CN101243311A - 定位管道泄漏的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于确定和定位输运液体或气体介质管线(1)中泄漏的方法，该方法使用至少一个从起点到终点沿所述管线(1)纵向延伸的电导体(2)。按照本发明，定义的测试电压(UM，uL)施加在两个电导体(2)或之间，或在一个电导体(2)和管线(1)之间，且两个电导体(2)或电导体(2)与管线(1)的起点和终点之间的电阻和/或阻抗特性是以完好管线(1)确定的，且随后以相同的测试电压(UM，uL)确定电阻或阻抗特性并与已知的完好管线(1)的电阻和/或阻抗特性比较，从随后确定的电阻或阻抗特性与完好管线(1)的偏差可推测出存在泄漏。
Description
技术领域
本发明涉及按照权利要求1前序部分所述的确定或可能地定位输送液体或气体介质的管线中泄漏的方法，该方法使用至少一条从起点沿管道总线延伸到终点的电导体。
背景技术
用于输送液体或气体介质的管道广泛地分布并通常铺设在地下。这些管道是水线管道或区域供热管道，例如运输介质也可以气体提供，在后者中为水蒸气的形式。为了防止介质逸出，在区域供热线的情形中，由于泄漏导致的能量损失，因此有必要最快地识别尽可能少的泄漏。为了最小化修复损坏的工作和成本支出，有必要尽可能精确地定位这些泄漏。
已知多种方法用于确定和定位泄漏。例如，一种可能性包括测量测量电气监视电导体中脉冲测试信号回声的时间，监视电导体是靠近管道铺设的。为此，例如输送介质的管线由塑料套包围，其中电导体嵌埋在泡沫中。塑料套进而提供有不透水的保护性包膜(envelope)。这样的构型在下面也称为管道组合(pipe composite)。由于输运介质的逃逸导致塑料套润湿会减小管道和电气监视电导体之间和/或监视电导体之间的绝缘电阻减小，并因此表示反应电压脉冲的低电阻点。泄漏与测试信号的耦合位置的距离可从回声的运行时间计算。即使使用相应的低阻电导体，如铜线，可首先根据相对强的润湿和因此介质离开管道相当长时间而可靠地定位泄漏。此外，时间回声的评估和解读被证明是复杂和困难的。
进一步确定泄漏的可能性包括使用电阻测量桥。为此，监视高阻导线，如镍铬导线和低阻导线，如铜线或导电带之间的电阻。在管道塑料套被逃逸的输运介质润湿后，绝缘电阻减小，可按照空载分压器原理定位。为此，定义电阻阈值，如果电阻降到该阈值以下，则发生报警信号并执行定位。该方法被证明足够灵敏能够检测轻微的电阻变化，并因此允许快速探查故障位置。然而，实践中已经证明该方法产生无法接受的大量故障报警，因此由于最终不必要的构造干扰导致管线部件的维护成本增加。
发明内容
因此，本发明的目的是确定管线中泄漏并更可靠地定位该泄漏，以便不仅改善管线的监视，而且最小化维护成本。这些目的是通过权利要求1的特征实现的。
本发明基于这样的考虑，即整个管线系统的电阻特性，电气监视导线，它们的连接点，分开填料，和电压源以及电压测量装置在管线部件操作过程中不是恒定的，虽然介质在其中输送的管线还是完好无损的。在管道组合损坏和湿气从连接的管道外部进入过程中，或由于温度变化，例如管道组合内湿度发生变化而管线没有损伤。而且，损伤也可能发生在整个监视导线上，例如，在导线的连接点的损伤会引起体积电阻(volume resistance)减小导致的绝缘电阻的显著减小。如果管线完整性是根据与先前定义的阈值的比较，特别是根据检测到电阻降到该阈值以下判断的，则可能会不正确地指示泄漏，虽然管线是完好无损的。
进一步的考虑是仅一个短路点解读泄漏是有限制的。本发明基于这样的观点，即分隔至少一个监视导线和管线的填料是具有复杂电解特性且有时有复杂电气特性的介电材料，其在操作过程中会改变。因此，仅电阻的测量值及其与阈值的比较不是观察的重点，而是研究整个系统的“电阻特性”。特别地，已经表明由于非泄漏因素导致的回路电阻(creeping resistance)变化可精确地与实际泄漏导致的变化区分。
因此按照本发明，权利要求1涉及用至少一个沿管线纵向从起点延伸到终点的电导体确定输运液体或气体介质的管线中泄漏并在可能的情况下定位该泄漏，定义的测试电压施加在两个电导体之间或一个电导体和管线之间，且两个电导体或电导体和管线的起点和终点之间电阻和/或阻抗特性是以完好的管线确定的，且随后，电阻或阻抗特性是以相同的测试电压确定的并与完好管线已知的电阻和/或阻抗特性比较，从随后确定的完好管线的电阻或阻抗特性偏差归结出泄漏的存在。
与已知方法比较，测量的电阻值不与阈值比较，但观察的电阻和/或阻抗特性与完好管线的电阻和/或阻抗特性比较。两个电导体或电导体和管线起点与终点间电阻和/或阻抗特性的确定不仅包括确定特定DC电压值的电阻值，而且可包括确定多个DC电压值时的电阻，或在多个AC电压幅度和频率时的阻抗。而且，不排除将所在管线部件操作过程中获得的经验值引入确定完好管线的电阻和/或阻抗特性的过程中，例如，如果观察到电阻和/或阻抗特性的周期变化或逐步变化。因此，例如，可忽略假警报，其中电阻值降到当前方法中确定的阈值，但通过与完好管线的电阻特性比较，显然电阻值的变化源自其他因素。
按照本发明方法的进一步优点是在与完好管线的电阻和/或阻抗特性比较过程中，多个测试电压也可使用，在仅监视阈值时，这是不可能的。可在固定的时间间隔自动执行测试程序，例如其中确定和分析不同电压和频率时电阻和/或阻抗值，即“电阻和/或阻抗特性”。
权利要求2规定，测试电压是至少一个DC电压值。权利要求3规定，测试电压是具有至少一个定义的频率和幅度的AC电压。
权利要求4规定，在电导体起点和终点二者处测量电阻或阻抗特性。精确定位泄漏因此是可能的。如果电阻和/或阻抗特性仅在电导体的起点或终点处被测量，则泄漏仅可以以有限的精度定位，因此在该情形中主要被限定到确定泄漏。
测量阻抗特性的具体过程在权利要求5中给出。权利要求5给出：
-生成第一测试电压并将其作为第一馈入信号在监视电导体的起点处被馈入，
-在终点处测量第一响应信号，
-根据第一响应信号生成对应于第一测试电压的第二测试电压，并将其在监视电导体的终点处作为第二馈入信号被馈入，
-在起点测量第二响应信号，
-馈入和响应信号与特定测试电压的相关性与完好管线的比较。
以该方式确定的阻抗特性在下面也称为管道组合的阶跃或脉冲响应。代替术语“测试电压”，在下面也用术语“测试信号”。
这样的过程可按照权利要求6特别在用不同测试信号的测试程序范围内执行。例如，不同频率，电压幅度，脉冲时间，或脉冲方式可耦合到一系列的测试程序中，并且可分析相应的响应信号。测试程序可以预定的时间间隔重复。测试信号变化的测量的重复允许更精确定位可能出现的泄漏。
按照权利要求7，在每个情形中，两个电导体之间或一个电导体和管线之间的阻抗可借助定义的测试电压用不同频率确定，且频率关系可与完好管线的比较。以该方式，也可以定位泄漏，这里假定从泄漏处逸出的介质引起泄漏的周围地面(surrounding ground)区域中电容变化。地面表示已知变量，泄漏引起的泄漏位置处质量比的变化导致阻抗条件的变化。
充分大的频率范围上的阻抗检测对测试信号有特殊要求，如果使用高阻镍或镍铬线，则要求具有相应高的峰值输出的信号发生器。为了发生合适的测试信号，因此按照权利要求8的建议，至少一个数字放大器和至少一个模拟放大器串联发生测试电压。所需质量和合适频率行为的测试信号可以相对高效率发生。按照权利要求9，使用两个数字放大器级，其输出信号被馈入给模拟放大器。
附图说明
下面基于附图详细说明本发明。
图1示出具有两个监视电导体的管道组合的横截面示意图，
图2示出用于以DC电压确定电阻特性的等效电路图，
图3示出用于以AC电压确定阻抗特性的等效电路图，
图4示出确定管线段的阻抗特性的示意图，
图5示出生成测试信号的电路图，
图6示出形成测试信号的电路技术中实现的实施例，和
图7示出形成测试信号的控制技术中实现的实施例。
具体实施方式
图1示出广泛用于输运液体或气体介质的管道组合8的横截面示意图。管道组合8通常沿在很长距离上延伸，因此难于接触，例如在地下。存在水管或区域供热管道，在后一情形中，输运介质也可以以水蒸气形式作为气体被提供。按照本发明的方法也适于监视用于输运任何类型介质的管线，只要输运介质是导电的，其中输运介质几个μS/cm的导电率就足够了。
管道组合8具有用于输运液体或气体介质的管线1，诸如钢管或铜管，以及靠近管线1铺设的电气监视导体2。为此，例如在其中输运介质的管线1由其中嵌埋电导体2的热绝缘和电绝缘的包膜3包覆，并且还包覆以不透水保护包膜4。热绝缘和电绝缘材料可以是塑料，例如PUR硬泡沫，玻璃绒或矿毛绝缘纤维，或纤维性绝缘材料。下面，采用塑料包膜3。
在干状态下，塑料包膜3具有电绝缘特性。由于输运介质的逸出而导致的塑料包膜3的湿化减小了管线1和电气监视导体2之间和/或监视电导体2之间的绝缘电阻，并因此表现低电阻点，其中改变的电气条件可被用来识别和定位泄漏。
图1示出使用两个监视导体2，然而，仅使用一个导体2或使用多个导体2也是可能的，包膜3内监视导体2的定位也可改变。监视导体2是高阻导体2，如镍铬导体，以及可选的低阻导体2，如铜线或铜镍导体。高阻导体2和低阻导体2之间的电阻，或可选地高阻导体2和管道1之间的电阻被监视。如果仅使用一个监视导体2，则监视高阻导体2和导电管道1之间的电阻。
如上面所述，本发明基于这样的观点，即分隔该至少一个监视导体2和管线1的填料3是随时间变化的介电材料，具有复杂的电解和电气特性。泄漏显著地改变介电特性，并因此改变整个系统的电阻特性。等效电路图用来模拟整个系统的电气特性，图2中为于DC电压测试信号UM和仅采用一个监视导体2的情况示出等效电路图，图3中为AC电压测试信号uL示出电路图。
如可以从图2中看到的那样，管线段被当作电阻器R’的串联电路，其中管线段的不同段长度l1和l2以不同数目的电阻器R’示出。在起点处测量电压UM被施加在导体2和管线1之间，输出电压UMa在终点处被测量。泄漏面积被显示为具有内电阻RF的管线1和导体2之间的故障电压源UF。通过确定回路电阻，可识别泄漏，其中必须在起点和终点二者处都执行测量以便精确定位泄漏。如果使用另一监视导体2，则泄漏可被更精确地定位。
以相似的方式，图3示出仅使用一个监视导体2和交流电压测试信号uL1和uL2的等效电路图。管线段通过电阻器R’、电感性电阻器L’、和电导值为G’的电容性电阻器C’来模拟。管线段的不同段长度l1和l2又以不同数目的R’L’C’电阻元件示出。测量电压uL1在起点处被施加在导体2和管线1之间，在终点处测量输出电压。泄漏区域被显示为具有电阻RF的管线1和导体2之间的电容性连接CF。管线系统中的泄漏位置可根据线路起点和终点处阻抗分布比确定。这将在下面根据示例性实施例更详细地说明。
图4示出确定包括管道组合8的管线段的阻抗特性的示意性视图。为了通过阻抗分析确定精确故障位置，测量装置Ma或Mb分别被附接到要监视的管线段的起点和终点。装置Ma和Mb二者都被连接到控制测量的服务器15，并且测量数据在该服务器上被分析。
为了精确的泄漏位置确定，测试信号uL由这两个测量装置Ma和Mb交替地发出，并在测量设备的相应相对侧被分析。为此，测量装置Ma首先生成测试信号uL1，并分析其在那里作为馈入信号被馈入的管线段起点处馈入点的阻抗分布。然后，在管线段终点出测量其作为第一响应信号。根据第一响应信号，对应于第一测试电压的第二测试电压uL2由测量装置Mb生成，并在监视导体的终点处作为第二馈入信号被馈入。在起点处测量该第二馈入信号作为第二响应信号。然后，所测得的数据被发射到分析单元15，诸如服务器，在那里，馈入信号和响应信号与特定测试电压uL1、uL2的相关性被确定并与完好管线1的相关性相比较。
在测试程序范围内可以利用不同测试信号uL执行该过程，其中测试信号uL的不同参数改变。例如，不同频率、电压幅度、脉冲时间、或脉冲图形在测试程序的序列中可被耦入，且相应响应信号被分析。测试程序可以以预定的时间间隔重复。
该测量方法从属于评估和分析程序，其中评估和分析程序可通过评估线路的阻抗特性变化并通过线路对适应性调整的测试信号的反应来评估线路的密封性。在较简单的线路状态分析的情形中，即确定泄漏而不定位该泄漏，仅执行该配置的阻抗响应的趋势分析。阶跃形式的趋势变化只要其在几乎在所有测试频率下以相同趋势出现在规定的允许公差之外就导致误差识别并通知。
在故障定位中，与线路状态分析相反，有目的地以测试信号对线路两侧，故障点被确定为各自相对测试响应的比率。该过程可大体描述如下。如果线路状态分析具有故障点，则交替地从线路的两侧开始确定阻抗分布。测试信号以这样的方式适应性改变，即可在整个测试频率范围上记录代表性谱图。这样确定的测量序列彼此统计相关，且故障点的位置从特定结果的比率反应。
该方法的质量与测试信号的信号质量(以及它们的适应性调节)和测量精度密切相关。实践中，可以利用计算机实现优于1％的精度。湿气渗透时间曲线也被记录，因为精确泄漏的确定随着绝缘中湿气的增加而变得越来越不精确。因此，以后对实际泄漏的反演分析(back-calculation)和确定是可能的。
然而，显然，管线段和导体2的起点和终点间的阻抗特性的确定不仅包括确定单个阻抗值，而且还确定多个AC电压幅度和频率处的阻抗值，或其他类型测试信号uL的变化。整个系统对于所有这些测试情形的各自阶跃响应形成整个系统的“阻抗特性”，其中阻抗特性首先是以完好管线1来收集的。
然后，在任意后续时刻，重复确定导体2和管线1的起点和终点之间的阻抗特性，并将其与已知的完好管线1的阻抗特性比较，其中从任意时刻所确定的阻抗特性与完好管线1的阻抗特性的偏差推断存在泄漏。在测试信号uL变化的情况下进行重复测量就允许更精确地定位可能出现的泄漏。
在评估阻抗特性偏差的过程中，在管线段工作寿命期间所获得的经验值也可被考虑，例如如果观察到阻抗特性的周期变化或渐变。在管线段的扩张或其他修改的过程中，整个系统的阻抗特性也将变化。因此，例如，可排除误报警情形，其中阻抗特性已经改变，但从与完好管线1的阻抗特性的比较中明显看出阻抗特性的变化是由于除了管线破裂之外的其他因素导致的。
如上所述，在足够大的频率范围上的阻抗检测对测试信号uL有特殊要求，其中尤其在使用高阻镍或镍铬合金的情况下，要求具有相应高峰值输出的信号发生器。因此，例如提出图5所示的电路原理来生成合适的测试信号uL，其中两个数字放大器7、10和模拟放大器13被串联以生成测试信号uL，其中这些放大器经电容器Ca，b耦接。图5中示出的电压uL表示阻抗测量的输入电压，即测试信号。对于这样的级联模拟和数字放大器7、10、13的多级系统，两个数字开关级7、10首先提供近似输出信号，该输出信号被补偿。线性放大器13然后提供实际输出信号uL。因为该放大器13以相对低的电压操作，所以整个系统的效率可因此显著增加。所要求的小信号带宽由模拟放大器13确定，且因此可以被设定得相应地高。如图5所示的电路因此统一模拟放大器13的带宽可用性与数字放大器7、10的高效率。然而并不排除，在使用相应数字放大器7、10的情况下，即使没有所建议的模拟放大器级13，也可形成具有按照本发明的方法所要求的质量的测试信号uL。
图6中示出这类级联线性/开关放大器的可能的电路实施技术。两个数字放大器级7、10分别包括被实现为晶体管的开关S1或S4，以及二极管D1或D4。输出电压U1和U2表示模拟放大器的输入信号，其中放大后的信号又被标识为uL。对于泄漏定位为驱动负载的特定情形示出了电路。
图7示出用于形成适于按照本发明的方法的测试信号uL的调节技术的可能实施例。基准电压uREF被馈入到信号发生器5、6。信号发生器6形成的AC电压UR被供应到这两个数字放大器级7、10，其中可加上或减去常数值K以便校正由于构造公差或温度变化导致的信号误差。所得到的信号在图7中被标识为UR1或UR2。数字放大器级7、10的开关Sa，b由上游调节器9控制。每个情形中，放大后的信号被供应给滤波器级11。滤波器级11的输出电压被反馈并被从特定输入电压uR1或uR2中减去。最终得自特定放大器级7、10的输出信号u1或u2现在被馈入给模拟放大器13。模拟放大信号通过滤波器级13，并被反馈以减去信号发生器5所提供的信号。所得到的信号通过调节级12，并然后被用于控制放大器级13。因此可以以相对高的效率生成所需质量和合适频率特性的测试信号uL。
按照本发明的方法因此允许管线1中的泄漏被可靠地确定和定位，其中能够改善管线1的监视并且可以该方式最小化维护成本。
Claims (9)
1、一种用于利用至少一个沿输运液体或气体介质的管线(1)从起点到终点纵向延伸的电导体(2)确定且在可能的情况下定位所述管线(1)中的泄漏的方法，其特征在于，限定的测试电压(UM，uL)被施加在两个电导体(2)之间或在一个电导体(2)和管线(1)之间，且在管线(1)完好的情况下确定所述两个电导体(2)或所述电导体(2)与管线(1)的起点和终点之间的电阻和/或阻抗特性，且随后以相同的测试电压(UM，uL)确定电阻和/或阻抗特性并将其与已知的完好管线(1)的电阻和/或阻抗特性比较，从随后确定的电阻和/或阻抗特性与完好管线(1)的电阻和/或阻抗特性的偏差推断存在泄漏。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，测试电压(UM，uL)是至少一个DC电压值(UM)。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测试电压(UM，uL)是具有至少一个限定频率和幅度的AC电压(uL)。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述至少一个电导体(2)的起点以及终点处都测量所述阻抗特性。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，
-生成第一测试电压(uL1)，并将其作为第一馈入信号在监视导体(2)的起点处馈入，
-在终点处测量第一响应信号，
-根据第一响应信号生成对应于第一测试电压(uL1)的第二测试电压(uL2)，并将其在监视导体(2)的终点处作为第二馈入信号馈入，
-在起点测量第二响应信号，以及
-将利用特定测试电压(uL1，uL2)的馈入和响应信号的关系与完好管线(2)的关系相比较。
6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，在测试程序范围内使用不同测试电压(uL)。
7、如权利要求3到6中任一项所述的方法，其特征在于，在两个电导体(2)之间或在一个电导体(2)与管线(1)之间借助于限定的测试电压(uL)利用各自的不同频率确定阻抗，且将它们的频率关系与完好管线(1)相比较。
8、如权利要求3到7中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个数字放大器(7，10)和至少一个模拟放大器(13)被串联，以生成测试电压(uL)。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，使用两个数字放大器级(7，10)，它们的输出信号被馈送到模拟放大器(13)。
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