一种有源校准式供水管道泄漏相关检测方法及装置与流程

本发明属于管道泄漏检测技术领域，具体涉及一种有源校准式供水管道泄漏相关检测方法及装置。

背景技术：

管道泄漏相关检测仪是利用漏水点的泄漏噪声在管道中传播特性，采用互相关法测量泄漏点噪声到达传感器的时延差，以此对泄漏点进行定位的。此类仪器需要预先知道泄漏噪声声波在管道中的传播速度，而声波传播速度受到供水管道的管材、内径、壁厚等因素的影响，在不同管道中传播速度的差异性很大，由此产生定位测量误差的问题；国内常用的供水管道来源比较广泛，除了钢管、铸铁管、锌铁管还有聚乙烯、PVC管等等，声波在不同类型管道中的传播速度存在差异，而相关检测仪对于泄漏点的定位算法是与声速直接相关的。传统方法中，通过人工干预，预先根据管道传输特性的不同来设置波速参数，对传播速度进行修正是可以降低定位误差的；但有些供水管道由于埋设时间较长，施工资料丢失，在对地下管道没有足够的先验知识与资料的情况下，面对地下供水管线的复杂状况，无从得知地下埋设管线的具体情况，采用参数预置修正的方法在实际操作中存在困难。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种有源校准式供水管道泄漏相关检测方法及装置，可降低供水管道泄漏相关检测仪的定位误差，并达到方便日常检测维护的效果，还可以实现自我检测。

一种有源校准式供水管道泄漏相关检测方法，

将换能器和测振传感器阵列安装在待测供水管道上，测量测振传感器阵列的阵元间距；

采用换能器发射声波信号，声波信号沿供水管道传输，测振传感器阵列中各阵元接收声波信号；

测量声波信号到达测振传感器阵元之间的时间差，再用阵元间距除以时间差，得到声波在供水管道中的传播速度；

控制换能器停止发射声波信号，采用测振传感器阵列同步测量供水管道上的噪声信号，将其中两个测振传感器上接收的噪声信号通过互功率谱法求时延，得到泄漏噪声信号到达两个测振传感器的时延差τ；

根据声波在供水管道中的传播速度和两个测振传感器的时延差τ，得到泄露点到2个测振传感器距离的距离差；

再根据两个测振传感器之间的距离，得到泄露点分别到两个测振传感器的距离，由此完成对泄露点的定位。

较佳的，所述换能器和测振传感器阵列安装在待测供水管道的管壁、阀门或消防栓上。

较佳的，所述换能器的安装位置靠近测振传感器阵列中的一个测振传感器。

较佳的，采用卷尺或光学测距仪器测量测振传感器阵列的阵元间距。

一种有源校准式供水管道泄漏相关检测装置，包括换能器、功率放大器、信号源、电池组、测振传感器阵列、信号调理电路、无线信号传输系统、信号采集卡、工业控制计算机；

所述信号源产生的电信号经过功率放大器的放大后，电压和电流得到增强，驱动换能器发射声波信号；

所述测振传感器阵列由两个以上的测振传感器阵元构成，用于感知供水管道上传输的声波信号，并转化为电信号；

所述信号调理电路对测振传感器产生的所述电信号转变为数字信号输入到无线信号传输系统；

所述无线信号传输系统将数字信号输入信号采集卡，信号采集卡完成多通道数字信号的采集，并将数据输入到工业控制计算机；

所述工业控制计算机用于：在换能器停止工作后，接收振传感器阵列同步测量的供水管道上的噪声信号；并将其中两个测振传感器上接收的噪声信号通过互功率谱法求时延，得到噪声信号到达两个测振传感器的时延差τ；

根据声波在供水管道中的传播速度和两个测振传感器的时延差τ，得到泄露点到两个测振传感器距离的距离差；

再根据两个测振传感器之间的距离，得到泄露点分别到两个测振传感器的距离，由此完成对泄露点的定位。

6、如权利要求5所述的一种有源校准式供水管道泄漏相关检测装置，其特征在于，所述换能器为压电式或磁电式电声转换装置。

较佳的，所述测振传感器为压电式、电容式或磁电式敏感结构原理的振动测量传感器。

较佳的，所述信号调理电路对测振传感器产生的所述电信号因此进行阻抗匹配、放大、滤波处理后，再转换为数字信号。

一种有源校准式供水管道泄漏相关检测装置的自检方法：

测量测振传感器阵列中两个测振传感器之间的距离为D，换能器到该两个测振传感器之间的距离分别为L1和L2；

用信号源产生的信号经过功率放大器的放大后驱动发射换能器，激励供水管道振动产生声波信号，作为模拟管道泄漏噪声；测振传感器感知到沿供水管道传播的声信号，经过信号调理电路处理后，通过无线信号传输系统，传输到信号采集卡，信号采集卡完成多路信号的同步采集，并传输到工业控制计算机；工业控制计算机根据互谱相关法测量信号时延，得到泄漏噪声信号到达两个测振传感器的时延差τ；

根据声波在供水管道中的传播速度和两个测振传感器的时延差τ，得到泄露点到2个测振传感器距离的距离差；

根据两个测振传感器之间的距离D，得到泄露点分别到两个测振传感器的距离L1′和L2′，再分别与L1和L2相比对，由此得到测量定位误差。

本发明具有如下有益效果：

本发明采用有源校准的检测方法和装置，实地测量声波在待测管道中的传播速度，将实测的波速引入到泄漏点相关检测仪的定位计算，可以减小因波速参数设置不当引起的泄漏点定位误差。

该系统中的有源校准装置，可以用于管道泄漏相关检测仪的自我检测，就可得到系统定位误差。因此，日常维护中也可以通过这种自检方式有效掌握仪器的状态性能，达到方便维护的效果。

附图说明

图1有源校准式供水管道泄漏相关检测装置示意图；

图2为本发明的检测仪对供水管道泄漏点定位示意图；

图3为本发明的自检方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明的有源校准式供水管道泄漏相关检测装置，主要由换能器、功率放大器、信号源、电池组、测振传感器阵列、信号调理电路、无线信号传输系统、信号采集卡、工业控制计算机等构成。

其中，换能器、功率放大器、信号源、电池组等构成有源校准的发射声源，换能器为压电式或磁电式电—声装换装置，能够将驱动信号的电能装换为声或振动的机械能。

信号源产生的电信号经过功率放大器的放大后，电压和电流得到增强，驱动换能器发射高能量的声波信号。

换能器通过卡箍等外围设备贴紧在供水管道上，其发射的声波信号激励供水管道，在供水管道中产生声波并向远端传输；

测振传感器阵列、信号调理电路、无线信号传输系统、信号采集卡、工业控制计算机等构成相关检测仪的信号接收系统，测振传感器阵列由两个或两个以上的测振传感器构成，可以是压电式、电容式、磁电式等敏感结构原理的振动测量传感器，它安装在供水管道上，能够感知供水管道上传输的声波信号，其响应带宽覆盖供水管道泄漏噪声信号的频段。

测振传感器阵列接收到供水管道中传输的声波信号并转化为电信号，输入到信号调理电路，经过信号调理电路的阻抗匹配、放大、滤波、模/数转换等作用后，转变为数字信号输入到无线信号传输系统。

无线信号传输系统完成数字信号的同步、调制解调、无线传输等功能，将数字信号输入信号采集卡，信号采集卡完成多通道数字信号的采集，并将数据输入到工业控制计算机内进行处理。

如图2所示，本发明的有源校准式供水管道泄漏相关检测方法对泄漏点定位时，分为两个主要过程：

一方面，用来实际测量声波在供水管道中的传播速度，将电信号转变为声信号激励供水管道产生振动向远处传播，通过安装在管道上的测振传感器测量声波到达不同节点位置时的时间差，而测振传感器之间的距离是已知的，根据已知距离与波达时间差来计算声波信号在供水管道上的传播速度；

电池组为功率放大器与信号源供电，信号源产生的音频电信号经过功率放大器的放大后，驱动发射换能器产生电—声转换发射声信号，声信号激励供水管道产生振动，声波信号就沿供水管道上向远端传输；电池组、测振传感器阵列、信号调理电路、无线信号传输系统、信号采集卡、工业控制计算机等构成管道泄漏相关检测仪。电池组为信号调理电路、无线信号传输系统供电，测振传感器阵列感知到供水管道上传输的声波信号，分别将声信号转变为电信号后输入到信号调理电路，信号调理电路完成阻抗匹配、放大、滤波、模/数转换后，将模拟信号转变为数字信号输入无线信号传输系统，无线信号传输系统完成多路数字信号的同步传输，将数字信号传输至信号采集卡，信号采集卡将多路数字信号同步采集后传输给工业控制计算机，工业控制计算机完成对信号的处理与运算。

当相关检测仪用于管道泄漏点检测定位时，先按照前面描述的方法通过人为发射大功率声源测定声波在供水管道中的传播速度v，然后停止人工声源的发射，开始同步采集测振传感器阵列感知的供水管道上传播的声信号，当供水管道上存在泄漏点时，泄漏点喷出的水流与管壁及周围的空气发生摩擦、振动，产生一定频段内的泄漏噪声(主要集中在8kHz～12kHz内)，泄漏噪声被安装在供水管道上的测振传感器阵列感知接收，将2个测振传感器上接收的信号通过互谱法求时延，可以得到泄漏噪声信号到达2个测振传感器的时延差τ。

互谱法测量时延的理论基础是2个测振传感器接收信号的时延信息存在于互功率谱之中。设两个传感器接收到的信号为x(t)和y(t)＝x(t+τ)，这里τ为相对时延。由于x(t)是有规信号，则其傅立叶变换为：

y(t)的傅立叶变换为：

x(t)和y(t)的互功率谱为

Z(f)＝X^*(f)Y(f)＝|X(f)|²e^j2πfτ

容易得知Z(f)的相角为

则：

设泄漏点到2个传感器的距离分别为L1和L2，传感器的间距已知为D。泄漏声波传播的速度v由前面测得。2个传感器接收到的泄露信号的时间差为前面对2个接收信号用互相关法求得时延值τ后，根据D＝L1+L2得到二元一次方程组：

解此方程组得到管道泄漏点分别到两个测振传感器的距离L1和L2

3)如附图3所示：

系统在自检与日常维护过程中，可以在一段裸露的供水管道上安装测振传感器阵列与发射换能器(供水管道上声波的传播速度可先用前面叙述的方法测得)，2个测振传感器之间的距离为D，发射换能器到此2个测振传感器之间的距离分别为L1和L2。

用信号源产生的信号经过功率放大器的放大后驱动发射换能器，激励供水管道振动产生声波信号，作为模拟管道泄漏噪声；测振传感器感知到沿供水管道传播的声信号，经过信号调理电路处理后，通过无线信号传输系统，传输到信号采集卡，信号采集卡完成多路信号的同步采集，并传输到工业控制计算机，工业控制计算机完成互谱相关法测量信号时延，计算出模拟泄漏点到2个测振传感器的距离，与L1和L2相比对，就能得到测量定位误差，从而掌握系统的技术状态及性能，方便日常的维护保养。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。