第27卷 第4期2006年10月 计 量 学 报AC TA ME TROLOGICA SINIC A Vol.27, 4 October 2006
郑志受, 林伟国
(1.中国计量科学研究院，北京 100013;
2.北京化工大学，北京 100029)
摘要：管道泄漏检测的可靠性主要取决于泄漏信号的信噪比，泄漏信号信噪比的提高主要由传感器和对信号的处理方法决定。在定量分析的基础上，得出了基于压电传感器的管道泄漏检测方法具有比基于压力传感器的负压波法更高的泄漏信号信噪比。通过信号分析，论证了平滑滤波对于提高泄漏信号信噪比的必要性，提出了用区间信号能量来突出泄漏信号的方法。分析比较了实际检测信号幅值、区间信号能量和区间信号平均能量的平方3种方法下泄漏信号的信噪比，提出了用基于区间信号平均能量平方的顺序能量比率法进行管道泄漏信号识别的方法。结果表明该方法可以极大地提高泄漏信号信噪比和泄漏检测可靠性。 关键词：计量学；泄漏检测；压电传感器；信号能量；顺序能量比率
中图分类号:T B937 文献标识码:A 文章编号:1000 1158(2006)04 0343 04
Research on Pipeline Leak Sign al Reliably Iden tification
Based on Piezoelectric Sensor
ZHENG Zhi shou 1
, LI N Wei guo
2液体速凝剂
(1.National Institute of Metrology,Beijing 100013,China;2.Beijin g University of C hemical Technology,Beijing 100029,China)Abstract :The reliability of leak detection depends on signal noise ratio (SNR),but the sensor and signal processing deter mine the SNR of leak signal.Based on quantitative analysis,it is concluded that piezoelectric sensor based leak detection has higher SNR than that of pressure transducer based negative pressure wave leak detection.Through signal processing,the necessity of moving average fil ter for SNR is demonstrated,and the method for characterizing leak signal with interzone si gnal energy i s prop osed.The SNRs of detected signal,interzone si gnal energy and the square of average interzone signal energy are compared.A leak detection method with seq uential energy percen tage based on the sq uare of average interzon
e signal energy is proposed.Analysis results showed that the SNR of leak signal and reliability of system are i mproved greatly with this novel method.
Key words :Metrology;Leak detection;Piezoelectric sensor;Signal energy;Sequential energy percen tage
收稿日期:2006 03 27；修回日期:2006 06 11
作者简介：郑志受(1965-)，男，浙江临海人，中国计量科学研究院副研究员，硕士，主要从事工程计量的研究。
1 引 言
原油、天然气的管道输送在世界经济中扮演着越来越重要的角。但是由于管道老化、泥石流、管道腐蚀、打孔盗油等原因，管道泄漏时有发生。不论从社会和经济的角度、还是从环保和能源节约的角度来考虑，管道泄漏的监测和定位都是非常必要的。
管道泄漏检测技术发展至今，已经涌现出许多
方法，如光纤泄漏检测法[1]、负压波法[2]
、压力梯度
法、实时模型法[3]、质量平衡法[4]、统计决策法
[5]
、应
力波法[6]
和声发射法[7]
等等。这其中，负压波法由于只需要在管道两端安装压力变送器，因此具有施工量小、成本低、安装和维护方便的特点，得到了广泛应用。但是，目前各种管道泄漏检测技术都没能很好地解决现场泄漏检测灵敏度和误报警之间的矛盾，以及定位精度不高等问题，特别是对于小泄漏量的情况[8]
。
为了提高管道泄漏检测的灵敏度和定位精度，我们探索了基于压电传感器的管道泄漏检测技术[9]
。这种技术的基本原理虽与负压波法一样，也是捕捉泄漏引起的压力跳变信号，但是它监测的是管道
内的动态压力信号。该方法既保留了负压波法所具有的优点，又具有泄漏检测灵敏度高、泄漏点定位精确的特点。
然而，这种技术同样会受到仪表的测量噪声、管道输送过程中的随机噪声和外界干扰的影响。噪声和干扰信号的幅值甚至会将泄漏引发的有用信号淹没。因此，必须提高管道泄漏信号的信噪比。管道泄漏信号信噪比的提高有硬件和软件两种途径：基于硬件的途径，涉及传感器、信号调理和数据采集3个方面，其中传感器是最根本环节；基于软件的途径，则不仅需要对原始信号进行有效的过滤，而且还需要其它手段。只有提高了泄漏信号的信噪比，才能较好地解决泄漏检测灵敏度和减少泄漏误报之间的矛盾，进而降低误报率，提高管道泄漏检测系统的可靠性。
2 基于硬件的提高管道泄漏信号信噪
比的方法
在泄漏检测中，若管道中间发生泄漏，在泄漏点处会产生一个陡峭的前峰，随着波峰的推进，压力下降幅值随距离按指数规律递减。
负压波法利用压力变送器反映的压力信号进行泄漏检测。压力变送器反映的是管道的运行压力，通常泄漏引起的压力变化仅占运行压力的一小部分，对于大管径、高压力的输送管道更是如此，因此泄漏
检测系统的分辨率比较低。如果传感器只反映泄漏引起的压力变化部分，通过合理的信号调理模块，使正常的压力波动仅占A D 转化器的整个信号输入范围的一小部分，而泄漏引起的压力变化信号占满A D 转化器的整个信号输入范围，就可以大大提高泄漏检测系统的分辨率和信噪比。
基于压电传感器的动态压力变送器正是适合这种需求的手段，因为压电传感器能反映的正是管道压力的动态变化。
假定压力变送器满量程为1.5MPa(其输出为20mA)。管道实际运行压力为1.0MPa 。假定在管道中间发生泄漏时在泄漏点引起的压力变化为0.1
MPa，传到压力变送器时按衰减比为-10dB 计算,
原0.1MPa 的压力变化变成了0.01MPa 。假定采样电阻为250 ，则压力变送器的输出信号变化为26.7mV 。
基于压电传感器的管道泄漏检测，在同样管道
运行压力情况下，假定其检测的压力变化范围为0.1MPa 。由于测量的是相对变化量，满量程为实际运行的压力变化范围最大值(即0.1MPa 对应输出为5000m V)。同时假定发生泄漏时在泄漏点引起的压力变化也为0.1MPa，自泄漏点传送至压电传感器的信号衰减比为-10dB，则泄漏点处0.1MPa 的压力变化衰减为0.01MPa，传感器的输出信号为500m V 。
可见，对于相同的压力变化，压电传感器比压力变送器具有更大的信号输出，从而具有更高的信噪比。
3 基于软件的提高管道泄漏信号信噪比的方法
因管线内介质存在弹性，管线的弯头部分和阀气调门
存在阻尼和反射，以及输送设备的旋转周期等的影响，泄漏信号会出现调制现象。要从动态压力信号
中识别出泄漏信号，平滑滤波算法等信号预处理方法往往具有不错的效果。图1为压电传感器检测到的原始信号，图2为经过平滑滤波以后的信号。
验光组合图1 含有泄漏信号的原始动态压力信号
由图2可见清晰的管道泄漏信号。但是要想可靠地提取泄漏信号，又不发生误报，仅仅根据时域信号的幅值是不够的。由图2可见，泄漏信号的最低值仅比正常信号低20mV 左右；由于工况的改变，正常的管道动态压力信号也会随时改变，甚至低于泄漏信号。因此仅根据20m V 的信号幅值差异是不能可靠地区分泄漏信号和非泄漏信号的，必须从信号特征的角度去识别。
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图2 经过平滑滤波以后的动态压力信号
基于压电传感器的管道泄漏信号，在频域通常表现为功率谱急剧增大，在时域表现为有一个急剧的下跳沿[9]。但是，由于管道和流体的阻尼作用、泄漏发生位置距管道两端传感器距离的不同，压电传感器检测到的泄漏信号的功率谱幅值差异很大，某些工况下的信号下跳沿也具有很大的幅值。因此信号的功率谱幅值和信号的下跳沿幅值都不能作为管线泄漏判断的充分必要条件。
当压电传感器没有受到外界扰动时，其输出信号为零，一旦有外界力的作用，其信号会发生正负相间
的上下波动。当发生泄漏这种强干扰时，不仅信号负极值变得异常，信号从下跳到回复的时间宽度也明显变宽。因此，基于压电晶体的动态压力传感器的输出信号是一个个上下波动的信号。根据信号的正负极性，对信号进行分区，连续为负的归为一个区间，连续为正的归为另一个区间，区间信号能量之和由式(1)表示:
Sum F(k)=sign!M i=0a(i)2(1)式中,a(i)为区间内某一个采样点的信号幅值;k 表示第k个区间;i为区间内采样信号的序号;M为区间内采样信号总点数;sign表示信号的极性。
现设定，信号幅值为负时其能量之和的sign为负，反之为正，则一段时间内的信号就形成了正负交替的多个区间。用区间信号总能量反映泄漏信号的综合特征，它比用波峰、波谷等参数进行模式识别方法更简单、实用、方便[10]。
图2所示的信号其区间能量图如图3所示。与时域波形相比，区间能量图使泄漏信号更加突出。计算得：图2所示信号的信噪比为6.6dB，而图3所示能量图的信噪比达到15.2dB，信号的信噪比得到很大提高。4 基于顺序能量比率的泄漏信号识别
由于在不同的首、末站压力条件下，不同位置的泄漏信号传到传感器的信号波形、幅值都差异很大，因此对于泄漏信号的判断和识别，不能用带量纲的绝对阈值加以判断，宜采用无量纲的相对阈值。顺序能量比率P se就是一个无量纲的相对阈值，其定义为：当前区间能量与一段时间以来信号能量之和
的比例。表达式为:
P se(k)=
Sum F(k)
!k
i=1
Sum F(i)
(2)式中,k为当前区间的序号;i为此前正、负极性信
号区间的序号。
图3 2min时间内信号各区间能量和图
顺序能量比率图就是反映当前区间能量与一段时间以来信号能量之和的比例，它是一个无量纲的相对阈值。图2所示信号的顺序能量比率图如图4所示。由图4可见，在信号的起始阶段顺序能量比率值较大，从而影响对真正的泄漏信号的判断。因此，在具体应用时需舍弃开始几个区间的信号。总体来说，它同区间信号能量一样能很好地反映信号的突变，从而大大凸显泄漏信号，同时能弱化后续大的波动信号，有助于泄漏信号报警的唯一性。
但是，由于顺序能量比率反映的是当前区间能量与一段时间以来信号能量之和的比例，当泄漏发生在一段时间的末尾时，将使顺序能量比率值降低。此外，当管道压力发生缓慢降低时，会出现持续时间较长、幅值为负、区间总体能量较大、从而顺序能量比率也很大的的伪泄漏信号。为了解决这个问题，采用单点信号平均能量的平方来计算顺序能量比率。用单点信号平均能量的平方计算顺序能量比率的计算公式如下:
345
第27卷 第4期郑志受等：基于压电传感器的管道泄漏信号可靠性识别技术研究
图4 基于区间信号能量的顺序能量比率
P se ∀(k )=sign
Sum P (k )2
!
k
i =1
Sum P (i )
2
(3)
式中,Sum P (k )为第k 区间的单点信号平均能量。单点信号平均能量定义为:
Sum P (k )=sign
!
M
i =0
a (i
)2
M
(4)
图2所示信号的区间单点信号平均能量平方图如图5所示。与单纯的各区间信号能量图相比，采用区间单点信号平均能量的平方可以使信号的信噪比达到25.2dB，信噪比得到了进一步的提高。
图5 各区间单点信号平均能量平方图
图6
为基于区间单点信号平均能量平方的顺序能量比率图。与基于区间信号能量的顺序能量比率相比，泄漏信号对应的顺序能量比率更大，泄漏发生时刻不同对能量比率的影响大大消除。只要舍弃开始几个区间的信号，即可有效地用于泄漏判断。
5 结 论
理论分析和实际应用表明，基于压电传感器的管道泄漏检测方法，确实具有比基于压力变送器的图6 基于区间单点信号平均能量平方的顺序能量比率图
负压波法更高的泄漏检测灵敏度和泄漏信号信噪比。
分析表明，区间信号能量的平方能够大大提高泄漏信号的信噪比，从而使基于区间单点信号平均能量平方的顺序能量比率法能够可靠地识别泄漏信号，提高泄漏检测系统的可靠性。
[
参
考u型玻璃幕墙
陶瓷调节阀
文
献
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