流體管道泄漏檢測定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種流體管道泄漏檢測定位方法，包括被測管道，其創(chuàng)新在于：所述被測管道上至少設置有兩個傳感裝置，兩個傳感裝置之間間隔一定距離，傳感裝置所在位置形成采集點，所述傳感裝置能夠同時對兩個方向上的管道聲振動進行感應，這兩個方向分別為管道軸向和管道徑向；當兩個采集點之間的被測管道上存在泄漏點時，根據(jù)如下公式對泄漏點進行定位：。本發(fā)明的有益技術效果是：定位準確性好，不需要知道管道的聲振動波速，處理復雜度低，而且可以實際測定管道的縱波和橫波聲速。
【專利說明】流體管道泄漏檢測定位方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種管道泄漏定位技術，尤其涉及一種流體管道泄漏檢測定位方法。

【背景技術】
[0002]在流體管道泄漏檢測定位中，相關峰值定位法是最常采用的方法，相關峰值定位法的具體操作是:在被測管道上設置若干個采集點，每個采集點處都設置有聲傳感器或振動傳感器，檢測過程中，對相鄰兩個傳感器的輸出信號進行互相關處理，如果兩個傳感器的輸出信號存在明顯的相關峰值，表明這兩個傳感器所在采集點之間的管道上存在泄漏點，相關峰值所在位置就是泄漏點處聲振動信號傳播到兩采集點位置處的時間延遲，然后結合兩采集點之間的距離和泄漏點處的聲振動在管道中的傳播速度來確定泄漏點的位置。
[0003]相關定位法是一種基于延時估計的管道泄漏定位方法，從其處理過程中不難看出，該方法的實施是以聲振動信號在管道中的傳播速度已知為先決條件的，但是在工程實際中，由于受管道材質、尺寸、埋設條件、環(huán)境變化等因素的影響，導致不同管道中的聲振動信號傳播速度各不相同，甚至是同一管道上的不同區(qū)段，聲振動信號的傳播速度也存在差另IJ，這無疑增加了問題的復雜性，現(xiàn)有技術為了簡化這一問題，通常采用聲速理論值或者估計值來代替實際聲速，這就與實際聲速相差較多，存在較大的原理誤差，并且由誤差所帶來的定位準確性會隨著管道長度的增加而大幅下降，導致相關定位法難以應用于大長度管道的監(jiān)測。
[0004]針對前述問題，本領域技術人員也進行了研究，并提出了一些替代方案，如楊進等人提出的通過盲系統(tǒng)辨識方法來估計泄漏聲信號在管道中傳輸?shù)慕^對時間，該方法可以在泄漏信號聲速未知的情況下對流體管道進行泄漏定位，并且可以計算出管道的實際聲速值，但是該方法算法復雜，運算量大，且要求采集的信號應具有較高的信噪比才能進行分析，其適用的檢測距離相對較短(J.Yang, Y.Wen andP.Li，Leak locat1n using blind system identificat1n in water distribut1npipelines,Journal of Sound and Vibrat1n 310(2008) 134-148.J.Yang, Y.Wen andP.Li，The genetic-algorithm-enhanced blind system identificat1n for waterdistribut1n pipeline leak detect1n, Measurement Science and Technology18(2007)2178-2184.)。


【發(fā)明內容】

[0005]針對【背景技術】中的問題，本發(fā)明提出了 1、一種流體管道泄漏檢測定位方法，包括被測管道，其創(chuàng)新在于:所述被測管道上至少設置有兩個傳感裝置，兩個傳感裝置之間間隔一定距離，傳感裝置所在位置形成采集點，所述傳感裝置能夠同時對兩個方向上的管道聲振動進行感應，這兩個方向分別為管道軸向和管道徑向；當兩個采集點之間的被測管道上存在泄漏點時，根據(jù)如下方法對泄漏點進行定位:
[0006]設兩個采集點分別為采集點I和采集點2，兩個采集點之間的距離記為L，采集點I與泄漏點之間的距離記為I1，采集點2與泄漏點之間的距離記為I2，縱波信號在被測管道上的傳播速度記為 '，橫波信號在被測管道上的傳播速度記為Vt ;所述傳感裝置的輸出量中包含了徑向聲振動信號和軸向聲振動信號，對應米集點I的徑向聲振動信號和軸向聲振動信號的互相關函數(shù)在時延零點以外的峰值最大值的時延值記為τ i，對應采集點2的徑向聲振動信號和軸向聲振動信號的互相關函數(shù)在時延零點以外的峰值最大值的時延值記為τ2，兩個采集點的軸向聲振動信號的互相關函數(shù)的峰值最大值的時延值記為τΠ2，兩個采集點的徑向聲振動信號的互相關函數(shù)的峰值最大值的時延值記為τΤ12 ;L為已知；
[0007]當τ U2古O、τ T12古O和τ ^ τ 2古O同時成立時,根據(jù)如下方法求解泄漏點位置:
[0008]用如下方程組對\、VT、I1和I2進行求解:
TIA2VL +,1-,2 =0
rrpKr +1 j —/’ = O
[0009]n- ' I 2
T1I1 = O
、/t+/2=i
[0010]求解出Vp VT、I1和I2后,根據(jù)I1和I2即可獲知泄漏點位置；
[0011]當τ U2 = O、τ Τ12 = O和T^T2 = O中的任意一個成立時,則根據(jù)如下方法求解泄漏點位置:
[0012]若τ L12 = O, τ Τ12 = O,而τ ^ τ 2關O,則泄漏點位于兩個采集點之間的中點位置處；若τ 1+ τ 2 = 0，說明兩個傳感裝置之間的間隔為零，則泄漏點、采集點I和采集點2三者位于同一位置處。
[0013]前述方法的原理是:
[0014]在壓力流體管道中，由于管道流體運動以及其他原因造成的管道振動有三種模式，即縱振模式、扭轉模式和彎曲模式，這三種模式分別記為L(r，t)、T(r, t)和F(r，t)，其中，L(r，t)也叫縱波信號，T(r, t)和F(r，t)也叫橫波信號，r是位置坐標，t是時間；管壁上任意位置處的振動信號均由縱波信號和橫波信號構成。
[0015]其中，沿管道長度方向(即管道軸向)傳播的振動信號可由下式表達:
[0016]X (t) = L (t) + δ LT (t) + ξ lF (t) ①
[0017]沿管道徑向傳播的振動信號可由下式表達:
[0018]z (t) = T (t) + δ TL (t) + ξ rF (t) ②
[0019]在①②兩式中，δ^Ρ 是由管道材料的泊松比決定的參數(shù)，表示由材料正向應變引起的橫向應變的程度，叭對應管道軸向，St對應管道徑向，顯然叭和St均小于1;ξ^和ξ ^分別表示管道彎曲應變在軸向和徑向上的投影尺度參數(shù)，所以和也都是小于I的參數(shù)；
[0020]根據(jù)相關函數(shù)理論，軸向振動信號x(t)和徑向振動信號z(t)的相關函數(shù)可用下式表不:
[0021]R(x (t), z (t+ τ ))=
[0022]R (L (t), T (t+ τ )) + δ LR (T (t), T (t+ τ )) + ξ LR (F (t)，T (t+ τ )) + δ TR (L (t)，L (t+τ )) +
[0023]③
[0024]δ L δ TR (L (t), T (t+ t))+5t€lR(F (t), L (t+ τ )) + ξ rR (F (t), L (t+ τ )) +
[0025]δ L ξ rR (F (t), T (t+ τ )) + ξ L ξ rR (F (t), F (t+ τ ))
[0026]由于幾種振動的自相關部分(即R(T(t)，T(t+x))，R(L(t)，L(t+T))和R(F(t)，F(xiàn)(t+T)))的相關函數(shù)的極大值都發(fā)生在時延零點，因此可以將幾種振動的自相關部分從③式的相關函數(shù)中去除，則上式可簡化為:
[0027]Rr(x(t), z(t+ τ ))=
[0028](1+ δ L δ T) R (L (t)，T (t+ τ )) + ( ξ r+ δ τ ξ L) R (F (t)，L (t+ τ )) + ④
[0029](lL+5^r)R(F(t),F(t+x))
[0030]對④式中的各個因子進行分析后我們可以發(fā)現(xiàn)，由于δ P δ Τ、ξ ^和ξ ^均小于1，因此Rr (x (t)，z (t+ τ ))的最大峰值由R (L (t)，T (t+ τ ))項產生；
[0031]根據(jù)相關峰值理論可知，峰值所在位置τ即為因橫波信號和縱波信號的傳播速度之差所導致的時間差，不妨將縱波L (t)的傳播速度記為'，橫波F (t)和T(t)的傳播速度記為VT，由于縱波波速大于橫波波速，則有下式成立:.1 ]
[0032]T=1-K-—) ⑤
h vL
[0033]其中，I為聲源傳輸?shù)叫盘柺叭↑c的距離；
[0034]對應到泄漏點兩側的采集點，將兩個采集點分別記為采集點I和采集點2，則可用下式來表達相關函數(shù)艮(Xi (t)，Zi (t))的峰值處時延h和波速、距離的關系:
,.1 I Λ
[0035]τι =I⑥
[0036]其中，i = 1，2，i等于I或2時分別對應采集點I和采集點2，Ii即為采集點i與泄漏點之間的距離。
[0037]根據(jù)相關函數(shù)理論，不同采集點處的軸向振動相關函數(shù)1?(\(0，\&+0)(i古j)可由下式表達:
R{xi(t)iXj(tJrT)) =
/?(￡,(/),+^.(?+Γ^ + Ι^?^?Ο,^α+Γ)) +
[0038]— t —, ,\ /、⑦ δΙΕ^Ι?(?),Τ?(?+τη + ξΙβ\?Ι?(?),Ρ](?+τ)Ι + διΚ^Τ?(?),Ι?(?+τ)Ι +
[0039]對⑦式中各個因子的系數(shù)進行分析后可以看出，不同采集點處的軸向振動信號的互相關函數(shù)R(Xi(t)，Xj(t+T))的主要項是κα^υ,ι^α+τ))，也即最大峰值由κα^α^ι^α+τ))確定。峰值處時延即為因縱波La)傳播到兩個采集點的距離差而導致的時延，其和波速以及采集點位置的關系為:
[0040]I τ LiJ = I I1-1j I/Vl ⑧
[0041]根據(jù)相關函數(shù)理論，不同采集點處的徑向振動信號相關函數(shù)1?(^(0，\&+0)α古j)可由下式表達:Λ(ζ,(/),ζ((/+γ)) =+^(i+rjJ+^/ff^iiK^Cl+r)) +
[0042]d'ri?(j:(0,i/(/+r)) + %c,.1?(7:(/),F/(/+r))+(?r/?(￡,(l),r/(/+r)) +

6 (/+4+Cl (Ff (0, Fj (i+4+(柳)為(i+4
⑨
[0043]對⑨式中各個因子的系數(shù)進行分析后可以看出，不同采集點處的徑向振動信號的互相關函數(shù)ικζ^υ,^α+τ))的主要項是R(TiU),τ」α+τ))，也即最大峰值由R(TiU), Tj (t+τ))確定。峰值處時延TTij即為因橫波信號T(t)傳播到兩個采集點的距離差而導致的時延，時延與波速以及采集點位置的關系為:
[0044]I τ TiJ = I I1-1j I/Vt ⑩
[0045]將⑥式分別對應到采集點I和采集點2后，與⑧式和⑩式聯(lián)立可得如下方程組:
'I I
r, = /,.(—-—)

Vt V1
[0046]? τ2 =4.( —(Il)

1L
M=1(4-MM—
JrT1:H(4-4)1"7!.
[0047]由實際情況可知，當I1 > I2時，τ?12<0、τΤ12 < 0，反之，當I1 < I2時，τ U2 >O、τ Π2 > 0，則方程組(11)可整理為:
[0048]|r2( 12)
TLUVL +h_l 2=0
[Vi^Vr +/丨-/ -,= 0
[0049]從方程組(12)中可以看出，tU2、τη2、T1, τ 2能根據(jù)傳感裝置的輸出量計算獲得，VL, Vt, IjP I2為未知量，方程組中的四個方程可以求解出這四個未知量，其中，IjP I2即可用于對泄漏點位置進行準確定位；
[0050]方程組雖然設計好了，但發(fā)明人在對其進行驗證時發(fā)現(xiàn)，由于方程組(12)中的第1，2式線性相關，方程組(12)能夠產生的確定解只能是零，這和實際情況顯然不相符合，否貝U，根據(jù)方程組(12)會得到無窮多組解。這說明，僅僅利用上述的時延值，并不能完全求解出未知的監(jiān)測距離。于是發(fā)明人又對方程組(12)進行了改良:基于實際情況可知，I1和I2滿足如下關系:
[0051]I^l2 = L (13)
[0052]其中，L為泄漏點兩側的兩個采集點之間的距離；
[0053]將方程組(12)與方程(13)結合后可以化為:
Tu2Vl +ft......12
t nlV, + /, —1、= 0
[0054]n— ； '.(H)
r,/.— = O

/| +17 — L
[0055]為了對方程組(14)進行驗證，可先將其化為如下的矩陣形式:
fTlll O 1- 1丫6)「O、
O Tn2 1-1 K O
[0056]=(15)
Π Or — τ I O
%JXJt.I t j%β
{ ο ο i i Jm2J U
[0057]設矩陣(15)的行列式為D，則有:
τΙΛ2 O 1-1 I
0ψ1._ I

t.yjjJtJt I
[0058]D== r/rr;),(r, + r,) (16)
0 0 T2 -r, --… -
00 1 I j
[0059]從行列式(16)中可以看出，當D古0時,線性方程組(14)有唯一解，當D = 0時，線性方程組(14)可能無解或者有多個解。
[0060]結合實際情況以及對數(shù)據(jù)進行分析后，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，D古O和D = O恰恰反映了泄漏點的兩種位置狀態(tài)，即:D古O時，泄漏點位于采集點I和采集點2之間既非中點也非端點的位置處，D = O時，要么泄漏點和采集點I以及采集點2處于相同位置，要么位于采集點I和采集點2的中點位置處，于是有如下結論:
[0061]要使D Φ O,只要τ U2關O、τ T12關O、τ汴τ 2關O同時成立即可,此時方程組(14)有如下解:
w — — Γι)厶
(J1 +τ2)τιλ1
rr — (r, -r,)￡

V y ——
[0062](Γ'+?/)Γ- (17)
,_ TlL
h —

r, +r2
IT^
h = 一^

T1 + Τ-,
V?—
[0063]通過I1和I2即可獲知泄漏點的具體位置；
[0064]當τ U2 = O、τ Τ12 = O、T^x2 = O任意一個成立時，D = O,則此時線性方程組
(14)可能無解或者有多個解，但是仍然可以根據(jù)波速和時延的物理意義，用如下方法求解出泄漏點的位置:
[0065]若τ L12 = O, τ Τ12 = O,而τ ^ τ 2關O,則泄漏點位于兩個采集點之間的中點位置處，即泄漏點距任一采集點的距離為L/2 τ1+T2 = 0，此種情況只可能出現(xiàn)在兩個采集點位置重合的情況下，此時泄漏點和采集點I以及采集點2處于相同位置(實際操作中，有可能出現(xiàn)在同一位置處布設兩個采集點的情況，此種情況，可視為兩個傳感裝置的間隔距尚為零)。
[0066]采用本發(fā)明方案后，只需根據(jù)傳感裝置輸出的檢測數(shù)據(jù)進行簡單計算就能獲知泄漏點的位置，算法的處理復雜度較低，系統(tǒng)響應速度快，泄漏檢測裝置定位的準確性較高，而且不僅不需要知道聲振動信號在管道中的傳播速度，反而可以求解出聲振動信號的傳播速度，避免了不同管道導致的聲傳播速度不同而引起的定位誤差，特別適用于對大長度管道的漏點檢測。
[0067]本發(fā)明的有益技術效果是:定位準確性好，不需要知道管道的聲振動波速，處理復雜度低，而且可以實際測定管道的縱波和橫波聲速。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0068]圖1、本發(fā)明的傳感裝置設置位置示意圖。

【具體實施方式】
[0069]一種流體管道泄漏檢測定位方法，包括被測管道，其創(chuàng)新在于:所述被測管道上至少設置有兩個傳感裝置，兩個傳感裝置之間間隔一定距離，傳感裝置所在位置形成采集點，所述傳感裝置能夠同時對兩個方向上的管道聲振動進行感應，這兩個方向分別為管道軸向和管道徑向；當兩個采集點之間的被測管道上存在泄漏點時，根據(jù)如下方法對泄漏點進行定位:
[0070]設兩個采集點分別為采集點I和采集點2，兩個采集點之間的距離記為L，采集點I與泄漏點之間的距離記為I1，采集點2與泄漏點之間的距離記為I2，縱波信號在被測管道上的傳播速度記為 '，橫波信號在被測管道上的傳播速度記為Vt ;所述傳感裝置的輸出量中包含了徑向聲振動信號和軸向聲振動信號，對應米集點I的徑向聲振動信號和軸向聲振動信號的互相關函數(shù)在時延零點以外的峰值最大值的時延值記為τ i，對應采集點2的徑向聲振動信號和軸向聲振動信號的互相關函數(shù)在時延零點以外的峰值最大值的時延值記為τ2，兩個采集點的軸向聲振動信號的互相關函數(shù)的峰值最大值的時延值記為τΠ2，兩個采集點的徑向聲振動信號的互相關函數(shù)的峰值最大值的時延值記為τΤ12 ;L為已知；
[0071]當τ U2古O、τ T12古O和τ ^ τ 2古O同時成立時,根據(jù)如下方法求解泄漏點位置:
[0072]用如下方程組對\、VT, I1和I2進行求解:
Ir /1, f,/ +1' —1.2 =0
ITnzFt +I1-12=O
' r,/, -TsIi =0
_ /,+/,=￡
[0074]求解出Vp VT、I1和I2后,根據(jù)I1和I2即可獲知泄漏點位置；
[0075]當τ U2 = O、τ T12 = O和！^+T2 = O中的任意一個成立時,則根據(jù)如下方法求解泄漏點位置:
[0076]若τ U2 = O, τ Τ12 = O,而τ ^ τ 2關O,則泄漏點位于兩個采集點之間的中點位置處；若τ 1+ τ 2 = 0，則說明兩個傳感裝置之間的間隔為零，此時泄漏點、采集點I和采集點
2三者位于同一位置處。
[0077]本發(fā)明中的傳感裝置可采用兩個聲/振動傳感器實現(xiàn)也可采用一個雙軸聲/振動傳感器實現(xiàn)；米用一個雙軸的聲/振動傳感器實現(xiàn)時，使傳感器的一個敏感軸(即圖1中的X向)與管道的軸向平行，另一個敏感軸(即圖1中的z向)與管道的徑向平行，兩軸的傳感輸出即分別為軸向聲振動信號和徑向聲振動信號。采用兩個聲/振動傳感器實現(xiàn)時，使其中一個傳感器的傳感方向(即圖1中X向)與管道軸向平行，同時，使另一個傳感器的傳感方向(即圖1中z向)與管道徑向平行，兩個傳感器的傳感輸出即分別為軸向聲振動信號和徑向聲振動信號。獲取到軸向聲振動信號和徑向聲振動信號后，通過兩個傳感裝置就能獲取兩對軸向聲振動信號和徑向聲振動信號，從而形成四組互相關函數(shù)，對四組互相關函數(shù)進行分析計算后，我們就能獲得tU2、ττ12、！^和1:2這四個時延值。
【權利要求】
1.一種流體管道泄漏檢測定位方法，包括被測管道，其特征在于:所述被測管道上至少設置有兩個傳感裝置，兩個傳感裝置之間間隔一定距離，傳感裝置所在位置形成采集點，所述傳感裝置能夠同時對兩個方向上的管道聲振動進行感應，這兩個方向分別為管道軸向和管道徑向；當兩個采集點之間的被測管道上存在泄漏點時，根據(jù)如下方法對泄漏點進行定位: 設兩個采集點分別為采集點I和采集點2，兩個采集點之間的距離記為L，采集點I與泄漏點之間的距離記為I1，采集點2與泄漏點之間的距離記為12，縱波信號在被測管道上的傳播速度記為 '，橫波信號在被測管道上的傳播速度記為Vt ;所述傳感裝置的輸出量中包含了徑向聲振動信號和軸向聲振動信號，對應米集點I的徑向聲振動信號和軸向聲振動信號的互相關函數(shù)在時延零點以外的峰值最大值的時延值記為τ i，對應采集點2的徑向聲振動信號和軸向聲振動信號的互相關函數(shù)在時延零點以外的峰值最大值的時延值記為τ2，兩個采集點的軸向聲振動信號的互相關函數(shù)的峰值最大值的時延值記為τ U2，兩個采集點的徑向聲振動信號的互相關函數(shù)的峰值最大值的時延值記為τ T12 ;L為已知； 當τ Li2古O、τ Τ12古O和τ汴τ 2古O同時成立時,根據(jù)如下方法求解泄漏點位置: 用如下方程組對\、VT、I1和I2進行求解:
HuVl+h ^t2 =Q
sTji2 +1| —= O
Ttk - = ◎
L jT K = L KI ▲ 求解出\、Vt> I1和I2后，根據(jù)I1和I2即可獲知泄漏點位置； 當τ U2 = O、τ T12 = O和！^+T2 = O中的任意一個成立時,則根據(jù)如下方法求解泄漏點位置: 若Tu2 = O, ττ12 = O,而τ ^ τ 2古O,則泄漏點位于兩個采集點之間的中點位置處；若τ 1+ τ 2 = 0，則說明兩個傳感裝置之間的間隔為零，此時泄漏點、采集點I和采集點2三者位于同一位置處。
【文檔編號】F17D5/02GK104132248SQ201410373753
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權日:2014年7月31日
【發(fā)明者】李平, 文玉梅, 李帥永, 文靜, 邱景, 楊進, 朱永, 王寧 申請人:重慶大學