专利名称：基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种管道泄漏检测定位装置及检测方法，属于输气管道故障诊断与流动安全保障技术领域，主要功能是对长输天然气管道进行实时检测并区分外部干扰影响， 准确识别泄漏信号，并对管线泄漏位置进行精确定位，以保障输气管道安全生产运营。
背景技术：
根据对国内外现行的输气管道泄漏检测和定位方法的调研发现，泄漏检测和定位方法主要集中在基于负压波法、瞬态模型法、声波泄漏检测法几个方面，国内外主要的专利有以下几项。美国专利US6389881公开了一种基于音波法管道泄漏检测和定位方法。该方法通过捕捉由于泄漏引起的音波震荡，并通过波形模式匹配滤波方法排除外界干扰，以降低误报率、增加系统灵敏度。中国专利200710097721. 9公开了一种基于动态低频技术的管道泄漏检测仪及方法，该方法采用可调量程的动态压力传感器检测泄漏引起的管线首末站的动态压力变化 (4-lOHz内信号)，提高了测量较小压力变化量的精度，区分出泄漏信号，并利用GPS检测信号到达上下游时间，进行泄漏定位。中国专利200710177617. 0公开了一种基于压力和声波信息融合的泄漏检测方法，该方法分别采集管道上下游压力和声波信号(0. 2-20Hz内)，经过数据滤波、特征级融合和决策级融合三个层次的处理获得最终检测结果，并利用基于相关分析、小波分析等融合的定位方法进行泄漏定位，提高了泄漏检测的准确性和定位精度。中国实用新型专利200820078616.0公开了一种音波泄漏检测定位装置，装置主要工作流程为，现场的声学传感器的声学信号经前置放大器放大，并经过模数转换传送到中心服务器，进行泄漏特征分析，实现泄漏检测。采用嵌入式PC+数据采集卡+GPS精确授时，成本低，性能较好。以上专利技术，其核心原理均为采集泄漏产生的声波信号，且基本上均采集次声频段(< 20Hz)，采用的设备名称不一，但均为检测声波信号在管内引起的压力扰动，即检测管内动态压力的变化。但以上各专利，在采集信号的对象及处理方法上都存在一定问题， 主要表现在以下几个方面(1)泄漏信号的次声和可听声的低频部分均可以作为泄漏检测的特征频段，且均可以远传，而以上专利，均只研究信号的次声部分，忽略了可听声低频部分，不利于信号特征提取，易引起误报。(2)以上专利均未明确提出如何准确的排除外界干扰(如压缩机启停、阀门开关、 管线敲击等)问题，美国专利虽提出了采用模式匹配的滤波方法，但需要在现场每一个处理器建立大型波形数据库以进行比对，并且每个现场处理器需要配备原始记录在现场电脑中的数据信息，使其现场处理器的结构复杂，造价较高，不利于现场开展。
(3)定位方法上大都采用GPS时间同步方法计算时间差，基本均未考虑温度、压力等对传播速度的影响，定位不够精确。(4)以上专利均未提出音波传感器合适的安装距离，只是简单的提出安装在管线上、下游或首、末站，但当站与站之间距离较大，管线沿途状况较复杂时，低频信号也会大量衰减，因此需给出合适的安装距离。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置和方法，以排除外界信号干扰，准确区分泄漏音波信号，站内操作等外部干扰信号及正常音波信号，并实现传感器的合理安装和精确定位。为达到上述目的，本发明的技术方案如下基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测及定位装置硬件部分包括传感器组、现场数据采集处理器、GPS接收器、通信网络、中心数据汇集处理器和监控主机。装置基本连接关系为在现场待测点的管壁上开孔安装传感器组，采集音波数据和常规数据，传感器组与现场数据采集处理器通过屏蔽线相连实现模数转换，现场数据采集处理器上安装有 GPS接收器，将处理后的数字信号打上时间标签通过通信网络传输至中心数据汇集处理器， 并通过监控主机实时检测。由音波传感器、压力传感器、质量流量计、温度传感器组成成套传感器组，在要进行泄漏检测管段的起、终点分别安装一套传感器组，起、终点均采集音波信号和压力、流量、 温度信号，除质量流量计外，每个传感器分别通过在管线上开孔，直接与管道里面的气体接触安装，质量流量计需截断管线安装，安装顺序无要求，各传感器之间距离0. 5 lm。现场数据采集处理器位于传感器组附近，它由常规数据处理模块和音波数据处理模块组成，两个模块均由前置放大设备、I/V板、稳压电源、模拟滤波器和数据采集卡组成， 从传感器组来的数据先通过现场数据采集处理器上的数据接口与前置放大设备连接，然后依次经过I/V板、模拟滤波器、数据采集卡出现场数据采集处理器，以上控件在处理器内部通过屏蔽线顺序连接，稳压电源正极与传感器接入现场数据采集处理器正极相连，负极连接I/V板的负极，为传感器组提供电源。采集到的音波信号经传感器组转变成电信号后， 通过屏蔽线与现场数据采集处理器的音波数据处理模块相连，经过前置放大设备将信号放大，其输出端与I/V板相连，将电流信号转换为电压信号，然后经模拟滤波器滤除高频噪声后，经动态数据采集卡转换成数字信号后出现场数据采集处理器。同样，采集到的压力、流量、温度常规数据，经传感器组转变成电信号后，通过屏蔽线与现场数据采集处理器的常规数据处理模块相连，经过前置放大器放大，其输出端与I/V板相连，将电流信号转换成电压信号，后经模拟滤波器滤除高频噪音后，经常规数据采集卡转化为数字信号出现场数据采集处理器，稳压电源提供传感器组所需要的直流电压。从现场数据采集处理器传出的音波数据和常规数据通过安装在现场数据采集处理器上的GPS接收器，打上GPS时间标签，由通信网络传至中心数据汇集处理器。通信网络为专用的卫星网络或专用的光纤网络，安装在现场数据采集处理器和中心数据汇集处理器上的GPS接收器，通过通信网络实现数据通信和同步。中心数据汇集处理器由包括核心数据模型处理软件的服务器为数据处理中心，可以通过数据线与监控主机相连，从而实时显示和处理采集到的信号，并进行远程监测、数据保存、声光报警、历史数据回放、参数设置、管理权限。现场应用时，对装有SCADA系统的现场监控设备，不需要安装常规数据传感器及现场数据采集器的常规数据采集模块，只需建立常规数据采集系统和SCADA系统的数据接口，实现常规数据共享。基于常规数据和音波信号的泄漏检测和定位方法的软件部分在于，首先采用小波变换法对音波信号进行背景噪音滤除，然后分别采用时域分析、频域分析、时频联合分析方法对音波信号进行分析，提取其时域、频域及时频域特征，并与外界干扰信号(压缩机、阀门、敲击等外界工况)时域、频域及时频域特征进行对比，结合常规数据(流量、压力)变化情况，排除外界干扰工况，实现泄漏判断，并采用基于GPS时间同步法和互相关法的改进的定位方法进行泄漏定位，最终实现泄漏检测和定位，其具体实现步骤如下(1)利用音波传感器和常规数据传感器组分别采集管线两端的音波信号和压力、 流量、温度常规信号，经现场数据采集处理器实现模数转换后，打上GPS时间标签，由通讯网络传至中心数据汇集处理器，音波数据的采样范围为Ο-lOOHz，常规数据的采样频率为 IOOHz。(2)对采集到的音波信号进行小波变换以滤除管线背景噪音影响，小波变换的参数为选取sym8小波，进行5尺度分解，运用rigrsure规则和二次多项式算法进行处理；根据采集到的常规数据(压力、流量、温度)从中心数据汇集处理器更新相应的音波信号数据库，包括泄漏音波信号、外部干扰音波信号的时域、频域、时频域特征信息，将其作为实时数据的参比对象。(3)对采集到的音波信号在线进行时域、频域及时频联合分析，并与数据库提供的泄漏信号及干扰信号的特征信息进行比较，判断是否有泄漏产生；时域分析的方法为，分别求取实时音波信号和数据库中信号的时域特征的相关函数，相关函数值最大的工况即认为是实际发生的工况，时域特征量有波形与幅值、信号均值、均方值、均方根值、偏度和峰度、 互协方差、累加差分、均值差分、峰值差分；频域分析包括频谱分析、功率谱密度估计分析； 时频联合分析是通过短时傅里叶变换提取时频3D信息；通过音波信号的时域、频域和时频域联合分析，以及采集到的常规数据进行对比分析，进一步排除外部干扰影响，这是基于不同的外部工况下，常规数据变化情况不同引起的；音波数据和常规数据联合判别依据如表 1所示，音波时域、频域及时频域特征判别依据见表2。表1音波数据和常规数据联合判别依据表
权利要求
1.一种基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置，包括传感器组、现场数据采集处理器、GPS接收器、通信网络、中心数据汇集处理器和监控主机，其特征是在现场待测管线段的起点和终点管壁上开孔分别安装一套传感器组，同时采集音波数据和常规流量、压力、温度数据，传感器组由音波传感器、压力传感器、质量流量计和温度传感器组成，各传感器之间的安装间距为0. 5 1米；现场数据采集处理器由常规数据处理模块和音波数据处理模块组成，置于传感器组附近，传感器组与现场数据采集处理器通过屏蔽线相连实现模数转换，现场数据采集处理器上安装有GPS接收器，将处理后的数字信号打上时间标签通过通信网络，传输至中心数据汇集处理器，并通过监控主机实时检测。
2.如权利要求1所述的基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置，其特征在于所述的常规数据处理模块和音波数据处理模块均由前置放大设备、I/V板、稳压电源、模拟滤波器和数据采集卡组成，从传感器接收的数据先通过现场数据采集处理器上的数据接口与前置放大设备将连接，然后依次经过I/V板、模拟滤波器、数据采集卡出现场数据采集处理器，以上控件在处理器内部通过屏蔽线顺序连接，稳压电源正极与传感器接入现场数据采集处理器正极相连，负极连接I/V板的负极，为传感器提供电源。
3.如权利要求1所述的基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置，其特征在于中心数据汇集处理器由包括核心数据模型处理软件的服务器为数据处理中心，通过数据线在监控主机上实时显示和处理采集到的信号，并进行远程监测、数据保存、声光报警、历史数据回放、参数设置、管理权限。
4.如权利要求1所述的基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置，其特征在于通信网络为卫星网络或光纤网络，安装在现场数据采集处理器和中心数据汇集处理器上的GPS接收器，通过通信网络实现数据通信和同步。
5.如权利要求1所述的基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置，其特征在于音波数据和常规数据按以下方式传输(1)音波数据的传输——采集到的音波信号经传感器组转变成电信号后，通过屏蔽线与现场数据采集处理器的音波数据处理模块相连，经过前置放大设备将信号放大，其输出端与I/V板相连，将电流信号转换为电压信号，然后经模拟滤波器滤除高频噪声后，经动态数据采集卡转换成数字信号后出现场数据采集处理器；稳压电源提供动态压力传感器所需要的直流电压；从现场数据采集处理器传出的音波数据，通过安装在现场数据采集处理器上的GPS接收器，打上GPS时间标签，由通信网络传至中心数据汇集处理器，通过核心数据模型处理软件进行泄漏识别和定位；(2)常规数据的传输——采集到的常规流量、压力、温度数据，经传感器组转变成电信号后，通过屏蔽线与现场数据采集处理器的常规数据处理模块相连，经过前置放大器放大， 其输出端与ΙΛ板相连，将电流信号转换成电压信号，后经模拟滤波器滤除高频噪音后，经常规数据采集卡转化为数字信号出现场数据采集处理器，稳压电源提供传感器组所需要的直流电压；从现场数据采集处理器传出的常规数据通过安装在现场数据采集处理器上的 GPS接收器，打上GPS时间标签，由通信网络传至中心数据汇集处理器，通过核心数据模型处理软件进行泄漏识别和定位。
6.利用如权利要求1所述的泄漏检测及定位装置进行输气管道泄漏检测和定位的方法，其特征在于分别采集管线上、下游的音波数据和常规流量、压力及温度数据，采用小波变换法对采集到的音波信号进行背景噪音滤除，然后分别利用时域分析、频域分析、时频联合分析方法对音波信号进行分析，提取其时域、频域和时频域特征，结合流量、压力数据变化情况，排除外界干扰，实现泄漏信号特征提取，并采用基于相关分析法和GPS同步时间法的改进定位方法进行泄漏定位，具体实现步骤如下(1)利用音波传感器和由质量流量计、压力传感器、温度传感器组成的常规数据传感器组分别采集管线两端的音波信号和常规压力、流量、温度信号，经现场数据采集处理器实现模数转换后，打上GPS时间标签，由通讯网络传至中心数据汇集处理器，音波数据的采样范围为O-lOOHz，常规数据的采样频率为IOOHz ；(2)在中心数据汇集处理器对采集到的音波信号进行小波变换以滤除管线背景噪音， 小波变换的参数为选取sym8小波，进行5尺度分解，运用rigrsure规则和二次多项式算法进行处理；根据采集到的压力、流量和温度常规数据从中心数据汇集处理器更新相应的音波信号数据库，包括泄漏音波信号、外部干扰音波信号的时域、频域及时频域特征信息， 将其作为实时数据的参比对象；(3)对采集到的音波信号在线进行时域、频域及时频联合分析，并与数据库提供的泄漏信号及干扰信号的特征信息进行比较，判断是否有泄漏产生；时域分析的方法为，分别求取实时音波信号和数据库中信号的时域特征的相关函数，相关函数值最大的工况即认为是实际发生的工况，时域的特征量有波形与幅值、信号均值、均方值、均方根值、偏度和峰度、互协方差、累加差分、均值差分、峰值差分；频域分析包括频谱分析、功率谱密度估计分析；时频联合分析是通过短时傅里叶变换提取时频3D信息；通过音波信号的时域、频域和时频域联合分析，以及采集到的常规数据进行对比分析，进一步排除外部干扰影响；(4)采用基于GPS时间同步法和互相关法的改进定位方法进行泄漏定位，改进的定位公式为
7.根据权利要求6所述的输气管道泄漏检测及定位方法，其特征在于音波信号在管32ξ 32ξ δ3ξ 道中的衰减模型为=+其解为ξ — J^e-aVxeji^-kx) + β6αηχ^{ω -kx)，其中，波数" = j";〔i+,…2、Wfia；幅值的衰减公式为Α Α -αηΧ其中^7因此，通过以上公式建立音波在管内介质中的传播A = A0erC0\ P0理论模型，在确定管道运行工况及传感器参数已知的情况下，给出泄漏音波信号的理论最大传输距离，指导音波传感器的现场安装。
全文摘要
本发明公开了一种基于常规数据和音波信号的输气管道泄漏检测定位装置及方法。检测装置包括传感器组、现场数据采集处理器、GPS接收器、通信网络、中心数据汇集处理器和监控主机；检测方法为分别采集管线上、下游的音波数据和流量、压力及温度常规数据，利用小波变换对音波数据滤除背景噪音，结合常规数据分别识别音波信号的时域、频域及时频域特征以排除外界干扰，实现泄漏信号特征提取，并采用基于相关分析法和GPS同步时间法的改进定位方法进行泄漏定位，根据音波信号的传播模型给出音波传感器的理论安装距离。常规数据可以与现场SCADA系统建立接口，只需在管线上、下游安装音波传感器，投资较小，设备灵敏度高，适应性强。
文档编号F17D1/02GK102563361SQ201210014699
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月18日 优先权日2012年1月18日
发明者付俊涛, 刘翠伟, 刘超, 孟令雅, 彭红伟, 李玉星, 王武昌, 赵方生 申请人:中国石油大学(华东)