一种基于重采样算法的天然气管道安全监测声速补偿技术制造技术

本发明专利技术涉及一种基于重采样算法的天然气管道安全监测声速补偿技术，属于天然气管道在线安全监测领域。该过程包括：首先将多功能数据采集卡采集的原始基准信号与检测信号传输至上位机进行数据处理；同时，在采集原始基准信号与检测信号时记录当前时刻环境温度；然后，对所有经过匹配滤波处理后的检测信号进行重采样并统一至基准信号下；最后对重采样后基准信号与检测信号进行包络提取与包络减法，即可实现天然气管道水合物堵塞和管道泄漏精准定位。本发明专利技术的主要优点在于，通过基于重采样算法的声速补偿技术可有效消除声速变化引起噪声干扰及定位误差，实现水合物堵塞和管道泄漏精确定位。

A Sound Velocity Compensation Technology for Natural Gas Pipeline Safety Monitoring Based on Resampling Algorithms

【技术实现步骤摘要】
一种基于重采样算法的天然气管道安全监测声速补偿技术
本专利技术涉及一种基于重采样算法的天然气管道安全监测声速补偿技术，属于天然气管道在线安全监测领域。
技术介绍
天然气在开采、加工和集输过程中，当温度和压力满足一定条件时易形成天然气水合物，轻则干扰天然气正常生产与运输，重则引发严重安全事故。此外，天然气管道泄漏事故同样会造成严重的生命和财产损失。因此，对天然气水合物堵塞及管道泄漏的监测和精准定位对管道安全运行具有重要意义。目前，业界已对天然气管道安全监测开展了一系列研究并公布相应成果。针对天然气管道中的压力波衰减遵循一定规律，因此研究压力波衰减特性，同时将水合物堵塞管道与空管道情况下的不同衰减特性进行对比，可以估算出水合物堵塞的程度。为了检测管道泄漏，一种基于动态压力波衰减模型的泄漏检测定位方法被提出，该方法基于传播速度和时间差可将最大定位误差减小到0.054％。另一种基于被动声学的管道泄漏检测方法可以远程检测声信号，定位泄漏孔并确定泄漏孔大小。此外，一种结合压缩感知和深度学习理论的智能管道泄漏孔径识别方法被提出，该方法可实现泄漏孔径的高精度分类识别。然而，上述方法不能同时进行水合物堵塞与管道泄漏的检测与定位。一种基于主动声学激励的天然气管道在线安全监测方法可以同时水合物及管道泄漏的检测与定位。之后，小波包分析和混沌特性分析两种方法被先后提出以区分水合物堵塞和管道泄漏。然后，上述方法并未对环境温度变化引起的声速变化进行补偿。然而，实际情况下通常温度不恒定，声速也会随之变化。因此，弯道、阀门等正常管道事件引起的反射峰会出现在基准信号和检测信号的不同位置，从而导致包络相减结果产生额外噪声。若忽略声速的变化，则由水合物堵塞和管道泄漏引起的反射峰还会发生漂移，从而导致严重的定位误差。因此，利用重采样算法对匹配滤波后的检测信号进行重采样以统一至基准信号下，然后对重采样后基准信号与检测信号进行包络提取与包络差值运算，即可提高差值运算结果的信噪比与定位精度，实现天然气管道水合物堵塞和管道泄漏精准定位。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于重采样算法的天然气管道安全监测声速补偿技术，该技术可有效消除声速变化引起噪声干扰及定位误差，实现水合物堵塞和管道泄漏精确定位。本专利技术的技术方案为：一种基于重采样算法的天然气管道安全监测声速补偿技术，包括如下步骤：1)计算机或信号发生器(1)生成发射信号经多功能数据采集卡(2)输出；2)利用功率放大器(3)对发射信号进行放大以驱动固定在管道首端的声源(4)向管道内发射声波信号；3)当反射声波信号遇到管道正常事件(6)与水合物堵塞(7)和管道泄漏(8)时会发生反射；4)在管道首端声源(4)附近固定声波检测传感器(5)以接收反射信号，然后输出至多功能数据采集卡(2)；5)将多功能数据采集卡(2)采集的原始基准信号与检测信号传输至计算机进行数据处理；6)在采集原始基准信号与检测信号时记录当前时刻环境温度；7)对所有数据处理后的检测信号进行重采样，具体过程包括如下步骤：(1)假设声波检测传感器与正常管道事件的相对距离为S，则正常管道引起的反射峰索引为：其中，Ts为系统运行时多功能数据采集卡采样周期，c为发射声波信号在天然气管道中的传播速度。(2)当环境温度变化时，声速与环境温度的关系为：其中，Ti为环境温度。(3)对所有数据处理后的检测信号进行重采样并统一至基准信号下，其重采样因子M/L：其中，I0和Ii分别为基准信号与检测信号中管道事件引起的反射峰索引，c0和ci为对应声速，T0和Ti为对应环境温度。该有理数因子重采样具体过程包括：先以因子L进行升采样，然后再以因子M进行降采样。升采样过程中，原始采集信号序列x[n]以整数因子L进行扩展，然后经过一个增益为L、截止频率为π/L的低通滤波器。降采样过程中，x[n]先经过一个增益为1、截止频率为π/M的低通滤波器，再以整数因子M进行压缩。8)最后，对重采样后基准信号与检测信号进行包络提取与包络相减，即可实现天然气管道水合物堵塞和管道泄漏的精准定位。所述发射声波信号为线性调频脉冲信号，且声波信号能量、频域带宽、持续时间均可调。所述原始基准信号与检测信号传输至计算机进行数据处理为匹配滤波处理。所述当前时刻环境温度为摄氏环境温度。所述重采样为有理数因子重采样。所述有理数因子重采样过程为：先以整数因子L进行升采样，再以整数因子M进行降采样。本专利技术的第一个优点在于利用重采样算法可以自适应地校正检测信号及其包络线的漂移；第二个优点在于利用重采样算法可以对声速变化进行补偿，有效消除额外噪声干扰，提高信噪比；第三个优点是可以提高天然气管道水合物堵塞和管道泄漏定位精度。附图说明图1为本专利技术的数据获取、处理及分析流程图。图2为本专利技术的监测系统配置图。监测系统包括：1为计算机、2为多功能数据采集卡、3为功率放大器、4为声源、5为声波检测传感器。图3为本专利技术的重采样前水合物堵塞检测结果图。图4为本专利技术的重采样后水合物堵塞检测结果图。图5为本专利技术的重采样前后管道泄漏检测结果图。图6为本专利技术的重采样前后管道泄漏动态监测结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明：图1所示为本专利技术整体的数据获取、处理、分析流程图。具体过程如下：A、在采集原始基准信号与检测信号时记录当前时刻环境温度；B、将原始基准信号与检测信号进行匹配滤波处理；C、将匹配滤波后检测信号进行重采样，与基准信号相统一；D、对重采样后基准信号与检测信号进行包络提取；E、重采样后检测信号与基准信号进行包络减法，即可实现天然气管道水合物堵塞和管道泄漏精准定位。图2所示为基于重采样算法的天然气管道安全监测系统的配置图，该监测系统包括：计算机或信号发生器1、多功能数据采集卡2、功率放大器3、声源4、声波检测传感器5、正常事件6、水合物堵塞7及管道泄漏8。计算机或信号发生器1生成发射信号经多功能数据采集卡2输出；利用功率放大器3对发射信号进行放大以驱动固定在管道首端的声源4向管道内发射声波信号；当反射声波信号遇到管道正常事件6或水合物堵塞7和管道泄漏8时会发生反射；在管道首端声源4附近固定声波检测传感器5以接收反射信号，然后输出至多功能数据采集卡2并传输至计算机进行数据处理；在采集原始基准信号与检测信号时记录当前时刻环境温度；对所有数据处理后的检测信号进行重采样并统一至基准信号下；最后，对重采样后基准信号与检测信号进行包络提取与包络相减，即可实现天然气管道水合物堵塞和管道泄漏的精准定位。为了验证基于重采样算法的天然气管道安全监测声速补偿技术的有效性，在如图2所示监测系统上进行模拟水合物堵塞和管道泄漏实验。其中，发射信号为线性调频信号，频率为600Hz-1100Hz，持续时间为0.02s，多功能数据采集卡采样率为100Ks/s。图3(a)为重采样前管道尾端反射信号局部放大图。如图3(b)所示，由于声速的变化，检测信号及其包络出现明显漂移。因此，包络减法结果的信噪比严重降低。图3(c)为(b)的局部放大图，水合物堵塞引起的反射峰完全淹没在管道正常事件引起的反射信号及管道尾端反射信号漂移所造成的噪声中。图4(a)为重采样后管道尾端反射信号局部放大图。对检测信号进行重采样然后提取包络，结果如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于重采样算法的天然气管道安全监测声速补偿技术，其特征在于包括以下过程：1)计算机或信号发生器生成发射信号经多功能数据采集卡输出；2)利用功率放大器对发射信号进行放大以驱动固定在管道首端的扬声器向管道内发射声波信号；3)当反射声波信号遇到管道正常事件或水合物堵塞和管道泄漏时会发生反射；4)在管道首端扬声器附近固定声波检测传感器以接收反射信号，然后输出至多功能数据采集卡；5)将多功能数据采集卡采集的原始基准信号与检测信号传输至计算机进行数据处理；6)在采集原始基准信号与检测信号时记录当前时刻环境温度；7)对所有数据处理后的检测信号进行重采样，具体过程包括如下步骤：(1)假设声波检测传感器与正常管道事件的相对距离为S，则正常管道引起的反射峰索引为：

【技术特征摘要】
1.一种基于重采样算法的天然气管道安全监测声速补偿技术，其特征在于包括以下过程：1)计算机或信号发生器生成发射信号经多功能数据采集卡输出；2)利用功率放大器对发射信号进行放大以驱动固定在管道首端的扬声器向管道内发射声波信号；3)当反射声波信号遇到管道正常事件或水合物堵塞和管道泄漏时会发生反射；4)在管道首端扬声器附近固定声波检测传感器以接收反射信号，然后输出至多功能数据采集卡；5)将多功能数据采集卡采集的原始基准信号与检测信号传输至计算机进行数据处理；6)在采集原始基准信号与检测信号时记录当前时刻环境温度；7)对所有数据处理后的检测信号进行重采样，具体过程包括如下步骤：(1)假设声波检测传感器与正常管道事件的相对距离为S，则正常管道引起的反射峰索引为：其中，Ts为系统运行时多功能数据采集卡采样周期，c为发射声波信号在天然气管道中的传播速度。(2)当环境温度变化时，声速与环境温度的关系为：其中，Ti为环境温度。(3)对所有数据处理后的检测信号进行重采样并统一至基准信号下，其重采样因子M/L：其中，I0和Ii分别为基准信号与检测信号中管道事件引起的反射峰索引，c0和ci是对应的声速，T0和Ti为对应环境温度。该有理数因子重采样具体过程包括：先以因子L进...

【专利技术属性】
技术研发人员：安阳，王筱岑，曲志刚，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：天津,12