基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測和定位系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測定位系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括：非介入式次聲波傳感器，計時器，信號調理器，濾波器，模數(shù)轉換器，數(shù)據(jù)傳輸媒質和中控計算機。檢測和定位方法為：非介入式次聲波傳感器采集氣體管道泄漏時和氣體介質傳播的次聲波信號，計時器標記采集到的次聲波信號的時間，信號調理器為非介入式次聲波傳感器提供電源并進行信號調理，濾波器對次聲波信號進行濾波，模數(shù)轉換器將傳感器采集到的電信號轉換為數(shù)字信號，轉換后的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)傳輸媒質傳輸至中控計算機，進行數(shù)據(jù)存儲和分析。本發(fā)明成本低，靈敏度高，避免了在管道上打孔安裝，不影響現(xiàn)行管道的運行狀況，適用性強。
【專利說明】基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測和定位系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及輸氣管道故障診斷與流動安全保障【技術領域】，尤其涉及一種基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測和定位系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]隨著氣體管道的大規(guī)模鋪設，由于腐蝕、裂紋、疲勞破壞以及第三方破壞造成的管道泄漏時有發(fā)生，不僅造成能源浪費，對環(huán)境造成污染，還會危及人們的生命健康。特別是當氣體管道中的氣體為易燃、易爆或有毒氣體時，能夠及時、準確地發(fā)現(xiàn)泄漏，并精確定位泄漏發(fā)生位置是氣體管道泄漏檢測的關鍵問題。
[0003]氣體管道泄漏檢測方法目前有質量/體積平衡法、應用統(tǒng)計法、負壓波法、瞬態(tài)模型法、分布式光纖法和聲波法等。聲波法具有諸多優(yōu)點:靈敏度高、定位精度高、誤報率低、檢測時間短、適應性強等，因此具有較好的應用前景。但是這些方法包括現(xiàn)行的聲波法采用的傳感器多采用打孔安裝，使感測元件與被測流體介質接觸的方式，這不僅影響流體流態(tài)，導致過程參量測量不準，還會引入由于焊接質量等原因引起的安全隱患。雖然有一些便攜式非介入檢測儀器在氣體管道泄漏檢測方面具有很好的靈敏度，但由于它們的檢測距離有限，儀器使用易受風向、環(huán)境噪音等影響，因而得不到廣泛的應用。
[0004]氣體管道泄漏定位方法目前有GPS時鐘法和相關分析法。GPS時鐘法和相關分析法的基礎都是在待測管線兩端各安裝一個介入式傳感器，大大增加了成本，同時GPS時鐘法實施過程中準確度較差，相關分析法實施過程中由于彈性波在大部分介質和結構中存在頻散，大大限制了其應用，因此使得泄漏定位精度并不高，二者得不到廣泛應用。
[0005]氣體管道發(fā)生泄漏時，由于管內外壓差和可壓縮性使氣體迅速沖出，管內壓力驟降，產生一個沖擊波信號，同時由于氣體與管壁的摩擦產生聲波信號，二者都既可以沿管內氣體介質傳播，又可以沿管壁傳播，且由于信號中的高頻部分衰減較快，不能遠傳，因此通過感測氣體管道泄漏時沿管內氣體介質傳播的次聲波信號和沿管壁傳播的次聲波信號進行泄漏檢測是一種非介入式、可檢測較長距離、又有較高檢測靈敏度的氣體管道泄漏檢測方法，具有重大意義。
[0006]根據(jù)調研結果，現(xiàn)階段國內外涉及氣體管道泄漏聲波檢測的專利主要有:
[0007]美國專利US5117676公開了一種采用麥克風為感測元件的天然氣管道泄漏檢測定位系統(tǒng)；
[0008]美國專利US6389881公開了一種基于模式匹配濾波技術的實時管道泄漏聲學檢測方法和設備；
[0009]中國專利200720153848.3公開了一種介入式雙傳感器結構聲波氣體泄漏檢測定位技術；
[0010]中國專利200610072879.6公開了一種基于分布式光纖聲學傳感技術檢測管道泄漏定位的方法；[0011]中國專利200710177617.0公開了一種基于壓力信號和聲波信號的泄漏檢測定位技術；
[0012]現(xiàn)有的專利較少涉及非介入式檢測和單傳感器定位，尚沒有發(fā)現(xiàn)基于非介入式次聲波傳感器檢測管道內部介質傳播的泄漏聲波信號或沿管壁傳導的次聲波信號的氣體管道泄漏檢測方面的專利，也沒有發(fā)現(xiàn)基于非介入式次聲波傳感器采集的兩個信號進行定位方面的專利。

【發(fā)明內容】

[0013]有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測和定位系統(tǒng)和方法，實現(xiàn)一種非介入式、可檢測較長距離、有較高檢測靈敏度、投資成本低的氣體管道泄漏檢測方法。
[0014]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測和定位系統(tǒng)，包括非介入式次聲波傳感器、計時器、信號調理器、濾波器、模數(shù)轉換器、數(shù)據(jù)傳輸媒質和中控計算機，所述系統(tǒng)通過磁性基座與管壁的吸附作用固定安裝于氣體管道管壁外側，所述非介入式次聲波傳感器安裝于待測管線上游末端或下游末端，用于采集氣體管道泄漏時沿管壁傳播的次聲波信號和沿管內氣體介質傳播的次聲波信號，所述計時器標記非介入式次聲波傳感器米集到的次聲波信號的時間，所述信號調理器為非介入式次聲波傳感器提供電源并進行信號調理，所述濾波器將次聲波信號中的背景噪音和干擾濾除，所述模數(shù)轉換器將傳感器采集到的電信號轉換為數(shù)字信號，轉換后的數(shù)字信號通過所述數(shù)據(jù)傳輸媒質傳輸至所述中控計算機，進行數(shù)據(jù)存儲和分析。
[0015]在本發(fā)明的較佳實施方式中，所述非介入式次聲波傳感器，包括磁性基座、底座、保護殼、受力隔膜、加速度補償塊、壓電晶體、電極、傳導電路、集成電路放大器、信號輸出端、套筒和保護膜，所述非介入式次聲波傳感器通過磁性基座吸附固定安裝于氣體管道管壁外側，所述底座固定支撐所述非介入式次聲波傳感器；所述保護殼對所述加速度補償塊、所述壓電晶體、所述電極、所述傳導電路、所述集成電路放大器、所述保護膜和所述套筒進行保護，與所述底座采用螺紋進給配合方式，安裝時需要通過旋緊所述保護殼使其緊貼輸氣管道管壁外側；所述受力隔膜連接于所述保護殼上；所述加速度補償塊位于所述壓電晶體的上下兩側，與所述受力隔膜接觸的所述加速度補償塊將所述受力隔膜振動位移轉換為振動加速度作用于所述壓電晶體；所述壓電晶體感測所述加速度補償塊傳遞來的所述受力隔膜振動加速度從而產生變形，進而產生電荷積聚；所述壓電晶體產生的電荷經過所述電極引導產生電流，所述電流流經所述傳導電路和所述集成電路放大器，所述電流經過放大通過所述信號輸出端輸出，所述套筒和所述保護膜對所述壓電晶體和所述加速度補償塊起到固定支撐和保護作用，同時對所述壓電晶體起到絕緣作用。
[0016]一種基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測和定位方法，包括如下步驟:
[0017](I)通過非介入式次聲波傳感器采集氣體管道泄漏時沿管壁傳播的次聲波信號和沿管內氣體介質傳播的次聲波信號；
[0018](2)通過計時器標記非介入式次聲波傳感器采集到的次聲波信號的時間；
[0019](3)通過信號調理器為非介入式次聲波傳感器提供電源并進行信號調理；
[0020](4)通過濾波器將次聲波信號中的背景噪音和干擾濾除；[0021](5)通過模數(shù)轉換器將傳感器采集到的電信號轉換為數(shù)字信號，轉換后的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)傳輸媒質傳輸至中控計算機；
[0022](6)通過中控機判斷管線是否發(fā)生泄漏；
[0023](7)若泄漏，根據(jù)計時器標記的時間得到兩個次聲波信號被非介入式次聲波傳感器采集的時間差，對泄漏位置進行定位，具體過程如下:
[0024]通過管道運行狀況得到次聲波在管內氣體介質中的傳播速度；通過管道材質、管壁厚度得到次聲波在管壁中的傳播速度，將非介入式次聲波傳感器安裝在管線下游末端時，定位算法由以下公式實現(xiàn):
【權利要求】
1.一種基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測定位系統(tǒng)，包括非介入式次聲波傳感器(I)、計時器(2)、信號調理器(3)、濾波器(4)、模數(shù)轉換器(5)、數(shù)據(jù)傳輸媒質(6)和中控計算機(7)，其特征在于，所述系統(tǒng)通過磁性基座與管壁的吸附作用固定安裝于氣體管道管壁外側，所述非介入式次聲波傳感器(I)安裝于待測管線上游末端或下游末端，用于采集氣體管道泄漏時沿管壁傳播的次聲波信號和沿管內氣體介質傳播的次聲波信號，所述計時器(2)標記非介入式次聲波傳感器采集到的次聲波信號的時間，所述信號調理器(3)為非介入式次聲波傳感器提供電源并進行信號調理，所述濾波器(4)將次聲波信號中的背景噪音和干擾濾除，所述模數(shù)轉換器(5)將傳感器采集到的電信號轉換為數(shù)字信號，轉換后的數(shù)字信號通過所述數(shù)據(jù)傳輸媒質(6)傳輸至所述中控計算機(7)，進行數(shù)據(jù)存儲和分析。
2.如權利要求1所述的基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測定位系統(tǒng)，其中，所述非介入式次聲波傳感器(1)，包括磁性基座(101)、底座(102)、保護殼(103)、受力隔膜(104)、加速度補償塊(105)、壓電晶體(106)、電極(107)、傳導電路(108)、集成電路放大器(109)、信號輸出端(110)、套筒(111)和保護膜(112)，所述非介入式次聲波傳感器(I)通過磁性基座(101)吸附固定安裝于氣體管道管壁外側(114)，所述底座(102)固定支撐所述非介入式次聲波傳感器I ;所述保護殼(103)對所述加速度補償塊(105)、所述壓電晶體(106)、所述電極(107)、所述傳導電路(108)、所述集成電路放大器(109)、所述保護膜(111)和所述套筒(112)進行保護，與所述底座(102)采用螺紋(113)進給配合方式，安裝時需要通過旋緊所述保護殼(103)使其緊貼輸氣管道管壁外側(114);所述受力隔膜(104)連接于所述保護殼(103)上；所述加速度補償塊(105)位于所述壓電晶體(106)的上下兩偵牝與所述受力隔膜(104 )接觸的所述加速度補償塊(105 )將所述受力隔膜(104 )振動位移轉換為振動加速度作用于所述壓電晶體(106);所述壓電晶體(106)感測所述加速度補償塊(105)傳遞來的所述受力隔膜(104)振動加速度從而產生變形，進而產生電荷積聚；所述壓電晶體(106)產生的電荷經`過所述電極(107)引導產生電流，所述電流流經所述傳導電路(108)和所述集成電路放大器(109)，所述電流經過放大通過所述信號輸出端(110)輸出，所述套筒(111)和所述保護膜(112)對所述壓電晶體(106)和所述加速度補償塊(105)起到固定支撐和保護作用，同時對所述壓電晶體(106)起到絕緣作用。
3.一種基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測定位方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:通過非介入式次聲波傳感器(I)采集氣體管道泄漏時沿管壁傳播的次聲波信號和沿管內氣體介質傳播的次聲波信號； 步驟2:通過計時器標(2)記非介入式次聲波傳感器采集到的次聲波信號的時間； 步驟3:通過信號調理器(3)為非介入式次聲波傳感器提供電源并進行信號調理； 步驟4:通過濾波器(4)將次聲波信號中的背景噪音和干擾濾除； 步驟5:通過模數(shù)轉換器(5)將傳感器采集到的電信號轉換為數(shù)字信號，轉換后的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)傳輸媒質(6)傳輸至中控計算機(7)； 步驟6:通過中控機(7)判斷管線是否發(fā)生泄漏； 步驟7:若泄漏，根據(jù)計時器(2)標記的時間得到兩個次聲波信號被非介入式次聲波傳感器(I)采集的時間差，對泄漏位置進行定位，具體過程如下: 通過管道運行狀況得到次聲波在管內氣體介質中的傳播速度；通過管道材質、管壁厚度得到次聲波在管壁中的傳播速度，將非介入式次聲波傳感器(I)安裝在管線下游末端時，定位算法由以下公式實現(xiàn):
4.如權利要求3所述的基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測定位方法，其中，所述步驟2中計時器(2)通過采樣點與采樣頻率相除實現(xiàn)或通過外加時鐘實現(xiàn)。
5.如權利要求3所述的基于非介入式傳感器的氣體管道泄漏檢測定位方法，其中，所述步驟6中控計算機(7)安裝以LabVIEW軟件編寫的次聲波信號顯示、濾波、特征提取，泄漏判斷和定位程序，用于判斷是否發(fā)生泄漏。
【文檔編號】F17D5/06GK103672415SQ201310653288
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權日:2013年12月6日
【發(fā)明者】劉翠偉, 李玉星, 李雪潔, 孟令雅, 錢昊鋮, 曹鵬飛, 劉光曉 申請人:中國石油大學(華東)