FR2626974A1

FR2626974A1 - Method and device for detecting leaks in fluid pipelines

Info

Publication number: FR2626974A1
Application number: FR8801493A
Authority: FR
Inventors: Bernard Dautriche; Louis-Marie Pons
Original assignee: DEGREANE ETS; EAUX CIE GLE; ILE DE FRANCE SYNDICAT EAUX
Current assignee: DEGREANE ETS; EAUX CIE GLE; ILE DE FRANCE SYNDICAT EAUX
Priority date: 1988-02-09
Filing date: 1988-02-09
Publication date: 1989-08-11
Anticipated expiration: 2008-02-09
Also published as: FR2626974B1

Abstract

The invention relates to a method and a device for detecting leaks in fluid pipelines. The method is characterised in that a noise sensor is permanently placed at each end of the pipeline section to be monitored, the cross-correlation of the noise picked up respectively by the two sensors is periodically calculated, and the existence of a possible leak is deduced from the presence of a peak appearing during the cross-corelation calculation. Application to detecting and locating leaks in buried water supply pipelines.

Description

La présente invention concerne un procédé pour la détection des fuites sur les canalisations de fluides et, plus particulièrement, sur les canalisations enterrées d'alimentation en eau. The present invention relates to a method for detecting leaks on fluid lines and, more particularly, on buried water supply lines.

Les spécialistes en la matière savent que de telles canalisations ne sont pas toujours étanches et que, contrairement à ce que l'on pourrait penser, les fuites qui les affectent posent un réel problème. En effet, s'il est exact que le produit véhiculé, c'est-s-dire l'eau, est d'un cout très faible, et que, d'autre part, les fuites d'eau ne présentent un danger que dans les cas extrêmes, il ne faut pas oublier que dans une ville comme Paris, par exemple, où les canalisations sont parfois vétustes, les pertes dues à ces fuites représentent un pourcentage important de la consommation totale.Ceci grève le budget de la collectivité d'une manière qui n'est nullement négligeable, à cause, en particulier, des installations de traitement et de surveillance de la qualité de l'eau qu'il faut construire et faire fonctionner du fait du volume perdu par les fuites. Experts in the field know that such pipes are not always sealed and that, contrary to what one might think, the leaks that affect them pose a real problem. Indeed, if it is true that the product conveyed, that is to say water, is of a very low cost, and that, on the other hand, the leakage of water presents a danger only in extreme cases, we must not forget that in a city like Paris, for example, where the pipelines are sometimes dilapidated, the losses due to these leaks represent a significant percentage of the total consumption. in a way that is not negligible, because, in particular, water treatment and monitoring facilities that must be built and operate because of the volume lost by leaks.

D'autre part, on connaît divers procédés de détection de telles fuites, mais ils supposent tous la présence sur le site d'un opérateur, ce qui grève d'autant le coût de la détection. On the other hand, various methods of detecting such leaks are known, but all of them assume the presence on the site of an operator, which strikes all the cost of the detection.

En conséquence, la présente invention se propose de fournir un procédé et un dispositif permettant de réaliser la détection des fuites sur de telles canalisations de manière entièrement automatique, cette détection devant etre fiable et sa mise en oeuvre relativement peu coûteuse. Accordingly, the present invention proposes to provide a method and a device for performing the detection of leaks on such pipes fully automatically, this detection must be reliable and its implementation relatively inexpensive.

Selon la présente invention, ces buts, et d'autres qui apparaitront par la suite, sont atteints gracie à un procédé de détection des fuites qui est caractérisé par le fait que l'on place en permanence un capteur de bruits à chaque extrémité du tronçon de canalisation à surveiller, que l'on calcule périodiquement l'intercorrélation des bruits acquis respectivement par les deux capteurs, et que l'on déduit l'existence d'une fuite éventuelle de la présence d'un pic apparaissant lors de ce calcul d'intercorrè- lation. According to the present invention, these and other objects which will appear later are achieved by a leak detection method which is characterized by the fact that a noise sensor is permanently placed at each end of the section. of pipe to be monitored, that the intercorrelation of the noise acquired respectively by the two sensors is periodically calculated, and that the existence of a possible leakage of the presence of a peak occurring during this calculation of intercorrelation.

On comprend que la présence des capteurs en permapermanence sur la canalisation à surveiller permet d'envoyer les informations correspondantes à un centralisateur situé a distance et, par voie de conséquence, de rendre entièrement automatique le fonctionnement du dispositif de détection, ce qui évite de devoir faire appel a un opérateur mis & poste sur le site. It is understood that the presence of sensors in permapermanence on the pipe to be monitored makes it possible to send the corresponding information to a remote centralizer and, consequently, to make fully automatic the operation of the detection device, which avoids having to use an operator posted on the site.

Par ailleurs, en ce qui concerne ce traitement automatique, il faut rappeler qu'une fuite se comporte comme un bruiteur ponctuel, et elle émet un signal qui se propage le long de la conduite, de sorte que, sur le plan théorique, on a pu envisager de la détecter au moyen d'un tel signal recueilli par un capteur approprié. Malheureusement, le signal en question est un bruit complexe, d'une part, et, d'autres part, ses caractéristiques varient fortement en fonction de la forme de la fuite et de la nature physique et géométrique de la canalisation concernée En outre, un tel bruit est entaché d'autres bruits de très basse fréquence et de bruits parasites transitoires liés à l'environnement. Moreover, with regard to this automatic processing, it must be remembered that a leak behaves like a punctual buzzer, and it emits a signal that propagates along the pipe, so that, theoretically, we have It may have been possible to detect it by means of such a signal collected by a suitable sensor. Unfortunately, the signal in question is a complex noise, on the one hand, and, on the other hand, its characteristics vary greatly depending on the shape of the leak and the physical and geometrical nature of the pipe concerned. such noise is tainted by other very low frequency noises and transient interference noise related to the environment.

Pour expliquer ce qui précède, on considérera en regard de la figure la une canalisation C munie de deux capteurs de sons C1 et C2 qui sont par exemple des accéléromètres ou des hydrophones et qui font l'acquisition des bruits qu'ils reçoivent. To explain the foregoing, it will be considered with reference to FIG. 1 a duct C provided with two sound sensors C1 and C2 which are, for example, accelerometers or hydrophones and which acquire the noises they receive.

Si X est le milieu de la canalisation C, à égale distance entre les capteurs C1 et C2, et si une fuite est présente en F å une distance D de M, du côté du capteur C2, elle produit un bruit de fuite bF(t), bien entendu fonction du temps t. If X is the middle of the pipe C, equidistant between the sensors C1 and C2, and if a leak is present in F at a distance D of M, on the side of the sensor C2, it produces a leak noise bF (t ), of course depending on the time t.

Pour leur part, les capteurs C1 et C2 reçoivent, en tout état de cause, un bruit ambiant bAl(t) pour le premier et bA2(t > pour le second, de sorte que le bruit total bol (tu et bC2 < t) qu'ils reçoivent respectivement est la somme des bruits ambiants et du bruit de fuite. Il est-donc donné par les formules suivantes
bCl < t) = bAl(t) + bF(t - T1)
bC2(t > = bA2(t > + bF(t - T2).For their part, the sensors C1 and C2 receive, in any event, an ambient noise bAl (t) for the first and bA2 (t> for the second, so that the total noise bowl (tu and bC2 <t) that they receive respectively is the sum of the ambient noise and the leakage noise.It is therefore given by the following formulas
bCl <t) = bAl (t) + bF (t - T1)
bC2 (t> = bA2 (t> + bF (t - T2).

où T1 et T2 sont les temps nécessaires au bruit pour se propager du point de fuite F aux capteurs C1 et C2, respectivement, avec, bien évidemment
T1 - T2 = 2 x bt et
#t = D/Va, Vp étant la vitesse de propagation du bruit.where T1 and T2 are the times necessary for the noise to propagate from the point of leakage F to the sensors C1 and C2, respectively, with, obviously
T1 - T2 = 2 x bt and
#t = D / Va, Vp being the speed of propagation of the noise.

Les courbes correspondantes sont représentées pour un exemple typique sur la figure lb, et on peut les exploiter facilement gracie à un calculateur auquel on fournit la valeur des bruits bCl < t) et bC2(t) pour un certain nombre de points de mesure régulièrement espacés qui est par exemple de 512 points par courbe. The corresponding curves are shown for a typical example in Figure 1b, and can be easily exploited gracie a calculator which is provided the value of noise bCl <t) and bC2 (t) for a number of regularly spaced measuring points which is for example 512 points per curve.

Si l'on effectue alors un calcul d'intercorrélation sur ces 2 x 512 valeurs selon la formule bien connue reproduite en lc sur la figure 1, on obtient une courbe du genre de celle de la figure td sur laquelle la fuite au point F, à une distance D du point médian M, se traduit par un pic de corrélation P. Ceci permet la détection de la fuite, la position du pic P sur la courbe de la figure id permettant sa localisation. If a cross-correlation calculation is then performed on these 2 x 512 values according to the well-known formula reproduced in 1c in FIG. 1, a curve of the kind of FIG. at a distance D from the midpoint M, results in a correlation peak P. This allows the detection of the leak, the position of the peak P on the curve of the figure id allowing its location.

Les résultats fournis peuvent être améliorés par un certain nombre de dispositions qui vont être précisées maintenant, et, tout d'abord, il est avantageux d'éliminer les bruits en très basse fréquence par un filtrage passehaut et d'éliminer les bruits parasites par un moyennage qui est réalisé après le calcul de l'intercorrélation. The results provided can be improved by a number of provisions which will be specified now, and, firstly, it is advantageous to eliminate very low frequency noise by high-pass filtering and to eliminate unwanted noise by averaging which is performed after the calculation of the intercorrelation.

De cette manière, le bruit en très basse fréquence, ainsi que les dérives de niveau continu apportées éventuellement par l'électronique de transmission, sont éliminés par le filtre passe-haut qui peut présenter une fréquence de coupure de quelques dizaines de Hertz, et, par exemple, de 30 Hz, cependant que les bruits parasites qui peuvent provoquer sur une acquisition des apparitions de pics de corrélation parasites, sont éliminés par moyennage sur plusieurs acquisitions, ce qui est possible grace au fait qu'a l'inverse du pic de corrélation du bruit de fuite, de tels pics parasites apparaissent de manière aléatoire sur les diverses acquisitions. In this way, the noise at very low frequency, as well as the drifts of continuous level brought eventually by the transmission electronics, are eliminated by the high-pass filter which can have a cut-off frequency of a few tens of Hertz, and, for example, of 30 Hz, whereas the spurious noises which can cause on an acquisition appearances of spurious correlation peaks, are eliminated by averaging on several acquisitions, which is possible thanks to the fact that the opposite of the peak of correlation of leak noise, such spurious peaks appear randomly on the various acquisitions.

Il s'agit ensuite de réaliser un échantillonnage du signal de fuite qui peut se situer dans une bande de fréquences assez étendue qui dépend du fluide et du type de conduite. Par exemple, pour une conduite d'eau, la largeur de spectre du bruit de fuite peut être de l'ordre de 100
Hertz, la fréquence centrale étant comprise entre 50 et 2.000 Hertz environ.It is then necessary to perform a sampling of the leakage signal which can be in a fairly wide frequency band that depends on the fluid and the type of pipe. For example, for a water pipe, the spectrum of noise leakage may be of the order of 100
Hertz, the central frequency being between 50 and 2,000 Hertz approximately.

En outre, on ne connaît pas a priori la position du spectre dans la largeur de bande possible, et le traitement numérique du signal impose le respect du théorème de
Shannon, et donc une fréquence d'échantillonnage supérieure ou égale à deux fois la fréquence maximale du signal à traiter.Furthermore, it is not known a priori the position of the spectrum in the possible bandwidth, and the digital signal processing imposes compliance with the theorem of
Shannon, and therefore a sampling frequency greater than or equal to twice the maximum frequency of the signal to be processed.

Cette contrainte implique une fréquence d'échantillonnage supérieure ou égale à 4.000 Hertz dans le cas de l'exemple précédent, et elle pose de gros problèmes dans le cas d'une détection automatique des fuites. Elle oblige & un choix entre diverses solutions possibles, parmi lesquelles on peut citer la fixation arbitraire de la fréquence d'échantillonnage, ce qui privilégie certaines fréquences aux dépens des autres, le choix d'une fréquence trop élevée pouvant entraîner la perte d'un bruit situé en bas de bande. This constraint implies a sampling frequency greater than or equal to 4,000 Hertz in the case of the previous example, and it poses great problems in the case of an automatic detection of leaks. It requires a choice between various possible solutions, among which we can cite the arbitrary setting of the sampling frequency, which favors certain frequencies at the expense of others, the choice of too high a frequency that can lead to the loss of a certain frequency. noise located at the bottom of the band.

Il est également possible de traiter par tranches l'étendue totale des spectres possibles, ce qui demande beaucoup de temps de calcul et peut entraîner une consommation d'énergie incompatible avec l'autonomie des postes de détection. It is also possible to process in slices the total range of the possible spectra, which requires a lot of computing time and can lead to a consumption of energy incompatible with the autonomy of the detection stations.

Dans tous les cas, on est conduit à sous-optimiser le traitement par rapport & la bande réellement utile du signal basse fréquence qui demande une fréquence d'échantillonnage égale au double de la largeur de spectre du bruit de fuite. In all cases, it is necessary to under-optimize the processing with respect to the really useful band of the low frequency signal which requires a sampling frequency equal to twice the spectrum width of the leak noise.

Selon un mode de réalisation avantageux de la pre- sente invention, au contraire, on sous-échantillonne les signaux acquis par les capteurs par une fréquence fixe comprise entre 100 et 300 Hertz environ. According to an advantageous embodiment of the present invention, on the contrary, the signals acquired by the sensors are sub-sampled by a fixed frequency of between approximately 100 and 300 Hertz.

Cette solution offre l'avantage que l'on supprime la fréquence centrale qui n'apporte aucune information sur la présence de la fuite. En revanche, toutes les composantes du signal reçu, et donc celles créées par la fuite, se retrouvent après le traitement, quelle que soit la position spectrale initiale du niveau de fuite. This solution offers the advantage of eliminating the central frequency which provides no information on the presence of the leak. On the other hand, all the components of the received signal, and therefore those created by the leak, are found after the treatment, regardless of the initial spectral position of the leakage level.

Il est & noter que ce traitement dégrade normalement une information, car il détruit l'organisation spectrale des raies initiales et il superpose au signal tous les signaux présents dans la bande totale surveillée. It should be noted that this processing normally degrades information because it destroys the spectral organization of the initial lines and superimposes on the signal all the signals present in the total monitored band.

Toutefois, comme le signal étudié est un bruit dans le cas présent, on ne s'intéresse pas à l'organisation spectrale des raies. However, since the signal studied is a noise in the present case, we are not interested in the spectral organization of the lines.

En outre, le traitement effectué est un traitement différentiel entre deux voies, de sorte que le sous-échantillonnage qui modifie l'information utile de manière identique sur les deux voies ne perturbe pas le traitement d'intercorrélation. Par ailleurs, les bruits superposés au signal sont éliminés par le moyennage des fonctions d'intercorrélation. In addition, the processing performed is a differential processing between two channels, so that sub-sampling which modifies the useful information identically on both channels does not disturb the cross-correlation processing. In addition, the noise superimposed on the signal is eliminated by averaging the intercorrelation functions.

En ce qui concerne maintenant le calcul de l'intercorrélation entre les signaux reçus par les deux capteurs, on utilise avantageusement, selon l'invention, des circuits de traitement du signal numérique fonctionnant avec un algorithme de calcul rapide des transformées de Fourier et, en particulier, avec un algorithme appe-lé F.F.T. (Fast
Fourier Transforni), afin de réduire au minimum les temps de calcul. With regard now to the calculation of the cross-correlation between the signals received by the two sensors, it is advantageous to use, according to the invention, digital signal processing circuits operating with a fast Fourier transform calculation algorithm and, in particular, particular, with an algorithm called FFT (Fast
Fourier Transforni), in order to minimize calculation times.

De préférence, on effectue le calcul de corrélation en fractionnant par tiers la largeur de bande réduite correspondant à la moitié de la fréquence d'échantillonnage. Preferably, the correlation calculation is performed by splitting by one-third the reduced bandwidth corresponding to half the sampling frequency.

Ainsi, pour une conduite d'eau pour laquelle on a choisi une fréquence d'échantillonnage égale à 200 Hertz, un premier calcul se fera, en passant à l'algorithme F.F.T. Thus, for a water pipe for which a sampling frequency equal to 200 Hertz has been chosen, a first calculation will be made, by switching to the F.F.T.

précité, entre 0 et 100 Hz, un deuxième entre 50 et 150 Hz, et un troisième entre 100 et 200 Hz.above, between 0 and 100 Hz, a second between 50 and 150 Hz, and a third between 100 and 200 Hz.

Selon un mode de réalisation préféré, et après cumul des fonctions d'intercorrélation, on procède & une recherche de maximum, on établit un niveau de référence en divisant le maximum obtenu par une valeur prédéterminée, puis on enlève la zone environnant le maximum, on recherche le nombre de dépassements par rapport au nouveau niveau de référence, et on déclenche l'alarme de détection s'il n'y a aucun dépassement de ce niveau. According to a preferred embodiment, and after cumulation of the intercorrelation functions, a maximum search is carried out, a reference level is established by dividing the maximum obtained by a predetermined value, then the surrounding area is removed from the maximum, searches for the number of exceedances from the new reference level, and the detection alarm is triggered if there is no exceedance of this level.

La figure 2 fait bien comprendre cette étape du procédé selon l'invention. Un maximum M apparaissant (figure 2a), on établit un niveau de référence N/k en divisant le niveau maximum M par un coefficient k convenablement choisi, et on supprime la fenêtre F qui entoure le maximum M. Si alors d'autres pics apparaissent qui dépassent la valeur M/k (figure 2b), on ne déclenche pas l'alarme de détection de fuite, alors que, dans le cas contraire (figure 2a), on se trouve en présence d'un pic de corrélation, et l'alarme de détection de fuite peut être mise en route. FIG. 2 clearly explains this step of the method according to the invention. With a maximum M appearing (FIG. 2a), establishing a reference level N / k by dividing the maximum level M by a coefficient k suitably chosen, and deleting the window F surrounding the maximum M. If then other peaks appear which exceed the M / k value (FIG. 2b), the leak detection alarm is not triggered, whereas, in the opposite case (FIG. 2a), there is a correlation peak, and Leak detection alarm can be started.

La présente invention concerne également un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être décrit'. Ce dispositif est représenté de manière schématique sur le diagramme de la figure 3. The present invention also relates to a device for carrying out the process just described. This device is shown schematically in the diagram of FIG.

Comme on le voit sur cette figure, il comprend deux capteurs de bruit 1 et 2 qui sont placés à chaque extrémité du tronçon de canalisation C à surveiller, qui peuvent être des accéléromètres ou des hydrophones et qui transmettent leurs informations analogiques à des amplificateurs 3 et 4, respectivement. Ces derniers transmettent ces informations analogiques amplifiées à une unité de traitement 5 comprenant des interfaces d'entrée 6, des circuits 7 de conversion analogique-numérique et de stockage des résultats obtenus sous forme d'historique, et un processeur de traitement numérique 8 effectuant le traitement de corrélation. As seen in this figure, it comprises two noise sensors 1 and 2 which are placed at each end of the pipe section C to be monitored, which may be accelerometers or hydrophones and which transmit their analog information to amplifiers 3 and 4, respectively. The latter transmit this amplified analog information to a processing unit 5 comprising input interfaces 6, analog-to-digital conversion circuits 7 and storage of the results obtained in the form of a history, and a digital processing processor 8 performing the same. correlation processing.

Les filtres passe-haut de quelques dizaines de
Hertz dont il a été question plus haut et qui servent A éliminer les bruits en très basse fréquence sont contenus dans les interfaces d'entrée 6, et le dispositif est complété par une interface de transmission 9 qui utilise le réseau téléphonique ou une voie radio et qui comprend des moyens pour acheminer des alarmes vers un centralisateur situé & distance, ce qui est schématisé par la flèche 10.The high-pass filters of a few dozen
Hertz mentioned above and which serve to eliminate the very low frequency noise are contained in the input interfaces 6, and the device is completed by a transmission interface 9 which uses the telephone network or a radio channel and which comprises means for conveying alarms to a remote centralizer, which is shown schematically by the arrow 10.

On notera enfin que le processeur de traitement est activé à chaque mesure de détection, cette activation pouvant être déclenchée par un circuit d'horloge externe. Finally, it should be noted that the processing processor is activated for each detection measurement, this activation being triggered by an external clock circuit.

Claims

- Claims

A method for the detection of leaks in fluid conduits, characterized in that a noise sensor is permanently placed at each end of the pipe section to be monitored, and the noise cross-correlation is periodically calculated. acquired respectively by the two sensors, and that it is deduced the existence of a possible leakage of the presence of a peak occurring during this calcu-l intercorrelation.

2. Method according to claim 1, characterized in that one uses, for intercorrelation calculations, digital signal processing circuits.

3. Method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the signals acquired by the sensors are sub-sampled by a frequency fi # e between 100 and 300 Hertz approximately, avoiding any anti-refiltering filter. in front of the digital analog converters.

4. Method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the correlation calculation is performed by splitting the reduced bandwidth corresponding to half the sampling frequency.

5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the noise is eliminated very low frequency by high-pass filtering a few tens of Hertz.

6. Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the noise is removed by averaging after calculating the cross-correlation.

7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that after cumulation of intercorrelation functions, a maximum search is carried out, a reference level is established by dividing the maximum obtained by a value. predetermined, then the area surrounding the maximum is removed, the number of

compared to the new reference level, and

triggers the detection alarm if there is no overshoot

from this level.

8. Device for implementing the method according to

any one of claims 1 to 7, characterized by

the fact that it comprises two noise sensors (1 2) placed

permanently at each end of the pipe section

<C) to monitor, as well as amplifiers <3, 4) that

transmit the analog information of said sensors

<i, 2) to a processing unit (5), the latter comprises

input interfaces <6) receiving the signals

analog signals from said sensors (1, 2), circuits

analog-to-digital conversion <7>, and a

digital processing (8) performing the correlation processing

lation.

9. Device according to claim 8, characterized

by the fact that it further comprises a trans interface

mission (9) using the telephone network or a channel

radio, and which includes means for routing alarms

and / or information to a centralizer (10) located a

distance.

10. Device according to any one of the claims

8 and 9, characterized in that said milking unit 1 ment (5) further comprises means for storing under

history form the results obtained.