管道泄漏虚拟声波检测方法及系统与流程

本发明涉及管道泄漏检测领域，特别是涉及一种管道泄漏虚拟声波检测方法及系统。

背景技术：

在管道泄漏监测中，负压波法和声波法是目前国内外应用最广的两种方法，工程实施简便、成本低廉，具有完善的理论基础和丰富的现场应用实例。声波法对泄漏检测具有较高灵敏度和定位精度。负压波法则适用于压力下降较明显的泄漏检测，泄漏检测灵敏度低、定位误差大，但能实现管道输送过程中压力变化的实时监测。如果在管道两端同时安装压力变送器和声波信号变送器，势必增加设备成本和信息资源开销。在管道输送过程中，如果在不实际安装声波信号变送器的前提下，既能实现压力的实时监测，又能实现泄漏的高灵敏度检测，还能节省系统成本和信息通信资源，实际应用价值巨大。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统方案不能既实现压力的实时监测，又实现泄漏的高灵敏度检测的问题，提供一种管道泄漏虚拟声波检测方法。

一种管道泄漏虚拟声波检测方法，包括以下步骤：

获取管道上游压力信号和管道下游压力信号；

将所述管道上游压力信号和所述管道下游压力信号转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号；

若所述管道上游虚拟声波信号和所述管道下游虚拟声波信号中都检测出异常信号，则进行泄漏定位和报警。

在一个实施例中，所述将所述管道上游压力信号和所述管道下游压力信号转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号，包括：

建立声波信号变送器的数学模型并离散化；

将实测压力信号输入到声波信号变送器的数学模型，获得虚拟声波信号。

在一个实施例中，所述将所述管道上游压力信号和所述管道下游压力信号转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号，包括：

建立声波信号变送器数学模型，所述声波信号变送器数学模型包括：声波传感器数学模型、电荷放大电路数学模型和信号调理变送电路数学模型三个子模型；

通过所述声波传感器数学模型，将管道上游压力信号和管道下游压力信号转换为管道上游电荷信号和管道下游电荷信号；

通过所述电荷放大电路数学模型，将管道上游电荷信号和管道下游电荷信号放大并转换为管道上游电压信号和管道下游电压信号；

通过所述信号调理变送电路数学模型将管道上游电压信号和管道下游电压信号转换为4-20ma标准电流信号输出，此标准电流信号分别通过采样电阻转换得到管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号。

在一个实施例中，所述通过所述信号调理变送电路数学模型将管道上游电压信号和管道下游电压信号转换为4-20ma标准电流信号输出，并分别通过采样电阻转换得到管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号，包括：

对管道上游电压信号和管道下游电压信号进行放大处理，得到放大后的管道上游电压信号和管道下游电压信号；

对所述放大后的管道上游电压信号和管道下游电压信号进行低通滤波处理，得到滤波后的管道上游电压信号和管道下游电压信号；

对所述滤波后的管道上游电压信号和管道下游电压信号进行电压/电流转换变送处理，得到管道上游4-20ma标准电流输出信号和管道下游4-20ma标准电流输出信号，并分别通过采样电阻转换得到管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号。

在一个实施例中，将所述管道上游压力信号和所述管道下游压力信号转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号，包括：

建立声波信号变送器数学模型并离散化，得到声波信号变送器的离散化数学模型h(z)，h(z)＝h1(z)*ha(z)，其中，该声波信号变送器数学模型包括声波传感器数学模型和信号变送器数学模型，h1(z)为声波传感器的离散化传递函数，ha(z)为信号变送器电路的离散化传递函数；

通过压力-声波转化公式y(z)＝p(z)×h(z)获得虚拟声波信号，其中p(z)为管道上游压力信号或管道下游压力信号，y(z)为管道上游虚拟声波信号或管道下游虚拟声波信号。

在一个实施例中，若所述管道上游虚拟声波信号和所述管道下游虚拟声波信号中都检测出异常信号，则进行泄漏定位及报警。

一种管道泄漏虚拟声波检测系统，包括：

压力获取装置，用于获取管道上游压力信号和管道下游压力信号；

声波信号变送器数学模型，用于将所述管道上游压力信号和所述管道下游压力信号通过声波信号变送器数学模型转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号；

异常信号检测、泄漏定位和报警装置，用于若所述管道上游虚拟声波信号和所述管道下游虚拟声波信号都检测出异常信号，则进行泄漏定位和报警。

在一个实施例中，所述声波信号变送器数学模型，包括：

声波传感器数学模型、电荷放大器数学模型和信号调理变送电路数学模型；

所述声波传感器数学模型，用于将管道上游压力信号和所述管道下游压力信号转换为管道上游电荷信号和所述管道下游电荷信号；

所述电荷放大电路数学模型，用于将管道上游电荷信号和所述管道下游电荷信号放大并转换为管道上游电压信号和所述管道下游电压信号；

所述信号调理变送电路数学模型，用于将管道上游电压信号和所述管道下游电压信号转换为管道上游4-20ma标准电流和所述管道下游4-20ma标准电流输出信号，并分别通过采样电阻转换得到管道上游虚拟声波信号和所述管道下游虚拟声波信号。

在一个实施例中，所述信号调理变送电路数学模型，包括：

第一信号放大单元、信号滤波单元和信号变送单元；

所述第一信号放大单元，用于对管道上游电压信号和管道下游电压信号进行放大处理，得到放大后的管道上游电压信号和管道下游电压信号；

所述信号滤波单元，用于对所述放大后的管道上游电压信号和管道下游电压信号进行低通滤波处理，得到滤波后的管道上游电压信号和管道下游电压信号；

所述信号变送单元，用于对所述滤波后的管道上游电压信号和管道下游电压信号进行电压/电流转换变送处理，得到管道上游4-20ma标准电流和所述管道下游4-20ma标准电流输出信号，并分别通过采样电阻转换得到管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号。

在一个实施例中，所述信号调理及变送模块，还包括：

第二信号放大单元，用于对滤波后的管道上游电压信号和管道下游电压信号进行第二次放大处理。

上述提供的一种管道泄漏虚拟声波检测方法。获取管道上游压力信号和管道下游压力信号。将所述管道上游压力信号和所述管道下游压力信号转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号。若所述管道上游虚拟声波信号和所述管道下游虚拟声波信号都检测出异常信号，则进行泄漏定位和报警。通过将实测的压力信号转变为虚拟声波信号，然后对所述虚拟声波信号进行异常信号检测、泄漏定位和报警。即，以实测压力信号为输入，得到虚拟声波信号，然后对所述虚拟声波信号进行异常信号检测、泄漏定位和报警。在无需实际安装声波信号变送器的前提下，实现管道泄漏的高灵敏度检测。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的管道泄漏虚拟声波检测方法的流程图；

图2为本发明一个实施例提供的管道泄漏虚拟声波检测方法中虚拟声波信号获取原理示意框图；

图3a为本发明一个实施例提供的管道泄漏虚拟声波检测方法在管段正常工况下压力的时域波形图；

图3b为本发明一个实施例提供的由图3a所示压力信号得到的虚拟声波信号时域波形图；

图4a为本发明一个实施例提供的管道泄漏虚拟声波检测方法在管段异常工况下压力的时域波形图；

图4b为本发明一个实施例提供的由图4a所示压力信号得到的虚拟声波信号时域波形图；

图5为本发明一个实施例提供的管道泄漏虚拟声波检测系统的结构示意图。

附图标号说明：

管道泄漏虚拟声波检测系统10

压力获取装置100

声波信号变送器数学模型200

泄漏定位和报警装置300

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的管道泄漏虚拟声波检测方法进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，如声波传感器类型、信号变送器电路的组成结构及电路中元器件参数等的改变，并不用于限定本发明。

请参阅图1，一种管道泄漏虚拟声波检测方法，包括以下步骤：

s102，获取管道上游压力信号和管道下游压力信号；

在所述管道上游和所述管道下游各安装一个压力获取装置100。利用所述压力获取装置100实时、连续地监测所述管道上游和所述管道下游的压力信号。管道上游可以理解为距泵出口一定距离的位置，管道下游可以理解为距储罐入口的一定位置。具体的距离可以根据管道的长短自行设定。

s104，将所述管道上游压力信号和所述管道下游压力信号转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号；

建立声波信号变送器数学模型200。所述声波信号变送器数学模型200可以通过实验建模或机理建模方式获得。选择不同的声波传感器和拥有不同的电路设计理念，可以得到不同的电荷放大和信号调理变送电路结构和电气参数，最终得到不同的数学模型。所述声波信号变送器数学模型200的建立是为了满足应用的目的。所述声波信号变送器数学模型200能够实现实测压力信号到虚拟声波信号的转换即可。

s106，若所述管道上游虚拟声波信号和所述管道下游虚拟声波信号中都检测出异常信号，则进行泄漏定位和报警。

检测所述管道上游虚拟声波信号和所述管道下游虚拟声波信号中是否含有异常信号。具体的检测判断方法和泄漏定位方法可以是多种方法中的一种。

本实施例中，提供的一种管道泄漏虚拟声波检测方法。通过声波信号变送器数学模型，以实测压力信号为输入，得到虚拟声波信号。然后对所述虚拟声波信号进行异常信号检测、泄漏定位和报警。在无需实际安装声波信号变送器的前提下，实现管道泄漏的高灵敏度检测。本实施例中，应用到将压力信号转换为虚拟声波信号的设计思路，具体的所述声波信号变送器数学模型及其获取方法并不要求一致。只要是应用到将压力信号转换为虚拟声波信号的设计思路，都在本申请要求保护的范围内。

在一个实施例中，所述管道泄漏虚拟声波检测方法包括以下步骤：

s202，在管道两端各安装一只同一精度等级的同型号压力变送器。

所述管道两端也就是管道的首站和末站，也即为管道的上游和管道的下游。所述压力变送器的安装位置可以设置在距离管道上游出口和管道下游入口一定距离的位置。安装同一精度等级的同型号压力变送器，是为了后续根据获取的所述压力变送器信号获取相同精度等级的虚拟声波信号。

s204，建立声波信号变送器数学模型200。针对工程实践中声波信号变送器具体选用的声波传感器和设计的信号变送器电路。建立声波信号变送器数学模型200并离散化，得到声波信号变送器的离散化数学模型h(z)。

所述声波传感器的传递函数为h1(s)，所述信号变送器电路的传递函数为ha(s)。根据声波传感器和信号变送器电路建立声波信号变送器数学模型200并离散化。得到所述声波信号变送器数学模型200的传递函数为h(z)＝h1(z)*ha(z)。

s206，以一定采样周期，实时、连续地监测管道首站、末站压力信号。每得到所述管道首站、末站压力信号p(z)各一帧(含n点数据，n为正整数)，作为声波信号变送器的离散化数学模型的输入。通过压力-声波转化公式y(z)＝p(z)×h(z)，分别得到管道首站、末站的虚拟声波信号y(z)各一帧。

s208,对管道首站、末站的虚拟声波信号进行异常信号检测。如果管道首站、末站的虚拟声波信号中都包含异常信号，则进一步作泄漏定位和报警。

本实施例中，提供了一种管道泄漏虚拟声波检测方法，通过建立声波信号变送器的离散化数学模型，以实测压力信号为输入，得到虚拟声波信号。在无需实际安装声波信号变送器的前提下，实现管道泄漏的高灵敏度检测。

为了更清楚的说明本发明，下面举一具体实例进一步说明本发明的管道泄漏虚拟声波检测方法。本发明实施例可用任何编程语言实现，并在相应的计算机上运行。

根据图2所示的管道泄漏虚拟声波检测方法中虚拟声波信号获取原理示意框图中声波信号变送器的组成结构。以声波传感器的灵敏度ks＝53480pc/mpa代替声波传感器数学模型；当电压一级放大、电压二级放大和v/i转换电路的总增益为k＝6；通带频率为0.03～20.4hz；离散化采样频率fs＝100hz时，对应的声波信号变送器的离散化数学模型为：

按图1所示的流程图，以现场实际采集到的管道压力为输入，输入到压力-声波转换公式y(z)＝p(z)×h(z)，获得相应的虚拟声波信号。当检测到管道首站、末站的虚拟声波信号中均包含异常信号时，进行泄漏定位及报警。图3a为正常工况下获取的实测压力信号。图3b为前述正常工况下压力信号通过上述压力-声波转换公式后得到的正常虚拟声波信号。图4a为异常工况下获取的实测压力信号。图4b为前述异常工况下压力信号通过上述压力-声波转换公式后得到的异常虚拟声波信号。(图3a、图3b、图4a和图4b中一帧信号长度n＝9000，含2分钟的历史数据和1分钟的实测数据采样电阻为250欧姆)。

在一个实施例中，所述将所述管道上游压力信号和所述管道下游压力信号转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号，包括：

建立声波信号变送器的数学模型并离散化；

将实测压力信号输入到声波信号变送器的数学模型，获得虚拟声波信号。

本实施例中，所述声波信号变送器数学模型200，包括：声波传感器数学模型、电荷放大电路数学模型和信号调理变送电路数学模型。采用所述声波信号变送器数学模型200实现从实测的压力信号到虚拟声波信号的转换。

在一个实施例中，所述将所述管道上游压力信号和所述管道下游压力信号转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号，包括：

建立声波信号变送器数学模型，所述声波信号变送器数学模型包括：声波传感器数学模型、电荷放大电路数学模型和信号调理变送电路数学模型三个子模型；

通过所述声波传感器数学模型，将管道上游压力信号和管道下游压力信号转换为管道上游电荷信号和管道下游电荷信号；

通过所述电荷放大电路数学模型，将管道上游电荷信号和管道下游电荷信号放大并转换为管道上游电压信号和管道下游电压信号；

通过所述信号调理变送电路数学模型将管道上游电压信号和管道下游电压信号转换为管道上游标准4-20ma输出信号和管道下游标准4-20ma输出信号，并分别通过采样电阻转换得到管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号。

在一个实施例中，所述通过所述信号调理变送电路数学模型将管道上游电压信号和管道下游电压信号转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号，包括：

对管道上游电压信号和管道下游电压信号进行放大处理，得到放大后的管道上游电压信号和管道下游电压信号；

对所述放大后的管道上游电压信号和管道下游电压信号进行低通滤波处理，得到滤波后的管道上游电压信号和管道下游电压信号；

对所述滤波后的管道上游电压信号和管道下游电压信号进行电压/电流转换变送处理，得到管道上游标准4-20ma输出信号和管道下游标准4-20ma输出信号，并分别通过采样电阻转换得到管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号。

将所述管道上游压力信号和所述管道下游压力信号转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号，包括：

建立声波信号变送器数学模型200并离散化，得到声波信号变送器的离散化数学模型h(z)，h(z)＝h1(z)*ha(z)，其中，该声波信号变送器数学模型200包括声波传感器和信号变送器电路数学模型，h1(z)为声波传感器的离散化传递函数，ha(z)为信号变送器电路的离散化传递函数；

通过压力-声波转化公式y(z)＝p(z)×h(z)获得虚拟声波信号，其中p(z)为管道上游压力信号或管道下游压力信号，y(z)为管道上游虚拟声波信号或管道下游虚拟声波信号。

在一个实施例中，若所述管道上游虚拟声波信号和所述管道下游虚拟声波信号中都检测到含有异常信号，则进行泄漏定位和报警。

请参阅图5，一种管道泄漏虚拟声波检测系统10，包括：

压力获取装置100，用于获取管道上游压力信号和管道下游压力信号；

声波信号变送器数学模型200，用于将所述管道上游压力信号和所述管道下游压力信号通过所述声波信号变送器数学模型200转换为管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号；

异常信号检测及泄漏定位和报警装置300，当在所述管道上游虚拟声波信号和所述管道下游虚拟声波信号中都检测到异常信号，则进行泄漏定位和报警。

在一个实施例中，所述声波信号变送器数学模型200，包括：

声波传感器数学模型、电荷放大电路数学模型和信号调理变送电路数学模型；

所述声波传感器数学模型，用于将管道上游压力信号和所述管道下游压力信号转换为管道上游电荷信号和所述管道下游电荷信号；

所述电荷放大电路数学模型，用于将管道上游电荷信号和所述管道下游电荷信号放大并转换为管道上游电压信号和所述管道下游电压信号；

所述信号调理变送电路数学模型，用于将管道上游电压信号和所述管道下游电压信号转换为管道上游标准4-20ma输出信号和管道下游标准4-20ma输出信号，并分别通过采样电阻转换得到管道上游虚拟声波信号和所述管道下游虚拟声波信号。

在一个实施例中，所述信号调理变送电路数学模型，包括：

第一信号放大单元、信号滤波单元和信号变送单元；

所述第一信号放大单元，用于对管道上游电压信号和管道下游电压信号进行放大处理，得到放大后的管道上游电压信号和管道下游电压信号；

所述信号滤波单元，用于对所述放大后的管道上游电压信号和管道下游电压信号进行低通滤波处理，得到滤波后的管道上游电压信号和管道下游电压信号；

所述信号变送单元，用于对所述滤波后的管道上游电压信号和管道下游电压信号进行电压/电流转换变送处理，得到管道上游标准4-20ma输出信号和管道下游标准4-20ma输出信号，并分别通过采样电阻转换得到管道上游虚拟声波信号和管道下游虚拟声波信号。

在一个实施例中，所述信号调理变送电路数学模型，还包括：

第二信号放大单元，用于对滤波后的管道上游电压信号和管道下游电压信号进行第二次放大处理。

在一个实施例中，所述管道泄漏检测系统10，还包括：异常信号检测、泄漏定位和报警装置。

所述异常信号检测、泄漏定位和报警装置，用于当所述管道上游虚拟声波信号和所述管道下游虚拟声波信号中都检测出异常信号时，则进行泄漏定位和预警。

本发明实施例的声波信号变送器的传感器类型、变送器电路组成结构和相应的电气参数，可根据实际应用或期望使用的声波传感器类型、电路组成结构和响应特性进行改变，相应的采样频率也可进行改变。

最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。