基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计
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监测系统首站框图如图 1 所示。次声波信号 接收器接收次声波信号进行次声波检测； 压力计 根据首、末站压力的波动进行负压波检测； 流量计 计量介质的累积流量，进行质量平衡检测； 瞬态模 型法综合运用压力计、流量计和温度计检测到的 数据，并根据工况建立介质流体方程，通过实测与 预测量的比较进行泄漏检测； 数据处理模块为核 心部分，完成各类数据的采集与处理，控制芯片由 FPGA 内嵌 DSP 核实现； GPS 授时模块使首、末站 数据处理模块接收数据的时间处于同一个授时时
笔者针对次声波检测法在天然气管道泄漏检 测系统中的应用展开研究，设计出可快速和精确 实现天然气管道泄漏报警与定位检测的新方案。 1 系统设计
天然气管道泄漏检测系统主要解决管道发生 泄漏时的快速报警和泄漏点的精确定位两个主要 问题，笔者以声波法为主，瞬态模型法、负压波法 和质量平衡法为辅，综合其优势，实现对天然气泄 漏点的快速报警和准确定位。
first and last stations was obtained by making use of GPS module to locate the leak．
Key words natural gas，pipeline，leak detection，infrasonic wave
次声信号采集系统采用模块式结构，主要由 次声传感器、低通滤波电路、放大电路、A / D 转换 电路、FPGA 控制芯片和工控机组成 （ 图 3 ） 。次 声信号模拟量经A / D转换、简单数据处理及GPS
了硬件和软件设计框架，对基于次声波原理的长 输管道泄漏点精确检测具有指导意义。
参考文献
［1］ 杨杰，王桂增． 输气管道泄漏诊断技术综述［J］． 化 工自动化及仪表，2004，31（ 3） ： 1 ～ 5．
质受 声 扰 动 时 的 压 缩 特 性，若 介 质 可 压 缩 性 大
（ 如气体） ，则声速会较小（ 理想气体中的声速为
330． 6m / s，空气中的声速为 334m / s） ； 若介质可压
缩性小（ 如液体） ，则声速会较大。实际流体因粘
性而对声波的传播有阻滞作用，发生声衰减或声
吸收。声波在不同介质里的传播速度和衰减情况
2u ρ0 w
（ 4）
ρ0 ———不可压缩气体密度，一般为常数；
ρ ———压 缩 后 的 气 体 密 度，是 时 间 的 函
数；
w ———声波的角频率；
r ———管道的半径；
u ———粘滞系数。
粘滞系数 u 由流体的切变粘滞系数 u1 和容 变粘滞系数 u2 （ 声传播中起着十分关键的作用） 组成，具体计算式为：
次声波到达首、末站的时间差，从而对泄漏点进行准确的定位，最后给出了天然气管道泄漏检测系统的
软、硬件设计方案。
关键词 天然气 管道 泄漏检测 次声波
中图分类号 TP216
文献标识码 A
文章编号 1000-3932（ 2011） 06-0653-03
天然气管网集输系统规模日益扩大，管道占 压、腐蚀和老化情况加剧，盗气现象日益猖獗，这 都严重影响了管道的安全平稳运行，并且存在一 定程度的安全隐患。声波泄漏检测技术和分布式 光纤泄漏检测技术是近年来国内外泄漏检测技术 研究的重点和热点，并且已经初步应用于天然气 管网泄漏检测，取得了良好的效果。但分布式光 纤泄漏检测技术大部分处于理论研究阶段，而声 波检测法已实现了连续在线检测很小的泄漏量， 其灵敏度高、误报率低、定位精度高、适应性好、安 装和维护费用也较低［1，2］。
u=
3 4
u1
+ u2
（ 5）
本系统主要用于大管径长输天然气管道，因
此在进行定位计算时不考虑管壁吸收及介质流速
对声波传播速度的影响，可以认为在天然气管道
泄漏检测中，泄漏声波与空气中的传播速度相同，
即 334m / s。
2． 3 泄漏信号到达首、末端时间差的确定
泄漏信号先传播到 A 点，间隔一定时间后再
泄漏点所产生的泄漏信号压力为：
( ) Δp = 0． 3ps
D1 D2
2
（ 1）
式中 Δp ———声波信号的压力；
pS ———泄漏点的静态压力； D1 ———泄漏点的孔径； D2 ———管道的直径。 基于声波的管道泄漏点定位原理如图 2 所
示。
图 2 基于声波的管道泄漏点定位原理图
泄漏点位于 A、B 两个次声传感器之间。将
* 收稿日期：2011 -03 -14 基金项目：黑龙江省教育厅攻关项目（ 提高嵌入式随钻测斜 仪精度的研究 No11551027）
654
化工自动化及仪表
第 38 卷
测原理的泄漏检测技术适用于长输天然气管道。
管道泄漏产生的声波信号具有以下特点：
a． 该信号由泄漏介质与管道及周围介质相
互作用产生，是一种连续信号，因此监测仪器不需
要采用太高的采样频率；
b． 信号沿管道向上、下游传播，通过首、末
端传感器接收信号的处理，可以获得泄漏点的大
小及具体位置等信息；
c． 信号受泄漏孔径大小和形状、介质压力、
周围介质及环境噪声等诸多因素的影响，本质上
属非平稳随机信号；
d． 信号具有多模态特性，并且在管道内传 播时存在频散现象［3］。
假定泄漏点的静态压力就是管道的压力，则
［2］ 李玉星，彭红伟，唐建峰等． 天然气长输管道泄漏检 测方案对比［J］． 天然气工业，2008，28 （ 9 ） ： 101 ～ 104．
［3］ 沈功田，刘时风，王玮． 基于声波的管道泄漏点定位 检测仪的开发［J］． 无损检测，2010，32（ 1） ： 53 ～ 56．
［4］ 王朝晖，张来斌，辛若家等． 声发射技术在管道泄漏 检测中的应用［J］． 中国石油大学学报 （ 自然科学 版） ，2007，31（ 5） ： 87 ～ 90．
（ Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）
Abstract The hardware and software solutions to detecting of gas pipeline leaks were established． Basing on
泄漏信号，这时的延迟就是泄漏信号到达两传感
器的时间差 Δt：
Δt =
i f
（ 8）
式中 f———信号的采样频率。
根据时间差 Δt 就可以进一步确定泄漏点的
具体位置了。
4 结束语 笔者分析了天然气管道泄漏点产生的次声波
信号特点，具体给出了天然气管道内声波传播速 度的数学模型，及泄漏信号首、末端时间差的确定 方法，精确而快速地确定了具体的泄漏点，并给出
0
（ 6）
其离散形式为：
第6 期
阚玲玲等． 基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计
655
Rxy （ m）
=
1 N
N －1
∑ x（
n =0
n）
y（
n
+
m）
Leabharlann Baidu
（ 7）
式中 N———相关的点数。
实际中可将传感器 A 和 B 接收到的信号一
分为二，用离散相关函数选取两者的前半部分 A1 和 B1 做相关，然后逐点移动传感器 B 测得的信 号 Bn，用同等长度与传感器 A 的前半部分 A1 继 续做相关，得到 r1 ，r2 ，…，rN 共 N 个相关结果，由 于 A1 中至少含有一部分泄漏信号 L，在依次做相 关时，Bn 中至少有一段信号会含有与 A1 信号相 同的泄漏信号 L，因而在依次做相关的某一点 i
＊
严重衰减，泄漏检测技术仅能利用低频信号。 2． 1 次声波检测原理及定位算法
流体穿过管壁漏孔外泄时会激发广谱音频信 号，小于 20Hz 的次声信号可由管内介质传输很 长的距离，通过安装在管道内的次声传感器采集 泄漏信号的连续波形，采用安装在首、末两端的传 感器进行次声探测，通过对两个波形的相关分析 即可确定泄漏次声信号到达首、末端传感器的时 间差，从而定位泄漏源。因此，基于次声波信号检
钟控制下，实现快速精确的检测与定位； 数传电台 完成首、末站数据的交互； 上 位 机 软 件 由 VS 开 发，实现人机交互，融合负压波法、次声波法、质量 平衡法和瞬态模型法，根据多种信息融合结果，实 现泄漏的快速报警及自 /手动定位。
图 1 天然气管道泄漏监测系统示意图 2 次声波检测
天然气管 道 内 的 介 质 和 管 道 壁 是 紧 密 接 触 的，沿气体传输的音频信号其衰减与频率成平方 关系。当气体发生泄漏时，虽然发射的声波频率 有很宽的范围，但是由于泄漏信号中高频成分的
［5］ 赵志强，田璀，曾垂省． 次声信号采集系统的设计与 实现［J］． 自动化与仪器仪表，2009，29 （ 6 ） ： 114 ～ 115，117．
Infrasonic Wave-based Gas Pipeline Leaks Detection System
KAN Ling-ling，LIANG Hong-wei，GAO Bing-kun，WANG Xiu-fang
3 次声信号采集系统软硬件设计 在天然气管道泄漏检测系统中，由于泄漏点
发出的广谱声波信号中包含次声波信号，该次声 波随管道内流动的天然气介质一起传入次声波传 感器［5］，传 感 器 将 接 收 到 的 信 号 转 换 为 电 压 信 号，经过滤波和信号放大后进行模数转换，并将转 换结果在 PC 机上进行实时波形显示、数据存储、 分析和处理，以可视化方式显示出次声波的频率 和强度，并直观显示结果图形、自动生成曲线并将 最终结果打印出来。
播速度 v 和泄漏信号到达传感器的时间差 Δt 关
系密切。
2． 2 天然气管道内声波传播速度的确定
当管道发生泄漏时，由于管道内外存在压差，
泄漏点的流体迅速流失，导致管道内部压力迅速
下降，泄漏点两边的流体由于压差而向泄漏点处
补充，而且这个过程会向上、下游依次传递，此时
就可以确定泄漏点处产生了声波，声波反应了介
the sonic wave and hydromechanics theory，the formation，features and acquisition methods of infrasonic wave
were researched； the algorithm of sonic wave speed in gas pipelines was improved，and the time shift between
传播到 B 点，由于信号在短时内处于稳态，因此
可以认为传播到 A 点和 B 点的信号存在相似性，
只是 B 点的信号在时间上滞后于 A 点。
任一声波信号 x（ t） 和一个延迟时间为 τ 的
声波信号 y（ t + τ） 在时间 T 内的互相关函数为：
∫ Rxy （ τ）
=
1 T
T
x（ t） y（ t + τ） dt
第6 期
阚玲玲等． 基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计
653
基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计
阚玲玲 梁洪卫 高丙坤 王秀芳
（ 东北石油大学，黑龙江 大庆 163318）
摘 要 基于声学和流体学等相关理论，研究了天然气管道发生泄漏时次声波产生的机理及信号特点
和采集方法，并对声波在天然气管道内的传输速度的算法进行修正，通过 GPS 模块确定天然气泄漏时的
同步后送入上位机。软件系统能够完成对管道两 端次声波等数据的实时显示与分析，实现泄漏点 的及时报警和及精确定位，历史数据查询及工作 日志等功能。软件系统由 VS 设计、开发与实现， 工作流程如图 4 所示。
时，必有一次是在做自相关，自相关的结果 ri 在 N 个相关结果中必定是最大的，此信号 Bi 可认为是 泄漏信号 L 到达传感器 A 之后到达传感器 B 的
不同，在天然气介质中的传播速度与介质的密度、
温度、质点速度和压强等因素相关。在满足管径
尺寸的条件下，通过管内流动方程组可导出细管
中声波衰减的系数，即细管粘滞吸收系数 α，它与
声速 v1 的计算式分别为：
式中
槡 α
=
1 rC0
uw 2ρ0
（ 3）
槡 ( 槡 ) v1 = C0
ρ0 ρ
≈C0
1
－
1 2r
A、B 接收到的信号同步并作互相关后传到 A、B 的时间差为 Δt，从而得到如下的定位公式［4］：
X
=
D
－
v·Δt 2
（ 2）
式中 X ———泄漏点距参考传感器 A 的距离；
D ———两个传感器之间的距离；
v ———声波传播的速度；
Δt———从相关函数得出的泄漏信号到达传
感器的时间。
由式（ 2） 可以看出，泄漏点的定位与声波传
笔者针对次声波检测法在天然气管道泄漏检 测系统中的应用展开研究，设计出可快速和精确 实现天然气管道泄漏报警与定位检测的新方案。 1 系统设计
天然气管道泄漏检测系统主要解决管道发生 泄漏时的快速报警和泄漏点的精确定位两个主要 问题，笔者以声波法为主，瞬态模型法、负压波法 和质量平衡法为辅，综合其优势，实现对天然气泄 漏点的快速报警和准确定位。
first and last stations was obtained by making use of GPS module to locate the leak．
Key words natural gas，pipeline，leak detection，infrasonic wave
次声信号采集系统采用模块式结构，主要由 次声传感器、低通滤波电路、放大电路、A / D 转换 电路、FPGA 控制芯片和工控机组成 （ 图 3 ） 。次 声信号模拟量经A / D转换、简单数据处理及GPS
了硬件和软件设计框架，对基于次声波原理的长 输管道泄漏点精确检测具有指导意义。
参考文献
［1］ 杨杰，王桂增． 输气管道泄漏诊断技术综述［J］． 化 工自动化及仪表，2004，31（ 3） ： 1 ～ 5．
质受 声 扰 动 时 的 压 缩 特 性，若 介 质 可 压 缩 性 大
（ 如气体） ，则声速会较小（ 理想气体中的声速为
330． 6m / s，空气中的声速为 334m / s） ； 若介质可压
缩性小（ 如液体） ，则声速会较大。实际流体因粘
性而对声波的传播有阻滞作用，发生声衰减或声
吸收。声波在不同介质里的传播速度和衰减情况
2u ρ0 w
（ 4）
ρ0 ———不可压缩气体密度，一般为常数；
ρ ———压 缩 后 的 气 体 密 度，是 时 间 的 函
数；
w ———声波的角频率；
r ———管道的半径；
u ———粘滞系数。
粘滞系数 u 由流体的切变粘滞系数 u1 和容 变粘滞系数 u2 （ 声传播中起着十分关键的作用） 组成，具体计算式为：
次声波到达首、末站的时间差，从而对泄漏点进行准确的定位，最后给出了天然气管道泄漏检测系统的
软、硬件设计方案。
关键词 天然气 管道 泄漏检测 次声波
中图分类号 TP216
文献标识码 A
文章编号 1000-3932（ 2011） 06-0653-03
天然气管网集输系统规模日益扩大，管道占 压、腐蚀和老化情况加剧，盗气现象日益猖獗，这 都严重影响了管道的安全平稳运行，并且存在一 定程度的安全隐患。声波泄漏检测技术和分布式 光纤泄漏检测技术是近年来国内外泄漏检测技术 研究的重点和热点，并且已经初步应用于天然气 管网泄漏检测，取得了良好的效果。但分布式光 纤泄漏检测技术大部分处于理论研究阶段，而声 波检测法已实现了连续在线检测很小的泄漏量， 其灵敏度高、误报率低、定位精度高、适应性好、安 装和维护费用也较低［1，2］。
u=
3 4
u1
+ u2
（ 5）
本系统主要用于大管径长输天然气管道，因
此在进行定位计算时不考虑管壁吸收及介质流速
对声波传播速度的影响，可以认为在天然气管道
泄漏检测中，泄漏声波与空气中的传播速度相同，
即 334m / s。
2． 3 泄漏信号到达首、末端时间差的确定
泄漏信号先传播到 A 点，间隔一定时间后再
泄漏点所产生的泄漏信号压力为：
( ) Δp = 0． 3ps
D1 D2
2
（ 1）
式中 Δp ———声波信号的压力；
pS ———泄漏点的静态压力； D1 ———泄漏点的孔径； D2 ———管道的直径。 基于声波的管道泄漏点定位原理如图 2 所
示。
图 2 基于声波的管道泄漏点定位原理图
泄漏点位于 A、B 两个次声传感器之间。将
* 收稿日期：2011 -03 -14 基金项目：黑龙江省教育厅攻关项目（ 提高嵌入式随钻测斜 仪精度的研究 No11551027）
654
化工自动化及仪表
第 38 卷
测原理的泄漏检测技术适用于长输天然气管道。
管道泄漏产生的声波信号具有以下特点：
a． 该信号由泄漏介质与管道及周围介质相
互作用产生，是一种连续信号，因此监测仪器不需
要采用太高的采样频率；
b． 信号沿管道向上、下游传播，通过首、末
端传感器接收信号的处理，可以获得泄漏点的大
小及具体位置等信息；
c． 信号受泄漏孔径大小和形状、介质压力、
周围介质及环境噪声等诸多因素的影响，本质上
属非平稳随机信号；
d． 信号具有多模态特性，并且在管道内传 播时存在频散现象［3］。
假定泄漏点的静态压力就是管道的压力，则
［2］ 李玉星，彭红伟，唐建峰等． 天然气长输管道泄漏检 测方案对比［J］． 天然气工业，2008，28 （ 9 ） ： 101 ～ 104．
［3］ 沈功田，刘时风，王玮． 基于声波的管道泄漏点定位 检测仪的开发［J］． 无损检测，2010，32（ 1） ： 53 ～ 56．
［4］ 王朝晖，张来斌，辛若家等． 声发射技术在管道泄漏 检测中的应用［J］． 中国石油大学学报 （ 自然科学 版） ，2007，31（ 5） ： 87 ～ 90．
（ Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）
Abstract The hardware and software solutions to detecting of gas pipeline leaks were established． Basing on
泄漏信号，这时的延迟就是泄漏信号到达两传感
器的时间差 Δt：
Δt =
i f
（ 8）
式中 f———信号的采样频率。
根据时间差 Δt 就可以进一步确定泄漏点的
具体位置了。
4 结束语 笔者分析了天然气管道泄漏点产生的次声波
信号特点，具体给出了天然气管道内声波传播速 度的数学模型，及泄漏信号首、末端时间差的确定 方法，精确而快速地确定了具体的泄漏点，并给出
0
（ 6）
其离散形式为：
第6 期
阚玲玲等． 基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计
655
Rxy （ m）
=
1 N
N －1
∑ x（
n =0
n）
y（
n
+
m）
Leabharlann Baidu
（ 7）
式中 N———相关的点数。
实际中可将传感器 A 和 B 接收到的信号一
分为二，用离散相关函数选取两者的前半部分 A1 和 B1 做相关，然后逐点移动传感器 B 测得的信 号 Bn，用同等长度与传感器 A 的前半部分 A1 继 续做相关，得到 r1 ，r2 ，…，rN 共 N 个相关结果，由 于 A1 中至少含有一部分泄漏信号 L，在依次做相 关时，Bn 中至少有一段信号会含有与 A1 信号相 同的泄漏信号 L，因而在依次做相关的某一点 i
＊
严重衰减，泄漏检测技术仅能利用低频信号。 2． 1 次声波检测原理及定位算法
流体穿过管壁漏孔外泄时会激发广谱音频信 号，小于 20Hz 的次声信号可由管内介质传输很 长的距离，通过安装在管道内的次声传感器采集 泄漏信号的连续波形，采用安装在首、末两端的传 感器进行次声探测，通过对两个波形的相关分析 即可确定泄漏次声信号到达首、末端传感器的时 间差，从而定位泄漏源。因此，基于次声波信号检
钟控制下，实现快速精确的检测与定位； 数传电台 完成首、末站数据的交互； 上 位 机 软 件 由 VS 开 发，实现人机交互，融合负压波法、次声波法、质量 平衡法和瞬态模型法，根据多种信息融合结果，实 现泄漏的快速报警及自 /手动定位。
图 1 天然气管道泄漏监测系统示意图 2 次声波检测
天然气管 道 内 的 介 质 和 管 道 壁 是 紧 密 接 触 的，沿气体传输的音频信号其衰减与频率成平方 关系。当气体发生泄漏时，虽然发射的声波频率 有很宽的范围，但是由于泄漏信号中高频成分的
［5］ 赵志强，田璀，曾垂省． 次声信号采集系统的设计与 实现［J］． 自动化与仪器仪表，2009，29 （ 6 ） ： 114 ～ 115，117．
Infrasonic Wave-based Gas Pipeline Leaks Detection System
KAN Ling-ling，LIANG Hong-wei，GAO Bing-kun，WANG Xiu-fang
3 次声信号采集系统软硬件设计 在天然气管道泄漏检测系统中，由于泄漏点
发出的广谱声波信号中包含次声波信号，该次声 波随管道内流动的天然气介质一起传入次声波传 感器［5］，传 感 器 将 接 收 到 的 信 号 转 换 为 电 压 信 号，经过滤波和信号放大后进行模数转换，并将转 换结果在 PC 机上进行实时波形显示、数据存储、 分析和处理，以可视化方式显示出次声波的频率 和强度，并直观显示结果图形、自动生成曲线并将 最终结果打印出来。
播速度 v 和泄漏信号到达传感器的时间差 Δt 关
系密切。
2． 2 天然气管道内声波传播速度的确定
当管道发生泄漏时，由于管道内外存在压差，
泄漏点的流体迅速流失，导致管道内部压力迅速
下降，泄漏点两边的流体由于压差而向泄漏点处
补充，而且这个过程会向上、下游依次传递，此时
就可以确定泄漏点处产生了声波，声波反应了介
the sonic wave and hydromechanics theory，the formation，features and acquisition methods of infrasonic wave
were researched； the algorithm of sonic wave speed in gas pipelines was improved，and the time shift between
传播到 B 点，由于信号在短时内处于稳态，因此
可以认为传播到 A 点和 B 点的信号存在相似性，
只是 B 点的信号在时间上滞后于 A 点。
任一声波信号 x（ t） 和一个延迟时间为 τ 的
声波信号 y（ t + τ） 在时间 T 内的互相关函数为：
∫ Rxy （ τ）
=
1 T
T
x（ t） y（ t + τ） dt
第6 期
阚玲玲等． 基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计
653
基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计
阚玲玲 梁洪卫 高丙坤 王秀芳
（ 东北石油大学，黑龙江 大庆 163318）
摘 要 基于声学和流体学等相关理论，研究了天然气管道发生泄漏时次声波产生的机理及信号特点
和采集方法，并对声波在天然气管道内的传输速度的算法进行修正，通过 GPS 模块确定天然气泄漏时的
同步后送入上位机。软件系统能够完成对管道两 端次声波等数据的实时显示与分析，实现泄漏点 的及时报警和及精确定位，历史数据查询及工作 日志等功能。软件系统由 VS 设计、开发与实现， 工作流程如图 4 所示。
时，必有一次是在做自相关，自相关的结果 ri 在 N 个相关结果中必定是最大的，此信号 Bi 可认为是 泄漏信号 L 到达传感器 A 之后到达传感器 B 的
不同，在天然气介质中的传播速度与介质的密度、
温度、质点速度和压强等因素相关。在满足管径
尺寸的条件下，通过管内流动方程组可导出细管
中声波衰减的系数，即细管粘滞吸收系数 α，它与
声速 v1 的计算式分别为：
式中
槡 α
=
1 rC0
uw 2ρ0
（ 3）
槡 ( 槡 ) v1 = C0
ρ0 ρ
≈C0
1
－
1 2r
A、B 接收到的信号同步并作互相关后传到 A、B 的时间差为 Δt，从而得到如下的定位公式［4］：
X
=
D
－
v·Δt 2
（ 2）
式中 X ———泄漏点距参考传感器 A 的距离；
D ———两个传感器之间的距离；
v ———声波传播的速度；
Δt———从相关函数得出的泄漏信号到达传
感器的时间。
由式（ 2） 可以看出，泄漏点的定位与声波传