一种埋地管道泄漏在线监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及一种埋地管道泄漏在线监测系统及监测方法，具体涉及埋地输水管、输油管泄漏情况的在线监测系统及判断，属于石油化工、城市公用等管道领域的结构健康监测领域。该方法适用于埋地管道泄漏的长距离大面积的在线长期监测，或者适用于非埋地管道，但是管道泄漏可以引起周围环境媒介粘滞特性发生改变的场合。
背景技术
埋地管道广泛应用于石油化工、城市公用等领域，长达数万公里的埋地管道不可避免地会遭受载荷冲击、地震、老化、外界意外破坏等，这些因素是诱发泄漏的主要原因。埋地管道泄漏难以定位和监控，是错综复杂管网运行维护中的巨大难题，给埋地管道的安全运行和维护带来了难以想象的挑战，如不能及时止漏，管道的泄漏会导致重大的经济损失，并且油料的大量泄漏会造成环境的严重污染，泄露严重时将导致爆炸等恶性事故的发生，甚至带来社会性灾难。
目前对埋地管道的检测主要有人工检测、听音法、负压波、声发射和光纤测量等方法。人工监测方法中无论是肉眼观测还是车载巡检，工作量都非常繁重，并且不能对泄漏及时检测，无人机巡护利用GPS定位系统只能检测地表管道的运行状况；听音法局限于管道泄漏达到一定程度时，才能通过声音来判断泄漏情况，不能在泄漏早期及时发现；负压波法可对大量瞬时泄漏有效检测，但是由于难以区分正常压力波和泄漏，定位准确度较差，很容易导致误报；声发射是一种被动的检测方法,利用管道泄漏引起声波微弱的变化判断泄漏情况，由于背景噪声和管道内部流动声音容易掩盖泄漏声音，因此无法可靠地检测到泄漏；光纤测量主要依赖温度的变化判断泄漏情况，对于输水管道和输油管道由于介质泄露不能引起周边环境温度显著变化的情况，所以无法测量。
为了对埋地管道泄漏状态及时检测，保障生产安全，国内外开展了大量的研究。ZL201610088117.9公布了一种给排水管泄漏检测系统和检测方法，该系统的复合管包含内绝缘层、外绝缘层，利用内绝缘层和外绝缘层之间导电层电阻的变化识别泄漏情况。该技术不能满足大范围管道的快速检测；KP 1020170005401公布了一种连续泄漏定位检测系统，该系统通过无线网络从地面传输供水管道漏水的声信号，利用声信息分析操作终端判断漏水的可能性。该方法有效减少了检测人员的工作量，增大了监测范围，但是该专利仍然是基于声信号判断漏水情况，无法剔除环境噪音的干扰；JP2018013407公布了一种漏水检测系统，该系统依据漏水检测仪与检测带周围由于漏水产生短路的原理工作，检测水管泄漏的可能性。该方法比较适合泄漏位置比较明确的输水管道泄漏检测，但是监测不了泄漏位置不明确的管道；CN201510166892.7公布了一种输油管道漏油检测装置及方法，该方法利用输油管道中泄漏及堵塞处的液体压力变化，对管内异常位置进行定位，这一方法与负压波法相比，没有实质性地改进，同样存在定位准确度差，很容易导致误报；JP2017145036公布了一种地下埋管双壳检漏系统及地下罐双壳结构，该系统监测时，在待监测部位使用两层管道和多个检漏传感器组成泄漏检测装置，搭建一个Wi-Fi控制报警系统，及时将漏油信息通知相关人员，该装置结构复杂，设备众多，并且不适用于泄漏位置不明确的管道。
为了弥补以上不足，本发明设计了一种埋地管道泄漏在线监测装置及监测方法。该装置结构简单，易于安装，该方法可以实现输油、输水管道的长距离高效智能化监测，克服复杂管道泄漏难以定位和监控的困难，提高管道的安全预防能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为埋地输油管道或输水管道泄漏提供一种可靠的、快捷的在线系统及监测方法。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种埋地管道泄漏在线监测系统，其特征在于，所述的监测系统包括N个埋地管道泄漏在线监测装置22、商用信号传输模块4G/5G服务器端24、带有数据处理模块26的商用服务器25，N个埋地管道泄漏在线监测装置22并行处于从站的位置，至少一个商用信号传输模块4G/5G服务器端24处于主站的位置，从站与主站采用无线通讯，商用信号传输模块4G/5G服务器端24连接商用服务器25，其中N大于或等于2；
所述的埋地管道泄漏在线监测装置22包括：超声信号发射/接收模块12、信号调理模块3、信号采样模块4、信号传输模块4G/5G客户端14和微控制器模块13均集成在电路板15上，由微控制器模块13控制超声信号发射/接收模块12、信号调理模块3、信号采样模块4、信号传输模块4G/5G客户端14的工作顺序，电池2给电路板15供电，电路板15安装在外壳10里，由左壳盖16和右壳盖1密封；第一夹片9和外壳10上的第二夹片18借助螺栓8将带状波导杆7的近端面20固定在外壳10里，窄条压电晶片6紧密地贴合在带状波导杆7的近端面20上，超声信号发射/接收模块12通过导线正5和导线负11与窄条压电晶片6相连，带状波导杆7的远端面21伸出外壳10，插入管道周围的土壤中。
所述的带状波导杆7的长度l、厚度d和宽度w需要满足以下条件：长度l在(0.1m，2m)范围内取值，厚度d和宽度w与带状波导杆7的超声信号波长λ有关，宽度w>6λ，厚度d<1.5λ。
所述的窄条压电晶片6的长度lp和宽度wp需要满足以下条件：窄条压电晶片6的长度lp与带状波导杆7的宽度w的比值须满足lp/w＝0.9～1的关系表达式，窄条压电晶片6的宽度wp应等于带状波导杆7的厚度d。
本发明还提供一种埋地管道泄漏在线监测方法：
将所述的N个埋地管道泄漏在线监测装置22分布在不同的监测点，第一个在线监测装置22采集的信号为泄漏判断的基准信号，其他N-1个在线监测装置22的测量信号与该基准信号实时比较，判断监测位置的泄漏情况，一套在线监测系统实现N-1个泄漏位置的在线监测；
每个所述的埋地管道泄漏在线监测装置22中，超声信号发射/接收模块12发射脉冲信号激励窄条压电晶片6产生超声信号，超声信号在带状波导杆7内传播，遇到波导杆的远端面21产生反射回波，反射回波经过信号调理模块3滤波放大处理后，由信号采样模块4采样，由信号传输模块4G/5G客户端14发射出，借助商用信号传输模块4G/5G服务器端24将超声回波信号输送到商用服务器25，安装在商用服务器25中的数据处理模块26根据泄漏计算公式进行运算，判断监测位置管道的泄漏程度。
所述的泄漏计算公式为A＝Kδ+a，其中A为管道泄漏后周围土壤的湿度，K为试验系数，a为土壤初始声波常数，δ为超声波衰减量。
有益效果
本发明专利的优点在于：
本发明提出了窄条压电晶片安装在带状波导杆端面的安装配合方式，建立了激发纯净的类基础模态水平剪切波的结构尺寸设计标准，为波导杆式传感装置的设计提供了理论参考。
本发明提出的一种埋地管道泄漏在线监测系统，可以在波导杆中激发纯净的类基础模态水平剪切波。单一的声波模式，在土壤的粘滞阻尼力发生改变时，发生变化的信号参数相应地单一化，从而减轻了信号传输的负担，降低了信号处理的难度，提高了测量精度。
将埋地管道泄漏在线监测装置，直接插入土壤中；或者开挖一次，将监测装置埋在地面下，便可实现泄漏的长期监测。将有效减少埋地管道检修开挖等繁琐的辅助工作。价格低廉，结实耐用，实用性强。
本发明的埋地管道泄漏在线监测方法，提供一种基于超声导波技术的泄漏量计算公式，可以对输水、输油等管道的泄漏定量地及时检测。可以将多个监测装置组成一套系统，对多个位置同时进行测量，可对输水、输油等管道实现大范围的长期监测。本发明基于强大的物联网技术，实现智能化的管道泄漏监测。使得较难到达位置处管道的及时监测成为可能，有效减少人力劳动，实现管道安全运行的科学管理。
附图说明
附图1为一种埋地管道泄露在线监测装置22
其中，1：右壳盖，2：电池，3：信号调理模块，4：信号采样模块4，5：导线正5，6：窄条压电晶片，7：带状波导杆，8：螺栓，9：第一夹片，10：外壳，11：导线负；12：超声信号发射/接收模块，13：微控制器模块，14：信号传输模块4G/5G客户端，15：电路板，16：左壳盖；
附图2为外壳10内部结构
其中，17：电池接口，18：第二夹片，19：通孔；
附图3为电路板15上模块分布图
其中，3：信号调理模块，4：信号采样模块，12：超声信号发射/接收模块，13：微控制器模块，14：信号传输模块4G/5G客户端；
附图4为压电晶片在导波板上安装示意图
其中，6：窄条压电晶片，7：带状波导杆，20：近端面，21：远端面，l：带状波导杆的长度，w：带状波导杆宽度，lp：窄条压电晶片的长度，wp：窄条压电晶片的宽度；
附图5为一种埋地管道泄露在线监测装置22安装示例(一)
其中，22：一种埋地管道泄露在线监测装置，23：埋地管道
附图6为一种埋地管道泄露在线监测装置22安装示例(二)
其中，22：一种埋地管道泄露在线监测装置，23：埋地管道
附图7为一种埋地管道泄露在线监测装置22安装示例(三)
其中，22：一种埋地管道泄露在线监测装置，23：埋地管道
附图8为一种埋地管道泄露在线监测装置22安装示例(四)
其中，22：一种埋地管道泄露在线监测装置，23：埋地管道
附图9为一种埋地管道泄露在线监测系统框图
其中，22：一种埋地管道泄露在线监测装置，24：信号传输模块4G/5G服务器端，25：商用服务器，26：数据处理模块；
附图10为一种埋地管道泄露在线监测系统试验效果图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
由图1所示结构图可知，超声信号发射/接收模块12、信号调理模块3、信号采样模块4和信号传输模块4G/5G客户端14由微控制器模块13控制，它们都安装在电路板15上(图3)。电路板15安装在外壳10内部的右侧，由右壳盖1密封，电池2安装在外壳10左侧内部的接口内，由左壳盖16密封，使得其不受雨水、腐蚀等外界条件的影响。电池2给电路板15供电。
所述的电路板15通过导线正5和导线负11给窄条压电晶片6供电。窄条压电晶片6紧密地贴合在带状波导杆7的近端面20。窄条压电晶片6和带状波导杆7的近端面20均在外壳10内，第一夹片9与外壳10设计为一体的第二夹片18借助螺栓8将带状波导杆7紧密固定在外壳10上。带状波导杆7穿过外壳10上的通孔19伸出外壳10，伸出外壳10的带状波导杆7是泄漏监测的有效长度部分。
所述的超声信号发射/接收模块12产生电脉冲，在电脉冲的激励下窄条压电晶片6产生振动，产生超声波，并在带状波导杆7中传播，所述的窄条压电晶片6在波导杆中可以激发并接收纯净的类基础模态水平剪切波。
当其遇到带状波导杆7的远端面21时，产生反射回波。反射回波通过带状波导杆7作用给窄条压电晶片6，窄条压电晶片6受迫振动引起形变转换成电信号。电信号经过信号调理模块3调理后，由信号采样模块4将电信号采集，通过信号传输模块4G/5G客户端14将信号发射出监测装置。
所述的带状波导杆7伸出外壳10的长度l，可在[0.1m，2m]范围内取值。带状波导杆7的厚度d和宽度w与带状波导杆7中传播的超声信号波长λ有关，宽度w>6λ，厚度d<1.5λ。带状波导杆7的近端面20与所述的窄条压电晶片6的下表面尺寸须满足以下对应关系：带状波导杆7的宽度w与所述的窄条压电晶片6的长度lp须满足lp/w＝0.9～1的关系表达式；带状波导杆7的厚度d与窄条压电晶片6的宽度wp应满足wp/d＝1。
所述的一种埋地管道泄露在线监测装置22(见图1)在实际工作时，可以整体埋入土壤(见图5)，也可以仅仅将部分波导杆插入土壤(见图6-8)。波导杆可以与管道周向平行放置(见图5)，也可以与管道周向垂直放置(见图6-8)。波导杆可以绕管道一圈(见图6)，也可以部分缠绕(见图7-8)。
N(N≥2)个在线监测装置组成一套监测系统(见图9)，该系统包括一种埋地管道泄漏在线监测装置、信号传输模块4G/5G服务器端24、数据处理模块26和商用服务器25。可以将第一个监测装置设置为基准信号装置，安装在不受管道泄露影响的位置，并且周围环境与其他装置相同。波导杆中传递的超声波受波导杆周围土壤粘度的粘滞阻尼影响。当管道泄漏引发带状波导杆7周围土壤粘度发生改变时，不同粘度的土壤对带状波导杆7中传播的超声波具有不同的粘滞阻尼力，土壤粘度发生改变引起带状波导杆7中超声波信号发生改变。在线监测装置采集到的超声信号通过信号传输模块4G/5G客户端14将信号发射出监测装置，由信号传输模块4G/5G服务器端24将超声信号接收，接收到的超声信号经数据处理模块26运算后，给出管道泄露程度的诊断结果。数据处理模块26可以做成一个软件包安装在商用服务器25上。所述的数据处理模块26根据公式A＝Kδ+a判断管道泄漏的程度，其中A为泄漏量，K为试验系数，δ为声波衰减量，a为土壤的初始声波参数。
实施案例：
设计一种埋地管道泄露在线监测装置22，带状波导杆7材料为316L不锈钢，厚度为1mm，宽度为20mm，长度为400mm。窄条压电晶片6选择2-2复合材料，厚度为1mm，宽度为1mm，长度为18mm。外壳10、夹片一9和夹片二18选择聚四氟乙烯。购买市售的电池2、超声信号发射/接收模块、ADC采样模块、微处理器以及4G模块，信号调理模块采用一个放大滤波电路。超声信号发射/接收模块、ADC采样模块、微处理器、4G模块、放大滤波电路集成在PCB电路板15上，从而组装成由两个在线监测装置组成的在线监测系统。
两个在线监测装置插入装满泥土的桶中，做试验时，往其中一个桶里持续注水，另外一个桶保持初始状态。记录两个在线监测装置每次采集到的时域信号波形，发现信号非常纯净。比较两组信号的幅值衰减，绘制桶中泥土的湿度与声波衰减曲线如图10所示。根据该图可知泥土的湿度与声波的衰减呈现单一的线性关系A＝2.2δ+1.0。使用该方法计算出的湿度和湿度计测量值进行比较，最大误差为7％，这一结果证明该方法检测结果可靠，能够满足工程需求。
