CN115265962B - 一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，该方法为：在开放空间内以待检测的氢设备为中心划定检测空间，并在检测空间的中心设置风速仪，在检测空间设置两层以上多维信息采集单元，并将风速仪和多维信息采集单元采集到的信息传输给采集控制终端，采集控制终端根据接收到的信息计算得到初始氢泄漏空间d及初始氢泄漏空间d内每一部件的泄漏概率，按照泄漏概率由大到小进行精确检测，即可快速定位氢泄漏的部件位置。本发明通过对氢泄漏现象进行多维度信息采集、向量计算、分析，以不受自然风影响的信息向量为主，以受自然风影响的信息向量为辅，实现开放空间的氢泄漏检测及定位。
Description
技术领域
本发明属于氢能源装备技术领域，具体涉及一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法。
背景技术
氢气由于其燃烧效率高、产物无污染等优点，在航空、动力、及机车燃料电池等领域得到广泛的应用。但氢气分子很小，储存和使用的过程中易泄漏，由于氢气不利于呼吸，无色无味，且着火点仅为585℃，空气中含量在4％～75％范围内，遇明火即发生爆炸，故在氢气的使用中必须对其泄漏进行监测及定位。在制氢工厂、氢液化工厂、加氢站等实际使用中，氢气通常通过燃料管线、阀门、高压储罐上的一些微小裂缝泄漏。在氢气泄漏检测及定位方面，多采用氢气浓度传感器，其存在稳定性差、灵敏度及输出信号弱、使用寿命短以及高成本等问题；而受自然风等因素的影响，开放空间的氢泄漏检测及定位的难度也会指数上升。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，通过对氢泄漏现象进行多维度信息采集、向量计算、分析，以不受自然风影响的信息向量为主，以受自然风影响的信息向量为辅，实现开放空间的氢泄漏检测及定位。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，该方法为：在开放空间内以待检测的氢设备为中心划定检测空间，并在检测空间的中心设置风速仪，在检测空间设置两层以上多维信息采集单元，并将风速仪和多维信息采集单元采集到的信息传输给采集控制终端，采集控制终端根据接收到的信息计算得到初始氢泄漏空间d及初始氢泄漏空间d内每一部件的泄漏概率，按照泄漏概率由大到小进行精确检测，即可快速定位氢泄漏的部件位置。
进一步的，该方法的具体步骤如下：
步骤一，以待检测的氢设备为中心，在开放空间内划定检测空间；并将检测空间坐标化，获取位于检测空间内所有部件的三维坐标；对所有部件按泄漏概率的大小依次对每个部件设置初始泄漏概率a；在检测空间的中心设置风速仪；在检测空间内由内向外设置两层以上的多维信息采集单元；所述多维信息采集单元由两个以上不同类的传感器组成；
步骤二，当氢泄漏发生后，设置的多维信息采集单元采集到感应信号，并将所述感应信号发送给采集控制终端，采集控制终端根据感应信号计算得到氢泄漏前后的信号差值，同时风速仪读取当前风速，并发送给采集控制终端，采集控制终端根据当前风速计算得到当前风速对应的向量；
所述采集控制终端将两层以上的多维信息采集单元的内、外层的同类的传感器的空间坐标相减，并结合所述当前风速对应的向量，计算得到由外向内的空间向量；根据所述信号差值由大到小的顺序对所有空间向量设置概率b；
步骤三，采集控制终端计算同类传感器信号的所有向量的两两交点，采用基于概率b的聚类算法获取一系列关联度最强的向量交点集c、剔除无效点，将上述向量交点集c作为氢泄漏位置的空间边界，确定初始氢泄漏空间d；
步骤四，采集控制终端采用基于概率a的聚类算法对向量交点集c进行二次聚类计算，获取关联度更高的多个向量点集e，将多个向量点集e与初始氢泄漏空间d内的部件进行空间坐标关联，即可获得初始氢泄漏空间d内每一部件的泄漏概率；
步骤五，按照泄漏概率由大到小进行精确检测，即可快速定位氢泄漏的部件位置，泄漏部件定位完成后，提升其初始泄漏概率a，并返回步骤一，准备下次氢泄漏的检测及定位。
进一步的，所述多维信息采集单元包含两类，一类是不受自然风因素影响的传感器，另一类是受自然风影响的传感器；
在计算空间向量时，对于不受自然风因素影响的传感器，令空间向量为空间向量A，空间向量A可直接使用；对于受自然风影响的传感器，令空间向量为空间向量B，空间向量B需进行分解，所述分解为该空间向量B减去当前风速对应的向量，进而得到氢泄漏作用后的空间向量C。
进一步的，所述不受自然风因素影响的传感器包括：声音传感器和光学传感器；所述受自然风影响的传感器包括：氢浓度传感器和温度传感器。
进一步的，两层以上的多维信息采集单元的布置方式为内疏外密式。
进一步的，两层以上的多维信息采集单元中的同类传感器在内外层的位置相互对应。
进一步的，外层的多维信息采集单元可根据风速仪获取的风向信息，进行调整布置，可将外层多维信息采集单元的位于原上风向的传感器转移布置在下风向的位置。
进一步的，外层的多维信息采集单元可根据风速仪获取的风向信息，进行调整布置，可将外层多维信息采集单元的位于原上风向的传感器转移布置在下风向的位置。
进一步的，所述采集控制终端可采用多维信息采集单元的传感器及风速仪内置的微处理器或便携式电脑，且微处理器或便携式电脑可连接报警器，对氢泄漏进行实时预警。
进一步的，所述泄漏检测及定位方法还可用于天然气、甲烷或其他有毒有害气体。
有益效果：
(1)本发明针对复杂开放空间的氢泄漏检测及定位问题，以空间向量作为定位参考，采用概率赋值和聚类算法相结合的方式，可自动化进行检测及定位，有效减少人为计算和判断失误，并可给出每一部件泄漏的置信度，并对部件泄漏概率进行更新，充分利用历史数据来提升系统检测及定位的效率。
(2)本发明从氢泄漏多维信息特性出发，综合使用不受自然风影响和受自然风影响的两类传感器，方便传感器布置；且通过风速仪数据进行向量分解，最大程度地去除自然风对氢泄漏定位的影响，总体准确性较高，且在保证检测及定位精度的同时，大幅降低系统的经济成本。
(3)本发明的两层以上的多维信息采集单元中的同类传感器在内外层的位置需要有相互对应关系，以实现所有部件的定位，同时，内层的传感器位置能够实现易泄漏位置的节点化、关联化，减少复杂氢设备的传感器布置难度。
(4)本发明的外层的多维信息采集单元可根据风速仪获取的风向信息，进行调整布置，即可将外层多维信息采集单元的位于原上风向的传感器转移布置在下风向的位置，以提升氢泄漏检测及定位的准确性。
(5)本发明的采集控制终端可采用多维信息采集单元的传感器及风速仪内置的微处理器或便携式电脑，且微处理器或便携式电脑可连接报警器，以实现氢泄漏的实时预警。
(6)本发明的泄漏检测及定位方法除可用于氢气外，还可用于天然气、甲烷等有毒有害气体，扩大了应用范围。
附图说明
图1是一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法的流程图；
图2是一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法的所有部件、风速仪及传感器的布局示意图；
其中，1-液氢储罐，2-液氢泵，3-汽化器，4-储氢气囊，5-氢液化冷箱，6-管路，7-风速仪，8-内层多维传感单元，9-外层多维传感单元，10-传感器，11-采集控制终端。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，所述开放空间内放置有待检测的氢设备，参见附图2，具体放置有液氢储罐1、液氢泵2、汽化器3、储氢气囊4及氢液化冷箱5；且所述液氢储罐1、液氢泵2、汽化器3、储氢气囊4及氢液化冷箱5通过依次通过管路6连接，并串联为一个封闭回路；
参见附图1，该方法的具体步骤为：
步骤1，以所有的待检测的氢设备，即所述封闭回路为中心，在开放空间内划定一定大小的检测空间，所述检测空间包络所有的氢设备；然后将检测空间坐标化，获取位于检测空间内所有位置和氢设备及其附件(以下将氢设备及其附件均简称为部件)的三维坐标；所述附件包括管路6、阀门、法兰等；
步骤2，对所有部件进行分类，按泄漏概率的大小依次对每个部件设置初始泄漏概率a，例如，阀门、法兰等连接处的概率应大于管路等部件的泄漏概率；
步骤3，通过数值模拟获取每个部件的氢扩散规律，基于所述氢扩散规律，在检测空间内由内向外设置两层以上的多维信息采集单元，多维信息采集单元包含两类，一类是不受自然风等因素影响的声音传感器、光学传感器等，另一类是受自然风影响的氢浓度传感器、温度传感器等；本实施例采用两层多维信息采集单元，分别为内层多维传感单元8和外层多维传感单元9，内层多维传感单元8包括四个传感器，外层多维传感单元9包括八个传感器；内层多维传感单元8的四个传感器设置在所述封闭回路的中心，外层多维传感单元9的八个传感器包围在所述封闭回路的外围；
然后在检测空间的中心设置一个风速仪7，在本实施例中，风速仪7设置在内层多维传感单元8的四个传感器的中心；
步骤4，当氢泄漏发生后，设置的多维信息采集单元会迅速采集到感应信号，并将所述感应信号发送给数据采集系统，即图2中的采集控制终端11，采集控制终端11根据感应信号计算得到氢泄漏前后的信号差值，同时风速仪7读取当前风速，并发送给采集控制终端11，采集控制终端11根据当前风速计算得到当前风速对应的向量；
步骤5，采集控制终端11将两层以上的多维信息采集单元的内、外层的同类的传感器的空间坐标相减(内层的一个传感器可以和外层同类的多个传感器相减)，得到由外向内的空间向量；对于不受自然风等因素影响的声音传感器、光学传感器等，令空间向量为空间向量A，空间向量A可直接使用；对于受自然风影响的氢浓度传感器、温度传感器等，令空间向量为空间向量B，空间向量B需进行分解，所述分解为该空间向量B减去当前风速对应的向量，进而得到氢泄漏作用后的空间向量C；根据信息波动差(即上位所述信号差值)由大到小的顺序对所有空间向量设置概率b；所述信息波动差为传感器测量的当前时刻与上一时刻的差值，如氢浓度传感器的信息波动差为氢浓度差值，光学传感器的信息波动差为光学信号差值；
步骤6，采集控制终端11计算同类传感器信号的所有向量的两两交点，采用基于概率b的聚类算法获取一系列关联度最强的向量交点集c、剔除无效点，将上述向量交点集c作为氢泄漏位置的空间边界，确定初始氢泄漏空间d；
步骤7，采集控制终端11采用基于概率a的聚类算法对向量交点集c进行二次聚类计算，获取关联度更高的多个向量点集e，将多个向量点集e与初始氢泄漏空间d内的部件进行空间坐标关联，即可获得初始氢泄漏空间d内每一部件(即所有氢设备及其附件)的泄漏概率；
步骤8，按照泄漏概率由大到小进行精确检测，即可快速定位氢泄漏的部件位置，泄漏部件定位完成后，提升其初始泄漏概率a，并返回步骤1，准备下次氢泄漏的检测及定位。
其中，优选的，两层以上的多维信息采集单元的布置方式为内疏外密式，即在氢设备组成的封闭回路的内部的关键点设置较少的传感器，在外围设置相对较多的传感器；
优选的，两层以上的多维信息采集单元中的同类传感器在内外层的位置需要有相互对应关系，以实现所有部件的定位，同时，内层的传感器位置需实现易泄漏位置的节点化、关联化，减少复杂氢设备的传感器布置难度；
优选的，两层以上的多维信息采集单元的布置呈现空间立体分布；
优选的，外层的多维信息采集单元可根据风速仪7获取的风向信息，进行调整布置，即可将外层多维信息采集单元的位于原上风向的传感器转移布置在下风向的位置，以提升氢泄漏检测及定位的准确性；
优选的，所述采集控制终端11可采用多维信息采集单元的传感器及风速仪内置的计算程序的微处理器或便携式电脑，多维信息采集单元的传感器及风速仪的数据采集、向量计算、向量分解、聚类分析均可通过内置计算程序的微处理器或便携式电脑实现；
优选的，微处理器或便携式电脑可连接报警器，实现氢泄漏的实时预警；
优选的，上述泄漏检测及定位方法除可用于氢气外，还可用于天然气、甲烷等有毒有害气体。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，其特征在于，该方法为：在开放空间内以待检测的氢设备为中心划定检测空间，并在检测空间的中心设置风速仪，在检测空间设置两层以上多维信息采集单元，并将风速仪和多维信息采集单元采集到的信息传输给采集控制终端，采集控制终端根据接收到的信息计算得到初始氢泄漏空间d及初始氢泄漏空间d内每一部件的泄漏概率，按照泄漏概率由大到小进行精确检测，即可快速定位氢泄漏的部件位置；
该方法的具体步骤如下：
步骤一，以待检测的氢设备为中心，在开放空间内划定检测空间；并将检测空间坐标化，获取位于检测空间内所有部件的三维坐标；对所有部件按泄漏概率的大小依次对每个部件设置初始泄漏概率a；在检测空间的中心设置风速仪；在检测空间内由内向外设置两层以上的多维信息采集单元；所述多维信息采集单元由两个以上不同类的传感器组成；所述多维信息采集单元包含两类，一类是不受自然风因素影响的传感器，另一类是受自然风影响的传感器；
步骤二，当氢泄漏发生后，设置的多维信息采集单元采集到感应信号，并将所述感应信号发送给采集控制终端，采集控制终端根据感应信号计算得到氢泄漏前后的信号差值，同时风速仪读取当前风速，并发送给采集控制终端，采集控制终端根据当前风速计算得到当前风速对应的向量；
所述采集控制终端将两层以上的多维信息采集单元的内、外层的同类的传感器的空间坐标相减，并结合所述当前风速对应的向量，计算得到由外向内的空间向量；根据所述信号差值由大到小的顺序对所有空间向量设置概率b；
步骤三，采集控制终端计算同类传感器信号的所有向量的两两交点，采用基于概率b的聚类算法获取一系列关联度最强的向量交点集c、剔除无效点，将上述向量交点集c作为氢泄漏位置的空间边界，确定初始氢泄漏空间d；
步骤四，采集控制终端采用基于概率a的聚类算法对向量交点集c进行二次聚类计算，获取关联度更高的多个向量点集e，将多个向量点集e与初始氢泄漏空间d内的部件进行空间坐标关联，即可获得初始氢泄漏空间d内每一部件的泄漏概率；
步骤五，按照泄漏概率由大到小进行精确检测，即可快速定位氢泄漏的部件位置，泄漏部件定位完成后，提升其初始泄漏概率a，并返回步骤一，准备下次氢泄漏的检测及定位。
2.如权利要求1所述的一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，其特征在于，
在计算空间向量时，对于不受自然风因素影响的传感器，令空间向量为空间向量A，空间向量A可直接使用；对于受自然风影响的传感器，令空间向量为空间向量B，空间向量B需进行分解，所述分解为该空间向量B减去当前风速对应的向量，进而得到氢泄漏作用后的空间向量C。
3.如权利要求2所述的一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，其特征在于，所述不受自然风因素影响的传感器包括：声音传感器和光学传感器；所述受自然风影响的传感器包括：氢浓度传感器和温度传感器。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，其特征在于，两层以上的多维信息采集单元的布置方式为内疏外密式。
5.如权利要求1-3任一项所述的一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，其特征在于，两层以上的多维信息采集单元中的同类传感器在内外层的位置相互对应。
6.如权利要求1-3任一项所述的一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，其特征在于，外层的多维信息采集单元可根据风速仪获取的风向信息，进行调整布置，可将外层多维信息采集单元的位于原上风向的传感器转移布置在下风向的位置。
7.如权利要求1-3任一项所述的一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，其特征在于，外层的多维信息采集单元可根据风速仪获取的风向信息，进行调整布置，可将外层多维信息采集单元的位于原上风向的传感器转移布置在下风向的位置。
8.如权利要求1-3任一项所述的一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，其特征在于，所述采集控制终端可采用多维信息采集单元的传感器及风速仪内置的微处理器或便携式电脑，且微处理器或便携式电脑可连接报警器，对氢泄漏进行实时预警。
9.如权利要求1-3任一项所述的一种用于开放空间的氢泄漏检测及定位方法，其特征在于，所述泄漏检测及定位方法还可用于天然气、甲烷或其他有毒有害气体。
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