CN116557797A - 长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统 - Google Patents
长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116557797A CN116557797A CN202310847959.8A CN202310847959A CN116557797A CN 116557797 A CN116557797 A CN 116557797A CN 202310847959 A CN202310847959 A CN 202310847959A CN 116557797 A CN116557797 A CN 116557797A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- leakage
- pipeline
- signal
- microphone arrays
- time
- 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.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 68
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 74
- 238000003491 array Methods 0.000 claims abstract description 62
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims abstract description 28
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 15
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 13
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 9
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 8
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 claims description 6
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 4
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 3
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 2
- -1 Polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Examining Or Testing Airtightness (AREA)
Abstract
本发明公开一种长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统，所述方法包括：在管道上布设若干组麦克风阵列，沿管道铺设长度方向逐渐减小相邻麦克风阵列间距，非均匀布设麦克风阵列，并对每组麦克风阵列进行编号记录和标定其空间位置；麦克风阵列采集声波信号，通过调理电路进行多通道并行相位误差优化处理；对采集的声波信号进行监测判断，对泄漏声波信号进行提取及信号增强；采用波束形成方法对单个站点的阵列信号进行增强，分别计算出相邻站点各自的泄漏信号发生时刻值并相减得到第一个时间差值，利用互相关法同时结合第一个时间差值搜索优化得出相邻的两个站点收到泄漏信号发生时刻的第二个时间差值，完成泄漏点沿管道方向的定位。
Description
技术领域
本发明涉及气体输送技术领域，特别地，涉及一种长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统。
背景技术
目前聚乙烯PE管被广泛应用在气体输送领域，管道泄漏是影响管网安全性的主要因素。特别是在地下隧道的通风管道中，管网某处发生管道泄漏问题后，若是不能得到及时解决，将会耗费大量人力物力，甚至威胁生命。地下隧道的通风管道通常为一种长距离、2~12kPa超低压、0.8米大直径的气体管道。
目前针对气体管道泄漏的检测，大多采用负压波、次声波、超声波或化学检测方法。以上方法中，化学检测方法一般适用于天然气、石油气等具有明显化学特性的气体输送管道；负压波法一般只适用于液体管道，次声波法一般适用于运行压力较高的气体/液体管道，这些方法都需要在管道上开孔或利用已有压力传感器的位置加装三通安装湿式传感器用于监听管道内部介质传播的泄漏物理变化，且监听信号强度与管道横截面积成反比。由于超低压气体管道发生泄漏时，管内压力变化极其微弱，且几乎检测不到次声波与超声波，前述方法均无法适用于超低压气体管道的泄漏检测。
目前针对长距离超低压大直径气体管道的泄漏检测，虽然有使用麦克风阵列进行泄漏信号采集的方案，但随着管道沿长度方向的铺设，泄漏声波检测采集难度加大、误差易被放大，进而会造成定位精度的下降，还有待改进的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统，能应用于长距离超低压大直径气体管道的泄漏检测，误差小、精度高。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法，包括以下步骤：
在管道上布设若干组麦克风阵列，沿管道铺设长度方向逐渐减小相邻麦克风阵列间距，非均匀布设麦克风阵列，并对每组麦克风阵列进行编号记录和标定其空间位置；
麦克风阵列采集声波信号，通过调理电路进行多通道并行相位误差优化处理；
对采集的声波信号进行监测判断，对泄漏声波信号进行提取及信号增强；
采用波束形成方法对单个站点的阵列信号进行增强，根据各站点的泄漏信号强度得到泄漏点所在监测管段的相邻两站点，先分别计算出相邻站点各自的泄漏信号发生时刻值并相减得到第一个时间差值，同时找到各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间，再根据所在区间并利用互相关法同时结合第一个时间差值搜索优化得出相邻的两个站点收到泄漏信号发生时刻的第二个时间差，根据第二时间差值求出泄漏点相对于所在监控管段的偏移位置，结合监控管段标定的位置信息最终完成泄漏点沿管道方向的定位。
优选地，所述在管道上布设若干组麦克风阵列，沿管道铺设长度方向逐渐减小相邻麦克风阵列间距，非均匀布设麦克风阵列，并对每组麦克风阵列进行编号记录的步骤中，所述每组麦克风阵列包括若干麦克风阵元，所述若干麦克风阵元等间距沿周向环设于管道。
优选地，所述在管道上布设若干组麦克风阵列，沿管道铺设长度方向逐渐减小相邻麦克风阵列间距，非均匀布设麦克风阵列，并对每组麦克风阵列进行编号记录的步骤中，所述管道拐角处的麦克风阵列布设方法为：对大于90°弧度的拐角，拐角处按照直线情况下的间距布设麦克风阵列；对小于等于90°弧度拐角，在拐角处呈扇形布设若干组麦克风阵列。
优选地，所述麦克风阵列采集声波信号，通过调理电路进行多通道并行相位误差优化处理的步骤中，所述调理电路依次包括有前级放大模块、增益控制模块、带通滤波模块、后级放大模块、模数转换模块，通过调理电路对泄漏声波信号进行信号采集及处理。
优选地，所述对采集的声波信号进行监测判断的步骤具体包括：
设定监测周期及监测频率，持续进行泄漏声波信号的监测；
当监测周期内监测到泄漏声波信号次数不小于监测频率对应次数，则判读为发生真实泄漏，反之判断为短时噪声。
优选地，所述对泄漏声波信号进行提取及信号增强的步骤具体包括：
对泄漏声波信号的原始信号经过经验模态分解法分解为不同本征模态分量；
对不同本征模态分量进行小波阈值降噪；
使用降噪后的本征模态分量重构信号，得到降噪后的泄漏声波信号。
优选地，所述采用波束形成方法对单个站点的阵列信号进行增强，根据各站点的泄漏信号强度得到泄漏点所在监测管段的相邻两站点，先分别计算出相邻站点各自的泄漏信号发生时刻值并相减得到第一个时间差值的步骤具体包括：
给每一个麦克风阵列编号，每一个麦克风阵列视为一个站点；
测量并标注每一个站点的位置；
将单一站点的每个阵元接收到的信号采用波束形成方法，得到增强的输出信号；
根据信号的强度，找到泄漏点所在的监测管段的相邻两站点；
根据此相邻两站点的增强信号分别计算得到各自的泄漏信号发生的上升时沿；
采用多终端时间同步机制，计算相邻两站点各自泄漏信号发生的上升时沿对应的绝对时间，两者相减得到第一时间差值。
优选地，所述采用波束形成方法对单个站点的阵列信号进行增强，根据各站点的泄漏信号强度得到泄漏点所在监测管段的相邻两站点，找到各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间，再根据所在区间并利用互相关法同时结合第一个时间差值搜索优化得出相邻的两个站点收到泄漏信号发生时刻的第二个时间差，根据第二时间差值求出泄漏点相对于所在监控管段的偏移位置，结合监控管段标定的位置信息最终完成泄漏点沿管道方向的定位的步骤具体包括：
采用多终端时间同步机制分别找出泄漏点所在相邻站点接收到泄漏信号时的上升时沿，同时找到各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间；
若泄漏点所在相邻站点是和/>，分别用等长的时间窗/>和/>标识站点和/>的上升时沿的范围，然后在同一时刻的绝对秒数上对齐时间窗/>和/>；
将时间窗和/>各自约定在各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间范围内。若时间窗/>和/>对应的信号分别为/>和y，对它们进行傅里叶变换，得到它们的频域表示/>和Y(f)，计算互相关函数/>，其中，conj表示共轭复数；
对进行逆傅里叶变换，得到时域的互相关函数/>。根据第一时间差值/>，搜索得到/>的峰值，得到它对应的样本差值l_max；
计算得到第二时间差为：/>，其中，/>是信号的采样率；
根据下面监测管段内的二元一次方程：
，其中/>表示相邻站点之间的距离，/>表示声音在空气中传播的声速。
可以求出和/>，分别乘以/>得到泄漏点分别距离/>和/>的相对距离；
假设相对管道起始点的距离为/>，即可完成泄漏点沿管道方向的定位的具体计算方法：/>。进一步地，本发明还提供一种长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位系统，所述系统包括沿管道周向环设于管道进行声波信号采集的麦克风阵列、对采集的声波信号进行模拟信号处理的调理电路、对采集的声波信号进行监测判断的监测判断模块、根据声波信号进行泄漏点定位计算的处理模块，所述麦克风阵列沿管道长度方向呈间距逐渐减小非均匀布设，每一麦克风阵列包括有若干等间距环设于管道的麦克风阵元。
优选地，所述调理电路依次包括有前级放大模块、增益控制模块、带通滤波模块、后级放大模块、模数转换模块，通过调理电路对泄漏声波信号进行信号采集及处理。与现有技术相比，本发明通过间距逐渐减小非均匀布设麦克风阵列的设置，根据管道内压力随长度的变化进行布设的调整，能对长距离处的管道泄漏保持良好的检测；并且，通过调理电路对采集的多通道声波信号进行模拟域的放大、滤波等并行处理和采集，可以减少多通道模拟数据间的相位误差，从而提高多通道的相位一致性，有效提高了定位精度；对泄漏声波信号与短时噪声信号进行区分，可降低误判率；对泄漏声波进行提取并进行增强。采用波束形成方法对单个站点的阵列信号进行增强，根据各站点的泄漏信号强度得到泄漏点所在监测管段的相邻两站点，先分别计算出相邻站点各自的泄漏信号发生时刻值并相减得到第一个时间差值，再根据所在区间并利用互相关法同时结合第一个时间差值搜索优化得出相邻的两个站点收到泄漏信号发生时刻的更为精确的第二个时间差，根据第二时间差值求出泄漏点相对于所在监控管段的偏移位置，结合监控管段标定的位置信息最终完成泄漏点沿管道方向的定位，能减小检测误差，提高定位计算精度。
附图说明
图1为本发明长距离大直径管道泄漏无损检测定位方法的流程框图；
图2为本发明一组麦克风阵列的布设示意图；
图3为小拐角处麦克风阵列的布设示意图；
图4为大拐角处麦克风阵列的布设示意图；
图5为EMD与小波阈值降噪流程图；
图6为EMD算法的流程示意图；
图7为大直径管道麦克风阵列各阵元间存在相位差示意图；
图8为在同一时刻的绝对秒数上对齐时间窗和/>。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1：在管道上布设若干组麦克风阵列，沿管道铺设长度方向逐渐减小相邻麦克风阵列间距，非均匀布设麦克风阵列，并对每组麦克风阵列进行编号记录和标定其空间位置；
在管道上布设若干组麦克风阵列，沿管道铺设长度方向逐渐减小相邻麦克风阵列间距，非均匀布设麦克风阵列，并对每组麦克风阵列进行编号记录，具体地，泄漏声压与管内压力成正比，管内压力随管道长度线性衰减，因此沿着管道非均匀布设麦克风阵列。在管道起始段，比如管内压力12kPa，相邻麦克风阵列间距可设置为30米；逐步减小相邻麦克风阵列间距；在结束段，比如管内压力2kPa，相邻麦克风阵列间距可设置为10米，泄漏声压随距离衰减表（3mm泄漏孔径）具体如下表1所示：
| 45.29米 | 28.93米 | 12.91米 | 2.00米 | |
| 2.0kPa | 2526.763Hz | 2400.445 Hz | 5713.595 Hz | 18209.56 Hz |
| 5.0kPa | 2739.986 Hz | 3589.9 Hz | 11095.16 Hz | 21623.47 Hz |
| 7.5kPa | 2769.914 Hz | 4268.293 Hz | 12295.19 Hz | 24477.86 Hz |
| 10.0kPa | 2603.46 Hz | 6073.288 Hz | 14874.99 Hz | 26065.24 Hz |
表1
如图2所示，每组麦克风阵列的若干麦克风阵元等间距沿周向环设于管道上，根据管道直径大小等距环绕管道布置麦克风阵元若干，形成一组圆形麦克风阵列，比如管道直径0.8米，每组麦克风阵列可布设16个麦克风阵元。
另外，隧道空间通常比较狭窄，偶尔伴随拐角，在管道拐角处的麦克风阵列可做以下布设：
如图3所示，沿着隧道壁安装管道时，对大于90°弧度的拐角，拐角处按照直线情况下的间距布设麦克风阵列。
如图4所示，对小于等于90°弧度拐角，管道便会随墙体走向被铺设为两段不同方向，拐角处易形成监测死角，在拐角处呈扇形布设若干组麦克风阵列，保证拐角处的泄漏监测。
S2：麦克风阵列采集声波信号，通过调理电路进行多通道并行相位误差优化处理；
具体地，调理电路依次包括有前级放大模块、增益控制模块、带通滤波模块、后级放大模块、模数转换模块，通过调理电路对泄漏声波信号进行信号采集及处理。调理电路中所有滤波电路中使用的电容均采用精度等级为D-005级即0.5%的零温漂高精密NPO/C0G电容，所有电阻均采用精度为0.01%的低温漂高精密电阻；或者调理电路直接采用模拟前端AFE专用芯片，从而有效保证模拟调理电路的多通道一致性，减小系统误差。
S3：对采集的声波信号进行监测判断，对泄漏声波信号进行提取及信号增强；
具体地，所述对采集的声波信号进行的监测判断具体为：
设定监测周期及监测频率，持续进行泄漏声波信号的监测；
当监测周期内监测到泄漏声波信号次数不小于监测频率对应次数，则判读为发生真实泄漏，反之则判断为短时噪声。
管道发生泄漏时，产生持续泄漏声波信号直至泄漏被修复，泄漏声波信号频谱图呈阶跃状，并且泄漏声波信号在短时间内趋于平稳。利用这一特性，能降低将某种频率接近泄漏声波信号的短时噪声误判为泄漏声的几率，从而提高对泄漏检测的准确率。
例如，一般泄漏声波信号包含高频和低频信号，设计一个FIR数字高通滤波器，设置一个截止频率，以隧洞内日常1kHz左右的低频环境噪声为截止频率，监测频率高于100Hz的声波信号的持续时长，即若监测到高频信号则为有输出。假定监测每隔20秒是否有输出，若2分钟即6次的监测结果都为有输出，则代表此时为真实泄漏声波信号；若为短时噪声，持续时间小于2分钟，则监测结果为有输出的次数小于6。
如图5所示，对泄漏声波信号的提取及信号增强具体为：对泄漏声波信号的原始信号经过经验模态分解法分解为各不同本征模态分量；对各不同本征模态分量进行小波阈值降噪；使用降噪后的本征模态分量重构信号，得到降噪后的泄漏声波信号。
采用经验模态分解EMD方法对信号进行分解得到不同本征模态分量IMF，如图6所示，原始信号进行EMD分解的步骤如下：
找出原始信号中所有的局部极大值点和局部极小值点，极大值点的上包络线和极小值点的下包络线/> ，可以采用三次样条插值拟合出来。
对拟合出上下包络曲线求平均值，设为：
从原信号中减去上下包络线的均值/>，相当于去均值化，即
根据固有模态函数的定义判断是否为固有模态函数；若是，分解结束；若否，将/>作为新的原始信号/>，重复上述步骤，直到获得满足固有模态函数条件的第一个IMF分量。
设经过k次筛选后的得到的信号为，则
判断是否满足IMF条件的判别公式
为筛选结束的判别阈值，取0.2~0.3；当/><设定值，筛选停止，否则重复上述步骤，直到/><设定值。
得到第一个本征模态分量，为原始信号/>中频率最高的分量。
去除原始信号中频率最高成分后得到剩余信号，即
将剩余信号作为原始信号/>，继续分解以获得余下的各阶IMF分量/> i=2,3,4,……,n，直至残余函数/>成单调趋势或是一个常量。
……
经过一系列分解，得到一组涵盖原始信号从高频到低频的不同频率IMF分量，将原始信号/>表示成一系列分量/>和残余分量/>的线性组合，从而重构原信号/>：
进行EMD处理后，得到了原始信号的IMF，需对这些IMF进行筛选，也就是对原始信号进行降噪处理，使用筛选后的IMF进行信号重构，提高信噪比。
EMD法分解后的各IMF分量是按频率高低排列的，根据这个特点，提出时空滤波分析：若去掉若干个高频IMF分量再以其余分量重构信号，即相当于低通滤波；若去掉若干个低频IMF分量再以其余分量重构信号,即相当于高通滤波；若同时去掉若干个高频和低频IMF分量再以其余分最重构信号，即为带通滤波。
对某一信号进行小波变换的实质就是将信号在小波基空间里进行分解，小波基空间由预先选定的小波母函数经过伸缩和平移构成。对信号进行小波变换后，信号被分解为按频率高低排列的多尺度小波系数，即小波分解分量。先设置1个阈值，大于该阈值的小波系数被认为是由有用信号产生的，小于这个阈值的小波系数被认为是由噪声产生的，删除由噪声产生的系数然后进行小波重构就得到降噪后的信号。
现举一实例，本例中隧洞内空间狭小，平时无人走动，环境噪声仅有渗漏滴水声、巡检车辆停靠马达声等10kHz左右高频环境噪声以及平常较为安静时100Hz左右的低频环境噪声。在本例的管道参数下，经实地勘测，泄漏声波的频率含高频和低频成分，分布在300Hz，800Hz，1500Hz左右及6kHz~15kHz范围；且泄漏声波信号在突变后经过短时间趋于平稳，此特征也排除了石子掉落等突发短时噪声的影响。
在实际情况下，噪声信号中会包含泄漏声波信号，简单地使用原信号减去经EMD分解的一个或多个IMF进行带通滤波是一种粗糙的滤波方法，会将被减去的IMF中所包含有用信号随着噪声一起被滤掉。经过EMD分解后的噪声信号分布在各个IMF分量上，结合小波阈值降噪方法的特点，对各个IMF分量进行相同的小波阈值降噪，这一步也同时完成了对IMF分量的筛选，将降噪后的IMF分量再进行叠加后重构信号，就可以得出较理想的滤波效果，完成信号增强。
S4：采用波束形成方法对单个站点的阵列信号进行增强，根据各站点的泄漏信号强度得到泄漏点所在监测管段的相邻两站点，先分别计算出相邻站点各自的泄漏信号发生时刻值并相减得到第一个时间差值，同时找到各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间，再根据所在区间并利用互相关法同时结合第一个时间差值搜索优化得出相邻的两个站点收到泄漏信号发生时刻的第二个时间差，根据第二时间差值求出泄漏点相对于所在监控管段的偏移位置，结合监控管段标定的位置信息最终完成泄漏点沿管道方向的定位。
沿管道铺设长度方向逐渐减小相邻麦克风阵列间距，非均匀布设麦克风阵列；
给每一个麦克风阵列编号，每一个麦克风阵列视为一个站点；
测量并标注每一个站点的位置；
将单一站点的每个阵元接收到的信号采用波束形成方法，得到增强的输出信号；
根据信号的强度，找到泄漏点所在的监测管段的相邻两站点；
计算相邻站点各自的泄漏信号发生时刻值并相减得到第一个时间差值；
基于多终端时间同步机制，标定相邻两站点各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间；
根据标定的两个时间区间，利用互相关法同时结合第一个时间差值搜索优化得出相邻的两个站点收到泄漏信号发生时刻的更为精确的第二个时间差；
根据第二时间差值求出泄漏点相对于所在监控管段的偏移位置；
结合监控管段标定的位置信息，完成泄漏点沿管道方向的定位。
举一实例，例如管道直径0.8米，每组麦克风阵列布设16个阵元的结构对泄漏点的定位如下：泄漏发生时，16个麦克风都会接收到强弱不一的泄漏声波。麦克风阵元对应的信道间存在不可忽略的相位差，如图7所示。每个站点对多通道阵列信号采用波束形成方法得到增强的单一输出信号。根据每个站点的信号强度确定泄漏点所在的监测管段的相邻两站点。采用多终端时间同步机制，计算相邻两站点各自泄漏信号发生的上升时沿对应的绝对时间，两者相减得到第一时间差值。由于泄漏信号的信噪比有强有弱存在差异，导致在检测并计算泄漏信号发生的上升时沿的绝对时间存在较大误差，若直接用第一时间差值/>确定泄漏点位置，可能会引入较大的误差。
为了解决直接用确定泄漏点位置可能存在较大误差的问题，可以利用相邻两站点间的相对定位即采用互相关方法计算站点之间接收来波信号的时间差/>，完成泄漏点沿管道方向的定位。
采用多终端时间同步机制分别找出泄漏点所在相邻站点接收到泄漏信号时的上升时沿，同时找到各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间；
如图8所示，若泄漏点所在相邻站点是和/>，分别用等长的时间窗/>和/>标识站点/>和/>的上升时沿的范围，然后在同一时刻的绝对秒数上对齐时间窗/>和；
将时间窗和/>各自约定在各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间范围内。若时间窗/>和/>对应的信号分别为/>和y，对它们进行傅里叶变换，得到它们的频域表示/>和Y(f)，计算互相关函数/>，其中，conj表示共轭复数；
对进行逆傅里叶变换，得到时域的互相关函数/>。根据第一时间差值/>，搜索得到/>的峰值，得到它对应的样本差值l_max；
计算得到第二时间差为：/>，其中，/>是信号的采样率；
根据下面监测管段内的二元一次方程：
，其中/>表示相邻站点之间的距离，/>表示声音在空气中传播的声速。
可以求出和/>，分别乘以/>得到泄漏点分别距离/>和/>的相对距离；
假设相对管道起始点的距离为/>，即可完成泄漏点沿管道方向的定位的具体计算方法：/>。
由于隧洞较长，根据麦克风阵列的编号与麦克风阵列间距可求出泄漏点在整条管道线路上的绝对位置。
例如，麦克风阵列编号为n，当时麦克风阵列间距为u，那么泄漏点距离Y为：
等待S3中声波监测判断模块判断出声波信号为泄漏声波信号后，向管理员发送泄漏警报及泄漏位置；否则，判断为短时噪声时，不发送泄漏警报及泄漏位置。
进一步地，本发明还公开了一种长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位系统，包括有沿管道周向环设于管道进行声波信号采集的麦克风阵列、对采集的声波信号进行模拟信号处理的调理电路、对采集的声波信号进行监测判断的判断监测模块、根据声波信号进行泄漏点定位计算的处理模块。
所述麦克风阵列沿管道长度方向呈间距逐渐减小非均匀布设若干，每一麦克风阵列包括有若干等间距环设于管道的麦克风阵元。
所述调理电路依次包括有前级放大模块、增益控制模块、带通滤波模块、后级放大模块、模数转换模块，通过调理电路对泄漏声波信号进行信号采集及处理。
监测判断模块设定有监测周期及监测频率，持续进行泄漏声波信号的监测；当监测周期内监测到泄漏声波信号次数不小于监测频率对应次数，则判读为发生真实泄漏，反之判断为短时噪声。
管道发生泄漏时，产生持续泄漏声波信号直至泄漏被修复，泄漏声波信号频谱图呈阶跃状，并且泄漏声波信号在短时间内趋于平稳。利用这一特性，能降低将某种频率接近泄漏声波信号的短时噪声误判为泄漏声的几率，从而提高对泄漏检测的准确率。
所述处理模块根据声波信号进行泄漏点定位计算，计算采用波束形成方法对单个站点的阵列信号进行增强，根据各站点的泄漏信号强度得到泄漏点所在监测管段的相邻两站点，先分别计算出相邻站点各自的泄漏信号发生时刻值并相减得到第一个时间差值，同时找到各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间，再根据所在区间并利用互相关法同时结合第一个时间差值搜索优化得出相邻的两个站点收到泄漏信号发生时刻的更为精确的第二个时间差，根据第二时间差值求出泄漏点相对于所在监控管段的偏移位置，结合监控管段标定的位置信息最终完成泄漏点沿管道方向的定位。
综上所述，本发明通过间距逐渐减小非均匀布设麦克风阵列的设置，根据管道内压力随长度的变化进行布设的调整，能对长距离处的管道泄漏保持良好的检测；并且，通过调理电路进行多通道并行相位误差优化处理，减小电路的系统误差，避免误差放大影响定位精度；对泄漏声波信号与短时噪声信号进行区分，可降低误判率；对泄漏声波进行提取并进行增强，并采用波束形成方法对单个站点的阵列信号进行增强，根据各站点的泄漏信号强度得到泄漏点所在监测管段的相邻两站点，先分别计算出相邻站点各自的泄漏信号发生时刻值并相减得到第一个时间差值，同时找到各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间，再根据所在区间并利用互相关法同时结合第一个时间差值搜索优化得出相邻的两个站点收到泄漏信号发生时刻的更为精确的第二个时间差，根据第二时间差值求出泄漏点相对于所在监控管段的偏移位置，结合监控管段标定的位置信息最终完成泄漏点沿管道方向的定位，能减小检测误差，提高定位计算精度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在管道上布设若干组麦克风阵列，沿管道铺设长度方向逐渐减小相邻麦克风阵列间距，非均匀布设麦克风阵列，并对每组麦克风阵列进行编号记录和标定其空间位置；
麦克风阵列采集声波信号，通过调理电路进行多通道并行相位误差优化处理；
对采集的声波信号进行监测判断，对泄漏声波信号进行提取及信号增强；
采用波束形成方法对单个站点的阵列信号进行增强，根据各站点的泄漏信号强度得到泄漏点所在监测管段的相邻两站点，先分别计算出相邻站点各自的泄漏信号发生时刻值并相减得到第一个时间差值，同时找到各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间，再根据所在区间并利用互相关法同时结合第一个时间差值搜索优化得出相邻的两个站点收到泄漏信号发生时刻的第二个时间差，根据第二时间差值求出泄漏点相对于所在监控管段的偏移位置，结合监控管段标定的位置信息最终完成泄漏点沿管道方向的定位。
2.根据权利要求1所述的长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法，其特征在于，所述在管道上布设若干组麦克风阵列，根据管道内部运行压力值线性递减的规律，沿管道铺设长度方向逐渐减小相邻麦克风阵列间距，非均匀布设麦克风阵列，并对每组麦克风阵列进行编号记录和标定其空间位置的步骤中，所述每组麦克风阵列包括若干麦克风阵元，所述若干麦克风阵元等间距沿周向环设于管道。
3.根据权利要求1所述的长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法，其特征在于，所述在管道上布设若干组麦克风阵列，沿管道铺设长度方向逐渐减小相邻麦克风阵列间距，非均匀布设麦克风阵列，并对每组麦克风阵列进行编号记录的步骤中，所述管道拐角处的麦克风阵列布设方法为：对大于90°弧度的拐角，拐角处按照直线情况下的间距布设麦克风阵列；对小于等于90°弧度拐角，在拐角处呈扇形布设若干组麦克风阵列。
4.根据权利要求1所述的长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法，其特征在于，所述麦克风阵列采集声波信号，通过调理电路进行多通道并行相位误差优化处理的步骤中，所述调理电路依次包括有前级放大模块、增益控制模块、带通滤波模块、后级放大模块、模数转换模块，通过调理电路对泄漏声波信号进行信号采集及处理。
5.根据权利要求1所述的长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法，其特征在于，所述对采集的声波信号进行监测判断的步骤具体包括：
设定监测周期及监测频率，持续进行泄漏声波信号的监测；
当监测周期内监测到泄漏声波信号次数不小于监测频率对应次数，则判读为发生真实泄漏，反之判断为短时噪声。
6.根据权利要求1所述的长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法，其特征在于，所述对泄漏声波信号进行提取及信号增强的步骤具体包括：
对泄漏声波信号的原始信号经过经验模态分解法分解为不同的本征模态分量；
对不同的本征模态分量进行小波阈值降噪；
使用降噪后的本征模态分量重构信号，得到降噪后的泄漏声波信号。
7.根据权利要求1所述的长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法，其特征在于，所述采用波束形成方法对单个站点的阵列信号进行增强，根据各站点的泄漏信号强度得到泄漏点所在监测管段的相邻两站点，先分别计算出相邻站点各自的泄漏信号发生时刻值并相减得到第一个时间差值的步骤具体包括：
给每一个麦克风阵列编号，每一个麦克风阵列视为一个站点；
测量并标注每一个站点的位置；
将单一站点的每个阵元接收到的信号采用波束形成方法，得到增强的输出信号；
根据每个站点泄漏信号的强度，找到泄漏点所在的监测管段的相邻两站点；
根据此相邻两站点的增强信号分别计算得到各自的泄漏信号发生的上升时沿；
采用多终端时间同步机制，计算相邻两站点各自泄漏信号发生的上升时沿对应的绝对时间，两者相减得到第一时间差值。
8.根据权利要求7所述的长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法，所述采用波束形成方法对单个站点的阵列信号进行增强，根据各站点的泄漏信号强度得到泄漏点所在监测管段的相邻两站点，同时找到各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间，再根据所在区间并利用互相关法同时结合第一个时间差值搜索优化得出相邻的两个站点收到泄漏信号发生时刻的第二个时间差，根据第二时间差值求出泄漏点相对于所在监控管段的偏移位置，结合监控管段标定的位置信息最终完成泄漏点沿管道方向的定位的步骤具体包括：
采用多终端时间同步机制分别找出泄漏点所在相邻站点接收到泄漏信号时的上升时沿，同时找到各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间；
若泄漏点所在相邻站点是和/>，分别用等长的时间窗/>和/>标识站点/>和的上升时沿的范围，然后在同一时刻的绝对秒数上对齐时间窗/>和/>；
将时间窗和/>各自约定在各自的泄漏信号发生时刻所在时间区间范围内，若时间窗/>和/>对应的信号分别为/>和y，对它们进行傅里叶变换，得到它们的频域表示和Y(f)，计算互相关函数/>，其中，conj表示共轭复数；
对进行逆傅里叶变换，得到时域的互相关函数/>，根据第一时间差值，搜索得到/>的峰值，得到它对应的样本差值l_max；
计算得到第二时间差为：/>，其中，/>是信号的采样率；
根据下面监测管段内的二元一次方程：
，其中/>表示相邻站点之间的距离，/>表示声音在空气中传播的声速；
可以求出和/>，分别乘以/>得到泄漏点分别距离/>和/>的相对距离；
假设相对管道起始点的距离为/>，即可完成泄漏点沿管道方向的定位的具体计算方法：/>。
9.一种用于实现如权利要求1-8任一项所述方法的长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位系统，其特征在于，所述系统包括沿管道周向环设于管道进行声波信号采集的麦克风阵列、对采集的声波信号进行模拟信号处理的调理电路、对采集的声波信号进行监测判断的监测判断模块、根据声波信号进行泄漏点定位计算的处理模块，所述麦克风阵列沿管道长度方向呈间距逐渐减小非均匀布设，每一麦克风阵列包括有若干等间距环设于管道的麦克风阵元。
10.根据权利要求9所述的长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位系统，其特征在于，所述调理电路依次包括有前级放大模块、增益控制模块、带通滤波模块、后级放大模块、模数转换模块，通过调理电路对泄漏声波信号进行信号采集及处理。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310847959.8A CN116557797B (zh) | 2023-07-12 | 2023-07-12 | 长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310847959.8A CN116557797B (zh) | 2023-07-12 | 2023-07-12 | 长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116557797A true CN116557797A (zh) | 2023-08-08 |
| CN116557797B CN116557797B (zh) | 2023-09-26 |
Family
ID=87503961
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310847959.8A Active CN116557797B (zh) | 2023-07-12 | 2023-07-12 | 长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116557797B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117053129A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-14 | 山西瑞赛科环保科技有限公司 | 一种液氯的安全风险预警平台、方法、电子设备以及介质 |
Citations (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5974862A (en) * | 1997-05-06 | 1999-11-02 | Flow Metrix, Inc. | Method for detecting leaks in pipelines |
| JP2000055771A (ja) * | 1998-08-07 | 2000-02-25 | Babcock Hitachi Kk | 漏洩位置検出装置 |
| WO2001081885A1 (fr) * | 2000-04-26 | 2001-11-01 | Metravib R. D. S. | Procede et installation pour detecter et localiser une source de bruits et vibrations |
| CN1755342A (zh) * | 2004-09-28 | 2006-04-05 | 北京埃德尔黛威新技术有限公司 | 一种液体压力管道泄漏检测方法及装置 |
| US20070263849A1 (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Microsoft Corporation | Integration of a microphone array with acoustic echo cancellation and center clipping |
| CN103206616A (zh) * | 2013-03-21 | 2013-07-17 | 上海电机学院 | 发电厂管网泄漏定位检测系统及检测方法 |
| CN103939749A (zh) * | 2014-04-28 | 2014-07-23 | 东北大学 | 基于大数据的输油管网泄漏智能自适应监控系统及方法 |
| CN104535276A (zh) * | 2014-12-27 | 2015-04-22 | 东北电力大学 | 一种基于线阵的电站锅炉四管泄漏监测方法及系统 |
| WO2016048710A1 (en) * | 2014-09-24 | 2016-03-31 | General Monitors, Inc. | Directional ultrasonic gas leak detector |
| CN205919127U (zh) * | 2016-08-27 | 2017-02-01 | 哈尔滨理工大学 | 基于麦克风阵列的管道泄漏声学检测装置 |
| CN106704834A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-05-24 | 吉林省百瑞生科技发展有限公司 | 一种次声波监测和定位管道泄漏的装置及方法 |
| CN107620868A (zh) * | 2017-11-08 | 2018-01-23 | 山东省科学院激光研究所 | 管道泄漏检测方法及装置 |
| CN108386728A (zh) * | 2018-02-01 | 2018-08-10 | 常州常工电子科技股份有限公司 | 管道泄漏检测方法及系统 |
| RU2724589C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2020-06-25 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Газпром Трансгаз Краснодар" | Измерительная система для локализации утечек и анализа загазованности на участке газопровода |
| CN112992178A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-18 | 安徽绿舟科技有限公司 | 一种通过混沌声纹分析管道泄露的方法 |
| CN113110461A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-07-13 | 武汉理工大学 | 一种智能噪声识别的巡逻避障小车 |
| CN114923136A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-08-19 | 安徽云磬科技产业发展有限公司 | 一种多阵列管道泄漏定位方法与装置 |
| CN217273590U (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-23 | 四川奥凸环保科技有限公司 | 一种供水管道漏损探测装置 |
| CN115422693A (zh) * | 2022-11-02 | 2022-12-02 | 杭州兆华电子股份有限公司 | 一种区域管路漏损声波检测阵列的位置设计方法及系统 |
-
2023
- 2023-07-12 CN CN202310847959.8A patent/CN116557797B/zh active Active
Patent Citations (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5974862A (en) * | 1997-05-06 | 1999-11-02 | Flow Metrix, Inc. | Method for detecting leaks in pipelines |
| JP2000055771A (ja) * | 1998-08-07 | 2000-02-25 | Babcock Hitachi Kk | 漏洩位置検出装置 |
| WO2001081885A1 (fr) * | 2000-04-26 | 2001-11-01 | Metravib R. D. S. | Procede et installation pour detecter et localiser une source de bruits et vibrations |
| CN1755342A (zh) * | 2004-09-28 | 2006-04-05 | 北京埃德尔黛威新技术有限公司 | 一种液体压力管道泄漏检测方法及装置 |
| US20070263849A1 (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Microsoft Corporation | Integration of a microphone array with acoustic echo cancellation and center clipping |
| CN103206616A (zh) * | 2013-03-21 | 2013-07-17 | 上海电机学院 | 发电厂管网泄漏定位检测系统及检测方法 |
| CN103939749A (zh) * | 2014-04-28 | 2014-07-23 | 东北大学 | 基于大数据的输油管网泄漏智能自适应监控系统及方法 |
| WO2016048710A1 (en) * | 2014-09-24 | 2016-03-31 | General Monitors, Inc. | Directional ultrasonic gas leak detector |
| CN104535276A (zh) * | 2014-12-27 | 2015-04-22 | 东北电力大学 | 一种基于线阵的电站锅炉四管泄漏监测方法及系统 |
| CN205919127U (zh) * | 2016-08-27 | 2017-02-01 | 哈尔滨理工大学 | 基于麦克风阵列的管道泄漏声学检测装置 |
| CN106704834A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-05-24 | 吉林省百瑞生科技发展有限公司 | 一种次声波监测和定位管道泄漏的装置及方法 |
| CN107620868A (zh) * | 2017-11-08 | 2018-01-23 | 山东省科学院激光研究所 | 管道泄漏检测方法及装置 |
| CN108386728A (zh) * | 2018-02-01 | 2018-08-10 | 常州常工电子科技股份有限公司 | 管道泄漏检测方法及系统 |
| RU2724589C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2020-06-25 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Газпром Трансгаз Краснодар" | Измерительная система для локализации утечек и анализа загазованности на участке газопровода |
| CN112992178A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-18 | 安徽绿舟科技有限公司 | 一种通过混沌声纹分析管道泄露的方法 |
| CN113110461A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-07-13 | 武汉理工大学 | 一种智能噪声识别的巡逻避障小车 |
| CN217273590U (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-23 | 四川奥凸环保科技有限公司 | 一种供水管道漏损探测装置 |
| CN114923136A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-08-19 | 安徽云磬科技产业发展有限公司 | 一种多阵列管道泄漏定位方法与装置 |
| CN115422693A (zh) * | 2022-11-02 | 2022-12-02 | 杭州兆华电子股份有限公司 | 一种区域管路漏损声波检测阵列的位置设计方法及系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 胡杨曼曼: "次声波传感器及其泄漏检测系统研究", pages 452 - 454 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117053129A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-14 | 山西瑞赛科环保科技有限公司 | 一种液氯的安全风险预警平台、方法、电子设备以及介质 |
| CN117053129B (zh) * | 2023-10-12 | 2023-12-15 | 山西瑞赛科环保科技有限公司 | 一种液氯的安全风险预警平台、方法、电子设备以及介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116557797B (zh) | 2023-09-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110671613B (zh) | 基于改进经验小波变换的流体管道泄漏信号时延估计方法 | |
| CN116557797B (zh) | 长距离超低压大直径管道泄漏无损检测定位方法及系统 | |
| CN107461611B (zh) | 基于小波和emd重构相结合的泄漏检测方法及泄漏检测装置 | |
| CN104747912A (zh) | 流体输送管道泄漏声发射时频定位方法 | |
| US9057792B2 (en) | Device and method for detection of water flow in ground | |
| CN105953080B (zh) | 基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法 | |
| CN108872374B (zh) | 一种基于电磁涡流检测管道内外壁缺陷位置的装置 | |
| CN105203632A (zh) | 一种基于超声导波的管道缺陷类型判别方法 | |
| CN102537668B (zh) | 一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法 | |
| Ting et al. | Improvement of acoustic water leak detection based on dual tree complex wavelet transform-correlation method | |
| CN108344795B (zh) | 油气管道缺陷识别方法、装置及电子设备 | |
| CN105976381A (zh) | 一种基于远场涡流去伪峰的管道大面积缺陷定量评估方法 | |
| CN105909979B (zh) | 基于小波变换融合盲源分离算法的泄漏声波特征提取方法 | |
| Bakhti et al. | Experimental validation of hybrid EMD-correlation acoustic digital leaks detector in water distribution network system | |
| CN113759358A (zh) | 一种埋地管道的探测方法以及系统 | |
| CN102868403B (zh) | 一种测试模数转换器主要性能指标的测试系统 | |
| CN105928666A (zh) | 基于希尔伯特黄变换与盲源分离的泄漏声波特征提取方法 | |
| CN106195648B (zh) | 一种变径管等效管长的实验测试方法 | |
| CN113375875A (zh) | 给水管道慢性泄漏的声学检测系统及方法 | |
| RU2628672C1 (ru) | Способ контроля герметичности и определения координаты места течи в продуктопроводе и устройство для его осуществления | |
| CN108119764A (zh) | 时间反演自适应网格输气管道检漏方法 | |
| CN117043567A (zh) | 泄漏检测的方法和系统 | |
| CN105927861A (zh) | 基于小波变换融合盲源分离算法的泄漏声波特征提取方法 | |
| CN117292706B (zh) | 管道气体泄漏声音诊断方法、系统、设备和介质 | |
| RU2450264C2 (ru) | Способ обнаружения дефектов в трубопроводах |
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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |