基于聲波技術的管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)的研究

付光杰等

摘 要： 天然氣管道漏點在線實時泄漏監(jiān)測與定位系統(tǒng)的研究與應用，使得泄漏能夠被及時發(fā)現(xiàn)并確定泄漏點的位置，從而降低因天然氣泄漏造成的經濟損失，同時對提高天然氣輸送管線的自動化管理水平有著深遠的意義。通過對國內外各種管道泄漏檢測技術的研究和分析比較，采用聲波檢測方法應用于輸氣管道的泄漏檢測策略，在信號處理方面采用虛擬儀器軟件設計了天然氣管線聲波泄漏實時監(jiān)測定位系統(tǒng)，對泄漏聲波信號進行波形實時顯示、數(shù)字濾波、相關運算以及泄漏點定位等操作，實現(xiàn)了管線泄漏檢測的自動化。

關鍵詞： 天然氣管道； 泄漏檢測； 泄漏定位； 聲波技術

中圖分類號： TN70?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）17?0101?02

Research on detection and location system of pipeline leakage

based on acoustic wave technology

FU Guangjie1， ZHAO Dan1， ZHAO Qingfeng2， WANG Shiyong3

（1. College of Electrical and Information Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China；

2. No. 3 Oil Field， the First Oil Production of Daqing Oilfield Limited Company， Daqing 163000， China；

3. No.2 Power Supply Company， Electric Power Group Company of Daqing Petroleum Administration Bureau， Daqing 163711， China）

Abstract： The online real?time leakage detection and location system of natural gas pipeline leak source makes the leakage can be discovered in time， which can confirm leak source location accurately. The economic losses caused by natural gas leakage can be reduced， and it has profound significance for improving automated management level of natural gas transportation pipeline. By studying and comparative analyzing to pipeline detection technology at home and abroad， acoustic wave technology is applied to leakage detection of gas pipeline. The real?time acoustic wave monitoring and location system for natural gas line leakage was designed by virtual instrument software to proceed signal processing. The leaked acoustic wave signal is proceeded with waveform real?time display， digital filtering， correlated calculation， leakage location and other operations. The automation of pipeline leakage detection was realized.

Keywords： nature gas pipeline； leakage detection； leakage location； acoustic wave technology

0 引 言

由于天然氣管道難免在制造過程中存在各種缺陷，在使用的過程中，在循環(huán)載荷的作用下，以及在腐蝕或高溫的環(huán)境中，腐蝕會緩慢地擴展，最終導致事故或惡性事故的發(fā)生，由此造成損失并對人民生命安全構成威脅[1]。另外，用長輸管道輸送天然氣等原料時，管道一旦發(fā)生泄漏事故，除了影響正常的生產外，還會因為天然氣的流失，造成經濟損失、火災以及環(huán)境污染等后果。因此，開發(fā)出一套有效的管道泄漏檢測軟件是一項刻不容緩的工作。同時，如何快速準確地發(fā)現(xiàn)天然氣管道泄漏位置，并采取相應的對策及時預防和控制事故發(fā)生，是管道維護人員追求的目標。

1 管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)總體設計思想

該系統(tǒng)主要是根據管道泄漏時產生泄漏聲波信號的現(xiàn)象，構建一種管道泄漏點實時定位監(jiān)測系統(tǒng)，其軟件部分和硬件電路均采用模塊化思想，其整體結構如圖1所示。

該系統(tǒng)的主要工作原理是：上位機首先通過有線傳輸手段，向下位機發(fā)送采集命令，下位機通過16位AD7705獲得有效的數(shù)字信號。在此過程中，管道上的壓力傳感器獲得模擬電壓信號并由電壓濾波電路和信號放大電路處理變?yōu)榉€(wěn)定信號，并傳輸給AD7705進行處理。

當上位機獲得信號后，可以對采集的泄漏聲波信號進行實時波形顯示，并依據輸氣管道兩端的泄漏信號，以聲波理論為基礎，利用相關算法，對輸氣管道中出現(xiàn)的泄漏及時進行報警并估測泄漏點的位置，實現(xiàn)對管線相關數(shù)據存儲，實時泄漏定位和歷史泄漏信息顯示等任務。

2 管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)核心電路的研究

2.1 電壓信號采集電路

該電路的主要作用是在下位機采集信號時對輸入信號進行有效放大，其工作過程是將輸入的0～4 mV模擬電壓信號，先通過RC4558運算放大器A1進行電壓信號的放大，再經由A2運算放大器放大為4～20 mA的標準電流信號，具體電路如圖2所示。

2.2 16位A/D信號處理電路

該電路模塊的設計主要是為了使上位機能夠采集到有效數(shù)字信號。其主要工作原理是AD7705將上述信號放大電路處理過的信號進行采集處理，并通過下位機變換為數(shù)字信號，再傳輸至上位機進行相關數(shù)據的存儲顯示等，AD7705的核心電路如圖3所示。

AD7750的具體工作過程如下：通電時輸入引腳RESET處于低電平，復位所有的邏輯、數(shù)據濾波器和模擬調試器，將所有的片內寄存器設置到其默認狀態(tài)。使用芯片REF195 產生5 V基準電壓供給AD7705作為參考電壓，同時作為壓力傳感器的激勵電流源。由于第1通道的輸入端加入去耦電路，因此需要AD7705工作于緩沖模式，通道2作為供電電壓的監(jiān)測。

3 管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)軟件部分的設計

在本系統(tǒng)設計中，工控機作為核心部分，將管道首端的工控機確定為主工控機。在主工控機中，不僅要實時地顯示管道首端的DAQ信號采集裝置采集到的管道狀態(tài)參數(shù)，還必須通過數(shù)據通信裝置把管道末端采集到的信號傳輸至本機。當判斷管道是否有泄漏發(fā)生時，主工控機利用小波變換捕捉到兩端壓力信號中的壓力突降時刻，并確定其差值，進而根據泄漏定位公式確定管道泄漏點的位置，并將報警信息和泄漏點信息顯示在工控機軟件界面上。

整個軟件系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

4 結 語

由于本系統(tǒng)在實際過程中采用了軍品級別的聲波傳感器采集泄漏聲波信號，因此信號采集頻率和精確度都很高。硬件設計方面，因為是通過聲波進行檢測，所以設備不受管道環(huán)境的影響，可靠性變高，可維護性和操作性也更強。同時該系統(tǒng)軟件設計思路簡單，易于修改，具有良好的操控性。

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