CN101832472B - 利用次声波实现管道泄漏检测的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用次声波实现管道泄漏检测的系统，在需检测的管道的上游检测点和下游检测点处分别安装两个次声波传感器，次声波传感器采集到的由于管道泄漏产生的次声波信号输入到信号采集分析系统；信号采集分析系统根据所述次声波信号到达上游检测点和下游检测点的时间差乘以声波在流体内传播速度来确定泄漏发生的位置，并通过GPRS和CDMA的两种通讯模块及光缆通讯或以太网通讯等与外部交互信息。系统还采用GPS授时解决上下游检测设备的时间同步问题。能够满足各种不同泄漏情况、不同工况条件下的利用次声波实现管道泄漏检测的系统。

Description

利用次声波实现管道泄漏检测的系统

技术领域

本发明涉及一种管道泄漏检测技术，尤其涉及一种利用次声波实现管道泄漏检测的系统。

背景技术

石油天然气输送管道由连接加压站、分输站、加热站的管道组成，在两个加压站中间的管道距离从20～100千米不等，由于管道大部分地处野外，无法提供安装位置、电源和通讯设备，因此，对管道泄漏检测系统要求有效检测距离在20千米以上。

现有技术中，应用于管道泄漏检测技术主要是负压波法检测，其原理是：当管道发生泄漏时，泄漏点的流体迅速流失，压力下降，导致管道内外存在压力差，进而产生泄漏点两侧位置的流体向泄漏点位置不断补充的过程，该过程依次向上游的输送首站以及下游的输送末站传递，相当于在泄漏点位置产生了以一定速度传播的负压力波。根据负压力波传播到输送首站的时间t1与传播到输送末站的时间t2的时间差，以及管道内负压力波的传播速度计算出泄漏点的位置。此技术的重要特点是需要产生压力下降，压力下降产生的波动是否能够有效检测也很大程度取决于所采用的仪表精度。如在1Mpa工况压力下，1/4inch孔径产生的泄漏在经过20千米油管道衰减后产生的压降约为0.001Mpa，一般一个满量程为1Mpa的压力表，很难有效检测到如此小的压降，虽然有分辨率更高的压力表，但不符合大的压降的检测量程要求。

上述现有技术至少存在以下缺点：

难以适应不同环境下的管道泄漏检测要求，对于泄漏产生的压力波这种突发性的检测很难满足现场的实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够满足各种不同泄漏情况、不同工况条件下的利用次声波实现管道泄漏检测的系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的利用次声波实现管道泄漏检测的系统，在需检测的管道上设置上游检测点和下游检测点，在所述上游检测点和下游检测点处分别安装至少一个次声波传感器，所述的次声波传感器采集到的由于管道泄漏产生的次声波信号输入到信号采集分析系统；

所述信号采集分析系统根据所述次声波信号到达上游检测点和下游检测点的时间差乘以声波在流体内传播速度来确定泄漏发生的位置，并通过通讯模块与外部交互信息。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的利用次声波实现管道泄漏检测的系统，由于在需检测的管道的上游检测点和下游检测点处分别安装至少一个次声波传感器，次声波传感器采集到的由于管道泄漏产生的次声波信号输入到信号采集分析系统；信号采集分析系统根据所述次声波信号到达上游检测点和下游检测点的时间差乘以声波在流体内传播速度来确定泄漏发生的位置，并通过通讯模块与外部交互信息。能够满足各种不同泄漏情况、不同工况条件下的利用次声波实现管道泄漏检测的系统。

附图说明

图1为本发明的系统结构组成示意图；

图2为本发明的现场安装示意图；

图3为本发明的系统工作流程图；

图4为本发明在现场实测的一个泄漏次声波示意图；

图5为本发明在现场实测的又一个泄漏次声示意图。

具体实施方式

本发明的利用次声波实现管道泄漏检测的系统，其较佳的具体实施方式是：

在需检测的管道上设置上游检测点和下游检测点，在所述上游检测点和下游检测点处分别安装至少一个次声波传感器，所述的次声波传感器采集到的由于管道泄漏产生的次声波信号输入到信号采集分析系统；

所述信号采集分析系统根据所述次声波信号到达上游检测点和下游检测点的时间差乘以声波在流体内传播速度来确定泄漏发生的位置，并通过通讯模块与外部交互信息。

所述的次声波传感器的频响范围为0.01Hz～20Hz。

所述次声波传感器通过前置滤波放大器与所述信号采集分析系统连接；

所述前置滤波放大器对收到的次声波传感器进行信号识别，从中滤除因工况变化和外界环境变化所引发的干扰信号，并进行放大。

所述上游检测点和下游检测点分别装有两个次声波传感器；

所述信号采集分析系统利用两个次声波传感器同时收到工况改变时的大信号时能够通过反向相加的方式去除因为工况改变而导致系统工作不正常的问题。

所述两个次声波传感器之间的间距为40-100米。

所述信号采集分析系统在信号识别算法中采用专家数据库、模糊神经网络算法和小波变换的信号处理方式对信号进行综合的分析和判断。

所述通讯模块采用GPRS和CDMA的两种通讯模块与外部通讯。

所述通讯模块包括冗余设计，所述冗余设计包括光缆通讯和/或以太网通讯。

系统还包括GPS的高精度授时，用于解决所述上游检测点和下游检测点的时间同步问题。所述GPS的授时精度在1ns以下，系统每间隔一小时进行一次GPS的授时校准。

系统还包括太阳能加蓄电池供电系统，用于为现场检测设备供电。

本发明能够满足各种不同泄漏情况，不同工况条件下的管道泄漏检测系统。本系统是基于次声波的管道泄漏检测技术，其原理是：管道在发生泄漏时由于压力波动会产生频率很低的声波，根据管道的工况条件和泄漏孔径的大小，产生的次声波频率也不尽相同，最低频率可低到0.05Hz，高频能达到4Hz左右。本发明采用的次声波传感器是超低频高灵敏度次声波传感器，其灵敏度可达到-195dB，频响范围为0.01Hz～20Hz。采用这种针对管道泄漏检测的次声波传感器能够符合各种工况条件下不同孔径的泄漏检测的要求。次声波传感器将所检测到的次声波信号转化为电信号输出，通过AD采集后进行必要的信号识别，从中滤除因工况变化和外界环境变化所引发的干扰信号。根据次声波信号到达上下游的时间差乘以声波在流体内传播速度来确定泄漏发生的位置。

为了在不降低传感器灵敏度的基础上达到较宽的频率响应范围以满足各种应用条件下的要求，可以在传感器的后端连接一个前置匹配放大电路，此前置匹配放大电路的输入阻抗值为1000M欧姆。经过前置放大电路后的次声波信号经过系统的A/D转换器转化成数字信号存储到DSP的内存中。DSP对接收到的信号进行信号处理和判断，最终将处理和判断的结果通过通讯模块上传到主控制室。

系统为了达到很高的报警准确率和较高的定位精度，在信号识别算法中可以采用专家数据库、模糊神经网络算法和小波变换等信号处理方式对信号进行综合的分析和判断。采用专家数据库可使得系统具有很好的自学习功能。在实际应用中可以根据现场收集到的具体信号，在人为干预的情况下进行训练，提高系统对干扰信号的识别能力。

利用小波变换主要是为了突出波形锐度问题。因为次声波信号由于频率较低，波长较长，上下游收到的次声波信号进行时间差定位计算时需要找到相同的点进行计算。通过小波变换把最大值点进行锐化。从而根据同一质点(最大值点)到达上下游检测设备的时间差进行定位计算。

为了更好实现本发明在现场的实际应用，最好还要包含以下内容：

在上、下游端安装检测设备时，每一端在安装次声波传感器时最好安装两个次声波传感器，其目的是利用两个次声波传感器同时收到工况改变时的大信号时能够通过反向相加的方式有效地去除因为工况改变而系统工作不正常的情况。

通讯模块的冗余设计：由于通讯在现场的应用环境较为复杂，又要求在泄漏发生时系统能够及时发出报警提示，因此需要通讯故障率尽可能小，网络时延尽可能短，因此，在本发明里采用了GPRS和CDMA的两种通讯模块的综合使用，系统还可以根据现场的实际情况改用更为可靠的通讯方案，如采用光缆通讯或是以太网通讯。

GPS的高精度授时：系统采用GPS授时是为了解决上下游检测设备的时间同步问题，GPS的授时精度可达到1ns以下，系统每间隔一小时进行一次GPS的授时校准。

为使本发明的目的、技术方案和优点能够表述得更加清晰，以下以具体实例并参照附图，对本发明进行详细说明。

如图1、图2、图3所示，在管道1的首站安装两个次声波传感器2，传感器2要求与管道1垂直安放并与管道内流体充分接触，两个传感器通过阀门3和连接法兰4安装在管道1内，间隔40米左右。传感器接收到的信号通过前置的信号滤波放大器处理后输出由A/D转换芯片进行数字转化并存储到DSP(TMS320DSP28335)芯片的内存中。由于工况调整时有可能会产生较强的、类似于管道泄漏时产生的次声波信号，两个传感器将顺序收到的信号进行反向叠加，再经过A/D采集，可有效去除因工况调整对系统信号获取的影响。在管道的任何一处发生泄漏时，会产生包含多种频率成份的声波信号，在经过长距离的衰减后，频率较高的部分都将衰减到无法检测，只有频率在0.05Hz～2Hz的部分声波能够随着流体传播到很远的距离，安装在上下游的各两个传感器按照接收的信号的先后顺序可判断是工况噪声还是泄漏信号，通过时间差与声速的乘积算出泄漏发生的具体位置。

声学的基础理论表明，声速与传播传质的密度成反比。对一段输油气管道而言，管道内的流体密度并非是均匀的，如果在进行定位计算时采用固定声速将产生较大的定位误差，因此，在进行计算时采用的是，先利用固定声速确定大致泄漏发生的地点，确定好泄漏点的压强，利用声速与压强的对应关系曲线对定位位置进行必要的修正，以达到100米以内的定位误差要求。

系统采用的专家数据库和神经网络模拟识别算法能够更好地适应复杂多变的管道运行工况和管道外部环境干扰。在一个新安装的系统中，很难在短时间内提供完事的专家数据库所需要的样本素材，因此在系统在安装后需要借鉴类似现场所获得的样本素材进行神经网络的训练与识别。在系统运行过程中，特别是刚投运的开始阶段，需要与现场的具体情况进行相结合，剔除误报警，对于频发的误报警类型在人为干预的情况下加入到专家数据库中，从而将之完全排除掉，提高系统报警的准确性和可靠性。

系统的将识别后认为是泄漏信号的数据通过无线通讯模块(GPRS和CDMA模块)上传到主控计算机上。在通讯时，系统将首先选用其中的一种网络进行连接上传，若在规定的时间内无法得到主控计算机的应答信号则认为此网络通讯不畅，继而选用另一个通讯网络进行通讯。

系统采用太阳能加蓄电池的方式为现场检测设备供电，对现场的安装条件降到最低，也提高了系统在现场的安全性。

如图4、图5所示，为本发明在现场实测的两个泄漏次声示意图。

本发明根据检测管道泄漏时发出的次声波来实现管道的泄漏检测。系统包括顺序相连的次声波传感器、信号采集分析系统、供电系统和通讯系统。次声波传感器安装在管道的内部实时检测管道内的次声波信号，通过信号采集分析系统采集次声波信号并进行在线的分析计算，将判断分析的结果通过通讯系统上传到主控室，在主控室对数据进行二次判别并最终在终端上输出报警结果。

本发明主要的创新点是：

管道在发生泄漏时会产生包含各种频率的声波，利用次声波能够传播到很远的距离的技术特点，可实现利用次声波传感器检测泄漏次声波信号，从而能够实现系统有效检测距离在20千米以上；在传感器的安装上，采用双探头的方式。通过两个传感器接收到的信号进行反向叠加，从而达到去除噪声的目的；信号的智能识别模式，不需要进行人为干预即可得到准确的报警结果。系统应用了包括模板匹配、神经网络模糊识别和小波分析算法等，能够应用于各种复杂的应用环境；系统的冗余设计减少系统故障发生的可能。现场设备采用备份设计，即使某一部分发生故障也能够保证系统的正常运行；采用GPS授时提高了系统的定位精度。GPS的授时精度可在10ns以下，一般一段长度不超过20千米的管道可实现系统定位精度误差在100米以下；采取动态声速的计算方法，修正定位位置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用次声波实现管道泄漏检测的系统，其特征在于，在需检测的管道上设置上游检测点和下游检测点，在所述上游检测点和下游检测点处分别安装至少一个次声波传感器，所述的次声波传感器采集到的由于管道泄漏产生的次声波信号输入到信号采集分析系统；

所述信号采集分析系统根据所述次声波信号到达上游检测点和下游检测点的时间差乘以声波在流体内传播速度来确定泄漏发生的位置，并通过通讯模块与外部交互信息；

所述的次声波传感器的频响范围为0.01Hz～20Hz；

所述次声波传感器通过前置滤波放大器与所述信号采集分析系统连接；

所述前置滤波放大器对收到的次声波信号进行信号识别，从中滤除因工况变化和外界环境变化所引发的干扰信号，并进行放大；

所述上游检测点和下游检测点分别装有两个次声波传感器；

所述信号采集分析系统利用两个次声波传感器同时收到工况改变时的放大信号时能够通过反向相加的方式去除因为工况改变而导致系统工作不正常的问题。

2.根据权利要求1所述的利用次声波实现管道泄漏检测的系统，其特征在于，所述两个次声波传感器之间的间距为40-100米。

3.根据权利要求2所述的利用次声波实现管道泄漏检测的系统，其特征在于，所述信号采集分析系统在信号识别算法中采用专家数据库、模糊神经网络算法和小波变换的信号处理方式对信号进行综合的分析和判断。

4.根据权利要求3所述的利用次声波实现管道泄漏检测的系统，其特征在于，所述通讯模块采用GPRS和CDMA的两种通讯模块与外部通讯。

5.根据权利要求4所述的利用次声波实现管道泄漏检测的系统，其特征在于，所述通讯模块包括冗余设计，所述冗余设计包括光缆通讯和/或以太网通讯。

6.根据权利要求1所述的利用次声波实现管道泄漏检测的系统，其特征在于，系统还包括GPS的高精度授时，用于解决所述上游检测点和下游检测点的时间同步问题，所述GPS的授时精度在1ns以下，系统每间隔一小时进行一次GPS的授时校准。

7.根据权利要求6所述的利用次声波实现管道泄漏检测的系统，其特征在于，系统还包括太阳能加蓄电池供电系统，用于为现场检测设备供电。

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