本发明涉及管网泄露检测领域，特别是涉及一种环形管网泄露检测装置及其检测方法。
背景技术：
日常生产生活中，离不开管网进行液体的传输，而管网通常会出现泄漏的问题。对于一些特殊用处的管网，如石油管网、灭火管网等，进行实时的泄漏检测和定位具有重大意义。
液体管网泄漏报警定位装置是一套能够对环状液体管网进行实时泄漏检测并定位的装置。在管网任意处发生泄漏时，该装置能够快速响应报警并对泄漏位置进行准确定位，使突发事件得到及时处理，使损失降低到最低限度。
现有的液体管网泄漏报警定位装置一般为听音式，干扰较大，准确率低。
技术实现要素：
本发明主要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种环形管网泄露检测装置及其检测方法，能够提高检测的精度和准确率，降低损失。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种环形管网泄露检测装置，包括：安装在环形管道上的若干传感器、与所述传感器相连的用于采集传感器信息的采集模块、与采集模块相连的接收采集模块数据并将数据传输至工控机的canusb模块、与canusb模块相连的用于接收并保存canusb模块传输数据并将数据传输至触摸屏的工控机、与工控机相连的用于显示信息的触摸屏，若干所述传感器包括若干压力传感器和若干音波传感器。
在本发明一个较佳实施例中，所述工控机上安装有用于接收canusb模块传输来的数据、并打上时间标记、保存至工控机硬盘中的cantest模块。
在本发明一个较佳实施例中，所述工控机上安装有用于处理cantest模块保存的文件、进行逻辑判断、显示数据波形、将压力数据泄漏报警信号输出至触摸屏的泄漏定位逻辑处理模块。
在本发明一个较佳实施例中，所述环形管网泄露检测装置还包括与所述触摸屏相连的输出模块、蜂鸣器。
在本发明一个较佳实施例中，所述环形管道上有一根跨接管，若干所述传感器包括6个压力传感器和4个音波传感器。
在本发明一个较佳实施例中，所述环形管道上有三根跨接管，若干所述传感器包括18个压力传感器和8个音波传感器。
还提供一种环形管网泄露检测装置的检测方法，包括如下步骤：
(100)通过若干压力传感器和若干音波传感器实时接收并监控环形管道内压力及音波信号；所述若干压力传感器和若干音波传感器的位置已知；
(200)采集模块将采集到的压力及音波信号实时发送至canusb模块，canusb模块将接收到的信号转换成数据传输至工控机；
(300)当多个音波传感器数据的阈值大于一定数值时，则判断为发生泄漏，此时，工控机根据接收到的数据，计算出泄漏点的位置，并将结果输送至触摸屏显示。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤(300)具体为：在发生泄漏时，工控机首先根据时间标记计算出不同音波传感器之间的时间差；再根据时间差判断出泄漏发生管段的位置；接着根据不同传感器之间已知的距离，计算出传播速度；再根据传播速度和时间差，反推出泄漏的位置；根据原点以及泄漏位置，给出泄漏点距离原点的距离。
本发明的有益效果是：通过若干压力传感器和若干音波传感器实时采集信号，同时通过canusb模块进行信号转换，通过工控机处理数据，并通过触摸屏显示，能够快速查找中发生泄漏的具体位置，能够提高检测的精度和准确率，降低损失。
附图说明
图1是本发明一种环形管网泄露检测装置的示意图；
图2是环形管道上有一根跨接管时的环形管网图；
图3是环形管道上有三根跨接管时的环形管网图；
图4是直管泄漏定位原理图；
图5是具有一根跨接管的环形管网泄漏定位原理图；
图6是具有三根跨接管的环形管网泄漏定位原理图；
附图中各部件的标记如下：1、压力传感器，2、音波传感器，3、采集模块，4、canusb模块，5、工控机，6、触摸屏，7、其它设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1-图6，本发明实施例包括：
一种环形管网泄露检测装置，如图1所示，包括：安装在环形管道上的若干传感器、采集模块3、canusb模块4、工控机5、触摸屏6、以及与所述触摸屏6相连的输出模块、蜂鸣器等其他设备7。
所述若干所述传感器包括若干压力传感器1和若干音波传感器2，若干压力传感器1和若干音波传感器2的数据每1毫秒更新一次。
所述采集模块3与若干所述传感器相连，用于采集传感器信息。
所述canusb模块4与采集模块3相连，用于接收采集模块3的数据，并将数据传输至工控机5。
所述工控机5与canusb模块4相连，用于接收并保存canusb模块4传输数据并将数据传输至触摸屏6
所述触摸屏6与工控机5相连，用于显示信息，包括压力显示、低压报警、泄漏报警、泄漏位置显示、历史查询、系统状态(包括传感器状态(是否断线故障))等。还包括发送命令控制工控机关机等。
如图2所示，当所述环形管道上有一根跨接管时，若干所述传感器包括6个压力传感器(p1、p2、p3、p4、p5和p6)和4个音波传感器(a1、a2、a3和a4)。
如图3所示，当所述环形管道上有三根跨接管时，若干所述传感器包括18个压力传感器(p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8、p9、p10、p11、p12、p13、p14、p15、p16、p17和p18)和8个音波传感器(a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7和a8)。
所述工控机5上安装有cantest模块，用于接收canusb模块4传输来的数据、并打上时间标记、保存至工控机硬盘中，cantest模块用于接收采集模块数据，并将数据实时保存为csv或txt或asc格式文件。
cantest模块自动保存时文件名格式如下：frame1(0-65535).csv、frame1(65536-131071).csv、frame1(131072-196607).csv、frame1(196608-262143).csv等。其中frame1为填写的文件名称，括号内数字为自动生成的。一个文件内最多65536帧数据。
文件格式有三种：csv、txt、asc。
cantest模块接收的采集模块3信息保存到文件内的内容如下：
根据id(hex)不同，数据(hex)代表的内容也不同。例如id(hex)＝004041a0h，则0534表示压力传感器p17的值为1332，即7.325ma，也就是0.25mpa(800～4000对应4～20ma,0～1.5mpa)。又例如id(hex)＝004041c0h，则0880表示音波压力传感器a3的值为2056，即11.85ma(800～4000对应4～20ma)。
所述工控机5上安装有泄漏定位逻辑处理模块，用于处理cantest模块保存的文件、进行逻辑判断、显示数据波形、将压力数据泄漏报警信号输出至触摸屏6等。
泄漏定位逻辑处理模块的输入：
对于泄漏定位逻辑处理模块而言，接收来自cantest模块的csv或txt或asc格式文件。
文件内容如下：
根据id(hex)不同，数据(hex)代表的内容也不同。例如id(hex)＝004041a0h，则0534表示压力传感器p17的值为1332，即7.325ma，也就是0.25mpa(800～4000对应4～20ma,0～1.5mpa)。又例如id(hex)＝004041c0h，则0880表示音波压力传感器a3的值为2056，即11.85ma(800～4000对应4～20ma)。
泄漏定位逻辑处理模块的处理：
(1)泄漏定位及报警：
程序提取csv或txt或asc格式等文件中的数据，进行处理。根据算法，当多个音波传感器数据的阈值大于一定数值，则判断为发生泄漏。在发生泄漏时，根据时间标记计算出不同音波传感器之间的时间差。再根据时间差判断出泄漏发生管段的位置。接着根据不同传感器之间已知的距离，计算出传播速度。再根据传播速度和时间差，反推出泄漏的位置。根据原点以及泄漏位置，给出泄漏点距离原点的距离。
注意：
1)计算时间差时，相同相位点应在波前上(即第一个波的上升沿上)去取，因为它受到的干扰最小。但是由于阻尼的作用，波前通过不同测点的形状是略有不同的，这给确定相位点带来了一定的困难。我们取波峰值一半的点(中点)作为“同相位”点。
计算时，先取波前的平均值，再取波形的峰值，接着计算出峰值一半的点，然后根据查表找到对应的时间值。两个波形的时间值相减就是时间差。
2)转发传感器信息至外部输出。(由触摸显示模块处理传感器故障报警。)
3)采集模块故障：接收不到采集模块信号大于30秒，则判断为采集模块故障。
4)历史记录：记录泄漏管段、泄漏位置、传感器故障、采集模块故障等事件发生和恢复的时间等。
5)软件关机功能：接收到触摸屏的软件关机信号，控制工控机自动关机。
泄漏定位逻辑处理模块的输出：输出至外部(主要是触摸屏)
通过串口rs485(二线制)传输至触摸屏，通讯协议为modbus—rtu。
接口标准：rs485串行标准，二线制连接。
工作方式：半双工方式，异步传送。
波特率：9600bps。
字符格式：起始位：1位
数据位：8位
校验位：无
停止位：1位。
协议层使用modbusrtu，各测量值结果保存在保持寄存器里。(modbusrtu功能码：03h(读多个保持寄存器)，10h(写多个保持寄存器)，06h(写单个保持寄存器)。
触摸屏6为主站。
工控机5为从机，地址：0x05。
保持寄存器的具体定义见下表：
一种环形管网泄露检测装置的检测方法，包括如下步骤：
(100)通过若干压力传感器1和若干音波传感器2实时接收并监控环形管道内压力及音波信号；所述若干压力传感器1和若干音波传感器2的位置已知；
(200)采集模块3将采集到的压力及音波信号实时发送至canusb模块4，canusb模块4将接收到的信号转换成数据传输至工控机5；
(300)当多个音波传感器数据的阈值大于一定数值时，则判断为发生泄漏，此时，工控机5根据接收到的数据，计算出泄漏点的位置，并将结果输送至触摸屏6显示。在发生泄漏时，工控机5内的cantest模块将接收到的canusb模块传输来的数据打上时间标记，保存至工控机硬盘中(文件格式主要有csv或txt或asc)，根据时间标记计算出不同音波传感器之间的时间差；再根据时间差判断出泄漏发生管段的位置；接着根据不同传感器之间已知的距离，计算出传播速度；再根据传播速度和时间差，反推出泄漏的位置；根据原点以及泄漏位置，给出泄漏点距离原点的距离。
本发明的环形管网泄露检测装置是基于声学原理的，结合压力等管道常用参量，在管道泄漏的瞬间，管道压力平衡被打破，造成管道内流体弹性力量的释放，此时引起瞬时音波震荡。在管道中，音波从破裂的泄漏点，透过流体引导，沿着管道中的流体以音速向两侧扩张，音波传感器实时接收并监控管道内音波信号，装置通过音波信号处理，消除管道的背景噪声并抑制管道操作过程中产生的干扰；然后利用模式识别和人工智能技术，实时识别甄别和分析音波信号，确定是否发生泄漏；最后根据音波信号到达音波传感器的时间差，进一步计算出发生泄漏的具体位置。
步骤(300)中的具体计算过程如下：
1、直管泄漏定位原理(如图4所示)
已知:
a.音波传感器n1安装在点a，音波传感器n2安装在点b，ab之间的距离为lab，点o为ab中点，点x为假设的管道上任意一处泄漏点；
b.v为音波在管道内的传输速率；
c.ta为音波传感器n1接收到的时刻，tb为音波传感器n2接收到的时刻，tx为泄漏点泄漏时刻。
求：
lax和lbx的长度(lax为泄漏点距离a端长度，lbx为泄漏点距离b端长度)？
解：
假设t1为泄漏点音波传输到a端n1的时间，t2为泄漏点音波传输到b端n2的时间，则
lbx＝lab-lax(3)
将式(3)代入式(2)得
将式(1)等号两边减去式(4)等号两边得
将式(5)化简得
lbx＝lab-lax(7)
由式(6)得
由于管道内音波传输速率与管道通径、刚度、流体速度、密度、管道内滞留气体均有关系，与理论音波速率相差加大，拟采用人工模拟泄漏方法按式(8)测得实时音波速率，用实时音波速率对式(6)的理论音波传输速率进行修正，最终获取泄漏点位置。
2、具有一根跨接管的环形管网泄漏定位原理(如图5所示)
已知：
a.四个音波传感器n1，n2，n3，n4分别安装在点a，b，c，d，lab+lbc+lcd+lda为环形管道总长度，lab＝lbc，lcd＝lda，lac为跨接管长度且小于lab和lcd的长度，点oab，obc，ocd，oda，oac分别为ab，bc，cd，da，ac的中点；(lab＝lbc＝110m，lcd＝lda＝120m，lac＝30m)；
b.v为音波在管道内的传输速率(假定同一时间音波在各管道内的传输速率相同)；
c.ta，tb，tc，td分别为音波传感器n1，n2，n3，n4的接收时刻。
求：
a.泄漏点发生在哪段管道上？
b.泄漏点距该管道端点(即音波传感器安装位置)距离？(假设点x为管道上任意一处泄漏点)
解：
首先：判断ta，tb，tc，td的大小(即音波传感器n1，n2，n3，n4的接收时刻的先后)，此时分以下3种情况：
第①种情况：若ta最小(tc最小同理)，即音波传感器n1最先收到音波信号。(注：最小值与次小值之间差值应大于测量误差范围，否则最小值与次小值认为相同，此时按第③种情况进行计算)。
则泄漏点必然位于aoad段或aoab段或aoac段或a点，此时有以下4种情况：
a.若|ta-td|/|ta-tc|＝lad/lac,且|ta-tb|/|ta-tc|<lab/lac【或|ta-tb|/|ta-td|<lab/lad】，则aoab段发生泄漏；
假设点x为管道aoab段上任意一处泄漏点，lax为泄漏点x距该管道a端点距离，v为音波在管道内的传输速率。
因为：v＝lac/|ta-tc|【或v＝lad/|ta-td|】
将上式代入(6)
或
lbx＝lab-lax(10)
b.若|ta-tb|/|ta-tc|＝lab/lac，且|ta-td|/|ta-tc|<lad/lac【或|ta-td|/|ta-tb|<lad/lab】，则aoad段发生泄漏；
假设点x为管道aoad段上任意一处泄漏点，lax为泄漏点x距该管道a端点距离，v为音波在管道内的传输速率。
因为：v＝lac/|ta-tc|【或v＝lab/|ta-tb|】
将上式代入(6)
或
ldx＝lad-lax(12)
c.若|ta-tb|/|ta-td|＝lab/lad，且|ta-tc|/|ta-tb|<lac/lab【或|ta-tc|/|ta-td|<lac/lad】，则aoac段发生泄漏；
假设点x为管道aoac段上任意一处泄漏点，lax为泄漏点x距该管道a端点距离，v为音波在管道内的传输速率。
因为：v＝lab/|ta-tb|【或v＝lad/|ta-td|】
将上式代入(6)
或
lcx＝lac-lax(14)
d.若|ta-tb|/|ta-td|/|ta-tc|＝lab/lad/lac，则a点发生泄漏。
第②种情况：若tb最小(td最小同理)，即音波传感器n2最先收到音波信号。(注：最小值与次小值之间差值应大于测量误差范围，否则最小值与次小值认为相同，此时按第③种算法)。
则泄漏点必然位于boab段、bobc段或b点，此时有以下3种情况：
a.由于lab＝lbc,若ta<tc，由于lcd＝lda，且|tb-ta|/|ta-td|<lab/lad，则boab段发生泄漏；
假设点x为管道boab段上任意一处泄漏点，lbx为泄漏点x距该管道b端点距离，v为音波在管道内的传输速率。
因为：v＝lad/|ta-td|
将上式代入(6)
lax＝lab-lbx(16)
b.由于lab＝lbc，若tc<ta，由于lcd＝lda，且|tb-tc|/|tc-td|<lbc/lcd，则bobc段发生泄漏；
假设点x为管道bobc段上任意一处泄漏点，lbx为泄漏点x距该管道b端点距离，v为音波在管道内的传输速率。
因为：v＝lcd/|tc-td|
将上式代入(6)
lcx＝lbc-lbx(18)
c.由于lab＝lbc，若ta＝tc，则b点发生泄漏。
第③种情况：
若ta＝tb且最小，则泄漏点位于oab(即距离a点1/2lab长度)；
若tb＝tc且最小，则泄漏点位于obc(即距离b点1/2lbc长度)；
若tc＝td且最小，则泄漏点位于ocd(即距离c点1/2lcd长度)；
若td＝ta且最小，则泄漏点位于oad(即距离d点1/2lad长度)；
若ta＝tc且最小，则泄漏点位于oac(即距离a点1/2lac长度)。
3、具有三根跨接管的环形管网泄漏定位原理(如图6所示)
已知：
a.八个音波传感器n1，n2，n3，n4，n5，n6，n7，n8分别安装在点a，b，c，d，e，f，g，h，lab+lbc+lcd+lde+lef+lfg+lgh+lha为环形管道总长度(假设lab与lfg基本等长，lbc与lef基本等长)，lag，lbf，lce分别为三根跨接管长度(假设lag与lbf与lce基本等长)，lcd＝lde，lgh＝lha，点oab，obc，ocd，ode，oef，ofg，ogh，oha，oag，obf，oce分别为ab，bc，cd，de，ef，fg，gh，ha，ag，bf，ce的中点；(lab＝lfg＝60m，lbc＝lef＝80m，lcd＝lde＝50m，lgh＝lha＝85m，lag＝lbf＝lce＝30m)；
b.v为音波在管道内的传输速率(假定同一时间音波在各管道内的传输速率相同)；
c.ta，tb，tc，td，te，tf，tg，th分别为音波传感器n1，n2，n3，n4，n5，n6，n7，n8的接收时刻。
求：
a.泄漏点发生在哪段管道上？
b.泄漏点距该管道端点(即音波传感器安装位置)距离？
解：
首先：判断ta，tb，tc，td，te，tf，tg，th的大小(即音波传感器n1，n2，n3，n4，n5，n6，n7，n8的接收时刻的先后)，此时分以下4种情况：
第①情况：若ta最小(tb，tc，te，tf，tg最小同理)，即音波传感器n1最先收到音波信号。(注：最小值与次小值之间差值应大于测量误差范围，否则最小值与次小值认为相同，此时按第③种算法)。
则泄漏点必然位于aoah段或aoab段或aoag段或a点，此时有以下4种情况：
a.若|ta-th|/|ta-tg|＝lah/lag，且|ta-tb|/|ta-tg|<lab/lag【或|ta-tb|/|ta-th|<lab/lah】，则aoab段发生泄漏；
假设点x为管道aoab段上任意一处泄漏点，lax为泄漏点x距该管道a端点距离，v为音波在管道内的传输速率。
因为：v＝lag/|ta-tc|【或v＝lah/|ta-th|】
将上式代入(6)
或
lbx＝lab-lax(20)
b.若|ta-tb|/|ta-tg|＝lab/lag，且|ta-th|/|ta-tg|<lah/lag【或|ta-th|/|ta-tb|<lah/lab】，则aoah段发生泄漏；
假设点x为管道aoah段上任意一处泄漏点，lax为泄漏点x距该管道a端点距离，v为音波在管道内的传输速率。
因为：v＝lag/|ta-tg|【或v＝lab/|ta-tb|】
将上式代入(6)
或
lhx＝lah-lax(22)
c.若|ta-tb|/|ta-th|＝lab/lah，且|ta-tg|/|ta-tb|<lag/lab【或|ta-tg|/|ta-th|<lac/lah】，则aoag段发生泄漏；
假设点x为管道aoag段上任意一处泄漏点，lax为泄漏点x距该管道a端点距离，v为音波在管道内的传输速率。
因为：v＝lab/|ta-tb|【或v＝lah/|ta-th|】
将上式代入(6)
或
lgx＝lag-lax(24)
d.若|ta-tb|/|ta-th|/|ta-tg|＝lab/lah/lag，则a点发生泄漏。
第②种情况：若td最小(th最小同理)，即音波传感器n4最先收到音波信号。(注：最小值与次小值之间差值应大于测量误差范围，否则最小值与次小值认为相同，此时按第③种算法)。
则泄漏点必然位于docd段、dode段或d点，此时有以下3种情况：
a.由于lcd＝lde，若tc<te，由于lbc＝lef，且|td-tc|/|tc-tb|<lcd/lbc，则docd段发生泄漏；
假设点x为管道docd段上任意一处泄漏点，ldx为泄漏点x距该管道d端点距离，v为音波在管道内的传输速率。
因为：v＝lbc/|tb-tc|
将上式代入(6)
lcx＝lcd-ldx(26)
b.若|td-te|<t3，且te<tc，则dode段发生泄漏；
由于lcd＝lde，若te<tc，由于lbc＝lef，且|td-te|/|te-tf|<lde/lef，则dode段发生泄漏；
假设点x为管道dode段上任意一处泄漏点，ldx为泄漏点x距该管道d端点距离，v为音波在管道内的传输速率。
因为：v＝lef/|te-tf|
将上式代入(6)
lex＝lde-ldx(28)
c.由于lcd＝lde，若td＝te，则d点发生泄漏。
第③种情况：
a.若ta＝tb且最小，则泄漏点位于oab(即距离a点1/2lab长度)；
b.若tb＝tc且最小，则泄漏点位于obc(即距离b点1/2lbc长度)；
c.若tc＝td且最小，则泄漏点位于ocd(即距离c点1/2lcd长度)；
d.若td＝te且最小，则泄漏点位于ode(即距离d点1/2lde长度)；
e.若te＝tf且最小，则泄漏点位于oef(即距离e点1/2lef长度)；
f.若tf＝tg且最小，则泄漏点位于ofg(即距离f点1/2lfg长度)；
g.若tg＝th且最小，则泄漏点位于ogh(即距离g点1/2lgh长度)；
h.若th＝ta且最小，则泄漏点位于oha(即距离h点1/2lha长度)；
i.若ta＝tg且最小，则泄漏点位于oag(即距离a点1/2lag长度)；
j.若tb＝tf且最小，则泄漏点位于obf(即距离b点1/2lbf长度)；
k.若tc＝te且最小，则泄漏点位于oce(即距离c点1/2lce长度)。
本发明揭示了一种环形管网泄露检测装置及其检测方法，通过若干压力传感器和若干音波传感器实时采集信号，同时通过canusb模块进行信号转换，通过工控机计算数据，并通过触摸屏显示，能够快速查找中发生泄漏的具体位置，能够提高检测的精度和准确率，降低损失。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。