摘要：本文研究了應(yīng)用管道泄漏時產(chǎn)生的負壓波對泄漏進行檢測與定位的原理，設(shè)計了用于負壓波信號傳感及采集的硬件電路，以及對泄漏點進行定位的軟件系統(tǒng)。將設(shè)計的軟硬件系統(tǒng)用于充氣管道泄漏實驗，結(jié)果表明采用以上原理及方法可以比較準(zhǔn)確的檢測到管道的泄漏并對漏點進行定位。
關(guān)鍵詞：燃氣管道；泄漏；定位；負壓波；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
城市燃氣管道分布于城市的地下，一旦泄漏會造成巨大的經(jīng)濟損失及人身傷害，及時地發(fā)現(xiàn)泄漏并確定泄漏點的位置成為發(fā)生泄漏后的首要問題。對城市燃氣管道泄漏的檢測屬于壓力管道泄漏檢測范疇，隨著管道的建設(shè)，泄漏檢測技術(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與定位方法，然而對燃氣管道泄漏的檢測與定位研究得較少。本文在基于當(dāng)管道泄漏時管道內(nèi)部氣體壓力變化的負壓波原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了硬件采集電路對負壓波信號進行采集并將采集到的信號傳送給計算機，在計算機中采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術(shù)對采集到的負壓波信號進行分析運算從而對泄漏進行檢測與定位。
2 燃氣管道泄漏檢測與定位原理
對于管道泄漏檢測技術(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)展到基于信號處理和自動化裝置的檢漏，其中利用負壓波進行泄漏檢測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、以及安裝維護方便等的特點，因此得到了廣泛應(yīng)用[1]。
2.1 負壓波檢測與定位原理
當(dāng)管道上某處發(fā)生泄漏時，由于管道內(nèi)外壓差，泄漏點處的流體迅速流失，在泄漏處產(chǎn)生瞬間壓力突降。泄漏點兩邊的流體由于壓差而向泄漏點處補充，從而形成了一個以泄漏點為中心的壓力波動，該壓力波動稱為負壓波。該負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負壓波信號，并根據(jù)兩傳感器檢測到的負壓波信號的時間差就可以對泄漏點進行定位，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)驗值，若測得兩個聲壓傳感器在測量壓力瞬變時刻的時間差τ，就可以獲得泄漏點距首端傳感器的距離X。
2.2 負壓波信號的特性及采集原理
發(fā)生泄漏時管道內(nèi)流動的氣體將導(dǎo)致整個管道內(nèi)的壓力震蕩，頻率的變化范圍可達幾千赫茲。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，所以為了擴展檢測距離，我們?nèi)∑渲械牡皖l成分進行分析(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，并考慮到實際試驗條件，我們選擇2K的采樣頻率對負壓波信號進行采樣。
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。對管道泄漏點定位的關(guān)鍵是要確定兩個壓力傳感器在測量壓力瞬變時刻的時間差下，即求出首末兩傳感器檢測到的波形延時，一種最常用的做法是相關(guān)運算。
使用相關(guān)運算對負壓波信號進行處理時，當(dāng)沒有泄漏發(fā)生時，傳感器接收不到負壓波信號，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τ。用相關(guān)分析法進行定位具有靈敏、準(zhǔn)確，只需檢測壓信號，不需要建立數(shù)學(xué)模型，計算量小等特點，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中到達首端傳感器的信號為A似到達末端傳感器的信號為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A(t)，B(t)進行相關(guān)運算有：
通常認(rèn)為泄漏負壓波信號與背景噪聲信號相互獨立不相關(guān)，噪聲NA(t)和%NB(t)完全不相關(guān)，所以公式(4)可簡化為：
相關(guān)函數(shù)RAB(τ)例達到峰值時所對應(yīng)的下值與負壓波傳播到兩個端點的時間差呈線性，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)即可計算出X的值，從而確定泄漏點的位置。從以上分析可以看出要實現(xiàn)上述相關(guān)計算非常簡單，只要在計算機上進行相關(guān)算法的編程，免去了對端點壓力變化突變點的確定，大大提高了定位的精度。
3 檢測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計
本文設(shè)計的燃氣管道泄漏檢測及定位系統(tǒng)主要由下位機硬件系統(tǒng)和上位機軟件系統(tǒng)兩部分組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示：
其中上位機為放置在中央控制室的工控計算機，下位機為分布于輸氣管道各點進行對負壓波信號傳感采集傳輸?shù)碾娐�。上位機首先通過有線或無線通信手段，向下位機發(fā)送采集命令，下位機實現(xiàn)對壓力數(shù)據(jù)的采集，并傳輸給上位機。上位機可以對采集的壓力波信號以波形的形式進行實時顯示，并以負壓波理論為基礎(chǔ)，利用相關(guān)算法。對輸氣管道中所出現(xiàn)的泄漏及時進行報警并計算泄漏點的位置，同時可以實現(xiàn)對管線壓力數(shù)據(jù)存儲和歷史數(shù)據(jù)分析等任務(wù)。
3.1 下位機硬件系統(tǒng)設(shè)計
下位機硬件系統(tǒng)安放在管道上，對管道運行狀態(tài)進行實時檢測，并將檢測結(jié)果傳送給上位機。其系統(tǒng)框圖如圖3所示：
下面分別說明下位機系統(tǒng)各組成部分的作用及設(shè)計。
傳感器用來接收在管道內(nèi)傳播的包括噪聲在內(nèi)的負壓波信號。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，檢測系統(tǒng)的傳感器還需具有施工量小，成本低，安裝維護方便等優(yōu)點園。通過研究相關(guān)資料和進行相關(guān)實驗，在本課題中選用浙江紅聲器材廠生產(chǎn)的HS14423駐極體電容測試傳聲器作為負壓波傳感器。
前置放大器的作用是對傳感器采集到的負壓波信號進行放大。由于管道泄漏產(chǎn)生的負壓波信號是很微弱的信號，所以在使用這一信號進行檢測處理時，需要對信號進行前置放大。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的頻帶削減帶外噪聲，防止頻率混疊保證采樣順利進行。由于負壓波信號要用于對泄漏點定位的運算中，對濾波器的相頻特性十分敏感，所以選用具有最平群延時特性的貝塞爾濾波器作為濾波器選型。在具體實現(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現(xiàn)方案。
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將濾波后的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。由于傳感器采集到的負壓波信號要傳到上位機進行進一步的運算，而上位機只能對數(shù)字信號進行處理，所以必須要將采集到的負壓波信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號后才能傳遞給上位機。具體實現(xiàn)上采用了MAXIM公司的MAXll66逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。
單片機控制電路的設(shè)計是下位機系統(tǒng)的核心，主要完成對整個下位機系統(tǒng)的控制，以及與上位棚系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。本文使用了ATMEL公司生產(chǎn)的Atmega128單片機進行電路設(shè)計，并編制了系統(tǒng)軟件控制整個下位機系統(tǒng)的運行。
通信接口電路主要負責(zé)下位機系統(tǒng)與上位機系統(tǒng)通信中的電氣特性轉(zhuǎn)換。單片機串口不能直接用于較遠距離的信號傳輸，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)與上位機進行通信，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 上位機軟件系統(tǒng)設(shè)計
在整體檢測系統(tǒng)中上位機為放置在監(jiān)控室的工控計算機，所以對上位機的設(shè)計主要為對運行于上位機平臺的軟件系統(tǒng)的設(shè)計。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示：
上位機采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)，下面將介紹各個模塊的作用。
下位機通信模塊主要負責(zé)上位機與下位機的數(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、數(shù)據(jù)位數(shù)、同步異步、停止位、緩沖區(qū)容量等。
單通道時頻域分析模塊，對輸入信號進行時域和頻域分析。時域分析主要是對波形的觀測，由于串口傳遞的數(shù)據(jù)不含有時間信息，所以在分析和處理前要加上采樣起始時間和采樣時間間隔。頻域分析主要是對信號的數(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)計的關(guān)鍵部分，本模塊主要負責(zé)相關(guān)定位算法的實現(xiàn)，以及根據(jù)相關(guān)算法計算出的延時求解泄漏點的位置。
檢測結(jié)果存儲回放模塊作用是對檢測結(jié)果的存儲回放。由于本系統(tǒng)在檢測泄漏時為實時系統(tǒng)，而實時系統(tǒng)對時間的要求非常嚴(yán)格，一切的操作處理需要在規(guī)定的時間內(nèi)完成，因此不能對信號進行復(fù)雜的處理。若將信號存儲起來，可以在日后對其做詳細的分析，這樣就彌補了實時系統(tǒng)對時間要求嚴(yán)格的不足。
4 充氣管道泄漏檢測實驗
在實驗室搭建了充氣管道實驗?zāi)Ｐ停搶嶒災(zāi)Ｐ褪褂瞄L3295cm、外徑為10cm、管壁厚為0.5cm的直管模擬燃氣管道，下位機1距離泄漏點718cm。使用氣泵對管道進行充氣，使管內(nèi)壓力在0.2MPa-0.3MPa。
發(fā)生泄漏時，從兩下位機采集到的泄漏信號如圖5所示：
采用相關(guān)分析對兩路傳感器信號進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，****值對應(yīng)的時間即負壓波傳到兩傳感器的延時為97.51ms，波速取經(jīng)驗值175m/s。按照公式(1)計算出泄漏點到下位機1的距離為700cm，與實測值718cm相比，絕對誤差為18cm相對誤差為2.5%。
5 結(jié)論
本文基于負壓波檢測定位原理，對充氣管道泄漏進行檢測與定位。設(shè)計了用于負壓波信號采集的下位機硬件系統(tǒng)和用于實現(xiàn)相關(guān)定位算法的上位機軟件系統(tǒng)。在實驗室進行了充氣管道泄漏實驗，結(jié)果表明本檢測系統(tǒng)具有方法簡便、檢測速度快和定位精度高等特點。對管道網(wǎng)絡(luò)的泄漏檢測與定位將是進一步要解決的問題。
參考文獻
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