CN117589385B - 一种流体管道泄漏内检测器、检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管道泄漏检测技术领域，尤其涉及一种流体管道泄漏内检测器、检测系统及检测方法，旨在解决现有检测方式不能用于连续泄漏和微小泄漏以及检测成本高的问题。本发明提供的流体管道泄漏内检测器包括球壳、中心麦克风、边缘麦克风、配重环、减震圈、采集电路板和供电单元；球壳内设置有共振腔，中心麦克风位于球壳的球心，边缘麦克风位于配重环的内壁；配重环与球壳的赤道面重合并安装于共振腔内，两个减震圈套装于球壳；采集电路板上设置有加速度传感器。通过共振腔对管道泄漏产生的声信号进行放大和减震圈减振，借助流体推动沿管道滚动以遍历被检测管道，综合麦克风和加速度传感器的信号，实现了对连续泄漏和微小泄漏的低成本检测。

Description

一种流体管道泄漏内检测器、检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及管道泄漏检测技术领域，尤其涉及一种流体管道泄漏内检测器、检测系统及检测方法。

背景技术

管道是连续输送原油、石油产品、水、天然气等液体资源最经济、最有效的方式。随着管道的广泛应用，一方面管道数量逐年增加，另一方面管道老化、腐蚀严重，泄漏事故时有发生。管道一旦泄漏，将造成严重的环境污染、经济损失和人员伤亡。因此，有必要检测管道泄漏，特别是早期的小泄漏。

在役管道的泄漏检测技术可分为基于软件的方法和基于硬件的方法。基于软件的方法测量管道内部参数，包括压力、流量和温度，并使用各种类型的计算机软件来分析和检测管道系统中的泄漏，但基于软件的方法不能检测到微小的泄漏，也不能定位泄漏点。基于硬件的方法则利用各种传感设备，通过传感泄漏的化学物质所诱导的压力、声音、振动和温度变化，从管道外部或内部检测和定位泄漏。在这些方法中，声学检漏法是应用最广泛的。

人们早期利用突发性大泄漏引起的负压波检测和定位泄漏。但是基于负压波的方法不能检测连续泄漏和小泄漏。非负压波的声学泄漏检测方法的优点是可以检测到连续的泄漏，缺点是能够有效监测的管道很短，因为声波在管道中传播过程中衰减很快、传播距离很短，而沿管道密集安装声音传感器是不现实的，成本太高且施工不便。而分布式光纤传感法，需要在管道铺设阶段同时安装光纤，这增加了管道铺设的成本和复杂性。很多老旧管道并没有铺设光纤。

即现有检测方式存在不能用于连续泄漏和微小泄漏以及检测成本高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流体管道泄漏内检测器、检测系统及检测方法，以解决现有检测方式不能用于连续泄漏和微小泄漏以及检测成本高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：

一种流体管道泄漏内检测器，包括球壳、中心麦克风、边缘麦克风、配重环、减震圈、采集电路板和供电单元；球壳内设置有共振腔和第一内腔，中心麦克风和边缘麦克风安装于共振腔内，中心麦克风位于球壳的球心，边缘麦克风位于配重环的内壁；配重环与球壳的赤道面重合并安装于共振腔内，以垂直于赤道面且经过球壳球心的轴线为Z轴，球壳绕Z轴滚动；减震圈的轴线与Z轴共线，两个减震圈套装于球壳并对称设置于赤道面的两侧；采集电路板和供电单元安装于第一内腔，采集电路板上设置有加速度传感器。

进一步的，流体管道泄漏内检测器还包括悬浮单元，悬浮单元包括悬浮球和悬浮支架；悬浮球连接于悬浮支架上方，悬浮支架与球壳转动连接，转动轴为Z轴；悬浮支架上设置有顶针，顶针抵接于减震圈以使减震圈倾斜。

进一步的，球壳包括上半壳和下半壳；上半壳设置有第一内腔，采集电路板和供电单元安装于第一内腔；上半壳和下半壳组装并形成共振腔。

进一步的，流体管道泄漏内检测器还包括磁线圈，下半壳设置有第二内腔，磁线圈安装于第二内腔。

进一步的，流体管道泄漏内检测器还包括球腔密封板，两个球腔密封板分别安装于上半壳和下半壳，将球壳的内腔分隔为共振腔、第一内腔和第二内腔。

进一步的，流体管道泄漏内检测器还包括支撑电路板，支撑电路板为L形板，中心麦克风安装于L形板的拐角，边缘麦克风安装于L形板的一端，L形板的未安装边缘麦克风的一边与Z轴共线。

进一步的，采集电路板还设置有磁力计、电源稳压模块、MCU和数据存储卡；电源稳压模块与供电单元连接，MCU采集中心麦克风、边缘麦克风、磁力计和加速度传感器的数据，并将数据写入数据存储卡。

进一步的，配重环包括第一弧环、第二弧环、第三弧环和第四弧环；第一弧环、第二弧环、第三弧环和第四弧环依次连接并组成环形；配重环上设置有固定槽和卡槽，固定槽用于放置由光固化树脂制作的卡块，支撑电路板一端插装于卡槽。

本发明的另一方面，提出了一种流体管道泄漏检测系统，包括上述的流体管道泄漏内检测器，还包括多个沿管道的长度方向间隔设置的外加磁场。

本发明的第三方面，提出了一种流体管道泄漏检测方法，采用上述的流体管道泄漏内检测器，包括如下步骤：

数据采集：将内检测器放入管道发球端，内检测器在液体推动下沿管道滚动，中心麦克风、边缘麦克风以欠采样技术采集声信号，加速度传感器采集加速度信号；

数据分析：读取信号数据，通过短时傅里叶变换计算声信号的时频图，根据幅值变化判断是否泄漏，泄漏发生时的信号幅值高于未泄漏位置，并根据加速度信号确认泄漏位置；

使用一维CNN网络搭配LSTM网络模型进行训练并对原始声信号进行检测，模型训练完成后采用窗口滑动方式遍历全部信号；

模型训练的数据集采用人工标注的信号片段，包括无泄漏信号片段、即将通过泄漏信号片段，正在通过泄漏点信号片段，已通过泄漏信号片段。

综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：

本发明提供的流体管道泄漏内检测器包括球壳、中心麦克风、边缘麦克风、配重环、减震圈、采集电路板和供电单元；球壳内设置有共振腔和第一内腔，中心麦克风和边缘麦克风安装于共振腔内，中心麦克风位于球壳的球心，边缘麦克风位于配重环的内壁；配重环与球壳的赤道面重合并安装于共振腔内，以垂直于赤道面且经过球壳球心的轴线为Z轴，球壳绕Z轴滚动；减震圈的轴线与Z轴共线，两个减震圈套装于球壳并对称设置于赤道面的两侧；采集电路板和供电单元安装于第一内腔，采集电路板上设置有加速度传感器。

本发明提供的流体管道泄漏内检测器通过共振腔对管道泄漏产生的声信号进行放大，以便于精准采集信号并进行分析，同时借助流体推动沿管道滚动，可以遍历被检测管道，使中心麦克风和边缘麦克风靠近泄漏点，保证了对微小泄漏和连续泄漏的准确识别，综合加速度传感器的信号，可实现对泄漏的准确识别和定位，且无需密集设置传感器，实现了对连续泄漏和微小泄漏的低成本检测。配重环内置方式使声信号经过球壳壁即可进入共振腔，声信号的采集质量更高、干扰信号更少。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的流体管道泄漏内检测器的剖视示意图；

图2为本发明实施例提供的流体管道泄漏内检测器的立体示意图；

图3为本发明实施例提供的流体管道泄漏内检测器的爆炸示意图；

图4为配重环的结构示意图；

图5为电气元件的连接示意图；

图6为本发明实施例提供的流体管道泄漏内检测器的滚动示意图；

图7为本发明实施例提供的流体管道泄漏内检测器的俯视示意图；

图8为本发明实施例提供的流体管道泄漏内检测器的工作示意图；

图9为本发明实施例提供的流体管道泄漏内检测器的各轴的加速度变化示意图；

图10为共振腔的一阶声学特征频率分布；

图11为共振腔的三阶声学特征频率分布；

图12为 96mm共振球腔检测到泄漏发生时的时频图；

图13为模型结构图；

图14为本发明实施例提供的流体管道泄漏内检测器的另一结构示意图；

图15为本发明实施例提供的流体管道泄漏内检测器的左视图；

图16为悬浮单元的结构示意图。

图标：100-球壳；200-中心麦克风；300-边缘麦克风；400-配重环；500-减震圈；600-采集电路板；700-供电单元；800-磁线圈；900-球腔密封板；1000-支撑电路板；1100-密封圈；1200-悬浮单元；1300-转接环；110-上半壳；120-下半壳；410-第一弧环；420-第二弧环；430-第三弧环；440-第四弧环；450-固定槽；460-卡槽；1210-悬浮球；1220-悬浮支架；1230-磁铁；1221-顶针；1222-连接环；101-共振腔；102-第一内腔；103-第二内腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

现有的基于软件和硬件的管道泄漏检测方式存在不能用于连续泄漏和微小泄漏以及检测成本高的问题。

有鉴于此，本发明提供了一种流体管道泄漏内检测器，包括球壳100、中心麦克风200、边缘麦克风300、配重环400、减震圈500、采集电路板600和供电单元700；球壳100内设置有共振腔101和第一内腔102，中心麦克风200和边缘麦克风300安装于共振腔101内，中心麦克风200位于球壳100的球心，边缘麦克风300位于配重环400的内壁；配重环400与球壳100的赤道面重合并安装于共振腔101内，以垂直于赤道面且经过球壳100球心的轴线为Z轴，球壳100绕Z轴滚动；减震圈500的轴线与Z轴共线，两个减震圈500套装于球壳100并对称设置于赤道面的两侧；采集电路板600和供电单元700安装于第一内腔102，采集电路板600上设置有加速度传感器。

本发明提供的流体管道泄漏内检测器通过共振腔101对管道泄漏产生的声信号进行放大，以便于精准采集信号并进行分析，同时借助流体推动沿管道滚动，可以遍历被检测管道，使中心麦克风200和边缘麦克风300靠近泄漏点，保证了对微小泄漏和连续泄漏的准确识别，综合加速度传感器的信号，可实现对泄漏的准确识别和定位，且无需密集设置传感器，实现了对连续泄漏和微小泄漏的低成本检测。配重环400内置方式使声信号经过球壳壁即可进入共振腔101，声信号的采集质量更高、干扰信号更少。

以下结合图1-图16对本实施例提供的流体管道泄漏内检测器的结构和形状进行详细说明：

本实施例中，流体管道泄漏内检测器还包括磁线圈800、球腔密封板900、支撑电路板1000和密封圈1100，如图1、图3所示。两个球腔密封板900将球壳100内腔分隔为第一内腔102，共振腔101和第二内腔103，采集电路板600和供电单元700设置于第一内腔102，磁线圈800设置于第二内腔103并用于发射磁信号，支撑电路板1000安装于共振腔101，中心麦克风200和边缘麦克风300安装于支撑电路板1000。

本实施例中，球壳100包括上半壳110和下半壳120，两者通过螺钉固定连接；上半壳110设置有第一内腔102，下半壳120设置有第二内腔103，上半壳110和下半壳120组装并形成球壳100的内腔。具体而言，两个球腔密封板900分别安装于上半壳110和下半壳120并将球壳100的内腔分隔为共振腔101、第一内腔102和第二内腔103，共振腔101由上半壳110、下半壳120和两个球腔密封板900共同围成。为保证线路连接，球腔密封板900上开设有通孔以便于走线。具体的，共振腔101为球形，由于配重环400设置在共振腔101内，共振腔101的最终形状为类球形，在其赤道面上形成环形凹槽，其截面可参考图10、图11所示。

本实施例中，共振腔101的共振频率不大于10kHz，共振腔101的直径不小于20mm，以保证信号采集质量。

本实施例中，上半壳110包括半球部分和圆柱部分，下半壳120包括半球部分和圆柱部分，即内检测器的形状不需要保持常规的球形状态。具体的，圆柱部分的轴线与Z轴共线，以保证定轴转动的稳定，第一内腔102和第二内腔103分别设置于上半壳110和下半壳120的圆柱部分。上半壳110的半球部分小于下半壳120的半球部分，两个半球部分组装并形成共振腔101。下半壳120与上半壳110配合的端面开设有环形凹槽用于安装密封圈1100以保证内检测器的密封性。由于赤道面位置零部件较多，上半壳110和下半壳120的拼接处不在赤道面位置可降低密封的复杂性并提高密封的可靠性。

本实施例中，以球壳100的赤道面为XOY平面，以球壳100的球心为O点，如图6、图7所示，流体管道泄漏内检测器滚动时绕Z轴定轴滚动。具体的，为保证定轴滚动以及流体可顺利推动内检测器，内检测器的Z轴和X轴的转动惯量比为k，k∈[1.1，1.9]，优选的，k取1.5，以保证滚动稳定的同时时避免自重过大，导致流体无法推动内检测器通过结垢段或爬坡段。

具体的，配重环400选用金属钨制成，包括并采用圆盘形状以保证质量均匀，配重环400的轴线与Z轴共线以使内检测器绕Z轴滚动，此时Z轴转动惯量大于X轴和Y轴的转动惯量，如图8所示。此外，配重环400上对称开设有通孔以便于走线。由于内检测器Z轴转动惯量大于Y轴和X轴转动惯量，致使内检测器在管道中滚动形态为绕定轴Z稳定滚动，因此可以通过加速度信号在Z和Y轴的周期性变化来反推内检测器滚动的速度和距离，如图9所示，为内检测器的X轴、Y轴和Z轴的加速度周期变化情况。同时，配重环400内置于共振腔101，可避免外置配重导致内检测器体积增大以及所需配置的缓冲外壳，若配重外置，则需设置球形包覆外壳将内检测器包覆以保证球形形状以及足够的减震缓冲。

本实施例中，由于下半壳120体积大，配重环400安装于下半壳120内，同时下半壳120的内壁开设有环形凹槽用于安装配重环400。为了便于安装，配重环400采用多段结构，包括第一弧环410、第二弧环420、第三弧环430和第四弧环440；第一弧环410、第二弧环420、第三弧环430和第四弧环440依次连接并组成环形，如图4所示；配重环400上设置有固定槽450和卡槽460，固定槽450用于放置由光固化树脂制作的卡块以使配重环400与下半壳120固定连接，支撑电路板1000一端插装于卡槽460以进行定位。具体的，如图4所示，第一弧环410的圆心角为90°，两端分别连接第二弧环420和第四弧环440，第三弧环430的两个端面相互平行，卡槽460开设于第三弧环430的内壁，支撑电路板1000一端插装于卡槽460，第三弧环430和第四弧环440的端面组成固定槽450。

本实施例中，减震圈500可采用橡胶材质，可选用O形圈，相应的，下半壳120的外壁上开设有两个环形凹槽用于安装减震圈500，两个环形凹槽对称设置于XOY平面的两侧。采用减震圈500可以减小滚动中的碰撞、异物导致的声信号，降低对泄漏声信号的干扰，同时又可避免包覆式防护壳对声音的阻断，导致泄漏声信号无法有效传入共振腔101内，影响信号采集，从而提高泄漏声信号采集的准确性和灵敏性。通常情况下，为了增大声音的传入，会在包覆式防护壳上密集开孔以保证缓冲和声音传入共振腔101，但仍然无法可靠保证声音的传入，并且由于防护壳表面大量开孔，会在防护壳表面形成涡流，影响内检测器的稳定滚动并产生干扰噪声。采用减震圈500的结构既可以最大限度的降低干扰信号的影响，又可以减小内检测器的体积，使内检测器具有良好的通过性和更大体积的共振腔101，保证检测效果。

本实施例中，支撑电路板1000设置为L形板，中心麦克风200安装于L形板的拐角，边缘麦克风300安装于L形板的一端，L形板的未安装边缘麦克风300的一边与Z轴共线。如图1所示，支撑电路板1000一端插装于卡槽460，另一端插装于位于下半壳120内的球腔密封板900。其中，中心麦克风200和边缘麦克风300均为数字麦克风。共振腔101两极声压最强，球心声压最弱。当声源频率为第三阶共振频率时，共振腔101不具有指向性，同一球面上各点的声场大小相同，且球心处声压最强，越远离球心声压越弱，因此两个麦克风同时采集共振腔101边缘和共振腔101中心的声信号，对应于第一阶共振频率和第三阶共振频率。

本实施例中，加速度传感器选用三轴加速度传感器以便精确分析加速度数据，或者使用三个加速度计进行数据采集。

本实施例中，采集电路板600还设置有磁力计、电源稳压模块、MCU和数据存储卡，供电单元700与电源稳压模块连接以向各个电气元件稳定供电，MCU采集中心麦克风200、边缘麦克风300、磁力计和加速度传感器的数据，并将数据写入数据存储卡。

本实施例中，供电单元700包括锂电池，锂电池用于向采集电路板600、中心麦克风200、边缘麦克风300、磁线圈800等供电。进一步的，为避免拆卸球壳100，保证良好的密封性能，可采用光固化树脂对上半壳110和下半壳120连接处进行密封，此时供电单元700包括锂电池和无线充电线圈，通过无线充电线圈即可对锂电池进行充电，无需拆卸。同时，采集电路板600上设置无线传输模块用以传输数据，避免通过拆卸球壳100并取出数据存储卡的方式进行数据读取。具体的，无线传输模块可选用WIFI模块、蓝牙模块等。

本实施例的可选方案中，为避免减震圈500对信号采集产生阻碍并减小管道内壁对减震圈500的挤压以减少干扰信号，流体管道泄漏内检测器还包括悬浮单元1200，如图14所示。具体的，悬浮单元1200包括悬浮球1210和悬浮支架1220，如图16所示，悬浮球1210连接于悬浮支架1220上方，悬浮支架1220与球壳100转动连接，转动轴为Z轴；悬浮支架1220上设置有顶针1221，两个顶针1221分别设置于两个减震圈500相互背离的一侧并抵接于减震圈500。其中，悬浮球1210和悬浮支架1220之间通过钢丝绳连接，也可直接将悬浮球1210固定在支架顶部，从而通过悬浮球1210使悬浮支架1220保持相对固定状态，不随球壳100发生滚动。悬浮支架1220上设置有连接环1222，用于避让上半壳110和下半壳120的圆柱部分，此时连接环1222套装于上半壳110和下半壳120的圆柱部分并与其转动连接。为保证球壳100与悬浮支架1220转动顺畅，可在连接环1222与上半壳110和下半壳120的圆柱部分之间设置滚动轴承。

球壳100滚动过程中，由于下方靠近管道内壁，球壳100、两个减震圈500和管道内壁围成狭窄的空间，容易产生回声等干扰信号。为此，在悬浮支架1220上设置顶针1221，同时下半壳120上开设的两个环形凹槽的宽度大于减震圈500以保证减震圈500可沿Z轴方向摆动。通过顶针1221对减震圈500的限位，可使两个减震圈500保持上方间距小、下方间距大的状态，如图15所示，从而扩大下方空间，减少因回声等因素产生的干扰信号。进一步的，为保证减震圈500形态稳定，可设置转接环1300，两个转接环1300分别安装于下半壳120上开设的两个环形凹槽，减震圈500则安装于转接环1300，转接环1300上开设有相应的环形凹槽。顶针1221抵接于转接环1300的侧面以使转接环1300保持倾斜状态。为了减小摩擦，顶针1221的端部可设置球轴承。进一步的，为了保持转接环1300倾斜状态稳定，悬浮单元1200还包括磁铁1230，磁铁1230连接于悬浮支架1220用以吸附转接环1300，从而通过顶针1221与磁铁1230的配合使转接环1300保持倾斜状态。此外，可在转接环1300的两侧均设置顶针1221且两个顶针1221的高度不同，以使转接环1300保持倾斜状态。

工作时，在球壳100的带动和悬浮球1210的浮力作用下，悬浮支架1220以稳定的姿态沿管道长度方向移动，顶针1221则使减震圈500保持八字形状态。悬浮单元1200的设置可减小减震圈500的变形以及与管道内壁的摩擦，从而降低因摩擦和碰撞产生的干扰信号，同时八字形状态可以减小回声信号的干扰，使信号采集更为准确。

本实施例提供的流体管道泄漏内检测器的工作过程如下：

将内检测器投入管道的发球端，使内检测器在水流推动下沿管道定轴滚动，3.7V的锂电池通过电源稳压模块向其他各电气元件供电，MCU以200Hz采样率对加速度传感器和磁力计的数据进行采样，获取内检测器滚动时的加速度信号和环境中的磁信号，并以1.5kHz的采样率对中心麦克风200和边缘麦克风300进行采样，获取周围的泄漏声信号。同时MCU将获取的数据以二进制文件的形式写入数据存储卡。

MCU持续监测加速度传感器的输出数据，通过加速度值的变化来判断内检测器是否停止滚动，当内检测器停止滚动时MCU则驱动磁线圈800发射24Hz的磁信号，24Hz的磁信号能够穿过球壳100、管道璧，进而被管道外的仪器识别，从而判断出内检测器到达终点并由人工取出内检测器。此外，当内检测器未能到达终点时，可通过磁信号判断检测器的位置以便于寻找内检测器。随后取出内检测器并读取数据存储卡，对数据进行分析以找出泄漏位置。

基于本实施例提供的流体管道泄漏内检测器，提出了一种流体管道泄漏检测系统，包括流体管道泄漏内检测器和多个沿管道的长度方向间隔设置的外加磁场，具体的，可通过设置永久磁铁向管道施加外加磁场，如图8所示。内检测器经过磁场时可测得磁场信号的变化，进而准确判断内检测器当前经过的位置参数，点状分布的磁场可极大提高定位精度，有利于更为准确的判断泄漏的位置，消除因管道长度导致的累积误差。相比于通过磁力计检测地磁场在不同管道段磁屏蔽作用下的变化，设置外加磁场和磁力计配合可精准定位泄漏点。

此外，在收球端设置有收球网以阻挡内检测器，并在收球端设置磁检测仪用于接收磁线圈800的信号。

基于本实施例提供的流体管道泄漏内检测器，提出了一种流体管道泄漏检测方法，包括如下步骤：

S100—数据采集：将内检测器放入管道发球端，内检测器在液体推动下沿管道滚动，中心麦克风200、边缘麦克风300以欠采样技术采集声信号，加速度传感器采集加速度信号。

对于声信号，由于共振腔101的共振频率与腔室的大小有关，当共振腔101的直径为116mm时，部分特征频率如图10、图11所示，图10为一阶频率声压分布，图11为三阶频率声压分布。由图可知，边缘麦克风300采集到的声信号会在2.1kHz处有明显峰值，而中心麦克风200采集到的信号会在4.2kHz处有明显峰值。泄漏声信号的频率范围在0到5kHz，因此在内检测器经过泄漏位置时，能够在这两处频率上更灵敏地采集到泄漏信号。此外，图10、图11中图形左右两侧的缺口对应配重环400，声压在靠近配重环400处达到峰值，因此边缘麦克风300设置在配重环400的内壁处以保证信号采集效果。

由于主要关注2.1kHz处的信号和4.2kHz处的信号，因此不用考虑大范围的频谱混叠的影响而在数据采集时可选用欠采样的方式。本实施例设计欠采样率为1.5kHz，由于采样造成的频谱搬移，采样信号2.1kHz的频率被搬移到0.6kHz处，而4.2kHz的信号被搬移到1.2kHz处。

S200—数据分析：读取信号数据，通过短时傅里叶变换计算声信号的时频图，根据幅值变化判断是否泄漏，泄漏发生时的信号幅值高于未泄漏位置，并根据加速度信号确认泄漏位置。

关于泄漏的判断，观察边缘麦克风300信号在0.6kHz处的幅值变化以及中心麦克风200信号在1.2kHz处的幅值变化即可判断是否发生泄漏。如图12所示，三阶特征频率为5kHz的96mm共振腔101在静止状态下检测到泄漏发生时中心声信号的时频图，泄漏发生时频率为5kHz处的信号幅值明显高于其他频率。

由于实际管道跨度较长，导致内检测器运行结束后得到的声信号数据时间太长，在此情况下如果使用传统频谱分析法会导致计算时间增大，同时人为地通过频谱对泄漏位置进行查找也耗费时间。本实施例结合深度学习，使用一维CNN网络搭配LSTM网络模型，如图13所示，通过训练后直接对原始声信号进行检测，能够快速定位泄漏信号在长数据中的位置且不需要人工参与，增加了检测速度。

具体的，模型训练采用的数据集为人工标注的信号片段，有四个种类：无泄漏信号片段、即将通过泄漏信号片段、正在通过泄漏点信号片段和已通过泄漏信号片段。其中即将通过泄漏时信号表现为前一半为有泄漏声，后一半无泄漏声；已通过泄漏的信号表现为前一半无泄漏声，后一半有泄漏声。模型训练完成后即可对长时间声信号采用窗口滑动的方式遍历全部信号并对泄漏发生的时间段进行定位。

关于泄漏的定位，依赖于管段定位和单程管段的里程定位。内检测器的定轴滚动特性使得固定在内检测器内的加速度传感器采集到的加速度值呈现图9所示的变化，其中x轴和y轴加速度分量随时间呈周期性变化，且相位差为90°，每周期代表内检测器滚动一圈，在定位到泄漏点所处管段后，通过计算从内检测器滚动到该管段开始到经过泄漏点这段时间内加速度信号变化周期数即可得到检测器滚动圈数，再乘以减震圈500的外径即可得到泄漏点在管段处的位置，完成泄漏的单程管段定位。

其中，管段的确定则可根据磁力计的信号进行判断，不同管段在地磁场的作用下具有不同的磁场，或者施加外加磁场可进一步提高准确性。具体的，可在每一管段的出入口设置磁铁，内检测器在管道滚动过程中，磁力计记录沿途管道的磁感应强度，当经过管段出入口处的磁铁时，磁力数据会记录下此刻的磁场模值的剧烈变化，通过对该变化的计数并结合加速度数据进行里程计算，通过磁力计数据确定一个管段的出入时间后，找到对应加速度数据的时间点，计算这一段管段的里程，得到的管段长度与已知管网中每个管段的长度作匹配，得出最适管段位置，实现管段定位。

本实施例提供的流体管道泄漏内检测器具有如下优势：

采用内检测器检测可以从管道内部靠近泄漏点侦听泄漏声，因此具有极高的检漏灵敏度和漏点定位精度。内检测器分为有缆式和无缆式两种，有缆移动式内检测器通过电缆和牵引绳连接到管道外部的主机设备，可以实时采集显示管道内的视频图像和泄漏声数据，非常直观，但由于其线缆长度限制，不适用于长距离管道。与之不同的是，本实施例提供的无缆内检测器被设计成类球形结构，直径小于管径，能够在管道内部流体的推动下自由地移动，不需要连接电缆且内部装有传感器、数据记录器和电池，适用于长距离运输管道。

1、使用共振空腔提高检测灵敏度，在内检测器内部设置一个具有硬声学边界条件的封闭空气腔，从而放大泄漏的声音。由于共振腔101内只放置了麦克风，所以声共振模式会十分稳定，将麦克风放置在这声压较大的区域可获得很高的灵敏度。

2、目前的球形内检测器都是解决如何将各种传感器和电子部件密封在球壳内，确保密封耐压，因此球形内检测器的壳体由内部的耐压铝壳和外部的塑料减振壳组成，对泄漏声的衰减很严重，针对连续微小泄漏难以达到足够高的检漏灵敏度。同时，外部的减振壳需要开模，制作成本很高且对泄漏声衰减很严重，导致球形内检测器的实际的检漏灵敏度不高。

本实施例提供的内检测器将配重环400放置在检测器内部并通过减震圈500进行减震，减小了球壳100体积和对球壳100的包裹。而现有的检测球为保证共振腔101的完整性，会把配重等放置在球壳100外部以保证共振腔101内壁的平整，此时为了保证球形状态，需要在外部再加一层较厚的减振壳进行包覆，此减振壳会阻隔声音，即便在减振壳上密集开孔也无法有效降低其对声音的阻隔。而且开孔会导致在检测过程中减振壳表面产生涡流，形成较明显的干扰声信号，影响检测的准确性和有效性。

本实施例则突破了固有的对共振腔101内壁需光滑平整的认知，通过在共振腔101内部设置凸出的环形配重，既保证了定轴滚动，又保证了明显的声学模态，并且其特征频率与声场分布与内壁平整的共振腔101相近，提高了对泄漏声信号的采集质量，显著减少了干扰因素。并通过减震圈500的设置，极大减小了对球壳100的包覆并保证了减震，显著降低了对声信号的阻隔以干扰信号的影响。

同时，球壳100也突破了完整球形的限制，沿Z轴轴线在两端设置了圆柱部分用于容纳磁线圈800、锂电池等零部件，既保证了完整的共振腔101，也使内检测器无需包裹球形减振壳以保证球体结构即可完成检测工作。此外，球壳100也可设置为椭球形，以其短轴所在平面为赤道面，绕长轴做定轴滚动。即球壳100的形状不受球形限制，保证其结构对称并可做稳定定轴滚动即可。

3、减震圈500与配重环400内置的方式相配合，极大减小了内检测器的体积，降低了对声信号的阻隔，提高了其通过性，并有效降低了干扰信号的影响，提升了检测灵敏度。具体的，减震圈500采用O形圈，减少了对球壳100的包覆和装配复杂度，降低了对声信号的阻隔和成本。由于检测器稳定滚动时仅赤道部分紧贴管道，因此仅需对赤道处进行减震设计即可。O形圈成本低，材质软，减振效果好，易装配，在赤道处装配后能够有效地减少滚动时的振动，继而减小传感器采集数据时由振动引起的高频噪声，提高采集的声信号、加速度信号、磁信号的信噪比，并且能降低摩擦导致的干扰信号。

4、采用欠采样技术，减小了数据总量。以116mm球腔举例，其三阶共振频率为4.2kHz，如果以奈奎斯特采样率对其采样，则需要采样率为8.4kHz，大的采样率对MCU性能、数据存储卡的存储空间要求较高，而使用欠采样方法的采样率仅需1.5kHz，对比奈奎斯特采样，其对MCU工作频率要求低了5倍，同时节省了数据存储卡空间，并且降低了上位机处理数据消耗的时间，极大提高了检测效率。

5、使用磁线圈800向外发射信号实现了主动定位，现有的检测器在工作时无法在管道外被探测到位置，导致意外情况发生时无法快速回收。而本实施例提供的内检测器在停止滚动时可通过磁线圈800向管道外发射磁信号以便于寻找，有效防止检测器丢失并提高回收效率，避免对管道造成堵塞。

6、使用类球形结构，在满足定轴滚动的同时，不需要外加减振壳保证球体形状和减震，声信号可通过球壳壁直接进入共振腔101，避免了声信号过度衰减，提高了检测灵敏度，降低了装配复杂度。

7、使用深度学习方式对泄漏信号进行遍历查找，运算速度快，同时能够自动地对泄漏信号进行搜索，不需要人工对长时间泄漏信号逐片搜寻，提高了效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种流体管道泄漏内检测器，其特征在于，包括球壳（100）、中心麦克风（200）、边缘麦克风（300）、配重环（400）、减震圈（500）、采集电路板（600）和供电单元（700）；

所述球壳（100）内设置有共振腔（101）和第一内腔（102），所述中心麦克风（200）和所述边缘麦克风（300）安装于所述共振腔（101）内，所述中心麦克风（200）位于所述球壳（100）的球心，所述边缘麦克风（300）位于所述配重环（400）的内壁；

所述配重环（400）与所述球壳（100）的赤道面重合并安装于所述共振腔（101）内，以垂直于赤道面且经过所述球壳（100）球心的轴线为Z轴，所述球壳（100）绕Z轴滚动；

所述减震圈（500）的轴线与Z轴共线，两个所述减震圈（500）套装于所述球壳（100）并对称设置于赤道面的两侧；

所述采集电路板（600）和所述供电单元（700）安装于所述第一内腔（102），所述采集电路板（600）上设置有加速度传感器；

所述球壳（100）包括上半壳（110）和下半壳（120）；

所述上半壳（110）设置有第一内腔（102）；所述上半壳（110）和所述下半壳（120）组装并形成所述共振腔（101）；

还包括磁线圈（800），所述下半壳（120）设置有第二内腔（103），所述磁线圈（800）安装于所述第二内腔（103）。

2.根据权利要求1所述的流体管道泄漏内检测器，其特征在于，还包括悬浮单元（1200），所述悬浮单元（1200）包括悬浮球（1210）和悬浮支架（1220）；

所述悬浮球（1210）连接于所述悬浮支架（1220）上方，所述悬浮支架（1220）与所述球壳（100）转动连接，转动轴为Z轴；

所述悬浮支架（1220）上设置有顶针（1221），所述顶针（1221）抵接于所述减震圈（500）以使所述减震圈（500）倾斜。

3.根据权利要求2所述的流体管道泄漏内检测器，其特征在于，还包括球腔密封板（900），两个所述球腔密封板（900）分别安装于所述上半壳（110）和所述下半壳（120），将所述球壳（100）的内腔分隔为所述共振腔（101）、所述第一内腔（102）和所述第二内腔（103）。

4.根据权利要求3所述的流体管道泄漏内检测器，其特征在于，还包括支撑电路板（1000），所述支撑电路板（1000）为L形板，所述中心麦克风（200）安装于L形板的拐角，所述边缘麦克风（300）安装于L形板的一端，L形板的未安装所述边缘麦克风（300）的一边与Z轴共线。

5.根据权利要求4所述的流体管道泄漏内检测器，其特征在于，所述采集电路板（600）还设置有磁力计、电源稳压模块、MCU和数据存储卡；

所述电源稳压模块与所述供电单元（700）连接，所述MCU采集所述中心麦克风（200）、所述边缘麦克风（300）、所述磁力计和所述加速度传感器的数据，并将数据写入所述数据存储卡。

6.根据权利要求5所述的流体管道泄漏内检测器，其特征在于，所述配重环（400）包括第一弧环（410）、第二弧环（420）、第三弧环（430）和第四弧环（440）；

所述第一弧环（410）、所述第二弧环（420）、所述第三弧环（430）和所述第四弧环（440）依次连接并组成环形；

所述配重环（400）上设置有固定槽（450）和卡槽（460），所述固定槽（450）用于放置由光固化树脂制作的卡块，所述支撑电路板（1000）一端插装于所述卡槽（460）。

7.一种流体管道泄漏检测系统，其特征在于，包括如权利要求4-6任一项所述的流体管道泄漏内检测器，还包括多个沿管道的长度方向间隔设置的外加磁场。

8.一种流体管道泄漏检测方法，采用如权利要求1-6任一项所述的流体管道泄漏内检测器，其特征在于，包括如下步骤：

数据采集：将所述内检测器放入管道发球端，所述内检测器在液体推动下沿管道滚动，所述中心麦克风（200）、所述边缘麦克风（300）以欠采样技术采集声信号，所述加速度传感器采集加速度信号；

数据分析：读取信号数据，通过短时傅里叶变换计算声信号的时频图，根据幅值变化判断是否泄漏，泄漏发生时的信号幅值高于未泄漏位置，并根据加速度信号确认泄漏位置；

使用一维CNN网络搭配LSTM网络模型进行训练并对原始声信号进行检测，模型训练完成后采用窗口滑动方式遍历全部信号；

模型训练的数据集采用人工标注的信号片段，包括无泄漏信号片段、即将通过泄漏信号片段，正在通过泄漏点信号片段，已通过泄漏信号片段。