聲泄漏檢測技術(shù)依賴于液體和氣體泄漏的噪音。然而,它不一定是人類耳朵能探測到的噪音,它可能是在超聲波區(qū)域。水管泄漏是一項(xiàng)重大的環(huán)境挑戰(zhàn)----聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。清潔(飲用)水是一個稀缺的來源,需要加以保護(hù);老化的基礎(chǔ)設(shè)施增加了挑戰(zhàn)。煤氣管道泄漏既危險又昂貴.無論在哪種情況下,聲泄漏檢測都能提供解決方案。
當(dāng)流體或氣體通過加壓管道時,會產(chǎn)生聲音噪聲。與聲信號高達(dá)2千赫茲的液體相比,氣體往往會產(chǎn)生更高音調(diào)的噪聲,達(dá)到超聲波范圍。
漏水的水管
影響泄漏水管噪聲的因素很多,包括管道直徑、泄漏尺寸和水壓。此外,管道材料和管道周圍的地面對噪聲的傳播有很大的影響。例如,水管作為聲能的低通濾波器,特別是塑料管,比金屬管帶來更大的阻尼。
泄漏產(chǎn)生的聲能通過管道壁、管道周圍的土壤和管道中的水傳播。這些聲音通常在巖石土壤和干燥土壤中傳播得更遠(yuǎn)。在許多情況下,在泄漏區(qū)域周圍形成一個水池將會使聲音降至一個即使使用高度敏感的設(shè)備也無法聽到的水平。如前所述,氣體往往產(chǎn)生較高頻率的聲音,這些聲音與典型的水泄漏的低頻率聲音相比可以傳播得更遠(yuǎn)。如因漏水而發(fā)出的噪音過于微弱,以致無法察覺,則可將示蹤氣體注入管內(nèi),使用簡單的聽聲棒.
今天的許多供水網(wǎng)已經(jīng)在戰(zhàn)略要地永久安裝了監(jiān)聽裝置。使用頻率分析和交叉相關(guān)方法,永久性監(jiān)聽設(shè)備可以幫助檢測泄漏。頻率分析措施和過濾干擾泄漏識別的環(huán)境噪聲。
交叉相關(guān)可以用來確定泄漏的確切位置。它使用兩個傳感器,泄漏必須位于傳感器之間。在交叉相關(guān)中,兩個傳感器之間泄漏噪聲的時間延遲與特定類型和管道尺寸的聲音速度相結(jié)合,以確定兩個傳感器之間的泄漏位置。不幸的是,當(dāng)?shù)氐囊蛩?如土壤條件可以隨著管道的長度而變化,這使確定確切的聲音速度變得困難。將傳感器靠近整個配電管道是提高泄漏檢測系統(tǒng)性能的方法之一。
在越來越多的情況下,聲噪聲傳感器被集成到水表中。在眾多的戰(zhàn)略要地發(fā)現(xiàn)了儀表,為泄漏檢測提供了良好的覆蓋。該儀表是水分配系統(tǒng)的一個組成部分,具有良好的機(jī)械耦合,需要傾聽泄漏。智能電表有一個完整的無線通信鏈路,可以提供關(guān)于潛在泄漏的信息,以及關(guān)于水使用的信息。
將泄漏檢測納入智能儀表的主要挑戰(zhàn)是低耗電。智能水表電池預(yù)計至少可使用15年。為了解決耗電問題,使用了極低功率的聲傳感器,每天只能傳送一次單聲噪聲信號。
新管道材料帶來新的挑戰(zhàn)
當(dāng)內(nèi)部和外部壓力試圖平衡時所引起的泄漏位置的湍流是噪聲的來源,并取決于管道材料和其他因素。銅、鋼和鑄鐵管的泄漏通常會產(chǎn)生500到1500赫茲的聲音。PVC管道泄漏產(chǎn)生的聲音范圍通常在70O850赫茲之間。
此外,PVC管與水的耦合比金屬管強(qiáng),這導(dǎo)致噪音信號明顯減弱,泄漏噪聲在PVC管中傳播的程度不如在金屬管中那樣大。因此,使用兩個泄漏檢測器和聲學(xué)相關(guān)性來定位泄漏并不那么簡單或?qū)嶋H,因?yàn)樾枰嗟臋z測器,而且在PVC管道的情況下,它們需要更緊密地結(jié)合在一起。
在PVC管道中泄漏噪聲傳播的相對較高的衰減率("波速")及其傳播速度的可變性都影響了相關(guān)器的性能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)PVC管道泄漏時,準(zhǔn)確的波速估計尤其重要。在大多數(shù)裝置中,波速是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫估計的,并根據(jù)假定的材料性質(zhì)和管道幾何計算得出。歷史數(shù)據(jù)庫的使用極大地限制了這種相關(guān)技術(shù)的適用性。最近,利用多物理軟件開發(fā)出一種有限元法(FEM)來計算相關(guān)器中使用的波速度和波衰減值( 圖2)。對兩種情況下的有限元計算結(jié)果進(jìn)行了比較:第一,外拍勵磁機(jī)構(gòu)為揚(yáng)聲器;第二,外拍勵磁是泄漏,兩拍外勵磁機(jī)構(gòu)的預(yù)測與實(shí)際系統(tǒng)一致。
圖:已經(jīng)開發(fā)出一種有限元方法來提高PVC水管泄漏識別中相關(guān)器的性能。
超聲波傳感器檢測氣體泄漏
高壓氣體管道中的泄漏在25-100千赫茲范圍內(nèi)發(fā)出超聲波噪聲。傳統(tǒng)的氣體泄漏檢測器測量累積氣體,在反應(yīng)前有一個滯后時間。超聲波泄漏檢測器可以在泄漏發(fā)生時立即識別泄漏,從而觸發(fā)更快的警告。
例如,一個固定的極地氣體泄漏探測器使用四個超聲聲傳感器來監(jiān)測氣體泄漏的大范圍。它可以在室內(nèi)或室外環(huán)境中使用,能夠經(jīng)受降水和風(fēng),并能夠識別泄漏,不論其位置或氣體分層或稀釋。該系統(tǒng)的特點(diǎn)包括:
· 在2-40米范圍內(nèi)(7-130英尺)對有毒、易燃或惰性氣體泄漏的即時反應(yīng)
· 傳感器沒有移動部件,不會老化或漂移,可以在不校準(zhǔn)的情況下操作,并包括故障安全操作的自動自動測試
· 操作溫度范圍-40~85℃
一種用于識別工業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)中泄漏的手持儀器使用了一個由64個麥克風(fēng)組成的矩陣,這些麥克風(fēng)是按特定模式排列的聲學(xué)傳感器,再加上在材料中間的可見相機(jī),以提供被掃描區(qū)域的圖像。根據(jù)聲源和樂器的相對位置,64臺麥克風(fēng)接收聲音的時間略有不同。用麥克風(fēng)間的時間差來定位聲源,然后將聲源疊加在相機(jī)拍攝的圖像上,向操作員顯示泄漏的確切位置 .
壓力空氣從管道泄漏產(chǎn)生的寬帶噪音的聲音和超聲波頻率范圍為40千赫茲及更高。許多工業(yè)壓縮空氣泄漏傳感器系統(tǒng)使用以大約40千赫為中心的窄帶超聲波傳感器。傳感器與泄漏的距離和角度會影響超聲波傳感器的有效性。窄帶超聲波傳感器的使用存在局限性,包括:
· 由于大氣吸收,超聲波頻率明顯減弱。
· 測量角度對壓縮空氣泄漏產(chǎn)生的聲壓級有很強(qiáng)的影響。
· 工業(yè)環(huán)境中常見的噪聲環(huán)境降低了窄帶超聲波傳感器的性能。
用寬帶傳感器替換窄帶超聲波傳感器,這種傳感器既可用于聽覺范圍,也可用于超聲范圍,這可以彌補(bǔ)窄帶傳感器的局限性。擴(kuò)大頻率范圍提高了泄漏檢測系統(tǒng)的質(zhì)量和精度。在壓縮空氣泄漏的情況下,聲音頻率范圍的聲壓級別最大,而在超聲波范圍內(nèi)的聲壓級別則明顯較低,因此使用窄帶超聲波傳感器進(jìn)行檢測具有挑戰(zhàn)性。
概括的
如上所述,使用各種聲泄漏檢測技術(shù)可以準(zhǔn)確定位水和氣體泄漏。當(dāng)內(nèi)部和外部壓力試圖平衡時,泄漏位置引起的湍流是噪聲的來源,并取決于許多因素。水泄漏往往會發(fā)出幾千赫茲以下的聲音,可利用窄帶聲傳感器有效地探測到,而氣體泄漏產(chǎn)生更寬的頻率譜,延伸到超聲波范圍,并可利用寬帶傳感器探測。
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