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CN108050394B - 基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台 - Google Patents

基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台 Download PDF

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CN108050394B CN201711291102.3A CN201711291102A CN108050394B CN 108050394 B CN108050394 B CN 108050394B CN 201711291102 A CN201711291102 A CN 201711291102A CN 108050394 B CN108050394 B CN 108050394B
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Abstract

本发明提供了一种基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台，包括模拟燃气输送管网、模拟泄漏装置、介质输送装置、声压信号检测装置；在模拟燃气输送管网的每条模拟管道上设置两个模拟泄漏装置，管道泄漏过程分别通过比例阀和流量计的组合方式模拟；每条模拟管道上的声波传感器、压差传感器、压力传感器、温度传感器分别检测泄漏产生的声波信号、压差信号、压力信号、温度信号，通过数据采集卡采集并传递给计算机进行分析，计算出管道泄漏位置。本发明能够模拟多种泄漏工况，能够实现模拟多种泄漏工况下的燃气管道泄漏检测与定位实验，为燃气管道泄漏检测及定位技术提供可靠性实验研究，有利于降低真实管道泄漏误报率和漏报率。

Description

基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台
技术领域
本发明涉及一种科研实验平台，具体为一种基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台。
背景技术
城镇燃气管网系统是重要的城市基础设施，为城镇居民的生产生活提供着普遍的公共服务。随着城镇燃气使用的日益普及、燃气管网的不断建设发展，因管道的腐蚀穿孔、第三方破坏以及人为原因等导致的燃气泄漏事件时有发生，不仅带来巨大的经济损失和环境污染，还可能带来重大的人员伤亡事故。
现阶段绝大部分燃气管理公司在城镇燃气泄漏检测上主要采用的方法是对天然气加臭，通过现场观察或使用管网检漏仪进行判断等方法寻找漏点。这种管道泄漏检测和定位的方法在实际应用中具有很大的局限性，主要表现为：一、埋地燃气管道所处地理位置和周围环境复杂，容易导致气味不清晰，难以准确分辨；二、燃气泄漏造成的特殊臭味需要人为判断，无法实现管道泄漏定位的快速性和准确性；三、难以对第三方破坏事故做到提前预警。为了方便研究燃气管道运行特点、泄漏特征和机理，以及实用快速的泄漏检测方法，有必要研发一套模拟燃气管道泄漏检测定位的实验装置开展科学研究，实现在发生燃气管道泄漏事故时能快速准确的获取信息和确认漏点，以便及时有效地实施应急救援，最大限度地遏制燃气事故的发生及造成的损害。
目前，国内外在城镇燃气泄漏检测方面的研究主要以理论分析为主，少有实验验证，限于目前各科研院校的实际情况，管道泄漏检测定位的实验研究甚少，一方面已有的实验台也多是针对液体进行实验，实验较粗糙，模拟泄漏过程与实际过程偏差较大。另一方面已有实验台多为结构简单的直管道实验台，通过阀门或管道上直接开孔的形式来模拟泄漏过程，此类模拟管道无法模拟复杂管道运行工况，另外由于数据采集系统不够完善，对模拟管道突发泄漏状况的测定，误差较大。因此，通过研发一套模拟燃气管道泄漏检测定位的实验装置可弥补当前国内在城镇燃气管道泄漏检测方面研究的不足，对推动燃气管道安全检查技术发展具有实际价值和科学创新性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台，其能够模拟多种管道不同泄漏工况，数据采集系统完善，对管道泄漏位置定位准确，为燃气管道泄漏检测定位提供可靠实验研究。
本发明技术方案如下：
一种基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台，其关键在于：包括模拟燃气输送管网、模拟泄漏装置、介质输送装置、声压信号检测装置；
所述模拟燃气输送管网由三根不同直径的模拟管道组网构成，模拟管道Ⅰ与模拟管道Ⅱ位于同一垂直面，模拟管道Ⅱ和模拟管道Ⅲ位于同一水平面，且三根模拟管道整体呈3％的坡度；
所述模拟泄漏装置为在模拟管道壁上开设泄漏孔，泄漏孔上安装有比例阀和流量计，通过比例阀控制模拟固定泄漏量，每条模拟管道上均设有两个模拟泄漏装置，沿模拟管道介质传输方向依次为第一模拟泄漏装置、第二模拟泄漏装置；
所述介质输送装置包括模拟燃气输送管网、压力调节阀、能介系统、模拟管道入口阀、模拟管道出口阀；每条模拟管道入口均设有模拟管道入口阀，出口均设有模拟管道出口阀；所述能介系统输出端与所述压力调节阀入口端相连，所述压力调节阀出口端与模拟燃气输送管网入口相连，所述能介系统通过压力调节阀向模拟燃气输送管网输送介质并控制模拟燃气输送管网压力等级；
所述声压信号检测装置包括压力表、温度传感器、压力传感器、压差传感器、声波传感器、高精度动态信号数据采集卡、通用模拟信号数据采集卡、计算机；所述每根模拟管道在第一模拟泄漏装置的上游端沿介质传输方向依次设有压力表、温度传感器、压力传感器、压差传感器、声波传感器，在两个模拟泄漏装置之间设有两个声波传感器，在第二模拟泄漏装置的下游端沿管道介质传输方向依次设有声波传感器、压差传感器、压力传感器、温度传感器、压力表；所述声波传感器的输出端与高精度动态信号数据采集卡的输入端相连，高精度动态信号数据采集卡的输出端与计算机相连；所述温度传感器、压力传感器和压差传感器输出端与通用模拟信号数据采集卡输入端相连，所述通用模拟信号数据采集卡输出端与计算机相连；数据采集卡能够采集声波传感器、压力传感器、压差传感器、温度传感器的信号并将信号传输至计算机进行分析。
通过上述技术方案可知，本发明运用目前燃气管道检测技术发展的最新理论和研究成果，基于压力和声波信号交互识别的泄漏判断方法设计了一套能够实现对燃气管道运行参数采集和泄漏检测定位的模拟实验平台。
在模拟燃气输送管网的每条模拟管道上设置两个模拟泄漏装置，管道泄漏过程分别通过比例阀和流量计的组合方式模拟，其中比例阀通过控制开度模拟泄漏大小，流量计计量泄漏量。可以根据需要，通过开闭不同模拟管道上的模拟管道入口阀和模拟管道出口阀，可选做一根长直管道的实验，也可同时做由两根管道或三根管道组成的管网系统的实验。一方面可以模拟不同管径的长直管道和复杂环形管网的泄漏工况的实验研究，另一方面可以通过控制比例阀的开度来模拟微小孔、小孔泄漏等不同等级泄漏量的泄漏工况的试验研究。
每条模拟管道上的声波传感器、压差传感器、压力传感器、温度传感器分别检测泄漏产生的声波信号、压差信号、压力信号、温度信号，通过高精度动态信号数据采集卡和通用模拟信号数据采集卡采集每条模拟管道的声波信号、压差信号、压力信号、温度信号。采集到的声波信号、压差信号、、压力信号、温度信号传递给计算机上进行数据分析处理，计算出管道泄漏位置。
燃气管道泄漏检测与定位的基本原理：在管道泄漏发生瞬间，产生一个声波信号，由于泄漏处会引起压力骤降，形成一个压力信号。压力信号出现瞬时压力降，而声波信号出现声强的瞬间提升，两种信号的一升一降成为管道泄漏发生的显著特征，可通过安装在管道两端的声波传感器和压力传感器等捕捉信号实现泄漏的实时性检测；在泄漏发生后的持续时间之内，压力信号形成周期性波动，而声强信号一直保持很高的水平，则可实现泄漏的持续性检测。同时，由于管道泄漏引起的负压波、声波等特征信号在不同介质中传播的速度不同，可根据测得的不同信号的时间差，实现两种信号之间的信息耦合来确定泄漏的定位。
优选地，模拟管道Ⅱ和模拟管道Ⅲ的入口的公共端管路上设有公共端入口阀，模拟管道Ⅱ和模拟管道Ⅲ的出口的公共端管路上设有公共端出口阀。
这样更加方便通过阀门控制选做一条模拟管道实验，两条模拟管道实验或三条模拟管道实验，便于实验操作。
优选地，所述模拟燃气输送管网出口采用盲板密封，管网出口低端处还设有排污支路，支路上设有排污阀，可实现对管道的吹扫排污。实验结束后，管道内的介质从排污阀排出。
优选地，所述模拟燃气输送管网高端设有安全放空阀用于管网超压保护和介质放空。
优选地，所述模拟管道Ⅰ、模拟管道Ⅱ、模拟管道Ⅲ的尺寸分别为DN50、DN100、DN150。
优选地，所述能介系统包括依次相连的空压机、止回阀、第一球阀、第二球阀、涡街流量计、第三球阀；在所述第二球阀处并联有干燥管路，该干燥管路包括依次相连的第四球阀、干燥器、第五球阀。
这样能介系统向模拟燃气输送管网通入干燥的压缩空气模拟天然气，与实际工况更加接近。
本发明的有益效果：
1、基于压力和声波信号交互识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台,通过两种数据采集卡采集多种传感器的数据,将采集的数据通过输入计算机信号处理系统,在计算机中实现基于压力波和声波信号交互识别的管道泄漏检测定位,采用软硬件相结合，能够有效降低误报率和漏报率,提高定位精度。
2、目前主要的管道泄漏检测实验系统一方面仅限于能检测到孔径比10％～20％以上的突发性泄漏，对微小缓慢的泄漏，无法实施定位。另一方面已有实验系统多为通过阀门或管道上直接开孔的形式来模拟泄漏过程。而本实验平台可以通过控制泄漏量模拟微小孔泄漏、小孔泄漏等不同泄漏量的泄漏工况的实验研究。
3、能够在燃气管道泄漏检测与定位实验中实现模拟多种泄漏工况条件下的实验，包括不同的管道流量、不同的压力等级、不同管径的管道、不同泄漏量等对泄漏声压信号检测效果的影响。
4、国内外针对燃气泄漏检测的实验系统多为结构简单的直管道实验台，此类实验管道一方面无法模拟复杂管道运行工况，另一方面由于数据采集系统不够完善，对管道突发泄漏状况的测定，误差较大。本实验平台不仅可以模拟直管道运行情况，而且可以模拟复杂环形管路运行情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为具体实施方式中本发明的结构示意图；
图2为图1中能介系统的结构示意图；
图3为管道泄漏检测与定位原理图；
附图中：1-能介系统；2-压力控制阀；3-模拟管道入口阀；4-法兰；5-压力表；6-温度传感器；7-压力传感器；8-压差传感器；9-声波传感器；10-模拟泄漏装置；10a-比例阀；10b-流量计；10c-泄漏孔；11-公共端入口阀；12-安全放空阀；13-排污阀；14-盲板；15-通用数据采集卡；16-高精度动态信号数据采集卡；17-计算机；18-空压机；19-截止阀；20-第一球阀；21-第二球阀；22-涡街流量计；23-第三球阀；24-第四球阀；25-第五球阀；26-干燥器；27-模拟管道出口阀；28-公共端出口阀；29-输送管网。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
在本实施例中，术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”“上端”“下端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示的一种基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台，包括模拟燃气输送管网、模拟泄漏装置、介质输送装置、声压信号检测装置。
所述模拟燃气输送管网29由三根不同直径的模拟管道组网构成，模拟管道Ⅰ与模拟管道Ⅱ位于同一垂直面，模拟管道Ⅱ和模拟管道Ⅲ位于同一水平面，三根模拟管道整体呈3％的坡度，每条模拟管道可通过法兰4根据具体情况加长。
所述模拟泄漏装置10为在模拟管道壁上开设泄漏孔10c，泄漏孔上安装有比例阀10a和流量计10b，通过比例阀控制模拟固定泄漏量，每条模拟管道上均设有两个模拟泄漏装置，沿模拟管道介质方向依次为第一模拟泄漏装置、第二模拟泄漏装置。
所述介质输送装置包括模拟燃气输送管网29、压力调节阀2、能介系统1、模拟管道入口阀3、模拟管道出口阀27；每条模拟管道入口均设有模拟管道入口阀3，出口均设有模拟管道出口阀27；所述能介系统1输出端与所述压力调节阀2入口端相连，所述压力调节阀2出口端与模拟燃气输送管网29入口相连，所述能介系统1通过压力调节阀2向模拟燃气输送管网29输送介质并控制模拟燃气输送管网29的压力等级。
所述声压信号检测装置包括压力表5、温度传感器6、压力传感器7、压差传感器8、声波传感器9、高精度动态信号数据采集卡15、通用模拟信号数据采集卡16、计算机17；所述每根模拟管道在第一模拟泄漏装置的上游端沿介质传输方向依次设有压力表5、温度传感器6、压力传感器7、压差传感器8、声波传感器9，在两个模拟泄漏装置之间设有两个声波传感器9，在第二模拟泄漏装置的下游端沿管道介质传输方向依次设有声波传感器9、压差传感器8、压力传感器7、温度传感器6、压力表5；所述声波传感器9的输出端与高精度动态信号数据采集卡15的输入端相连，高精度动态信号数据采集卡的输出端与计算机17相连；所述温度传感器6、压力传感器7和压差传感器8输出端与通用模拟信号数据采集卡16输入端相连，所述通用模拟信号数据采集卡16输出端与计算机17相连。两种数据采集卡能够采集声波传感器、压力传感器、压差传感器、温度传感器的信号并将信号传输至计算机17进行分析。
在模拟燃气输送管网29的每条模拟管道上设置两个模拟泄漏装置10，管道泄漏过程分别通过比例阀和流量计的组合方式模拟，其中比例阀10a控制泄漏孔10c的开度，流量计10b计量泄漏量。可以根据需要，通过开闭不同模拟管道上的模拟管道入口阀3和模拟管道出口阀27，可选做一根长直管道的实验，也可同时做两根管道或三根管道组成的管网系统的实验。一方面可以模拟不同管径的长直管道和复杂环形管网的泄漏工况的实验研究，另一方面可以通过控制比例阀的开度来模拟微小孔、小孔泄漏等不同等级泄漏量的泄漏工况的试验研究。
每条模拟管道上的声波传感器、压差传感器、压力传感器、温度传感器分别检测泄漏产生的声波信号、压差信号、压力信号、温度信号。通过高精度动态信号数据采集卡和通用模拟信号数据采集卡采集每条模拟管道的声波信号、压差信号、压力信号、温度信号。采集到的声波信号、压差信号、压力信号、温度信号传递给计算机上进行数据分析处理，计算出管道泄漏位置。
燃气管道泄漏检测与定位的基本原理如下：在管道泄漏发生瞬间，产生一个声波信号，由于泄漏处会引起压力骤降，形成一个压力信号。压力信号出现瞬时压力降，而声波信号出现声强的瞬间提升，两种信号的一升一降成为管道泄漏发生的显著特征，可通过安装在管道两端的声波传感器和压力传感器等捕捉信号实现泄漏的实时性检测；在泄漏发生后的持续时间之内，压力信号形成周期性波动，而声强信号一直保持很高的水平，则可实现泄漏的持续性检测。同时，由于管道泄漏引起的负压波、声波等特征信号在不同介质中传播的速度不同，可根据测得的不同信号的时间差，实现两种信号之间的信息耦合来确定泄漏的定位。
优选地，模拟管道Ⅱ和模拟管道Ⅲ的入口的公共端管路上设有公共端入口阀11，模拟管道Ⅱ和模拟管道Ⅲ的出口的公共端管路上设有公共端出口阀28。这样更加方便通过阀门控制选一条模拟管道直管道的实验，两条模拟管道实验或三条模拟管道组成的管网系统实验，便于实验操作。
优选地，所述模拟燃气输送管网29出口采用盲板14密封，管网出口低端处还设有排污支路，支路上设有排污阀13，可实现对管道的吹扫排污。实验结束后，管道内的介质从排污阀排出。
优选地，所述模拟燃气输送管网29高端设有安全放空阀12用于管网超压保护和介质放空。
优选地，所述模拟管道Ⅰ、模拟管道Ⅱ、模拟管道Ⅲ的尺寸分别为DN50、DN100、DN150。
优选地，如图2所示，所述能介系统1包括依次相连的空压机18、止回阀19、第一球阀20、第二球阀21、涡街流量计22、第三球阀23；在所述第二球阀21处并联有干燥管路，该干燥管路包括依次相连的第四球阀24、干燥器26、第五球阀25。这样能介系统向模拟燃气输送管网通入干燥的压缩空气模拟天然气与实际工况更加接近。
本发明所述的实验平台适用压力≤1.2MPa，该实验平台工作时，由空压机18压缩空气，输入干燥器26干燥气体，然后输入模拟燃气输送管网29，为实验模拟系统提供实验介质，通过控制模拟燃气输送管网29和每条模拟管道上的各类控制阀，使空气介质分别进入不同管径的泄漏模拟管道。通过控制三条模拟管道上的比例阀10a控制泄漏孔10b的开度，模拟微小孔、小孔泄漏等不同等级泄漏量的泄漏工况的试验研究。
在模拟管道泄漏发生瞬间，产生一个声波信号，由于泄漏处会引起压力骤降，形成一个压力信号。压力信号出现瞬时压力降，而声波信号出现声强的瞬间提升，两种信号的一升一降成为管道泄漏发生的显著特征，可通过安装在管道两端的声波传感器和压力传感器等捕捉信号实现泄漏的实时性检测；在泄漏发生后的持续时间之内，压力信号形成周期性波动，而声强信号一直保持很高的水平，则可实现泄漏的持续性检测。同时，由于管道泄漏引起的负压波、声波等特征信号在不同介质中传播的速度不同，可根据测得的不同信号的时间差，实现两种信号之间的信息耦合来确定泄漏的定位。
如图3所示上下游A、B站间管道长度为L(m)；泄漏点距上游A点的距离为x(m)；管道传输介质中负压波的传播速度为v(m/s)；上下游传感器接收到负压波的时间分别为t1，t2(s)。则有：
Figure BDA0001499397490000101
整理得：
Figure BDA0001499397490000102
X即所求定位距离。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台，其特征在于：包括模拟燃气输送管网、模拟泄漏装置、介质输送装置、声压信号检测装置；
所述模拟燃气输送管网由三根不同直径的模拟管道组网构成，模拟管道Ⅰ与模拟管道Ⅱ位于同一垂直面，模拟管道Ⅱ和模拟管道Ⅲ位于同一水平面，且三根管道整体呈3％的坡度；
所述模拟泄漏装置为在模拟管道壁上开设泄漏孔，泄漏孔上安装有比例阀和流量计，通过比例阀控制模拟固定泄漏量，每条模拟管道上均设有两个模拟泄漏装置，沿模拟管道介质传输方向依次为第一模拟泄漏装置、第二模拟泄漏装置；
所述介质输送装置包括模拟燃气输送管网、压力调节阀、能介系统、模拟管道入口阀、模拟管道出口阀；每条模拟管道入口均设有模拟管道入口阀，出口均设有模拟管道出口阀；所述能介系统输出端与所述压力调节阀入口端相连，所述压力调节阀出口端与模拟燃气输送管网入口相连，所述能介系统通过压力调节阀向模拟燃气输送管网输送介质并控制模拟燃气输送管网压力等级；
所述声压信号检测装置包括压力表、温度传感器、压力传感器、压差传感器、声波传感器、高精度动态信号数据采集卡、通用模拟信号数据采集卡、计算机；所述每条模拟管道在第一模拟泄漏装置的上游端沿介质传输方向依次设有压力表、温度传感器、压力传感器、压差传感器、声波传感器，在两个模拟泄漏装置之间设有两个声波传感器，在第二模拟泄漏装置的下游端沿管道介质传输方向依次设有声波传感器、压差传感器、压力传感器、温度传感器、压力表；所述声波传感器的输出端与高精度动态信号数据采集卡的输入端相连，高精度动态信号数据采集卡的输出端与计算机相连，所述温度传感器、压力传感器和压差传感器输出端与通用模拟信号数据采集卡输入端相连，所述通用模拟信号数据采集卡输出端与计算机相连；数据采集卡能够采集声波传感器、压力传感器、压差传感器、温度传感器的信号并将信号传输至计算机进行分析。
2.根据权利要求1所述的基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台，其特征在于：模拟管道Ⅱ和模拟管道Ⅲ的入口的公共端管路上设有公共端入口阀，模拟管道Ⅱ和模拟管道Ⅲ的出口的公共端管路上设有公共端出口阀。
3.根据权利要求1所述的基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台，其特征在于：所述模拟燃气输送管网出口采用盲板密封，管网出口低端处还设有排污支路，支路上设有排污阀，可实现对管道的吹扫排污。
4.根据权利要求1所述的基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台，其特征在于：所述模拟燃气输送管网高端设有安全放空阀用于管网超压保护和介质放空。
5.根据权利要求1所述的基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台，其特征在于：所述模拟管道Ⅰ、模拟管道Ⅱ、模拟管道Ⅲ的尺寸分别为DN50、DN100、DN150。
6.根据权利要求1所述的基于声压信号识别的燃气管道泄漏检测定位实验平台，其特征在于：所述能介系统包括依次相连的空压机、止回阀、第一球阀、第二球阀、涡街流量计、第三球阀；在所述第二球阀处并联有干燥管路，该干燥管路包括依次相连的第四球阀、干燥器、第五球阀。
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