CN104535275B - 基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案如下公开了一种基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测方法，根据获取的泄漏监测点的气泡的声信号计算第i个气泡的共振频率v_i，得到所述泄漏监测点的气体泄漏量其中，T为声信号采集的持续时间，M为在时间T内共检测的气泡数量，ρ为气泡周围液体密度，κ_i为第i个气泡的多变指数，p₀为气泡周围液体压强。本发明中的泄漏检测方法，不但能够对泄漏量行较为准确的计算，而且可以实现远场的测量。

Description

基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测方法和检测装置

技术领域

本发明涉及气体泄漏检测技术领域，具体而言，涉及一种基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测方法和一种基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测装置。

背景技术

现有的气体泄漏量测量技术能够在天然气管道的泄漏量测量上得到很好地体现。在多年研究的基础上，陆地上的天然气管道泄漏量检测已存在多种方法，但是其中绝大部分方法只能对泄漏量进行大体评估，而无法进行较为准确的泄漏量计算。而在海洋环境中，由于条件的特殊性，陆地上部分泄漏量测量无法适用，能够用于水下的气体泄漏量测量的检测方法主要包括以下几种：

1、质量或体积平衡法

管道在正常运行状况下，管道内气体的流入量应与流出量应相等。当泄漏程度达到一定水平后,流入量与流出量就出现明显的差值,当流量差大于一定阈值后就可判定为泄漏。但是由于天然气的可压缩性比较强，流体密度和体积的容易受到温度、压力等环境因素改变的影响，这说明建立流入量等于流出量基础上的方法在应用中不够完善,因此物质平衡法检测管道泄漏的故障方法需要配合其它方法联合使用， 其在泄漏量方面可以进行大概的评估，但是无法进行较为准确的计算。

2、瞬态模型法

该方法和物质平衡法都建立在监视与数据采集(Supervisory Control And DataAcquisition，SCADA)系统的基础上。瞬态模型法利用流体的质量、动量、能量守恒方程等建立管内流体动态模型，此模型与实际管道同步运行，定时采集管道上的一组实际值，如管道首末端的压力和流量，将实际测量值与模型管道中的流体的压力和流量值进行实时的比较，通过比较测量值来判断是否发生检漏。若相差超过一定范围，则说明管道发生泄漏。该方法可进行泄漏量的计算，但是由于实际情况的复杂性，瞬态模型往往不能贴合实际情况，故无法真正获得较准确的泄漏量。

3、分布式光纤测量法

分布式光纤传感技术在实现物理量测量的同时可以实现信号的传输,在信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性。该技术是根据管道中输送的物质泄漏会引起周围环境温度的变化并引起沿管道敷设的光纤发生振动,使光线的光学特性发生变化，从而使光纤的光信号产生变化(例如相位)，当光信号的变化程度超过一定量,就可以判断发生了泄漏，并可以对泄漏点的泄漏量进行大概的评估，但是估计能力较弱。

4、摄像法

由于光在水中的传播受到很大限制，大多数陆地上能够使用的光学泄漏检测方法在水中无法使用，例如光谱吸收检测方法等。摄像法通过照相机对泄漏点的泄漏状况进行拍照，利用获得的气体泄漏图像 信息进行数字信号处理来分析泄漏速度。该方法能够获得较准确的泄漏量，但是拍摄时照相机必须离泄漏点很近，同时水下光线较差，往往需要配备光源，一般需要搭载ROV上，并需要与其它检测方法配合使用寻找泄漏点。

5、声学法

声学方法主要利用检测管道泄漏的产生的声信号(机械波)判断是否产生泄漏，泄漏位置和评估泄漏规模。负压波法为其中的一种典型方法[23]，当管道发生泄漏时,由于管道内的油气向外泄漏，导致泄漏点处的管道内压力突然下降，管道内的压降信号会由泄漏处向上/下游传播,这种压降信号被称为负压波。负压波在管道中传播的过程中，受到管壁的波导作用，故传播衰减较小，可以进行长距离的传播。负压波的传播速度即为声波在流体中的传播速，利用负压波通过上/下游测量点的时间差以及负压波在管线中的传播速度，可以计算出泄漏点位置。通过负压波的变化程度，该方法可以大概估计泄漏量的大小，但是无法进行较为准确的计算。

上述方法中，除摄像检测法外，都无法对泄漏源的泄漏量进行较为准确的计算，只能对泄漏规模进行大概的评估。其中，物质平衡法、瞬态模型法和声学法适用范围仅限于天然气管道，无法适用非管道模型的场合，例如海底碳封存地的气体泄漏检测。摄像检测法虽能够对泄漏源的泄漏量进行较为准确的计算，但其检测距离太短极大地限制了其实际应用，适合用于对已知位置的泄漏点进行近距离的泄漏状态监测，危险性较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种新的泄漏检测方法，不但能够对泄漏量行较为准确的计算，而且可以实现远场的测量。

因此，本发明的技术方案如下：

一种基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测方法，根据获取的泄漏监测点的气泡的声信号计算第i个气泡的共振频率v_i，得到所述泄漏监测点的气体泄漏量

其中，T为声信号采集的持续时间，M为在时间T内共检测的气泡数量，ρ为气泡周围液体密度，κ_i为第i个气泡的多变指数，p₀为气泡周围液体压强。

本发明中，基于气泡声学的水下气体泄漏量测量方法不但能够对泄漏量行较为准确的计算，而且由于声波在水中传播距离的优势，可以实现远场的测量。此外，该方法属于被动声学方法，能耗较低。

实验数据表明，本发明中利用Minnaert方程获取单气泡半径与共振频率在实验条件下的准确性，通过该方法计算得到的毫米级气泡半径相对误差在5％之内。

其中，共振频率的获得方法中可以利用频域分析法，对获取的每个气泡的信号段进行傅立叶变换，选取频域上幅值最大的频率作为该气泡的共振频率；还可以对获取的每个气泡的信号段进行时频分析，取能量峰值的3dB衰减值作为截止阈值，将能量值大于截止阈值的能 量点绘制于图中，利用这些点对气泡频率进行计算获得该气泡的共振频率。

本发明还提供了一种基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测装置，包括：

水听器，用于获取的泄漏监测点的气泡的声信号并转化为电信号发送至处理器；

温度计，连接至所述处理器，用于检测泄漏监测点的气泡周围的温度并发送至所述处理器；

密度计，连接至所述处理器，用于检测泄漏监测点的气泡周围的液体密度ρ并发送至所述处理器；

压力计，连接至所述处理器，用于检测泄漏监测点的气泡周围的压强p₀并发送至所述处理器；

所述处理器，用于根据所述电信号计算第i个气泡的共振频率v_i，根据所述温度计检测到的温度、密度ρ和压强p₀计算第i个气泡的多变指数κ_i，得到所述泄漏监测点的气体泄漏量

其中，T为声信号采集的持续时间，M为在时间T内共检测的气泡数量。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可 以相互组合。

根据本发明的实施例的基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测方法：

根据获取的泄漏监测点的气泡的声信号计算第i个气泡的共振频率v_i，得到所述泄漏监测点的气体泄漏量

其中，T为声信号采集的持续时间，M为在时间T内共检测的气泡数量，ρ为气泡周围液体密度，κ_i为第i个气泡的多变指数，p₀为气泡周围液体压强。

具体而言，是获得第i个气泡的共振频率v_i后，根据Minnaert方程可以得到第i个气泡的半径

将上式带入球形体积公式，可以得到单个气泡体积V与气泡共振频率的关系：

假设时间T内产生M个气泡，则可进一步推算该段时间内的泄漏流量

多变指数κ_i的详细计算方法见Andrea Prosperetti.Thermal effects anddamping mechanisms in the forced radial oscillation of gas bubbles inliquids.Acoustical Society of America,1977,61:17～27，在此不再赘述。

本发明中，基于气泡声学的水下气体泄漏量测量方法不但能够对泄漏量行较为准确的计算，而且由于声波在水中传播距离的优势，可以实现远场的测量。此外，该方法属于被动声学方法，能耗较低。

实验数据表明，本发明中利用Minnaert方程获取单气泡半径与共振频率在实验条件下的准确性，通过该方法计算得到的毫米级气泡半径相对误差在5％之内。

其中，共振频率的获得方法中可以利用频域分析法，对获取的每个气泡的信号段进行傅立叶变换，选取频域上幅值最大的频率作为该气泡的共振频率；还可以对获取的每个气泡的信号段进行时频分析，取能量峰值的3dB衰减值作为截止阈值，将能量值大于截止阈值的能量点绘制于图中，利用这些点对气泡频率进行计算获得该气泡的共振频率，具体如下：

对提取出的单气泡信号段进行时频分析，利用带门限的加权形心法在时频图上对信号进行分析来获取该段信号的对应频率，即选取能量峰值的3dB衰减值作为截止阈值E_thres(门限值)，选取大于阈值的能量点对频率进行计算，以保证结果的准确性。计算方程如下：

其中E(ti,νj)是时频图中(ti,νj)对应的能量值。

对信号段进行时频分析时尝试了两种不同方法，一种是基于短时傅 里叶变换(STFT)的时频分析方法，另一种是基于连续小波变换(CWT)的时频分析方法，这两种方法都被广泛用于处理工程实际中的时频分析问题。

a)基于短时傅里叶变换(STFT)的时频分析方法

短时Fourier变换(Short time Fourier transform:STFT)基本思想是假设信号在局部是平稳的，选取一定长度的信号作为窗，滑动地截取信号，并且认为在窗内的信号是局部平稳的，对每次窗截取的信号段进行傅立叶变换。信号x(t)的短时傅立叶变换可表示为：

其中，γ(t)表示选取的窗函数。由于窗函数γ(t)在时间轴上滑动，使得短时傅立叶变换具有时域特性；而对窗函数γ(t)内信号进行傅里叶变换，使得短时傅立叶变换具有频域特性。同时拥有时域和频域特性使得短时傅里叶变换可用于时频分析。

由于短时傅里叶变换使用固定的窗函数进行傅里叶变换，窗函数确定后，分辨率也就确定了，故其时频联合分辨率较差，无法实现在频率和时间轴上同时达到高分辨率。由于W.Heisenberg不确定性原理的限制，虽然可以通过调整分析窗的长度进行时域或频域分辨率的调节，但是其时频窗的面积始终不小于2。与连续小波变换相比，短时傅里叶变换利用单一分辨率对整个信号进行分析,而不是随着频率的变化分辨率同时变化，在反映信号整体时频趋势上具有优势。

取能量峰值的3dB衰减值作为截止阈值E_thres，即E_thres＝0.707，将能量 值大于截止阈值的能量点绘制于图中，利用这些点对气泡频率进行计算。

b)基于连续小波变换(CWT)的时频分析方法。

定义L²(R)空间中的函数s(t)的连续小波变换为：

其中a为缩放因子，对应信号的频域信息；τ为平移因子，对应信号的时域信息；ψ*(t)是母小波ψ(t)的复共轭。ψ(t)满足容许条件：

上式中，ψ(ω)为ψ(t)的傅里叶变换。小波母函数ψ(t)经过伸缩平移得到的小波函数ψ_(a,τ)(t)为：

小波变换可以理解为将信号通过一个带通滤波器，该带通滤波器是冲激响应为ψ_(a,τ)(t)的滤波器组。带通滤波器组的中心频率和带宽随着缩放因子a的变化而变化，因此它在时频域上具有可变的时频窗。若缩放因子a越小，时频窗的时宽越小，频宽越大，因此时间分辨率就越高，频率分辨率越低；当缩放因子a越大，时频窗的时宽越大，频宽就越小，因此时间分辨率就越低，频率分辨率就越高。与短时傅里叶变换相比，连续小波变换可实现对信号的高频部分使用较高时间分辨率的和较低的频率分辨率进行时频分析，而对信号的低频部分使用较高的频率分辨率和较低的时间分辨率进行时频分析，而非在整个频域内都是相同 分辨率，符合人们的对低频信号希望更高的频率分辨率而对高频信号希望更高的时间分辨率的需求。但连续小波变换的计算量相对较大，更适合于窄带信号的分析。

在小波分析中，小波基的选取不具有唯一性，可以根据实际需要在已有的小波基中进行选取，也可以自行设计。实际工程中常用的小波函数有Haar小波、Morlet小波、Mexican Hat小波以及Daubechies小波等，本文中选取Morlet小波作为小波基。Morlet小波属于调制高斯小波，其在时频域上表征信号的能量分布较集中，被广泛当做小波基使用。

取能量峰值的3dB衰减值作为截止阈值E_thres，即E_thres＝0.707，将能量值大于截止阈值的能量点绘制于图中，利用这些点对气泡的共振频率进行计算。

实验数据表明，以上方法均具有较高的测量精度，在25mL/min以内的流量下测量误差可达到5％以内，在8mL/min的小流量泄漏情况下误差可达到1％以内。其中，时频方法的标准差率明显小于频域方法，稳定性较高，短时测量结果具有更高的可信度。而时频处理方法中，使用STFT和CWT时频分析方法得到的结果很接近，CWT时频分析方法的处理结果在精度和稳定性方面稍优于STFT时频分析方法。整个系统结构简单，功耗较低，具有广阔的应用前景。

本发明还提供了一种基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测装置，包括：

水听器，用于获取的泄漏监测点的气泡的声信号并转化为电信号 发送至处理器；

温度计，连接至所述处理器，用于检测泄漏监测点的气泡周围的温度并发送至所述处理器；

密度计，连接至所述处理器，用于检测泄漏监测点的气泡周围的液体密度ρ并发送至所述处理器；

压力计，连接至所述处理器，用于检测泄漏监测点的气泡周围的压强p₀并发送至所述处理器；

所述处理器，用于根据所述电信号计算第i个气泡的共振频率v_i，根据所述温度计检测到的温度、密度ρ和压强p₀计算第i个气泡的多变指数κ_i，得到所述泄漏监测点的气体泄漏量

其中，T为声信号采集的持续时间，M为在时间T内共检测的气泡数量。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测方法，其特征在于：

根据获取的泄漏监测点的气泡的声信号计算第i个气泡的共振频率v_i，得到所述泄漏监测点的气体泄漏量

$Q=\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{1}{6{\mathrm{\π}}^2{v_i}^3}{\left(\frac{3{\mathrm{\κ}}_i{p}_0}{\mathrm{\ρ}}\right)}^{\frac{3}{2}}$

其中，T为声信号采集的持续时间，M为在时间T内共检测的气泡数量，ρ为气泡周围液体密度，κ_i为第i个气泡的多变指数，p ₀为气泡周围液体压强。

2.根据权利要求1所述的基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测方法，其特征在于，利用频域分析法，对获取的每个气泡的信号段进行傅立叶变换，选取频域上幅值最大的频率作为该气泡的共振频率。

3.根据权利要求1所述的基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测方法，其特征在于，对获取的每个气泡的信号段进行时频分析，取能量峰值的3dB衰减值作为截止阈值，将能量值大于截止阈值的能量点绘制于图中，利用这些点对气泡频率进行计算获得该气泡的共振频率。

4.一种基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测装置，其特征在于，包括：

水听器，用于获取泄漏监测点的气泡的声信号并转化为电信号发送至处理器；

温度计，连接至所述处理器，用于检测泄漏监测点的气泡周围的温度并发送至所述处理器；

密度计，连接至所述处理器，用于检测泄漏监测点的气泡周围的液体密度ρ并发送至所述处理器；

压力计，连接至所述处理器，用于检测泄漏监测点的气泡周围的压强p₀并发送至所述处理器；

所述处理器，用于根据所述电信号计算第i个气泡的共振频率v_i，根据所述温度、密度ρ和压强p₀计算第i个气泡的多变指数κ_i，得到所述泄漏监测点的气体泄漏量：

$Q=\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{1}{6{\mathrm{\π}}^2{v_i}^3}{\left(\frac{3{\mathrm{\κ}}_i{p}_0}{\mathrm{\ρ}}\right)}^{\frac{3}{2}}$

其中，T为声信号采集的持续时间，M为在时间T内共检测的气泡数量。