專利名稱：基于微波技術(shù)的輸氣管道泄漏檢測(cè)定位方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于微波技術(shù)的輸氣管道泄漏檢測(cè)定位方法與系統(tǒng)屬于輸氣管道泄漏、裂紋故障狀態(tài)的檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
使用管道運(yùn)輸流體是一種經(jīng)濟(jì)方便的運(yùn)輸方式，和其他運(yùn)輸方式相比，它具有高效率，安全經(jīng)濟(jì)，對(duì)環(huán)境影響小，節(jié)約人力物力和便于管理控制等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因此在石油，天然氣以及其他燃?xì)廨斔椭姓加兄匾牡匚?。但是由于管道設(shè)備老化，地理和氣候條件的影響以及人為破壞等原因經(jīng)常會(huì)造成泄漏事故的發(fā)生。
天然氣管道一旦泄漏，不僅會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，還會(huì)發(fā)生火災(zāi)和爆炸，造成人員傷亡事故。目前，我國(guó)地域環(huán)境和氣候變化情況復(fù)雜增加了管網(wǎng)的復(fù)雜性，使得檢漏定位技術(shù)難度大；我國(guó)的輸氣管道(包括輸油管道)以犯罪分子偷盜氣(油)居多，盜氣點(diǎn)經(jīng)偽裝難以發(fā)現(xiàn)，因而對(duì)漏點(diǎn)定位的精度要求高；目前的部分泄漏檢測(cè)定位技術(shù)還需要在沿途布置測(cè)點(diǎn)或者需要信號(hào)傳輸線路，這不僅增加了實(shí)施的困難，更易成為犯罪分子破壞的目標(biāo)。因此，對(duì)輸氣管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)并進(jìn)行泄漏定位，保障其安全運(yùn)行是十分必要的。
由于氣體具有可壓縮性、摩阻小、管輸壓力高、壓力波動(dòng)無(wú)規(guī)律性大、流速快等特點(diǎn)，致使氣體長(zhǎng)輸管線的泄漏檢測(cè)技術(shù)相對(duì)液體管線難度要大一些。我國(guó)管道工業(yè)的發(fā)展起步較晚，泄漏檢測(cè)技術(shù)相對(duì)落后。目前主要靠巡管工沿管道進(jìn)行實(shí)際觀察，無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)泄漏事故。國(guó)外管道工程學(xué)者盡管作過(guò)許多工作，但令人滿意的方法并不多，尤其是成熟的氣體長(zhǎng)輸管線泄漏檢測(cè)方法更少?，F(xiàn)有的輸氣管道泄漏檢測(cè)法大致分成四類一類是基于磁通、渦流、攝像等投球技術(shù)的管內(nèi)檢測(cè)法，稱作管道爬行機(jī)或PIG。該方法定位準(zhǔn)確、但它對(duì)管道條件要求較高，實(shí)際使用時(shí)容易發(fā)生堵塞、停運(yùn)等事故且無(wú)法在線監(jiān)測(cè)；第二類是基于管線壓力、溫度、流量、振動(dòng)等運(yùn)行參數(shù)的外部檢測(cè)法，應(yīng)用較多的有流量差、壓力差、負(fù)壓波以及聲波法，這類方法費(fèi)用較低并且可以連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，但定位精度低，極易受到泵站內(nèi)的工況擾動(dòng)(壓力和流量)，造成泄漏事故的漏報(bào)、誤報(bào)率高，真正意義上的工程應(yīng)用還需作大量的工作。而基于管道模型的方法，雖然理論意義上比較適合，但是實(shí)際的管道模型很難準(zhǔn)確獲得，并且隨著管道的長(zhǎng)年使用，部分管道參數(shù)還會(huì)發(fā)生變化，致使定位和檢測(cè)的結(jié)果發(fā)生很大的誤差。
第三類是針對(duì)人工巡檢開(kāi)發(fā)的許多輔助手段，如便攜式/車載式紅外、激光氣體探測(cè)器、泄漏噪聲探測(cè)器等儀器以及專門訓(xùn)練的動(dòng)物等以及某些針對(duì)特定輸送介質(zhì)的電纜、光纖檢測(cè)法。
第四類是與本發(fā)明申請(qǐng)最接近的基于電磁波的檢測(cè)技術(shù)，分為離線檢測(cè)和在線檢測(cè)兩種方法。
專利名稱管道系統(tǒng)組成部分的電磁波檢查方法，公開(kāi)號(hào)1141673，
公開(kāi)日1997.01.29，日本東京都提出了由發(fā)送裝置的發(fā)送天線在檢查對(duì)象管道系統(tǒng)的管道內(nèi)激勵(lì)電磁波并使其在管內(nèi)傳播，同時(shí)使接收裝置的接收天線在外部沿著管道移動(dòng)，接收泄漏的電磁波而對(duì)管道系統(tǒng)的組成部分進(jìn)行檢查，根據(jù)接收裝置接收的電磁波電平達(dá)到峰值時(shí)接收天線的位置檢測(cè)出檢查對(duì)象管道上發(fā)生的腐蝕孔或裂紋等損傷部位或接頭等的位置。
該專利雖然能很好地解決部分輸氣管道的泄漏和裂紋檢測(cè)，但是該方法具有以下缺點(diǎn)[1]不能對(duì)輸氣管道進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，必需由人工沿管道巡檢，十分不方便；[2]只能對(duì)地面上的管道巡檢，不能對(duì)埋地的地下輸氣管道檢測(cè)泄漏和裂紋，而我國(guó)目前的油氣田和輸氣管道，基本上都是地下管道輸送，所以，該方法不適合我國(guó)的實(shí)際情況。
專利名稱管道防護(hù)泄漏檢測(cè)裝置及方法，公開(kāi)號(hào)1293366，
公開(kāi)日2001.05.02，中國(guó)用于檢測(cè)管道缺損、破裂、泄漏、管道結(jié)構(gòu)特征；其原理是應(yīng)用電磁波在管道內(nèi)輻射，利用管道裂縫、孔洞和管道結(jié)構(gòu)特征對(duì)電磁波反射的原理檢測(cè)管道運(yùn)行概況。發(fā)射天線和接受天線都固定在管道壁內(nèi)，當(dāng)管道缺損、破裂、泄漏或結(jié)構(gòu)形式變化時(shí)，接收到的電磁波將包含有相應(yīng)的特征信息。對(duì)接收到的電磁波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理就可以確定管道缺損、破裂、泄漏、管道結(jié)構(gòu)特征。
該專利提出的輸氣管道在線泄漏監(jiān)測(cè)方案具有一下缺點(diǎn)[1]并未提出如何具體檢測(cè)管道中不同形狀(縱向和橫向裂紋)分布的裂紋，以及復(fù)雜彎曲管道的情況；[2]該方法提出，將微波源激勵(lì)出的TE波轉(zhuǎn)換為高階TE波，但又提出管道內(nèi)TE基模極不穩(wěn)定，在跨越裂縫和孔洞時(shí)，產(chǎn)生新的激勵(lì)電場(chǎng)，使原來(lái)的電場(chǎng)退化為高階模，在管道的裂縫或孔洞上下游都設(shè)有接收天線，通過(guò)對(duì)反射和發(fā)射電磁波的時(shí)間差以及裂縫和孔洞反射電磁波的波形模式退化高階模式的測(cè)定，來(lái)檢測(cè)管道內(nèi)的破損和裂縫位置以及尺寸。方法中既然已經(jīng)將TE波轉(zhuǎn)換為高階TE波，所以管道內(nèi)很難存在TE基模式；另外由于管道的實(shí)際分布、以及裂縫或孔洞的形狀尺寸很難確定，所以反射回來(lái)的模式很難具體確定為何種模式。[3]由于微波在輸氣管道內(nèi)的衰減很大，該方法并未提出如何解決微波衰減造成的管道檢測(cè)距離有限的問(wèn)題。[4]該方法并未給出如何有效檢測(cè)管道的微小裂紋，因?yàn)槲⑿×鸭y對(duì)管道內(nèi)微波傳輸模式的影響很小。[5]專利2中的電磁波接收發(fā)射器的原理框圖中很難對(duì)管道中孔洞和裂紋激勵(lì)發(fā)射的其它模式進(jìn)行檢測(cè)，接收電路部分還缺少必要的輔助電路，如第一本振電路。[6]專利2中并未指出采用連續(xù)波，掃頻波還是調(diào)制波的方式向管道內(nèi)發(fā)射微波。[7]專利2中未考慮必要的微波接收發(fā)射裝置隔離防爆措施。[8]專利2中未給出如何保證微波在正常狀況下的單模工作和衰減小的措施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種基于微波技術(shù)的輸氣管道泄漏檢測(cè)定位方法與系統(tǒng)，該方法與系統(tǒng)能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用微波模式變化檢測(cè)出管道中大的橫向裂紋和縱向裂紋的位置，利用反射系數(shù)模與相位的改變，以及反射波和散射波功率變化來(lái)確定小裂紋、小裂縫、以及孔洞、毛刺等，可在長(zhǎng)距離管道上設(shè)置多個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，從而防止微波衰減造成的影響。
下面先介紹基于微波技術(shù)的輸氣管道缺陷檢測(cè)原理簡(jiǎn)介金屬圓形管道可視為引導(dǎo)電磁波的圓波導(dǎo)。根據(jù)電磁波傳播理論，微波在波導(dǎo)中的傳播規(guī)律主要取決于波的頻率、模式、波導(dǎo)橫截面形狀、尺寸和波導(dǎo)中介質(zhì)的特性。當(dāng)以上任意一個(gè)參數(shù)變化時(shí)，電磁波的傳播特性將發(fā)生改變。如果管道中某處存在缺陷、裂紋、孔洞和其它物質(zhì)的沉積，將在此處產(chǎn)生波的反射和散射。如果波在管道中是以單模傳輸?shù)?，?dāng)在管道中存在裂紋、裂縫時(shí)，由于這些裂紋、裂縫會(huì)截?cái)啾肀谏系母袘?yīng)電流，因此，電磁場(chǎng)的分布將發(fā)生畸變，管道中將出現(xiàn)其它高次模傳播，同時(shí)也將改變波在管道中的傳播特性。
設(shè)管道半徑為a，將金屬視為理想導(dǎo)體構(gòu)成的圓波導(dǎo)(即σ＝∞)。當(dāng)在此管道傳播TE01模，則管道中的電磁場(chǎng)分布為EΦ=-jωμ0a3.82HmJ1(3.832ar)ej(ωt-βz)---(1-1)]]>Hr=jβα3.82HmJ1(3.832a)ej(ωt-βz)---(1-2)]]>Hz=HmJ0(3.832ar)ej(ωt-βz)---(1-3)]]>Er＝Ez＝HΦ＝0(1-4)由導(dǎo)體與空氣的邊界條件Js＝n×H|s可得管道內(nèi)表壁上的感應(yīng)電流為JΦ=HmJ0(3.832)ej(ωt-βz)-----(2)]]>若在內(nèi)管壁上存在縱向裂紋、裂縫，這些裂縫將截?cái)鄡?nèi)管壁電流。其結(jié)果是波將在此處發(fā)生反射和散射，TE01模的場(chǎng)分布將發(fā)生改變，管道中除傳播TE01模外。還有其它高次模存在。則通過(guò)檢測(cè)TE01模在管道中傳播時(shí)模式的改變可以判斷管道內(nèi)是否存在縱向裂紋、裂縫(及沿管道軸向分布的裂紋、裂縫)。
若在此管道中傳播TM01模，則管道中的電磁場(chǎng)分布為Er=jωa2.405EmJ1(2.405ar)ej(ωt-βz)----(3-1)]]>
Ez=EmJ0(2.405ar)ej(ωt-βz)----(3-2)]]>HΦ=jωϵa2.405EmJ1′(2.405ar)ej(ωt-βz)----(3-3)]]>EΦ＝Hr＝Hz＝0(3-4)由于在管壁附近磁場(chǎng)只有HΦ分量，因此管壁電流只有Jz分量，其內(nèi)表壁上磁場(chǎng)的感應(yīng)電流為J=azjωϵa2.405EmJ1′(2.405)ej(ωt-βz)---(4)]]>顯然，任何aΦ方向的裂紋、裂縫將截?cái)鄡?nèi)表壁上的感應(yīng)電流。其結(jié)果是波將在此處發(fā)生反射和散射，TM01模的場(chǎng)分布將發(fā)生改變，管道中除傳播TM01模外，還有其它高次模存在。則通過(guò)檢測(cè)TM01模在管道中傳播時(shí)模式的改變可以判斷管道內(nèi)是否存在橫向裂紋、裂縫(及沿管道徑向分布的裂紋、裂縫)。
一般說(shuō)來(lái)，管道內(nèi)壁上裂紋的取向是任意的，我們可以將其分解為橫向分量和縱向分量，并分別在管道中傳播TE01模和TM01模。通過(guò)檢測(cè)其模式變化來(lái)檢測(cè)其橫向分量和縱向分量的存在，從而確定管道中裂紋、裂縫的存在和取向。
如圖1所示，若將調(diào)制的微波脈沖分別以TE01模和TM01模從A端射入金屬管道中，金屬管道的另一端接匹配負(fù)載。設(shè)在B點(diǎn)存在缺陷，則調(diào)制波脈沖在B點(diǎn)受到反射。對(duì)于TE01模，其截止波長(zhǎng)λC＝1.640a，則波導(dǎo)中波的相速為vP=c1-(λ/1.640a)2----(5)]]>通過(guò)測(cè)量調(diào)制波脈沖往返一周所需時(shí)間Δt可計(jì)算出縱向裂紋、裂縫的位置，即Δl=vPΔt2=cΔt21-(λ/1.640a)2----(6)]]>對(duì)于TM01模，其截止波長(zhǎng)λC＝2.620a，則波導(dǎo)中波的相速為vP=c1-(λ/2.620a)2-----(7)]]>通過(guò)測(cè)量調(diào)制波脈沖往返一周所需時(shí)間Δt可計(jì)算出橫向裂紋、裂縫的位置，即Δl=vPΔt2=cΔt21-(λ/2.620a)2---(8)]]>這里，c為光速，λ為調(diào)制波的波長(zhǎng)。
傳播波模式的變化不僅與裂紋的取向和長(zhǎng)短有關(guān)，而且與裂紋的深度有關(guān)。電磁波在金屬表面上的感應(yīng)電流不是分布在絕對(duì)表面上的，而是分布在一個(gè)薄層之中。根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)，電磁波在金屬中隨穿透深度按指數(shù)規(guī)律衰減，其感應(yīng)的電流也隨穿透深度按指數(shù)規(guī)律衰減，即J＝J0e-azej(ωt-βz)(9)其中，J0為導(dǎo)體表面上的感應(yīng)電流值，a=πfμσ]]>為導(dǎo)體對(duì)電磁波的衰減常數(shù)。由此可見(jiàn)，金屬表面上的裂紋越深，則截?cái)嗟母袘?yīng)電流越多，因此對(duì)傳播模式的改變也就越大。
對(duì)于尺寸較小的表壁裂紋，由于其截?cái)嗟母袘?yīng)電流較少，裂紋對(duì)傳播波模式的影響較小，因此不能用傳播的模式改變來(lái)判斷管道中的小裂紋、裂縫，但這些小裂紋、小裂縫會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生散射，這時(shí)需用散射波法來(lái)檢測(cè)。
管道內(nèi)表壁上的金屬異物多為體積較小的金屬結(jié)晶體或小的金屬毛刺。小的金屬結(jié)晶體可以視為半徑很小的金屬球，小的金屬毛刺可視為半徑很小的金屬圓柱。當(dāng)電磁波照射到這些小金屬球和小金屬圓柱體上時(shí)將發(fā)生散射。電磁波對(duì)半徑為a的導(dǎo)體球的遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)為Eθc=E0e-jkrkrcosΦΣn=1∞an[cnddθPn′(cosθ)+dnPn′(cosθ)sinθ]-----(10-1)]]>EΦc=-jE0e-jkrkrsinΦΣn=1∞an[dnddθPn′(cosθ)+cnPn′(cosθ)sinθ]----(10-2)]]>Hθc=jE0e-jkrkrηsinΦΣn=1∞an[dnddθPn′(cosθ)+cnPn′(cosθ)sinθ]-----(10-3)]]>HΦc=jE0e-jkrkrηcosΦΣn=1∞an[cnddθPn′(cosθ)dnPn′(cosθ)sinθ]-----(10-4)]]>遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)的平均功率為s=12Re(Es×Hs3)=12Re(EθsHΦs3-EΦsHθs3)ar-------(11)]]>理論和實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于半徑為a的導(dǎo)體小球，產(chǎn)生明顯散射時(shí)對(duì)應(yīng)于一確定的頻率，此時(shí)，其半徑a與波長(zhǎng)λ的關(guān)系為Ka≈1，K＝2π/λ，λ為波長(zhǎng) (12)因此，可以在終端接匹配負(fù)載時(shí)，在入射端通過(guò)提取散射波功率來(lái)檢測(cè)金屬管道中的異物。對(duì)于管道內(nèi)毛刺檢測(cè)，其檢測(cè)原理與上述相同。小裂紋、裂縫也通過(guò)提取散射波功率來(lái)檢測(cè)。
通常，管道內(nèi)存在缺陷時(shí)，微波反射波的反射系數(shù)的模隨缺陷程度的增加而單調(diào)地增長(zhǎng)，當(dāng)缺陷的尺寸為零時(shí)，反射系數(shù)的模也為零。因此測(cè)量反射系數(shù)模值的方法只能用于檢測(cè)尺寸較大的缺陷；反射系數(shù)的相位對(duì)管道的缺陷特別敏感，當(dāng)缺陷的厚度為零時(shí)，反射系數(shù)的相位發(fā)生突變。所以可以用測(cè)量反射系數(shù)相位的方法確定缺陷的存在，尤其是當(dāng)缺陷的尺寸很小時(shí)，該方法特別有效。反射系數(shù)的模和相角都因缺陷的引入而發(fā)生改變，且改變量隨工作頻率而變化。缺陷對(duì)反射系數(shù)的模的影響較??；反射系數(shù)的相角對(duì)缺陷非常敏感，在某些頻率上，相位之差可以達(dá)到±π。
基于上述原理，可通過(guò)檢測(cè)以下信息來(lái)判斷管道中的裂紋、裂縫和內(nèi)表面金屬異物，需提取的特征信號(hào)有1、管道中TE01模和TM01模；2、反射波的反射系數(shù)模和相角；3、穿過(guò)入射點(diǎn)截面的反射波功率Pr或散射波功率Ps；4、調(diào)制波脈沖從入射點(diǎn)到缺陷處，經(jīng)反射后再回到入射點(diǎn)所需的時(shí)間Δt。
本方法的特征在于它由監(jiān)控中心工控機(jī)控制執(zhí)行以下步驟1)初始化監(jiān)控中心工控機(jī)給定TE01模微波的模式改變超限閾值，TM01模微波的模式改變超限閾值；反射系數(shù)模的超限閾值，反射系數(shù)相角的超限閾值；反射波和/或散射波功率超限閾值；2)啟動(dòng)微波源向管道交替發(fā)射TE01和TM01單模式微波，所述微波的頻率是保證微波在管道中單模式傳輸，并且使得反射或散射功率最大的敏感頻率；3)接收傳播模式檢測(cè)器檢測(cè)到的TE01和TE01波的模式；接收反射系數(shù)模和相角檢測(cè)器檢測(cè)到的反射系數(shù)模與相角值；接收功率計(jì)檢測(cè)到的反射波功率或散射波功率；4)當(dāng)上述TE01和TM01波的模式檢測(cè)值超過(guò)其改變超限閾值，或反射系數(shù)模與相角的檢測(cè)值超過(guò)其改變超限閾值，或上述反射波功率或散射波功率超過(guò)其超限閾值時(shí)，啟動(dòng)微波源發(fā)射脈沖調(diào)制波對(duì)管道進(jìn)行掃描；5)獲取脈沖往返檢測(cè)器檢測(cè)到的脈沖調(diào)制微波入射和接到反射的時(shí)間差Δt，并計(jì)算缺陷所在位置ΔlΔl=cΔt21-(λ/1.640a)2,]]>當(dāng)發(fā)射TE01模微波時(shí)；或Δl=cΔt21-(λ/2.620a)2,]]>當(dāng)發(fā)射TM01模微波時(shí)；其中，c為光速，λ為調(diào)制波的波長(zhǎng)，a為待測(cè)管道的半徑，Δl為管道入口到缺陷之間的距離。
所述反射波和散射波功率超限閾值等于所發(fā)射的TE01和TM01單模式微波功率的5％。
本系統(tǒng)的特征在于它含有微波發(fā)射和接收單元，檢測(cè)單元和監(jiān)控中心；其中，微波發(fā)射和接收單元含有通過(guò)同軸電纜依次連接的微波源、電控衰減器、功率放大器、雙向耦合器，以及和所述雙向耦合器依次用同軸電纜互連的隔離防爆裝置、波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換器，矩-圓波導(dǎo)過(guò)濾器；所述矩-圓波導(dǎo)過(guò)濾器連接過(guò)渡接頭，所述過(guò)渡接頭另一端連接待測(cè)管道的輸入端；所述微波源的控制端連接監(jiān)控中心；檢測(cè)單元含有兩個(gè)傳播模式檢測(cè)器，分別裝在待測(cè)管道有效檢測(cè)長(zhǎng)度的兩端，該檢測(cè)器含有沿管道徑向安裝，用于檢測(cè)TE01模的開(kāi)路環(huán)形探針，和沿著管道軸向安裝，用于檢測(cè)TM01模的閉合小耦合環(huán)；在管道有效檢測(cè)長(zhǎng)度的尾端還裝有用于防止微波反射的匹配負(fù)載；所述開(kāi)路環(huán)形探針和閉合小耦合環(huán)的信號(hào)輸出端依次連接隔離防爆用的安全柵、和含有A/D轉(zhuǎn)換器、控制模塊和串行通訊接口的數(shù)據(jù)采集終端RTU，所述數(shù)據(jù)采集終端RTU通過(guò)有線或無(wú)線方式連接所述監(jiān)控中心；反射系數(shù)模和相角檢測(cè)器，其參考信號(hào)輸入端通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號(hào)輸出端，其信號(hào)輸入端通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號(hào)輸出端，其輸出端連接監(jiān)控中心；功率計(jì)，用于檢測(cè)由管道反射或散射回來(lái)的微波功率，其輸入端通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的功率輸出端，其輸出端連接監(jiān)控中心；脈沖往返時(shí)間檢測(cè)器，用于檢測(cè)脈沖調(diào)制波發(fā)射和接到反射波的時(shí)間差，其參考信號(hào)輸入端通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號(hào)輸出端，其信號(hào)輸入端通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號(hào)輸出端，其輸出端連接監(jiān)控中心；監(jiān)控中心含有一臺(tái)工控機(jī)，控制微波發(fā)射和接收單元、接收檢測(cè)單元上傳的檢測(cè)數(shù)據(jù)、計(jì)算管道中缺陷的位置Δl。
所述反射系數(shù)模和相角檢測(cè)器含有一個(gè)用于檢測(cè)反射系數(shù)模的Wiltron560A標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀，和一個(gè)用于檢測(cè)反射系數(shù)相角的HP8408S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，所述Wiltron560A標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和HP8408S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的參考信號(hào)輸入端分別通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號(hào)輸出端，其信號(hào)輸入端分別通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號(hào)輸出端，其輸出端分別連接監(jiān)控中心。
實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明能夠有效的識(shí)別輸氣管道中是否存在缺陷，并能夠準(zhǔn)確定位缺陷的位置，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1輸氣管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)示意圖；圖2基于微波技術(shù)的輸氣管道泄漏檢測(cè)與定位方法流程3開(kāi)路環(huán)形探針?lè)胖梦恢檬疽鈭D；201管道；202環(huán)形探針環(huán)圖4閉合小耦合環(huán)放置示意圖；301管道；302閉合小耦合圖5(a)RCM2200模塊中的Rabbit芯片的中斷引腳圖；圖5(b)RCM2200模塊中的Rabbit芯片的中斷邏輯圖；圖5(c)入射與反射調(diào)制脈沖波時(shí)間差示意圖；圖6用于傳輸模式檢測(cè)器的RTU數(shù)據(jù)采集與傳輸示意圖；圖7(a)反射強(qiáng)度與缺陷裂紋程度的關(guān)系圖；圖7(b)反射相位與缺陷裂紋程度的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式一、檢測(cè)方法結(jié)合圖2的檢測(cè)與定位方法流程示意圖，整個(gè)系統(tǒng)的工作流程由監(jiān)控中心進(jìn)行控制，過(guò)程如下1啟動(dòng)微波源、各個(gè)檢測(cè)與測(cè)量單元模塊；在整個(gè)系統(tǒng)工作之前，還應(yīng)該進(jìn)行如下工作1、當(dāng)管道形狀和分布比較規(guī)則時(shí)，TE01波和TM01波的模式改變超限閾值、反射功率超限閾值、散射功率超限閾值理論上都應(yīng)為0。但由于實(shí)際管道的分布形狀復(fù)雜多變，即使無(wú)缺陷故障時(shí)，管道仍然會(huì)對(duì)入射微波有一定程度的反射、散射、以及模式改變。所以，需要在檢測(cè)前，通過(guò)對(duì)管道無(wú)故障初始狀態(tài)的檢測(cè)，分別設(shè)置TE01波和TM01波的模式改變超限閾值，反射功率超限閾值、散射功率超限閾值。初始狀態(tài)的檢測(cè)是在安裝本系統(tǒng)時(shí)，一般均認(rèn)為管道中沒(méi)有缺陷，此時(shí)可通過(guò)在管道的入射端和出射端的r＝0處提取模式變化信號(hào)。首先測(cè)試金屬管道中傳播的TE01模，用開(kāi)路環(huán)形電探針提取到的感應(yīng)電壓值，即為該管道的當(dāng)前TE01模閾值；然后再測(cè)試管道中傳播的TM01模，用小耦合環(huán)提取到的感應(yīng)電流值，即為該管道的當(dāng)前TM01模閾值。
2、針對(duì)特定尺寸(管道半徑)的管道，找出合適的頻率點(diǎn)，保證微波在該管道中能單模傳播且功率衰減相對(duì)最小。關(guān)于如何根據(jù)具體的管道確定一個(gè)滿足上述要求的微波傳輸頻率，可以通過(guò)比對(duì)“管徑-衰減特性曲線”以及“管徑-截止頻率曲線”來(lái)確定。詳細(xì)的內(nèi)容可參閱有關(guān)的微波原理介紹文獻(xiàn)，也可參閱以下文獻(xiàn)中的曲線關(guān)系介紹如文獻(xiàn)[1]Kawahara N.Experimental wireless micromachine for inspection on innersurface of tube，The third International Micromachine Symposium，1997.137-140；(Kawahara N，用于管道內(nèi)表面檢測(cè)的試驗(yàn)無(wú)線微機(jī)器人，第三屆國(guó)際微機(jī)器人研討會(huì)，1997.137-140)文獻(xiàn)[2]Sasaya T，Shibata T，Kawahara N.Microwave energy supply in-pipe micromachine.The fourth International Micromachine Symposium，1998.159-164；(Sasaya T，Shibata T，Kawahara N，管道內(nèi)微機(jī)器人的微波無(wú)線供能，第四屆國(guó)際微機(jī)器人研討會(huì)，1998.159-164)文獻(xiàn)[3]Mcspadeen J O，Yoo T，Chang K.Theoretical and experimental investigation ofrectenna element for microwave power transmission.IEEE Trans.Microwave Theory Thec，1992，MT-40(12)(Mespadeen J O，Yoo T，Chang K.，微波功率傳輸?shù)墓枵鞫O管天線的理論與試驗(yàn)研究，IEEE Trans.Microwave Theory Thec，1992，MT-40(12))3、因?yàn)榉瓷洳ê蜕⑸洳üβ逝c微波的頻率有關(guān)。在系統(tǒng)啟動(dòng)之前，還應(yīng)用掃頻源，找出一個(gè)微波頻率范圍，也就是在該頻率范圍下，測(cè)量的反射波和散射波功率達(dá)到最大。
將2和3測(cè)得的頻率范圍取交集，在交集范圍內(nèi)的任意一個(gè)頻率，均可作為敏感頻率點(diǎn)。以后在工作時(shí)，就對(duì)該敏感頻率點(diǎn)進(jìn)行模式檢測(cè)和功率測(cè)量。
工作時(shí)的入射微波功率一般要考慮現(xiàn)場(chǎng)的防爆問(wèn)題，無(wú)特殊取值范圍。
裂紋、裂縫的尺寸與反射波和散射波功率成正比，大量實(shí)驗(yàn)證明，在敏感頻率附近，反射波和散射波功率占入射波功率5％時(shí)，通常，管道中會(huì)出現(xiàn)裂紋、裂縫。如果管道中微波的傳輸模式變化較大，則功率計(jì)所測(cè)的功率主要為反射波功率，如果管道中波的模式幾乎沒(méi)有變化，則功率計(jì)所測(cè)得為散射波功率。如下式介紹設(shè)Thresh_TE為TE波的模式改變超限閾值，Thresh_TM為TM波的模式改變超限閾值，VTE為檢測(cè)TE波模式改變的感應(yīng)電壓，ITM為檢測(cè)TM波模式改變的感應(yīng)電流。
當(dāng)VTE≥2Thresh_TE或ITM≥2Thresh_TM，則功率計(jì)所測(cè)的功率主要為反射波功率。
當(dāng)Thresh_TE≤VTE≤2Thresh_TE或Thresh_TM≤ITM≤2Thresh_TM，則功率計(jì)所測(cè)的功率為散射波功率。
通常，在一個(gè)實(shí)際的、非理想狀態(tài)下的管道中，反射波和散射波是幾乎并存于管道中的。所以嚴(yán)格意義上，應(yīng)該將兩者的閾值合為一個(gè)閾值，即應(yīng)該反射波與散射波超限閾值。為了便于分析是微小裂紋，還是較大裂紋，有時(shí)會(huì)將兩者分開(kāi)討論。在本發(fā)明中，檢測(cè)反射波與散射波的功率僅僅是為了得知管道中是否有缺陷，因此不必將反射波與散射波超限閾值分開(kāi)設(shè)定。
4、反射系數(shù)模與相角的超限閾值的確定微波在實(shí)際的管道中傳輸時(shí)，還是會(huì)存在不同程度的反射波，所以需要對(duì)反射系數(shù)模和相角的超限閾值進(jìn)行標(biāo)定。以后如果檢測(cè)值超過(guò)了閾值，則管道中存在缺陷。閾值的確定與TE01波和TM01波的模式改變超限閾值類似，在安裝本系統(tǒng)時(shí)就進(jìn)行，檢測(cè)器件采用Wiltron560A標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀，和HP8408S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，分別檢測(cè)反射系數(shù)模和閾值，并將其作為檢測(cè)的超限閾值。
2并行地執(zhí)行TE波和TM波傳播模式檢測(cè)、反射系數(shù)模與相角檢測(cè)、反射波功率與散射波功率檢測(cè)；上述3個(gè)模塊用于檢測(cè)被監(jiān)測(cè)輸氣管道是否存在泄漏故障。三個(gè)模塊同時(shí)并發(fā)執(zhí)行，采用不同的檢測(cè)方法來(lái)判斷。當(dāng)3個(gè)模塊中任意一個(gè)模塊的檢測(cè)閾值發(fā)生超限報(bào)警，則立即啟動(dòng)脈沖調(diào)制波掃描進(jìn)行定位；若無(wú)報(bào)警，則進(jìn)行下一個(gè)周期的檢測(cè)。
3啟動(dòng)脈沖調(diào)制波掃描進(jìn)行定位；該模塊在上述3個(gè)模塊的任一個(gè)發(fā)生閾值超限報(bào)警后啟動(dòng)，由微波源向管道中發(fā)射脈沖調(diào)制微波，然后用脈沖往返時(shí)間檢測(cè)器檢測(cè)被管道缺陷處反射回來(lái)的回波到達(dá)時(shí)間Δt，利用公式進(jìn)行計(jì)算Δl=vPΔt2=cΔt21-(λ/1.640a)2]]>當(dāng)發(fā)射TE01模微波時(shí)；或Δl=vPΔt2=cΔt21-(λ/2.620a)2]]>當(dāng)發(fā)射TM01模微波時(shí)；
得到管道泄漏或缺陷的具體位置Δl，即從管道入口到缺陷位置的距離。調(diào)制波實(shí)質(zhì)上是指將微波調(diào)制為脈沖，以配合脈沖往返時(shí)間檢測(cè)器檢測(cè)反射波的脈沖邊沿，對(duì)于調(diào)制波的頻率沒(méi)有特殊要求，只要能滿足脈沖往返時(shí)間檢測(cè)器的檢測(cè)分辨率就可。調(diào)制脈沖的持續(xù)時(shí)間最好小于1秒，以免反射波與入射波形成駐波，影響反射脈沖邊沿檢測(cè)的精度。
二、檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)“矩形-圓形波導(dǎo)過(guò)濾器”沿著被測(cè)金屬圓形輸氣管道(相當(dāng)于傳輸波導(dǎo))的軸線方向接入，它包括微波發(fā)射和接收單元；檢測(cè)單元包括微波傳輸模式變化檢測(cè)器、反射系數(shù)模與相角檢測(cè)器、反射波與散射波功率測(cè)量器、脈沖往返時(shí)間檢測(cè)器；監(jiān)測(cè)中心。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)裝置基本上位于管道的一端(上游端或下游端)，考慮到微波沿管道傳輸?shù)墓β仕p，在管道沿途，每隔一定的距離(依微波的頻率、發(fā)射功率、管道幾何尺寸而定的有效檢測(cè)距離)布置-套本檢測(cè)裝置。
1、微波發(fā)射和接收單元包括微波源、電控衰減器、功率放大器、雙向耦合器、隔離防爆裝置、波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換器、矩形-圓形波導(dǎo)過(guò)渡器、過(guò)渡接頭。該單元負(fù)責(zé)向輸氣管道中發(fā)射用于檢測(cè)管道泄漏的微波，同時(shí)接收由輸氣管道反射或散射回來(lái)的微波，并傳給相應(yīng)的檢測(cè)器進(jìn)行處理。下面一一進(jìn)行介紹 微波源接收監(jiān)控中心的控制，產(chǎn)生用于檢測(cè)的微波信號(hào)； 電控衰減器與功率放大器用于調(diào)整和控制微波信號(hào)的功率，在系統(tǒng)啟動(dòng)之前先調(diào)好； 雙向耦合器如圖1，雙向耦合器的用途(1)將微波源產(chǎn)生的微波傳輸?shù)酱郎y(cè)金屬輸氣管道；(2)將微波源產(chǎn)生的參考信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)的檢測(cè)和測(cè)量單元；(3)將從輸氣管道反射和散射回來(lái)的微波信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)的檢測(cè)和測(cè)量單元； 隔離防爆裝裝置用于油氣田現(xiàn)場(chǎng)的電氣隔離防爆安全裝置； 波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換器矩形-圓形波導(dǎo)過(guò)渡器之前的微波信號(hào)是通過(guò)同軸電纜傳遞的，波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換器用于將微波傳輸介質(zhì)由同軸電纜轉(zhuǎn)換為矩形波導(dǎo)； 矩形-圓形波導(dǎo)過(guò)渡器將微波傳輸介質(zhì)由矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換為圓形波導(dǎo)； 過(guò)渡接頭連接圓形波導(dǎo)與不同口徑管道的過(guò)渡接頭； 此外，還需要在管道有效檢測(cè)長(zhǎng)度的終端，接入終端匹配負(fù)載，防止無(wú)故障時(shí)，引起反射波產(chǎn)生，影響測(cè)量結(jié)果。
2、微波傳輸模式變化檢測(cè)器在管道有效檢測(cè)長(zhǎng)度的入口端(上游)和出口端(下游)各沿著徑向放置一個(gè)開(kāi)路環(huán)形探針，用于微波TE01模式變化的提取，見(jiàn)圖3。在管道徑向r＝0處，電場(chǎng)強(qiáng)度EΦ的變化若未超過(guò)閾值，說(shuō)明管道中模式?jīng)]有改變，則管道中沒(méi)有縱向裂紋；如果EΦ的變化超過(guò)閾值，則說(shuō)明管道中一定存在其它模式的反射波和散射波模式，即有管道中存在缺陷。同樣在管道有效檢測(cè)長(zhǎng)度的入口端(上游)和出口端(下游)各沿著軸向放置一個(gè)閉合小耦合環(huán)，用于微波TM01模式變化的提取，見(jiàn)圖4，如果在管道徑向r＝0處，磁場(chǎng)強(qiáng)度HΦ的變化未超過(guò)閾值，說(shuō)明管道中模式?jīng)]有改變，則管道中沒(méi)有橫向裂紋；如果EΦ的變化超過(guò)閾值，則說(shuō)明管道中一定存在其它模式的反射波和散射波模式，即有管道中存在缺陷。圖1所示的傳播模式檢測(cè)器包含由開(kāi)路環(huán)形探針和閉合小耦合環(huán)，開(kāi)路環(huán)形探針實(shí)際檢測(cè)得到的物理量為管道入口端(上游)和出口端(下游)的r＝0處的感應(yīng)電壓值，閉合小耦合環(huán)實(shí)際檢測(cè)得到的物理量為管道入口端和出口端的r＝0處的感應(yīng)電流值。電壓(電流)可表征該處的EΦ和HΦ值，兩者的輸出端連接到監(jiān)控中心，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行處理。開(kāi)路環(huán)形探針與閉合小耦合環(huán)二者的測(cè)量點(diǎn)之間的距離根據(jù)管道的具體長(zhǎng)度而定，一般為20cm～100cm。
將開(kāi)路環(huán)形探針與閉合小耦合環(huán)采集的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流輸入到A/D數(shù)據(jù)采集芯片的模擬量輸入端口，然后經(jīng)過(guò)控制模塊控制和串行通訊接口，將信號(hào)以無(wú)線數(shù)字?jǐn)U頻電臺(tái)或微波專線方式或以太網(wǎng)方式傳到監(jiān)控中心。本發(fā)明采用以ZWord公司的RCM2300控制芯片作為核心處理芯片的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端RTU(Remote Terminal Unit)，見(jiàn)圖6。該RTU含有A/D轉(zhuǎn)換卡，RCM2300模塊，RCM2300具備RS232接口，可用電臺(tái)、微波專線等方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。也可采用RCM2200模塊，該模塊可以通過(guò)以太網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。
本發(fā)明所采用的RTU系統(tǒng)的輸出端口類型是RS232。信號(hào)輸出的格式和時(shí)間間隔可以由用戶通過(guò)編程器設(shè)定。監(jiān)控中心每隔20秒向RTU發(fā)送上傳數(shù)據(jù)命令，RTU發(fā)送的數(shù)據(jù)包含有過(guò)去20秒內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過(guò)具有RS232接口的數(shù)字電臺(tái)廣播出去，數(shù)據(jù)包內(nèi)包括過(guò)去20秒內(nèi)的管道上下游數(shù)據(jù)。
RTU主要系列的基本技術(shù)指標(biāo)為模擬量輸入，8路；AD轉(zhuǎn)換器分辨率12位，采樣速率不低于50ms；脈沖量輸入6路，光電隔離輸入，最小汲取電流不大于2毫安；RS232接口；外形尺寸145×90×38(I型，外接直流24V電源)45×90×72(II型，外接交流220V電源)；工作溫度范圍-40～85℃由于油田和長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)的泵站均屬于防爆要求很高的區(qū)域，圖6中的RTU必需通過(guò)安全柵隔離防爆設(shè)備連接到管道上下游的開(kāi)路環(huán)形探針與閉合小耦合環(huán)。
3、反射系數(shù)模與相角檢測(cè)器如圖1所示，在雙向耦合器的參考信號(hào)和微波反射信號(hào)輸出端連接反射系數(shù)模和相角檢測(cè)器。反射系數(shù)模和相角檢測(cè)器包括一個(gè)Wiltron560A標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀，和一個(gè)HP8408S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。反射系數(shù)模的檢測(cè)可以用Wiltron560A標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的駐波測(cè)試器測(cè)量，用HP8408S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分析反射系數(shù)相角。
4、功率計(jì)用于檢測(cè)反射波與散射波功率。如圖1所示，管道終端接匹配負(fù)載，若管道中無(wú)裂紋、裂縫和其它金屬異物，則在入射端沒(méi)有反射信號(hào)。因此，可用功率計(jì)在入射端測(cè)量反射波或散射波的功率。微波功率測(cè)量的儀器市場(chǎng)上的品種有很多，如Marconi公司的6960A型微波功率計(jì)，該功率計(jì)具有GPIB接口，可以很方便地與監(jiān)測(cè)工控機(jī)通信。至于其它的型號(hào)，這里就不介紹了。具體的測(cè)量方法和原理還可以參閱以下文獻(xiàn)[1]李景春，牛剛，黃嘉，微波信號(hào)功率頻譜分析儀測(cè)量方法，無(wú)線通信，No.3，2003[2]沈曉燕，張廣，甄蜀春，微波虛擬時(shí)頻分析儀的分析與設(shè)計(jì)，宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，Vol.23，No.2，20035、脈沖往返時(shí)間檢測(cè)器當(dāng)上述的微波傳輸模式變化檢測(cè)器、反射系數(shù)模與相角檢測(cè)器、反射波與散射波功率檢測(cè)器中的任意一個(gè)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)管道中存在泄漏故障時(shí)，則啟動(dòng)脈沖往返時(shí)間檢測(cè)器進(jìn)行泄漏位置的定位。脈沖往返時(shí)間檢測(cè)器采用時(shí)間比較器，如圖5(a)所示的時(shí)間比較器采用Zword公司的運(yùn)行μC-OS2嵌入式操作系統(tǒng)的RabbitCore RCM2200microprocessor模塊作為主處理器，將入射的微波調(diào)制脈沖信號(hào)與反射回來(lái)的脈沖信號(hào)分別輸入到RCM2200的PE0和PE1端口，也就是RCM2200的外部中斷輸入端口INT0A(PE0)和INT1A(PE1)。然后通過(guò)嵌入式C語(yǔ)言編寫(xiě)RCM2200單片機(jī)中斷服務(wù)程序，通過(guò)比較兩個(gè)外部中斷INT0A和INT1A的發(fā)生時(shí)間間隔，就可以計(jì)算出上述兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差Δt。關(guān)于RCM2200的詳細(xì)介紹以及程序設(shè)計(jì)請(qǐng)參閱Zword公司的“RabbitCoreRCM2200 User’s Manual”和“Dynamic C User’s Manual”技術(shù)文檔。以上的硬件只是其中一種選擇，系統(tǒng)可以根據(jù)需要，選擇其它類型的芯片、模塊和操作系統(tǒng)。圖5(b)是RCM2200模塊中的Rabbit芯片的中斷邏輯；圖5(c)是入射與反射調(diào)制脈沖波時(shí)間差示意圖。
6、監(jiān)測(cè)中心本發(fā)明采用一臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的所有調(diào)度工作，包括啟動(dòng)微波源；啟動(dòng)各個(gè)檢測(cè)器，并與這些檢測(cè)器通信，獲取檢測(cè)結(jié)果，以及進(jìn)行一些必要的數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)。
三、測(cè)試結(jié)果1、基于傳輸模式變化檢測(cè)選半徑30mm的鐵質(zhì)無(wú)縫鋼管和同樣的鋼管次品作為被測(cè)樣品。對(duì)于無(wú)縫的優(yōu)質(zhì)鋼管，在入射端和出射端的r＝0處提取模式變化信號(hào)。當(dāng)鋼管中傳播TE01模時(shí)，用開(kāi)路環(huán)形電探針不能提取到感應(yīng)電壓；當(dāng)鋼管中傳播TM01模時(shí)，用小耦合環(huán)也不能提取到感應(yīng)電流，這說(shuō)明管內(nèi)傳播的模式?jīng)]有改變。在次品鋼管中，當(dāng)入射端發(fā)射功率為500mW的TE01模微波時(shí)，用開(kāi)路環(huán)形電探針提取的感應(yīng)電壓VTE01＝12.78(mV)，當(dāng)鋼管中傳播入射端發(fā)射功率為500mW的TM01模微波時(shí)，用小耦合環(huán)提取的感應(yīng)電流i＝207μA(以上結(jié)果是f＝5GHz～12GHz中測(cè)得的最大值)。
將f1＝1MHz的矩形波調(diào)制f2＝12GHz的正弦波作為調(diào)制波，并以TE01模射入鋼管，次品鋼管終端接匹配負(fù)載，由時(shí)間比較器給出的反射波較入射調(diào)制波的時(shí)差為Δt＝7.85ns，由式(8)可算出缺陷在距輸入端56.2cm處。再將次品鋼管終端接匹配負(fù)載，測(cè)得輸入端反射波和散射波功率P＝38mW。
將被測(cè)樣品鋼管在l＝56.2cm處鋸斷，發(fā)現(xiàn)在距離鋸口2.5cm處有一條長(zhǎng)約3mm的裂紋。
2、基于反射系數(shù)模和相角檢測(cè)在鐵質(zhì)無(wú)縫鋼管的同一位置處模擬0.1～2mm范圍內(nèi)的缺陷裂紋。用Wiltron560A標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的駐波測(cè)試器560-97N50-1，檢測(cè)反射強(qiáng)度與缺陷裂紋程度的關(guān)系，測(cè)量結(jié)果如圖7(a)所示；用HP8408S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量反射相位與缺陷裂紋程度的關(guān)系，測(cè)量結(jié)果如圖7(b)所示。圖中實(shí)線為理論計(jì)算的結(jié)果，“+”號(hào)表示實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，橫坐標(biāo)表示缺陷的寬度，單位為毫米，微波工作頻率在12GHz。由下圖可以看出，理論分析的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果相當(dāng)一致。
由上述兩種方法的實(shí)驗(yàn)情況可看出，該方法用于檢測(cè)金屬管道中的裂紋、裂縫的存在和位置是可行的。
本發(fā)明所提出的方法，在信號(hào)采集方面借鑒了現(xiàn)代微波通信技術(shù)的原理，合理設(shè)計(jì)檢測(cè)傳感的位置，采用了微波模式變化檢測(cè)、反射系數(shù)模與相角變化檢測(cè)、反射波和散射波功率的檢測(cè)三者并行判斷管道內(nèi)是否由缺陷存在，然后計(jì)算缺陷距離，使檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
權(quán)利要求
1.基于微波技術(shù)的輸氣管道泄漏檢測(cè)定位方法，其特征在于，它由監(jiān)控中心工控機(jī)控制執(zhí)行以下步驟1)初始化監(jiān)控中心工控機(jī)給定TE01模微波的模式改變超限閾值，TM01模微波的模式改變超限閾值；反射系數(shù)模的超限閾值，反射系數(shù)相角的超限閾值；反射波和/或散射波功率超限閾值；2)啟動(dòng)微波源向管道交替發(fā)射TE01和TM01單模式微波，所述微波的頻率是保證微波在管道中單模式傳輸，并且使得反射或散射功率最大的敏感頻率；3)接收傳播模式檢測(cè)器檢測(cè)到的TE01和TM01波的模式；接收反射系數(shù)模和相角檢測(cè)器檢測(cè)到的反射系數(shù)模與相角值；接收功率計(jì)檢測(cè)到的反射波功率或散射波功率；4)當(dāng)上述TE01和TM01波的模式檢測(cè)值超過(guò)其改變超限閾值，或反射系數(shù)模與相角的檢測(cè)值超過(guò)其改變超限閾值，或上述反射波功率或散射波功率超過(guò)其超限閾值時(shí)，啟動(dòng)微波源發(fā)射脈沖調(diào)制波對(duì)管道進(jìn)行掃描；5)獲取脈沖往返檢測(cè)器檢測(cè)到的脈沖調(diào)制微波入射和接到反射的時(shí)間差Δt，并計(jì)算缺陷所在位置ΔlΔl=cΔt21-(λ/1.640a)2,]]>當(dāng)發(fā)射TE01模微波時(shí)；或Δl=cΔt21-(λ/2.620a)2,]]>當(dāng)發(fā)射TM01模微波時(shí)；其中，c為光速，λ為調(diào)制波的波長(zhǎng)，a為待測(cè)管道的半徑，Δl為管道入口到缺陷之間的距離。
2.如權(quán)利要求1所述的基于微波技術(shù)的輸氣管道泄漏檢測(cè)定位方法，其特征在于所述反射波和散射波功率超限閾值等于所發(fā)射的TE01和TM01單模式微波功率的5％。
3.基于微波技術(shù)的輸氣管道泄漏檢測(cè)定位系統(tǒng)，其特征在于，它含有微波發(fā)射和接收單元，檢測(cè)單元和監(jiān)控中心；其中，微波發(fā)射和接收單元含有通過(guò)同軸電纜依次連接的微波源、電控衰減器、功率放大器、雙向耦合器，以及和所述雙向耦合器依次用同軸電纜互連的隔離防爆裝置、波導(dǎo)—同軸轉(zhuǎn)換器，矩—圓波導(dǎo)過(guò)濾器；所述矩—圓波導(dǎo)過(guò)濾器連接過(guò)渡接頭，所述過(guò)渡接頭另一端連接待測(cè)管道的輸入端；所述微波源的控制端連接監(jiān)控中心；檢測(cè)單元含有兩個(gè)傳播模式檢測(cè)器，分別裝在待測(cè)管道有效檢測(cè)長(zhǎng)度的兩端，該檢測(cè)器含有沿管道徑向安裝，用于檢測(cè)TE01模的開(kāi)路環(huán)形探針，和沿著管道軸向安裝，用于檢測(cè)TM01模的閉合小耦合環(huán)；在管道有效檢測(cè)長(zhǎng)度的尾端還裝有用于防止微波反射的匹配負(fù)載；所述開(kāi)路環(huán)形探針和閉合小耦合環(huán)的信號(hào)輸出端依次連接隔離防爆用的安全柵、和含有A/D轉(zhuǎn)換器、控制模塊和串行通訊接口的數(shù)據(jù)采集終端RTU，所述數(shù)據(jù)采集終端RTU通過(guò)有線或無(wú)線方式連接所述監(jiān)控中心；反射系數(shù)模和相角檢測(cè)器，其參考信號(hào)輸入端通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號(hào)輸出端，其信號(hào)輸入端通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號(hào)輸出端，其輸出端連接監(jiān)控中心；功率計(jì)，用于檢測(cè)由管道反射或散射回來(lái)的微波功率，其輸入端通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的功率輸出端，其輸出端連接監(jiān)控中心；脈沖往返時(shí)間檢測(cè)器，用于檢測(cè)脈沖調(diào)制波發(fā)射和接到反射波的時(shí)間差，其參考信號(hào)輸入端通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號(hào)輸出端，其信號(hào)輸入端通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號(hào)輸出端，其輸出端連接監(jiān)控中心；監(jiān)控中心含有一臺(tái)工控機(jī)，控制微波發(fā)射和接收單元、接收檢測(cè)單元上傳的檢測(cè)數(shù)據(jù)、計(jì)算管道中缺陷的位置Δl。
4.如權(quán)利要求3所述的基于微波技術(shù)的輸氣管道泄漏檢測(cè)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述反射系數(shù)模和相角檢測(cè)器含有一個(gè)用于檢測(cè)反射系數(shù)模的Wiltron560A標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀，和一個(gè)用于檢測(cè)反射系數(shù)相角的HP8408S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，所述Wiltron560A標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和HP8408S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的參考信號(hào)輸入端分別通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號(hào)輸出端，其信號(hào)輸入端分別通過(guò)同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號(hào)輸出端，其輸出端分別連接監(jiān)控中心。
全文摘要
基于微波技術(shù)的輸氣管道泄漏檢測(cè)定位方法與系統(tǒng)屬于輸氣管道泄漏、裂紋故障狀態(tài)的檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，它是往管道中發(fā)射TE
文檔編號(hào)G01N22/02GK1584562SQ200410048038
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月11日
發(fā)明者呂琛, 葉昊, 王桂增 申請(qǐng)人:清華大學(xué)