一种定位管路泄漏位置的检测方法及系统
技术领域
本发明涉及管路泄漏检测技术领域，特别是涉及一种定位管路泄漏位置的检测方法及系统。
背景技术
管路泄漏大量存在于工业过程中，并对工业生产带来隐患。管道泄漏可能是人为因素也可能是其他的因素导致的，例如，管道中压力的突然改变、流体对管道的腐蚀、外来物体对管道的撞击、管道材料自身的缺陷、管道缺乏维护等等都可能导致管道泄漏的发生。在多数情况下，由于泄漏的发生可能会带来一些有害的后果甚至造成严峻的问题。天然气管路泄漏不仅带来大量气体外泄，严重情况将发声泄漏爆炸，带来财产损失以及人员伤亡。在航天液体推进系统中，推进剂的传输都有管路承担，管路泄漏不仅影响传输，造成发动机工作不稳定。严重情况将发生爆炸等危险，因此对管路系统泄漏的检测与定位意义重大。
针对管路检测方法很多，主要分为管内检测与管外检测。图1对当前方法进行了汇总说明。具体的，管内检测法包括示踪剂检漏法和管内探球法。管外检测法又分为直接与间接测量法。其中，直接测量法主要包括人工巡检法、检测元件法、气体检测法、机载红外线法。而间接测量法包括基于信号方法、基于模型方法、基于知识方法。基于信号方法包括压力梯度法、负压波法、压力点分析法、流量平衡法、声学法。基于模型方法包括状态观测法、系统辨识法、卡尔曼滤波、实时模型法、瞬变流检测法。基于知识方法包括统计分析法、神经网络法、模式识别法。
针对航天推进系统而言，由于推进剂的特殊性，对于泄漏检测而言要求采用管外间接测量方式，从而不对推进即以及管路结构产生额外影响。对于泄漏检测而言，可以通过诸如状态观测、流量平衡等方法进行确定。然而对于泄漏定位而言，状态观测、流量平衡等方法存在较大困难。利用泄漏产生的声信号进行定位得到了广泛的重视，有大量研究人员开展了利用声学方法对燃气管路、供水管路等工业泄漏定位研究。
基于声学法的泄漏定位技术，需要在管路中安装若干声波换能器用于检测泄漏信号(工业用管路泄漏信号的频率主要分布在低频段)，利用检测数据初步确定泄漏源，然后根据泄漏源附近的声波换能器对泄漏源进行精确定位，如图2所示。
在图2中，假设泄漏源距离声波换能器1为x，两个声波换能器距离为L。管路中流场假设为均匀流场，流速为
经过简单的数学推导，可以得到如下
当流速满足
在上述方法中，Δtpeak＝tpeak--tpeak+可以采用诸如互相关等方法进行求解。从上述公式可见，在现有技术的方法中，需要提前设置声波在静止流体中传播速度c。然而针对复杂环境，声波传播速度是很难提前设置的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种定位管路泄漏位置的检测方法及系统。
在液体中声波传播速度受到流体压强、温度、组分等因素的影响。航天器推进管路在轨运行中复杂的环境变化使得声波传播速度发生改变，提前设定声波传播速度会带来误差。本发明主要解决的技术问题是需要解决实时测量声速的问题以及测量精准度的问题。
本发明的测量原理：
鉴于声波换能器不仅可以接收声波，而且可以发射声波。在检测泄漏产生的时间差Δtpeak的基础上，可以通过声波换能器1发射声波，声波换能器2接收声波，则对应的时间可以表示为
同理，通过声波换能器2发射声波，声波换能器1接收声波，则对应的时间可以表示为
需要指出的是，由于管路中泄漏引起的声波依然在传播，声波换能器发射的声波特征不同于泄漏引起的声波特征，从而可以有效分离主动发射的声波以及泄漏声波。
公式(4)与(5)乘积可以得到
需要指出的是，上式近似成立的基础是
公式(4)-(6)代入上式可以得到
相较于背景技术中的测量方法(3)，本发明所采用的公式不需要声速以及流速的先验知识，仅需要确定连个换能器的安装距离，该距离在安装时就可以确定。
为了解决上述所提到的技术问题，基于上述提到的测量原理，本发明具体采用以下技术方案：
本发明的一个技术方案是一种定位管路泄漏位置的检测方法，其特征在于，设置第一声波换能器和第二声波换能器，分别安装在管路的不同位置；所述第一声波换能器和所述第二声波换能器可以接收所述管路发生泄漏时引起的泄漏声波，所述第一声波换能器和第二声波换能器之间可以相互激发和接收用于定位所述泄漏位置的激发声波，所述泄漏声波和所述激发声波具有不同的声波特征，根据所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的距离，以及所述泄漏声波和所述激发声波的传播时间计算得到所述泄漏位置。
作为优选的技术方案，设置所述泄漏位置距离所述第一声波换能器的距离为 x；
设置所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的距离为L；
所述第一声波换能器和所述第二声波换能器检测泄漏产生的时间差为Δtpeak；
检测所述第一声波换能器发射的第一激发声波到所述第二声波换能器接收到所述第一激发声波的时间为tmea+；
检测所述第二声波换能器发射的第二激发声波到所述第一声波换能器接收到所述第二激发声波的时间为tmea-；
根据以下公式计算x以得到所述泄漏位置：
作为优选的技术方案，所述激发声波为与所述泄漏位置噪音中心频率较远的声波。
作为优选的技术方案，所述激发声波的幅度显著高于所述泄漏声波的幅度。
作为优选的技术方案，所述泄漏位置产生的声波为宽频噪音。
作为优选的技术方案，所述检测方法首先通过带通滤波的方法获得所述激发声波，然后通过各类方法获得tmea+和tmea-。
作为优选的技术方案，所述各类方法包括互相关方法，所述互相关方法具体包括以下步骤：
所述第一声波换能器构建多个周期的第一激励信号；
所述第二声波换能器通过滤波得到第一接收信号；
对所述第一激励信号和所述第一接收信号进行互相关运算，得到所述第一声波换能器和所述第二声波换能器的第一互相关信号；
针对所述第一互相关信号运用最大点搜索方法，计算得到tmea+；
所述第二声波换能器构建多个周期的第二激励信号；
所述第一声波换能器通过滤波得到第二接收信号；
对所述第二激励信号和所述第二接收信号进行互相关运算，得到所述第一声波换能器和所述第二声波换能器的第二互相关信号；
针对所述第二互相关信号运用最大点搜索方法，计算得到tmea-。
作为优选的技术方案，所述声波顺逆流传播时间的测量包括使用脉冲波方式。
作为优选的技术方案，所述脉冲波方式包括在所述第一声波换能器的所述激发声波端构建1-20个周期的脉冲波序列，所述序列的声波频率设置为 50-100KHz。
作为优选的技术方案，所述脉冲波方式还包括在所述第二声波换能器的所述激发声波端构建1-20个周期的脉冲波序列，所述序列的声波频率设置为 50-100KHz。
作为优选的技术方案，所述检测方法还包括利用滤波去掉噪音对测量的影响。
作为优选的技术方案，所述Δtpeak的检测方法包括互相方法和/或谱方法。
本发明还提供了一种定位管路泄漏位置的检测系统，其特征在于，包括第一声波换能器和第二声波换能器，分别安装在管路的不同位置；所述第一声波换能器和所述第二声波换能器被设置为可以接收所述管路发生泄漏时引起的泄漏声波，和激发用于定位所述泄漏位置的激发声波，所述泄漏声波和所述激发声波有不同的声波特征；还包括计算模块，用于根据所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的距离以及所述泄漏声波和所述激发声波的传播时间计算得到所述泄漏位置。
本发明的一个技术方案是，所述计算模块包括检测模块、运算模块：
设置所述泄漏位置距离所述第一声波换能器的距离为x；
设置所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的距离为L；
所述检测模块，用于检测所述第一声波换能器和所述第二声波换能器检测泄漏产生的时间差Δtpeak；检测所述第一声波换能器的第一激发声波到所述第二声波换能器接收所述第一激发声波的时间为tmea+；检测所述第二声波换能器的第二激发声波到所述第一声波换能器接收到所述第二激发声波的时间为tmea-，并将检测到的数值传输到运算模块；
所述运算模块根据以下公式计算x以得到所述泄漏位置：
本发明有益效果在于：
相较于现有技术中的声波测量方法，本发明技术方案所采用的测量方法不需要声速以及流速的先验知识，仅需要确定各个相邻声波换能器的安装距离，而该距离在安装时就可以确定；因此测量时省略了声速以及流速等的先验测量，测量更加方便，同时避免了由声波在不同环境中的不同传播速度带来的测量误差，提高了测量的精准度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明中的管路泄漏检测方法汇总流程图；
图2为本发明中的声波泄漏定位示意图；
图3a为本发明中的第一换能器接收到的泄漏声波信号图；
图3b为本发明中的第二换能器接收到的泄漏声波信号图；
图4为本发明中的两换能器信号的互相关信号图；
图5a为本发明中的第一声波换能器端的激励信号图；
图5b为本发明中的第二声波换能器端的接收信号图；
图6为本发明中的两换能器信号的互相关信号图；
图7a为本发明中的第二声波换能器端的激励信号图；
图7b为本发明中的第一声波换能器端的接收信号图；
图8为本发明中的两换能器信号的互相关信号图；
图9为本发明一种定位管路泄漏位置的检测系统实施例的示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。
本发明的测量原理：
鉴于声波换能器不仅可以接收声波，而且可以发射声波。在检测泄漏产生的时间差Δtpeak的基础上，可以通过声波换能器1发射声波，声波换能器2接收声波，则对应的时间可以表示为
同理，通过声波换能器2发射声波，声波换能器1接收声波，则对应的时间可以表示为
需要指出的是，由于管路中泄漏引起的声波依然在传播，声波换能器发射的声波特征不同于泄漏引起的声波特征，从而可以有效分离主动发射的声波以及泄漏声波。
公式(4)与(5)乘积可以得到
需要指出的是，上式近似成立的基础是
公式(4)-(6)代入上式可以得到
相较于背景技术中的测量方法(3),本发明所采用的公式不需要声速以及流速的先验知识，仅需要确定连个换能器的安装距离，而该距离在安装时就可以确定。
实现方法
关于泄漏时间延时
针对泄漏时间延时Δtpeak＝tpeak--tpeak+，可以采用当前现有技术中普遍应用的基于互相关，谱方法等进行估计。不再过多说明。
声波顺逆流传播时间测量
针对顺逆传播时间测量tmea+以及tmea-问题，由于泄漏引起的声波存在，激发的声波特征与泄漏引起的声波特征需要很好的区分。具体方法为：首先通过频谱分析获得泄漏噪音的声学特征以及噪音幅度。在此基础上，选择与泄漏噪音中心频率较远的频率选择激励声波。同时，激励源需要具备一定强度的能量，使得激励的声波幅度明显高于泄漏噪音幅度。另一个探头接收到的声波首先通过带通滤波等方法获得激励声波数据，然后通过各类方法获得传播时间tmea+与 tmea-。
声波换能器可以实现电信号和声波(机械波)的转换，声波换能器可以构建多个周期的激励信号(电信号)，并转化为激发声波在管道中传播；声波换能器同时也可以将接收到的激发声波转化为接收信号(电信号)。激励信号和接收信号可以通过本发明系统的运算模块进行数据分析。
实施例1：定位管路泄漏位置的检测方法
本发明实施例利用互相关方法说明上述分析。图2中，假设直管道长度为 L1＝1m，泄漏源距离换能器1的距离为x＝0.3m。根据射流噪音理论，泄漏源产生的声波属于宽频噪音。为简化分析，假设泄漏源产生的声波频率为100Hz，声波幅度为0.1。管道中流速为v＝10m/s，声波在静止流体中的传播速度为 c＝1500ms.则第一声波换能器与第二声波换能器接收到的声波信号如图3a和图3b所示。
两信号通过互相关方法(matlab中可以采用xcorr标准函数得到)得到如图 4所示的信息。
通过最大值搜索方法获得互相关最大点，最大点对应的时间即为Δtpeak＝0.26ms。根据公式(2)，可以得到理论的延时为0.262ms。
针对传播时间测量问题，可以采用很多方法实现。本发明实施例只列出脉冲波方式进行，实际并不限于该方式。在激励端(第一声波换能器)，构建10个周期的脉冲波序列(声波频率设置为50KHz)。接收端(第二声波换能器)通过滤波后得到图5a和图5b所示信号。
对上述信号进行互相关运算，可以得到如图6所示的信息，即互相关信号 (互相关信号本质上是两个时间序列之间的相关程度)。
针对上述互相关信号利用最大点搜索方法即找到两个时间序列之间相关程度的最大值)，得到时间延迟预估为tmea+＝0.663ms。通过(4)计算可以得到理论值为0.662ms。
逆流情况与顺流情况一致。在激励端(第二声波换能器)，构建10个周期的脉冲波序列(声波频率设置为50KHz)。接收端(第一声波换能器)通过滤波后得到图7a和图7b所示信号。
对上述信号进行互相关运算，可以得到如图8所示的信息，即互相关信号 (互相关信号本质上是两个时间序列之间的相关程度)。
针对上述互相关信号利用最大点搜索方法(即找到两个时间序列之间相关程度的最大值)，得到时间延迟预估为tmea-＝0.672ms。通过(4)计算可以得到理论值为0.671ms。
利用公式(6)，可以得到对声速的测量值为1498m/s，理论设定值为1500m/s
利用公式(8)，可以得到对泄漏源位置的测量值为0.301m；理论设定值为 0.3m。
需要指出的是，本方法是在传统泄漏定位方法的基础上进行了进一步研究。在传播顺逆流测量中，需要构建与泄漏信号特征不一致的检测信号，除了实例分析中提到的正弦波之外，可以采用方波等，正弦波周期数不仅限于10个。
在信号处理过程中，本实例没有提到滤波的问题，实际信号过程中需要通过滤波去掉噪音对测量的影响。
实例中仅列举了标准互相关方法，可以针对信号噪音，选用噪音抑制更强的时延估计算法。
实施例2：定位管路泄漏位置的检测系统
如图9所示，本发明实施例是一种定位管路泄漏位置的检测系统，包括第一声波换能器和第二声波换能器，分别安装在管路的不同位置；所述第一声波换能器和所述第二声波换能器被设置为可以接收所述管路发生泄漏时引起的泄漏声波，和激发用于定位所述泄漏发生位置的激发声波，所述泄漏声波和所述激发声波有不同的声波特征；还包括计算模块，用于根据两个声波换能器之间的距离以及泄漏声波和激发声波的传播时间计算得到泄漏位置。
本发明实施例中的两个声波换能器的位置可以参考图2中的声波换能器1 和声波换能器2的位置进行设置。本发明实施例相对于现有技术中的系统而言，主要增加了计算模块，计算模块主要根据如实施例1所述的方法进行相应的参数测量，并获得所需要的的数值。
具体的，所述计算模块包括检测模块、运算模块：
设置泄漏位置距离第一声波换能器的距离为x；
设置第一声波换能器和第二声波换能器之间的距离为L；
所述检测模块，用于检测泄漏产生的时间差为Δtpeak、检测第一声波换能器发射声波和第二声波换能器接收激发声波的时间为tmea+、检测第二声波换能器发射激发声波和第一声波换能器接收激发声波的时间为tmea-，并将检测到的数值传输到运算模块；
所述运算模块根据以下公式计算x以得到泄漏位置：
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
