基于電子鼻的三角定位儲(chǔ)罐泄漏檢測

陳藜元，王玉峰，韓沁煒

（西華大學(xué)西華學(xué)院，四川成都 610039）

儲(chǔ)罐是一種專門用于儲(chǔ)備放置原油和液體化工原料及其產(chǎn)品的儲(chǔ)存設(shè)備。由于其體積巨大、分布集中的特點(diǎn)，且化工產(chǎn)品大都具有一定的腐蝕性和危險(xiǎn)性，一旦發(fā)生泄漏，將造成嚴(yán)重后果。因此，儲(chǔ)罐的泄漏檢測尤為重要。

目前大型金屬儲(chǔ)罐的常用檢測方法有三類[1]，分別是常規(guī)檢測、開罐檢測和在線檢測。其中，在線檢測的聲發(fā)射無損檢測技術(shù)相對(duì)成熟，可以檢測出儲(chǔ)罐內(nèi)部缺陷的情況。但由于其設(shè)備昂貴，對(duì)檢測人員要求較高，尚不能廣泛使用。

以上幾種方法雖常見，但使用方法單一，優(yōu)缺點(diǎn)明顯。若將多種檢測方法結(jié)合起來，則可以大大改變現(xiàn)有的檢測情況，提高檢測效率。本文采用將電子鼻和聲發(fā)射無損檢測相結(jié)合的方法，充分利用電子鼻的可實(shí)時(shí)檢測，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，以及聲發(fā)射無損檢測的精確性，來實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐泄漏的檢測。

1 泄漏檢測方案

本文設(shè)計(jì)了一種以電子鼻為主，聲發(fā)射無損檢測技術(shù)為輔的檢測方案，將多個(gè)氣敏傳感器按規(guī)律布置在大型儲(chǔ)罐表面，通過氣敏傳感器所測得的氣體濃度分析罐體是否發(fā)生泄漏，若發(fā)現(xiàn)泄漏，可將泄漏點(diǎn)的位置縮小至某一范圍，再通過聲發(fā)射探測儀器確定儲(chǔ)罐缺陷的具體情況。

這種監(jiān)測系統(tǒng)，可以在泄漏的第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，并將泄漏點(diǎn)的位置縮小到某一范圍，可以大大提高查漏的效率，以便采取有效的補(bǔ)救措施。

2 檢測方法介紹

2.1 電子鼻

電子鼻主要由三個(gè)部分組成：氣敏傳感器、信號(hào)預(yù)處理和模式識(shí)別[2]。

氣敏傳感器是電子鼻用來檢測氣體濃度和成分的基本元件。氣體中的化學(xué)成分與敏感材料相互作用，氣敏傳感器將作用于活性材料上的化學(xué)輸入轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。多個(gè)傳感器對(duì)一種氣體的響應(yīng)構(gòu)成傳感器陣列對(duì)該氣體的響應(yīng)譜，這種響應(yīng)譜就是氣體的廣譜響應(yīng)譜[3]。

為了對(duì)氣體進(jìn)行定性或定量分析，需要對(duì)傳感器上的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。即對(duì)傳感器陣列傳入的電信號(hào)進(jìn)行濾波、交換和特征提取。通過預(yù)處理傳感器的響應(yīng)模式，可以實(shí)現(xiàn)漂移補(bǔ)償、信息壓縮和減少信號(hào)隨樣品波動(dòng)。特征提取是最重要的步驟，常用的方法包括相對(duì)法、差分法、對(duì)數(shù)法和歸一化法等。

模式識(shí)別是對(duì)特征提取后的信息進(jìn)行進(jìn)一步處理，以完成對(duì)氣體信號(hào)的定性和定量識(shí)別，獲取混合氣體的組成和濃度信息。模式識(shí)別方法主要有統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 聲發(fā)射檢測技術(shù)

聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)的無損檢測技術(shù)，它僅顯示和記錄擴(kuò)展的缺陷，與缺陷的尺寸無關(guān)，并根據(jù)其危險(xiǎn)程度對(duì)缺陷進(jìn)行分類。

當(dāng)材料或組件遭受斷裂或內(nèi)部應(yīng)力超過極限，將經(jīng)歷不可逆的變形，并接收以瞬態(tài)彈性波形式釋放的應(yīng)變能時(shí)，可以應(yīng)用聲發(fā)射檢測法。通過示波器，可以觀察到連續(xù)且不規(guī)則的聲發(fā)射波形，該波形具有由泄漏激發(fā)的小幅度波動(dòng)。當(dāng)罐體破裂時(shí)，彈性波將被釋放并通過某種介質(zhì)傳播到材料或組件的表面，從而在表面上引起機(jī)械振動(dòng)。此時(shí)，聲發(fā)射傳感器將表面的瞬時(shí)位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后放大，處理，記錄顯示波形和特征參數(shù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和解釋以評(píng)估聲發(fā)射源的特性。一般而言，泄漏越多，激發(fā)信號(hào)的幅度越高。所使用的聲發(fā)射傳感器的頻率越低，則泄漏源可以被監(jiān)測得越遠(yuǎn)，但是它將受到環(huán)境噪聲的影響。目前，它主要用于航空航天、石油化工、電力等行業(yè)的管道、閥門、集裝箱和倉儲(chǔ)。

3 電子鼻位置與泄漏點(diǎn)定位

3.1 氣敏傳感器分布影響因素

氣敏傳感器的優(yōu)化分布直接影響著監(jiān)測系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏程度。

氣敏傳感器可顯示出該位置的氣體濃度，當(dāng)儲(chǔ)罐某點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)，往往是離泄漏點(diǎn)最近的傳感器首先檢測到氣體，即傳感器的分布需要考慮氣體的擴(kuò)散。氣體的擴(kuò)散與很多因素有關(guān)，如溫度、濕度、風(fēng)向和氣體本身的特性。溫度越高，氣體擴(kuò)散越快，傳感器檢測到氣體所需時(shí)間越短；當(dāng)風(fēng)向固定時(shí)，氣體擴(kuò)散不會(huì)保持泄漏點(diǎn)周圍均勻擴(kuò)散的特性，而是順風(fēng)擴(kuò)散，因此位于泄漏點(diǎn)下游的傳感器將更早地檢測到氣體泄漏；當(dāng)泄漏氣體密度大于空氣密度時(shí)，氣體下沉，而當(dāng)泄漏氣體密度大于空氣密度時(shí)，氣體上升。因此，對(duì)于不同的物質(zhì)和不同的環(huán)境，氣體傳感器的位置是不同的。

氣體傳感器的分布不僅與氣體和外部環(huán)境條件有關(guān)，而且與儲(chǔ)罐的具體條件有關(guān)。

3.2 傳感器分布

理想條件下，將儲(chǔ)罐視為表面光滑的立式圓筒形儲(chǔ)罐，由于重力原因，圓柱形罐壁主要受存貯介質(zhì)的靜液壓力。靜液壓力由罐頂至罐底呈三角形分布，在儲(chǔ)罐制作過程中，罐壁并不能從上到下逐漸增厚。罐底所受壓力大，更容易出現(xiàn)化學(xué)品泄漏的問題。所以氣敏傳感器在大型儲(chǔ)罐下部和底部分布較多。

氣敏傳感器采用三角定位分布，一圈等間距放置三個(gè)氣敏傳感器，每個(gè)探測器都可與離自身最近的探測器構(gòu)成三角形，如圖2所示。這種分布方法可以有效確定泄漏點(diǎn)，同時(shí)高效利用氣敏傳感器。

圖2 氣敏傳感器分布立體圖

實(shí)際生產(chǎn)中，大型儲(chǔ)罐是由多塊鋼材焊接起來的，焊縫相比罐體更容易發(fā)生泄漏，而罐底承重壓力大，又有接口等，風(fēng)險(xiǎn)最高。因此，在布置氣體傳感器時(shí)，在滿足三角定位的條件下，傳感器應(yīng)盡可能地分布在接縫附近，如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)罐接縫圖

3.3 泄漏點(diǎn)定位計(jì)算

3.3.1 理想情況下三角定位計(jì)算

在理想條件下，氣體以泄漏點(diǎn)為圓心向四周擴(kuò)散，氣體濃度與擴(kuò)散距離呈正態(tài)分布關(guān)系。假定泄漏點(diǎn)附近三個(gè)傳感器A、B、C 第一時(shí)間檢測出氣體，且三個(gè)傳感器測得氣體濃度分別為X1、X2、X3。

因?yàn)锳BC 第一時(shí)間檢測出氣體，根據(jù)氣體擴(kuò)散分析，泄漏點(diǎn)一定位于A，B，C 點(diǎn)組成的三角區(qū)域內(nèi)。

若X1＞＞X2、X3，則泄漏點(diǎn)就在C 點(diǎn)附近S1范圍內(nèi)，如圖4所示，直接采用聲發(fā)射儀器進(jìn)行探測，采取措施。

圖4 泄漏點(diǎn)在C點(diǎn)示意圖

若X3＞X1，X3＞X2，則判定泄漏點(diǎn)位于A，B，C 構(gòu)成三角形的質(zhì)心靠近點(diǎn)C 部分，再比較X1、X2，根據(jù)比較結(jié)果鎖定泄漏位置。若X1=X2，則泄漏點(diǎn)到A，B 的距離相近，泄漏點(diǎn)位于S2區(qū)域；若X1＞X2，則泄漏點(diǎn)則泄漏點(diǎn)距A 點(diǎn)更近，泄漏點(diǎn)位于S3區(qū)域；若X1＜X2，則泄漏點(diǎn)距B 點(diǎn)更近，泄漏點(diǎn)位于S4區(qū)域，如圖5。

圖5 三角定位示意圖

3.3.2 實(shí)際情況下三角定位計(jì)算

由于實(shí)際情況中存在風(fēng)向和重力浮力等影響因素，離泄漏點(diǎn)近的氣敏傳感器不一定能先檢測到氣體。例如，風(fēng)從右向左吹過泄漏點(diǎn)，雖然泄漏點(diǎn)右側(cè)的氣敏傳感器A 離泄漏點(diǎn)更近，但氣體隨風(fēng)向左擴(kuò)散，離泄漏點(diǎn)更遠(yuǎn)的B 傳感器卻會(huì)更早檢測出氣體且濃度更大，這勢必會(huì)對(duì)泄漏點(diǎn)位置范圍的確定造成干擾，所以在定位過程中，需要考慮風(fēng)向，且需考慮多個(gè)傳感器。

圖6 三角定位計(jì)算示意圖

以兩圈傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)為例，如圖6，由A、B C、D、E、F 六個(gè)傳感器組成，讀數(shù)分別為X1、X2、X3、X4、X5、X6。（黑圓表示上層傳感器A、B、D，白圈表示下層傳感器C、E、F，三角形表示泄漏點(diǎn)的位置1、2、3、4）。

當(dāng)泄漏點(diǎn)在1號(hào)區(qū)域時(shí)，由于罐體呈圓弧形，氣體從1號(hào)處向兩邊擴(kuò)散，六個(gè)傳感器均有數(shù)值。

當(dāng)泄漏點(diǎn)在2號(hào)區(qū)域時(shí)，由于風(fēng)向，氣體從2號(hào)區(qū)域向左側(cè)擴(kuò)散，僅有A、C 兩個(gè)傳感器有數(shù)值，且X3＞X2。

當(dāng)泄漏點(diǎn)在3號(hào)區(qū)域時(shí)，僅A 傳感器有數(shù)值。

當(dāng)泄漏點(diǎn)在4號(hào)區(qū)域時(shí)，僅A、F 傳感器有數(shù)值，且由于罐體遮擋，處于背風(fēng)面，氣體擴(kuò)散受風(fēng)向影響不大，所以可參考理想情況下的定位方法進(jìn)行定位。

當(dāng)X1、X2、X3、X4、X5、X6均有數(shù)值時(shí)，泄漏點(diǎn)位于區(qū)域1；當(dāng)X1、X3有數(shù)值時(shí)，泄漏點(diǎn)位于區(qū)域2；當(dāng)X1有數(shù)值時(shí)，泄漏點(diǎn)位于區(qū)域3；當(dāng)X2、X3有數(shù)值時(shí)，泄漏點(diǎn)位于區(qū)域4，還可通過理想情況下的計(jì)算方法進(jìn)一步縮小泄漏點(diǎn)所在范圍。

4 結(jié)束語

1）氣敏傳感器按規(guī)律布置于儲(chǔ)罐表面，實(shí)時(shí)檢測化工氣體濃度，當(dāng)濃度超過安全值，開始發(fā)出警報(bào)，并通過所測氣體濃度分析傳感器與泄漏點(diǎn)的距離，利用三角定位算法確定泄漏點(diǎn)的大致位置，最后使用聲發(fā)射儀器在此范圍內(nèi)檢測，探明泄漏點(diǎn)情況。

2）三角定位法能較好地確定泄漏點(diǎn)的大致位置，將這種方法運(yùn)用到電子鼻，即氣敏傳感器的氣敏網(wǎng)絡(luò)中，配合聲發(fā)射檢測法，來進(jìn)行化工氣體泄漏的檢測。但是投入到使用還需要引入更多的變量，如氣體特性、當(dāng)?shù)丨h(huán)境、儲(chǔ)罐條件等，才能更好地進(jìn)行檢測定位工作。