管道内泄漏检测系统、装置和方法制造方法及图纸

公开了管道内泄漏检测系统和相关方法，用于在流体活动地流过管道时检测管道内泄漏。该系统可包括耦接到膜的传感元件，其平行于流体流的轴向方向设置或与流体流的轴向方向一致地设置。膜被配置为响应于由泄漏引起的吸力而被拉伸以与内壁接触。基于来自传感元件的瞬时输出检测泄漏，该瞬时输出指示膜上的拉伸或应变。传感元件和膜耦接到支撑结构，该支撑结构被配置为将膜定位在管道的内壁附近。支撑结构可以包括将膜和传感元件耦接到支撑结构并且被配置为帮助区分泄漏和错误检测的机构。

Pipeline leakage detection system, device and method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】管道内泄漏检测系统、装置和方法相关申请本申请要求2016年10月17日提交的名称为“In-PipeLeakDetectionSystem”的美国临时专利申请No.62/409,033的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本公开涉及管道内泄漏检测系统和相关方法，并且具体地涉及被设计用于具有活动流体流的管道中的管道内泄漏检测系统。
技术介绍
管道泄漏导致全世界的清洁水供应的显著损失。据估计，大多数国家生产的清洁水中约有20％是从其分布网络泄漏出来的。停止检测到的泄漏节省了水以及清洁水生产过程中消耗的能量和资源。一些管道内泄漏检测系统是基于声学技术，其中声学传感器用于监听管道内部的泄漏。然而，这种声学方法可能遭受低信号比、精确度和与某些管道材料(例如塑料)不兼容的问题。基于压力梯度的技术是管道内泄漏检测系统的另一种形式。从概念上讲，如图1所示，压力梯度检测方法可以涉及移动通过管道120内部的膜110。当膜到达泄漏130(例如，管道中的孔或裂缝)时，在膜的泄漏侧的压力下降产生吸力，使膜110压靠管道壁105。系统可通过检测对膜的摩擦力的增加、附接于膜的装置的运动变化、或吸力的其他影响来推断泄漏130的存在。然而，在实践中，现有的基于压力梯度的泄漏检测系统通常难以检测具有活动水流的操作水管道系统中的泄漏。因此，这种系统需要在泄漏检查期间关闭供水服务。此外，现有的基于压力梯度的泄漏检测系统以及其他现有类型的系统可以触发泄漏的错误警报。在基于压力梯度的泄漏检测系统中，这可能例如响应于膜与管道中的障碍物(例如灰尘、水垢)碰撞、未对准的管道连接和其他不规则性而发生。因此，需要管道内泄漏检测系统和相关方法，其可以在水流过管道时操作，并且可以准确地区分泄漏和针对泄漏的错误警报(例如，障碍物)。这些系统和方法还应该是准确的、一致的、耐用的、易于使用的、以及本领域技术人员期望知道的其他基于性能的特征。
技术实现思路
本公开涉及允许在流体活动地流过管道时检测管道中的泄漏的系统、装置和方法。此外，本公开还提供了系统和装置可以辨别泄漏与可能包含在管道内或可能是管道的一部分的其他障碍物(例如，管道中的碎片、弯曲、管道变窄等。)之间的差异的方式。更具体地，所公开的系统和方法包括膜和传感元件的组合，其可以在与管道中的流体流的轴向方向基本平行或一致的方向上行进通过管道。膜-传感元件组合可以通过支撑结构相对于管道的内壁保持在特定位置。例如，支撑结构可以接合管道的内壁以保持膜和传感元件的位置。膜可以被配置为响应于由管道中的流体泄漏引起的吸力而被拉伸为与内壁接触，并且可以基于来自传感元件的指示在膜上的拉力或应变的瞬时输出来检测流体泄漏。除了其他系统、装置和方法之外，本文还描述了各种其他系统、装置和方法，包括设计成易于辨别流体泄漏和非流体泄漏的障碍物的那些系统、装置和方法。在管道内泄漏检测系统的一个示例性实施例中，该系统包括膜、耦接到膜的传感元件、以及耦接到传感元件和膜中的至少一个的支撑结构。传感元件和膜被配置为与管道中的流体流的轴向方向基本平行或一致地设置，以识别可能的管道内泄漏。支撑结构被配置为将膜定位在其中正在进行管道内泄漏搜索的管道的内壁附近。膜被配置为响应于由管道中的流体泄漏引起的吸力而被拉伸为与内壁接触。基于来自传感元件的指示膜上的拉力或应变的瞬时输出来检测流体泄漏。膜和传感元件可以被配置为在流体活动地流过管道时识别可能的管道内泄漏。类似地，膜和传感元件可以被配置为在移动通过管道时识别可能的管道内泄漏。膜可以具有横截面厚度，该横截面厚度被配置为使响应于流体流的轴向方向上的拉伸的膜和传感元件的固有频率最大化。在一些实施例中，膜的面向管道的内壁的表面可以具有横截面积，该横截面积被配置为使响应于基本垂直于流体流的轴向方向的方向上的拉伸的膜和传感元件的固有频率最小化。膜可具有面向管道内壁的纹理化表面。在一些这样的实施例中，纹理化表面可以是凹窝表面，当膜被拉伸成与内壁接触时，该表面增加膜和内壁之间的摩擦力。传感元件可以嵌入膜中。在一些这样的实施例中，包含嵌入式传感元件的膜的区域的刚度可以低于膜的周围区域的刚度。包含嵌入式传感元件的膜的区域可以由例如第一橡胶材料制成，并且膜的周围区域可以由例如第二橡胶材料制成，第一橡胶材料的刚度低于第二橡胶材料的刚度。在传感元件嵌入膜中的一些实施例中，包含嵌入式传感元件的膜的区域的横截面积小于膜的周围区域的横截面积。传感元件可具有可变的电阻抗，其与膜上的拉力或应变相关。在一些这样的实施例中，传感元件可包括以下中的至少一个：导电线、导电织物、导电聚合物、导电复合材料和可拉伸合金。支撑结构可以包括将膜和由此传感元件耦接到支撑结构的机构。该机构可以被配置为响应于当管道内壁上的障碍物或挤压物将膜推离管道内壁时在流体流的轴向方向上的拉伸，人为地抑制膜和传感元件的固有频率。该机构可以进一步被配置为使得响应于当流体泄漏将膜拉向管道的内壁时在流体流的轴向方向上的拉伸，不会而以相同的方式抑制膜的固有频率。在一些实施例中，该机构包括将膜耦接到支撑结构的槽。槽可被配置为响应于当管道内壁上的障碍物或挤压物推动膜与槽的底部接触时在流体流的轴向方向上的拉伸而人为地抑制膜和传感元件的固有频率。流驱动机器人可以耦接到支撑结构。在一些实施例中，支撑结构可包括至少一个径向延伸的支撑臂，该支撑臂的端部耦接到槽。支撑臂的端部的外壁可以被配置为与管道的内壁接触并且将膜保持在槽内，从而将传感元件保持在距离管道内壁基本固定的距离处。处理器可以耦接到传感元件。处理器可以被配置为响应于传感元件的瞬时输出的主频率小于响应于流体流的轴向方向上的拉伸的膜和传感元件的固有频率而检测管道内壁上的障碍物或挤压物。在包括处理器的一些实施例中，处理器还可以被配置为响应于传感元件的瞬时输出的主频率等于或大于响应于流体流的轴向方向上的拉伸的膜和传感元件的固有频率来检测流体泄漏。一些系统可包括多于一个膜、传感元件和/或支撑结构。例如，该系统可包括多个膜，多个传感元件，并且支撑结构可包括多个径向延伸的支撑臂。传感元件可以分别耦接到多个膜，并且径向延伸的支撑臂可以分别耦接到传感元件和/或膜。多个传感元件和膜可以被配置为与管道中的流体流的轴向方向基本平行或一致地设置，以识别可能的管道内泄漏，而径向延伸的支撑臂的相应端部可以被配置为响应于来自流体流的压力而扩张以与管道的内壁接触。在一些实施例中，径向延伸的支撑臂可以响应于管道的直径的减小或其他障碍物而是可压缩的，并且可以响应于管道直径的增加而是可扩张的。臂可以被配置为与管道的内壁接触并且将膜保持在远离内壁的一个或多个基本固定的距离处。在一些实施例中，臂可以以膜基本上覆盖管道的内壁的圆周的方式分别耦接到传感元件和/或膜。包括多个膜和/或传感元件的系统还可以包括耦接到传感元件的至少一个处理器。处理器可以被配置为基于来自传感元件的多个并发瞬时输出的比较来区分流体泄漏和假泄漏检测。例如，处理器可以被配置为响应于来自传感元件的指示膜上的拉力或应变的多于一个并发瞬时输出而检测假流体泄漏。作为另一示例，处理器可被配置为响应于来自传感元件的指示膜上的拉力或应变的一个并发瞬时输出来检测流体泄漏。该系统还可以包括位置编码器和惯性测量单元中的至少一个。位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管道内泄漏检测系统，包括：膜；耦接到所述膜的传感元件，其中所述传感元件和所述膜被配置为基本上平行于管道中的流体流的轴向方向或与所述管道中的流体流的轴向方向一致地设置，以识别可能的管道内泄漏；以及支撑结构，其耦接到所述传感元件和所述膜中的至少一个并且被配置为将所述膜定位在其中正在执行管道内泄漏搜索的管道的内壁附近，其中所述膜被配置为响应于由所述管道中的流体泄漏引起的吸力而与所述内壁接触，以及其中基于来自所述传感元件的指示所述膜上的拉力或应变的瞬时输出来检测所述流体泄漏。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.17 US 62/4090331.一种管道内泄漏检测系统，包括：膜；耦接到所述膜的传感元件，其中所述传感元件和所述膜被配置为基本上平行于管道中的流体流的轴向方向或与所述管道中的流体流的轴向方向一致地设置，以识别可能的管道内泄漏；以及支撑结构，其耦接到所述传感元件和所述膜中的至少一个并且被配置为将所述膜定位在其中正在执行管道内泄漏搜索的管道的内壁附近，其中所述膜被配置为响应于由所述管道中的流体泄漏引起的吸力而与所述内壁接触，以及其中基于来自所述传感元件的指示所述膜上的拉力或应变的瞬时输出来检测所述流体泄漏。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述支撑结构还包括：将所述膜以及由此将所述传感元件耦接到所述支撑结构的机构，所述机构被配置为响应于当所述管道的内壁上的障碍物或挤压物将所述膜推离所述管道的内壁时在所述流体流的轴向方向上的拉伸，人为地抑制所述膜和所述传感元件的固有频率。3.根据权利要求2所述的系统，还包括：处理器，其耦接到所述传感元件并且被配置为响应于所述传感元件的瞬时输出的主频率小于响应于所述流体流的轴向方向上的拉伸的所述膜和所述传感元件的固有频率来检测所述管道的内壁上的障碍物或挤压物。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述处理器还被配置为响应于所述传感元件的瞬时输出的主频率等于或大于响应于所述流体流的轴向方向上的拉伸的所述膜和所述传感元件的固有频率来检测流体泄漏。5.根据权利要求2所述的系统，其中所述支撑结构包括至少一个径向延伸的支撑臂，所述支撑臂具有耦接到槽的端部，所述支撑臂的所述端部的外壁被配置为与所述管道的内壁接触并保持所述膜放置在所述槽内，从而将所述传感元件保持在远离所述管道的内壁的基本固定的距离处。6.根据权利要求2所述的系统，其中所述膜具有横截面厚度，所述横截面厚度被配置为使所述膜和所述传感元件在所述流体流的轴向方向上的固有频率最大化。7.根据权利要求2所述的系统，其中所述膜的面向所述管道的内壁的表面具有横截面积，所述横截面积被配置为使所述膜和所述传感元件在基本垂直于所述流体流的轴向方向上的固有频率最小化。8.根据权利要求2所述的系统，其中所述机构包括：将所述膜耦接到所述支撑结构的槽，所述槽被配置为响应于当所述管道内壁上的障碍物或挤压物推动所述膜与所述槽的底部接触时在所述流体流的轴向方向上的拉伸而人为地抑制所述膜和所述传感元件的固有频率。9.根据权利要求1所述的系统，还包括：包括所述膜的多个膜；包括所述传感元件的多个传感元件，所述多个传感元件分别耦接到所述多个膜，所述多个传感元件和所述多个膜被配置为基本上平行于所述管道中的流体流的轴向方向或与所述管道中的流体流的轴向方向一致地设置，以识别可能的管道内泄漏；以及所述支撑结构，包括多个径向延伸的支撑臂，所述支撑臂分别耦接到所述多个传感元件和所述多个膜中的至少一个，其中所述多个径向延伸的支撑臂的相应端部被配置为响应于来自所述流体流的压力而扩张以与所述管道的内壁接触。10.根据权利要求9所述的系统，其中所述多个径向延伸的支撑臂响应于所述管道的直径的减小或其他障碍物而是可压缩的，并且响应于所述管道的直径的增加而是可扩张的。11.根据权利要求9所述的系统，其中所述多个径向延伸的支撑臂被配置为与所述管道的内壁接触并将所述多个膜保持在远离所述内壁的一个或多个基本固定的距离处。12.根据权利要求9所述的系统，其中所述多个径向延伸的支撑臂分别耦接到所述多个传感元件和所述多个膜中的至少一个，使得所述多个膜基本上覆盖所述管道的内壁的圆周。13.根据权利要求9所述的系统，还包括：耦接到所述多个传感元件的至少一个处理器，其中一个或多个处理器被配置为基于来自所述多个传感元件的多个并发瞬时输出的比较来区分流体泄漏和假泄漏检测。14.根据权利要求13所述的系统，其中所述至少一个处理器被配置为响应于来自所述多个传感元件的所述多个并发瞬时输出中的多于一个并发瞬时输出指示所述膜上的拉力或应变而检测假流体泄漏。15.根据权利要求13所述的系统，其中所述至少一个处理器被配置为响应于来自所述多个传感元件的所述多个并发瞬时输出中的一个并发瞬时输出指示所述膜上的拉力或应变来检测流体泄漏。16.根据权利要求9所述的系统，还包括：至少一个位置编码器，其耦接到所述多个径向延伸的支撑臂；以及处理器，被配置为响应于所述至少一个位置编码器输出指示所述多个径向延伸的支撑臂中的至少一个的位置变化的信号来检测假流体泄漏。17.根据权利要求9所述的系统，还包括：至少一个惯性测量单元；以及处理器，其耦接到所述至少一个惯性测量单元并且被配置为响应于所述至少一个惯性测量单元输出指示所述系统的旋转速度的变化的信号来检测假流体泄漏。18.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感元件嵌入所述膜中。19.根据权利要求18所述的系统，其中包含所述嵌入式传感元件的所述膜的区域的刚度低于所述膜的周围区域的刚度。20.根据权利要求19所述的系统，其中包含所述嵌入式传感元件的所述膜的区域由第一橡胶材料制成，并且所述膜的周围区域由第二橡胶材料制成，其中所述第一橡胶材料的刚度低于所述第二橡胶材料的刚度。21.根据权利要求19所述的系统，其中包含所述嵌入式传感元件的所述膜的区域的横截面积小于所述膜的周围区域的横截面积。22.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感元件具有可变电阻抗，所述可变电阻抗与所述膜上的拉力或应变相关。23.根据权利要求22所述的系统，其中所述传感元件包括以下中的至少一种：导电线、导电织物、导电聚合物、导电复合材料和可拉伸合金。24.根据权利要求1所述的系统，其中所述膜具有面向所述管道的内壁的纹理化表面。25.根据权利要求24所述的系统，其中所述纹理化表面包括凹窝表面，以在所述膜被拉伸成与所述内壁接触时增加所述膜与所述内壁之间的摩擦力。26.根据权利要求1所述的系统，其中所述膜和传感元件被配置为在流体活动地流过所述管道时识别可能的管道内泄漏。27.根据权利要求1所述的系统，其中所述膜和传感元件被配置为在移动通过所述管道时识别可能的管道内泄漏。28.根据权利要求1所述的系统，还包括：耦接到所述支撑结构的流驱动机器人。29.一种管道内泄漏检测系统，包括：膜；嵌入所述膜中的传感元件；以及支撑结构，其耦接到所述传感元件和所述膜中的至少一个并且被配置为将所述膜定位在其中正在执行管道内泄漏搜索的管道的内壁附近，其中所述膜被配置为响应于由所述内壁中的流体泄漏引起的吸力而与所述内壁接触，以及其中基于来自所述传感元件的指示所述膜上的拉力或应变的瞬时输出来检测所述流体泄漏。30.根据权利要求29所述的系统，其中所述支撑结构还包括：将所述膜以及由此将所述传感元件耦接到所述支撑结构的机构，所述机构被配置为响应于当所述管道的内壁上的障碍物或挤压物将所述膜推离所述管道的内壁时在所述流体流的轴向方向上的拉伸，人为地抑制所述膜和所述传感元件的固有频率。31.根据权利要求30所述的系统，还包括：处理器，其耦接到所述传感元件并且被配置为响应于所述传感元件的瞬时输出的主频率小于响应于所述流体流的轴向方向上的拉伸的所述膜和所述传感元件的固有频率来检测所述管道的内壁上的障碍物或挤压物。32.根据权利要求31所述的系统，其中所述处理器还被配置为响应于所述传感元件的瞬时输出的主频率等于或大于响应于所述流体流的轴向方向上的拉伸的所述膜和所述传感元件的固有频率来检测流体泄漏。33.根据权利要求30所述的系统，其中所述支撑结构包括至少一个径向延伸的支撑臂，所述支撑臂具有耦接到槽的端部，所述支撑臂的所述端部的外壁被配置为与所述管道的内壁接触并保持所述膜放置在所述槽内，从而将所述传感元件保持在远离所述管道内壁的基本固定的距离处。34.根据权利要求30所述的系统，其中所述膜具有横截面厚度，所述横截面厚度被配置为使响应于所述流体流的轴向方向上的拉伸的所述膜和所述传感元件的固有频率最大化。35.根据权利要求30所述的系统，其中所述膜的面向所述管道的内壁的表面具有横截面积，所述横截面积被配置为使响应于所述流体流的轴向方向上的拉伸的所述膜和所述传感元件的固有频率最小化。36.根据权利要求30所述的系统，其中所述机构包括：将所述膜耦接到所述支撑结构的槽，所述槽被配置为响应于当所述管道内壁上的障碍物或挤压物推动所述膜与所述槽的底部接触时在所述流体流的轴向方向上的拉伸而人为地抑制所述膜和所述传感元件的固有频率。37.根据权利要求29所述的系统，还包括：包括所述膜的多个膜；包括所述传感元件的多个传感元件，所述多个传感元件嵌入相应的多个膜中；以及所述支撑结构，包括多个径向延伸的支撑臂，所述支撑臂分别耦接到所述多个传感元件和所述多个膜中的至少一个，其中所述多个径向延伸的支撑臂的相应端部被配置为响应于来自所述流体流的压力而扩张以与所述管道的内壁接触。38.根据权利要求37所述的系统，其中所述多个径向延伸的支撑臂响应于所述管道的直径的减小或其他障碍物而是可压缩的，并且响应于所述管道的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴悠，K·优素菲图米，K·S·金姆，M·F·亨利，R·B·曼苏尔，
申请(专利权)人：麻省理工学院，法赫德国王石油矿业大学，
类型：发明
国别省市：美国,US