专利名称：管道防护泄漏检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及管道储运工业安全防护检测装置及方法。
石油化工企业管道输送的介质具有易爆的特点。在管道运行过程中，腐蚀、人为损坏、自然灾害等原因均可使油气管道裂缝穿孔泄漏，不仅造成严重的经济损失，而且危害生态环境，甚至危及人民群众的生命和财产安全。迅速发现泄漏事故并准确定位，对于及时采取有效措施，减轻事故造成的危害是非常重要的。因此，研究管道泄漏故障实时诊断技术，有显著的社会效益和经济效益。国外先进的油气管道上配备的SCADA系统都有泄漏检测及定位的功能，而我国大多数管道上都没有配备该系统。引进单独的泄漏检测与漏点定位系统需要百万元以上的投资，如SSI公司的检漏系统仅软件费用就达12万美元。此外，我国的油气管道泄漏检测及漏点定位还有其特点1．我国地域环境和气候变化情况复杂增加了管网的复杂性使得检漏定位技术难度大；2．国外的油管道泄漏以腐蚀等自然因素或意外的人为损坏居多，寻找漏点相对较容易，而我国的油气管道泄漏以犯罪分子偷盗居多，盗油(气)点经伪装难以发现，因而对漏点定位的精度要求高；3．目前的漏点定位技术需要电源及信号传输线路，这不仅增加了实施的困难，更易成为犯罪分子破坏的目标。
本发明的目的是提供一种应用电磁波在管道内辐射，利用管道裂缝、孔洞和管道结构特征对电磁波反射进行防泄漏检测的装置及方法。
本发明所述管道防护泄漏检测装置，其特征在于它由固定在被测管道壁上，并向其内辐射电磁波的发射天线兼接收天线、分别产生两种模式的基频电磁波和可对接收信号进行时间标签认定及模式识别预处理的电磁发射及接收装置、信号处理及计算机系统、连接上述电磁发射及接收装置和信号处理及计算机系统的信号传输电缆、交换计算机处理数据的数据通讯天线组成；所述信号传输电缆包括接收到反射回来的进行时间标签认定和模式识别预处理的电磁波信号传输微波带或波导、电磁波发射器产生的作为接收信号的参考时间延迟基准坐标和模式标准的传输线。
如上所述的一种管道防护泄漏检测装置，其特征在于电磁发射和接收装置可以由模式变换器、微波源、环形器、高阶滤波器、鉴频器、分频检波器和数据采集与信号处理电路组成。
如上所述一种管道防护泄漏检测装置，其特征在于所述发射天线兼接收天线采用圆形螺环形式或矩形螺环形式。
如上所述一种管道防护泄漏检测装置，其特征在于所述的发射天线兼接收天线最佳结构为螺环形式的螺距S与圆形直径D或矩形边长D之乘积等于电磁波长λ的平方乘修正系数α，所述修正系数取值为0．01-0．63。
如上所述一种管道防护泄漏检测装置，其特征在于管道内也可以安装两套天线，分别单独作为接收和发射天线。
如上所述一种管道防护泄漏检测方法，其特征在于利用电磁波发射和接收装置，通过波导耦合向被测管道发射和接收反射电磁信号；先由微波源激励TE和TM波，通过环形器后进入模式变换器，将TE波转换为高阶TE波，然后由天线发射到管道内；由于管道内TE基模极不稳定，在跨越裂缝或孔洞时，产生新的激励电场，使得原来电场退化为高阶模，在管道裂缝和孔洞上游和下游内都设有接收天线，通过对反射电磁波与发射电磁波的时间差和利用裂缝和孔洞反射电磁波的波形模式退化高阶模式的测定，检测管道内的破损、破裂、泄漏点的位置和尺寸特征。
如此所述一种管道防护泄漏检测方法，其特征在于所述发射电磁波和接收电磁波装置连续工作，没有间断或交替工作。
如上所述的一种管道防护泄漏检测方法，其特征在于发射装置按一定周期变化发射波长用于检测相同数量级的裂缝和孔洞。
如上所述的一种管道防护泄漏检测方法，其特征在于裂缝和孔洞反射电磁波模式特征满足对称偶极子振荡方程。
本发明具有如下效果1．在信号采集和数据通讯方面借鉴了现代天线电通讯技术信号调制原理，合理设计传感器的方位，特别是用管道运行的调阀和调泵噪声作为神经网络识别的训练样本，把泄漏信号作为别类数据调制识别网络输入层，从而使得诊断系统以极高效率处理最少数据实时检测管道的工况，检测速度快；2．该发明将现代计算机应用领域的最新数字图像处理技术、人工神经网络和模式识别用于信号的检测，利用小波分析理论和信号相关理论分析泄漏信号与管道噪声特征，提高了泄漏信号的识别精度；3．天然气介质特性对电磁场波形变化影响较小，特别是长距离的管道检测电磁波幅射控制和调制容易实现。
图面说明
图1是本发明的原理示意图。
图2是本发明的电磁波接收发射器的原理框图。
图3是本发明的圆环天线测视图。
图4是本发明的圆环天线正视剖面图。
图5是本发明的矩形环天线侧视图。
图6是本发明的矩形环天线正视剖面图。
图7是本发明的信号发射接收模块的原理框图。
图8是本发明天线安装在被检测管道上的结构示意图。
图9是本发明裂缝原理的应用说明图。
本发明在天然气管道的工艺设计和现场生产中都选用了圆形截面的金属管道，当一定模式的电磁场沿管道辐射时，接收到的电磁波信号就包含着管道的结构特征和运行工况的信息，特别是当管道有裂缝或孔洞时，将产生特定模式的反射电磁场波形；在处理信号时，将带有泄漏信号数据送数据处理装置进行分析处理；利用信号处理技术的相关原理取得信号的延时量，确定泄漏位置。利用识别技术判断泄漏程度；最后由诊断报告输出系统显示泄漏的程度和泄漏的具体位置。
本发明由电磁波发射天线兼接收天线2和3、电磁波发射及接收装置5和8、信号处理装置6和9、数据通讯天线7和10、检测信号计算机处理、显示和报警系统4和11、信号传输电缆12组成。由电磁波发射器5和8分别产生两种模式的基频电磁波由天线2和3向被检测管道内辐射，辐射的电磁波携带有时间标签在管道波导耦合腔内形成一定模式的低阶电磁波向管道1内传播。当这个低阶模式的电磁波沿管道传播遇到管道裂缝或孔洞时，裂缝和孔洞就成为微扰天线向管道裂缝或孔洞的上下游反射高阶模式电磁波。接收天线2和3接收到反射回来的电磁波，经信号传输电缆12送电磁波接收装置5和8进行时间标签认定和模式识别等预处理，预处理后信号经信号传输电缆12送到信号处理装置6和9、然后送往计算机系统4和11进行分析处理，处理后的数据又通过数据通讯天线7和10交换数据进行相关处理。由电磁波发射器5和8产生的电磁波经信号传输电缆送到信号处理装置6和计算机系统3作为接收信号的参考时间延迟基准坐标和模式标准；计算机系统利用功能程序对接收信号进行各种相关运算，结果显示和报告检测管道运行概况、裂缝、孔洞的位置和程度。在上述结构中，本发明的天线安装在被检测管道系统的管道壁上，如图6所示，其结构关系为14是被检测管道、15是安装天线立管、16是天线、17是立管密封及天线安装座、18是天线输入输出接口、19是填充绝缘材料、20是天线组件外径固定环。安装及在管壁上钻孔并加工螺纹用于安装天线组件，天线组件的外径上加工有螺纹与管道壁上安装孔相配合，安装完后天线是置于管道内侧。由天线到电磁波接收发射器的信号传输电缆采用微波带或同轴电缆用于传递高频微波信号。天线采用圆形螺环形式和矩形螺环形式。电磁波接收发射器的结构如图2所示。
信号发射接收可采用PCM-MH系列、MRC系列、AN／USM系列或XCGX系列、TY-QXD系列集成模块，其原理图示意如下如图5所示先由微波源激励TE和TM波，通过环形器后进入模式变换器，将TE波转换为高阶TE波，然后由天线发射到管道内由于管道内TE基模极不稳定，在跨越裂缝或孔洞时，产生新的激励电场，并使得原来电场退化为高阶模。这个高阶模电磁场又从裂缝和孔洞向管道内反射，在管道裂缝和孔洞上游和下游管道内都有接收天线，通过对反射电磁波的模式分析、变换和求解等运算后送往微波预处理器进行归一化、模式解调、高阶滤波、相位补偿和幅值折叠，然后送到相位增益插件分别得到幅度输出、相位输出和模式对数输出；将这三路信号送往数据采集与数据处理系统进行分析处理，判断是否有泄漏、破裂缝隙以及泄漏位置。
裂缝原理的检测应用如下在无线电技术中，用来有效地辐射电磁波能量的系统是电磁辐射系统，用来有效地接收电磁波能量的系统是电磁接收系统。而用来有效地辐射和接收电磁波能量的系统或装置为天线。实质上，天线是一个转换器，它把高频电流形式(或导波形式)的能量转换为同频率的电磁波能量或反之。因此，在利用无线电波进行工作的“电子工程(如通讯、广播、电视、雷达、导航等)中，天线是必不可少的重要设备之一。天线的种类繁多，天线的分类方法不一。按用途可以分为通信天线、广播天线，电视天线，雷达天线。导航天线等按工作波长可分为长波天线、中波天线、短波天线。超短波天线和微波天线等；按使用方法可分为发射天线。接收天线和收发共用天线等。天线的研究对象是电磁波的辐射问题，即研究天线所产生的空间电磁场分布。在线天线中多采用在元电流上积分来求解，得到无电流的辐射场，然后利用迭加原理可解连续元(线天线)和分立元(阵列天线)的辐射场。另一种方法又称为矢位法或辅助函数法。即用矢位(电位和赫兹矢量)作辅助函数来求解电磁场。在天线中，大多是求解口径绕射问题，绕射场往往用克希荷夫公式来计算。克希荷夫公式是惠更斯原理的数学表达式，它可求出包围辐射源的封闭面外任一点的电磁场。当工作波长比系统线性尺寸小得多时，也可采用几何光学法，根据几何光学定律，即利用射线来分析电磁波的传播。
裂缝天线是波导或谐振腔上开有若干裂缝所构成的。由于裂缝切断电流线，使得波导或谐振腔能够辐射和接收电磁波。通常采用工程近似计算方法，即“二重性原理”。在无限大导电板上的裂缝天线，它所产生的方向图和具有与裂缝口相同的板状振子的方向图相同，它们的差别在于(1)电场和磁场互换；(2)裂缝天线金属板两边的场量不连续，其大小相等、方向相反。
如图9所示由频率为f=2kπ的信号源馈电的理想裂缝天线，由二重性原理可知，裂缝天线在缝中及其周围空间的电磁场E、H的球坐标方向空间各点坐标的函数，且分别与等效振子场强E、H的方向相同。如在ε、μ的媒质中，没有场源时裂缝和孔洞的反射电磁波表示为 式中包含管道裂缝和孔洞的特征有r是距离裂缝或孔洞中心的距离；该量用于测定裂缝和孔洞距离天线的长度。
D是裂缝的宽度；I是裂缝的长度；D1代表孔洞或裂缝的面积；Et是管道内电磁波在跨越裂缝和孔洞时的强度。
在包围所讨论的体积的封闭曲面上的边界条件一定时上述议程具有单值解。根据上式可得长为1、宽为d的理想裂缝天线在远区的辐射场的特征。接收电磁波时通过识别幅度模式就可以裂缝孔洞的特征d和L。
其中距离r利用公式r=CT计算，T是带有相同时间标签电磁波往返天线和裂缝的时间一半。C是电磁波的速度。
权利要求
1．一种管道防护泄漏检测装置，其特征在于它由固定在被测管道壁上，并向其内辐射电磁波的发射天线兼接收天线、分别产生两种模式的基频电磁波和可对接收信号进行时间标签认定及模式识别预处理的电磁发射及接收装置、信号处理及计算机系统、连接上述电磁发射及接收装置和信号处理及计算机系统的信号传输电缆、交换计算机处理数据的数据通讯天线组成；所述信号传输电缆包括接收到反射回来的进行时间标签认定和模式识别预处理的电磁波信号传输微波带或波导、电磁波发射器产生的作为接收信号的参考时间延迟基准坐标和模式标准的传输线。
2．如权利要求1所述的一种管道防护泄漏检测装置，其特征在于电磁发射和接收装置可以由模式变换器、微波源、环形器、高阶滤波器、鉴频器、分频检波器和数据采集与信号处理电路组成。
3．如权利要求1所述的一种管道防护泄漏检测装置，其特征在于所述发射天线兼接收天线采用圆形螺环形式或矩形螺环形式。
4．如权利要求1所述的一种管道防护泄漏检测装置，其特征在于所述的发射天线兼接收天线最佳结构为螺环形式的螺距S与圆形直径D或矩形边长D之乘积等于电磁波长λ的平方乘修正系数α，所述修正系数取值为0．01-0．63。
5．如权利要求1或3所述的一种管道防护泄漏检测装置，其特征在于管道内也可以安装两套天线，分别单独作为接收和发射天线。
6．一种管道防护泄漏检测方法，其特征在于利用电磁波发射和接收装置，通过波导耦合向被测管道发射和接收反射电磁信号；先由微波源激励TE和TM波，通过环形器后进入模式变换器，将TE波转换为高阶TE波，然后由天线发射到管道内；由于管道内TE基模极不稳定，在跨越裂缝或孔洞时，产生新的激励电场，使得原来电场退化为高阶模，在管道裂缝和孔洞上游和下游内都设有接收天线，通过对反射电磁波与发射电磁波的时间差和利用裂缝和孔洞反射电磁波的波形模式退化高阶模式的测定，检测管道内的破损、破裂、泄漏点的位置和尺寸特征。
7．如权利要求6所述的一种管道防护泄漏检测方法，其特征在于所述发射电磁波和接收电磁波装置连续工作，没有间断或交替工作。
8．如权利要求6所述的一种管道防护泄漏检测方法，其特征在于发射装置按一定周期变化发射波长用于检测相同数量级的裂缝和孔洞。
9．如权利要求6所述的一种管道防护泄漏检测方法，其特征在于裂缝和孔洞反射电磁波模式特征满足对称偶极子振荡方程。
全文摘要
本发明属于管道储运工业安全防护检测装备,用于检测管道缺损、破裂、泄漏、管道结构特征;其原理是应用电磁波在管道内辐射,利用管道裂缝、孔洞和管道结构特征对电磁波反射的原理检测管道运行概况。发射天线和接受天线都固定在管道壁内,当管道缺损、破裂、泄漏或结构形式变化时,接收到的电磁波将包含有相应的特征信息。对接收到的电磁波信号进行信号处理就可以确定管道缺损、破裂、泄漏、管道结构特征。
文档编号G01N22/02GK1293366SQ00135740
公开日2001年5月2日 申请日期2000年12月19日 优先权日2000年12月19日
发明者张来斌, 夏海波, 王朝晖 申请人:石油大学(北京)机电工程学院