专利名称：一种用于对城市煤气管道进行实时监控的系统及其使用方法
技术领域：
本发明涉及对城市煤气管道进行实时监控的技术领域，特别是涉及一种利用次声 波技术监测来判断管道是否泄漏，利用辅助传感器分析背景噪声，通过城市管网节点覆盖 整个城市的实时监控系统及其使用方法。
背景技术：
现代管道运输起始于19世纪中叶，到了 20世纪60年代之后已作为商业性的运输 手段。经过一百多年的发展，管道运输业已成为与铁路、公路、航空、水运并行的五大运输手 段之一，其已成为现代社会不可缺少的组成部分。但是随着管线的增多，管龄的增长，以及 不可避免的腐蚀和自然或人为损坏等原因，大量的管网已经超出或接近使用寿命，管道事 故频频发生，并由于所输介质的危险性和污染性，一旦发生事故会造成巨大的生命财产损 失和环境污染。如果能够及时发现泄漏，准确的确定泄漏点，就能有效地减轻泄漏事故造成 的危害。
鉴于煤气管道的模型受到流体特性、地势状况、及管道自身的特性等诸多复杂因 素的制约，使得管道泄漏检测技术一直是社会难题。虽然目前国际上已有多种检测管道泄 漏的方法，技术也在不断发展，但其引进费用极其昂贵。目前，管道泄漏监测常用的是基于 硬件和软件的方法。基于硬件的方法是指利用由各种不同的物理原理设计的硬件装置，如 基于视觉的红外线温度传感器，基于听觉的超声波传感器，基于嗅觉的碳氧检测装置等，将 其携带或铺设在管线上，以此来检测管道的泄漏并定位；基于软件的方法则是根据计算机 数据采集系统实时采集管道的流量、压力、温度及其它数据，利用流量或压力的变化、物理 或动量平衡、系统动态模型、压力梯度等原理，通过软件计算对泄漏进行检测和定位。
如何利用次声波监测装置来准确接收管道泄漏信号，利用辅助传感器正确分析背 景噪声，通过城市管网节点监测覆盖整个城市的实时监控系统，是本领域的技术人员需要 解决的问题。发明内容
为克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明目的是提供一种可以利用次声波技术 监测来监测管道是否泄漏，通过城市管网节点覆盖整个城市的实时监控系统及其使用方 法。
按照本发明的方案，煤气泄漏监测系统可分为三部分，一为城市管网节点的监测， 二为管道次声波泄漏信号的接收，三为泄漏信号的分析。
煤气泄漏监测系统主要是用于城市煤气管网，城市煤气管网可以用树型的网状结 构表示，每个家庭用户是最终的节点，住宅单元的分表是家庭用户的上位节点，煤气的调压 站是住宅单元分表的上位节点，而煤气供应站是树型网状结构的根节点，如图1所示。煤气 泄漏监测系统在从住宅单元到煤气供应站的每个节点上安装次声波监测装置，并且由中央控制中心计算机进行统一监测。这样对于每一段运输管道，上下两端的次声波检测装置和 该段管道都组成了一个小的子系统，每个子系统都可以对本段管道进行实时监测，各个子 系统再通过GPS无线传输数据到中央控制计算机，由中央控制计算机进行进一步检验。
煤气泄漏监测系统采用接收次声波信号来对管道泄漏进行监测。由于煤气管道 泄漏时泄漏点会产生各种声波信号，其中含有次声波、超声波、压力波、应力波等，当管道 两端的次声波监测装置接收到次声波信号后，通过分析判断出管道的泄漏情况。具体的次 声波监测装置包括次声波传感器、辅助传感器、探头、金属罩、数据处理器、GPS时序采集 器、双扭环单元、数据缓存，如图2所示。数据处理器是整个次声波监测装置的中央芯片， 它负责控制整个次声波监测装置、对次声波传感器采集的次声波信号进行简单的处理，若 次声波传感器在一段时间内连续接收到疑似泄漏信号，数据处理器将通过GPS单元将一段 时间内的次声波传感器、辅助传感器采集的数据连同GPS时钟数据一并发送到中央控制计 算机；利用土壤对于高频信号的衰减作用，泄漏信号和背景噪声大于3000HZ将会被土壤大 幅度衰减，所以探头接收到的主要是低于3000HZ的信号，再将此信号通过低通滤波器滤除 掉250HZ到3000HZ之间的信号，则主要剩下250HZ的信号，因为频率小于250HZ的信号主 要由背景噪声决定，辅助传感器可以根据接收到的信号很好的分析出背景噪声，由各个节 点监测装置的辅助传感器组成阵列信号检测的形式，城市管网中任何一点发生泄漏，各个 节点的辅助传感器都会接收到相关的低频泄漏信号，根据阵列信号检测的原理分析背景噪 声，这对信号的去噪提供了便利；GPS时序采集器负责接收时钟信号，当数据处理器发送数 据时，GPS单元会将采集的时钟信号一并发送到中央控制计算机；双扭环单元耦合与次声 波传感器和辅助传感器，其作用在于控制次声波传感器和辅助传感器交替采集传感数据， 双扭环单元保证采集信号无缝隙，可以使采集频率高达32KHZ，较国际通用的IKHZ有了不 小的提高。
中央控制中心计算机接收到次声波监测装置传输来的信息后，将进一步判断管道 是否泄漏以及泄漏点的定位。由于煤气管道两端的次声波监测装置在管道泄漏时会接收到 泄漏点传来的次声波信号，这样就会有上下两端接收信号的时间差，再根据已知的次声波 传播速度和两个次声波监测装置之间的距离来判断管道的泄漏情况。根据次声波传播速度 V，管道上下端次声波传感器之间的距离L，两端捕捉到次声波时间差为口 t，可以得到泄漏L + AtB;点到管道上端数据采集器的距离I = -如图4所示。并采用迭代算法来进一步Z 精确泄漏点位置，根据上面公式得到估算的定位位置，反推该位置的压力及温度等数据，从 而再一次算出该点所处管段的次声波波速，重复以上的步骤，可以得到不同的位置等，当循 环达到一定的步数时，位置将在某一很小的范围内波动，确定该定位位置为泄漏位置。
关于次声波信号的去噪、提取、分析也是由中央控制计算机来负责。中央计算机 对各个节点的泄漏信号、噪声信号进行综合分析，采用相关分析结合最小二乘法和卡尔曼 滤波的办法来对泄漏信号进行滤波，然后用迭代算法进行泄漏点的定位。因为管道泄漏引 发的次声波信号会传到各监测端，其各端信号的相关性可以在一定程度上排除噪声干扰和 泄漏误判；而最小二乘法与卡尔曼滤波的结合，对于判断信号源位置、滤除干扰有很好的效 果。相关分析法是利用相关技术对管线泄漏点两侧传感器采集到的信号进行相关计算，从 而对泄漏进行检测的方法，基于两端接收到的信号特征的相关特点，相关峰值的位置表征泄漏点处的信号传播到两端测点的时间差。但是如果泄漏速度很慢，泄漏信号会很微弱，因 此方案考虑再结合最小二乘法和卡尔曼滤波、以及对比小波变换的方法，对信号进行进一 步分析。
本发明的上述其他目的及其特征进一步适用的范围，可由下列的详细说明中清楚 得知。但是，这些详细的说明和所提到的实施例仅供说明作用，并非构成对本发明的限制， 本领域中的技术人员应该可以理解其它变化形式。
图1是根据本发明的城市煤气管网节点的结构示意图2是根据本发明的次声波监测装置的结构示意图3是根据本发明的次声波传感器安装的结构示意图4是根据本发明的泄漏点定位的结构示意图；具体实施方式
下面将参考附图对本发明的优选实施例进行详细描述。
如图1所述，本发明提供了一种用于城市煤气管网监测系统，该城市管网节点系 统包括煤气供应站11、煤气的调压站12、住宅单元13、家庭用户14。城市煤气管网是树型 的网状结构，每个家庭用户14是最终的节点，住宅单元13的分表是家庭用户的上位节点， 煤气的调压站12是住宅单元分表的上位节点，而煤气供应站11是树型网状结构的根节点。 本煤气泄漏监测系统在从住宅单元13到煤气供应站11的每个节点上安装次声波监测装 置，所有的次声波装置通过GPS无线传输30与中央控制计算机31联系，控制中心负责对采 集的信号进行处理。
更具体地说，如图2所示，具体的次声波监测装置41包括次声波传感器21、噪声 传感器23、探头25、金属罩对、数据处理器29、GPS时序采集器30、双扭环单元27、数据缓 存28。数据处理器四是整个次声波监测装置41的中央芯片，它负责控制整个次声波监测 装置41、对次声波传感器21采集的次声波信号进行简单的处理，若次声波传感器21在一段 时间内连续接收到疑似泄漏信号，数据处理器四将通过GPS单元30将一段时间内的次声 波传感器21、噪声传感器23采集的数据连同GPS时钟数据一并发送到中央控制计算机31， 本系统根据处理器四作用、成本而选用arm系列芯片；噪声传感器23的探头伸于地面以下 大约30寸的地方，因为高频信号会被土壤大幅度衰减，噪声传感器23只接受低频信号，而 低频信号主要由噪声信号决定，所以噪声传感器23主要接收的为噪声信号特征，由各个节 点15监测装置的辅助传感器23组成阵列信号检测的形式，根据阵列信号检测的原理分析 背景噪声；金属罩M用于隔绝噪声传感器23与大气的联系，因为大气中的也会存在噪声信 号，这样会影响噪声传感器23的准确性；GPS时序采集器30负责接收时钟信号，当数据处 理器四发送数据时，GPS单元30会将采集的时钟信号一并发送到中央控制计算机31 ；双扭 环单元27耦合与次声波传感器21和噪声传感器22，其作用在于控制次声波传感器21和噪 声传感器22交替采集传感数据，双扭环单元27保证采集信号无缝隙，可以使采集频率高达 32KHZ，较国际通用的IKHZ有了不小的提高。
此图只是画出了一个次声波监测装置41，实际上管道发生泄漏时，各个相关节点15都会接收到泄漏信号，因此实际算法会根据各个节点15的采集数据综合分析，进行判 断。
如图3所示，数据采集的精确度在于传感器21的灵敏度和其安装位置。本方案采 用引压管33、连接阀门34、泄放管35来连接次声波传感器21，引压管33、连接阀门34、泄放 管35依次连接在管道22接口上，它们之间用卡套或螺纹连接，引压管33和泄放管35为内 壁光滑的无缝钢管。整个装置的长度不超过2米，引压管33的长度过长、安装型式不对都 会导致信号衰减。安装过程中，引压管33倾斜度以及两监测装置41之间的适宜距离都将 影响信号的接收效果。
如图4所示，本系统在煤气管道22两端安装次声波监测装置41，当上下两端都接 收到次声波信号时，这样就会有上下两端接收信号的时间差，再根据已知的次声波传播速 度和两个次声波监测装置41之间的距离来判断管道22的泄漏情况。其中次声波传播速度 与次声波波速属于声速，设参数f、g、h (它们与压强ρ对温度T的偏导相关)，R为摩尔气 体常数，M为气体分子量，γ为比热比，则次声波在气体中传播的速度等于Vv M A hC J V M
根据声波公式，次声波在气体中传播速度与温度、介质分子量有关。其中设次声波 传播速度为v，泄漏点42到管道上端数据采集器41的距离为X，管道上下端次声波传感器 21之间的距离为L，两端扑捉到次声波时间差为口 t，则
^ L + Δ 广 Q；
因为次声波传播速度为修正速度，所以采用迭代算法来进一步精确泄漏点42位 置。根据得到估算的定位位置，反推该位置的压力及温度等数据，从而再一次算出该点所处 管段22的次声波波速，重复以上的步骤，可以得到不同的位置等，当循环达到一定的步数 时，位置将在某一很小的范围内波动，确定该定位位置为泄漏位置42。
中央控制计算机41负责对一系列的管道数据进行分析。中央计算机41对各个节 点15的泄漏信号、噪声信号进行综合分析，采用相关分析结合最小二乘法和卡尔曼滤波的 办法来对泄漏信号进行滤波，然后用迭代算法进行泄漏点42的定位。
因为管道泄漏引发的次声波信号会传到各监测端41，其各端信号的相关性可以在 一定程度上排除噪声干扰和泄漏误判；而最小二乘法与卡尔曼滤波的结合，对于判断信号 源位置、滤除干扰有很好的效果。相关分析法是利用相关技术对管线泄漏点42两侧传感器 21采集到的信号进行相关计算，从而对泄漏进行检测的方法。基于两端接收到的信号特征 的相关特点，相关峰值的位置表征泄漏点处的信号传播到两端测点的时间差。但是如果泄 漏速度很慢，泄漏信号会很微弱，因此方案考虑再结合最小二乘法和卡尔曼滤波、以及对比 小波变换的方法，对信号进行进一步分析。
因为土壤的衰减作用，噪声传感器23将得到噪声信号的特征，这对分析泄漏信号 有很大的帮助，通过分析噪声信号，更便于对泄漏次声波信号的提取。迭代算法通过对估算 的定位位置，以及该位置的压力及温度等数据，反复的进行迭代计算，以精确泄漏位置42。
煤气管道泄漏监测关键在于采集数据的准确性和对信号的有效分析，本方案在总 结了以往的各类方案后，提出了一种准确的数据采集方法，并结合了一系列的信号处理方 式，因此有理由相信煤气泄漏监测方案会取得预期的成果。
以上所披露的仅为本发明的优选实施例，当然不能以此来限定本发明的权利保护 范围。可以理解，根据本发明所附权利要求书中限定的实质和范围所作的等同变化，仍属于 本发明所涵盖的范围。
权利要求
1.一种用于对城市煤气管网进行实时监测的系统，该系统包括用于监测城市管网节点的次声波监测装置Gl)；用于监测管道次声波泄漏信号的次声波传感器装置；用于安装次声波传感器的金属管道装置(33)、(35)；用于接收管道背景噪声信号的辅助传感器装置03)。
2.根据权利要求1所述的认证系统，其特征在于所述次声波监测装置Gl)安置在城 市管网节点煤气供应站(11)、煤气的调压站(12)、住宅单元(13)、家庭用户(14)处。
3.根据权利要求1所述的认证系统，其特征在于所述中次声波传感器装置安装 于管网节点(15)，在煤气管道02)上下两端。
4.根据权利要求1所述的认证系统，其特征在于所述金属管道装置包括引压管(33) 和泄放管(35)，引压管(3 和泄放管(3 均为内壁光滑的无缝钢管。
5.根据权利要求1所述的认证系统，其特征在于所述辅助传感器装置03)安装于相 对应的次声波传感器装置之上，并由各个城市管网节点(1 的辅助传感器组成 阵列信号检测的形式。
6.一种用于根据权利要求1所述的认证系统的使用方法，包括如下步骤将所述次声波传感器装置安置在所述管道0 上；将所述辅助传感器装置03)安装于相对应的次声波传感器装置之上，所有辅助 传感器装置0 )组成阵列信号检测的形式；将所述次声波监测装置安装于城市煤气管网节点(1 之上；将所述控制中心计算机(31)安装相应去噪算法软件，并通过GPS单元(30)接收次声 波监测装置的数据。
全文摘要
本发明披露了一种用于对煤气管道进行泄漏监测的系统及其使用方法，该系统包括次声波传感器、辅助传感器、数据处理器、GPS时序单元、控制中心计算机等。将该次声波监测装置安装于城市管网节点，实时接收城市煤气管道的泄漏情况，并通过GPS传输数据到控制中心，由此实现了煤气管道的监测和管理，达到实时监测、精确定位的目的。
文档编号F17D5/06GK102032447SQ20091020611
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者刘盈, 罗仁泽 申请人:罗仁泽