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)夤艿溃恍孤?；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(wèn)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(guó)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(lái)不斷有新的發(fā)展，檢漏方法也由最初的聽(tīng)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(guò)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(guò)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(méi)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)最大值出現(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(méi)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(guò)有線或無(wú)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)。
