摘要：本文研究了應(yīng)用管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓波對(duì)泄漏進(jìn)行檢測(cè)與定位的原理，設(shè)計(jì)了用于負(fù)壓波信號(hào)傳感及采集的硬件電路，以及對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位的軟件系統(tǒng)。將設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)用于充氣管道泄漏實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明采用以上原理及方法可以比較準(zhǔn)確的檢測(cè)到管道的泄漏并對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行定位。
關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿�；泄漏；定位；�?fù)壓波；相關(guān)算法
Study on Leakage Detection and Localization of Gas Pipeline
College of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology(110023) Gao Songwei，Liu Bo，Yang Lijian
Abstract：This paper based on negative pressure wave authority adopts LabVIEW software of NI Corporation to detect and locate the leakage. LabVIEW can process the signal of sensor and represent frequency and correlation information. This detection and location system of pipeline of gas leak can detect and locate leakage accurate through experimentation
Keywords：pipelines of gas leakage localization negative pressure wave correlation compute
1 前言
城市燃?xì)夤艿婪植加诔鞘械牡叵�，一旦泄漏�?huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及人身傷害，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)泄漏并確定泄漏點(diǎn)的位置成為發(fā)生泄漏后的首要問題。對(duì)城市燃?xì)夤艿佬孤┑臋z測(cè)屬于壓力管道泄漏檢測(cè)范疇，隨著管道的建設(shè)，泄漏檢測(cè)技術(shù)也得到不斷發(fā)展，目前國內(nèi)外已提出了多種液體泄漏檢測(cè)與定位方法，然而對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┑臋z測(cè)與定位研究得較少。本文在基于當(dāng)管道泄漏時(shí)管道內(nèi)部氣體壓力變化的負(fù)壓波原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了硬件采集電路對(duì)負(fù)壓波信號(hào)進(jìn)行采集并將采集到的信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術(shù)對(duì)采集到的負(fù)壓波信號(hào)進(jìn)行分析運(yùn)算從而對(duì)泄漏進(jìn)行檢測(cè)與定位。
2 燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)與定位原理
對(duì)于管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究近年來不斷有新的發(fā)展，檢漏方法也由最初的聽音法發(fā)展到基于信號(hào)處理和自動(dòng)化裝置的檢漏，其中利用負(fù)壓波進(jìn)行泄漏檢測(cè)定位的方法只需要在管道兩端安裝聲壓傳感器，具有儀表施工量小、成本低、以及安裝維護(hù)方便等的特點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用[1]。
2.1 負(fù)壓波檢測(cè)與定位原理
當(dāng)管道上某處發(fā)生泄漏時(shí)，由于管道內(nèi)外壓差，泄漏點(diǎn)處的流體迅速流失，在泄漏處產(chǎn)生瞬間壓力突降。泄漏點(diǎn)兩邊的流體由于壓差而向泄漏點(diǎn)處補(bǔ)充，從而形成了一個(gè)以泄漏點(diǎn)為中心的壓力波動(dòng)，該壓力波動(dòng)稱為負(fù)壓波。該負(fù)壓波以一定的波速向管道兩端傳播，利用安裝在管道兩端的聲壓傳感器檢測(cè)負(fù)壓波信號(hào)，并根據(jù)兩傳感器檢測(cè)到的負(fù)壓波信號(hào)的時(shí)間差就可以對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位，原理如圖1所示：
定位公式如式1所示：
L為已知條件，v為經(jīng)驗(yàn)值，若測(cè)得兩個(gè)聲壓傳感器在測(cè)量壓力瞬變時(shí)刻的時(shí)間差τ，就可以獲得泄漏點(diǎn)距首端傳感器的距離X。
2.2 負(fù)壓波信號(hào)的特性及采集原理
發(fā)生泄漏時(shí)管道內(nèi)流動(dòng)的氣體將導(dǎo)致整個(gè)管道內(nèi)的壓力震蕩，頻率的變化范圍可達(dá)幾千赫茲。其中，絕大多數(shù)是高頻成分。由于高頻成分很容易在傳播過程中衰減，所以為了擴(kuò)展檢測(cè)距離，我們?nèi)∑渲械牡皖l成分進(jìn)行分析(O-200Hz)[2]。為了保證獲得足夠的信息量，并防止由于濾波器過渡帶造成的頻率混疊，并考慮到實(shí)際試驗(yàn)條件，我們選擇2K的采樣頻率對(duì)負(fù)壓波信號(hào)進(jìn)行采樣。
2.3 相關(guān)算法在管道泄漏定位中的應(yīng)用
由前面的討論可知。對(duì)管道泄漏點(diǎn)定位的關(guān)鍵是要確定兩個(gè)壓力傳感器在測(cè)量壓力瞬變時(shí)刻的時(shí)間差下，即求出首末兩傳感器檢測(cè)到的波形延時(shí)，一種最常用的做法是相關(guān)運(yùn)算。
使用相關(guān)運(yùn)算對(duì)負(fù)壓波信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，當(dāng)沒有泄漏發(fā)生時(shí)，傳感器接收不到負(fù)壓波信號(hào)，相關(guān)函數(shù)值在零附近。發(fā)生泄漏后，相關(guān)函數(shù)輸出值將顯著增大，根據(jù)相關(guān)函數(shù)****值出現(xiàn)的位置確定延時(shí)τ。用相關(guān)分析法進(jìn)行定位具有靈敏、準(zhǔn)確，只需檢測(cè)壓信號(hào)，不需要建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算量小等特點(diǎn)，因此是一種有效而可行的方法。但它要求泄漏的發(fā)生是快速的、突發(fā)性的。如果泄漏速度很慢沒有明顯的負(fù)壓波出現(xiàn)。則此方法失效。
具體方法為假設(shè)在圖1中到達(dá)首端傳感器的信號(hào)為A似到達(dá)末端傳感器的信號(hào)為B似可表示為：
A(t)=f(t)-NA(t) (2)
B(t)=g(t)+NB(t) (3)
式中：NA(t)和NB(t)分別為兩傳感器接收到的背景噪聲。對(duì)A(t)，B(t)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算有：
通常認(rèn)為泄漏負(fù)壓波信號(hào)與背景噪聲信號(hào)相互獨(dú)立不相關(guān)，噪聲NA(t)和%NB(t)完全不相關(guān)，所以公式(4)可簡(jiǎn)化為：
相關(guān)函數(shù)RAB(τ)例達(dá)到峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的下值與負(fù)壓波傳播到兩個(gè)端點(diǎn)的時(shí)間差呈線性，由于相關(guān)函數(shù)RAB(τ)取極大值的必要條件為在τ處的導(dǎo)數(shù)等于零，由此可求出τ，在L和v已知的前提下利用式(1)即可計(jì)算出X的值，從而確定泄漏點(diǎn)的位置。從以上分析可以看出要實(shí)現(xiàn)上述相關(guān)計(jì)算非常簡(jiǎn)單，只要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相關(guān)算法的編程，免去了對(duì)端點(diǎn)壓力變化突變點(diǎn)的確定，大大提高了定位的精度。
3 檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)及定位系統(tǒng)主要由下位機(jī)硬件系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)兩部分組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示：
其中上位機(jī)為放置在中央控制室的工控計(jì)算機(jī)，下位機(jī)為分布于輸氣管道各點(diǎn)進(jìn)行對(duì)負(fù)壓波信號(hào)傳感采集傳輸?shù)碾娐�。上位機(jī)首先通過有線或無線通信手段，向下位機(jī)發(fā)送采集命令，下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力數(shù)據(jù)的采集，并傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)可以對(duì)采集的壓力波信號(hào)以波形的形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并以負(fù)壓波理論為基礎(chǔ)，利用相關(guān)算法。對(duì)輸氣管道中所出現(xiàn)的泄漏及時(shí)進(jìn)行報(bào)警并計(jì)算泄漏點(diǎn)的位置，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管線壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)分析等任務(wù)。
3.1 下位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
下位機(jī)硬件系統(tǒng)安放在管道上，對(duì)管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果傳送給上位機(jī)。其系統(tǒng)框圖如圖3所示：
下面分別說明下位機(jī)系統(tǒng)各組成部分的作用及設(shè)計(jì)。
傳感器用來接收在管道內(nèi)傳播的包括噪聲在內(nèi)的負(fù)壓波信號(hào)。理想的傳感器應(yīng)具有較高的靈敏度、寬而平直的頻率特性、足夠的動(dòng)態(tài)范圍、良好的穩(wěn)定性。根據(jù)輸氣管道的特殊環(huán)境，檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器還需具有施工量小，成本低，安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)園。通過研究相關(guān)資料和進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在本課題中選用浙江紅聲器材廠生產(chǎn)的HS14423駐極體電容測(cè)試傳聲器作為負(fù)壓波傳感器。
前置放大器的作用是對(duì)傳感器采集到的負(fù)壓波信號(hào)進(jìn)行放大。由于管道泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波信號(hào)是很微弱的信號(hào)，所以在使用這一信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理時(shí)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行前置放大。為了與本課題選用的傳感器匹配，選用與傳感器同廠生產(chǎn)的HSl46133前置放大器。
模擬濾波電路的作用是提取有用信號(hào)的頻帶削減帶外噪聲，防止頻率混疊保證采樣順利進(jìn)行。由于負(fù)壓波信號(hào)要用于對(duì)泄漏點(diǎn)定位的運(yùn)算中，對(duì)濾波器的相頻特性十分敏感，所以選用具有最平群延時(shí)特性的貝塞爾濾波器作為濾波器選型。在具體實(shí)現(xiàn)上采用了MAXIM公司的MAX281模擬濾波芯片作為貝塞爾濾波器的實(shí)現(xiàn)方案。
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將濾波后的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。由于傳感器采集到的負(fù)壓波信號(hào)要傳到上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的運(yùn)算，而上位機(jī)只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，所以必須要將采集到的負(fù)壓波信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)后才能傳遞給上位機(jī)。具體實(shí)現(xiàn)上采用了MAXIM公司的MAXll66逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。
單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)是下位機(jī)系統(tǒng)的核心，主要完成對(duì)整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)的控制，以及與上位棚系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本文使用了ATMEL公司生產(chǎn)的Atmega128單片機(jī)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并編制了系統(tǒng)軟件控制整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。
通信接口電路主要負(fù)責(zé)下位機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)系統(tǒng)通信中的電氣特性轉(zhuǎn)換。單片機(jī)串口不能直接用于較遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸，為了提高串行通訊的可靠性，增大通訊距離，在工程設(shè)計(jì)中一般采用標(biāo)準(zhǔn)串行接口。本課題選用RS485總線標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)進(jìn)行通信，所使用的電平轉(zhuǎn)換芯片為MAXIM公司生產(chǎn)的MAX485電平轉(zhuǎn)換芯片。
3.2 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在整體檢測(cè)系統(tǒng)中上位機(jī)為放置在監(jiān)控室的工控計(jì)算機(jī)，所以對(duì)上位機(jī)的設(shè)計(jì)主要為對(duì)運(yùn)行于上位機(jī)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示：
上位機(jī)采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)，下面將介紹各個(gè)模塊的作用。
下位機(jī)通信模塊主要負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。由于使用串口通信，所以本模塊的功能主要有通信參數(shù)的設(shè)置和字符數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。通信參數(shù)的設(shè)置主要包括設(shè)置波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位數(shù)、同步異步、停止位、緩沖區(qū)容量等。
單通道時(shí)頻域分析模塊，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。時(shí)域分析主要是對(duì)波形的觀測(cè)，由于串口傳遞的數(shù)據(jù)不含有時(shí)間信息，所以在分析和處理前要加上采樣起始時(shí)間和采樣時(shí)間間隔。頻域分析主要是對(duì)信號(hào)的數(shù)字濾波，提取需要的頻率成分，提高相關(guān)定位算法的精度。
雙通道相關(guān)定位模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，本模塊主要負(fù)責(zé)相關(guān)定位算法的實(shí)現(xiàn)，以及根據(jù)相關(guān)算法計(jì)算出的延時(shí)求解泄漏點(diǎn)的位置。
檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)回放模塊作用是對(duì)檢測(cè)結(jié)果的存儲(chǔ)回放。由于本系統(tǒng)在檢測(cè)泄漏時(shí)為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求非常嚴(yán)格，一切的操作處理需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，因此不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的處理。若將信號(hào)存儲(chǔ)起來，可以在日后對(duì)其做詳細(xì)的分析，這樣就彌補(bǔ)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的不足。
4 充氣管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)室搭建了充氣管道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停搶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂瞄L3295cm、外徑為10cm、管壁厚為0.5cm的直管模擬燃?xì)夤艿�，下位機(jī)1距離泄漏點(diǎn)718cm。使用氣泵對(duì)管道進(jìn)行充氣，使管內(nèi)壓力在0.2MPa-0.3MPa。
發(fā)生泄漏時(shí)，從兩下位機(jī)采集到的泄漏信號(hào)如圖5所示：
采用相關(guān)分析對(duì)兩路傳感器信號(hào)進(jìn)行處理后得到的相關(guān)波形如圖6所示：
按照相關(guān)波形中，****值對(duì)應(yīng)的時(shí)間即負(fù)壓波傳到兩傳感器的延時(shí)為97.51ms，波速取經(jīng)驗(yàn)值175m/s。按照公式(1)計(jì)算出泄漏點(diǎn)到下位機(jī)1的距離為700cm，與實(shí)測(cè)值718cm相比，絕對(duì)誤差為18cm相對(duì)誤差為2.5%。
5 結(jié)論
本文基于負(fù)壓波檢測(cè)定位原理，對(duì)充氣管道泄漏進(jìn)行檢測(cè)與定位。設(shè)計(jì)了用于負(fù)壓波信號(hào)采集的下位機(jī)硬件系統(tǒng)和用于實(shí)現(xiàn)相關(guān)定位算法的上位機(jī)軟件系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了充氣管道泄漏實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明本檢測(cè)系統(tǒng)具有方法簡(jiǎn)便、檢測(cè)速度快和定位精度高等特點(diǎn)。對(duì)管道網(wǎng)絡(luò)的泄漏檢測(cè)與定位將是進(jìn)一步要解決的問題。
參考文獻(xiàn)
1 楊理踐，景曉斐，宮照廣.輸氣管道音波泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(1)：70-73.
2 林偉國.基于動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)研究.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，26(8)：908-909.
3 鄧鴻英，王毅.負(fù)壓波管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù).油氣儲(chǔ)運(yùn).2003，22(7)30-33.
咨詢熱線：0755-25887166
傳真號(hào)碼：0755-25887232
位置導(dǎo)航： 
