专利名称：天然气输气管道泄漏监测定位装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于天然气输气管道在发生泄漏或被盗气时，能在线监测管道泄漏和判定泄漏具体位置的天然气输气管道泄漏定位装置，属于采气田或输气管道必须安装的安全监测设备领域。
背景技术：
天然气输气管道在长期运行过程中，因自身材质缺陷产生裂纹、沙眼，因腐蚀发生腐烂，因外力破坏产生开裂，因盗气发生漏气，给经济建设造成极大损失，给安全运行造成极大危害，给周围环境造成重大破坏。长期以来，国内外对天然气输气管道泄漏在线监测装置投入了大量的人力物力进行研究。一些大专院校、科研院所采用了诸如统计法、分布式光纤法、瞬间模型法、音波法、负压力波法、质量体积平均法等进行了初步探讨。虽研究单位不少，方法众多，但多数仅限于理论研究或试验阶段。现场偶见一两套相关的监测装置，但无论是可行性、准确性、实效性甚微。经申请人检索发现，中国专利CN2011201357^.8 “城市天然气泄露警告器”，其选用乙烷传感器作为天然气泄露检测单元，并且乙烷传感器沿天然气管道间隔分布。这种泄漏警告器的探测灵敏度低，容易受干扰，并且探测距离近，因此需要沿管道间隔分布传感器，需要在运输管道上打孔安装，工程量大且容易存在安全隐患，尤其针对正处于运营状态下管道，这种安装改造是十分危险的，因此该方案至今未能被实施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供天然气输气管道泄漏监测定位装置，能确保及时准确、有效地监测天然气输气管道的泄漏并准确定位装置，为安全输气提供了有力保障。为了解决以上技术问题，本发明提供天然气输气管道泄漏监测定位装置，其特征在于包括监控主机、监控分机、压电陶瓷传感器，所述监控分机、压电陶瓷传感器设置于天然气管道的首站和末站，所述监控分机与监控主机通讯连接，监控分机安装有GPS天线，并通过接受GPS信号实现监控分机之间的时间同步，所述压电陶瓷传感器安装于首站和末站的天然气管道上，压电陶瓷传感器的后端连接有信号放大器，信号放大器的信号输出端与监控分机的数据采集卡连接，所述压电陶瓷传感器的音频接受频率范围为0. IHz 10Hz。泄漏检测定位装置的传感器选用压电陶瓷传感器，其可承受天然气管道内的高压，而且对次声波探测的灵敏度高，适用于天然气输气管道泄漏监测；本装置压电陶瓷传感器的接收音频范围为0. IHz 10Hz，天然气泄露所产生声音频率中，该频率范围内的次声波具有较强的规律性和抗干扰性，加上次声波具有传递过程中衰减较低的特性，使本装置的传感器能够准确探测到发生在较远距离(最长60公里)的泄露。由于传感器可以探测发生在较远距离处对的泄漏，因此只需在天然气管道的首末站安装传感器即可，不需要破坏沿途的天然气管道，大大降低施工成本和运行成本，且不存在安全隐患。本装置中，将信号放大器安装于压电陶瓷传感器的后端，其信号传输距离短、无衰减、整体结构紧凑，便于安装、防干扰。当输气管道某点发生泄漏时，泄漏产生的信号沿管道向首站和末站传播。由于该泄漏点距首站距离和末站的距离不相同，次声波到达首站时间和末站的时间也不相同。在首站和末站的监控分机内设置了 GPS系统，两站的时间经GPS授时后完全一致，因而泄漏信号向两站的传播时间和得以确定，从而可以确定泄漏信号到达两站的时间差，结合声波在管道内的传播速度即可对泄漏点精确定位。本发明进一步限定的技术方案是压电陶瓷传感器安装于天然气输气管道上的阀门上。这样可以不破坏原有管道， 便于设备安装与后期维护。由于天然气输气管道的泄漏产生的声信号极其微弱，加之传感器只能安装在输气管道两端的加压站(首末站)内，泄漏声信号在长距离传播时衰减很快，泄漏信号扑捉十分困难。为解决以上技术问题，本发明根据所需传感器的工作环境的温度，湿度，酸碱性、 压力，考虑系统中的中心频率、声压、电路参数、尺寸、厚度、加工精度和表面粗糙度，在磷酸二氢钾、钛酸钡、锆钛酸PZT-P5、铌酸盐、铌镁酸盐、P-51和锆钛酸铅等7中材料中选取锆钛酸ΡΖΤ_Ρ5(接受型)材料做成压电陶瓷的晶片，提高了压电常数，增强了灵敏度。此夕卜，本发明将压电陶瓷膜片的直径由12. 7mm增大到18mm(国内首创)，面积增加了一倍，大大提高了次声波传感器的灵敏度、信噪比和低频范围，能采集到长距离传输过来的次声波低频信号。并且，本发明减少压电陶瓷膜片的厚度至0.7mm，增加了膜片的柔顺性，对声压的感受更灵敏。一般安装在现场的传感器在捕捉到次声波信号后，需要长距离将该信号传输到信号放大器内将电荷信号传换成电流后再进行放大。此种作法的缺陷是，由于长距离传输采集到的相关信号，该信号在传输途中能量消耗、信号减弱直至消失，信号放大器对该信号转换、放大时造成困难。为此，本装置将信号放大器设置于传感器的后方，具体结构如下本装置还具有一个刚性筒体，所述信号放大器安装于筒体内，所述筒体下端通过转接头固定压电陶瓷传感器，压电陶瓷传感器的信号输出线穿过转接头后与信号放大器相连，所述筒体的筒壁上开设有输出信号电缆接口，信号放大器的信号输出端从该输出信号电缆接口伸出后与监控分机的数据采集卡连接。进一步的，筒体具有上盖、下盖，所述下盖与转接头螺纹连接，所述压电陶瓷传感器焊接在转接头的下端。安装时，将信号放大器的线路板放置在刚性筒体的内部，合上上盖和下盖成一密封圆柱体。将该刚性筒体旋接在转接头上端，转接头的下端旋进天然气管道预留的阀门螺纹孔内，能承受管内最大IOMpa的高压，有效地扑捉到泄漏信号中的次声波信号，并将将接受到的声波压力信号输入到前置放大器。本发明中，压电陶瓷传感器与信号放大器就集合成一个整体部件。该整体结构密封性能好，便于安装、防干扰外，对于整个组合件防护等级可达到IP65，通过Ex dll A T3Gb防爆认证。当该组合件需要安装在露天旷野时，可在组合件的线路板和外壳设置防雷和接地，可避免雷击。并将变径接头的下端旋进天然气管道预留的阀门螺纹孔内，传感器将接受到的声波压力信号输入到前置放大器。本发明可对天然气管道中0. IHz IOHz频率的次声波进行采样和识别，用以对天然气泄漏进行在线监测。研发人员进行了反复试验，不断总结归纳，付出了艰辛的劳动，发现天然气管道泄漏时，0. IHz IOHz频率的次声波具有较强规律性和稳定性，从而利用该规律研发了本套装置，并建立泄漏识别模型对天然气泄漏进行判断，实践证明其判断正确率可达到98%以上，与现有泄漏监测装置相比，不论从鉴别效率还是可行性都具有了长足的进步。预计推出之后，将受到节能用户的普遍欢迎，具有良好的市场前景。
图1为本发明的结构组成框图。图2为本发明压电陶瓷传感器与信号放大器的组合结构示意图。
具体实施例方式本实施例提供的天然气输气管道泄漏监测定位装置，结构如图1所示，包括监控主机、监控分机、压电陶瓷传感器，监控分机、压电陶瓷传感器设置于天然气管道的首站和末站，所述监控分机与监控主机通讯连接，监控分机安装有GPS天线，并通过接受GPS信号实现监控分机之间的时间同步，所述压电陶瓷传感器安装于首站和末站的天然气管道上， 压电陶瓷传感器的后端连接有信号放大器，信号放大器的信号输出端与监控分机的数据采集卡连接，所述压电陶瓷传感器的音频接受频率为0. IHz 10Hz。本例中，压电陶瓷传感器安装于天然气输气管道上的阀门上。如图2所示，本装置具有一个刚性筒体3，信号放大器4安装于筒体3内，筒体3下端通过转接头7固定压电陶瓷传感器8，压电陶瓷传感器8的信号输出线穿过转接头7后与信号放大器4相连，筒体3的筒壁上开设有输出信号电缆接口 2，信号放大器4的信号输出端从该输出信号电缆接口 2伸出后与监控分机的数据采集卡连接。如图2所示，筒体3具有上盖1、下盖6，下盖6与转接头7螺纹连接，压电陶瓷传感器8焊接在转接头7的下端。本发明根据所需传感器的工作环境的温度，湿度，酸碱性、压力，考虑系统中的中心频率、声压、电路参数、尺寸、厚度、加工精度和表面粗糙度，在磷酸二氢钾、钛酸钡、锆钛酸PZT-P5、铌酸盐、铌镁酸盐、P-51和锆钛酸铅等7中材料中选取锆钛酸PZT-P5 (接受型) 材料做成压电陶瓷的晶片，提高了压电常数，增强了灵敏度。本实施例中，将压电陶瓷膜片的直径由12. 7mm增大到18mm(国内首创)，面积增加了一倍，大大提高了次声波传感器的灵敏度、信噪比和低频的范围的，能采集到长距离传输过来的次声波低频信号。压电陶瓷膜片的厚度减至0. 7mm，增加了膜片的柔顺性，对声压的感受更灵敏。将此压电式次声波传感器焊接在一变径接头下端，变径接头下端的G1/2螺纹旋入天然气输气管道上的阀门上，该传感器伸入到天然气输气管道内，能承受管内最大 IOMpa的高压，有效地扑捉到泄漏信号中的次声波信号。当输气管道某点发生泄漏时，泄漏产生的信号沿管道向首站和末站传播。由于该泄漏点距首站距离L1和末站的距离L2不相同，次声波到达首站时间、和末站的时间t2也不相同。在首站和末站的监控分机内设置了 GPS系统，两站的时间经GPS授时后完全一致， 因而泄漏信号向两站的传播时间tl和t 2得以确定，从而可以确定泄漏信号到达两站的时间差At。结合声波在管道内传播的速度，即可求得泄露点所在位置。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.天然气输气管道泄漏监测定位装置，其特征在于包括监控主机、监控分机、压电陶瓷传感器，所述监控分机、压电陶瓷传感器设置于天然气管道的首站和末站，所述监控分机与监控主机通讯连接，监控分机安装有GPS天线，并通过接受GPS信号实现监控分机之间的时间同步，所述压电陶瓷传感器安装于首站和末站的天然气管道上，压电陶瓷传感器的后端连接有信号放大器，信号放大器的信号输出端与监控分机的数据采集卡连接，所述压电陶瓷传感器的音频接受频率为0. IHz IOHz。
2.根据权利要求1所述的天然气输气管道泄漏监测定位装置，其特征在于压电陶瓷传感器安装于天然气输气管道上的阀门上。
3.根据权利要求1所述的天然气输气管道泄漏监测定位装置，其特征在于还具有一个刚性筒体，所述信号放大器安装于筒体内，所述筒体下端通过转接头固定压电陶瓷传感器，压电陶瓷传感器的信号输出线穿过转接头后与信号放大器相连，所述筒体的筒壁上开设有输出信号电缆接口，信号放大器的信号输出端从该输出信号电缆接口伸出后与监控分机的数据采集卡连接。
4.根据权利要求3所述的天然气输气管道泄漏监测定位装置，其特征在于筒体具有上盖、下盖，所述下盖与转接头螺纹连接，所述压电陶瓷传感器焊接在转接头的下端。
5.根据权利要求4所述的天然气输气管道泄漏监测定位装置，其特征在于所述压电陶瓷传感器的压电陶瓷晶片由锆钛酸PZT-P5材料制成。
6.根据权利要求5所述的天然气输气管道泄漏监测定位装置，其特征在于所述压电陶瓷传感器的压电陶瓷膜片直径为18mm，厚度为0. 7mm。
全文摘要
天然气输气管道泄漏监测定位装置，包括监控主机、监控分机、压电陶瓷传感器，监控分机、压电陶瓷传感器设置于天然气管道两端，监控分机与监控主机通讯连接，监控分机安装有GPS天线，压电陶瓷传感器安装于首站和末站的天然气管道上，压电陶瓷传感器的后端连接有信号放大器，信号放大器的信号输出端与监控分机的数据采集卡连接，压电陶瓷传感器的音频接受频率为0.1Hz～10Hz。本发明可对天然气管道中0.1Hz～10Hz频率的次声波进行采样和识别，用以对天然气泄漏进行在线监测。实践证明本发明装置对泄漏的判断正确率可达到98％以上，与现有泄漏监测装置相比，不论从鉴别效率还是可行性都具有了长足的进步。
文档编号F17D5/06GK102563364SQ20121005788
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年3月7日
发明者张钧, 陈钟荣 申请人:张钧, 陈钟荣