摘要：本文研究了應用管道泄漏時產生的負壓波對泄漏進行檢測與定位的原理，設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。將設計的軟硬件系統用于充氣管道泄漏實驗，結果表明采用以上原理及方法可以比較準確的檢測到管道的泄漏并對漏點進行定位。
關鍵詞：燃氣管道；泄漏；定位；負壓波；相關算法
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濟損失及人身傷害，及時地發現泄漏并確定泄漏點的位置成為發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，泄漏檢測技術也得到不斷發展，目前國內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。本文在基于當管道泄漏時管道內部氣體壓力變化的負壓波原理的基礎上，設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的研究近年來不斷有新的發展，檢漏方法也由最初的聽音法發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，因此得到了廣泛應用[1]。
2.1 負壓波檢測與定位原理
當管道上某處發生泄漏時，由于管道內外壓差，泄漏點處的流體迅速流失，在泄漏處產生瞬間壓力突降。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
發生泄漏時管道內流動的氣體將導致整個管道內的壓力震蕩，頻率的變化范圍可達幾千赫茲。其中，絕大多數是高頻成分。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，我們取其中的低頻成分進行分析(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 相關算法在管道泄漏定位中的應用
由前面的討論可知。對管道泄漏點定位的關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運算。
使用相關運算對負壓波信號進行處理時，當沒有泄漏發生時，傳感器接收不到負壓波信號，相關函數值在零附近。發生泄漏后，相關函數輸出值將顯著增大，根據相關函數****值出現的位置確定延時τ。用相關分析法進行定位具有靈敏、準確，只需檢測壓信號，不需要建立數學模型，計算量小等特點，因此是一種有效而可行的方法。但它要求泄漏的發生是快速的、突發性的。如果泄漏速度很慢沒有明顯的負壓波出現。則此方法失效。
具體方法為假設在圖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，噪聲NA(t)和%NB(t)完全不相關，所以公式(4)可簡化為：
相關函數RAB(τ)例達到峰值時所對應的下值與負壓波傳播到兩個端點的時間差呈線性，由于相關函數RAB(τ)取極大值的必要條件為在τ處的導數等于零，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上述相關計算非常簡單，只要在計算機上進行相關算法的編程，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 檢測系統軟硬件設計
本文設計的燃氣管道泄漏檢測及定位系統主要由下位機硬件系統和上位機軟件系統兩部分組成，系統框圖如圖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的電路。上位機首先通過有線或無線通信手段，向下位機發送采集命令，下位機實現對壓力數據的采集，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，利用相關算法。對輸氣管道中所出現的泄漏及時進行報警并計算泄漏點的位置，同時可以實現對管線壓力數據存儲和歷史數據分析等任務。
3.1 下位機硬件系統設計
下位機硬件系統安放在管道上，對管道運行狀態進行實時檢測，并將檢測結果傳送給上位機。其系統框圖如圖3所示：
下面分別說明下位機系統各組成部分的作用及設計。
傳感器用來接收在管道內傳播的包括噪聲在內的負壓波信號。理想的傳感器應具有較高的靈敏度、寬而平直的頻率特性、足夠的動態范圍、良好的穩定性。根據輸氣管道的特殊環境，檢測系統的傳感器還需具有施工量小，成本低，安裝維護方便等優點園。通過研究相關資料和進行相關實驗，在本課題中選用浙江紅聲器材廠生產的HS14423駐極體電容測試傳聲器作為負壓波傳感器。
前置放大器的作用是對傳感器采集到的負壓波信號進行放大。由于管道泄漏產生的負壓波信號是很微弱的信號，所以在使用這一信號進行檢測處理時，需要對信號進行前置放大。為了與本課題選用的傳感器匹配，選用與傳感器同廠生產的HSl46133前置放大器。
模擬濾波電路的作用是提取有用信號的頻帶削減帶外噪聲，防止頻率混疊保證采樣順利進行。由于負壓波信號要用于對泄漏點定位的運算中，對濾波器的相頻特性十分敏感，所以選用具有最平群延時特性的貝塞爾濾波器作為濾波器選型。在具體實現上采用了MAXIM公司的MAX281模擬濾波芯片作為貝塞爾濾波器的實現方案。
模數轉換電路將濾波后的模擬信號變為數字信號。由于傳感器采集到的負壓波信號要傳到上位機進行進一步的運算，而上位機只能對數字信號進行處理，所以必須要將采集到的負壓波信號轉變成數字信號后才能傳遞給上位機。具體實現上采用了MAXIM公司的MAXll66逐次逼近型數模轉換芯片。
單片機控制電路的設計是下位機系統的核心，主要完成對整個下位機系統的控制，以及與上位棚系統進行數據交互。本文使用了ATMEL公司生產的Atmega128單片機進行電路設計，并編制了系統軟件控制整個下位機系統的運行。
通信接口電路主要負責下位機系統與上位機系統通信中的電氣特性轉換。單片機串口不能直接用于較遠距離的信號傳輸，為了提高串行通訊的可靠性，增大通訊距離，在工程設計中一般采用標準串行接口。本課題選用RS485總線標準與上位機進行通信，所使用的電平轉換芯片為MAXIM公司生產的MAX485電平轉換芯片。
3.2 上位機軟件系統設計
在整體檢測系統中上位機為放置在監控室的工控計算機，所以對上位機的設計主要為對運行于上位機平臺的軟件系統的設計。其整體結構框圖如圖4所示：
上位機采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術實現，下面將介紹各個模塊的作用。
下位機通信模塊主要負責上位機與下位機的數據交互。由于使用串口通信，所以本模塊的功能主要有通信參數的設置和字符數據轉換。通信參數的設置主要包括設置波特率、奇偶校驗、數據位數、同步異步、停止位、緩沖區容量等。
單通道時頻域分析模塊，對輸入信號進行時域和頻域分析。時域分析主要是對波形的觀測，由于串口傳遞的數據不含有時間信息，所以在分析和處理前要加上采樣起始時間和采樣時間間隔。頻域分析主要是對信號的數字濾波，提取需要的頻率成分，提高相關定位算法的精度。
雙通道相關定位模塊是系統設計的關鍵部分，本模塊主要負責相關定位算法的實現，以及根據相關算法計算出的延時求解泄漏點的位置。
檢測結果存儲回放模塊作用是對檢測結果的存儲回放。由于本系統在檢測泄漏時為實時系統，而實時系統對時間的要求非常嚴格，一切的操作處理需要在規定的時間內完成，因此不能對信號進行復雜的處理。若將信號存儲起來，可以在日后對其做詳細的分析，這樣就彌補了實時系統對時間要求嚴格的不足。
4 充氣管道泄漏檢測實驗
在實驗室搭建了充氣管道實驗模型，該實驗模型使用長3295cm、外徑為10cm、管壁厚為0.5cm的直管模擬燃氣管道，下位機1距離泄漏點718cm。使用氣泵對管道進行充氣，使管內壓力在0.2MPa-0.3MPa。
發生泄漏時，從兩下位機采集到的泄漏信號如圖5所示：
采用相關分析對兩路傳感器信號進行處理后得到的相關波形如圖6所示：
按照相關波形中，****值對應的時間即負壓波傳到兩傳感器的延時為97.51ms，波速取經驗值175m/s。按照公式(1)計算出泄漏點到下位機1的距離為700cm，與實測值718cm相比，絕對誤差為18cm相對誤差為2.5%。
5 結論
本文基于負壓波檢測定位原理，對充氣管道泄漏進行檢測與定位。設計了用于負壓波信號采集的下位機硬件系統和用于實現相關定位算法的上位機軟件系統。在實驗室進行了充氣管道泄漏實驗，結果表明本檢測系統具有方法簡便、檢測速度快和定位精度高等特點。對管道網絡的泄漏檢測與定位將是進一步要解決的問題。
參考文獻
1 楊理踐，景曉斐，宮照廣.輸氣管道音波泄漏檢測技術的研究.沈陽工業大學學報，2007，29(1)：70-73.
2 林偉國.基于動態壓力信號的管道泄漏檢測技術研究.儀器儀表學報，2006，26(8)：908-909.
3 鄧鴻英，王毅.負壓波管道泄漏檢測與定位技術.油氣儲運.2003，22(7)30-33.
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