为了增加声音新型号的传输效率和数据保真度，上述步骤中的声音信号通过udp协议获取。
在整个阵列中，如果采用不同性能的拾音装置将导致接收声音信号的差异，从而影响延时的准确计算，因此阵列中的每个装置为具有相同性能的全方向传声器，并且该阵列通常采用64个定向拾音装置矩阵式排布构成。
以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多阵列管道泄漏定位方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：
S1：在待检测定位的管道空间布置基于MEMS麦克风设计的定向拾音装置阵列；
S2：获取定向拾音装置阵列采集的声音信号；
S3：通过互相关公式求取每个阵列中每个换能器信号到达延时
Figure 432012DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 705867DEST_PATH_IMAGE002
上式中
Figure 54940DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 289613DEST_PATH_IMAGE004
分别对应相应的信号，E为互相关算子；
S4：根据S3中所给出的阵列之间超声信号的延迟，确定方位角和距离，定位管道泄漏点；目标定位的计算公式如下：
Figure 631601DEST_PATH_IMAGE005
上式的（
Figure 510695DEST_PATH_IMAGE006
）表示目标信号所在的坐标参数，（
Figure 420883DEST_PATH_IMAGE007
），（
Figure 533064DEST_PATH_IMAGE008
）是定向拾音装置i与j的各自坐标，c是声波传播速度，τ ij 代表声波传输至定向拾音装置i与j的时间差，n个拾音装置的阵列将会产生n-1个时间延迟,d表示拾音装置i与j之间的距离，θ表示i，j拾音装置与泄露点连线所形成的方位角。
2.根据权利要求1所述的多阵列管道泄漏定位方法，其特征在于，S1中的定向拾音装置为MEMS换能器。
3.根据权利要求1所述的多阵列管道泄漏定位方法，其特征在于，S2中的声音信号通过udp协议获取。
4.根据权利要求1所述的多阵列管道泄漏定位方法，其特征在于，拾音装置阵列中的每个装置为具有相同性能的全方向传声器。
5.根据权利要求1所述的多阵列管道泄漏定位方法，其特征在于，拾音装置阵列由64个定向拾音装置构成。
6.一种利用权利要求 1-5 任意一项权利要求的多阵列管道泄漏定位方法所构建的多阵列管道泄漏定位装置，其特征在于，该装置包括在待检测定位的管道空间布置的基于MEMS麦克风设计的定向拾音装置阵列，该阵列的每个定向拾音装置均与一个可编程FPGA芯片连接实现数据的传输，该FPGA芯片通过网络与终端电脑实现数据交换。
7.根据权利要求6所述的多阵列管道泄漏定位装置，其特征在于，定向拾音装置阵列为MEMS换能器，其采集声音信号并将其转换为电信号发送至可编程FPGA芯片。
8.根据权利要求7所述的多阵列管道泄漏定位装置，其特征在于，可编程FPGA芯片接收各MEMS换能器信后，通过计算其信号的延迟定位管道泄漏点。
CN202210828863.2A 2022-07-15 2022-07-15 一种多阵列管道泄漏定位方法与装置 Pending CN114923136A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210828863.2A CN114923136A (zh) 2022-07-15 2022-07-15 一种多阵列管道泄漏定位方法与装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210828863.2A CN114923136A (zh) 2022-07-15 2022-07-15 一种多阵列管道泄漏定位方法与装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114923136A true CN114923136A (zh) 2022-08-19

Family

ID=82815817

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210828863.2A Pending CN114923136A (zh) 2022-07-15 2022-07-15 一种多阵列管道泄漏定位方法与装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114923136A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116557797A (zh) * 2023-07-12 2023-08-08 上海电机学院 长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201611299U (zh) * 2010-02-05 2010-10-20 华北电力大学 一种电站锅炉承压管泄漏点定位装置
US20160302006A1 (en) * 2011-06-11 2016-10-13 Clearone, Inc. Conferencing Apparatus that combines a Beamforming Microphone Array with an Acoustic Echo Canceller
CN106296854A (zh) * 2016-08-12 2017-01-04 上海电机学院 一种基于麦克风阵列的课堂点名系统
CN109788382A (zh) * 2019-01-25 2019-05-21 深圳大学 一种分布式麦克风阵列拾音系统及方法
US20190313187A1 (en) * 2018-04-05 2019-10-10 Holger Stoltze Controlling the direction of a microphone array beam in a video conferencing system
CN111025233A (zh) * 2019-11-13 2020-04-17 阿里巴巴集团控股有限公司 一种声源方向定位方法和装置、语音设备和系统
CN111044973A (zh) * 2019-12-31 2020-04-21 山东大学 一种用于麦克风方阵的mvdr目标声源定向拾音方法
CN111918169A (zh) * 2020-06-28 2020-11-10 佳禾智能科技股份有限公司 基于多波束成形麦克风阵列的会议音箱及其声波拾取方法
CN113889136A (zh) * 2021-09-14 2022-01-04 中科上声（苏州）电子有限公司 一种基于麦克风阵列的拾音方法、拾音装置及存储介质

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201611299U (zh) * 2010-02-05 2010-10-20 华北电力大学 一种电站锅炉承压管泄漏点定位装置
US20160302006A1 (en) * 2011-06-11 2016-10-13 Clearone, Inc. Conferencing Apparatus that combines a Beamforming Microphone Array with an Acoustic Echo Canceller
CN106296854A (zh) * 2016-08-12 2017-01-04 上海电机学院 一种基于麦克风阵列的课堂点名系统
US20190313187A1 (en) * 2018-04-05 2019-10-10 Holger Stoltze Controlling the direction of a microphone array beam in a video conferencing system
CN109788382A (zh) * 2019-01-25 2019-05-21 深圳大学 一种分布式麦克风阵列拾音系统及方法
CN111025233A (zh) * 2019-11-13 2020-04-17 阿里巴巴集团控股有限公司 一种声源方向定位方法和装置、语音设备和系统
CN111044973A (zh) * 2019-12-31 2020-04-21 山东大学 一种用于麦克风方阵的mvdr目标声源定向拾音方法
CN111918169A (zh) * 2020-06-28 2020-11-10 佳禾智能科技股份有限公司 基于多波束成形麦克风阵列的会议音箱及其声波拾取方法
CN113889136A (zh) * 2021-09-14 2022-01-04 中科上声（苏州）电子有限公司 一种基于麦克风阵列的拾音方法、拾音装置及存储介质

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116557797A (zh) * 2023-07-12 2023-08-08 上海电机学院 长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统
CN116557797B (zh) * 2023-07-12 2023-09-26 上海电机学院 长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4780285B2 (ja) 津波情報提供方法および津波情報提供システム
CN101968162B (zh) 基于负压波和声波协同检测的管道泄漏定位系统及方法
Meribout A wireless sensor network-based infrastructure for real-time and online pipeline inspection
KR100877914B1 (ko) 음원위치-지연시간차 상관관계 역 추정에 의한 음원 방향검지 시스템 및 방법
CN105798917A (zh) 一种社区安全报警方法及巡逻机器人
CN110161458B (zh) 一种基于光纤迈克尔逊干涉仪的声源定位系统
CN114923136A (zh) 一种多阵列管道泄漏定位方法与装置
CN109901112A (zh) 基于多通道声获取的声学同时定位与建图方法
CN108194841A (zh) 一种有源校准式供水管道泄漏相关检测方法及装置
CN101876698B (zh) 电站锅炉“四管”泄漏声测精确定位系统
CN101865361A (zh) 双基阵数据融合电站锅炉四管泄漏被动声测定位方法
Hossain et al. Three dimensional (3D) underwater sensor network architectures for intruder localization using EM wave
US20210080340A1 (en) Method and apparatus for determining the sensitivity of an acoustic detector device
Hosseini New hybrid RSS-based localization mechanism for underwater wireless sensor networks
CN210141480U (zh) 一种天然气管网泄漏监测系统
CN103852746A (zh) 枪声定位定向装置
US20220412835A1 (en) Ultrasonic detector
Klungmontri et al. Underwater positioning systems for underwater robots using trilateration algorithm
Gao et al. Underwater acoustic positioning system based on propagation loss and sensor network
CN112857699A (zh) 一种声矢量传感器的长输油气管道泄漏检测和定位方法
GB2488657A (en) Detecting and locating impacts on pipelines using acoustic emission (AE) sensors
CN113126029A (zh) 适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法
US4955001A (en) Areal sound intensity receiver
JPH11248591A (ja) 漏水位置検出方法および漏水位置検出装置
CN104142488A (zh) 水下认知声学网络中一种针对海洋哺乳动物的定位方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20220819