一种流体管道泄漏在线监测与定位装置及其控制方法与流程

本发明涉及信号监测和分析技术领域，更具体的说，涉及一种在线监测装置及其控制方法，特别涉及一种流体管道泄漏在线监测与定位装置及其控制方法。

背景技术：

随着我国城镇化快速推进和人民生活水平的提高，水、气、热、油等管道输送广泛应用于国民经济的各个领域。但随着使用年限的增加，管龄的使用时间越来越长，管道经常由于腐蚀、焊缝缺陷、震动及磨损、外力破坏等原因引起管道泄漏，不仅影响了管道的正常运行，对生产安全、社会稳定、土壤、环境、生态等也造成了巨大的潜在威胁。因此，对管道泄漏进行实时在线监测，及时发现泄漏并准确定位，对于消除管道安全隐患至关重要。

但是，目前管道发生泄漏时，多采用人工方式沿线寻找泄漏点，偏重测漏人员的经验，准确度低，耗时耗力。

因此，现有技术存在的问题，有待于进一步改进和发展。

技术实现要素：

（一）发明目的：为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可以实现监测流体管道是否发生泄漏，并且当流体管道发生泄漏时，可以快速、准确地确定管道泄漏点所在的管道横截面位置，判断泄漏点在管道横截面的大致方位，计算泄漏产生的泄漏量的装置及其控制方法。

（二）技术方案：为了解决上述技术问题，本技术方案提供一种流体管道泄漏在线监测与定位装置，包括计算机、数据采集卡和监测装置，所述监测装置通过法兰盘安装在划分为若干个连续直管段的流体管道上，所述监测装置与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡与所述计算机连接；

所述计算机预设有直管段上每个监测点处瞬时压力降阈值、先后检测到负压波的时间间隔阈值，以及流速波动阈值；

所述监测装置将电阻应变片组因前后压差和流体的冲击引起的形变变化转换为电信号输出，并通过所述数据采集卡传输至计算机，所述计算机根据电信号与压力、流体流速之间的一一对应关系，判断流体管道泄漏位置，计算泄漏量，发出泄漏报警，并输出泄漏报告。

优选的，所述数据采集卡将采集到的电信号传输至计算机，所述计算机根据所述数据采集卡采集到的电信号，得到每个监测装置处管道内连续的压力波形图和流速波形图。

优选的，划分的每段直管道分别安装有三个所述监测装置，分别安装在每段直管段的两侧端点及中点处。

优选的，所述监测装置包括保护外壳、单片机和电阻应变片组，所述电阻应变片用于检测流体管道内其前后压差和受流体冲击引起的形变变化，所述单片机将所述电阻应变片的实时形变变化转换为电信号；

所述单片机、所述电阻应变片组设置在所述保护外壳的内腔内，所述电阻应变片与所述单片机通过导线连接，所述单片机与所述数据采集卡连接。

优选的，所述电阻应变片组包括有四组，所述电阻应变片组分别置于四个卡具内，所述的四个卡具为半径相同，弧度为90度的弧形结构；

所述电阻应变片组由多个相同的电阻应变片组成，每个电阻应变片分别与所述单片机通过导线连接。

优选的，所述卡具弧形内圆为开放式，并设有卡槽，所述卡槽用于固定所述电阻应变片组的电阻应变片。

优选的，所述保护外壳为带有内腔的环形结构，所述保护外壳内圆圆周留有缝隙，所述电阻应变片组置于所述保护外壳内圆圆周缝隙处，所述保护外壳外圆圆周顶部设有单片机保护外壳，所述单片机固定在所述单片机保护外壳内。

优选的，所述监测装置还包括位置控制杆，所述位置控制杆用于控制所述电阻应变片组及卡具处于工作位/非工作位，所述位置控制杆与卡具连接，所述位置控制杆远离所述卡具的一端凸出于所述保护外壳。

优选的，所述保护外壳侧壁设有法兰连接孔，所述法兰连接孔用于所述监测装置与流体管道通过法兰盘连接。

一种流体管道泄漏在线监测与定位控制方法，是基于流体管道泄漏在线监测与定位装置，而进行的流体管道泄漏在线监测与定位的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将流体管道划分为若干个连续的直管段，对划分的直管段分别设置监测点；

步骤二：预设直管段上每个监测点处瞬时压力降阈值、先后检测到负压波的时间间隔阈值，以及流速波动阈值；

步骤三：监测装置实时采集直管段每个监测点负压波；

步骤四：将直管段每个监测点处采集到的瞬时压力降值、先后检测到负压波的时间间隔分别与步骤二中对应的预设阈值比较，判定是否检测到了有效的负压波，若检测到了有效的负压波则进行步骤五，若未检测到了有效的负压波则返回步骤三；

步骤五：直管段上一个监测点首先检测到步骤四所述的有效负压波，比较另外两个监测点先后检测到该负压波的时间间隔，判断流体管道是否发生泄漏；若流体管道发生泄漏则进行步骤六，若流体管道未发生泄漏则返回步骤三；

步骤六：计算机判断泄漏位置，计算泄漏量，发出泄漏报警，并输出泄漏报告。

优选的，所述步骤一中还包括，对划分的每段直管道的监测点分别设置监测装置，所述监测装置分别连接数据采集卡，所述数据采集卡将采集到的电信号传输至计算机，得到每个监测装置处管道内连续的压力波形图和流速波形图。

优选的，所述步骤一中划分的每段直管道设置的监测点包括有三个，分别为划分的每段直管段的两侧端点及中点处。

优选的，所述步骤四具体包括，若直管段每个监测点处采集到的瞬时压力降值均不小于预设的瞬时压力降值阈值，且先后检测到负压波的时间间隔均不大于预先设定的时间间隔阈值，则判定检测到了有效的负压波，若不是，则判定未检测到有效的负压波。

优选的，所述步骤五中判断流体管道是否发生泄漏具体包括：

若检测到有效负压波直管段的另外两个监测点先后检测到步骤五所述的有效负压波的时间间隔不同，则判断本直管段出现泄漏；

若测到有效负压波直管段，为上游一侧端点处监测点首先检测到步骤四所述的有效负压波，如步骤五所述，中间点处和另一端点处监测点先后以相同的时间间隔检测到了该负压波，则可判定该负压波不是本直管段泄漏产生；若该直管段上先检测到负压波的监测点的一端连接的是流体供应源或用户或调压装置，则可判定该负压波是因业务操作引起；

当相邻直管段分段节点各侧的监测点同时检测到步骤五所述的有效负压波，且相邻直管段上其余两处监测点分别先后以相同的时间间隔检测到该负压波，则判断泄漏点在分段节点处；

优选的，所述步骤六中判断泄漏位置、计算泄漏量具体包括：

本直管段出现泄漏：根据泄漏点定位公式计算出泄漏点距首先检测该负压波的监测点的距离，进而确定泄漏点所在的管道横截面的位置，通过首先检测到该负压波的电阻应变片所在的位置，判断泄漏点在该管道横截面的大致方位，通过泄漏点上下游的两个监测点处的充分发展的流速波形图（即流速波动值不大于预设的流速波动阈值）、流量计算公式及连续性方程，计算得到泄漏量，判断泄漏的严重程度；

负压波是因业务操作引起，则计算机不发出泄漏报警；

泄漏点在分段节点处：通过首先检测到该负压波的电阻应变片所在的位置，可判断泄漏点在管道横截面的大致方位，通过分段节点各侧的监测点处充分发展的流速波形图（即流速波动值不大于预设的流速波动阈值）、流量计算公式及连续性方程，计算得到泄漏量，可判断泄漏的严重程度。

优选的，所述步骤六中，计算机输出的泄漏报告的内容包括泄漏点所在的管道横截面位置，泄漏点在该管道横截面的大致方位以及泄漏产生的泄漏量。

（三）有益效果：本发明提供一种流体管道泄漏在线监测与定位装置及其控制方法，用于单个直管段管道、连续多个直管段以及带支线管段泄漏在线监测定位，判断泄漏的严重程度，同时识别和排除因业务操作引起的压力波动干扰。

附图说明

图1是本发明监测装置电阻应变片组及卡具处于工作位的切面结构示意图；

图2是本发明监测装置电阻应变片组及卡具处于非工作位的切面结构示意图；

图3是本发明监测装置的第一部分切面结构示意图；

图4是本发明监测装置的第二部分俯视图（与第一部分接触面的视图）；

图5是本发明监测装置的卡具弧形内周结构视图；

图6是本发明监测装置的位置控制杆结构示意图；

图7是本发明第一实施例示意图；

图8是本发明第二实施例示意图；

100-监测装置；101-法兰连接孔；102-单片机；103-缝隙；104-密封条；110-第一部分；111-第一螺栓固定柱；120-第二部分；121-第二螺栓固定柱；130-单片机保护外壳；141-第一电阻应变片组；142-第二电阻应变片组；143-第三电阻应变片组；144-第四电阻应变片组；150-位置控制杆；151-连接弹簧；152-控制钮；1521-控制钮外壳；1522-压片弹簧；1523-压片；1524-控制压杆；1525-工作位固定杆；1526-非工作位固定杆；160-卡具；161-卡槽；162-穿线孔；18-计算机；19-数据采集卡。

具体实施方式

下面结合优选的实施例对本发明做进一步详细说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是，本发明显然能够以多种不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

附图是本发明的实施例的示意图，需要注意的是，此附图仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明的实际要求保护范围构成限制。

流体管道发生泄漏时，流体介质在管道内外压差的作用下从泄漏点迅速流失，泄漏部位的流体介质损失使该处的流体密度减小，产生一个瞬间压力下降。由于流体的连续性，管道内的流体速度不会立刻发生变化，而流体在泄漏点和其相邻区域之间的压力产生差异，这种差异导致泄漏点两边区域的高压流体流向泄漏点处的低压区域，从而又引起与泄漏点相邻区域流体的密度减小和压力降低。这一现象依次向管道上、下游方向传递，就产生了从泄漏点处沿管道和介质分别向上下游传播的瞬态负压波。负压波沿管道和介质向上下游传播，瞬时的压力降具有几乎垂直的边沿。

基于电阻应变片的应变效应，以及其测量灵敏度和精度高（其最小应变读数为1με），测量范围广（可测1~20000με），频率响应好（可以测量从静态到数十万赫的动态应变），应变片尺寸小、重量轻（最小的应变片栅长可短到0.1mm），可在各种复杂环境下测量（如高温、低温、高速旋转、强磁场等环境测量）等特点，可以有效捕捉因负压波引起的应变片前后压差产生的微应变以及受流体冲击引起的形变变化，并可将其转换为电信号输出。因流体的连续性，泄漏引起的管道内流体速度变化滞后于压力变化，由于此时间差的存在，使得用同一组电阻应变片捕捉瞬态压力降和泄漏后的断面平均流速成为可能。基于泄漏产生的负压波传播的方向性，沿管道圆周设置电阻应变片组，可根据首先捕捉到瞬态压力降的电阻应变片的位置判断泄漏点在管道横截面的大致方位，并可根据泄漏前后断面流速的变化判断泄漏的严重程度。

按照一定的原则将流体管道划分成连续的直管段，使得压力波的传播速度在同一直管段内保持一致，并在直管段的两端点和中间点处设置监测装置捕捉瞬时负压波信号。泄漏位置不同，负压波向上下游传播的距离不同，到达各监测点的时间不同，可以根据到达各监测点的时间差来确定泄漏点的位置。因正常运行时，流体管道内的压力处于波动状态，且正常的业务操作如调泵、调阀或用户取用等也会产生负压波，因此如何有效识别泄漏产生的负压波是泄漏监测定位的核心和难点。

识别负压波的方法很多，有相关分析法、残差法、时间序列分析法和小波分析法等。其中小波分析法是根据小波变换原理，用小波分析工具对信号进行变换，多尺度对信号进行分析。小波变换可以在时域-频域对信号进行多层分解和多尺度分析，在时域和频域同时具有良好的观察信号局部特征的能力，可以在细节上观察管道压力变化，凸显突变点（压力下降沿），因此在负压波信号处理上具有较为明显的优越性。

一种流体管道泄漏在线监测与定位装置，包括计算机、数据采集卡和监测装置。所述监测装置包括保护外壳、单片机和电阻应变片组，所述电阻应变片组中的每个电阻应变片分别与所述单片机通过导线连接，所述单片机与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡与所述计算机连接。

所述单片机与所述数据采集卡可以通过有线方式传输，此时，所述数据采集卡分区域布置；也可以是无线方式进行数据传输，此时，所述单片机包括无线通讯模块，用于将单片机监测的数据信息发送至所述数据采集卡，所述数据采集卡包括通讯单元，用于接收所述无线通讯单元发送的监测数据，并将所述数据采集卡采集到的数据信息发送至所述计算机。需要说明的是，当所述单片机与所述数据采集卡通过有线方式传输数据时，所述数据采集卡的通讯单元，用于将所述数据采集卡采集到的数据信息发送至所述计算机。

所述监测装置将电阻应变片组因前后压差和流体的冲击引起的形变变化转换为电信号输出，并通过所述数据采集卡传输至计算机，计算机根据电信号与压力、流体流速之间的一一对应关系，得出监测点处连续的压力波形图和流速波形图。

所述计算机、所述数据采集卡为外围设备，所述监测装置通过保护外壳上设置的法兰连接孔利用法兰盘与流体管道直管段的两端点及中间点处连接。

所述计算机优选的采用工业级计算机，通过所述数据采集卡读取保护外壳内单片机输出的数据进行分析及储存，输出泄漏报告并展示。

所述电阻应变片组由多个尺寸、结构相同的电阻应变片组成，所述电阻应变片组用于检测流体管道内流体压力及流速的变化，并将管道内流体压力及流速的变化转化为电阻变化；所述单片机将所述电阻应变片组的电阻变化转化为管道内流体压力或流速数据；所述监测装置中单片机采集的管道内流体压力或流速数据，通过所述数据采集卡传输至所述计算机，所述计算机根据管道内流体压力或流速数据确定流体管道中流体泄漏位置、流体泄漏量。所述电阻应变片包括金属电阻应变片和半导体应变片，所述金属电阻应变片包括丝状应变片和金属箔状应变片。

所述电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为电信号的敏感器件，它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。金属电阻应变片是将应变片通过特殊的粘合剂紧密地粘合在产生力学应变的基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生变形，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻应变片上的电压发生变化。

所述电阻应变片组包括有四组：第一电阻应变片组、第二电阻应变片组、第三电阻应变片组和第四电阻应变片组，所述的四组电阻应变片组分别由多个电阻应变片组成半径相同的弧形结构，所述的四组电阻应变片组的弧形结构的弧度均为九十度，所述的四组电阻应变片组处于工作位时，所述的四组电阻应变片组组成圆形。

如图1、图2、图3所示，所述监测装置的保护外壳由第一部分和第二部分组成，所述第一部分和所述第二部分通过螺栓组成带有内腔的圆环结构，且沿内圆圆周留有缝隙。所述缝隙的弧度为360度，在整个圆环结构的保护外壳的内环壁上形成圆形。所述第一部分和所述第二部分连接处设有密封垫片，当所述第一部分和所述第二部分通过螺栓连接时，置于所述第一部分和所述第二部分之间的密封垫片被压紧，保证所述第一部分和所述第二部分连接处的密封性。

所述第一部分、所述第二部分相邻的外圆周分别设置第一螺栓固定柱，所述第一螺栓固定柱上分别设置对应的第一螺栓固定孔，螺栓穿过第一螺栓固定孔将所述第一部分、所述第二部分固定在一起，组成带有内腔的圆环结构。

所述保护外壳的第一部分、第二部分分别由两个相互对称的外壳组成，比如：所述第一部分的两个相互对称的外壳拼接在一起时，组成带有内腔且沿内圆圆周留有缝隙的半圆环结构；所述第二分的两个相互对称的外壳拼接在一起时，组成带有内腔且沿内圆圆周留有缝隙的半圆环结构；所述第一部分组成的半圆环结构和所述第二部分组成的半圆环结构拼接时，组成带有内腔且沿内圆圆周留有缝隙的圆环结构，如图4所示。

所述第一部分的两个对称的外壳相对拼接，所述第一部分的两个对称外壳的弧形外周相邻边缘，分别设置第二螺栓固定柱，所述第二螺栓固定柱上分别设置对应设置第二螺栓固定孔，螺栓穿过第二螺栓固定孔将所述第一部分的两个对称外壳固定在一起，组成带有内腔的半圆环结构。所述第一部分的两个对称外壳拼接时，两个对称外壳的外周的圆周连接处设有密封垫片，当所述第一部分的两个对称外壳连接时，将所述密封垫片压紧。当所述第一部分的两个对称的外壳通过螺栓固定连接时，将所述第一部分两个对称外壳外圆圆周之间的密封垫片压紧，保证所述保护外壳内腔的密闭性。所述第一部分的两个对称外壳设置的第二螺栓固定柱可以是两组，也可以是四组，这里不做具体限制，需要说明的是，其均匀的设置在两个对称外壳的弧形外周。

所述第二部分的两个对称的外壳相对拼接，所述第二部分的两个对称外壳的弧形外周相邻边缘，分别设置第二螺栓固定柱，所述第二螺栓固定柱上分别设置对应设置第二螺栓固定孔，螺栓穿过第二螺栓固定孔将所述第二部分的两个对称外壳固定在一起，组成带有内腔的半圆环结构。所述第二部分的两个对称外壳拼接时，两个对称外壳的外周圆周连接处设有密封垫片，当所述第二部分的两个对称外壳连接时，将所述密封垫片压紧。当所述第二部分的两个对称的外壳通过螺栓固定连接时，将所述第二部分两个对称外壳外圆圆周之间的密封垫片压紧，保证所述保护外壳内腔的密闭性。所述第二部分的两个对称外壳设置的第二螺栓固定柱可以是两组，也可以是四组，这里不做具体限制，需要说明的是，其均匀的设置在两个对称外壳的弧形外周。

所述第一部分的两个对称外壳设置的第二螺栓固定柱，和所述第二部分的两个对称外壳设置的第二螺栓固定柱，最优为对称设置。

所述保护外壳的内腔设有四组卡具，所述的四组电阻应变片组分别置于所述卡具中，所述卡具是与所述电阻应变片组相匹配的弧形结构，所述卡具设有卡槽，所述卡槽为多个大小与电阻应变片大小匹配的小卡槽组成，所述电阻应变片组的电阻应变片依次排列与所述卡槽内。所述卡槽沿所述卡具圆弧向中线位置设置，所述电阻应变片通过所述卡槽与所述卡具固定，具体所述电阻应变片可以是焊接在所述卡具内壁，这里不做具体限制；所述卡具沿圆弧向中线位置还设有穿线孔，所述电阻应变片组通过穿线孔与各自的电路连接，如图5所示。所述卡具的厚度与待测管道的壁厚一致，所述卡具（电阻应变片组）在工作位时，所述卡具与管道内外壁齐平，两侧由密封垫压紧密封。

选用的电阻应变片沿卡具弧向尺寸应若大于小孔孔径，以便覆盖小孔泄漏引起的负压波传播路径的横断面，用于确定小孔在管道横断面的大致方位，但不宜过大，以减少横向效应。优选的，所述的电阻应变片（单个电阻应变片）沿卡具弧向尺寸不小于20mm或不小于保护外壳内圆圆周直径的0.2倍，取大值。

选用的电阻应变片沿卡具径向尺寸使得处于工作位的电阻应变片组及卡具时，电阻应变片前端越过管道内流体流速充分发展时的平均流速位置，以便检测发生泄漏后管道内监测点处流体流速充分发展后的断面平均流速，但不宜过大，以减少对流体流动的影响。优选的，电阻应变片沿卡具径向尺寸不小于保护外壳内圆圆周直径的0.125倍，不宜过大。

所述的电阻应变片横向尺寸选择，应使其沿卡具弧向均匀满铺。

选用的电阻应变片具有良好的弹性。所述的电阻应变片外用耐高温、耐腐蚀橡胶或塑料密封，以阻断电阻应变片与管道中流体接触，形成封闭电路，同时保证每个电阻应变片之间互不导通。所述的电阻应变片外包裹的橡胶或塑料的厚度小于1mm，并且越薄越好，另外包裹在所述电阻应变片外的橡胶或塑料可以是直接覆盖在其表面的保护膜，也可以是保护套，这里不做具体限制。

所述穿线孔设置在每个电阻应变片相对的所述卡具弧形外壁的位置，所述导线穿过所述穿线孔后，将每个电阻应变片分别与所述单片机连接，所述卡具弧形内壁为开放式，所述电阻应变片与所述卡具焊接固定时，所述穿线孔也通过锡焊填充密封。所述卡具弧形开放式内壁，与所述保护外壳内圆圆周的缝隙相互匹配，使所述电阻应变片组处于工作位时，所述电阻应变片组置于所述保护外壳内圆圆周的缝隙处。

所述的四组卡具合体时完全填充所述保护外壳组装后形成的沿内圆圆周的缝隙，所述卡具的内外表面与缝隙的内外表面平齐，交界面处由密封条压紧填实。

所述卡具弧形外壁连接有位置控制杆，所述位置控制杆用于调整所述电阻应变片组处于工作位/非工作位。所述位置控制杆固定在所述卡具远离所述保护外壳内圆圆周的一侧，并且位于所述卡具的中间，即位于所述卡具四十五度处。

如图6所示，所述位置控制杆包括控制钮和连接弹簧，所述控制钮为中空的圆柱体杆件，所述控制钮通过连接弹簧与所述卡具固定连接，所述连接弹簧一端与所述卡具弧形外壁连接，另一端与所述控制钮连接，所述保护外壳设有开口，所述控制钮远离所述连接弹簧的一端通过开口凸出于所述保护外壳。

所述控制钮包括控制钮外壳、压片弹簧、压片、控制压杆、工作位固定杆和非工作位固定杆。所述压片弹簧一端固定在所述控制钮外壳侧壁的内壁上，所述压片弹簧远离所述控制钮外壳的一端与所述压片连接，所述控制钮外壳远离所述压片弹簧的一侧设有杆固定孔，所述杆固定孔包括压杆固定孔、工作位杆固定孔、非工作位杆固定孔，所述杆固定孔处于同一直线，并且与所述压片相互平行，所述非工作位杆固定孔、所述工作位杆固定孔、所述压杆固定孔沿远离所述连接弹簧依次设置。所述压片弹簧优选的包括4组，所述压片弹簧分别设置在与工作位固定杆、非工作位固定杆相对应的位置。所述工作位固定杆、所述非工作位固定杆优选的为实体圆柱体压件。

所述控制压杆、所述工作位固定杆、所述非工作位固定杆的一端分别固定在所述压片远离所述压片弹簧的一侧，所述控制压杆、所述工作位固定杆、所述非工作位固定杆的另一端分别通过所述压杆固定孔、所述工作位杆固定孔、所述非工作位杆固定孔凸出于所述控制钮外壳。

所述工作位固定杆、所述非工作位固定杆分别包括两个柱体压件，所述工作位杆固定孔对应所述工作位固定杆，包括两个开孔；所述非工作位杆固定孔对应所述非作位固定杆，包括两个开孔；所述工作位杆固定孔、所述非工作位杆固定孔的两个开孔直接的距离，等于所述保护外壳的厚度。

靠近所述卡具的2组压片弹簧和对应的非工作位固定杆的2组实体圆柱体压件，在控制压杆和控制压片的操作下，非工作位固定杆的2组实体圆柱体压件伸出所述位置控制杆内腔的部分，分别卡在所述保护外壳的内外两侧，使所述卡具及其上的电阻应变片组处于非工作位。

远离所述卡具的2组压片弹簧和对应的工作位固定杆的2组实体圆柱体压件，在控制压杆和控制压片的操作下，工作位固定杆的2组实体圆柱体压件伸出所述位置控制杆内腔的部分，分别卡在所述保护外壳的内外两侧，使所述卡具及其上的电阻应变片组处于工作位。

具体说，当所述监测装置的电阻应变片处于工作位时，所述工作位固定杆与所述控制压杆相邻的柱体压件伸出所述控制钮外壳的部分，置于所述保护外壳的外壁一侧，所述工作位固定杆远离所述控制压杆的柱体压件伸出所述控制钮外壳的部分，置于所述保护外壳的内壁一侧，此时，通过将所述工作位固定杆的两个柱体压件分别置于所述保护壳内外侧，将所述电阻应变片组固定在工作位。此时，所述卡具进入所述保护外壳内圆圆周的缝隙，所述卡具被固定在所述缝隙，避免所述卡具发生摆动，影响电阻应变片组对流体压力的监测。当所述监测装置的电阻应变片处于非工作位时，所述非工作位固定杆与所述工作位固定杆相邻的柱体压件伸出所述控制钮外壳的部分，置于所述保护外壳的外壁一侧，所述非工作位固定杆远离所述工作位固定杆的柱体压件伸出所述控制钮外壳的部分，置于所述保护外壳的内壁一侧，此时，通过将所述非工作位固定杆的两个柱体压件分别置于所述保护壳内外侧，将所述电阻应变片组固定在非工作位。当需要调整电阻应变片组的位置时，通过向控制压杆施加压力，来控制工作位固定杆、非工作位固定杆的柱体压件凸出于所述控制钮外壳的部分，进入/平行于所述控制钮外壳。

所述卡具处于非工作位时，所述卡具与所述电阻应变片组处于所述保护外壳内腔内；所述卡具处于工作位时，所述卡具与所述电阻应变片组处于所述保护外壳内圆圆周缝隙处，使所述电阻应变片与管道内流体接触。

所述电阻应变片组处于工作位，因前后压差和流体的冲击引起的形变变化转换为电信号输出至计算机，计算机根据电信号与压力、流体流速之间的一一对应关系，得出监测点处连续的压力波形图和流速波形图。

在储存、运输和安装过程中，使电阻应变片组及卡具处于非工作位，起到保护作用。安装完成后，管道启用前，使电阻应变片组及卡具处于工作位，卡具及密封材料完全填充保护外壳预留内圆圆周缝隙，以免流体进入监测装置内腔造成损坏。

所述保护外壳的第一部分设有单片机保护外壳，所述单片机保护外壳固定在第一部分外壁中点位置，如图1、图2所示，所述单片机固定在所述单片机保护外壳内。所述保护外壳与所述单片机保护外壳连接处预留有穿线孔，所述单片机分别连接所述电阻应变片的导线，穿过所述穿线孔与所述电阻应变片连接。其中，用于所述单片机和所述电阻应变片连接的穿线孔处设有保护套管，所述保护套管为柔性材质的中空短圆柱体。导电线固定敷设在保护外壳组装后形成的内腔14内。所述单片机保护外壳与所述保护外壳的第一部分为一体，即所述单片机保护外壳与所述保护外壳的第一部分是对称的两个外壳组成。

所述单片机保护外壳远离所述保护壳的一端预留穿线孔，所述单片机通过所述穿线孔与所述数据采集卡连接。

在监测装置安装在流体管道时，所述单片机外壳部分最优处于流体管道竖直上方的位置，以方便后期维护，所述单片机外壳部分也可以是除竖直向下外的任何方位。

所述保护外壳设有法兰连接孔，所述法兰连接孔由保护塞填实，所述监测装置的保护外壳与待测管道法兰盘之间设置密封垫片，安装时所述监测装置与流体管道通过法兰盘连接，并将所述密封垫片压紧，保护外壳内圆圆周内表面与流体管道内表面平齐。所述法兰连接孔与待测管道所使用的法兰盘的规格相符合即可，这里不做具体限制。

所述监测装置保护外壳和电阻应变片卡具可以是无缝钢管、铸铁管、pe管等材质，需要说明的是，所述监测装置保护外壳和电阻应变片卡具的材质及强度不低于待测流体管道本体。

一种流体管道泄漏在线监测与定位控制方法，是基于上述流体管道泄漏在线监测与定位装置，而进行的流体管道泄漏在线监测与定位的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将流体管道划分为若干个连续的直管段，对划分的直管段分别设置监测点；

步骤二：预设直管段上每个监测点处瞬时压力降阈值、先后检测到负压波的时间间隔阈值，以及流速波动阈值；

步骤三：监测装置实时采集直管段每个监测点负压波；

步骤四：将直管段每个监测点处采集到的瞬时压力降值、先后检测到负压波的时间间隔分别与步骤二中对应的预设阈值比较，判定是否检测到了有效的负压波，若检测到了有效的负压波则进行步骤五，若未检测到了有效的负压波则返回步骤三；

步骤五：直管段上一个监测点首先检测到步骤四所述的有效负压波，比较另外两个监测点先后检测到该负压波的时间间隔，判断流体管道是否发生泄漏；若流体管道发生泄漏则进行步骤六，若流体管道未发生泄漏则返回步骤三；

步骤六：计算机判断泄漏位置，计算泄漏量，发出泄漏报警，并输出泄漏报告。

所述步骤一中还包括，对划分的每段直管道的监测点分别设置监测装置，所述监测装置分别连接数据采集卡，所述数据采集卡将采集到的电信号传输至计算机，得到每个监测装置处管道内连续的压力波形图和流速波形图。

划分的每段直管道设置的监测点包括有三个，分别为划分的每段直管段的两侧端点及中点处。在每个直管段的两侧端点和中间点处各设置一个监测装置，可以有效捕捉因负压波引起的电阻应变片前后压差产生的微应变以及受流体冲击引起的形变变化，并将其转换为电信号输出，通过数据采集卡输入到计算机。因流体的连续性，负压波引起的管道内流体速度变化滞后于压力变化，经过计算机对电信号的处理分析，形成每个电阻应变片检测到的连续的压力波形图和流速波形图。

监测装置安装布置前，应先获得流体管道系统详实的基本数据和运行工况参数，按照一定原则将流体管道系统划分成若干连续的直管段，管段划分节点一般包括供应源、用户、调压装置、分段阀门、分支管处、弯头处等。同一个直管段沿线应具有相同的管材、管径、温度、压力及约束条件，使得负压波的传播速度在同一直管段内保持一致，以消除因传播速度计算带来的系统误差。

所述步骤四具体包括，若直管段每个监测点处采集到的瞬时压力降值均不小于预设的瞬时压力降值阈值，且先后检测到负压波的时间间隔均不大于预先设定的时间间隔阈值，则判定检测到了有效的负压波，若不是，则判定未检测到有效的负压波；

所述步骤五中判断流体管道是否发生泄漏具体包括：

若检测到有效负压波直管段的另外两个监测点先后检测到步骤五所述的有效负压波的时间间隔不同，则判断本直管段出现泄漏；

若测到有效负压波直管段，为上游一侧端点处监测点首先检测到步骤四所述的有效负压波，如步骤五所述，中间点处和另一端点处监测点先后以相同的时间间隔检测到了该负压波（上游端点到中间点检测到负压波的时间间隔，与中间点到下游点检测到负压波的时间间隔相同），则可判定该负压波不是本直管段泄漏产生；若该直管段上先检测到负压波的监测点的一端连接的是流体供应源或用户或调压装置，则可判定该负压波是因业务操作引起；

当相邻直管段分段节点各侧的监测点同时检测到步骤五所述的有效负压波，且相邻直管段上其余两处监测点分别先后以相同的时间间隔检测到该负压波，则判断泄漏点在分段节点处；

所述步骤六中判断泄漏位置、计算泄漏量具体包括：

本直管段出现泄漏：根据泄漏点定位公式计算出泄漏点距首先检测该负压波的监测点的距离，进而确定泄漏点所在的管道横截面的位置，通过首先检测到该负压波的电阻应变片所在的位置，判断泄漏点在该管道横截面的大致方位，通过泄漏点上下游的两个监测点处的充分发展的流速波形图（即流速波动值不大于预设的流速波动阈值）、流量计算公式及连续性方程，计算得到泄漏量，判断泄漏的严重程度；

负压波是因业务操作引起，则计算机不发出泄漏报警；

泄漏点在分段节点处：通过首先检测到该负压波的电阻应变片所在的位置，可判断泄漏点在管道横截面的大致方位，通过分段节点各侧的监测点处充分发展的流速波形图（即流速波动值不大于预设的流速波动阈值）、流量计算公式及连续性方程，计算得到泄漏量，可判断泄漏的严重程度。

所述步骤六中，计算机输出的泄漏报告的内容包括泄漏点所在的管道横截面位置，泄漏点在该管道横截面的大致方位以及泄漏产生的泄漏量。

根据流体管道系统正常稳定运行工况下，各点监测装置采集到的管道内对应点处的连续的压力波形图，设定该稳定工况下各点监测装置对应管道内各点处的瞬时压力降阈值，该阈值应高于正常稳定工况下各点最大压力降波动值，两者差值越小，对电阻应变片、单片机和数据采集卡的性能以及计算机处理的压力波动信号精度要求越高，计算量也会越大，越能更准确的实现管道渗漏的监测定位。还需要预先设定同一直管段上其余两处监测装置相对于第一个检测到负压波的监测装置先后检测到该负压波的时间间隔阈值，该阈值的设定与负压波在直管段内的传播速度、介质的流速和流动方向以及直管段的长度有关。

根据直管段上三个监测装置通过所述数据采集卡输入所述计算机的压力波动信号，形成连续的波形图，基于预先设置的瞬时压力降阈值和时间间隔阈值，计算出三个监测装置检测到负压波的先后顺序及时间间隔，用于判断负压波是来自本管段还是管段划分节点方向。

检测到有效负压波的判据是直管段上三个监测装置检测到的管道内瞬时压力降均不小于预先设定的瞬时压力降阈值，且先后检测到负压波的时间间隔均不大于预先设定的时间间隔阈值。由于三个监测装置分别设置在直管段的两侧端点和中间点处，因此根据第一个检测到负压波的监测装置的位置和其余两处监测装置先后检测到同一负压波的时间间隔的大小，即可判断负压波是来自本管段还是来自管段划分节点方向。

当直管段其中一个监测装置处管道内瞬时压力降不小于设定的压力降阈值即检测到负压波，且其余两处监测装置相对于第一个检测到负压波的监测装置先后以不同的时间间隔检测到该负压波，即该两处管道内瞬时压力降不小于设定的压力降阈值，且时间间隔均不大于设定的时间间隔阈值，则可判定本直管段发生泄漏，并可根据泄漏点定位公式计算出泄漏点距首先检测到负压波的监测装置的距离，进而确定泄漏点所在断面位置，并通过首先检测到该负压波的电阻应变片所在的位置，判断泄漏点在该管道横截面的大致方位。

当直管段某端点监测装置首先检测到负压波，中间点处和另一端点处监测装置先后以相同的时间间隔检测到了该负压波，则可判定该负压波不是本管段泄漏产生；若该直管段上先检测到负压波的监测装置的一端连接的是供应源或用户或调压装置，则可判定该负压波是因业务操作引起。

若该直管段上先检测到负压波的监测装置的一端连接有其他直管段，则可根据该直管段所有相邻管段设置的三个监测装置检测到该负压波的先后顺序和时间差共同确定泄漏点位置。当相邻直管段分段节点各侧的监测装置同时检测到负压波，且所有相邻直管段上其余两处监测装置分别先后以相同的时间间隔检测到该负压波，则判定泄漏点在分段节点处。

确认发生泄漏并确定泄漏点位置后，待发生泄漏的直管段中流体流速充分发展后，计算机给出泄漏点前后两个监测装置处断面流速波形图，获得两断面平均流速，通过流量计算公式及连续性方程，计算得到泄漏量，以判断泄漏的严重程度。

下面结合图7、图8对本发明两个实施例做进一步说明：

实施例一，如图7所示，该实施方式中，涉及的是单一直管段的流体管道系统。

在直管段20上，两端以及中间点处，分别设置三个监测装置201、202和203，监测装置间距记为l。三个监测装置通过数据采集卡19与计算机18相连，将管道内对应监测点处压力波动信号和断面流速信号输入计算机18中，形成每个电阻应变片对应的连续的压力波形图和流速波形图。

在计算机18上，根据正常稳定运行工况下管道内三个监测装置处的压力波形图，分析得到各监测点管道内最大的瞬时压力降，以此设定各监测点瞬时压力降阈值p2010、p2020、p2030，且均大于对应监测点管道内正常稳定运行工况下最大的瞬时压力降。根据正常稳定运行工况下，管道内三个监测装置处的流速波形图，分析得到各监测点管道内最大流速波动值，以此设定各监测点流速波动阈值v2010、v2020、v2030，且均不大于对应监测点管道内正常稳定运行工况下最大的流速波动值。

负压波在流体中传播速度远大于一般流体流速，如负压波在水中传播速度a约为1200~1400m/s，供热管道内水流速度v一般不大于3m/s，因此，流体速度和方向对负压波的传播影响很小，可以忽略。预先设定时间间隔阈值δt20>l/a。负压波在流体的传播速度取决于流体介质的体积弹性系数、密度、管材的弹性模量和直管段约束条件，可计算得到，也可取负压波流体中传播速度相对低的经验值，比如在水中的传播速度取a=1200m/s。

如图7所示，若某时，直管段20上，监测装置202对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p2021≥p2020，间隔时间δt201后，监测装置203对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p2031≥p2030，再间隔时间δt202后，监测装置201对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p2011≥p2010，且δt201≤δt20和δt202≤δt20，据此计算机18将判定直管段20发生泄漏，并给出泄漏点200距监测装置202对应监测点的距离x，泄漏点定位计算公式如下。

（1）

并通过首先检测到该负压波的电阻应变片所在的位置，给出泄漏点在该管道横截面的大致方位。当监测装置202和监测装置203对应监测点管道内的流速波形图趋于稳定，即两点处的流速波动值均不大于设定的流速波动阈值时，判断直管段20发生泄漏后，管道内流速已充分发展，计算机18读出此时的监测装置202和监测装置203对应监测点管道内的断面平均流速值v202、v203，泄漏量计算公式如下：

（2）

其中，a20为直管段20断面面积。

此时，计算机18发出泄漏报警，输出泄漏报告，内容包括泄漏点所在的管道横截面位置，泄漏点在该管道横截面的大致方位以及泄漏产生的泄漏量。

如图7所示，若某时，直管段20上，监测装置201对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p2012≥p2010，间隔时间δt203后，监测装置202对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p2022≥p2020，再间隔时间δt204后，监测装置203对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p2032≥p2030，且δt203=δt204≤δt50，据此计算机18将判定此负压波来自于供应源1的业务操作，不发出泄漏报警。

如图7所示，若某时，直管段20上，监测装置203对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p2033≥p2030，间隔时间δt205后，监测装置202对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p2023≥p2020，再间隔时间δt206后，监测装置201对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p2013≥p2010，且δt205=δt206≤δt20，据此计算机18将判定此负压波来自于用户1的业务操作，不发出泄漏报警。

如图7所示，若某时，直管段20上某个监测装置对应监测点的压力波形图呈现的瞬时压力降不小于设定的瞬时压力降阈值，其余两处监测装置中的一个或两个对应监测点的压力波形图未在设定的时间间隔阈值内呈现出不小于设定的瞬时压力降阈值，据此计算机18判定此次检测到的负压波为无效压力波动信号，不发出泄漏报警。

实施例二，如图8所示，该实施方式中，涉及的是单供应源、多用户、分支管、多直管段的流体管道系统，流体介质从供应源2流向用户2和用户3。

按照本发明所述的直管段划分原则，将图6所示的流体管道系统，分别以供应源3、三通30-40-50、弯头50-60、用户2和用户3为节点，划分为分别具有相同的管材、管径、温度、压力及约束条件的直管段30、直管段40、直管段50和直管段60。

分别在直管段30、直管段40、直管段50和直管段60的两端点和中间点处设置监测装置，且在中间节点处设置的监测装置相对于节点等间距布置。

在直管段30上，近供应源2和三通30-40-50以及中间点处，分别设置监测装置301、302和303，监测装置间距记为l^/。三个监测装置通过数据采集卡19与计算机18相连，将管道内对应监测点处压力波动信号和断面流速信号输入计算机18中，形成每个电阻应变片对应的连续的压力波形图和流速波形图。

在直管段40上，近用户2和三通30-40-50以及中间点处，分别设置三个监测装置401、402和403，监测装置间距记为l^//。三个监测装置通过数据采集卡19与计算机18相连，将管道内对应监测点处压力波动信号和断面流速信号输入计算机18中，形成每个电阻应变片对应的连续的压力波形图和流速波形图。

在直管段50上，三通30-40-50和弯头50-60以及中间点处，分别设置三个监测装置501、502和503，监测装置间距记为l^///。三个监测装置通过数据采集卡19与计算机18相连，将管道内对应监测点处压力波动信号和断面流速信号输入计算机18中，形成每个电阻应变片对应的连续的压力波形图和流速波形图。

在直管段60上，近用户3和弯头50-60以及中间点处，分别设置三个监测装置601、602和603，监测装置间距记为l^////。三个监测装置通过数据采集卡19与计算机18相连，将管道内对应监测点处压力波动信号和断面流速信号输入计算机18中，形成每个电阻应变片对应的连续的压力波形图和流速波形图。

在计算机18上，根据正常稳定运行工况下管道内三个监测装置处的压力波形图，分析得到各监测点管道内最大的瞬时压力降，以此设定各监测点瞬时压力降阈值p3010、p3020、p3030，p4010、p4020、p4030，p5010、p5020、p5030，p6010、p6020、p6030，且均大于对应监测点管道内正常稳定运行工况下最大的瞬时压力降。根据正常稳定运行工况下，管道内三个监测装置处的流速波形图，分析得到各监测点管道内最大流速波动值，以此设定各监测点流速波动阈值v3010、v3020、v3030，v4010、v4020、v4030，v5010、v5020、v5030，v6010、v6020、v6030，且均不大于对应监测点管道内正常稳定运行工况下最大的流速波动值。

负压波在流体中传播速度远大于一般流体流速，如负压波在水中传播速度a约为1200~1400m/s，供热管道内水流速度v一般不大于3m/s，因此，流体速度和方向对负压波的传播影响很小，可以忽略。先设定各直管段的时间间隔阈值。负压波在流体的传播速度取决于流体介质的体积弹性系数、密度、管材的弹性模量和直管段约束条件，可计算得到，也可取负压波流体中传播速度相对低的经验值，比如在水中的传播速度取a=1200m/s。

直管段30时间间隔阈值记为δt30>l^//a，直管段40时间间隔阈值记为δt40>l^///a，直管段50时间间隔阈值记为δt50>l^////a，直管段60时间间隔阈值记为δt60>l^/////a。

如图8所示，若某时，直管段40上，监测装置402对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p4021≥p4020，间隔时间δt401后，监测装置401对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p4011≥p4010，再间隔时间δt402后，监测装置403对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p4031≥p4030，且δt401≤δt40和δt402≤δt40，据此计算机18将判定直管段40发生泄漏，并给出泄漏点400距监测装置402对应监测点的距离x^/，泄漏点定位计算公式如下。

（3）

并通过首先检测到该负压波的电阻应变片所在的位置，给出泄漏点在该管道横截面的大致方位。当监测装置401和监测装置402对应监测点管道内的流速波形图趋于稳定，即两点处的流速波动值均不大于设定的流速波动阈值时，判断直管段40发生泄漏后，管道内流速已充分发展，计算机18读出此时的监测装置401和监测装置402对应监测点管道内的断面平均流速值v401、v402，泄漏量计算公式如下：

（4）

其中，a40为直管段40断面面积。

此时，计算机18发出泄漏报警，输出泄漏报告，内容包括泄漏点所在的管道横截面位置，泄漏点在该管道横截面的大致方位以及泄漏产生的泄漏量。

如图8所示，若某时，直管段40上监测装置403对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p4032≥p4030，间隔时间δt403后，监测装置402对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p4022≥p4020，再间隔时间δt404后，监测装置401对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p4012≥p4010，且δt403=δt404≤δt40，据此计算机18将判定此负压波来自于用户2的业务操作，不发出泄漏报警。

如图8所示，若某时，直管段30上监测装置303对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p3031≥p3030，直管段40上监测装置401对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p4013≥p4010，直管段50上监测装置501对应监测点管道内的压力波形图呈现的瞬时压力降p5011≥p5010；然后，直管段30、直管段40、直管段50其余两处监测装置分别先后以相同的时间间隔检测到了该负压波，据此计算机判定三通30-40-50发生泄漏。计算机通过首先检测到该负压波的电阻应变片所在的位置，给出泄漏点在该管道横截面的大致方位。当监测装置303、401、501对应监测点管道内的流速波形图趋于稳定，即三点处的流速波动值均不大于设定的流速波动阈值时，判断三通30-40-50发生泄漏后，管道内流速已充分发展，计算机18读出此时的监测装置303、401、501对应监测点管道内的断面平均流速值v303、v^/401、v501，泄漏量计算公式如下：

（5）

其中，a30为直管段30断面面积，a40为直管段40断面面积，a50为直管段50断面面积。

此时，计算机18发出泄漏报警，输出泄漏报告，内容包括泄漏点所在的管道横截面位置，泄漏点在该管道横截面的大致方位以及泄漏产生的泄漏量。

一种流体管道泄漏在线监测与定位装置及其控制方法，可以在线监测流体管道是否发生泄漏，并可判断泄漏点在管道横截面的大致方位以及泄漏的严重程度。适用于单个直管段泄漏在线监测定位，也适用于连续多个直管段以及带支线管段泄漏的在线监测定位，并能识别和排除因业务操作引起的压力波动干扰，其推广应用将有效提高水、气、热、油等流体管道泄漏在线监测定位水平。

以上内容是对本发明创造的优选的实施例的说明，可以帮助本领域技术人员更充分地理解本发明创造的技术方案。但是，这些实施例仅仅是举例说明，不能认定本发明创造的具体实施方式仅限于这些实施例的说明。对本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演和变换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。