一种管道泄漏检测单点定位方法与流程

本发明涉及一种应用于油气管道输送领域中的泄漏点检测定位方法。

背景技术：

管道网络是运输天然气，油，水和蒸汽的重要渠道，但是由于气压、温度、湿度等对管道产生载荷及腐蚀，管道经常会发生泄漏状况。管道泄漏不仅会造成自然资源的浪费,还对管道自身和空气、建筑物造成危害。如果管道故障可以在早期被检测出来的话，管道就会得到及时修复，因此及时、准确地定位泄漏是一项重要的工作。当管道发生泄漏时,管内气体或液体从孔口漏出产生泄漏声波沿管道传播,所以根据泄漏声波估计漏点位置是现在常用的方法。

管道漏点引起声波的连续变化，但人们并不知道泄漏声波准确的到达或者截止时间。目前的现行方法是在管道漏点两侧各安装一个声波传感器，如图1所示，当管道发生泄漏时，喷发出的介质与管壁摩擦产生各种频段的复合声波，安装在管道两端的传感器接收到这些声波信号后，通过提取信号的时频特征来判别是否发生泄漏，然后两个传感器采集的波形用互相关算法进行时延估计，并从中获得泄漏声波到两个传感器之间的时间差。定位方法需要知道波的速度，传感器位置和时间差。但是此方法应用的前提是保证漏点必须在两个传感器之间，并且需要大量的调试，过程比较繁琐。另外此方法要求两侧的两只传感器的灵敏度、传感器响应特性和信号放大倍数等具有高度的一致性，并且信号采样率要适应两只传感器的安装间距和声波传播速度，否则难以捕捉泄漏信号。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种管道泄漏检测方法，该种方法可以通过在管道一点安装一套传感器来准确判断出泄漏声源的方向并确定泄漏点的位置，从而大大提高了管道泄漏检测的工作效率和精准度。

本发明的技术方案是：一种管道泄漏检测单点定位方法，其特征在于：在待测管道的某一管道接箍处安装第一、第二两个激光传感器，所述第一激光传感器发出的激光束通过准直透镜水平入射到所述管道接箍处，所述第二激光传感器发出的激光束通过准直透镜垂直入射到所述管道接箍处；所述第一激光传感器用于测量由于气体从管道泄漏而产生的纵波，所述第二激光传感器用于测量由于气体从管道泄漏而产生的横波；通过横波和纵波的时间差来确定泄漏点距检测点距离，通过所述纵波的自混合干涉条纹倾斜方向来判断声源方向，来确定管道泄漏点位于所述管道接箍处的左侧或右侧，从而实现对管道泄漏点的单点定位。

那么如何通过横波和纵波的时间差来确定泄漏点距检测点距离，可以通过如下方式实现，即利用相位解卷方法对管道泄漏产生的横纵波振动位移进行重构，之后利用改进时延估计算法，实现对管道泄漏点的准确定位。

本发明具有如下有益效果：本发明针对现有管道声波传感器需要安装在管道两端才能定位的局限，利用声源在管道中传播有横波和纵波的性质，并且纵波传播速度大于横波的特点，构建了一种新的检测方法。利用本方法可以测量传感器两侧的管道泄漏情况，改进了只能测量两个传感器之间的管道泄漏情况的传统方法，提高了工作效率。此外，本发明采用单点测量装置，通过激光传感器自混合干涉波形可判断出泄漏声源的方向。综上所述，本方法可以通过一套传感器准确判断出泄漏点的方向和位置，从而大大提高了管道泄漏检测的工作效率和精准度。

附图说明：

图1是现有技术中用于检测管道漏点时的装置结构示意图。

图2是本发明用于检测管道漏点时的装置结构示意图。

图3是管道声源横波和纵波在沿管道壁传播时的示意图。

图4是本发明用于检测管道漏点时的激光传感器的结构原理图。

图5是本发明用于检测管道漏点时的激光传感器的电气原理图。

图6是本发明用于检测管道漏点时的第一激光传感器、第二激光传感器与外部配合部件连接后的结构示意图。

图7是本发明管道泄漏单点定位流程图。

图8是本发明所述数据分析处理过程的流程图。

图9 是本发明数据处理波形图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本种管道泄漏检测单点定位方法，针对现有管道声波传感器需要安装在管道两端才能定位的局限，利用声源在管道中传播有横波和纵波并且纵波传播速度大于横波的特点来构建：

在待测管道的某一管道接箍处安装第一、第二两个激光传感器，所述第一激光传感器发出的激光束通过准直透镜水平入射到所述管道接箍处，所述第二激光传感器发出的激光束通过准直透镜垂直入射到所述管道接箍处；所述第一激光传感器用于测量由于气体从管道泄漏而产生的纵波，所述第二激光传感器用于测量由于气体从管道泄漏而产生的横波；通过横波和纵波的时间差来确定泄漏点距检测点距离，通过所述纵波的自混合干涉条纹倾斜方向来判断声源方向，来确定管道泄漏点位于所述管道接箍处的左侧或右侧，从而实现对管道泄漏点的单点定位。

如何通过横波和纵波的时间差来确定泄漏点距检测点距离，可以通过如下方式实现，即利用相位解卷方法对管道泄漏产生的横纵波振动位移进行重构，之后利用改进时延估计算法，实现对管道泄漏点的准确定位。

下面首先对本发明的原理进行说明：

管道的局部区域受到外加压力的作用，物体各部分有速度变化,从而出现波的过程。对于无限大或半无限大的理想介质,当管道产生局部变形时,不仅产生体积变形,而且产生剪切变形,因此,将激起两种波,即纵波（压缩波）和横波（切变波）。纵波质点振动位移和波的传播方向一致。横波质点振动位移和波的传播方向垂直。他们以不同的速度在介质中传播。所以当管道声源在沿管道壁传播时，如图3所示，将引起管道的振动，振动波分两种，一种是横波，垂直管道轴线振动，一种是纵波，平行管道轴线振动，在钢制管道中纵波的传播速度要比横波快。

两个激光传感器分别采集横、纵波自混合干涉波形的数据。因为横波的传播速度要慢于纵波，所以纵波传感器先检测到管道振动，横波传感器要晚于纵波传感器检测到管道振动，二者的时间差用来测量管道泄漏点距传感器距离，同时利用纵波传感器自混合干涉条纹倾斜方向来判断声源方向。

假设纵波在钢质管道中传播速度为，横波在钢质管道中传播速度为，假设管道泄漏点距检测点的距离为，横波和纵波传感器检测到的振动时间差为，那么管道声源的位置可以通过公式1来计算。

（1）

从公式1可以看出，这种方法不需要知道管道长度，只在一个检测点就可以定位这个检测点两侧的声源振动，如图2所示。

用于实施本发明的激光传感器由激光器(采用发光二极管LD、光电二极管PD集成封装)、激光器驱动电路以及运算放大器等构成，如图4所示。激光器采用可见光激光器 QL65D5SA，中心波长为650nm，最大输出功率为5mW。驱动激光器恒流源采用 WaveLength公司生产型号为WLD3343 恒流源驱动器。 当半导体激光器输出光束照射到管道卡箍时，一部分光被卡箍表面反射或散射，并回到激光腔内，形成光反馈效应，这种效应会引起激光器的输出功率以及输出光频率的变化。这种现象称为激光自混合干涉效应。半导体激光器 QL65D5SA 内部自带封装一个光电探测器 PD 检测激光器的输出光功率变化，经运算放大器 INA122 对电流进行放大并转换为 0-2V 的输出电压获得信噪比较高的自混合干涉信号。在半导体激光自混合干涉系统中，激光传感器不仅作为系统光源，同时也是系统的探测元件，因而简化了激光干涉系统的结构，具有测量精度高，应用广泛，而且具有传统激光干涉仪所无法比拟的光路简单、干涉信号含有方向信息、自准直、结构紧凑、成本低等优点。

实施时，首先选取一个合适的连接管道的接箍，分别在接箍的平行、垂直于管道轴线方向一侧放置激光传感器1和激光传感器2，使两个传感器大约呈90度夹角。两个激光传感器均由 (发光二极管LD、光电二极管PD集成封装)、激光器驱动电路、运算放大器等构成。然后分别调节两个激光器的距离和激光强度，使两个激光点位于同一水平线上。激光传感器1用来采集管道壁纵波自混合干涉波形，激光传感器2用来采集管道壁横波自混合干涉波形。将激光传感器1采集到的纵波自混合干涉信号与激光传感器2采集到的横波自混合信号分别送到运算放大器1和运算放大器2中，由运算放大器进行放大并转换为 0-2V 的输出电压，获得信噪比较高的自混合干涉信号，所以运算放大器输出放大1000倍的电压信号。再后，分别将上步得到的两个电压信号送入数据采集卡，经过模数转换，数据采集卡输出两个数字电压信号。最后数据采集卡将输出的两个数字电压信号传输给计算机进行数据分析处理。

下面给出一个可以证明本发明具有可行性的具体实施例：

选取一个合适的连接管道的接箍，在平行于管道轴线、并且靠近卡箍的方向放置激光传感器1，在垂直管道轴线、并且靠近接箍的方向放置激光传感器2，调整两个激光器，使两个传感器大约呈90度夹角。两个激光传感器均由 (发光二极管LD、光电二极管PD集成封装)、激光器驱动电路、运算放大器等构成。分别调节两个激光器距离卡箍的距离和激光强度，使两个激光点位于同一水平线上。

（2）两个激光传感器对管道内的横波和纵波进行采集。

给驱动电路1和驱动电路2外加电压，使两个恒流源产生恒定电流，驱动电流都为25mA。驱动电流作为激励驱动半导体激光器，利用电子在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光束。当半导体激光器输出光束照射到接箍表面时，一部分光被接箍表面反射或散射回激光腔内，形成光反馈效应，这种效应引起激光器的输出功率以及输出光频率的变化，发生半导体激光自混合干涉现象。激光传感器1用来采集管道壁纵波自混合干涉波形，激光传感器2用来采集管道壁横波自混合干涉波形。

（3）将上步采集的信号送入运算放大器中，得到放大1000倍的电压信号。

将上步激光传感器1采集到的纵波自混合干涉信号，激光传感器2采集到的横波自混合信号分别送到运算放大器1和运算放大器2中，由于运算放大器对电流进行放大并转换为 0-2V 的输出电压获得信噪比较高的自混合干涉信号，所以运算放大器输出放大1000倍的电压信号。

（4）将上式采集到的电压信号送入数据采集卡内，经过数模转换，得到数字电压信号。

（5）将上式得到的电压信号送入计算机进行数据分析处理。

（6）根据纵波自混合干涉条纹倾斜方向判断泄漏声源方向。

由于自混合信号为类锯齿波波形，当条纹向左倾斜，目标靠近激光器，反之，目标远离激光器。在本实施例中，由于激光传感器1在接箍左侧，当采集到的纵波自混合干涉条纹向左倾斜时，则漏点在检测点的右侧；当采集到的纵波自混合干涉条纹向右倾斜时，则漏点在检测点的左侧。由此可以由纵波自混合干涉信号条纹倾斜方向直接辨别管道漏点的方向。

由图9(a)可知，纵波自混合干涉条纹往左倾斜，由上式判别标准可知，泄漏点在检测点的右侧。

(7)对采集到的横纵波自混合干涉波形进行归一化处理。

设纵波自混合干涉信号为，横波自混合干涉信号为，由于利用相位解卷算法对自混合干涉信号进行处理前，需要使自混合信号分布余弦函数值域[-1,1]内，所以需要对 和进行归一化处理。将纵波自混合干涉信号代入公式(2)

(2)

得到归一化后的波形。其中， 和分别为数据中最小值和最大值， 为对应数据的归一化区间范围，由于归一化处理需要使自混合信号分布余弦函数值域在内，所以归一化区间范围 为。

将横波自混合干涉信号代入公式(3)

(3)

得到归一化后的波形。其中，和分别为数据中最小值和最大值，为对应数据的归一化区间范围，由于归一化处理需要使自混合信号分布余弦函数值域在内，所以归一化区间范围为。

（8）将上式得到的归一化后的纵波、横波自混合干涉信号和进行相位解卷，得到纵波和横波的原始振动位移信号。

因为自混合干涉信号是一个光波信号，信号的所有信息都包含在振幅和相位之中，所以通过对自混合干涉信号包含的相位信息处理可以重构外部反射物体振动位移信息。由于仿真过程中所有信号均为离散量，所以采样点序列 代替变量时间，为采样点序列，为真实相位。

对归一化后的纵波自混合干涉信号相位解卷步骤如下：

1.将代入公式(4)

(4)

得到真实相位。

(和均为整数；取值 0 或 1，取值+1或-1)

2.将上步求得的真实相位代入公式(5)

(5)

得到相位。其中为光反馈水平因子，，为激光器线宽展宽，。

3.将上式求得的相位代入公式(6)

(6)

得到纵波原始的振动位移函数。

对归一化后的横波自混合干涉信号相位解卷步骤如下：

1.将带入公式(7)

(7)

得到真实相位。

( 和均为整数；取值 0 或 1，取值+1或-1)

2.将上步求得的真实相位代入公式(8)

(8)

得到相位。其中为光反馈水平因子，，为激光器线宽展宽，。

3.将上式求得的相位代入公式(9)

(9)

得到横波原始的振动位移函数。

如图9(c)、9(d)所示。图9(c)为纵波振动位移波形，图9(d)为横波振动位移波形。

（9）对上式得到的纵波振动位移函数和横波振动位移函数求互相关函数。

将和带入公式,得到为带有和时间差信息的互相关函数。图9(e)为得到的互相关函数波形。

（10）求互相关函数的互谱函数。

将上式得到的互相关函数代入公式 ，求得互功率谱函数。

(11)在互功率谱函数中，找出幅值最大值点所对应的横坐标

（频率），求点所对应的相位值，将相位值代入公式 (为采样频率，本实验的采样频率为 ，得到时延值。

本实施例所求的频率值，所对应的相位值角度，将相位值代入公式，得到时延值。

（12）将时延值代入公式 ，求出漏点距离传感器的位移。

本实施例中已知人工测量漏点距离为，将上式得到的时延值代入公式，求得漏点距离，所以实验误差为0.444m，证明此发明方法可行。