专利名称：基于声波协同检测的管道震击破坏定位系统及其定位方法
技术领域：
本发明涉及涉及一种基于声波协同检测的管道震击破坏定位系统及其定位方法。
背景技术：
管道输送在工农业生产中应用广泛并在各行各业发挥着重要作用，由于腐蚀、焊缝缺陷、震动及冲刷等原因引起的自然损坏造成的泄漏变得日益严重，一些地区的输油管线的人为破坏偷盗现象时有发生。管道泄漏不仅会影响管道输送的正常进行，造成重大经济损失，而且当输送有毒害、腐蚀性、易燃易爆的介质时，还会污染环境，引起火灾爆炸事故。因此，对管道泄漏的预防及泄漏的及时报警、定位具有极为重要的现实意义。
各种管道泄漏检测方法在管道安全运行中发挥了重要作用，但泄漏检测方法是以管道内流体的流量、压力等状态信号发生了显著变化为基础，已经发生泄漏后才能报警。引发管道泄漏事故的种种原因中，人为破坏管道造成的泄漏已超过腐蚀而位居首位，因此，研究管道刚发生破坏时就能检测定位的预警系统具有重要意义。
研究和利用管道导波规律，采用管道声检测技术对管线运行状态进行监控，能够对传输管线安全运行进行预警防护，当管道震击破坏或发生泄漏时，系统对管道破坏自动检测与诊断，为操作者提供一个反映外部破坏的“震击”警报，能有效遏制人为破坏，最大限度地减少物质漏失及对人民生命财产和环境造成的危害。
发明内容
本发明的目的就是为了解决目前管道泄漏振动检测方法不能及时给出预警信息，不能及时定位，不能有效遏制人为破坏，造成国家财产损失和环境污染等问题，提供一种具有方法简单，使用方便，可准确及时有效的发出报警消息，并进行定位，从而有效保护国家财产，减少了输油管线泄露对环境造成破坏的基于声波协同检测的管道震击破坏定位系统及其定位方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案 一种基于声波协同检测的管道震击破坏定位系统，它包括检测管道，所述检测管道上设有若干个测试点，在每个测试点上安装横波检测传感器和纵波检测传感器，各检测器传感器与上位计算机通讯。
一种基于声波协同检测的管道震击破坏定位方法，它方法为， (1)在管道上根据设计要求设置若干个测试点，在每个测试点安装横波检测传感器和纵波检测传感器； (2)在管道出现异常震动时，与震击点最近的测试点上的横波和纵波检测传感器将接收的声波信号进行处理，确定横波纵波传播时间差； (3)该时间差信号送入上位计算机，一方面与上位计算机中的数据库资料进行比对，确定震击类型，并给出声速差系数k，同时上位计算机利用公式s＝kτ对震击点定位，其中s为震击点距检测点传感器的距离，τ为两传感器收到信号的时间差。
所述步骤(2)中，横波检测传感器对信号的处理过程为，它将接收的信号依次进行信号放大、信号滤波、A/D转换，数字信号处理，利用公式s＝v2t2，其中v2为横波在管壁中的传播速度，t2为声波到达测点传感器的时间，记录横波到达时刻。
所述步骤(2)中，纵波检测传感器对信号的处理过程为，它将接收的信号依次进行信号放大、信号滤波、A/D转换，数字信号处理，利用公式s＝v1t1，其中v1为纵波在管壁中的传播速度，t1为声波到达测点传感器的时间，记录纵波到达时刻。
所述步骤(3)中确定声速差系数k时，事先选定一个震击破坏试验点，设定震击破坏试验点与测试点间的已知距离为s0，然后由两传感器确定收到信号的时间差τ0，利用公式确定声速差系数k。
本发明的定位原理 1声波在管道中的传播方式 管道既是远距离输送物质的通道，同时又是信息传播的媒介，因此可以将其作为遥测和实时故障监测系统中的信息通道。当压力管道发生泄漏或受到震动冲击时，管道发生振动产生声音，声源把振动能量传给周围介质，使介质产生波动，这样声音就能够传播，所以说声音是一种波动。利用钢管道传声，可以得到沿管壁传播的纵波、横波和声表面波。
图2中，管壁固体中的弹性波传播除了能产生体积形变外，还会产生切形变，因此，在固体中一般除了能传播压缩与膨胀的纵波外，同时还能传播横波也称为等容波、剪切波。除此之外，在固体的自由表面还会产生振幅随离表面深度而衰减的表面波。
在管壁中传播时纵波、横波和声表面波的传播速度分别为 纵波波速 横波波速 声表面波波 其中，ρ为固体媒质的密度，E为固体媒质的杨氏模量，σ为媒质的泊松比，g与σ有关。因为在一般固体媒质中有0≤σ≤0.5，因此有cL/cT＞1，也就是说纵波的波速大于横波的波速，例如，钢的泊松比σ＝0.28，纵波声速cL＝5050m/s；横波声速cT＝3200m/s。由于g＜1，所以声表面波传播速度恒小于横波的速度。声表面波在离开表面以后的衰减十分迅速，一般不超过几个波长的深度就几乎不存在了。
从声波的传播机理可知，横波媒质质点的振动会与周围介质发生相互作用，并向外辐射声能，媒质中的横波能量因此而衰减，而在媒质中传播的纵波，在低频段(＜10kHz)只有最低阶波形，最低阶纵向波型是其最重要的波形，其横向位移与纵向位移相比要小得多，纵波能量因此面衰减较慢。对于实际生产中的管道，管壁中传播的径向振动会与周围的支撑体或地层岩石以及管内的流体发生相互作用而辐射声能，使横波能量衰减较严重；纵波在管壁中传播时其径向位移与纵向位移相比要小得多，纵波能量衰减速率相对较慢。
由此可见，管道内流体中的纵波、管壁中的纵波以及近距离的横波是可表征管道震击的参量，提取该信号可用于管道破坏监测与定位。
2声波的检测与声源定位 这里提出了一种在管道上采用两种传感器协同检测的单点定位法，在测点位置同时按照横波和纵波检测传感器，其测量定位原理如图1所示，设震击点距检测点传感器的距离为s，纵波在管壁中的传播速度为v1，声波到达测点传感器的时间为t1，横波在管壁中的传播速度为v2，声波到达测点传感器的时间为t2，两传感器收到信号的时间差τ，则 s＝v1t1(5) s＝v2t2(6) τ＝t2-t1 (7) 将式(5)、(6)带入式(7)解得 令它是与声速差有关的系数，则震击声源距测点的距离s与两种传感器收到信号的时间差τ的关系为 s＝kτ(9) 式中k可以根据v1和v2的理论值或实验值代入式求得。由于影响声速的因素很多，根据声速求算声速差系数k会引起较大的误差。这里，我们事先选定一个震击破坏试验点，震点与测点的距离s0已知，再测量出相应的时间差τ0，便可以直接得到声速差系数 本发明的有益效果是这种方法获得的声速差系数综合了各种因素对管道传声的影响，集中反映了管道的实际工作状况，又具有很高的定位精度。用传感器协同测量同一震动声源两种传输方式的信号的方法，依据声波传播的速度差，能够确定声源的位置。还提出声速差系数的概念，现场实验测量方法获得的声速差系数综合了各种因素对管道传声的影响，集中反映了管道的实际工作状况，实验结果表明，这种方法操作简便又具有很高的定位精度，适用于架空管道的震击检测与定位。
图1为本发明的系统组成示意图； 图2为单点测量的声波示意图； 图3为36m远处击震时两传感器接收到的实测结果图； 图4为84m远处击震时两传感器接收到的实测结果； 图5为本发明的信号处理流程图。
其中，1.管道，2.横波检测传感器，3.纵波检测传感器，4.震击点。
具体实施例方式 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图1中，本发明的系统组成为，它包括检测管道1，检测管道1上设有若干个测试点，在每个测试点上安装横波检测传感器2和纵波检测传感器3，各检测器传感器与上位计算机通讯，通讯方式可为有线或无线方式。
本发明的检测方法为如图5所示 (1)在管道1上根据设计要求设置若干个测试点，在每个测试点安装横波检测传感器2和纵波检测传感器3； (2)在管道1出现异常震动时，与震击点4最近的测试点上的横波和纵波检测传感器将接收的声波信号进行处理，确定横波纵波传播时间差； (3)该时间差信号送入上位计算机，一方面与上位计算机中的数据库资料进行比对，确定震击类型，并给出声速差系数k，同时上位计算机利用公式s＝kτ对震击点定位，其中s为震击点距检测点传感器的距离，τ为两传感器收到信号的时间差。
所述步骤(2)中，横波检测传感器对信号的处理过程为，它将接收的信号依次进行信号放大、信号滤波、A/D转换，数字信号处理，利用公式s＝v2t2，其中v2为横波在管壁中的传播速度，t2为声波到达测点传感器的时间，记录横波到达时刻。
所述步骤(2)中，纵波检测传感器对信号的处理过程为，它将接收的信号依次进行信号放大、信号滤波、A/D转换，数字信号处理，利用公式s＝v1t1，其中v1为纵波在管壁中的传播速度，t1为声波到达测点传感器的时间，记录纵波到达时刻。
所述步骤(3)中确定声速差系数k时，事先选定一个震击破坏试验点，设定震击破坏试验点与测试点间的已知距离为s0，然后由两传感器确定收到信号的时间差τ0，利用公式确定声速差系数k。
图2给出了单点测试的波形图；图3、图4则分别为距测点36m、84m远处击震时两传感器接收到的实测结果。
权利要求
1.一种基于声波协同检测的管道震击破坏定位系统，它包括检测管道，其特征是所述检测管道上设有若干个测试点，在每个测试点上安装横波检测传感器和纵波检测传感器，各检测器传感器与上位计算机通讯。
2.一种采用权利要求1所述基于声波协同检测的管道震击破坏定位系统的定位方法，其特征是它方法为，
(1)在管道上根据设计要求设置若干个测试点，在每个测试点安装横波检测传感器和纵波检测传感器；
(2)在管道出现异常震动时，与震击点最近的测试点上的横波和纵波检测传感器将接收的声波信号进行处理，确定横波纵波传播时间差；
(3)该时间差信号送入上位计算机，一方面与上位计算机中的数据库资料进行比对，确定震击类型，并给出声速差系数k，同时上位计算机利用公式s＝kτ对震击点定位，其中s为震击点距检测点传感器的距离，τ为两传感器收到信号的时间差。
3.根据权利要求2所述的基于声波协同检测的管道震击破坏定位方法，其特征是所述步骤(2)中，横波检测传感器对信号的处理过程为，它将接收的信号依次进行信号放大、信号滤波、A/D转换，数字信号处理，利用公式s＝v2t2，其中v2为横波在管壁中的传播速度，t2为声波到达测点传感器的时间，记录横波到达时刻。
4.根据权利要求2所述的基于声波协同检测的管道震击破坏定位方法，其特征是所述步骤(2)中，纵波检测传感器对信号的处理过程为，它将接收的信号依次进行信号放大、信号滤波、A/D转换，数字信号处理，利用公式s＝v1t1，其中v1为纵波在管壁中的传播速度，t1为声波到达测点传感器的时间，记录纵波到达时刻。
5.根据权利要求2所述的基于声波协同检测的管道震击破坏定位方法，其特征是所述步骤(3)中确定声速差系数k时，事先选定一个震击破坏试验点，设定震击破坏试验点与测试点间的已知距离为S0，然后由两传感器确定收到信号的时间差τ0，利用公式确定声速差系数k。
全文摘要
本发明公开了一种基于声波协同检测的管道震击破坏定位系统及其定位方法。它具有方法简单，使用方便，报警及时，定位准确，减少财产损失，降低环境污染等优点。其方法为(1)在管道上根据设计要求设置若干个测试点，在每个测试点安装横波检测传感器和纵波检测传感器；(2)在管道出现异常震动时，与震击点最近的测试点上的横波和纵波检测传感器将接收的声波信号进行处理，确定横波纵波传播时间差；(3)该时间差信号送入上位计算机，一方面与上位计算机中的数据库资料进行比对，确定震击类型，并给出声速差系数k，同时上位计算机利用公式s＝kτ对震击点定位，其中s为震击点距检测点传感器的距离，τ为两传感器收到信号的时间差。
文档编号F17D5/00GK101206010SQ200710115348
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者艾长胜, 赵洪华, 初文杰 申请人:济南大学