一种基于低频流体波特征识别的充液管道泄漏检测方法

1.本发明涉充液管道泄漏检测的技术领域，具体涉及一种基于低频流体波特征识别的充液管道泄漏检测方法。


背景技术：

2.充液管道(如：供水管道、暖气管道、石油管道等)广泛应用于工业建设和日常生活当中。管道服役过程中，由于腐蚀、老化以及外力破坏等原因，充液管道发生泄漏事故的概率较高。但是目前缺乏快速、准确的充液管道泄漏检测方法，导致许多事故都是发生很久之后才能被发现，从而造成了较大的经济损失和环境危害。
3.考虑到充液管道系统在发生泄漏之后独特的振动特性，本发明提出一种基于低频流体波特征识别的充液管道泄漏检测方法，即利用充液管道泄漏发生后激发的低频流体波，通过对不同传感器同步采集到的低频流体波进行时频分析，计算获得其相位谱，通过识别相位谱曲线的形状(无规则形状和有规则形状)判断管道是否发生了泄漏。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于低频流体波特征识别的充液管道泄漏检测方法，本发明通过识别低频流体波的相位谱曲线特征来进行管道泄漏的检测，具有检测速度快、检测准确度高的优点，并且采用的低频流体波具有衰减小、频散小、传播距离远等优点，非常适合长距离充液管道的泄漏检测。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于低频流体波特征识别的充液管道泄漏检测方法，包括传感器模块、信号处理模块、泄漏检测模块、通讯模块、供电模块和报警模块，其中
7.所述传感器模块包括至少2个传感器，用于同步采集管道中不同位置的低频流体波，并且传感器分散安装于管道的两侧；
8.所述信号处理模块用于对上述传感器模块同步采集的低频流体波进行信号处理；其中包括流体波信号的滤波、放大、有效频率范围筛选、干扰数据剔除等；
9.所述泄漏检测模块用于对管道中不同位置的低频流体波信号进行相位谱计算、绘制相位谱曲线、相位谱曲线形状识别、输出检测结果；
10.所述通讯模块用于将检测结果发送给管理调度中心或电脑、手机app；
11.所述供电模块用于对上述信号处理模块、泄漏检测模块和通讯模块的电源供应。
12.所述报警模块用于检测到泄漏事故时，发出声音和点亮警告指示灯。
13.需要指出的是，本发明的传感器类型可以是：侵入管道内部、能直接检测流体波脉动压力的水听器或高灵敏度压力传感器；传感器类型也可以是：安装在管道外壁、不侵入管道内部的径向加速度计或缠绕在管道上的周向线圈传感器。
14.需要说明的是，所述低频流体波频率范围：下限为1hz，上限f
max
计算公式如下：
[0015][0016]
其中，e为管道杨氏模量，ρ为管道密度，ν为管道泊松比，a为管道半径。
[0017]
需要说明的是，所述流体波的相位谱计算如下：
[0018]
2个传感器同步采集的流体波信号命名为s1(t)和s2(t)；
[0019]
对s1(t)和s2(t)进行傅里叶变换，得到对应的频谱x1(ω)和x2(ω)
[0020]
根据下式计算互功率谱(简称互谱)
[0021]s12
(ω)＝x1(ω)x
2*
(ω)
[0022]
其中，*表示复共轭，ω表示角频率。
[0023]
根据下式计算相位谱：
[0024][0025]
其中，im表示互谱的虚部，re表示互谱的实部。
[0026]
绘制相位谱曲线，根据下式计算相位谱曲线的斜率：
[0027][0028]
所述的低频流体波特征是指：流体波的相位谱曲线形状；所述相位谱曲线形状主要分为两类：无泄漏时相位谱曲线形状为：无规则、无序的随机形状；有泄漏时相位谱曲线形状为：有规则有序的线形、近似线形、分段线形；
[0029]
本发明有益效果在于：
[0030]
1、装置安装完成之后不需要人员值守，发生泄漏事故后能够自动检测和报警；
[0031]
2、泄漏产生的低频流体波具有频率低、衰减小、频散小、传播距离远等优点，可以有效避免了信号频散造成的检测误差，并且可以实现远距离检测和远程通讯；
[0032]
3、泄漏检测原理基于相位谱曲线形状特征的识别，具有计算量小、运算速度快、泄漏检测响应时间短、自动及时报警等优点。
附图说明
[0033]
图1是本发明的充液管道泄漏检测结构示意图；
[0034]
图2为泄漏激发的声波模态种类；
[0035]
图3为管道未发生泄漏时的流体波相位谱曲线(无规则、无序、随机)，其中，(a)示例曲线1、(b)示例曲线2。
[0036]
图4为管道发生泄漏时的流体波相位谱曲线(有规则、有序)，其中，(a)线形、(b)近似线形、(c)分段线形。
具体实施方式
[0037]
以下将对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
[0038]
本发明为一种基于低频流体波特征识别的充液管道泄漏检测方法，包括传感器模块、信号处理模块、泄漏检测模块、通讯模块、供电模块和报警模块，其中
[0039]
所述传感器模块包括至少2个传感器，用于同步采集管道中不同位置的低频流体波，并且传感器分散安装于管道的两侧；传感器类型可以是：侵入管道内部、能直接检测流体波脉动压力的水听器或高灵敏度压力传感器；传感器类型也可以是：安装在管道外壁、不侵入管道内部的径向加速度计或缠绕在管道上的周向线圈传感器。
[0040]
所述信号处理模块用于对上述传感器模块同步采集的低频流体波进行信号处理；主要包括：流体波信号的滤波、放大、有效频率范围筛选、干扰数据剔除等；
[0041]
所述泄漏检测模块用于对管道中不同位置的低频流体波信号进行相位谱计算、绘制相位谱曲线、相位谱曲线形状识别、输出检测结果；
[0042]
所述通讯模块用于将检测结果发送给管理调度中心或电脑、手机app；
[0043]
所述供电模块用于对上述信号处理模块、泄漏检测模块和通讯模块的电源供应。
[0044]
所述报警模块用于检测到泄漏事故时，发出声音和点亮警告指示灯。
[0045]
需要说明的是，所述低频流体波频率范围：下限为1hz，上限f
max
计算公式如下：
[0046][0047]
其中，e为管道杨氏模量，ρ为管道密度，ν为管道泊松比，a为管道半径。
[0048]
需要说明的是，所述流体波的相位谱计算如下：
[0049]
2个传感器同步采集的流体波信号命名为s1(t)和s2(t)；
[0050]
对s1(t)和s2(t)进行傅里叶变换，得到对应的频谱x1(ω)和x2(ω)
[0051]
根据下式计算互功率谱(简称互谱)
[0052]s12
(ω)＝x1(ω)x
2*
(ω)
[0053]
其中，*表示复共轭，ω表示角频率。
[0054]
根据下式计算相位谱：
[0055][0056]
其中，im表示互谱的虚部，re表示互谱的实部。
[0057]
绘制相位谱曲线，根据下式计算相位谱曲线的斜率：
[0058][0059]
所述的低频流体波特征是指：流体波的相位谱曲线形状；所述相位谱曲线形状主要分为两类：无泄漏时相位谱曲线形状为：无规则、无序的随机形状；有泄漏时相位谱曲线形状为：有规则有序的线形、近似线形、分段线形；
[0060]
实施例
[0061]
实施时，管道正常运行、未发生泄漏时，相位谱曲线的形状是无规则、无序的随机形状(如图3所示)；当管道发生泄漏时，由于泄漏源激发了特定模态的流体波(如图2)，因此，相位谱曲线的形状转变为：有规则、有序的形状，比如：线形形状、近似线形形状或分段
线形形状(如图4)。此例中f
max
为2000hz，其他应用中可以根据管道参数按照公式计算对应的f
max
。
[0062]
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。