潘 霞 范世東 鐘駿杰 胡 瓊

武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063

管道泄漏檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘 霞 范世東 鐘駿杰 胡 瓊

武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063

為解決管道泄漏檢測問題，同時(shí)也為滿足學(xué)員學(xué)習(xí)的需要，在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)了檢測管道泄漏的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于負(fù)壓波聯(lián)合流量法，運(yùn)用小波分析處理數(shù)據(jù)及Labview開發(fā)了一套系統(tǒng)軟件，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏，并進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位。

負(fù)壓波 管道泄漏 小波變換 相關(guān) Labview

現(xiàn)有的管道泄漏檢測方法主要包括基于人工巡檢法，基于超聲、磁通、攝像等技術(shù)的管內(nèi)檢漏法，基于電纜檢漏法，基于管道壓力、流量、溫度等運(yùn)行參數(shù)的外部檢漏法等。前三種方法由于不經(jīng)濟(jì)在我國未能得到廣泛運(yùn)用。目前國內(nèi)在管道泄漏方法研究上主攻第四種。文中采用的正是外部檢漏法中的負(fù)壓波聯(lián)合流量法?；谶@種檢測方法，建立管道泄漏檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及實(shí)驗(yàn)原理

1．1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

在原有的環(huán)形管道截取其中的一段長為5．65 m的直管道作為研究對(duì)象。首尾兩端各裝上壓力傳感器，并在研究對(duì)象入口及出口處裝上流量傳感器，以及在管道上裝上溫度傳感器。在研究對(duì)象上裝上泄漏閥來控制管道的泄漏情況。泄漏閥距離首端傳感器2．48 m，見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

測量壓力采用JYB-KO-HAG型壓力變送器，量程為0～0．5 MP，輸出為4．0～20．0 mA的電流信號(hào)。測量流量采用LWGY-40型流量變送器，量程為2．0～20．0 m3／h，輸出為4．0～20．0 mA的電流信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡采用研華PCI-1710HG多功能數(shù)據(jù)采集卡，可以在Labview等組態(tài)軟件下很方便完成測量與控制系統(tǒng)。端子板型號(hào)為PCLD-8710。這種數(shù)據(jù)采集卡特點(diǎn)有：16路單端或8路差分或組合模擬量輸入，12位的A／D轉(zhuǎn)換器，采集卡有4 K采樣的FIFO緩沖器，采樣率最高可達(dá)100 k HZ?？梢赃_(dá)到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的要求。

1．2 實(shí)驗(yàn)原理

管道泄漏檢測實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖羌皶r(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏；如果發(fā)生泄漏，迅速而準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)第一個(gè)目的，采用流量平衡法。

管道發(fā)生泄漏時(shí)，首端流量有所上升，尾端流量下降，流量差增大。如果大于正常范圍，判斷發(fā)生泄漏。

為了實(shí)現(xiàn)第二個(gè)目的，采用負(fù)壓波定位法。

當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏處因流體物質(zhì)損失而引起局部流體密度減小，產(chǎn)生瞬時(shí)壓力降低和速度差，這個(gè)瞬時(shí)的壓力下降稱為負(fù)壓波。它以聲速向泄漏點(diǎn)的上下游處傳播。根據(jù)上下游壓力傳感器接收到此壓力信號(hào)的時(shí)間差和傳播速度就可以定出泄漏點(diǎn)。

圖2 負(fù)壓波定位原理

見圖2，負(fù)壓波法定位公式為

式中：X——泄漏點(diǎn)距離首端測壓點(diǎn)的距離，m；

L——被測管路對(duì)象的長度，m；

v——壓力波的傳播速度，m／s，v是溫度的函數(shù)，可根據(jù)當(dāng)時(shí)的溫度和相關(guān)公式求取，在液體中一般在1 000～1 200 m／s之間［1］；

Δt——上下游傳感器接受到壓力波的時(shí)間差，s。

1．3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）啟動(dòng)泵，使得管道正常輸送液體。

2）打開檢測軟件系統(tǒng)。進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，閾值測試，在管道正常運(yùn)行情況下進(jìn)行監(jiān)測獲得數(shù)據(jù)的最值并進(jìn)行修正得到。完成后打開實(shí)時(shí)監(jiān)測程序開始監(jiān)測管道運(yùn)行狀況。

管道泄漏監(jiān)測過程實(shí)際上就是數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行處理的過程。首先采集首尾端壓力和首尾端流量等四路信號(hào)并保存進(jìn)磁盤。然后分別對(duì)這四路信號(hào)進(jìn)行濾波，將首尾流量信號(hào)相減，若超過相應(yīng)閾值，發(fā)出管道泄漏的信息，并且調(diào)用定位程序。定位是通過對(duì)兩路壓力信號(hào)分析獲得。在實(shí)驗(yàn)中，是運(yùn)用開關(guān)泄漏閥來控制泄漏的發(fā)生，關(guān)閉閥門停止或減小泄漏時(shí)也會(huì)在壓力信號(hào)分析后的值中產(chǎn)生超過閾值的極值，從而產(chǎn)生誤報(bào)警。為了防止此類誤報(bào)警的出現(xiàn)，對(duì)流量差信號(hào)進(jìn)行小波變換，開啟閥門泄漏時(shí)，流量差上升，進(jìn)行小波變換出現(xiàn)小于閾值的極小值，調(diào)用定位程序。關(guān)閉閥門時(shí)，流量差下降，進(jìn)行小波變換出現(xiàn)大于閾值的極大值，不調(diào)用定位程序。最后把泄漏信息保存進(jìn)磁盤。

圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)測程序流程圖

3）操作泄漏閥控制管道泄漏情況并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4）關(guān)閉管道泄漏檢測軟件系統(tǒng)，停止泵，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

2 數(shù)據(jù)處理方法及軟件設(shè)計(jì)

在管道泄漏監(jiān)測過程中，數(shù)據(jù)處理是核心。要處理的數(shù)據(jù)是流量差（首端流量—尾端流量）、首端壓力和尾端壓力。在管道正常運(yùn)行時(shí)，這3個(gè)量都維持在某一個(gè)值附近。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，流量差增大，首端壓力和尾端壓力都下降。

為了捕捉它們變化的時(shí)刻或者趨勢。可以運(yùn)用小波分析來處理數(shù)據(jù)，并通過Labview編程實(shí)現(xiàn)。該軟件直觀便捷，編寫效率較高，效果比較好。

具有有限能量的函數(shù)f（t）［即f（t）∈L2（R）］的小波變換定義為

簡記為

式中：a——尺度因子，表示與頻率相關(guān)的尺度收縮；

τ——時(shí)間平移因子；

ψ（t）——母小波；

在尺度上的伸縮，

小波變換是一種信號(hào)的時(shí)間-頻率分析方法，具有多分辨率的特點(diǎn)，在時(shí)頻兩域都有表征信號(hào)局部特征的能力，很適合探測正常信號(hào)中夾帶的反?，F(xiàn)象，被譽(yù)為分析信號(hào)的“數(shù)學(xué)顯微鏡”。

在本算法中，令為高斯函數(shù)，則θ（t）的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)都滿足作為小波基的條件。假設(shè)待分析信號(hào)為s（t），對(duì)s（t）進(jìn)行小波變換并運(yùn)用卷積和微分性質(zhì)

即對(duì)s（t）首先進(jìn)行積分，再以高斯函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)為小波基進(jìn)行連續(xù)小波變換。在信號(hào)處于下降趨勢時(shí)，WTas（t）有極大值。在信號(hào)處于上升趨勢時(shí)，WTas（t）有極小值［2］。

在LabVIEW中提供了Mexico草帽小波，它是高斯函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)歸一化的結(jié)果，使用起來很方便。對(duì)首端壓力信號(hào)和尾端壓力信號(hào)分別進(jìn)行式（3）所示的變換。所得變換結(jié)果最大值超過相應(yīng)閾值，記下該最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間，從而獲得首端壓力信號(hào)和尾端壓力信號(hào)壓降對(duì)應(yīng)的兩個(gè)時(shí)間，然后進(jìn)行相減，即是所求的Δt。運(yùn)用小波變換實(shí)現(xiàn)捕捉壓降對(duì)應(yīng)時(shí)間的程序見圖4。

程序最后將壓降對(duì)應(yīng)時(shí)間存入了一個(gè)數(shù)組，以備調(diào)用。

圖4 小波變換捕捉壓降對(duì)應(yīng)時(shí)間程序

3 實(shí)例

現(xiàn)給出一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程為：打開泄漏閥→關(guān)閉泄漏閥→打開泄漏閥→關(guān)閉泄漏閥→打開泄漏閥。獲得的數(shù)據(jù)波形見圖5。

經(jīng)過小波變換后數(shù)據(jù)波形見圖6。

在實(shí)驗(yàn)中，閾值測試的結(jié)果為：流量差閾值為0．25；流量差小波變換閾值為—0．3，首端壓力和尾端壓力小波變換閾值分別為0．014和0．012。

根據(jù)圖3所示流程最后得出檢測結(jié)果見表1。

表1 小波變換定位結(jié)果

4 討論

絕對(duì)誤差為

相對(duì)誤差為

式中：x——泄漏點(diǎn)距首端定位距離；

x*——泄漏點(diǎn)距首端距離實(shí)測值，

L——被測管路對(duì)象的長度，L＝5．65 m。

根據(jù)以上公式計(jì)算定位結(jié)果見表2。

表2 定位結(jié)果絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形圖

誤差計(jì)算結(jié)果表明，絕對(duì)誤差較小，相對(duì)誤差較大。也就是說，在一定條件下，小波變換可以較為準(zhǔn)確地進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位，并且小波變換在信號(hào)濾波中也取得了良好的效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的管道泄漏檢測系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確地判斷管道的泄漏情況并進(jìn)行管道泄漏點(diǎn)的定位。系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，為進(jìn)一步研究管道泄漏檢測方法提供了參考。

圖6 小波變換后的數(shù)據(jù)波形圖

［1］王 凱．輸油管道泄漏檢測技術(shù)研究［D］．西安：西安理工大學(xué)，2004：10-13．

［2］成禮智，郭漢偉．小波與離散變換理論與工程實(shí)踐［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005：243-244．

［3］鄭曉京，曹柳林．相關(guān)分析在原油管道泄漏中的應(yīng)用［J］．自動(dòng)化與儀表，2003（3）：5-7．

Design and implementation of experiment system on pipeline leak detection

PAN Xia FANShi-dong ZHONG Jun-jie HU Qiong
School of Energy and Power Engineering Wuhan University of Technology Wuhan 430063

To solve the detection problem of pipeline leak，and to meet the demands of students studying at the same time，an experimental system on pipeline leak detection was designed in the lab．The system detects the leakage by the combined flow rate of negative wave，processing the test data by wavelet transformation with the software compiled in LabVIEW．It can detect and locate the leakage of pipeline in time．

negative wave pipeline leak wavelet transformation correlation LabVIEW

U664．84

A

1671-7953（2007）02-0044-04

2006-08-28

修回日期2006-11-13

潘 霞（1982—），女，碩士生。