基于声波探测的物联网供热管道泄漏报警系统及方法与流程

1.本发明属于直埋供热管道泄漏监控技术领域，特别涉及一种基于声波探测的物联网供热管道泄漏报警系统及方法。


背景技术：

2.城市供热管网是城市重要基础设施之一，随城市集中供热迅速发展，供热管网规模和管径也越来越大。截至2020年底，我国集中供热管道长度42.6万公里，最大管径达dn1600。随供热管道运行年代逐年增长，早期建成的供热管道已趋于老化，加之管道腐蚀与水击压力突变，以及地震等自然灾害影响，诱发供热管道泄漏事故逐年攀升，造成能量和水资源的损失浪费，甚至造成地面塌陷，严重影响城市供热和人民生命财产安全。直埋敷设方式具有节约能源、造价低、占地少、施工方便等优点，在国内得到了迅速发展。然而，当直埋管道发生泄漏，漏点位置确认难度大、停热时间长、抢修成本高，若漏点不能及时发现还易造成影响公共安全的恶性事故。
3.目前，直埋供热管道常用的泄漏检测方法有人工巡检法、流量法、压力法、直埋预警线监测法、光纤泄漏在线监测法等,这些方法应用起来比较复杂,在确定管道泄漏时误差比较大。因此，国内外都出现了一些采用声学方法来检测管道的泄漏的监测设备和方法。如授权公告号cn214275368u的中国专利公开了一种采用声频监测的绝热管道防泄漏系统，包括监控计算机及其信号连接的若干检测装置，监控计算机内设定管道振动声频的数值范围，当监控计算机监测到检测传感器传递的振动音频数据超过阈值，确定的泄漏点及泄漏时间。其泄漏报警是依据单一管道采集的声波信号进行判断，但是声波信号容易受到周围环境的影响，例如供热管道埋设在工厂、公路主干道附近，供热管道附近临时施工等情况，环境的噪音会通过供热管道传输，被传感器接收，产生误判。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于声波探测的物联网供热管道泄漏报警系统及方法，在一次供热管网的每个阀门井内布置压电声波传感器，同时采集供水管道和回水管道上的声波信号，通过两个声波信号的信号功率差值，判断是否泄漏故障，通过供回水同步远场音频比对，能够准确判断是否出现供热管道泄漏故障，具有检测灵敏度高、低功耗、低误判的优点，并可覆盖整个一次供热管网区域，对一次供热管网进行监控预警。
5.本发明采用的技术方案是：一种基于声波探测的物联网供热管道泄漏报警系统，包括监控平台和声波探测装置，所述监控平台与多个所述声波探测装置无线通讯，所述声波探测装置设置于一次供热管网的阀门井内，所述声波探测装置用于同时采集供水管道和回水管道上的声波信号，所述声波探测装置包括控制器单元、物联网无线传输单元和两个压电声波传感器，所述控制器单元分别与物联网无线传输单元和两个压电声波传感器连接，两个所述压电声波传感器分别设置于供水管道和回水管道上。物联网无线传输单元采
用nb-iot物联网无线传输单元。
6.进一步的，一次供热管网的每个阀门井内均设置有一个所述声波探测装置。
7.进一步的，所述压电声波传感器采用压电陶瓷探头。
8.进一步的，两个所述压电声波传感器分别设置于供水管道和回水管道的金属管道外壳外表面。
9.本发明采用的技术方案还是：一种基于声波探测的物联网供热管道泄漏报警方法，包括以下步骤：
10.步骤1：在一次供热管网的每个阀门井内布置压电声波传感器；
11.步骤2：压电声波传感器同时采集供水管道和回水管道的声波信号；
12.步骤3：对声波信号进行处理，计算信号功率；
13.步骤4：比对计算同一阀门井内的供水管道和回水管道的信号功率的差值；
14.步骤5：信号功率差值超过阈值，则判断出现供热管道泄漏故障；阈值为200-400db，具体数值可通过监控平台设置调节。
15.进一步的，在步骤2中，间隔10-60分钟，具体数值可通过监控平台设置调节，压电声波传感器采集一次声波信号。
16.进一步的，在步骤3中，对声波信号进行400-2000hz的带通滤波后，再计算信号功率。
17.进一步的，在步骤5中，阈值为200db-300db，具体数值可通过监控平台设置调节。
18.进一步的，在步骤5中，信号功率差值连续3-5次均超过阈值，则判断出现供热管道泄漏故障。
19.进一步的，供热管道泄漏故障点位于信号功率较高的供热管道上。
20.工作原理：一次供热管网的供热管道包括供水管道或回水管道两根管道，两根供热管道采用直埋的方式敷设。供热管道泄漏故障一般只发生在供水管道或回水管道上，几乎不会发生供水管道和回水管道同时出现泄漏故障点的情况。而供热管道上出现泄漏故障点后，会在400-2000hz的音频范围内产生声波振动，其信号功率通常会超过300db，大的时候甚至可以到达1000db，供热管道上一般的背景噪音只有5-15db。而声波振动只会在故障的供热管道上传输，不会影响另一根供热管道。因此，本发明基于供水管道和回水管道同时测量特定音频范围内声音大小差的变化进行监测预警。采用压电陶瓷探头在一次供热管网的阀门井内对供水管道和回水管道进行监测，同时采集声波信号，计算两个声波信号功率差值，并据此判断是否出现供热管道泄漏故障。并可以初步定位供热管道泄漏故障点的发生位置区域范围，故障点位于对应阀门井两侧的信号功率较高的供热管道上。阀门井两侧的范围依据压电声波传感器的涵盖半径而定。
21.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
22.1.本发明在一次供热管网的每个阀门井内均安装声波探测装置，压电声波传感器的涵盖半径达到500米时，本系统可覆盖整个一次供热管网。基于物联网技术，监控平台与所有的声波探测装置无线通讯，实现对整个一次供热管网区域的泄露故障监控预警。
23.2.本发明基于声波探测技术，同时采集供水管道和回水管道的声波信号，通过两个声波信号功率差值判断是否出现泄漏故障，不易受外界环境的影响；并且合理设计阈值，多次连续超出阈值才判定出现泄漏故障，具有低误判的优点。
24.3.本发明定期采集供水管道和回水管道的声波信号，不用全天候进行实时监控，声波探测装置的耗电量小，具有低功耗、易管理的优点。
附图说明
25.图1为本发明实施例的报警系统的结构示意图；
26.图2为本发明实施例的报警方法的流程图。
27.图中：1-监控平台，2-控制器单元，3-物联网无线传输单元，4-压电声波传感器。
具体实施方式
28.为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
29.本发明的实施例提供了一种基于声波探测的物联网供热管道泄漏报警系统，如图1所示，其包括监控平台1和声波探测装置。一次供热管网的每个阀门井内均设置有一个所述声波探测装置，所述监控平台1与所有的所述声波探测装置无线通讯。所述声波探测装置包括控制器单元2、物联网无线传输单元3和两个压电声波传感器4，所述控制器单元2分别与物联网无线传输单元3和两个压电声波传感器4连接，两个所述压电声波传感器4分别设置于供水管道和回水管道的金属管道外壳外表面。所述压电声波传感器4采用压电陶瓷探头，探测声波振动信号。控制器单元2内安装锂电池，为整个声波探测装置供电。两个压电声波传感器4间隔30-60分钟采集一次信号，采集的信号由控制器单元2通过物联网无线传输单元3传输至监控平台1。
30.本发明采用的技术方案还是：一种基于声波探测的物联网供热管道泄漏报警方法，如图2所示，包括以下步骤：
31.步骤1：在一次供热管网的每个阀门井内布置声波探测装置，将两个压电声波传感器4分别安装在供水管道和回水管道上。根据两个阀门井间的距离，选择合适型号的压电声波传感器4，使压电声波传感器4的测量范围涵盖阀门井间的供热管道。
32.步骤2：每个阀门井内的压电声波传感器4间隔10-60分钟，例如20分钟，同时采集一次供水管道和回水管道的声波信号；然后将采集的信号发送至监控平台1。压电声波传感器4的采集间隔可以根据实际需要由监控平台处进行设置。
33.步骤3：监控平台1对采集到的声波信号进行400-2000hz的带通滤波，然后分别计算声波信号功率。
34.步骤4：监控平台1再分别比对计算每个阀门井内的供水管道和回水管道的信号功率的差值。
35.步骤5：某个阀门井对应的信号功率差值如果连续5次均超过阈值，即超过300db，则判定该阀门井两侧的管道出现了供热管道泄漏故障。供热管道泄漏故障点位于信号功率较高的供热管道上，例如供水管道的信号功率比回水管道的信号功率高300db，那么供热管道泄漏故障点应位于供水管道上。监控平台1发出供热管道泄漏故障报警，提醒相关人员。阈值的具体数值可根据实际需要在监控平台1进行设置。
36.以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用
本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。