基于声压传感器的供热管道泄漏检测

的绝对值$而音波法检量为管道压力脉动( 国外关
收稿日期!"#$% (#) ("$ 作者简介!徐涛"$%*$#$男$博士$副教授$主要研究方向为新 型敏感元件及传感器相关的信号处理技术%& 通信作者' 梁策 "$%%&#$男$硕士研究生$主要研究方向为检测技术与自动化
于音波法泄漏检测技术的研究做出许多贡献$如3K0
图$!设备安装示意图
传感器采用美国,-.公司的高灵敏度0-, 声压
传感器$#+.)#( 这是一款用来测量动态压力的传感
器量程为 灵敏度为 $
(&Z\Z) ]&Z\Z) B,;$
*"\) 9^@
供了事实依据(
$!音波法泄漏检测原理
分辨率为 低频响应低至 B,;$
#\###Z' B,;$
#\) _`(
!!在我国北方很多地区都存在着供热管道老化的现 效果不佳$在工况复杂和外界噪声较大的情况下$负压
象&$'$深埋地下的供热管道一旦发生泄漏很难被及时 波法提取压力拐点信号的难度较大( 基于声压传感器
发现( 在众多的管道泄漏检测方法中$负压波法应用 的音波法与负压波法相比具有灵敏度高)实时性强)响
范围最广&"'( 但其在应用于管道微漏)缓漏的情况时 应速度快等优点&&'( 负压波法的检测量为管道压力
频段的信号将发生衰减( 供热管道泄漏音波信号频谱 图如图* 所示( 从图* 中可知$实际有效音波信号的 频率主要分布在&\""+ ]'\#+) _`之间( 实验中实际 采样率为$+)$\+$ _`$可满足采样定理的要求(
图Z!音波信号采集系统上位机前面板
&!实验结果与分析
由于实验现场所处环境十分复杂$实验所采集到
内是突变的非平稳信号( 与傅里叶变换相比$基于小 &\""+ ]'\#+) _`频带内( 因此小波分解后的低频信
波变换的去噪方法在非平稳信号的处理上更具优 息频带范围应包含频带"&\""+ _`$'\#+) _`#( 实验
势 ( &$#($$' 基于小波变换的信号去噪方法首先要对原 中实际的采样率为$+)$\+$ _`$在小波分解层数达到
适用于长输管道(
力隔膜受到声压的作用$受力隔膜的平衡状态被打破$
"!实验条件
从而使传感器有电压输出( 采用/0公司的以太网-E9S;1O234机箱1234W
现场实验在辽宁大唐国际沈抚热力有限责任公司 %$'' 和"Z 位Z 通道动态信号采集模块1234W%"&Z 设
基于声压传感器的供热管道泄漏检测
的信号中含有大量的噪声$供热管道泄漏实验原始数
据波形如图) 所示(
由图) 可以发现$能够表征泄漏的信号被淹没在
噪声中$因此$必须对采集到的原始信号进行去噪处理
后再对信号的特征进行分析( 在原始数据中截取供热 管道正常运行时段的信号进行频谱分析( 供热管道泄
图*!供热管道泄漏音波信号频谱图
漏实验原始数据波形图如图+ 所示$管道背景噪声信 基于傅里叶变换的信号去噪方法和基于小波变换
上位机采用G;6^0ab 软件进行设计$可对数据采 集设备的采样通道)采样率)采集数据范围等进行配 置$还可以实时显示采集到的数据波形( 采集到的数 据通过上位机软件选择保存路径$数据文件以O597格 式保存( 音波数据采集系统上位机软件前面板如图Z 所示(
图)!供热管道泄漏实验原始数据波形图
图+!供热管道背景噪声信号频谱图
供热管道的泄漏检测( 提出的方法对于长输大口径供热管道泄漏检测有较好的效果$在工业生产中将
取得一定的经济效益(
关键词!供热管道%泄漏检测%声压传感器%脉动信号%小波去噪
中图分类号 文献标识码 文章编号 !=.)""%=,"#+ >?$!!
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由于管道内液体与管壁)阀门等碰撞会产生偶极子声
源$偶极子声源和四极子声源叠加为可表征泄漏的音
波信号( 泄漏点处产生的音波信号压力为
[#\&"$"
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压式力中$$泄,漏;为%音音$波为波信泄信号漏号从孔压泄径力漏$脉9点%动开$" ,为始;%管沿道着为直管泄径壁漏$向9点(两处侧静态传
数据采集与处理!
测控技术
"#$% 年第&' 卷第$" 期
*%&*
基于声压传感器的供热管道泄漏检测
徐!涛$ 梁!策
"沈阳航空航天大学自动化学院$辽宁沈阳!$$#$&+#
摘要!为实现对供热管道泄漏的检测$研究了基于声压传感器的供热管道泄漏检测方法( 首先利用,-.
公司的声压传感器和/01234搭建了实验平台$并在现场进行了泄漏检测实验%研究了长输大口径供
播$安装在管道上的传感器可以采集泄漏音波信号$根
图"!传感器内部结构示意图
据音波信号的变化特征可对管道泄漏进行检测( 在音 当管道正常工作时管内压力稳定$声压传感器受
波信号传播的过程中$其高频成分的衰减十分迅速$低 力隔膜处于平衡状态$此时传感器无电压输出%当管道
频成分可传播较远距离&)(*'( 所以$音波法泄漏检测 发生泄漏时$由于泄漏产生的音波信号使传感器的受
公司和 公司等都开发 "31EN7OP1K87OI90/-#
YE57EQP1
了多款产品应用于实际生产中$并取得了较好的效果(
但由于商业原因$相关技术的文献资料极少( 我国对
装置(
于相关技术的研究起步较晚$近年来管道泄漏检测的
*%Z*
+测控技术,"#$% 年第&' 卷第$" 期
研究主要集中在油气管道上$关于供热管道泄漏检测 辽宁省沈阳市浑南区深井子东路$% 号至同城二路$$
始信号进行小波分解$再对分解后的高频分量进行处 $# 层时$其最低频分量的频带为"#$&\""+ _`#( 不失
文利用,-.公司的高灵敏度声压传感器在长输大口
径供热管道采集泄漏时产生的声压脉动信号$搭建了
基于/01234的传感器数据采集系统%研究了基于小
波的信号去噪方法$对比了56)789):;;<小波基函数
应用于长输大口径供热管道泄漏信号的去噪效果$设
计了基于:;<<小波的压力脉动信号去噪算法$并通过 实际泄漏信号对设计算法进行了验证( 研究表明!本 文提出的基于:;;<小波的压力脉动信号去噪算法在 实际应用中取得了较好的效果( 为基于音波法的大口 径长输供热管道泄漏检测方法在实际生产中的推广提
理想的泄漏信号滤波方法( 但实验室管道模型内径和 的三通连接管与管道相连$三通连接管一端连接压力表
长度与实际供热管道相差极大$且实验室环境噪声相 实时观察供热管道运行压力$另一端连接传感器对泄漏
比于工况复杂的现场而言十分微弱(
音波信号进行感知( 设备安装示意图如图$ 所示(
为解决长输大口径供热管道泄漏检测的问题$本
低$因此基于音波信号的泄漏检测方法尚未大规模应 漏端阀井内通过三通装置与管道阀门相连$三通连接
用于实际工程中( 关于信号去噪方法的研究对于提高 管一端连接压力表可供实时观察供热管道的运行压
音波法泄漏检测的精度起到决定性作用( 刘爽&Z' 在 力$另一端连接控水闸阀$通过控制闸阀的开关状态来
实验室搭建供热管道模型进行实验研究$得到了较为 模拟管道泄漏的发生( 在数据采集端阀井内通过相同
561'4&/'70Q E<5I<OE5IOI1OO:ILI;B;RIEM:I;OPQRSPSIFO:ILI;B 5IOI1OPEQ 9IO:E5 EM:I;OPQRSPSI6;7I5 EQ 7ENQ5 S<I77N<I7IQ7E<P77ON5PI5?=:I5IOI1OPEQ 787OI9VPO: ,-.7ENQ5 S<I77N<I7IQ7E<;Q5 /01234V;75IW 7PRQI5FO:ILI;B;RI7PRQ;LV;75IOI1OI5 ;OO:I<I;L:I;OPQRSPSILPQI?=:ILI;B;RI1:;<;1OI<P7OP17EM;1EN7OP1 S<I77N<IMLN1ON;QO7PRQ;LME<LEQR5P7O;Q1I;Q5 L;<RI5P;9IOI<:I;OPQRSPSIVI<I7ON5PI5F;Q5 O:I5IWQEP7PQR;W 6PLPOPI7EM56 V;TILIOF789 V;TILIO;Q5 :;;<V;TILIOME<;1EN7OP1S<I77N<I7PRQ;L7PQ SPSI7VI<I1E9S;<I5? =:ENR: 56 V;TILIO;Q5 789V;TILIO1ENL5 IMMI1OPTIL8MPLOI<O:IQEP7I7PRQ;L7PQ S<E1I77PQRLI;B 7PRQ;LM<E9O:I 79;LLW71;LISPSIPQ L;6E<;OE<8FO:I81ENL5 QEOMPLOI<O:IQEP7I7PRQ;LM<E9LEQR5P7O;Q1I;Q5 L;<RI5P;9IOI<:I;OW PQRSPSI7?=:I1E9S;<P7EQ EMO:IO:<IIV;TILIO77:EV7O:;OO:I:;;<V;TILIOP7O:I6I7OME<7PRQ;LMPLOI<PQRPQ LEQR5P7O;Q1I;Q5 L;<RI5P;9IOI<:I;OPQRSPSI7?=:I<IME<IF;1EN7OP19IO:E5 P77NPO;6LIME<LI;B;RI5IOI1OPEQ EM LEQR5P7O;Q1I;Q5 L;<RI5P;9IOI<:I;OPQRSPSI7?0OS<ETP5I7;Q IMMI1OPTI9IO:E5 ME<LI;B;RI5IOI1OPEQ EMLEQR5P7W O;Q1I;Q5 L;<RI5P;9IOI<:I;OPQRSPSI7F;Q5 VPLLE6O;PQ 6IOOI<I1EQE9P16IQIMPO7PQ PQ5N7O<P;LS<E5N1OPEQ? 8%9 :"4!17:I;OPQRSPSIXLI;B;RI5IOI1OPEQX7ENQ5 S<I77N<I7IQ7E<XMLN1ON;QO7PRQ;LXV;TILIO5IWQEP7PQR
热管道泄漏声压脉动信号特征$并对56 小波)789小波):;;<小波处理含噪声管道声压信号的去噪能力
进行比较( 虽然在处理实验室小规模管道模型泄漏信号时56 小波和789小波取得了较好的效果$但它
们无法有效滤除大口径长输供热管道泄漏信号中的噪声信号( 通过对比发现$:;;<小波去噪方式能较
好地应用于长输大口径供热管道的信号滤波中( 因此$基于音波法的泄漏检测方法适用于长输大口径
方面的研究非常少$相关研究大多在仿真和实验室阶 号之间供热管线上进行( 管道正常运行压力为#\)
段( 因为音波信号在管道内传播过程中易受到现场多
内径为 Y,;$
$\"
9$管壁厚度为$Z
99(
实验中模拟
种噪声的干扰$导致传感器所采集到的信号信噪比较 泄漏点与数据采集点直线距离约$### 9( 在模拟泄
$#+.)# 传感器低频响应特性较好$适宜使用在长输管
道泄漏检测上( 传感器内部结构示意图如图" 所示(
供热管道正常运行时管内压力远高于管外大气压
力( 当供热管道发生泄漏时管道内的压力平衡被破
坏$管内液体在压力的作用下喷射而出( 在此过程中$
由于液体与管壁和空气等相互作用而形成强烈的湍
流$从而产生了四极子声源辐射声波&)'( 与此同时$
!"#!$#?$%*#' @A?1BA7?"#$%?$"?#$+
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计数据采集系统( 利用G;6^0ab对采集模块进行配置
并编写数据采集程序$通过软件选择0a,a模式驱动
传感器工作最高采样率达 $#+.)#
$
)$?" BK @7( 1234W
%$'' 机箱与上位机通过以太网进行连接完成设备的
配置和数据的传输( 实验现场设备安装图如图& 所示(
图&!现场实验设备安装图
号频率充满整个频带$而不是集中在某段频带内( 的信号去噪方法是两种典型的信号去噪方式&''( 其
能够表征管道泄漏的音波信号主要集中在低频 中$基于傅里叶变换的信号去噪方法适用于平稳信号
段&%'$且模拟泄漏点与数据采集点相距较远$所以高 的处理( 管道泄漏瞬间所产生的泄漏信号在时域范围
*%+*
+测控技术,"#$% 年第&' 卷第$" 期