Как акустические измерения используются для поиска утечек воды

Для поиска утечек в сетях трубопроводов используются самые разные методы: от радиоактивных изотопов и интерферометрии до спутниковых радаров. Тем не менее, акустика остается одним из наиболее применяемых методов благодаря своей простоте.

Физика утечек

Когда жидкость выходит из трубы под давлением, возникает акустический шум. Этот факт известен уже более ста лет и активно используется для обнаружения утечек в жидких системах под давлением, таких как нефть, газ и вода. Теперь мы знаем, что источником шума в основном являются турбулентность и кавитационные пузырьки, образующиеся в месте выхода жидкости.

Тем не менее, на генерацию шума влияет множество параметров, таких как диаметр трубы, размер утечки и давление жидкости. Кроме того, материал трубы и ее окружение определяют то, как шум распространяется по сети. Основная часть акустического спектра создаваемого шума имеет частоты в диапазоне от 0 до 2 кГц, что способствует возникновению множества резонансов, таких как моды окружности трубы и продольные моды изгиба трубы. Подводя итог: это сложнейшая система, где полное математическое описание непрактично даже для небольшой распределительной сети с магистральным трубопроводом длиной 1 км и 50–100 абонентскими вводами. К счастью, полное понимание не требуется, чтобы использовать генерируемый шум в качестве инструмента для поиска утечек в сети. Знания о том, что трубы работают как фильтры нижних частот, а пластиковые трубы (ПЭ и ПВХ) обеспечивают значительно большее затухание по сравнению с металлическими трубами, помогут вам продвинуться далеко.

Базовое обнаружение утечек с помощью акустики

Во многих случаях простого устройства для прослушивания, установленного на запорном вентиле (кране в начале абонентского ввода) рядом с утечкой, достаточно, чтобы услышать и распознать шипящий звук утечки. Исторически сложилось так, что на самом деле использовалась простая палка, во многом похожая на стетоскоп, используемый акушеркой. Современные инструменты более совершенны и часто используют либо акселерометры, либо гидрофоны (подводные микрофоны). Кроме того, существует множество систем, в которых устройства прослушивания стационарно установлены в сети и обеспечивают постоянный мониторинг. Это позволяет обнаруживать развивающиеся утечки до того, как они станут серьезными. Здесь требуется хорошая связь между трубой и датчиком. Поэтому датчик часто либо оснащается сильным магнитом (акселерометры), либо интегрируется непосредственно в трубу (гидрофоны).

Извлечение максимальной пользы из данных

Чтобы получить максимум пользы от данных, некоторые системы также внедряют расширенную обработку данных, такую как частотный анализ и методы перекрестной корреляции. Первое позволяет отфильтровывать нежелательные (известные) источники шума окружающей среды путем сравнения спектральных компонентов. Перекрестная корреляция в принципе облегчает определение точного местоположения утечки. Для этого требуются два датчика, причем утечка должна находиться между датчиками (см. рисунок 2). Выполнение перекрестной корреляции одновременно зафиксированных измерений даст временную задержку шума утечки между датчиками. Если известна скорость звука в трубе, эту задержку можно пересчитать в расстояние, то есть в местоположение утечки. Особенно хорошо шумовая корреляция зарекомендовала себя за последние два десятилетия. Тем не менее, при использовании этого вида анализа существует ряд подводных камней.

Утечка, обнаруженная методом корреляции. Времена t1 и t2 являются результатами перекрестной корреляции между одновременно записанными данными шума на датчике 1 и датчике 2.

Как отмечалось ранее, самые локальные условия могут влиять как на генерацию шума, так и на его распространение, что затрудняет создание точных частотных фильтров или расчет требуемой скорости звука. Кроме того, массовое внедрение труб на основе ПЭ требует более близкого расположения существующих датчиков, так как генерируемый шум утечки будет затухать сильнее. Существует множество способов решения этих проблем: адаптивные частотные фильтры, активные измерения скорости звука, облачный искусственный интеллект и повышение чувствительности датчиков, и это лишь некоторые из них. Часто эти методы требуют масштабных вычислений (= более высокого энергопотребления) или лучшего оборудования (= более дорогого). Однако другим простым подходом может стать насыщение сети датчиками. Если датчики расположены близко друг к другу по всей сети, шуму утечки не придется распространяться далеко, прежде чем его обнаружит датчик.

Простой подход к сложной проблеме

Интеграция датчика акустического шума в водосчетчик — один из способов решения этой задачи. Счетчики часто устанавливаются на конце каждого абонентского ввода, что обеспечивает очень хорошее покрытие сети. Датчик получит неотъемлемую оптимальную связь с сетью, так как водосчетчик является неотъемлемой частью трубы. Кроме того, все современные интеллектуальные счетчики имеют беспроводную передачу данных, к которой датчик акустического шума может подключиться. Тем не менее, чтобы преуспеть с этой тактикой, датчик акустического шума должен быть дешевым, чтобы общая стоимость водосчетчика была приемлемой для клиентов. Кроме того, датчик акустического шума должен иметь низкое энергопотребление, так как водосчетчикам часто приходится работать от батареи более 15 лет. Наш новейший водосчетчик, разработанный здесь, в Дании, компанией Kamstrup, фактически внедрил эту новую технологию без ущерба для каких-либо существующих функций счетчика. Чтобы уменьшить передачу данных, один замер уровня акустического шума на счетчике отправляется один раз в день в центральную или локальную систему.

Тестирование в реальной жизни

На рисунке 3 показана карта, где каждая точка обозначает датчик акустического шума, встроенный в водосчетчик. В радиусе 250 метров это составляет более 250 датчиков, следящих за сетью на предмет утечек. За период тестовых испытаний (полгода) на показанной территории было обнаружено шесть ранее неизвестных утечек. Все они находились на абонентских вводах, и ни одну из них нельзя было услышать на запорных вентилях, где обычно принято прослушивать утечки, то есть утечки были обнаружены только благодаря датчику акустического шума, интегрированному в водосчетчик. Измерения шума на базе счетчиков также создают новые проблемы. Главная из них заключается в том, что счетчики часто устанавливаются внутри домов, где источники бытового шума, такие как насосы и центральное или автономное отопление, с большей вероятностью вызывают акустические помехи. К счастью, это локальная проблема, и, как видно на верхней панели рисунка 4, шумовой паттерн от насоса часто сильно отличается от утечки, что позволяет отличать большинство утечек от насосов на основе ретроспективного анализа данных.

Карта с указанием расположения водосчетчиков, оснащенных датчиком акустического шума. Красная точка означает, что уровень шума высок, и причиной может быть утечка. Данные предоставлены компанией VandCenter Syd.

Наши первоначальные тесты показали, что многие утечки могут быть обнаружены только ближайшим счетчиком. Однако в некоторых случаях утечку обнаруживают несколько счетчиков. Часто это выглядит как очень похожие графики шума (рисунок 4, нижняя панель). Сходство возрастает, когда датчики регистрируют один и тот же источник шума, и чаще всего наблюдается в трубах на основе металла, где шум может распространяться далеко, или при утечках на магистрали, где источник шума находится близко к нескольким датчикам.

Подводя итог, можно сказать, что акустические измерения — это отличный и простой инструмент для обнаружения утечек. Существует несколько технологий, которые успешно применяются на протяжении последних десятилетий. Новейшим шагом вперед стали водосчетчики, оснащенные датчиками акустического шума. Это простой подход к сложной проблеме, и, несмотря на всю его простоту, поражает, как далеко можно продвинуться просто за счет эффекта масштаба.

На верхней панели показаны графики шума от утечки в металлической трубе (оранжевый), утечки в ПЭ трубе (зеленый) и шума насоса (фиолетовый). На нижней панели показана высокая корреляция между тремя установками, что означает регистрацию ими одного и того же источника шума. В основном это наблюдается для громких утечек и утечек на магистральных трубопроводах.

Этот блог-пост был изначально опубликован на Destination AARhus 18 сентября 2020 г.