管道泄漏定位報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)

郭祥宇 胡旺文 黃寒冰 朱家瑋 吳博

摘 要：在當(dāng)前國(guó)際運(yùn)輸中，管道運(yùn)輸是原油運(yùn)輸?shù)闹匾侄?，在管道運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，管道泄露檢測(cè)就成為了保證經(jīng)濟(jì)收益的重要手段之一。但由于人工檢查大量耗費(fèi)人力物力，且無(wú)法做到24小時(shí)不間斷的檢查。本文基于對(duì)管道泄漏定位的需要，設(shè)計(jì)了一種管道運(yùn)輸泄漏定位系統(tǒng)。管道運(yùn)輸泄漏定位系統(tǒng)由差動(dòng)式電容壓力傳感器、傳感器信號(hào)檢測(cè)電路、放大電路、濾波電路及工控機(jī)、報(bào)警電路和系統(tǒng)軟件等構(gòu)成。

關(guān)鍵詞：差動(dòng)式電容壓力傳感器;原油泄漏檢測(cè);檢測(cè)電路;測(cè)控系統(tǒng);負(fù)壓波測(cè)量

1設(shè)計(jì)背景

管道泄漏報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)水管內(nèi)流量及壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)對(duì)管道的瞬態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算，從而測(cè)出管道泄漏位點(diǎn)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行分析，確定是否報(bào)警以及警報(bào)等級(jí)。如若發(fā)生管道泄漏但未能及時(shí)察覺(jué)，很有可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)，甚至有引發(fā)爆炸，造成巨大的人員傷亡。一旦發(fā)生了管道泄漏，巡線、停產(chǎn)、搶險(xiǎn)、補(bǔ)漏等需要?jiǎng)佑么罅咳肆ξ锪?，浪費(fèi)大量時(shí)間，這其中的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大。如果可以采取必要的科技手段，對(duì)運(yùn)輸管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，迅速而準(zhǔn)確的判斷出具體泄漏位置并報(bào)警。就能及時(shí)處理突發(fā)事件，將由于管道泄漏所造成的損失降到最低。而管道泄漏定位報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)由于可以實(shí)時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行反饋，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)及時(shí)的進(jìn)行報(bào)警，以提示工作人員去修理和維護(hù)泄漏的管道，可以極大情況的減小各種由于管道泄漏處理不及時(shí)而導(dǎo)致的問(wèn)題。

2設(shè)計(jì)方案

2.1管道泄漏定位報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求

管道泄漏定位報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸油管道的運(yùn)行狀況，對(duì)液體（原油或其他液體）輸送管道全天時(shí)分秒監(jiān)測(cè)，一旦管線發(fā)生穿孔泄漏，則監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)其信息管理系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警，并定點(diǎn)定位地進(jìn)行工程監(jiān)控。輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警定位系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、中央分析處理系統(tǒng)三大部分組成。

3設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體運(yùn)行示意圖及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖表1、圖表2所示：

該系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)管道內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)，還可以監(jiān)測(cè)管道泄漏以及確定泄漏點(diǎn)的位置。為了監(jiān)測(cè)管道泄漏，在一條平直的管道兩端分別設(shè)置壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)壓力的變化。

3.2測(cè)控系統(tǒng)原理

（1）負(fù)壓波泄漏監(jiān)測(cè)原理

當(dāng)管道發(fā)生泄漏后，泄漏點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓波會(huì)以波動(dòng)的形式向管道上下游傳播，利用安裝在管道上下游的壓力傳感器即可監(jiān)測(cè)到該負(fù)壓波信號(hào)，從而判斷管道是否發(fā)生泄漏。利用該負(fù)壓波到達(dá)上下游的時(shí)間差，可以定位該泄漏點(diǎn)的具體位置。

（2）負(fù)壓波在管道內(nèi)的傳輸速度

負(fù)壓波在管道內(nèi)的傳播速度取決于液體的彈性、液體的密度以及管道的彈性，公式如下：

式子中：α——管道內(nèi)壓力波的傳播速度，m/s;

K——液體的體積彈性系數(shù)，Pa;

ρ——液體的密度，kg/m3;

E——管道的彈性，Pa;

D——管道的直徑，m;

e——管壁厚度，m;

C1——與管道約束條件相關(guān)的修正系數(shù)。

3.2傳感器選擇

（1）差動(dòng)式電容壓力傳感器

電容式壓力傳感器是利用電容敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的壓力傳感器。所需要的輸入能量較低，自然環(huán)境對(duì)它的影響較小，環(huán)境適應(yīng)性好。

（2）壓電式測(cè)力傳感器

這種傳感器的特點(diǎn)是體積小、動(dòng)態(tài)特性好、耐高溫等，壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。由于管道運(yùn)輸幾乎都是處于戶外，環(huán)境較為惡劣，且作為輸入的負(fù)壓波信號(hào)震動(dòng)較為微小，故使用差動(dòng)式電容壓力傳感器。

3.3分析系統(tǒng)可能產(chǎn)生的誤差

（1）壓力傳感器本身的誤差：由于制作工藝的不同，導(dǎo)致壓力傳感器本身的性能不同，且壓力傳感器在不同的工作環(huán)境，其動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能會(huì)有所不同，會(huì)因?yàn)檫@些不同而導(dǎo)致該系統(tǒng)本身存在測(cè)量誤差。

（2）系統(tǒng)本身的誤差：由于該系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行在戶外，在自然環(huán)境中存在各種各樣的信號(hào)干擾，總存在計(jì)算之外的干擾信號(hào)，導(dǎo)致系統(tǒng)本身在計(jì)算上存在誤差。

（3）分析時(shí)產(chǎn)生的誤差：在傳感器將信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)后，計(jì)算機(jī)將對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，以判斷該信號(hào)是否是由于泄漏導(dǎo)致的負(fù)壓波所產(chǎn)生的，但由于計(jì)算機(jī)是由程序以及算法判斷的，程序不可能完全完善，導(dǎo)致會(huì)存在誤判。

3.4誤差解決方法

（1）在組裝電路時(shí)，盡量選擇符合標(biāo)準(zhǔn)的元器件，選擇符合電路設(shè)計(jì)的壓力傳感器，盡量選擇性能與標(biāo)準(zhǔn)接近的元器件。這樣就能有效的避免由于元器件的工藝或是性能等指標(biāo)導(dǎo)致的誤差。

（2）使用多個(gè)壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，以減小系統(tǒng)帶的偶然誤差。

（3）改進(jìn)計(jì)算機(jī)算法，如使用小波變化，它在時(shí)域和頻域都具有表征信號(hào)局部特性的能力，是一種窗口大小可以改變，即時(shí)間窗和頻率窗都可以改變的時(shí)頻局部化分析方法。

4總結(jié)

由于原油本身較為特殊，輸油管道一旦發(fā)生泄漏將嚴(yán)重威脅公眾安全，帶來(lái)人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境污染和不良社會(huì)影響等嚴(yán)重后果，而泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可幫助操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏情況，降低安全、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，減少財(cái)產(chǎn)損失。泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能24小時(shí)的不間斷的監(jiān)控，能有效的避免這些損失。

對(duì)一個(gè)實(shí)際的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，總是希望泄漏檢測(cè)的靈敏度和定位精度越高越好，泄漏檢測(cè)的誤報(bào)警越少越好。但在實(shí)際中，同時(shí)具有靈敏度高與誤報(bào)警率低是相矛盾的，要求在高泄漏檢測(cè)靈敏度的條件下具有高定位精度也是不現(xiàn)實(shí)的，必須從實(shí)際要求出發(fā)，抓住矛盾的主要方面，對(duì)各種性能指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，提出一個(gè)合理的可實(shí)現(xiàn)的折衷指標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：

郭祥宇（2001-），男，安徽宿州，本科生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。

胡旺文（2001-），男，湖北武漢，本科生，主要研究?jī)?nèi)容為嵌入式系統(tǒng)。

吳博（2000-），男，河南鄭州，本科生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)。

朱家瑋（2001-），男，河南鄭州，本科生，主要研究?jī)?nèi)容為嵌入式系統(tǒng)。

黃寒冰（1999-），女，河南信陽(yáng)，本科生，主要研究方向?yàn)镴AVA編程。

（河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000）