基於微波技術的輸氣管道洩漏檢測定位方法與系統的製作方法

2023-07-28 23:01:01

專利名稱：基於微波技術的輸氣管道洩漏檢測定位方法與系統的製作方法
技術領域：
基於微波技術的輸氣管道洩漏檢測定位方法與系統屬於輸氣管道洩漏、裂紋故障狀態的檢測技術領域。
背景技術：
使用管道運輸流體是一種經濟方便的運輸方式，和其他運輸方式相比，它具有高效率，安全經濟，對環境影響小，節約人力物力和便於管理控制等多項優點，因此在石油，天然氣以及其他燃氣輸送中佔有重要的地位。但是由於管道設備老化，地理和氣候條件的影響以及人為破壞等原因經常會造成洩漏事故的發生。
天然氣管道一旦洩漏，不僅會帶來經濟損失和環境汙染，還會發生火災和爆炸，造成人員傷亡事故。目前，我國地域環境和氣候變化情況複雜增加了管網的複雜性，使得檢漏定位技術難度大；我國的輸氣管道(包括輸油管道)以犯罪分子偷盜氣(油)居多，盜氣點經偽裝難以發現，因而對漏點定位的精度要求高；目前的部分洩漏檢測定位技術還需要在沿途布置測點或者需要信號傳輸線路，這不僅增加了實施的困難，更易成為犯罪分子破壞的目標。因此，對輸氣管道進行洩漏檢測並進行洩漏定位，保障其安全運行是十分必要的。
由於氣體具有可壓縮性、摩阻小、管輸壓力高、壓力波動無規律性大、流速快等特點，致使氣體長輸管線的洩漏檢測技術相對液體管線難度要大一些。我國管道工業的發展起步較晚，洩漏檢測技術相對落後。目前主要靠巡管工沿管道進行實際觀察，無法及時、準確地發現洩漏事故。國外管道工程學者儘管作過許多工作，但令人滿意的方法並不多，尤其是成熟的氣體長輸管線洩漏檢測方法更少。現有的輸氣管道洩漏檢測法大致分成四類一類是基於磁通、渦流、攝像等投球技術的管內檢測法，稱作管道爬行機或PIG。該方法定位準確、但它對管道條件要求較高，實際使用時容易發生堵塞、停運等事故且無法在線監測；第二類是基於管線壓力、溫度、流量、振動等運行參數的外部檢測法，應用較多的有流量差、壓力差、負壓波以及聲波法，這類方法費用較低並且可以連續在線監測，但定位精度低，極易受到泵站內的工況擾動(壓力和流量)，造成洩漏事故的漏報、誤報率高，真正意義上的工程應用還需作大量的工作。而基於管道模型的方法，雖然理論意義上比較適合，但是實際的管道模型很難準確獲得，並且隨著管道的長年使用，部分管道參數還會發生變化，致使定位和檢測的結果發生很大的誤差。
第三類是針對人工巡檢開發的許多輔助手段，如可攜式/車載式紅外、雷射氣體探測器、洩漏噪聲探測器等儀器以及專門訓練的動物等以及某些針對特定輸送介質的電纜、光纖檢測法。
第四類是與本發明申請最接近的基於電磁波的檢測技術，分為離線檢測和在線檢測兩種方法。
專利名稱管道系統組成部分的電磁波檢查方法，公開號1141673，
公開日1997.01.29，日本東京都提出了由發送裝置的發送天線在檢查對象管道系統的管道內激勵電磁波並使其在管內傳播，同時使接收裝置的接收天線在外部沿著管道移動，接收洩漏的電磁波而對管道系統的組成部分進行檢查，根據接收裝置接收的電磁波電平達到峰值時接收天線的位置檢測出檢查對象管道上發生的腐蝕孔或裂紋等損傷部位或接頭等的位置。
該專利雖然能很好地解決部分輸氣管道的洩漏和裂紋檢測，但是該方法具有以下缺點[1]不能對輸氣管道進行實時在線監測，必需由人工沿管道巡檢，十分不方便；[2]只能對地面上的管道巡檢，不能對埋地的地下輸氣管道檢測洩漏和裂紋，而我國目前的油氣田和輸氣管道，基本上都是地下管道輸送，所以，該方法不適合我國的實際情況。
專利名稱管道防護洩漏檢測裝置及方法，公開號1293366，
公開日2001.05.02，中國用於檢測管道缺損、破裂、洩漏、管道結構特徵；其原理是應用電磁波在管道內輻射，利用管道裂縫、孔洞和管道結構特徵對電磁波反射的原理檢測管道運行概況。發射天線和接受天線都固定在管道壁內，當管道缺損、破裂、洩漏或結構形式變化時，接收到的電磁波將包含有相應的特徵信息。對接收到的電磁波信號進行信號處理就可以確定管道缺損、破裂、洩漏、管道結構特徵。
該專利提出的輸氣管道在線洩漏監測方案具有一下缺點[1]並未提出如何具體檢測管道中不同形狀(縱向和橫向裂紋)分布的裂紋，以及複雜彎曲管道的情況；[2]該方法提出，將微波源激勵出的TE波轉換為高階TE波，但又提出管道內TE基模極不穩定，在跨越裂縫和孔洞時，產生新的激勵電場，使原來的電場退化為高階模，在管道的裂縫或孔洞上下遊都設有接收天線，通過對反射和發射電磁波的時間差以及裂縫和孔洞反射電磁波的波形模式退化高階模式的測定，來檢測管道內的破損和裂縫位置以及尺寸。方法中既然已經將TE波轉換為高階TE波，所以管道內很難存在TE基模式；另外由於管道的實際分布、以及裂縫或孔洞的形狀尺寸很難確定，所以反射回來的模式很難具體確定為何種模式。[3]由於微波在輸氣管道內的衰減很大，該方法並未提出如何解決微波衰減造成的管道檢測距離有限的問題。[4]該方法並未給出如何有效檢測管道的微小裂紋，因為微小裂紋對管道內微波傳輸模式的影響很小。[5]專利2中的電磁波接收發射器的原理框圖中很難對管道中孔洞和裂紋激勵發射的其它模式進行檢測，接收電路部分還缺少必要的輔助電路，如第一本振電路。[6]專利2中並未指出採用連續波，掃頻波還是調製波的方式向管道內發射微波。[7]專利2中未考慮必要的微波接收發射裝置隔離防爆措施。[8]專利2中未給出如何保證微波在正常狀況下的單模工作和衰減小的措施。

發明內容
本發明的目的在於，提出一種基於微波技術的輸氣管道洩漏檢測定位方法與系統，該方法與系統能夠克服現有技術的不足，利用微波模式變化檢測出管道中大的橫向裂紋和縱向裂紋的位置，利用反射係數模與相位的改變，以及反射波和散射波功率變化來確定小裂紋、小裂縫、以及孔洞、毛刺等，可在長距離管道上設置多個檢測系統進行檢測，從而防止微波衰減造成的影響。
下面先介紹基於微波技術的輸氣管道缺陷檢測原理簡介金屬圓形管道可視為引導電磁波的圓波導。根據電磁波傳播理論，微波在波導中的傳播規律主要取決于波的頻率、模式、波導橫截面形狀、尺寸和波導中介質的特性。當以上任意一個參數變化時，電磁波的傳播特性將發生改變。如果管道中某處存在缺陷、裂紋、孔洞和其它物質的沉積，將在此處產生波的反射和散射。如果波在管道中是以單模傳輸的，當在管道中存在裂紋、裂縫時，由於這些裂紋、裂縫會截斷表壁上的感應電流，因此，電磁場的分布將發生畸變，管道中將出現其它高次模傳播，同時也將改變波在管道中的傳播特性。
設管道半徑為a，將金屬視為理想導體構成的圓波導(即σ＝∞)。當在此管道傳播TE01模，則管道中的電磁場分布為E=-j0a3.82HmJ1(3.832ar)ej(t-z)---(1-1)]]>Hr=j3.82HmJ1(3.832a)ej(t-z)---(1-2)]]>Hz=HmJ0(3.832ar)ej(t-z)---(1-3)]]>Er＝Ez＝HΦ＝0(1-4)由導體與空氣的邊界條件Js＝n×H|s可得管道內表壁上的感應電流為J=HmJ0(3.832)ej(t-z)-----(2)]]>若在內管壁上存在縱向裂紋、裂縫，這些裂縫將截斷內管壁電流。其結果是波將在此處發生反射和散射，TE01模的場分布將發生改變，管道中除傳播TE01模外。還有其它高次模存在。則通過檢測TE01模在管道中傳播時模式的改變可以判斷管道內是否存在縱向裂紋、裂縫(及沿管道軸向分布的裂紋、裂縫)。
若在此管道中傳播TM01模，則管道中的電磁場分布為Er=ja2.405EmJ1(2.405ar)ej(t-z)----(3-1)]]>
Ez=EmJ0(2.405ar)ej(t-z)----(3-2)]]>H=ja2.405EmJ1(2.405ar)ej(t-z)----(3-3)]]>EΦ＝Hr＝Hz＝0(3-4)由於在管壁附近磁場只有HΦ分量，因此管壁電流只有Jz分量，其內表壁上磁場的感應電流為J=azja2.405EmJ1(2.405)ej(t-z)---(4)]]>顯然，任何aΦ方向的裂紋、裂縫將截斷內表壁上的感應電流。其結果是波將在此處發生反射和散射，TM01模的場分布將發生改變，管道中除傳播TM01模外，還有其它高次模存在。則通過檢測TM01模在管道中傳播時模式的改變可以判斷管道內是否存在橫向裂紋、裂縫(及沿管道徑向分布的裂紋、裂縫)。
一般說來，管道內壁上裂紋的取向是任意的，我們可以將其分解為橫向分量和縱向分量，並分別在管道中傳播TE01模和TM01模。通過檢測其模式變化來檢測其橫向分量和縱向分量的存在，從而確定管道中裂紋、裂縫的存在和取向。
如圖1所示，若將調製的微波脈衝分別以TE01模和TM01模從A端射入金屬管道中，金屬管道的另一端接匹配負載。設在B點存在缺陷，則調製波脈衝在B點受到反射。對於TE01模，其截止波長λC＝1.640a，則波導中波的相速為vP=c1-(/1.640a)2----(5)]]>通過測量調製波脈衝往返一周所需時間Δt可計算出縱向裂紋、裂縫的位置，即l=vPt2=ct21-(/1.640a)2----(6)]]>對於TM01模，其截止波長λC＝2.620a，則波導中波的相速為vP=c1-(/2.620a)2-----(7)]]>通過測量調製波脈衝往返一周所需時間Δt可計算出橫向裂紋、裂縫的位置，即l=vPt2=ct21-(/2.620a)2---(8)]]>這裡，c為光速，λ為調製波的波長。
傳播波模式的變化不僅與裂紋的取向和長短有關，而且與裂紋的深度有關。電磁波在金屬表面上的感應電流不是分布在絕對表面上的，而是分布在一個薄層之中。根據電磁波的趨膚效應，電磁波在金屬中隨穿透深度按指數規律衰減，其感應的電流也隨穿透深度按指數規律衰減，即J＝J0e-azej(ωt-βz)(9)其中，J0為導體表面上的感應電流值，a=f]]>為導體對電磁波的衰減常數。由此可見，金屬表面上的裂紋越深，則截斷的感應電流越多，因此對傳播模式的改變也就越大。
對於尺寸較小的表壁裂紋，由於其截斷的感應電流較少，裂紋對傳播波模式的影響較小，因此不能用傳播的模式改變來判斷管道中的小裂紋、裂縫，但這些小裂紋、小裂縫會對電磁波產生散射，這時需用散射波法來檢測。
管道內表壁上的金屬異物多為體積較小的金屬結晶體或小的金屬毛刺。小的金屬結晶體可以視為半徑很小的金屬球，小的金屬毛刺可視為半徑很小的金屬圓柱。當電磁波照射到這些小金屬球和小金屬圓柱體上時將發生散射。電磁波對半徑為a的導體球的遠區散射場為Ec=E0e-jkrkrcosn=1ancnddPn(cos)+dnPn(cos)sin-----(10-1)]]>Ec=-jE0e-jkrkrsinn=1andnddPn(cos)+cnPn(cos)sin----(10-2)]]>Hc=jE0e-jkrkrsinn=1andnddPn(cos)+cnPn(cos)sin]-----(10-3)]]>Hc=jE0e-jkrkrcosn=1ancnddPn(cos)dnPn(cos)sin-----(10-4)]]>遠區散射場的平均功率為s=12Re(EsHs3)=12Re(EsHs3-EsHs3)ar-------(11)]]>理論和實驗證明，對於半徑為a的導體小球，產生明顯散射時對應於一確定的頻率，此時，其半徑a與波長λ的關係為Ka≈1，K＝2π/λ，λ為波長 (12)因此，可以在終端接匹配負載時，在入射端通過提取散射波功率來檢測金屬管道中的異物。對於管道內毛刺檢測，其檢測原理與上述相同。小裂紋、裂縫也通過提取散射波功率來檢測。
通常，管道內存在缺陷時，微波反射波的反射係數的模隨缺陷程度的增加而單調地增長，當缺陷的尺寸為零時，反射係數的模也為零。因此測量反射係數模值的方法只能用於檢測尺寸較大的缺陷；反射係數的相位對管道的缺陷特別敏感，當缺陷的厚度為零時，反射係數的相位發生突變。所以可以用測量反射係數相位的方法確定缺陷的存在，尤其是當缺陷的尺寸很小時，該方法特別有效。反射係數的模和相角都因缺陷的引入而發生改變，且改變量隨工作頻率而變化。缺陷對反射係數的模的影響較小；反射係數的相角對缺陷非常敏感，在某些頻率上，相位之差可以達到±π。
基於上述原理，可通過檢測以下信息來判斷管道中的裂紋、裂縫和內表面金屬異物，需提取的特徵信號有1、管道中TE01模和TM01模；2、反射波的反射係數模和相角；3、穿過入射點截面的反射波功率Pr或散射波功率Ps；4、調製波脈衝從入射點到缺陷處，經反射後再回到入射點所需的時間Δt。
本方法的特徵在於它由監控中心工控機控制執行以下步驟1)初始化監控中心工控機給定TE01模微波的模式改變超限閾值，TM01模微波的模式改變超限閾值；反射係數模的超限閾值，反射係數相角的超限閾值；反射波和/或散射波功率超限閾值；2)啟動微波源向管道交替發射TE01和TM01單模式微波，所述微波的頻率是保證微波在管道中單模式傳輸，並且使得反射或散射功率最大的敏感頻率；3)接收傳播模式檢測器檢測到的TE01和TE01波的模式；接收反射係數模和相角檢測器檢測到的反射係數模與相角值；接收功率計檢測到的反射波功率或散射波功率；4)當上述TE01和TM01波的模式檢測值超過其改變超限閾值，或反射係數模與相角的檢測值超過其改變超限閾值，或上述反射波功率或散射波功率超過其超限閾值時，啟動微波源發射脈衝調製波對管道進行掃描；5)獲取脈衝往返檢測器檢測到的脈衝調製微波入射和接到反射的時間差Δt，並計算缺陷所在位置Δll=ct21-(/1.640a)2,]]>當發射TE01模微波時；或l=ct21-(/2.620a)2,]]>當發射TM01模微波時；其中，c為光速，λ為調製波的波長，a為待測管道的半徑，Δl為管道入口到缺陷之間的距離。
所述反射波和散射波功率超限閾值等於所發射的TE01和TM01單模式微波功率的5％。
本系統的特徵在於它含有微波發射和接收單元，檢測單元和監控中心；其中，微波發射和接收單元含有通過同軸電纜依次連接的微波源、電控衰減器、功率放大器、雙向耦合器，以及和所述雙向耦合器依次用同軸電纜互連的隔離防爆裝置、波導-同軸轉換器，矩-圓波導過濾器；所述矩-圓波導過濾器連接過渡接頭，所述過渡接頭另一端連接待測管道的輸入端；所述微波源的控制端連接監控中心；檢測單元含有兩個傳播模式檢測器，分別裝在待測管道有效檢測長度的兩端，該檢測器含有沿管道徑向安裝，用於檢測TE01模的開路環形探針，和沿著管道軸向安裝，用於檢測TM01模的閉合小耦合環；在管道有效檢測長度的尾端還裝有用於防止微波反射的匹配負載；所述開路環形探針和閉合小耦合環的信號輸出端依次連接隔離防爆用的安全柵、和含有A/D轉換器、控制模塊和串行通訊接口的數據採集終端RTU，所述數據採集終端RTU通過有線或無線方式連接所述監控中心；反射係數模和相角檢測器，其參考信號輸入端通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號輸出端，其信號輸入端通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號輸出端，其輸出端連接監控中心；功率計，用於檢測由管道反射或散射回來的微波功率，其輸入端通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的功率輸出端，其輸出端連接監控中心；脈衝往返時間檢測器，用於檢測脈衝調製波發射和接到反射波的時間差，其參考信號輸入端通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號輸出端，其信號輸入端通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號輸出端，其輸出端連接監控中心；監控中心含有一臺工控機，控制微波發射和接收單元、接收檢測單元上傳的檢測數據、計算管道中缺陷的位置Δl。
所述反射係數模和相角檢測器含有一個用於檢測反射係數模的Wiltron560A標量網絡分析儀，和一個用於檢測反射係數相角的HP8408S矢量網絡分析儀，所述Wiltron560A標量網絡分析儀和HP8408S矢量網絡分析儀的參考信號輸入端分別通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號輸出端，其信號輸入端分別通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號輸出端，其輸出端分別連接監控中心。
實驗證明，本發明能夠有效的識別輸氣管道中是否存在缺陷，並能夠準確定位缺陷的位置，達到了預期的目的。


圖1輸氣管道洩漏檢測系統示意圖；圖2基於微波技術的輸氣管道洩漏檢測與定位方法流程3開路環形探針放置位置示意圖；201管道；202環形探針環圖4閉合小耦合環放置示意圖；301管道；302閉合小耦合圖5(a)RCM2200模塊中的Rabbit晶片的中斷引腳圖；圖5(b)RCM2200模塊中的Rabbit晶片的中斷邏輯圖；圖5(c)入射與反射調製脈衝波時間差示意圖；圖6用於傳輸模式檢測器的RTU數據採集與傳輸示意圖；圖7(a)反射強度與缺陷裂紋程度的關係圖；圖7(b)反射相位與缺陷裂紋程度的關係圖。
具體實施例方式一、檢測方法結合圖2的檢測與定位方法流程示意圖，整個系統的工作流程由監控中心進行控制，過程如下1啟動微波源、各個檢測與測量單元模塊；在整個系統工作之前，還應該進行如下工作1、當管道形狀和分布比較規則時，TE01波和TM01波的模式改變超限閾值、反射功率超限閾值、散射功率超限閾值理論上都應為0。但由於實際管道的分布形狀複雜多變，即使無缺陷故障時，管道仍然會對入射微波有一定程度的反射、散射、以及模式改變。所以，需要在檢測前，通過對管道無故障初始狀態的檢測，分別設置TE01波和TM01波的模式改變超限閾值，反射功率超限閾值、散射功率超限閾值。初始狀態的檢測是在安裝本系統時，一般均認為管道中沒有缺陷，此時可通過在管道的入射端和出射端的r＝0處提取模式變化信號。首先測試金屬管道中傳播的TE01模，用開路環形電探針提取到的感應電壓值，即為該管道的當前TE01模閾值；然後再測試管道中傳播的TM01模，用小耦合環提取到的感應電流值，即為該管道的當前TM01模閾值。
2、針對特定尺寸(管道半徑)的管道，找出合適的頻率點，保證微波在該管道中能單模傳播且功率衰減相對最小。關於如何根據具體的管道確定一個滿足上述要求的微波傳輸頻率，可以通過比對「管徑-衰減特性曲線」以及「管徑-截止頻率曲線」來確定。詳細的內容可參閱有關的微波原理介紹文獻，也可參閱以下文獻中的曲線關係介紹如文獻[1]Kawahara N.Experimental wireless micromachine for inspection on innersurface of tube，The third International Micromachine Symposium，1997.137-140；(Kawahara N，用於管道內表面檢測的試驗無線微機器人，第三屆國際微機器人研討會，1997.137-140)文獻[2]Sasaya T，Shibata T，Kawahara N.Microwave energy supply in-pipe micromachine.The fourth International Micromachine Symposium，1998.159-164；(Sasaya T，Shibata T，Kawahara N，管道內微機器人的微波無線供能，第四屆國際微機器人研討會，1998.159-164)文獻[3]Mcspadeen J O，Yoo T，Chang K.Theoretical and experimental investigation ofrectenna element for microwave power transmission.IEEE Trans.Microwave Theory Thec，1992，MT-40(12)(Mespadeen J O，Yoo T，Chang K.，微波功率傳輸的矽整流二極體天線的理論與試驗研究，IEEE Trans.Microwave Theory Thec，1992，MT-40(12))3、因為反射波和散射波功率與微波的頻率有關。在系統啟動之前，還應用掃頻源，找出一個微波頻率範圍，也就是在該頻率範圍下，測量的反射波和散射波功率達到最大。
將2和3測得的頻率範圍取交集，在交集範圍內的任意一個頻率，均可作為敏感頻率點。以後在工作時，就對該敏感頻率點進行模式檢測和功率測量。
工作時的入射微波功率一般要考慮現場的防爆問題，無特殊取值範圍。
裂紋、裂縫的尺寸與反射波和散射波功率成正比，大量實驗證明，在敏感頻率附近，反射波和散射波功率佔入射波功率5％時，通常，管道中會出現裂紋、裂縫。如果管道中微波的傳輸模式變化較大，則功率計所測的功率主要為反射波功率，如果管道中波的模式幾乎沒有變化，則功率計所測得為散射波功率。如下式介紹設Thresh_TE為TE波的模式改變超限閾值，Thresh_TM為TM波的模式改變超限閾值，VTE為檢測TE波模式改變的感應電壓，ITM為檢測TM波模式改變的感應電流。
當VTE≥2Thresh_TE或ITM≥2Thresh_TM，則功率計所測的功率主要為反射波功率。
當Thresh_TE≤VTE≤2Thresh_TE或Thresh_TM≤ITM≤2Thresh_TM，則功率計所測的功率為散射波功率。
通常，在一個實際的、非理想狀態下的管道中，反射波和散射波是幾乎並存於管道中的。所以嚴格意義上，應該將兩者的閾值合為一個閾值，即應該反射波與散射波超限閾值。為了便於分析是微小裂紋，還是較大裂紋，有時會將兩者分開討論。在本發明中，檢測反射波與散射波的功率僅僅是為了得知管道中是否有缺陷，因此不必將反射波與散射波超限閾值分開設定。
4、反射係數模與相角的超限閾值的確定微波在實際的管道中傳輸時，還是會存在不同程度的反射波，所以需要對反射係數模和相角的超限閾值進行標定。以後如果檢測值超過了閾值，則管道中存在缺陷。閾值的確定與TE01波和TM01波的模式改變超限閾值類似，在安裝本系統時就進行，檢測器件採用Wiltron560A標量網絡分析儀，和HP8408S矢量網絡分析儀，分別檢測反射係數模和閾值，並將其作為檢測的超限閾值。
2並行地執行TE波和TM波傳播模式檢測、反射係數模與相角檢測、反射波功率與散射波功率檢測；上述3個模塊用於檢測被監測輸氣管道是否存在洩漏故障。三個模塊同時並發執行，採用不同的檢測方法來判斷。當3個模塊中任意一個模塊的檢測閾值發生超限報警，則立即啟動脈衝調製波掃描進行定位；若無報警，則進行下一個周期的檢測。
3啟動脈衝調製波掃描進行定位；該模塊在上述3個模塊的任一個發生閾值超限報警後啟動，由微波源向管道中發射脈衝調製微波，然後用脈衝往返時間檢測器檢測被管道缺陷處反射回來的回波到達時間Δt，利用公式進行計算l=vPt2=ct21-(/1.640a)2]]>當發射TE01模微波時；或l=vPt2=ct21-(/2.620a)2]]>當發射TM01模微波時；
得到管道洩漏或缺陷的具體位置Δl，即從管道入口到缺陷位置的距離。調製波實質上是指將微波調製為脈衝，以配合脈衝往返時間檢測器檢測反射波的脈衝邊沿，對於調製波的頻率沒有特殊要求，只要能滿足脈衝往返時間檢測器的檢測解析度就可。調製脈衝的持續時間最好小於1秒，以免反射波與入射波形成駐波，影響反射脈衝邊沿檢測的精度。
二、檢測系統如圖1所示，檢測系統通過「矩形-圓形波導過濾器」沿著被測金屬圓形輸氣管道(相當於傳輸波導)的軸線方向接入，它包括微波發射和接收單元；檢測單元包括微波傳輸模式變化檢測器、反射係數模與相角檢測器、反射波與散射波功率測量器、脈衝往返時間檢測器；監測中心。整個檢測系統裝置基本上位於管道的一端(上遊端或下遊端)，考慮到微波沿管道傳輸的功率衰減，在管道沿途，每隔一定的距離(依微波的頻率、發射功率、管道幾何尺寸而定的有效檢測距離)布置-套本檢測裝置。
1、微波發射和接收單元包括微波源、電控衰減器、功率放大器、雙向耦合器、隔離防爆裝置、波導-同軸轉換器、矩形-圓形波導過渡器、過渡接頭。該單元負責向輸氣管道中發射用於檢測管道洩漏的微波，同時接收由輸氣管道反射或散射回來的微波，並傳給相應的檢測器進行處理。下面一一進行介紹 微波源接收監控中心的控制，產生用於檢測的微波信號； 電控衰減器與功率放大器用於調整和控制微波信號的功率，在系統啟動之前先調好； 雙向耦合器如圖1，雙向耦合器的用途(1)將微波源產生的微波傳輸到待測金屬輸氣管道；(2)將微波源產生的參考信號傳輸到相應的檢測和測量單元；(3)將從輸氣管道反射和散射回來的微波信號傳輸到相應的檢測和測量單元； 隔離防爆裝裝置用於油氣田現場的電氣隔離防爆安全裝置； 波導-同軸轉換器矩形-圓形波導過渡器之前的微波信號是通過同軸電纜傳遞的，波導-同軸轉換器用於將微波傳輸介質由同軸電纜轉換為矩形波導； 矩形-圓形波導過渡器將微波傳輸介質由矩形波導轉換為圓形波導； 過渡接頭連接圓形波導與不同口徑管道的過渡接頭； 此外，還需要在管道有效檢測長度的終端，接入終端匹配負載，防止無故障時，引起反射波產生，影響測量結果。
2、微波傳輸模式變化檢測器在管道有效檢測長度的入口端(上遊)和出口端(下遊)各沿著徑向放置一個開路環形探針，用於微波TE01模式變化的提取，見圖3。在管道徑向r＝0處，電場強度EΦ的變化若未超過閾值，說明管道中模式沒有改變，則管道中沒有縱向裂紋；如果EΦ的變化超過閾值，則說明管道中一定存在其它模式的反射波和散射波模式，即有管道中存在缺陷。同樣在管道有效檢測長度的入口端(上遊)和出口端(下遊)各沿著軸向放置一個閉合小耦合環，用於微波TM01模式變化的提取，見圖4，如果在管道徑向r＝0處，磁場強度HΦ的變化未超過閾值，說明管道中模式沒有改變，則管道中沒有橫向裂紋；如果EΦ的變化超過閾值，則說明管道中一定存在其它模式的反射波和散射波模式，即有管道中存在缺陷。圖1所示的傳播模式檢測器包含由開路環形探針和閉合小耦合環，開路環形探針實際檢測得到的物理量為管道入口端(上遊)和出口端(下遊)的r＝0處的感應電壓值，閉合小耦合環實際檢測得到的物理量為管道入口端和出口端的r＝0處的感應電流值。電壓(電流)可表徵該處的EΦ和HΦ值，兩者的輸出端連接到監控中心，將檢測到的數據傳輸到監控中心進行處理。開路環形探針與閉合小耦合環二者的測量點之間的距離根據管道的具體長度而定，一般為20cm～100cm。
將開路環形探針與閉合小耦合環採集的感應電壓和感應電流輸入到A/D數據採集晶片的模擬量輸入埠，然後經過控制模塊控制和串行通訊接口，將信號以無線數字擴頻電臺或微波專線方式或乙太網方式傳到監控中心。本發明採用以ZWord公司的RCM2300控制晶片作為核心處理晶片的遠程數據採集終端RTU(Remote Terminal Unit)，見圖6。該RTU含有A/D轉換卡，RCM2300模塊，RCM2300具備RS232接口，可用電臺、微波專線等方式將數據傳輸到監控中心。也可採用RCM2200模塊，該模塊可以通過乙太網方式將數據傳輸到監控中心。
本發明所採用的RTU系統的輸出埠類型是RS232。信號輸出的格式和時間間隔可以由用戶通過編程器設定。監控中心每隔20秒向RTU發送上傳數據命令，RTU發送的數據包含有過去20秒內的數據，通過具有RS232接口的數字電臺廣播出去，數據包內包括過去20秒內的管道上下遊數據。
RTU主要系列的基本技術指標為模擬量輸入，8路；AD轉換器解析度12位，採樣速率不低於50ms；脈衝量輸入6路，光電隔離輸入，最小汲取電流不大於2毫安；RS232接口；外形尺寸145×90×38(I型，外接直流24V電源)45×90×72(II型，外接交流220V電源)；工作溫度範圍-40～85℃由於油田和長輸管道系統的泵站均屬於防爆要求很高的區域，圖6中的RTU必需通過安全柵隔離防爆設備連接到管道上下遊的開路環形探針與閉合小耦合環。
3、反射係數模與相角檢測器如圖1所示，在雙向耦合器的參考信號和微波反射信號輸出端連接反射係數模和相角檢測器。反射係數模和相角檢測器包括一個Wiltron560A標量網絡分析儀，和一個HP8408S矢量網絡分析儀。反射係數模的檢測可以用Wiltron560A標量網絡分析儀的駐波測試器測量，用HP8408S矢量網絡分析儀分析反射係數相角。
4、功率計用於檢測反射波與散射波功率。如圖1所示，管道終端接匹配負載，若管道中無裂紋、裂縫和其它金屬異物，則在入射端沒有反射信號。因此，可用功率計在入射端測量反射波或散射波的功率。微波功率測量的儀器市場上的品種有很多，如Marconi公司的6960A型微波功率計，該功率計具有GPIB接口，可以很方便地與監測工控機通信。至於其它的型號，這裡就不介紹了。具體的測量方法和原理還可以參閱以下文獻[1]李景春，牛剛，黃嘉，微波信號功率頻譜分析儀測量方法，無線通信，No.3，2003[2]沈曉燕，張廣，甄蜀春，微波虛擬時頻分析儀的分析與設計，宇航計測技術，Vol.23，No.2，20035、脈衝往返時間檢測器當上述的微波傳輸模式變化檢測器、反射係數模與相角檢測器、反射波與散射波功率檢測器中的任意一個檢測結果發現管道中存在洩漏故障時，則啟動脈衝往返時間檢測器進行洩漏位置的定位。脈衝往返時間檢測器採用時間比較器，如圖5(a)所示的時間比較器採用Zword公司的運行μC-OS2嵌入式作業系統的RabbitCore RCM2200microprocessor模塊作為主處理器，將入射的微波調製脈衝信號與反射回來的脈衝信號分別輸入到RCM2200的PE0和PE1埠，也就是RCM2200的外部中斷輸入埠INT0A(PE0)和INT1A(PE1)。然後通過嵌入式C語言編寫RCM2200單片機中斷服務程序，通過比較兩個外部中斷INT0A和INT1A的發生時間間隔，就可以計算出上述兩個信號的時間差Δt。關於RCM2200的詳細介紹以及程序設計請參閱Zword公司的「RabbitCoreRCM2200 User’s Manual」和「Dynamic C User’s Manual」技術文檔。以上的硬體只是其中一種選擇，系統可以根據需要，選擇其它類型的晶片、模塊和作業系統。圖5(b)是RCM2200模塊中的Rabbit晶片的中斷邏輯；圖5(c)是入射與反射調製脈衝波時間差示意圖。
6、監測中心本發明採用一臺工控機進行監測，負責整個系統的所有調度工作，包括啟動微波源；啟動各個檢測器，並與這些檢測器通信，獲取檢測結果，以及進行一些必要的數據顯示和存儲。
三、測試結果1、基於傳輸模式變化檢測選半徑30mm的鐵質無縫鋼管和同樣的鋼管次品作為被測樣品。對於無縫的優質鋼管，在入射端和出射端的r＝0處提取模式變化信號。當鋼管中傳播TE01模時，用開路環形電探針不能提取到感應電壓；當鋼管中傳播TM01模時，用小耦合環也不能提取到感應電流，這說明管內傳播的模式沒有改變。在次品鋼管中，當入射端發射功率為500mW的TE01模微波時，用開路環形電探針提取的感應電壓VTE01＝12.78(mV)，當鋼管中傳播入射端發射功率為500mW的TM01模微波時，用小耦合環提取的感應電流i＝207μA(以上結果是f＝5GHz～12GHz中測得的最大值)。
將f1＝1MHz的矩形波調製f2＝12GHz的正弦波作為調製波，並以TE01模射入鋼管，次品鋼管終端接匹配負載，由時間比較器給出的反射波較入射調製波的時差為Δt＝7.85ns，由式(8)可算出缺陷在距輸入端56.2cm處。再將次品鋼管終端接匹配負載，測得輸入端反射波和散射波功率P＝38mW。
將被測樣品鋼管在l＝56.2cm處鋸斷，發現在距離鋸口2.5cm處有一條長約3mm的裂紋。
2、基於反射係數模和相角檢測在鐵質無縫鋼管的同一位置處模擬0.1～2mm範圍內的缺陷裂紋。用Wiltron560A標量網絡分析儀的駐波測試器560-97N50-1，檢測反射強度與缺陷裂紋程度的關係，測量結果如圖7(a)所示；用HP8408S矢量網絡分析儀測量反射相位與缺陷裂紋程度的關係，測量結果如圖7(b)所示。圖中實線為理論計算的結果，「+」號表示實際測量的結果，橫坐標表示缺陷的寬度，單位為毫米，微波工作頻率在12GHz。由下圖可以看出，理論分析的結果與實際測量的結果相當一致。
由上述兩種方法的實驗情況可看出，該方法用於檢測金屬管道中的裂紋、裂縫的存在和位置是可行的。
本發明所提出的方法，在信號採集方面借鑑了現代微波通信技術的原理，合理設計檢測傳感的位置，採用了微波模式變化檢測、反射係數模與相角變化檢測、反射波和散射波功率的檢測三者並行判斷管道內是否由缺陷存在，然後計算缺陷距離，使檢測結果準確可靠。
權利要求
1.基於微波技術的輸氣管道洩漏檢測定位方法，其特徵在於，它由監控中心工控機控制執行以下步驟1)初始化監控中心工控機給定TE01模微波的模式改變超限閾值，TM01模微波的模式改變超限閾值；反射係數模的超限閾值，反射係數相角的超限閾值；反射波和/或散射波功率超限閾值；2)啟動微波源向管道交替發射TE01和TM01單模式微波，所述微波的頻率是保證微波在管道中單模式傳輸，並且使得反射或散射功率最大的敏感頻率；3)接收傳播模式檢測器檢測到的TE01和TM01波的模式；接收反射係數模和相角檢測器檢測到的反射係數模與相角值；接收功率計檢測到的反射波功率或散射波功率；4)當上述TE01和TM01波的模式檢測值超過其改變超限閾值，或反射係數模與相角的檢測值超過其改變超限閾值，或上述反射波功率或散射波功率超過其超限閾值時，啟動微波源發射脈衝調製波對管道進行掃描；5)獲取脈衝往返檢測器檢測到的脈衝調製微波入射和接到反射的時間差Δt，並計算缺陷所在位置Δll=ct21-(/1.640a)2,]]>當發射TE01模微波時；或l=ct21-(/2.620a)2,]]>當發射TM01模微波時；其中，c為光速，λ為調製波的波長，a為待測管道的半徑，Δl為管道入口到缺陷之間的距離。
2.如權利要求1所述的基於微波技術的輸氣管道洩漏檢測定位方法，其特徵在於所述反射波和散射波功率超限閾值等於所發射的TE01和TM01單模式微波功率的5％。
3.基於微波技術的輸氣管道洩漏檢測定位系統，其特徵在於，它含有微波發射和接收單元，檢測單元和監控中心；其中，微波發射和接收單元含有通過同軸電纜依次連接的微波源、電控衰減器、功率放大器、雙向耦合器，以及和所述雙向耦合器依次用同軸電纜互連的隔離防爆裝置、波導—同軸轉換器，矩—圓波導過濾器；所述矩—圓波導過濾器連接過渡接頭，所述過渡接頭另一端連接待測管道的輸入端；所述微波源的控制端連接監控中心；檢測單元含有兩個傳播模式檢測器，分別裝在待測管道有效檢測長度的兩端，該檢測器含有沿管道徑向安裝，用於檢測TE01模的開路環形探針，和沿著管道軸向安裝，用於檢測TM01模的閉合小耦合環；在管道有效檢測長度的尾端還裝有用於防止微波反射的匹配負載；所述開路環形探針和閉合小耦合環的信號輸出端依次連接隔離防爆用的安全柵、和含有A/D轉換器、控制模塊和串行通訊接口的數據採集終端RTU，所述數據採集終端RTU通過有線或無線方式連接所述監控中心；反射係數模和相角檢測器，其參考信號輸入端通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號輸出端，其信號輸入端通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號輸出端，其輸出端連接監控中心；功率計，用於檢測由管道反射或散射回來的微波功率，其輸入端通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的功率輸出端，其輸出端連接監控中心；脈衝往返時間檢測器，用於檢測脈衝調製波發射和接到反射波的時間差，其參考信號輸入端通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號輸出端，其信號輸入端通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號輸出端，其輸出端連接監控中心；監控中心含有一臺工控機，控制微波發射和接收單元、接收檢測單元上傳的檢測數據、計算管道中缺陷的位置Δl。
4.如權利要求3所述的基於微波技術的輸氣管道洩漏檢測定位系統，其特徵在於，所述反射係數模和相角檢測器含有一個用於檢測反射係數模的Wiltron560A標量網絡分析儀，和一個用於檢測反射係數相角的HP8408S矢量網絡分析儀，所述Wiltron560A標量網絡分析儀和HP8408S矢量網絡分析儀的參考信號輸入端分別通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的參考信號輸出端，其信號輸入端分別通過同軸電纜連接所述雙向耦合器的微波信號輸出端，其輸出端分別連接監控中心。
全文摘要
基於微波技術的輸氣管道洩漏檢測定位方法與系統屬於輸氣管道洩漏、裂紋故障狀態的檢測技術領域。其特徵在於，它是往管道中發射TE
文檔編號G01N22/02GK1584562SQ200410048038
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月11日 優先權日2004年6月11日
發明者呂琛, 葉昊, 王桂增 申請人:清華大學