一种长输油管道泄漏检测装置及检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种管道检测装置领域，具体涉及一种长输油管道泄漏检测装置及信号滤波方法，为了解决现有长输油管道泄漏检测及定位装置不准确和滤波效果不足的问题，而提供了一种长输油管道泄漏检测装置及信号滤波方法，包括控制器模块、电源模块、信号检测模块和信号处理模块；控制器模块设有处理器，信号处理模块的一端以信号检测模块连接，用于从信号检测模块接收检测信号；信号处理模块的另一端与控制器模块连接，用于向控制器模块发送处理后的信号。本发明还包括一种长输油管道泄漏检测方法。本发明适用于管道泄漏检测。
【专利说明】
一种长输油管道泄漏检测装置及检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种管道检测装置及方法，具体涉及一种长输油管道泄漏检测装置及 检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术创新水平和应用领域的的不断发展，信息技术在工业生产以及社会 服务方面发挥着越来越大的作用，大幅提高了劳动效率，为国民发展做出了不可估量的贡 献。特别是在工业生产领域，利用自动检测技术可以实时且准确的对被检测对象进行监控， 针对专门用于长输油管道的泄漏检测方法，到目前为止错采用的方法繁多，但这些检测方 法大多不易于维护、检测不准确、泄漏位置定位不精确等缺点。同时，由于检测装置常处在 野外，解决单一的电池供电方式所带来的问题需要更加可靠的技术方案。另外，在现场环境 相对较复杂的情况下，如管道内物质摩擦产生的静电干扰或者因极端天气产生的大自然放 电而产生的高电压冲击等都会对检测装置产生严重的影响，因此需要检测装置要对传感器 信号进行有效滤波。
[0003] 现有技术中采用数字滤波器进行滤波减小干扰，常用的均值滤波法中，当有干扰 脉冲窜入时，模数转换器不易识别出，因此在转换后的数字信号里会将干扰脉冲作为有效 信号成分，这必然会产生一定的误差。因此，均值滤波方法无法去掉噪声，只能在很小程度 上减弱干扰信号的影响。而中值滤波法首先连续采样N次(N取奇数），并将N次采样值按大小 排列取中间值为本次有效值，该算法虽然能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，可对温 度、液位等缓慢变化信号进行良好的滤波效果，但是对快速变化参数效果较差，仍有待于改 进。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决现有长输油管道泄漏检测及定位装置不准确和滤波效果不足以 及在野外电供应困难的问题，而提供了一种长输油管道泄漏检测装置及检测方法。
[0005] 长输油管道泄漏检测装置包括:控制器模块、信号检测模块和信号处理模块；
[0006] 所述控制器模块设有处理器；
[0007] 所述信号检测模块包括传感器接口、信号转换电路；
[0008] 所述信号处理模块包括信号前端处理电路和参考电压电路;所述信号处理模块的 一端以所述信号检测模块连接，用于从所述信号检测模块接收检测信号;所述信号处理模 块的另一端与所述控制器模块连接，用于向所述控制器模块发送处理后的信号。
[0009] 长输油管道泄漏检测方法，包括：
[0010] 步骤一:将经过A/D转换后的信号分为N组进行连续滤波，即依次取i个数字信号作 为一组，并对各组的i个信号降序排列；
[0011] 步骤二:将最小的信号从各组中剔除，并将剔除的信号保存到第N+1组，重新对各 组信号进行评估，再次计算信号平均值^，以及各组信号误差参数
[0012]步骤三:将各组平均值信号^依次放入集合A中，将每组误差参数幻依次放入误差 集合E中，并将集合A和集合E中每一项所对应的参数相加得到N组信号的滤波估计值为 1=体％ ...心},根据滤波估计值判断管道运行压力状态。
[0013] 本发明的技术效果是，通过设置太阳能电池板，可实现野外作业时电源的不间断 供应，适应性更强;通过设置信号采集和处理电路，使得装置具有强大的抗干扰能力以及硬 件前期滤波能力;数字信号的处理采用干扰信号剔除后再判断的滤波估计方法，使计算的 信号值更能稳定准确地反应输油管道的运行状态，为检测装置作出下一步控制动作提供更 可靠的数据依据。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的长输油管道泄漏检测装置的结构示意图；
[0015] 图2是本发明的长输油管道泄漏检测方法的流程图；
[0016] 图3是本发明的长输油管道泄漏检测装置一个具体实施例的信号检测模块及信号 处理模块的电路结构图；
[0017] 图4是本发明的长输油管道泄漏检测装置一个具体实施例的电源模块的电路结构 图；
[0018] 图5是本发明的长输油管道泄漏检测装置一个具体实施例的参考电压电路的电路 结构图；
[0019] 图6是本发明的长输油管道泄漏检测装置一个具体实施例的外围电路插座的电路 结构图；
[0020] 图7是本发明的长输油管道泄漏检测装置一个具体实施例的GPRS模块接口信号插 座的电路结构图；
[0021] 图8是本发明的长输油管道泄漏检测装置一个具体实施例的状态提示电路的电路 结构图；
[0022] 图9是本发明的长输油管道泄漏检测装置一个具体实施例的晶振电路的电路结构 图；
[0023] 图10是本发明的长输油管道泄漏检测装置一个具体实施例的控制器模块的电路 结构图；
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0024] 一:如图1所示，本实施方式的长输油管道泄漏检测装置，包括:控制 器模块130、电源模块140、信号检测模块110和信号处理模块120;
[0025] 所述控制器模块130设有处理器，所述处理器连接晶振电路、复位电路、状态提示 电路以及外围接口插座；
[0026] 所述电源模块140包括太阳能电池板接口电路、锂电池充电电路、充电保护电路、 电源自动切换电路和电压转换以及稳压电路;所述电源模块与所述控制器模块连接，用于 为所述控制器模块提供电源；
[0027] 所述信号检测模块110包括传感器接口、信号转换电路；
[0028]所述信号处理模块120包括信号前端处理电路和参考电压电路;所述信号处理模 块的一端以所述信号检测模块连接，用于从所述信号检测模块接收检测信号;所述信号处 理模块的另一端与所述控制器模块连接，用于向所述控制器模块发送处理后的信号。
【具体实施方式】 [0029] 二:本实施方式与一不同的是:外围接口插座包括控 制信号插座、传感器信号插座以及GPRS模块接口信号插座。
[0030] 这样设置的好处是，通过设置多种接口插座，增强了装置的可扩展性。
[0031 ]其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
【具体实施方式】 [0032] 三:本实施方式与一或二不同的是:太阳能电池板接 口电路与太阳能电池板连接，所述太阳能电池板接口电路设有电源输出端以及光能质量信 号端，所述太阳能电池板为软体电池板。
[0033] 这样设置的好处是，通过设置太阳能电池板使得装置可以野外作业时电源的不间 断供应，适应性更强。
[0034] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
[0035]【具体实施方式】四：本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是：传感器接口 用于连接传感器，所述传感器为6个压力波传感器，设置在输油管道的外表面，输油管道横 截面的外沿每隔60度安装一个压力波传感器。
[0036]这样设置的好处是，6个压力波传感器可以覆盖在光照下管道圆周约80%面积，易 于多角度大面积接受光照。这样也就使太阳能电池板充分发挥作用，使其能够为装置提供 大量电能。
[0037]其它步骤及参数与【具体实施方式】一至三之一相同。
【具体实施方式】 [0038] 五:本实施方式与一至四之一不同的是：信号转换电 路采用LTC6362芯片。
[0039] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一至四之一相同。
【具体实施方式】 [0040] 六:本实施方式与一至五之一不同的是：前端处理电 路采用LTC2380-24芯片，LTC2380-24芯片与LTC6362芯片的输出端连接;前端处理电路用于 对传感器信号的模数转换数据进行硬件均值滤波。
[0041 ]其它步骤及参数与【具体实施方式】一至五之一相同。
【具体实施方式】 [0042] 七:本实施方式与一至六之一不同的是：前端处理电 路由6组LTC2380-24芯片电路组成，将前一个LTC2380-24芯片的14引脚与后一个LTC2380-24芯片的12引脚连接，依次形成6个芯片的串行连接。
[0043] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一至六之一相同。
【具体实施方式】 [0044] 八:如图2所示，本实施方式提供了一种长输油管道泄漏检测方法， 包括：
[0045] 步骤一:将经过A/D转换后的信号分为N组进行连续滤波，即依次取i个数字信号作 为一组，并对各组的i个信号降序排列；
[0046] 步骤二:将最小的信号从各组中剔除，并将剔除的信号保存到第N+1组，重新对各 组信号进行评估，再次计算信号平均值^，以及各组信号误差参数
[0047] 步骤三:将各组平均值信号^依次放入集合A中，将每组误差参数依次放入误差 集合E中，并将集合A和集合E中每一项所对应的参数相加得到N组信号的滤波估计值为 .1 = ? …根据滤波估计值判断管道运行压力状态。
[0048] 【具体实施方式】九：本实施方式与【具体实施方式】八不同的是：信号平均值为
所述信号误差参数幻为
l<i <100，Kj<i_l;所述集合A和集合E为A={ai a2 ... aN}和E={ei e2 ... θν};所述各项 滤波估计值为是:=:??ι +约，毛=心+ 4 , - ,^\ = a.\ + e.\ (:
[0049] 其它步骤及参数与【具体实施方式】八相同。
[0050]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】八或九不同的是:根据滤波估计值 判断管道运行压力状态的具体过程为：
[0051] 步骤三一：若孓>3； ，卄算前后相邻两个数据的绝对差值即 的次数是否超过N/2次，若超过，则判定管道出现泄漏，若未超过，则判定管道未出现泄漏； 所述ει为管道内压力波衰减速度，
[0052] 步骤三二:若3 = ? I」内数据以间歇性不规律形式出现，以i个信号为 一组，共采集N组新的数据，并计算出新的滤波估计值i = 1? a2 泛#}，抽取该 组数据中的最小值:?_和平均值若则判定管道出现泄漏，否则判定未出现 泄漏；
[0053] 所述最小值= M//;d, 3平均值为 η为近似压差。 J
[0054] 〈实施例1>
[0055] 本发明实施例电路如图3至图10所示，该长输油管道泄漏检测装置设有控制器模 块，电源模块，信号检测模块，信号处理模块;控制器模块设有处理器、处理器连接有晶振电 路、复位电路、状态提示电路，以及外围信号接口插座，这些插座包括控制信号、传感器信号 以及GPRS模块接口信号；晶振电路采用27.12MHz的晶振，两端连接的18pF电容，同时晶振两 端分别与LPC812M处理器的PI00_8和PI00_9引脚连接后为处理器提供时钟周期；复位电路 中直接将3.3V直流电串联一个5.1K的电阻上拉后直接与处理器引脚4连接，即实现处理器 上电后自动复位;状态提示电路是将一个发光二级两端分别与3.3V电源和820 Ω电阻连接， 限流后与处理器的ΡΙ〇〇_11引脚连接，使用时处理器向该引脚发出低电平信号即可点亮发 光二极管，实现运行状态的提示，也可通过控制发光频率对其赋予不通的提示含义。
[0056] 外围信号插座中GPRS模块的1至8引脚分别与处理器的PI00j7、PI00_3、PI00_4、 ?100_13、？100_2、？100_0、？100_6和？100_4引脚对应连接，使用时处理器通过该接口向6卩1? 发送访问时序信号，实现数据的无线接收和发送;外围信号插座中JP19的1-3号引脚分别与 处理器的ΡΙ〇〇_1、ΡΙ〇〇_15和PI00_7引脚连接，同时引脚PI00_1还与电源模块中太阳能电池 板接口单元JP6的引脚3(即test)引脚连接，使用时处理器通过检测PI00_9引脚信号状态， 判断太阳能电池板电能质量，以便准确地作出电源切换的动作。
[0057]电源模块设有太阳能电池板接口单元、锂电池充电电路、充电保护电路、电源自动 切换电路、多种电压转换-稳压电路;所述太阳能电池板接口电路与太阳能电池板连接，该 太阳能电池板为软体电池板，可表面贴装在输油管道外缘，覆盖在管道暴露与光照下至少 80%面积，易于多角度大面积接受光照;该电路接口 JP6的电源输出端引脚1，2分别与继电 器K1的上端的两个引脚连接，电源输出端引脚1还与锂电池充电电路的0电阻R35-端连接， 该电阻的另一端分别与O.OlpF滤波电容C25和芯片TP4056的引脚8和4连接，使用8引脚是能 芯片工作，并由4引脚引入充电芯片电路，开始对锂电池进行充电，处理器通过访问锂电池 电路的LPC_tem引脚获得充电电路温度，间接判断充电电路工作状态;为了防止出现过量充 电现象，电源自动切换电路中将芯片TP4056的引脚5与DW01芯片的引脚5连接，同时芯片 DW01的引脚3，1分别与芯片的GTT8205S的4,6引脚连接，这里芯片GTT8205S可以实现过电流 和过电压保护作用，并可以在电压平衡状态台自动切断充电电路，在失衡情况下自动连接 充电电路，为锂电池充电；电源自动切换电路是将芯片DW01的引脚5通过100 Ω电阻限流后 与继电器另一引脚连接，继电器的线圈控制端LPC_turn与处理器的引脚PI00_15连接，使用 时，处理器向该引脚发出高电平信号则继电器线圈闭合，此时锂电池作为电源来源，若向该 引脚发出低电平信号则继电器线圈打开，此时太阳能作为电源来源，实际使用中当处于白 天时主动切换到太阳能供电状态，此时太阳能供电接口是在为锂电池充电的，黑天则使用 锂电池供电；多种电压转换-稳压电路中将接入的12V直流电经过0.33uF瓷片电容滤波后与 稳压芯片LM7805的引脚1连接，经过该芯片变压后获得的5V电压有引脚3输出，同时为了获 得3.3V直流电压，将LM7805的引脚3与芯片SX2106引脚5连接，经过SX2106芯片处理后由引 脚6串联4.7uH电感，再继续经过电阻-电容网络实现高频滤波后获得稳定的3.3V电压，随后 该电压作为芯片ASM1117-2.5的输入端，经过电压转换后获得2.5V电压；
[0058]信号检测模块设有传感器接口、信号转换电路，信号处理模块;所述传感器为压力 波传感器，本发明中共有6个压力波传感器，贴装在输油管道的外表面，以管道某一横截面 的外缘每隔60度均匀安装一个压力波传感器;所述信号转换电路采用LTC6362芯片用于信 号的电平转换和降低电能消耗。所述信号处理模块设有信号前端处理电路和参考电压电 路，前端处理电路采用LTC2380-24，该芯片与LTC6362芯片的输出端连接，实现对传感器信 号的模数转换和硬件均值滤波；同时为了满足6个压力波传感器信号的处理，本发明共有6 组LTC2380-24芯片电路组成，电路中将前一 LTC2380-24芯片的14引脚即SD0信号与后一个 LTC2380-24芯片的12引脚即RDL/SDI连接，依次完成6个芯片的串行连接;所述参考电压电 路采用LTC6655芯片为信号处理电路和信号检测模块提供参考电压。
[0059] 长输油管道泄漏检测装置的信号滤波方法，考虑到输油管道泄露过程首先会出现 管道内压力波发生震荡性变化，随后将会进入压力波的稳定下降或者相比未泄露状态下的 压力波值更低；因此需要一种可靠地信号滤波方法确保长输油管道泄漏检测装置避免其出 现误检测。这种滤波方法首先将经过A/D转换后的信号分为N组进行连续滤波，即将前i个数 字信号作为第1组，并在该组内将i个信号降序排列，然后将最小的信号从该组剔除，并将该 剔除信号保存到第N+1组，重新对第1组信号进行评估，评估过程如下：
[0060] 假设新的第1组内信号分别为X1,2 ... xu-i}，则计算信号平均值Ai， 以及该组信号误差参数的，其中
[0063] 同理，第2组信号剔除最小值后，并将第2组剔除信号保存到第N+1组，重新对第2组 信号进行评估。
[0064] 假设新的第2组内信号分别为χ2,2 ... xs,^}，则计算信号平均值a2， 以及该组信号误差参数防，其中
[0067] 剩余的N-2组以此类推，最后将获得各组平均值信号依次放入集合A中，将每组误 差参数依次放入误差集合E中；因此有A={ai a2 ... aN};E={ei e2 ... θν};此时将A和E 中每一项所对应的参数相加即:? =<% +?，, =%+%则得到N个信号的滤 波估计值为2 = ?兩…并将此作为判断管道压力状态的依据，进而判断管道运 行状况。
[0068] 此时若出现明显的…>4.则说明此时输油管道出现了泄漏状态，进一步 地通过计算前后相邻两个数据的绝对差值即K-毛^^巧的次数是否超过N/2次，这里￡1为 状态参数，取O.IMPa;表示管道内压力波衰减速度，间接地反映了管道泄露程度;参数l<m ^N〇
[0069] 若2 = ?民内数据以间歇性不规律形式出现，则需要进一步判断，此时 继续采集新的数据，同样是以i个信号为一组，共采集N组数据，并计算出新的滤波估计值 ：1=碎5；…心}，取出该组数据中的最小值即计算；^=姑'41)以及2 = ? & ·,. αν}
若2 >> ?7则说明管道出现泄漏，否则视为正常运行，这里参数η 5 = 0.25MPa，为近似压差。
[0070] 本发明可实现野外作业时电源的不间断供应，适应性更强;信号采集和处理电路 具有强大的抗干扰能力以及硬件前期滤波能力;信号的数字的处理和判断采用干扰信号剔 除再判断滤波方法，使计算的信号值更能平滑稳定地反应输油管道的运行状态，为检测装 置作出下一步控制动作提供更可靠的数据依据。
【主权项】
1. 一种长输油管道泄漏检测装置，其特征在于，包括:控制器模块、信号检测模块和信 号处理模块. 所述控制器模块设有处理器； 所述信号检测模块包括传感器接口、信号转换电路； 所述信号处理模块包括信号前端处理电路和参考电压电路;所述信号处理模块的一端 W所述信号检测模块连接，用于从所述信号检测模块接收检测信号;所述信号处理模块的 另一端与所述控制器模块连接，用于向所述控制器模块发送处理后的信号。2. 根据权利要求1所述的一种长输油管道泄漏检测装置，其特征在于，所述处理器连接 晶振电路、复位电路、状态提示电路W及外围接口插座； 所述外围接口插座包括控制信号插座、传感器信号插座W及GPRS模块接口信号插座。3. 根据权利要求1所述的一种长输油管道泄漏检测装置，其特征在于，所述装置还包括 电源模块，所述电源模块包括太阳能电池板接口电路、裡电池充电电路、充电保护电路、电 源自动切换电路和电压转换W及稳压电路;所述电源模块与所述控制器模块连接，用于为 所述控制器模块提供电源； 所述太阳能电池板接口电路与太阳能电池板连接，所述太阳能电池板接口电路设有电 源输出端W及光能质量信号端，所述太阳能电池板为软体电池板。4. 根据权利要求3所述的一种长输油管道泄漏检测装置，其特征在于，所述传感器接口 用于连接传感器，所述传感器为6个压力波传感器，设置在输油管道的外表面，输油管道横 截面的外沿每隔60度安装一个压力波传感器。5. 根据权利要求4所述的一种长输油管道泄漏检测装置，其特征在于，所述信号转换电 路采用LTC6362忍片。6. 根据权利要求5所述的一种长输油管道泄漏检测装置，其特征在于，所述前端处理电 路采用LTC2380-24忍片，LTC2380-24忍片与LTC6362忍片的输出端连接;所述前端处理电路 用于对传感器信号的模数转换数据进行硬件均值滤波。7. 根据权利要求6所述的一种长输油管道泄漏检测装置，其特征在于，所述前端处理电 路由6组LTC2380-24忍片电路组成，将前一个LTC2380-24忍片的14引脚与后一个LTC2380- 24忍片的12引脚连接，依次形成6个忍片的串行连接。8. -种基于权利要求1至7中任意一项所述的长输油管道泄漏检测装置的检测方法，其 特征在于，所述方法包括： 步骤一:将经过A/D转换后的信号分为N组进行连续滤波，即依次取i个数字信号作为一 组，并对各组的i个信号降序排列； 步骤二:将最小的信号从各组中剔除，并将剔除的信号保存到第N+1组，重新对各组信 号进行评估，再次计算信号平均值及各组信号误差参数e" 步骤Ξ:将各组平均值信号aj依次放入集合A中，将每组误差参数ej依次放入误差集合E 中，并将集合A和集合E中每一项所对应的参数相加得到N组信号的滤波估计值为 苗二向5^…5、！根据滤波估计值判断管道运行压力状态。 '，9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述信号平均值>所述信 号误差参数ej为1《1《100，1《_]'《1-1;所 述集合A和集合E为A={ai日2 ... aw}和E={ei 62 ... 6ν};所述各项滤波估计值为 ??| 二口I + C|，??]二"2 + '色2:，'a巧二 ?.Ν+βΝ 〇10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据滤波估计值判断管道运行压力 状态的具体过程为： 步骤S-:若瑪>% >…>ay，计算前后相邻两个数据的绝对差值即龄-^__ι|SSi的次 数是否超过N/2次，若超过，则判定管道出现泄漏，若未超过，则判定管道未出现泄漏;所述 ε功管道内压力波衰减速度， 步骤Ξ二:若3 =括而...年、,}内数据W间歇性不规律形式出现，Wi个信号为一组， 共采集N组新的数据，并计算出新的滤波估计值Λ二{瑪沒2 ... α、. }，抽取该组数据 中的最小值马。1。和平均值I，若I- ii。>> 77则判定管道出现泄漏，否则判定未出现泄漏； 所述最小值η为近似压差。
【文档编号】F17D5/06GK106090631SQ201610681821
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月17日 公开号201610681821.5, CN 106090631 A, CN 106090631A, CN 201610681821, CN-A-106090631, CN106090631 A, CN106090631A, CN201610681821, CN201610681821.5
【发明人】赵辉, 李志成, 张爱华, 董海艳, 张志强
【申请人】渤海大学