(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111467084.6 (22)申请日 2021.12.0 3 (71)申请人 北京声创新 技术发展有限责任公司 地址 100190 北京市海淀区北四环西路21 号 (72)发明人 赵敏　田野　王晓航　保建勋　 刘哲　王景斌　 (74)专利代理 机构 北京启知服知识产权代理有 限公司 1 1549 代理人 肖丛 (51)Int.Cl. F17D 5/00(2006.01) F17D 5/02(2006.01) G06N 20/00(2019.01) (54)发明名称 一种监测天然气泄漏的超声三阵元报警定 位仪及方法 (57)摘要 本发明公开了一种小型化的天然气泄漏报 警定位仪及方法。 一种监测天然气泄漏的超声三 阵元报警定位仪包括： 超声拾音器和音频拾音 器， 超声波发生器， 调理电路单元， A/D转换采集 单元， 微处理器单元， 三维泄漏报警单元， 阵元相 差定位单元及UI参数设置/显示单元； 本发明采 用声波至超声波宽频带在线实时监测技术， 监测 天然气场站、 阀室及天然气相关设施的各种微小 泄漏特征， 实现泄漏早期报警； 通过动态自学习 自适应天然气现场各种设施正常产生的环境噪 声， 采用频域、 时域和空域三维融合方法提高系 统抗噪声抗干扰能力； 采用三角形三阵元组快拍 相位差谱和时差谱计算、 方位角谱估计和方位角 空间交汇坐标定位的综合处理方法自动对天然 气泄漏点进行精确定位。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 114151736 A 2022.03.08 CN 114151736 A 1.一种监测天然气泄漏的超声三阵元报警定位仪， 其特征在于， 它包括： 超声拾音器 (1)和音频拾音器(2)， 超声波发生器(3)， 调理电路单元(4)， 间歇同步式高速A/D转换采集 单元(5)， 微处理器单元(6)， 三维泄漏报警单元(7)， 阵元相差定位单元(8)以及UI参数设 置/显示单元(9)； 所述超声拾音器(1)和音频拾音器(2)用于监测天然气泄漏的超声波信号和声波信号； 所述超声拾音器(1)监测的泄漏超声波的频率范围为20kHz～100kHz， 所述音频拾音器(2) 监测的泄漏音 频声波的频率范围为10kHz～20kHz； 3组所述超声拾音器(1)和所述音 频拾音 器(2)组成三阵元组， 所述 三阵元组呈三角形分布； 所述超声波发生器(3)用于对所述报警定位仪的工作状态进行自检； 所述超声波发生 器(3)设置在所述 三阵元组所在圆周的顶部， 与所述 三阵元组呈正菱形分布； 所述调理电路单元(4)包括： 三通道多频点滤波放大器和驱动电路； 所述三通道多频点 滤波放大器接收从所述超声拾音器(1)和所述音 频拾音器(2)传来的信号， 对超声和音频的 宽频连续信号实时进行多频点滤波放大， 并转变成离散谱， 以减弱栅栏效应和谱间干扰对 后续处理的影响； 所述驱动电路用于驱动所述超声波发生器(3)， 定时发出40kHz频率超声 波自检信号； 所述间歇 同步高速A/D转换采集单元(5)用于接收来自所述调理电路单元(4)的信号， 对其进行三 通道的同步间歇式 高速采样， 并进行模数转换； 所述微处理器单元(6)控制所述间歇同步 高速A/D转换采集单元(5)的间歇快拍采样和 高速数模转换， 控制所述三维泄漏报警单元(7)进行不间断地智能自学习获得正常工作环 境下现场背景噪声能量值， 同时对三通道数字信号进行频域、 时域、 空域三维融合分析， 判 断现场是否存在天然气泄漏、 是否应该声光报警， 控制所述阵元相差定位单元(8)对三通道 的n个快拍进行相位差谱测算和时差谱计算， 对n个快拍方位角进行谱估计， 计算出泄漏点 的方位角； 所述UI参数设置/显示单元(9)在所述微处理器单元(6)控制下， 用于人机交互， 进行系 统初始参数的设置， 自检结果的显示， 工作状态的显示， 设置和显示工作模式。 2.根据权利要求1所述的一种监测天然气泄漏的超声三阵元报 警定位仪， 其特征是： 所 述间歇同步高速A/D转换采集单 元(5)采用0.3秒间歇快拍、 40 0KHz高速采样率。 3.根据权利要求1或2所述的一种监测天然气泄漏的超声三阵元报警定位仪， 其特征 是： 所述报警定位仪还 包括： RS485 接口(10)， 上位机(1 1)； 所述RS485接口(10)执行Modbus通信协议， 用于在多个报警定位仪模式下， 天然气站 场/阀室内现场监测的报警定位仪与远距离值班室内所述上位机(1 1)的信号和数据传输 。 4.一种监测 天然气泄漏的报警定位方法， 其特征在于， 它使用如权利要求1、 2或3所述 的报警定位仪， 包括以下步骤： A.所述三维泄漏报警单元(7)在所述微处理器单元(6)控制下， 动态统计监测现场正常 工作环境下的各频段的噪声能量谱， 自动统计现场工作环境的噪声均值、 最大值、 标准差特 征， 不断学习和更新现场背景频带谱曲线和噪声特征作为报警阈值的基准， 使得所述报警 定位仪能够自适应不同的噪声工作环境； B.将每次快拍数据FFT转换到频域分析， 将10kHz至100kHz划分成若干频带， 计算生成 各个频带内的信号SPL能量谱； 当天然气泄漏发生导致频带谱能量增加时， 每当判别出有一权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114151736 A 2定数量的相 邻频带谱能量值8 0％超过报警阈值3dB， 即半功 率点时， 该快拍时刻即作为泄漏 发生的一个疑似时刻； C.在频域分析泄漏基础上进行时域分析； 每次快拍各相邻频带谱超过报警阈值3dB判 别结果按时序排队放入一个报警缓冲 环， 当报警缓冲 环的时序值大于等于预定的报警时延 阈值时， 将该时频分析 结果作为 一个报警参 考； D.在频域、 时域分析泄漏基础上进行空间域分析； 首先把满足报警条件的时域、 频域分 析交集结果作为泄漏参考条件， 然后根据现场监测对象的空间方位范围设定最大监测空间 张角∠β， 基于3组所述超声拾音器(1)和所述音 频拾音器(2)不同空间位置进 行天然气泄漏 源的定向定位测算， 得到泄漏 点方位角 若天然气泄漏源方位角 小于最大监测空间张角 ∠β， 则最终确定识别为发生了一次天然气泄漏事 件， 同时给 出泄漏点的准确方位。 5.如权利要求4所述的一种监测天然气泄漏的报警定位方法， 其特征在于， 所述步骤D 中泄漏点方位角 的计算方法为： a.对三阵元组e1、 e2、 e3进行n个快拍采样， 将三阵元 快拍采样数据傅里叶变换到频域； b.测算出每个阵元的快拍初相谱， 将两两阵元之间e12、 e13、 e23的独立快拍初相谱相减， 求解出相位差谱； c.用相位差谱除以该10 ‑100kHz监测频段内频率序列2 π fk， 计算出快拍时差谱； d.三阵元 组e1、 e2、 e3的坐标值为x1、 x2、 x3、 y1、 y2、 y3， τ12k是波到达阵元e1和阵元e2的时差 谱， τ13k是波到达阵元e1和阵元e3的时差谱， 利用下式计算 三阵元的方位角谱αk： 将三阵元方位角谱αk放入方位角环形缓冲区， 对方位角谱αk进行频次谱估计， 给出该报 警定位仪 至泄漏点的方位角 6.一种监测天然气泄漏的报 警定位方法， 其特征在于， 它 使用如权利要求3所述的报 警 定位仪， 以及 如权利要求5所述的报警处 理方法， 在所述 步骤D之后， 还 包括： F.所述上位机(11)使用二个以上所述报警定位仪的方位角进行空间交汇定位给出泄 漏点准确坐标位置 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114151736 A 3