一种基于次声波的输气管道泄漏检测装置及检测方法与流程

本发明涉及一种基于次声波的输气管道泄漏检测装置及检测方法，属于管道监测技术领域。

背景技术：

天然气管道随着年限增长，管道泄漏事故会随着时间的推移频繁发生考虑到天然气输送管道的高压力，一旦泄漏必然造成大量的能源浪费以及严重的环境破坏。

在过去的几十年里，本领域研究人员提出了多种管道泄漏检测方法，但各种方法都存在不同的局限性，经常出现小泄漏漏检、运行状态误报等现象。

技术实现要素：

针对现有技术中输气管道泄漏检测方法的不足，本发明提供基于次声波的输气管道泄漏检测装置及检测方法，本发明通过次声波在管内气体传播特性，通过以气体管道次声波信号的采集、去噪、特征提取，以及气体管道的运行状态识别为研究对象，确定气体管道泄漏次声波信号在各种状态下的传播特性，以此来判断管道是否发生泄漏以及泄露的孔径。

本发明的方案为：通过次声波发生装置发生指定频率和声压的次声波，使其次声波沿管线传播，利用次声波传感器收集传播过来的次声波，对收集到的次声波信号进行滤波处理，通过分析次声波的幅值变化曲线以此来判断管线是否发生泄露以及泄露孔径。

本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：

一种基于次声波的输气管道泄漏检测装置，包括压力传感构件、温度传感构件、次声波发生装置3、次声波接收装置5、泄露阀4和计算机，压力传感构件1、温度传感构件2、次声波发生装置3、次声波接收装置5均设置在输气管道上，次声波发生装置3位于次声波接收装置5的上游，泄露阀4设置在输气管道且位于次声波发生装置3和次声波接收装置5之间，压力传感构件、温度传感构件、次声波发生装置3、次声波接收装置5、泄露阀4均与计算机连接。

所述压力传感构件包括压力传感器i1和压力传感器ii，温度传感构件包括温度传感器i2和温度传感器ii，压力传感器i1和温度传感器i2设置在次声波发生装置3处，压力传感器ii和温度传感器ii设置在次声波接收装置5处。

所述基于次声波的输气管道泄漏检测装置还包括无线发射/接收器i6和无线发射/接收器ii，压力传感器i1、温度传感器i2和次声波发生装置3通过无线发射/接收器i6外接计算机7，压力传感器ii、温度传感器ii和次声波接收装置5通过无线发射/接收器ii外接计算机7。

所述次声波发生装置3包括信号发生模块、功率放大模块、扬声器，信号发生模块用于产生频率为20hz以下的正弦信号，功率放大模块用于将正弦信号进行功率放大并将放大信号传递给扬声器。

所述次声波接收装置5包括依次连接的电容式传感器、前置放大器和低通滤波电路。

进一步的，所述低通滤波电路包括二阶低通可编程滤波器i、滤波器、二阶低通可编程滤波器ii、单片机和模拟开关，二阶低通可编程滤波器i、滤波器、二阶低通可编程滤波器ii顺序连接，前置放大器的输入信号端分别与二阶低通可编程滤波器i和单片机连接，单片机通过模拟开关分别与二阶低通可编程滤波器i、滤波器、二阶低通可编程滤波器ii连接，二阶低通可编程滤波器ii与计算机连接。

所述压力传感构件、温度传感构件实时测出输气管道的压力和温度。

基于次声波的输气管道泄漏检测方法，采用基于次声波的输气管道泄漏检测装置，具体步骤如下：

(1)计算机泄露阀关闭，控制上游次声波发生装置发射固定频率的次声波，下游次声波接收装置接收采集经输气管道传播的次声波并将采集的次声波传输给计算机，计算机对采集的次声波进行滤波处理得到正常工况下，无泄露发生的次声波幅值的衰减图；

(2)计算机控制泄露阀打开至预设口径，控制上游次声波发生装置发射步骤(1)相同的固定频率次声波，下游次声波接收装置接收采集经输气管道传播的次声波并将采集的次声波传输给计算机，计算机对采集的次声波进行滤波处理得到预设泄露口径的次声波幅值的衰减图；

(3)通过步骤(2)预设泄露口径的次声波幅值的衰减图得到预设泄露口径的次声波衰减幅值，再绘制出次声波衰减幅值对泄露口径的曲线，再拟合出次声波衰减幅值对泄露口径的数学表达式；

(4)检测实际工况的次声波衰减幅值，根据步骤(3)次声波衰减幅值对泄露口径的数学表达式计算出实际工况的泄露口径。

基于次声波的输气管道泄漏检测原理：

对于一般的声源在无界空间中辐射球面波，而将声源限制于受管壁束缚的管道中传播，当音波的频率低于圆管内平面波的截止频率时，管内音波会以一维平面波的模式进行传播。

而圆管中平面波的截止频率为

式中，f10平面截止频率，k10波数，c0次声波速度，α管径

在管内能够长距离传播且可用作音波泄漏检测的音波频段主要集中在次声及可听声的低频部分(0～100hz)，由上式可得，对于实际管线，当管径达到1219mm时，频率小于163.4hz下音波在管内传播模式为一维平面波，因此对实际现场天然气管线，可以认为其传播模式为一维平面波；

介质黏滞吸收和热传导作用的影响

气体中能使振动受到阻尼的只有黏滞性和热传导，这些因素都很小，一般只是长距离传播，或有固体或其他介质时才比较重要。

考虑黏滞吸收作用、热传导作用，对声波基本方程联立求解可得到音波信号阻尼波动方程

其中

式中，η′、η”分别为切变黏滞系数和介质容变黏滞系数，pa·s；χ为热传导系数，w/(m·k)；cv为质量定容热容，kj/(kg·k)；cp为质量定压热容，kj/(kg·k)。

阻尼介质中声波声压传播方程为

其中

w＝2πf，k0＝w/c0

式中，a为媒质的阻尼吸收系数，是描述声波振幅随距离衰减快慢的一个物理量；ρ0为介质密度，kg/m3；w为角频率；f为声波频率，hz，c0为声波传播速度，m/s；x为声波传播距离，m；k0为无阻尼波的波数；

式中代表着以传播速度c，角频率为w向正x方向传播的声波，其振幅为p0e^-ax。

因此，音波沿管道传播的幅值衰减公式为

p＝p0e^-ax

其中

式中,r为管径，m；c0为传播速度，m/s。

次声波在管道中的传播速度传统上认为是声波在介质中的传播速度，为一定值。实际中由于系统状态、工况等情况随时在发生变化，次声波波速取决于流体介质的体积弹性、密度、管材的弹性模量、管道的约束条件和无因次比值(直径与壁厚之比d/e)等因素，使得次声波的传播速度绝非一成不变，为了能使结果更具准确性，次声波传播速度采用下式：

天然气的密度随温度变化而变化，体积弹性系数与原油、天然气的密度和温度有关。对于已经铺设的管道，管材的弹性模量、管道的约束条件和无因次比值是固定值，

式中v-次声波波速，m/s；

α-原油或气体的压缩系数；

ρ-流体的密度，kg/m3；

e-管道弹性模量，pa；

d-管道直径，m；

e-管道壁厚，m；

c-与管道约束条件有关的修正系数。

本发明的有益效果：

(1)本发明的基于次声波的输气管道泄漏检测装置结构合理简单，具有很强的操作性，使用方便，观测误差小，使用效果明显，可得出泄露情况下的次声波幅值衰减特性以及不同泄露孔径的次声波幅值衰减特性，为输气管道泄露检测提供实验装置与方法；

(2)本发明通过次声波的幅值衰减特性来检测管道是否发生泄漏的装置为管道的安全性增加了保障。

附图说明

图1为基于次声波的输气管道泄漏检测装置结构示意图；

图2为次声波接收装置示意图；

图3为次声波发生装置示意图；

图4为小波去噪过程示意图；

图5为低通滤波电路图；

图中：1-压力传感器i、2-温度传感器i、3-次声波发生装置、4-泄露阀、5-次声波接收装置、6-无线发射/接收器i、7-计算机。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1所示，一种基于次声波的输气管道泄漏检测装置，包括压力传感构件、温度传感构件、次声波发生装置3、次声波接收装置5、泄露阀4和计算机，压力传感构件1、温度传感构件2、次声波发生装置3、次声波接收装置5均设置在输气管道上，次声波发生装置3位于次声波接收装置5的上游，泄露阀4设置在输气管道且位于次声波发生装置3和次声波接收装置5之间，压力传感构件、温度传感构件、次声波发生装置3、次声波接收装置5、泄露阀4均与计算机连接；

压力传感构件包括压力传感器i1和压力传感器ii，温度传感构件包括温度传感器i2和温度传感器ii，压力传感器i1和温度传感器i2设置在次声波发生装置3处，压力传感器ii和温度传感器ii设置在次声波接收装置5处；

基于次声波的输气管道泄漏检测装置还包括无线发射/接收器i6和无线发射/接收器ii，压力传感器i1、温度传感器i2和次声波发生装置3通过无线发射/接收器i6外接计算机7，压力传感器ii、温度传感器ii和次声波接收装置5通过无线发射/接收器ii外接计算机7；

如图3所示，次声波发生装置3包括信号发生模块、功率放大模块、扬声器，信号发生模块用于产生频率为20hz以下的正弦信号，功率放大模块用于将正弦信号进行功率放大并将放大信号传递给扬声器；

如图2所示，次声波接收装置5包括依次连接的电容式传感器、前置放大器和低通滤波电路；

如图5所示，低通滤波电路包括二阶低通可编程滤波器i、滤波器、二阶低通可编程滤波器ii、单片机和模拟开关，二阶低通可编程滤波器i、滤波器、二阶低通可编程滤波器ii顺序连接，前置放大器的输入信号端分别与二阶低通可编程滤波器i和单片机连接，单片机通过模拟开关分别与二阶低通可编程滤波器i、滤波器、二阶低通可编程滤波器ii连接，二阶低通可编程滤波器ii与计算机连接；

实施例2：基于次声波的输气管道泄漏检测方法，采用实施例1基于次声波的输气管道泄漏检测装置，具体步骤如下：

(1)计算机泄露阀关闭，控制上游次声波发生装置发射固定频率的次声波，下游次声波接收装置接收采集经输气管道传播的次声波并将采集的次声波传输给计算机，计算机对采集的次声波进行滤波处理得到正常工况下，无泄露发生的次声波幅值的衰减图；

(2)计算机控制泄露阀打开至预设口径，控制上游次声波发生装置发射步骤(1)相同的固定频率次声波，下游次声波接收装置接收采集经输气管道传播的次声波并将采集的次声波传输给计算机，计算机对采集的次声波进行滤波处理得到预设泄露口径的次声波幅值的衰减图；

(3)通过步骤(2)预设泄露口径的次声波幅值的衰减图得到预设泄露口径的次声波衰减幅值，再绘制出次声波衰减幅值对泄露口径的曲线，再拟合出次声波衰减幅值对泄露口径的数学表达式；

(4)检测实际工况的次声波衰减幅值，根据步骤(3)次声波衰减幅值对泄露口径的数学表达式计算出实际工况的泄露口径；

计算机对采集的次声波进行滤波处理为计算机将次声波信号进行去噪处理，去噪过程如下：

(1)对原始信号进行低通滤波等预处理操作；

(2)利用小波变换将预处理后的含噪信号转换到二维空间(分解到更高的多维尺度)；

(3)对多维尺度含噪信号进行滤波，获取所需的小波系数；

(4)对所有有效信号逆变换至一维空间，完成信号去噪，实现信号重构。

实施例3：基于次声波的输气管道泄漏检测方法，采用实施例1基于次声波的输气管道泄漏检测装置，具体步骤如下：

(1)计算机泄露阀关闭，控制上游次声波发生装置发射固定频率的次声波，下游次声波接收装置接收采集经输气管道传播的次声波并将采集的次声波传输给计算机，计算机对采集的次声波进行滤波处理得到正常工况下，无泄露发生的次声波幅值的衰减图；

其中计算机对采集的次声波进行滤波处理为计算机将次声波信号进行去噪处理，去噪过程如下：

1)对原始信号进行低通滤波等预处理操作；

2)利用小波变换将预处理后的含噪信号转换到二维空间(分解到更高的多维尺度)；

3)对多维尺度含噪信号进行滤波，获取所需的小波系数；

4)对所有有效信号逆变换至一维空间，完成信号去噪，实现信号重构；

(2)计算机控制泄露阀打开至预设口径1mm，控制上游次声波发生装置发射步骤(1)相同的固定频率次声波，下游次声波接收装置接收采集经输气管道传播的次声波并将采集的次声波传输给计算机，计算机对采集的次声波进行滤波处理得到预设泄露口径1mm的次声波幅值的衰减图；

(3)计算机控制泄露阀打开至预设口径3mm，控制上游次声波发生装置发射步骤(1)相同的固定频率次声波，下游次声波接收装置接收采集经输气管道传播的次声波并将采集的次声波传输给计算机，计算机对采集的次声波进行滤波处理得到预设泄露口径3mm的次声波幅值的衰减图；

(4)计算机控制泄露阀打开至预设口径5mm，控制上游次声波发生装置发射步骤(1)相同的固定频率次声波，下游次声波接收装置接收采集经输气管道传播的次声波并将采集的次声波传输给计算机，计算机对采集的次声波进行滤波处理得到预设泄露口径5mm的次声波幅值的衰减图；

(5)通过步骤(2)～(4)预设泄露口径的次声波幅值的衰减图得到预设泄露口径的次声波衰减幅值，再绘制出次声波衰减幅值对泄露口径的曲线，再拟合出次声波衰减幅值对泄露口径的数学表达式；

(6)检测实际工况的次声波衰减幅值，根据步骤(5)次声波衰减幅值对泄露口径的数学表达式计算出实际工况的泄露口径。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。