什么是声泄漏检测器

声泄漏检测技术依赖于液体和气体泄漏的噪音。然而,它不一定是人类耳朵能探测到的噪音,它可能是在超声波区域。水管泄漏是一项重大的环境挑战----联合国可持续发展目标。清洁(饮用)水是一个稀缺的来源,需要加以保护;老化的基础设施增加了挑战。煤气管道泄漏既危险又昂贵.无论在哪种情况下,声泄漏检测都能提供解决方案。

当流体或气体通过加压管道时,会产生声音噪声。与声信号高达2千赫兹的液体相比,气体往往会产生更高音调的噪声,达到超声波范围。

漏水的水管

影响泄漏水管噪声的因素很多,包括管道直径、泄漏尺寸和水压。此外,管道材料和管道周围的地面对噪声的传播有很大的影响。例如,水管作为声能的低通滤波器,特别是塑料管,比金属管带来更大的阻尼。

泄漏产生的声能通过管道壁、管道周围的土壤和管道中的水传播。这些声音通常在岩石土壤和干燥土壤中传播得更远。在许多情况下,在泄漏区域周围形成一个水池将会使声音降至一个即使使用高度敏感的设备也无法听到的水平。如前所述,气体往往产生较高频率的声音,这些声音与典型的水泄漏的低频率声音相比可以传播得更远。如因漏水而发出的噪音过于微弱,以致无法察觉,则可将示踪气体注入管内,使用简单的听声棒.

今天的许多供水网已经在战略要地永久安装了监听装置。使用频率分析和交叉相关方法,永久性监听设备可以帮助检测泄漏。频率分析措施和过滤干扰泄漏识别的环境噪声。

交叉相关可以用来确定泄漏的确切位置。它使用两个传感器,泄漏必须位于传感器之间。在交叉相关中,两个传感器之间泄漏噪声的时间延迟与特定类型和管道尺寸的声音速度相结合,以确定两个传感器之间的泄漏位置。不幸的是,当地的因素,如土壤条件可以随着管道的长度而变化,这使确定确切的声音速度变得困难。将传感器靠近整个配电管道是提高泄漏检测系统性能的方法之一。

在越来越多的情况下,声噪声传感器被集成到水表中。在众多的战略要地发现了仪表,为泄漏检测提供了良好的覆盖。该仪表是水分配系统的一个组成部分,具有良好的机械耦合,需要倾听泄漏。智能电表有一个完整的无线通信链路,可以提供关于潜在泄漏的信息,以及关于水使用的信息。

将泄漏检测纳入智能仪表的主要挑战是低耗电。智能水表电池预计至少可使用15年。为了解决耗电问题,使用了极低功率的声传感器,每天只能传送一次单声噪声信号。

新管道材料带来新的挑战

当内部和外部压力试图平衡时所引起的泄漏位置的湍流是噪声的来源,并取决于管道材料和其他因素。铜、钢和铸铁管的泄漏通常会产生500到1500赫兹的声音。PVC管道泄漏产生的声音范围通常在70O850赫兹之间。

此外,PVC管与水的耦合比金属管强,这导致噪音信号明显减弱,泄漏噪声在PVC管中传播的程度不如在金属管中那样大。因此,使用两个泄漏检测器和声学相关性来定位泄漏并不那么简单或实际,因为需要更多的检测器,而且在PVC管道的情况下,它们需要更紧密地结合在一起。

在PVC管道中泄漏噪声传播的相对较高的衰减率("波速")及其传播速度的可变性都影响了相关器的性能。当发现PVC管道泄漏时,准确的波速估计尤其重要。在大多数装置中,波速是根据历史数据库估计的,并根据假定的材料性质和管道几何计算得出。历史数据库的使用极大地限制了这种相关技术的适用性。最近,利用多物理软件开发出一种有限元法(FEM)来计算相关器中使用的波速度和波衰减值( 图2)。对两种情况下的有限元计算结果进行了比较:第一,外拍励磁机构为扬声器;第二,外拍励磁是泄漏,两拍外励磁机构的预测与实际系统一致。

图:已经开发出一种有限元方法来提高PVC水管泄漏识别中相关器的性能。

超声波传感器检测气体泄漏

高压气体管道中的泄漏在25-100千赫兹范围内发出超声波噪声。传统的气体泄漏检测器测量累积气体,在反应前有一个滞后时间。超声波泄漏检测器可以在泄漏发生时立即识别泄漏,从而触发更快的警告。

例如,一个固定的极地气体泄漏探测器使用四个超声声传感器来监测气体泄漏的大范围。它可以在室内或室外环境中使用,能够经受降水和风,并能够识别泄漏,不论其位置或气体分层或稀释。该系统的特点包括:

· 在2-40米范围内(7-130英尺)对有毒、易燃或惰性气体泄漏的即时反应

· 传感器没有移动部件,不会老化或漂移,可以在不校准的情况下操作,并包括故障安全操作的自动自动测试

· 操作温度范围-40~85℃

一种用于识别工业压缩空气系统中泄漏的手持仪器使用了一个由64个麦克风组成的矩阵,这些麦克风是按特定模式排列的声学传感器,再加上在材料中间的可见相机,以提供被扫描区域的图像。根据声源和乐器的相对位置,64台麦克风接收声音的时间略有不同。用麦克风间的时间差来定位声源,然后将声源叠加在相机拍摄的图像上,向操作员显示泄漏的确切位置 .

压力空气从管道泄漏产生的宽带噪音的声音和超声波频率范围为40千赫兹及更高。许多工业压缩空气泄漏传感器系统使用以大约40千赫为中心的窄带超声波传感器。传感器与泄漏的距离和角度会影响超声波传感器的有效性。窄带超声波传感器的使用存在局限性,包括:

· 由于大气吸收,超声波频率明显减弱。

· 测量角度对压缩空气泄漏产生的声压级有很强的影响。

· 工业环境中常见的噪声环境降低了窄带超声波传感器的性能。

用宽带传感器替换窄带超声波传感器,这种传感器既可用于听觉范围,也可用于超声范围,这可以弥补窄带传感器的局限性。扩大频率范围提高了泄漏检测系统的质量和精度。在压缩空气泄漏的情况下,声音频率范围的声压级别最大,而在超声波范围内的声压级别则明显较低,因此使用窄带超声波传感器进行检测具有挑战性。

概括的

如上所述,使用各种声泄漏检测技术可以准确定位水和气体泄漏。当内部和外部压力试图平衡时,泄漏位置引起的湍流是噪声的来源,并取决于许多因素。水泄漏往往会发出几千赫兹以下的声音,可利用窄带声传感器有效地探测到,而气体泄漏产生更宽的频率谱,延伸到超声波范围,并可利用宽带传感器探测。