管道网络中的泄漏检测的方法和系统的制作方法

管道网络中的泄漏检测的方法和系统的制作方法
【专利摘要】一种用于流体分配系统的至少一部分中的泄漏检测和定位的方法和设备。在两个或更多个位置中的每一个处，位置定位器确定设备的位置并且振动传感器产生指示振动传感器在该位置处所检测的振动的信号。处理器计算信号的参数，该参数指示在预定时间段内在该位置处的信号的平均功率。对于每个位置，处理器在存储器中存储设备的位置和所计算的参数的值，然后确定在流体分配系统中所计算的参数具有满足预定标准的最大值时的位置。
【专利说明】管道网络中的泄漏检测的方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于检测管道系统中的泄漏的设备和方法。
【背景技术】
[0002]泄漏的存在代表资源的损失以及经济损失。在某些情况下，例如，当流体是有毒的或可燃的材料时，泄漏的存在能够造成危险的情形。
[0003]泄漏能够通常以两种方式来检测。第一种方式是通过检测从容器漏出的物质。第二种方式是通过检测某些与泄漏相关的属性，诸如，压力下降、声发射、体积平衡的变化以及温度变化。
[0004]当泄漏发生时，泄漏产生振动，该振动通过管道的材料、通过管道中的流体以及通过与管道和泄漏物相邻的介质来传播。泄漏振动和管线声特性很大地取决于管道的尺寸和材料。如果管线被埋起来，则传输特性还取决于掩埋管线的泥土的类型。
[0005]指示金属管道系统中水泄漏的频率是在400-1500HZ的范围内。声学方法经常用在水系中的泄漏检测和管道检查中。在这些方法中，在水系统中的管道上、地上或墙壁上的一个或多个位置处放置压电振动检测器和加速度计。压电检测器被构造成具有相对较高的共振频率和在较低频率中的平坦响应的弹簧质量系统(spring-mass system)。检测器通常设计成具有明显超出指示水泄漏的频率的共振频率，使得水检测过程中所使用的频率处于检测器的平坦、线性响应区中。
[0006]Jefferies的美国专利N0.7，360, 413公开了一种无线水流监视和泄漏检测系统，其包括基站、存储器以及配置成控制该系统的操作并且分析所存储的数据的中央处理单元。在具有多个水装置(water fixture)的设施(facility)中，在水装置的供给线上安装无线流量传感器节点(wireless flow sensor node)。无线流量传感器节点能够周期地读取并且存储与在水装置处出现的流动状态或者非流动状态对应的数据点。协调器节点在多个无线流传感器节点与基站之间无线地转发数据。基站配置成确定在任何水装置中是否存在泄漏。
[0007]Roy的美国专利6，789，411公开了用于检测地下水管道中的泄漏的装置。检漏器(hydrophone)监视沿着管道流动的水并且当流量参数高于最大值或低于最小值时产生警报信号。无线电发射机将警报信息传输至远程接收机。

【发明内容】

[0008]本发明提供了用于向一个或更多个接受器输送诸如水或气体等流体的流体分配系统的至少一部分中的泄漏检测的设备和方法。管道网络中要执行泄漏检测的部分可以是例如)市政管道网络的一部分，在这种情况中，管道网络将跨越于一个地理区域。作为另一示例，管道网络中要执行泄漏检测的部分可以局限于单个建筑物。管道网络的一部分或全部可访问，并且管道网络的一部分或全部可被隐藏，例如，埋在地下或者容纳在墙壁中。
[0009]本发明的设备包括在任何时间确定设备的位置的振动传感器，诸如扩音器和定位器。定位器可包括例如用于从全球定位卫星(GPS)或角速度计接收信号的设备。
[0010]在发明的方法中，设备从一个位置被移动至另一个位置并且放置成与怀疑有泄漏的管道网络中的管道或在管道元件周围的介质或物质接触。在每个位置处，设备的处理器在预定的时间间隔内对振动传感器所产生的振动信号进行采样并且在两个或更多个位置中的每一个处计算在一个或更多个预定频带中的平均功率。处理器产生在每个位置处所计算的平均强度的图解表示和位置并且在显示屏幕上显示该图解表示。图解表示可以是流体分配系统的地图的形式，其示出在分配系统上的不同位置处所计算的平均功率。
[0011]本发明还提供了一种可例如在振动检测器节点中使用的振动传感器。本发明的振动传感器包括压电膜和一个或更多个惯性质量块。弹性体层位于惯性质量块和压电膜之间，以提供阻尼并且还用作惯性质量块与压电膜之间的黏合剂。
[0012]因此，在各个方面的一个方面中，本发明提供了用于流体分配系统的至少一部分中的泄漏检测和定位的设备，所述流体分配系统包括管道网络的至少一部分，该设备包括:
[0013](a)-振动传感器，该振动传感器产生指示振动传感器所检测的振动的信号；
[0014](b)_位置定位器，该位置定位器配置成确定该设备的位置；
[0015](C)-第一处理器，具有针对所述设备的两个或更多个位置中的每一个而配置的第一存储器，以便:
[0016]-计算所述振动传感器在预定的时间段内在所述位置处所产生的信号的参数，所述参数指示在所述时间段内所述信号的平均功率；
[0017]-由所述定位器确定所述设备的位置；
[0018]-在所述第一存储器中存储所述设备的位置和所计算的振动检测器在所述位置处所产生的信号的参数；
[0019](d)_第二处理器，所述第二处理器配置成确定所计算的参数具有满足预定标准的最大值时的位置。
[0020]在本发明的设备中，第二处理器可以与第一处理器相同。
[0021]在本发明的设备中，定位器可例如从用于接收来自全球定位卫星、加速度计以及利用视频的基于视频的平台的信号的设备中选择。振动传感器可配置成连接至诸如智能手机、PDA或膝上型电脑等便携式设备的扩音器连接器。在这种情况下，定位器、第一处理器以及第一存储器中的任意一个或更多个包含在便携式设备中。
[0022]该设备可进一步包括显示设备，在这种情况下，第二处理器可配置成在显示设备上显示在两个或更多个位置处所测量的参数的图解表示。第二处理器可定位在基站处。基站可设置有显示设备，在这种情况下，第二处理器可配置成在显示设备上显示在两个或更多个位置处所测量的参数的图解表示。该设备配置成与基站通信。
[0023]第二处理器可进一步配置成，通过在获取振动数据的位置处所计算的平均功率的插值，来计算沿所述管道网络的未获得振动数据的位置处的振动强度。图解表示可以是管道网络的至少一部分的地图的形式，该地图指示在管道网络中的两个或更多个位置处所计算的参数的值。
[0024]第一处理器或第二处理器可进一步配置成如果检测到泄漏则产生警报。
[0025]在各个方面的另一方面中，本发明提供了一种振动传感器，包括:[0026](a)支撑件；
[0027](b)压电膜；
[0028](c)第一惯性质量块；
[0029](d)在惯性质量块中的至少一个与压电膜之间的第一振动阻尼弹性体层。
[0030]该振动传感器可进一步包括与压电膜接触的黄铜片。压电膜和弹性体层可被封在刚性振动阻尼框架中。
[0031]该振动传感器可进一步包括第二惯性质量块，在第一惯性质量块与第二惯性质量块之间设置有第二振动阻尼弹性体层。
[0032]在各个方面的另一方面中，发明提供了用于流体分配系统的至少一部分中的泄漏检测和定位的方法，流体分配系统包括管道系统的至少一部分，该方法包括:
[0033](a)针对两个或更多个位置中的每一个:
[0034]产生指示在该位置处的振动的信号；
[0035](b)产生指示该位置的信号；
[0036](c)计算振动信号的参数，该参数指示在一定时间段内信号的平均功率；
[0037](d)在显示设备上显示在两个或更多个位置中的每一个处所计算的参数的图解表
/Jn ο
[0038]发明的方法可进一步包括，通过在获取振动数据的位置处所计算的平均功率的插值，来计算沿该管道网络的未获取振动数据的位置处的振动强度。当检测到泄漏则可检测到警报。
【专利附图】

【附图说明】
[0039]为了理解本发明并且知晓在实际中可如何实现本发明，现在将参考附图仅借助于非限定性示例来描述实施例，图中:
[0040]图1示出了根据本发明的一个实施例的用于管道网络中的泄漏检测的设备；
[0041]图2示意性地示出了图1的用于泄漏检测的设备；
[0042]图3示出了根据本发明的一个实施例的振动传感器；
[0043]图4示出了根据本发明的第二实施例的振动传感器；
[0044]图5示出了根据本发明的第三实施例的振动传感器；
[0045]图6示出了图5的振动传感器的示意图；以及
[0046]图7示出了图5的振动传感器的响应。
【具体实施方式】
[0047]图1和图2示出了根据发明的一个实施例的用于流体分配系统的至少一部分中的泄漏检测的设备14。流体分配系统包括向一个或多个接受器输送诸如水或气体等流体的管道网络。管道网络中要执行泄漏检测的部分可以是例如市政管道网络的一部分，在这种情况下，管道网络将跨越一个地理区域。作为另一示例，管道网络中要执行泄漏检测的部分可以局限于单个建筑物。管道网络的一部分或全部是可访问的，并且管道网络的一部分或全部可被隐藏，例如，埋在地下或者容纳在墙壁中。
[0048]图2中示意性地示出了设备14。设备14包括连续地或周期地拾取在检测器附近的管道网络12中的振动的振动传感器18，诸如扩音器或检漏器。振动传感器18可以是用于液体泄漏检测的压电加速度计或地音探听器或者用于针对气体的超声振动测量的压电转换器。
[0049]设备14还包括处理器20和相关联的存储器22，处理器用于分析振动传感器18所产生的振动信号，存储器用于存储数据。设备14进一步包括用于显示数据的显示屏幕21。
[0050]设备14进一步设置有在任意时间确定设备的位置的定位器28。定位器可包括例如用于接收来自全球定位卫星(GPS)的信号的设备。可选地，节点可设置有加速度计，在这种情况下，可通过加速度测量值的双重积分来确定节点相对于固定参考点的位置。定位器还可以是利用内置摄像头的基于视频的平台，该平台配置成计算振动传感器测量值的绝对和相对位置。
[0051 ] 设备14还包括电源23，该电源可以是例如一个或更多个电池，优选地是可充电电池。
[0052]设备14从一个位置被移动到另一个位置。在每个位置处，处理器20在预定的时间间隔内对振动传感器18所产生的振动信号进行采样。采样时间可以是例如在I至2秒的范围内。在给定位置处的信号采样可以通过用户按下设备上的激活按钮25来启动。
[0053]在无泄漏的情况下，振动传感器拾取环境噪声，诸如流动声音、压缩机和泵的噪音以及诸如火车和汽车等外部声源。可通过适合的带通滤波从所记录的信号中去除环境噪声。当泄漏发生时，泄漏产生特定振动，该特定振动通过管道的材料且通过管道中的流体传播并且被节点中的至少一个节点检测到。
[0054]处理器20计算由特定位置处的振动检测器18在适当的频率范围中所产生的振动信号采样的平均功率。例如，对于埋在地下的管道，合适的频率范围可以是50-500HZ，对于混凝土地板中的管道，这个合适范围会是500-2kHz。所计算的平均功率与如通过定位器28确定的、获得信号采样时的设备位置一起存储在存储器22中。处理器还可在存储器中存储如通过内部时钟36确定的采样时间。
[0055]在一个实施例中，振动传感器18配置成连接至诸如智能手机、PDA或膝上型电脑等便携式装置的扩音器连接器。便携式装置提供收发机26、时钟36、定位器28、处理器20以及存储器22中的一个或多个。
[0056]在两个或多个位置中的每一个处计算了在预定频带中的平均功率之后，处理器产生所计算的平均强度的图解表示并且在显示屏幕21上显示该图解表示。所显示的数据可以具有管道网络12的地图29的形式，其中例如通过比色刻度尺27来指示在沿着管道网络的节点位置处的振动的功率强度。在沿着管道网络的其他位置处的功率强度可通过在节点位置处所确定的强度的插值来确定。地图的产生利用如通过定位器28确定的设备位置。
[0057]处理器20可进一步配置成对强度数据进行插值，以计算在未收集振动数据的位置处的振动强度PU，y)并且在地图29上显示插值的数据。可通过找到振动强度P(x，y)的明显最大值来检测并定位泄漏。例如，可在PU，y)为最大的位置(x，y)处检测泄漏，并且此最大值至少是预定的常数(诸如2)乘以所计算的值P(x，y)的方差(variance)。
[0058]在发明的另一实施例中，设备14借助于收发机26与基站通信。节点14与基站16之间的通信可以例如经由无线电频率(RF)网络、计算机服务器、卫星、因特网或有线的或无线的电话线。在本实施例中，将设备14所获得的原始数据传输至基站，基站执行数据分析并且计算在每个位置处的平均功率并且产生平均功率位置的地图。在本实施例中，两个或多个设备14可用于收集在不同的位置集合处的振动数据。不同设备所收集的数据被传输至基站，基站对接收自不同设备的数据进行汇编并且产生在通过不同设备采样的所有位置处的平均功率的地图。
[0059]振动检测器节点中的任何一个或多个可设置有导航设备，该导航设备指引用户到达管道网络中振动能量最大的位置。
[0060]图3示出了可用作振动检测器节点14的振动传感器18的振动传感器40。在图3a的俯视图和图3b的侧视图中示出了振动传感器40。振动传感器40具有可由诸如塑料或金属等任意坚固材料制成的底部支撑件41。支撑件41支持黄铜盘48。在黄铜盘48的上方是例如直径为约25mm的盘型压电膜42。检测器40还包括质量可为例如9g的惯性质量块44。弹性体层46位于惯性质量块44与可由例如改性硅(MS)聚合物制成的压电膜42之间。弹性体层46提供了阻尼并且还用作惯性质量块44与压电膜42之间的黏合剂。
[0061]图4示出了可用作振动检测器节点14的振动传感器18的振动传感器50。在图4a的俯视图和图4b的侧视图中示出了振动传感器50。振动传感器50具有与图3中所示的振动传感器40共同的几个组件，并且类似的组件在图3和图4中通过相同的附图标记示出，无需进一步的注释。在振动传感器50中，黄铜盘48、压电膜42以及弹性体层被封在刚性振动阻尼框架52中。
[0062]图5示出了可用作振动检测器节点14的振动传感器18的振动传感器60。在图5的侧视图中示出了振动传感器60。振动传感器60具有与图3中所示的振动传感器40共同的几个组件，并且类似的组件在图3和图5中通过相同的附图标记示出，无需进一步的注释。振动传感器60包括通过弹性阻尼层56分开的第一惯性质量块53和第二惯性质量块54。第一惯性质量块53通过弹性体层58与黄铜盘48分开。两个惯性质量块的使用有助于在更小的阻尼和两个共振频率的情形下增加检测器在更宽频率范围中的灵敏度。两个质量块系统具有两个自然频率 :
[0063]W1=W^W2
[0064]W2=W1-W2
[0065]其中，W1和W2分别是仅包括第一质量块和第二质量块的系统的自然频率。可借助于图6中所示的示意图来描述振动传感器60的性能。弹性体层56通过并联的弹簧70和阻尼器(dashpot)72来表示并且弹性体层56通过弹簧74来表示。图7中示出了此系统的响应。
[0066]振动传感器的共振频率优选地的选择成处于指示水泄漏的振动频率的范围中，该共振频率对于金属管道而言处于500-2000HZ的范围中，而对于塑料管道而言处于50-500HZ的范围中。能够利用等式2来计算振动传感器的共振频率(Fms):
[0067]
【权利要求】
1.一种用于流体分配系统的至少一部分中的泄漏检测和定位的设备，所述流体分配系统包括管道网络的至少一部分，所述设备包括: (a)-振动传感器，所述振动传感器产生指示所述振动传感器所检测的振动的信号； (b)-位置定位器，所述位置定位器配置成确定所述设备的位置； (C)-第一处理器，所述第一处理器具有针对所述设备的两个或更多个位置中的每一个所配置的第一存储器，以便 -计算所述振动传感器在预定的时间段内在所述位置处所产生的信号的参数，所述参数指示在所述时间段内所述信号的平均功率； -由所述定位器确定所述设备的位置； -在所述第一存储器中存储所述设备的位置和所计算的振动检测器在所述位置处所产生的信号的参数； (d)_第二处理器，所述第二处理器配置成确定所计算的参数具有满足预定标准的最大值时的位置。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述定位器选自从全球定位卫星、加速度计以及利用视频的基于视频的平台接收信号的设备。
3.根据前述权利要求 中的任意一项所述的设备，其中，所述振动传感器配置成连接至便携式设备的扩音器连接器。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述便携式设备是智能手机、PDA或膝上型电脑。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述定位器、所述第一处理器以及所述第一存储器中的任意一个或更多个包含在所述便携式设备中。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其中，所述第二处理器与所述第一处理器相同。
7.根据权利要求6所述的设备，还包括显示设备，并且所述第二处理器配置成在所述显示设备上显示在所述两个或更多个位置处所测量的参数的图解表示。
8.根据权利要求1至5中任意一项所述的设备，其中，所述第二处理器定位在基站处。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述基站设置有显示设备，并且所述第二处理器配置成在所述显示设备上显示在所述两个或更多个位置处所测量的参数的图解表示。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其中，所述设备配置成与所述基站通信。
11.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其中，所述第二处理器进一步配置成，通过在获取振动数据的位置处所计算的平均功率的插值，来计算沿所述管道网络的未获取振动数据的位置处的振动强度。
12.根据权利要求7或9所述的设备，其中，所述图解表示为管道网络的至少一部分的地图的形式，所述地图指示在所述管道网络中的两个或更多个位置处所计算的参数的值。
13.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其中，所述第一处理器或所述第二处理器进一步配置成如果检测到泄漏则产生警报。
14.一种振动传感器,包括: (a)支撑件； (b)压电膜； (c)第一惯性质量块；(d)在所述惯性质量块中的至少一个与所述压电膜之间的第一振动阻尼弹性体层。
15.根据权利要求14所述的振动传感器，进一步包括与所述压电膜接触的黄铜片。
16.根据权利要求14或15中的任意一项所述的振动传感器，其中，所述压电膜和弹性体层被封在刚性振动阻尼框架中。
17.根据权利要求14至16中任意一项所述的振动传感器，进一步包括第二惯性质量块，其中在所述第一惯性质量块与所述第二惯性质量块之间设置有第二振动阻尼弹性体层。
18.一种用于流体分配系统的至少一部分中的泄漏检测和定位的方法，所述流体分配系统包括管道网络的至少一部分，所述方法包括: Ca)针对两个或更多个位置中的每一个: 产生指示在所述位置处的振动的信号； (b)产生指示所述位置的信号； (c)计算所述振 动信号的参数，所述参数指示在一定时间段内所述信号的平均功率； (d)在显示设备上显示在所述两个或更多个位置中的每一个处所计算的参数的图解表/Jn ο
19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括，通过在获取振动数据的位置处所计算的平均功率的插值，来计算沿所述管道网络的未获取振动数据的位置处的振动强度。
20.根据权利要求15或16中任意一项所述的方法，进一步包括如果检测到泄漏则产生警报。
【文档编号】G01M3/24GK103430002SQ201280010959
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年1月30日 优先权日:2011年1月30日
【发明者】大卫·所罗门 申请人:阿夸里乌斯光谱有限公司