專利名稱：管道防護(hù)泄漏檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管道儲運(yùn)工業(yè)安全防護(hù)檢測裝置及方法。
石油化工企業(yè)管道輸送的介質(zhì)具有易爆的特點。在管道運(yùn)行過程中，腐蝕、人為損壞、自然災(zāi)害等原因均可使油氣管道裂縫穿孔泄漏，不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且危害生態(tài)環(huán)境，甚至危及人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。迅速發(fā)現(xiàn)泄漏事故并準(zhǔn)確定位，對于及時采取有效措施，減輕事故造成的危害是非常重要的。因此，研究管道泄漏故障實時診斷技術(shù)，有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。國外先進(jìn)的油氣管道上配備的SCADA系統(tǒng)都有泄漏檢測及定位的功能，而我國大多數(shù)管道上都沒有配備該系統(tǒng)。引進(jìn)單獨的泄漏檢測與漏點定位系統(tǒng)需要百萬元以上的投資，如SSI公司的檢漏系統(tǒng)僅軟件費(fèi)用就達(dá)12萬美元。此外，我國的油氣管道泄漏檢測及漏點定位還有其特點1．我國地域環(huán)境和氣候變化情況復(fù)雜增加了管網(wǎng)的復(fù)雜性使得檢漏定位技術(shù)難度大；2．國外的油管道泄漏以腐蝕等自然因素或意外的人為損壞居多，尋找漏點相對較容易，而我國的油氣管道泄漏以犯罪分子偷盜居多，盜油(氣)點經(jīng)偽裝難以發(fā)現(xiàn)，因而對漏點定位的精度要求高；3．目前的漏點定位技術(shù)需要電源及信號傳輸線路，這不僅增加了實施的困難，更易成為犯罪分子破壞的目標(biāo)。
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用電磁波在管道內(nèi)輻射，利用管道裂縫、孔洞和管道結(jié)構(gòu)特征對電磁波反射進(jìn)行防泄漏檢測的裝置及方法。
本發(fā)明所述管道防護(hù)泄漏檢測裝置，其特征在于它由固定在被測管道壁上，并向其內(nèi)輻射電磁波的發(fā)射天線兼接收天線、分別產(chǎn)生兩種模式的基頻電磁波和可對接收信號進(jìn)行時間標(biāo)簽認(rèn)定及模式識別預(yù)處理的電磁發(fā)射及接收裝置、信號處理及計算機(jī)系統(tǒng)、連接上述電磁發(fā)射及接收裝置和信號處理及計算機(jī)系統(tǒng)的信號傳輸電纜、交換計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通訊天線組成；所述信號傳輸電纜包括接收到反射回來的進(jìn)行時間標(biāo)簽認(rèn)定和模式識別預(yù)處理的電磁波信號傳輸微波帶或波導(dǎo)、電磁波發(fā)射器產(chǎn)生的作為接收信號的參考時間延遲基準(zhǔn)坐標(biāo)和模式標(biāo)準(zhǔn)的傳輸線。
如上所述的一種管道防護(hù)泄漏檢測裝置，其特征在于電磁發(fā)射和接收裝置可以由模式變換器、微波源、環(huán)形器、高階濾波器、鑒頻器、分頻檢波器和數(shù)據(jù)采集與信號處理電路組成。
如上所述一種管道防護(hù)泄漏檢測裝置，其特征在于所述發(fā)射天線兼接收天線采用圓形螺環(huán)形式或矩形螺環(huán)形式。
如上所述一種管道防護(hù)泄漏檢測裝置，其特征在于所述的發(fā)射天線兼接收天線最佳結(jié)構(gòu)為螺環(huán)形式的螺距S與圓形直徑D或矩形邊長D之乘積等于電磁波長λ的平方乘修正系數(shù)α，所述修正系數(shù)取值為0．01-0．63。
如上所述一種管道防護(hù)泄漏檢測裝置，其特征在于管道內(nèi)也可以安裝兩套天線，分別單獨作為接收和發(fā)射天線。
如上所述一種管道防護(hù)泄漏檢測方法，其特征在于利用電磁波發(fā)射和接收裝置，通過波導(dǎo)耦合向被測管道發(fā)射和接收反射電磁信號；先由微波源激勵TE和TM波，通過環(huán)形器后進(jìn)入模式變換器，將TE波轉(zhuǎn)換為高階TE波，然后由天線發(fā)射到管道內(nèi)；由于管道內(nèi)TE基模極不穩(wěn)定，在跨越裂縫或孔洞時，產(chǎn)生新的激勵電場，使得原來電場退化為高階模，在管道裂縫和孔洞上游和下游內(nèi)都設(shè)有接收天線，通過對反射電磁波與發(fā)射電磁波的時間差和利用裂縫和孔洞反射電磁波的波形模式退化高階模式的測定，檢測管道內(nèi)的破損、破裂、泄漏點的位置和尺寸特征。
如此所述一種管道防護(hù)泄漏檢測方法，其特征在于所述發(fā)射電磁波和接收電磁波裝置連續(xù)工作，沒有間斷或交替工作。
如上所述的一種管道防護(hù)泄漏檢測方法，其特征在于發(fā)射裝置按一定周期變化發(fā)射波長用于檢測相同數(shù)量級的裂縫和孔洞。
如上所述的一種管道防護(hù)泄漏檢測方法，其特征在于裂縫和孔洞反射電磁波模式特征滿足對稱偶極子振蕩方程。
本發(fā)明具有如下效果1．在信號采集和數(shù)據(jù)通訊方面借鑒了現(xiàn)代天線電通訊技術(shù)信號調(diào)制原理，合理設(shè)計傳感器的方位，特別是用管道運(yùn)行的調(diào)閥和調(diào)泵噪聲作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別的訓(xùn)練樣本，把泄漏信號作為別類數(shù)據(jù)調(diào)制識別網(wǎng)絡(luò)輸入層，從而使得診斷系統(tǒng)以極高效率處理最少數(shù)據(jù)實時檢測管道的工況，檢測速度快；2．該發(fā)明將現(xiàn)代計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的最新數(shù)字圖像處理技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模式識別用于信號的檢測，利用小波分析理論和信號相關(guān)理論分析泄漏信號與管道噪聲特征，提高了泄漏信號的識別精度；3．天然氣介質(zhì)特性對電磁場波形變化影響較小，特別是長距離的管道檢測電磁波幅射控制和調(diào)制容易實現(xiàn)。
圖面說明

圖1是本發(fā)明的原理示意圖。
圖2是本發(fā)明的電磁波接收發(fā)射器的原理框圖。
圖3是本發(fā)明的圓環(huán)天線測視圖。
圖4是本發(fā)明的圓環(huán)天線正視剖面圖。
圖5是本發(fā)明的矩形環(huán)天線側(cè)視圖。
圖6是本發(fā)明的矩形環(huán)天線正視剖面圖。
圖7是本發(fā)明的信號發(fā)射接收模塊的原理框圖。
圖8是本發(fā)明天線安裝在被檢測管道上的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9是本發(fā)明裂縫原理的應(yīng)用說明圖。
本發(fā)明在天然氣管道的工藝設(shè)計和現(xiàn)場生產(chǎn)中都選用了圓形截面的金屬管道，當(dāng)一定模式的電磁場沿管道輻射時，接收到的電磁波信號就包含著管道的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行工況的信息，特別是當(dāng)管道有裂縫或孔洞時，將產(chǎn)生特定模式的反射電磁場波形；在處理信號時，將帶有泄漏信號數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行分析處理；利用信號處理技術(shù)的相關(guān)原理取得信號的延時量，確定泄漏位置。利用識別技術(shù)判斷泄漏程度；最后由診斷報告輸出系統(tǒng)顯示泄漏的程度和泄漏的具體位置。
本發(fā)明由電磁波發(fā)射天線兼接收天線2和3、電磁波發(fā)射及接收裝置5和8、信號處理裝置6和9、數(shù)據(jù)通訊天線7和10、檢測信號計算機(jī)處理、顯示和報警系統(tǒng)4和11、信號傳輸電纜12組成。由電磁波發(fā)射器5和8分別產(chǎn)生兩種模式的基頻電磁波由天線2和3向被檢測管道內(nèi)輻射，輻射的電磁波攜帶有時間標(biāo)簽在管道波導(dǎo)耦合腔內(nèi)形成一定模式的低階電磁波向管道1內(nèi)傳播。當(dāng)這個低階模式的電磁波沿管道傳播遇到管道裂縫或孔洞時，裂縫和孔洞就成為微擾天線向管道裂縫或孔洞的上下游反射高階模式電磁波。接收天線2和3接收到反射回來的電磁波，經(jīng)信號傳輸電纜12送電磁波接收裝置5和8進(jìn)行時間標(biāo)簽認(rèn)定和模式識別等預(yù)處理，預(yù)處理后信號經(jīng)信號傳輸電纜12送到信號處理裝置6和9、然后送往計算機(jī)系統(tǒng)4和11進(jìn)行分析處理，處理后的數(shù)據(jù)又通過數(shù)據(jù)通訊天線7和10交換數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。由電磁波發(fā)射器5和8產(chǎn)生的電磁波經(jīng)信號傳輸電纜送到信號處理裝置6和計算機(jī)系統(tǒng)3作為接收信號的參考時間延遲基準(zhǔn)坐標(biāo)和模式標(biāo)準(zhǔn)；計算機(jī)系統(tǒng)利用功能程序?qū)邮招盘栠M(jìn)行各種相關(guān)運(yùn)算，結(jié)果顯示和報告檢測管道運(yùn)行概況、裂縫、孔洞的位置和程度。在上述結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明的天線安裝在被檢測管道系統(tǒng)的管道壁上，如圖6所示，其結(jié)構(gòu)關(guān)系為14是被檢測管道、15是安裝天線立管、16是天線、17是立管密封及天線安裝座、18是天線輸入輸出接口、19是填充絕緣材料、20是天線組件外徑固定環(huán)。安裝及在管壁上鉆孔并加工螺紋用于安裝天線組件，天線組件的外徑上加工有螺紋與管道壁上安裝孔相配合，安裝完后天線是置于管道內(nèi)側(cè)。由天線到電磁波接收發(fā)射器的信號傳輸電纜采用微波帶或同軸電纜用于傳遞高頻微波信號。天線采用圓形螺環(huán)形式和矩形螺環(huán)形式。電磁波接收發(fā)射器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
信號發(fā)射接收可采用PCM-MH系列、MRC系列、AN／USM系列或XCGX系列、TY-QXD系列集成模塊，其原理圖示意如下如圖5所示先由微波源激勵TE和TM波，通過環(huán)形器后進(jìn)入模式變換器，將TE波轉(zhuǎn)換為高階TE波，然后由天線發(fā)射到管道內(nèi)由于管道內(nèi)TE基模極不穩(wěn)定，在跨越裂縫或孔洞時，產(chǎn)生新的激勵電場，并使得原來電場退化為高階模。這個高階模電磁場又從裂縫和孔洞向管道內(nèi)反射，在管道裂縫和孔洞上游和下游管道內(nèi)都有接收天線，通過對反射電磁波的模式分析、變換和求解等運(yùn)算后送往微波預(yù)處理器進(jìn)行歸一化、模式解調(diào)、高階濾波、相位補(bǔ)償和幅值折疊，然后送到相位增益插件分別得到幅度輸出、相位輸出和模式對數(shù)輸出；將這三路信號送往數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，判斷是否有泄漏、破裂縫隙以及泄漏位置。
裂縫原理的檢測應(yīng)用如下在無線電技術(shù)中，用來有效地輻射電磁波能量的系統(tǒng)是電磁輻射系統(tǒng)，用來有效地接收電磁波能量的系統(tǒng)是電磁接收系統(tǒng)。而用來有效地輻射和接收電磁波能量的系統(tǒng)或裝置為天線。實質(zhì)上，天線是一個轉(zhuǎn)換器，它把高頻電流形式(或?qū)Рㄐ问?的能量轉(zhuǎn)換為同頻率的電磁波能量或反之。因此，在利用無線電波進(jìn)行工作的“電子工程(如通訊、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等)中，天線是必不可少的重要設(shè)備之一。天線的種類繁多，天線的分類方法不一。按用途可以分為通信天線、廣播天線，電視天線，雷達(dá)天線。導(dǎo)航天線等按工作波長可分為長波天線、中波天線、短波天線。超短波天線和微波天線等；按使用方法可分為發(fā)射天線。接收天線和收發(fā)共用天線等。天線的研究對象是電磁波的輻射問題，即研究天線所產(chǎn)生的空間電磁場分布。在線天線中多采用在元電流上積分來求解，得到無電流的輻射場，然后利用迭加原理可解連續(xù)元(線天線)和分立元(陣列天線)的輻射場。另一種方法又稱為矢位法或輔助函數(shù)法。即用矢位(電位和赫茲矢量)作輔助函數(shù)來求解電磁場。在天線中，大多是求解口徑繞射問題，繞射場往往用克希荷夫公式來計算?？讼：煞蚬绞腔莞乖淼臄?shù)學(xué)表達(dá)式，它可求出包圍輻射源的封閉面外任一點的電磁場。當(dāng)工作波長比系統(tǒng)線性尺寸小得多時，也可采用幾何光學(xué)法，根據(jù)幾何光學(xué)定律，即利用射線來分析電磁波的傳播。
裂縫天線是波導(dǎo)或諧振腔上開有若干裂縫所構(gòu)成的。由于裂縫切斷電流線，使得波導(dǎo)或諧振腔能夠輻射和接收電磁波。通常采用工程近似計算方法，即“二重性原理”。在無限大導(dǎo)電板上的裂縫天線，它所產(chǎn)生的方向圖和具有與裂縫口相同的板狀振子的方向圖相同，它們的差別在于(1)電場和磁場互換；(2)裂縫天線金屬板兩邊的場量不連續(xù)，其大小相等、方向相反。
如圖9所示由頻率為f=2kπ的信號源饋電的理想裂縫天線，由二重性原理可知，裂縫天線在縫中及其周圍空間的電磁場E、H的球坐標(biāo)方向空間各點坐標(biāo)的函數(shù)，且分別與等效振子場強(qiáng)E、H的方向相同。如在ε、μ的媒質(zhì)中，沒有場源時裂縫和孔洞的反射電磁波表示為 式中包含管道裂縫和孔洞的特征有r是距離裂縫或孔洞中心的距離；該量用于測定裂縫和孔洞距離天線的長度。
D是裂縫的寬度；I是裂縫的長度；D1代表孔洞或裂縫的面積；Et是管道內(nèi)電磁波在跨越裂縫和孔洞時的強(qiáng)度。
在包圍所討論的體積的封閉曲面上的邊界條件一定時上述議程具有單值解。根據(jù)上式可得長為1、寬為d的理想裂縫天線在遠(yuǎn)區(qū)的輻射場的特征。接收電磁波時通過識別幅度模式就可以裂縫孔洞的特征d和L。
其中距離r利用公式r=CT計算，T是帶有相同時間標(biāo)簽電磁波往返天線和裂縫的時間一半。C是電磁波的速度。
權(quán)利要求
1．一種管道防護(hù)泄漏檢測裝置，其特征在于它由固定在被測管道壁上，并向其內(nèi)輻射電磁波的發(fā)射天線兼接收天線、分別產(chǎn)生兩種模式的基頻電磁波和可對接收信號進(jìn)行時間標(biāo)簽認(rèn)定及模式識別預(yù)處理的電磁發(fā)射及接收裝置、信號處理及計算機(jī)系統(tǒng)、連接上述電磁發(fā)射及接收裝置和信號處理及計算機(jī)系統(tǒng)的信號傳輸電纜、交換計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通訊天線組成；所述信號傳輸電纜包括接收到反射回來的進(jìn)行時間標(biāo)簽認(rèn)定和模式識別預(yù)處理的電磁波信號傳輸微波帶或波導(dǎo)、電磁波發(fā)射器產(chǎn)生的作為接收信號的參考時間延遲基準(zhǔn)坐標(biāo)和模式標(biāo)準(zhǔn)的傳輸線。
2．如權(quán)利要求1所述的一種管道防護(hù)泄漏檢測裝置，其特征在于電磁發(fā)射和接收裝置可以由模式變換器、微波源、環(huán)形器、高階濾波器、鑒頻器、分頻檢波器和數(shù)據(jù)采集與信號處理電路組成。
3．如權(quán)利要求1所述的一種管道防護(hù)泄漏檢測裝置，其特征在于所述發(fā)射天線兼接收天線采用圓形螺環(huán)形式或矩形螺環(huán)形式。
4．如權(quán)利要求1所述的一種管道防護(hù)泄漏檢測裝置，其特征在于所述的發(fā)射天線兼接收天線最佳結(jié)構(gòu)為螺環(huán)形式的螺距S與圓形直徑D或矩形邊長D之乘積等于電磁波長λ的平方乘修正系數(shù)α，所述修正系數(shù)取值為0．01-0．63。
5．如權(quán)利要求1或3所述的一種管道防護(hù)泄漏檢測裝置，其特征在于管道內(nèi)也可以安裝兩套天線，分別單獨作為接收和發(fā)射天線。
6．一種管道防護(hù)泄漏檢測方法，其特征在于利用電磁波發(fā)射和接收裝置，通過波導(dǎo)耦合向被測管道發(fā)射和接收反射電磁信號；先由微波源激勵TE和TM波，通過環(huán)形器后進(jìn)入模式變換器，將TE波轉(zhuǎn)換為高階TE波，然后由天線發(fā)射到管道內(nèi)；由于管道內(nèi)TE基模極不穩(wěn)定，在跨越裂縫或孔洞時，產(chǎn)生新的激勵電場，使得原來電場退化為高階模，在管道裂縫和孔洞上游和下游內(nèi)都設(shè)有接收天線，通過對反射電磁波與發(fā)射電磁波的時間差和利用裂縫和孔洞反射電磁波的波形模式退化高階模式的測定，檢測管道內(nèi)的破損、破裂、泄漏點的位置和尺寸特征。
7．如權(quán)利要求6所述的一種管道防護(hù)泄漏檢測方法，其特征在于所述發(fā)射電磁波和接收電磁波裝置連續(xù)工作，沒有間斷或交替工作。
8．如權(quán)利要求6所述的一種管道防護(hù)泄漏檢測方法，其特征在于發(fā)射裝置按一定周期變化發(fā)射波長用于檢測相同數(shù)量級的裂縫和孔洞。
9．如權(quán)利要求6所述的一種管道防護(hù)泄漏檢測方法，其特征在于裂縫和孔洞反射電磁波模式特征滿足對稱偶極子振蕩方程。
全文摘要
本發(fā)明屬于管道儲運(yùn)工業(yè)安全防護(hù)檢測裝備,用于檢測管道缺損、破裂、泄漏、管道結(jié)構(gòu)特征;其原理是應(yīng)用電磁波在管道內(nèi)輻射,利用管道裂縫、孔洞和管道結(jié)構(gòu)特征對電磁波反射的原理檢測管道運(yùn)行概況。發(fā)射天線和接受天線都固定在管道壁內(nèi),當(dāng)管道缺損、破裂、泄漏或結(jié)構(gòu)形式變化時,接收到的電磁波將包含有相應(yīng)的特征信息。對接收到的電磁波信號進(jìn)行信號處理就可以確定管道缺損、破裂、泄漏、管道結(jié)構(gòu)特征。
文檔編號G01N22/02GK1293366SQ00135740
公開日2001年5月2日 申請日期2000年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月19日
發(fā)明者張來斌, 夏海波, 王朝暉 申請人:石油大學(xué)(北京)機(jī)電工程學(xué)院