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)最大值出現(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)。
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