摘 要：由于超聲波流量計(jì)在管道中測流時(shí)，具有不破壞流場，沒有壓力損失，不影響正常工作，測流費(fèi)用少，適用于大小管徑等特點(diǎn)，將它應(yīng)用于管道的泄漏監(jiān)測是非常合適的。管道信號(hào)的特征提取是管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中重要的組成部分，由于信號(hào)處理工作難度較大，并且泄漏判斷的誤報(bào)警率較高，故提出利用混沌理論的超聲波流量計(jì)監(jiān)測方法對(duì)管道信號(hào)進(jìn)行特征提取，根據(jù)特征量的變化判斷泄漏，對(duì)實(shí)際信號(hào)進(jìn)行了處理并驗(yàn)證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：泄漏監(jiān)測； 混沌理論； 超聲波流量計(jì)；信號(hào)特征提取

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1713003

Application of Ultrasonic Flowmeter in Pipeline Leak Detection System

WU Xinming，HAO Xiaojun

(Langfang Teachers′ College，Langfang，065000，China)

Abstract：The ultrasonic flowmeter in the pipeline flow measurement，flow field is not damaged，no pressure loss，doesn′t affect the normal work flow measurement，cost less and applicable to the characteristics of large and small diameter，it is applied to pipeline leakage monitoring. Pipeline signal feature extraction pipeline leak monitoring system is an important component of the signal processing because it is quite difficult，and high error alarming rate of leakage judgement.This paper proposes the use of ultrasonic flowmeter chaos theory monitoring signals on the pipeline feature extraction，based on characteristics of the changes in judgement leakage，the actual signal verifies feasibility of the method.

Keywords：leak detection；chaos theory；ultrasonic flowmeter；signal characteristics abstract

1 引 言

管道運(yùn)輸以其特有的經(jīng)濟(jì)、便攜、安全等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于石油、天然氣等液體、氣體、漿液的運(yùn)輸中，并且已成為與鐵路、公路、航空、水運(yùn)并駕齊驅(qū)的五大運(yùn)輸行業(yè)之一。但是，隨著管線的增長，以及不可避免的腐蝕、磨損等自然或人為原因，管道事故頻頻發(fā)生。管道的泄漏不僅影響正常的生產(chǎn)，造成能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，而且由于所輸介質(zhì)的危險(xiǎn)性和污染性，一旦發(fā)生事故還會(huì)造成對(duì)環(huán)境的污染和巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，因此泄漏的監(jiān)測是一項(xiàng)重要的管道故障監(jiān)測技術(shù)。為了減少損失，需要在有泄漏時(shí)立即監(jiān)測出來，并且能夠指明泄漏發(fā)生的位置。

現(xiàn)有的一些管道泄漏監(jiān)測方法或儀器設(shè)備還不能滿足對(duì)輸油管道進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測的要求，因此，本文結(jié)合我國管道輸送的實(shí)際情況，針對(duì)原油管道泄漏監(jiān)測技術(shù)及其運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并提出了一種超聲波流量計(jì)輸油管道泄漏監(jiān)測方法，提高了定位精度，降低監(jiān)測費(fèi)用^{［1，2］}。

本系統(tǒng)采用前后端機(jī)結(jié)構(gòu)的主從式設(shè)計(jì)，具有高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)庫存檔與分析等功能。測量過程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，測量結(jié)果打印并帶有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可與上級(jí)控制系統(tǒng)直接連接，便于信息處理。并將混沌理論應(yīng)用于信息處理中，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，建立管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，以達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，并準(zhǔn)確定位的目的。

2 對(duì)管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的要求

泄漏監(jiān)測的目的是減少泄漏物質(zhì)損失及盡量杜絕泄漏物對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)和環(huán)境造成進(jìn)一步

危害，為此，理想的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下各方面的要求^{［3，4］}。

準(zhǔn)確性 泄漏發(fā)生后，能夠準(zhǔn)確地測報(bào)出泄漏，不致因?yàn)椴僮魇д`和設(shè)備故障等因素發(fā)出誤報(bào)警。

靈敏性 理想的檢漏系統(tǒng)應(yīng)該能監(jiān)測出從滲漏到管道斷裂的全部范圍內(nèi)的泄漏情況，發(fā)出正確的報(bào)警提示。

實(shí)時(shí)性 理想的檢漏系統(tǒng)能夠在泄漏發(fā)生后，實(shí)時(shí)地監(jiān)測出泄漏的發(fā)生。以便操作人員即刻采取行動(dòng)，減少損失。

定位精度高 長輸管道穿越距離長，檢漏系統(tǒng)需能夠提供給操作人員準(zhǔn)確的泄漏點(diǎn)位置，以使維修人員盡快到達(dá)漏油點(diǎn)，進(jìn)行補(bǔ)封作業(yè)。

易維護(hù)性 檢漏系統(tǒng)裝置維修調(diào)整容易。

3 管道泄漏監(jiān)測儀系統(tǒng)整機(jī)電路框圖

管道運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測儀以數(shù)字處理芯片作為CPU，包括信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、A/D采集電路、數(shù)據(jù)顯示電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、遠(yuǎn)程通訊電路、與主計(jì)算機(jī)通訊的接口電路、聲光報(bào)警電路以及電源電路等。圖1是監(jiān)測儀整機(jī)電路框圖。為消除傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)長距離傳輸引入的干擾，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。為消除系統(tǒng)共地給系統(tǒng)運(yùn)行帶來的不穩(wěn)定因素，系統(tǒng)中采用高性能的隔離放大器AD202將被測信號(hào)與監(jiān)測儀進(jìn)行隔離。AD202采用信號(hào)耦合變壓器使放大器輸入端與輸出端沒有電路聯(lián)系，并能完成放大功能。AD202功耗小、精度高(最大非線性度±0.025%)^［5］。

圖1 監(jiān)測儀系統(tǒng)整機(jī)電路框圖信號(hào)采集器組采集超聲波流量計(jì)的信號(hào)，經(jīng)信號(hào)傳輸電纜傳送至管道狀態(tài)監(jiān)測儀。

管道狀態(tài)監(jiān)測儀以PC機(jī)為核心，實(shí)時(shí)監(jiān)控管道運(yùn)行狀況，運(yùn)用流量時(shí)差法對(duì)管道泄漏進(jìn)行預(yù)報(bào)警，控制遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊鏈路取得管道另一端監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)，送入系統(tǒng)計(jì)算機(jī)總站。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊鏈路通過通訊網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。

總站定時(shí)詢問所有分站，從每一個(gè)分站收集各種和聲速有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，收集到所有分站數(shù)據(jù)后，總站咨詢它內(nèi)部的用于描述管道組態(tài)的拓?fù)涑绦?，然后?jì)算出最后一分鐘流入和流出測量管段的標(biāo)準(zhǔn)體積，如不平衡超過預(yù)設(shè)的報(bào)警設(shè)置值，將發(fā)出泄漏報(bào)警^{［6，7］}。

4 超聲波流量計(jì)管道運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件以Windows 2000作為平臺(tái)，結(jié)合Matlab工具、高速數(shù)據(jù)采集卡動(dòng)態(tài)鏈接庫的優(yōu)點(diǎn)，由軟件開發(fā)工具M(jìn)icrosoft.net完成各個(gè)功能模塊的調(diào)配控制和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件的模塊化設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模塊任務(wù)調(diào)度與管理程序是系統(tǒng)的核心管理模塊，主要利用操作系統(tǒng)的多任務(wù)性，實(shí)現(xiàn)程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。

數(shù)據(jù)采集模塊主要利用高速數(shù)據(jù)采集卡對(duì)外部傳輸來的信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確快速地采集，保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)傳輸模塊利用VXD技術(shù)編程實(shí)現(xiàn)采集卡的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序，提供了對(duì)DMA中斷和部分I/O的操作，主要完成將采集卡采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可方便處理的二進(jìn)制代碼文件和數(shù)據(jù)庫源文件。

混沌算法處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，利用理論研究中的混沌處理算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，提取管道泄漏特征信息，提高判斷的靈敏度和可靠性，從而解決信號(hào)的處理與識(shí)別工作。

顯示打印模塊利用Matlab強(qiáng)大的圖形顯示功能實(shí)時(shí)給出混沌振子的間歇混沌圖像和信號(hào)處理結(jié)果，并可完成實(shí)時(shí)輸出。

日志數(shù)據(jù)庫模塊完成數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新和復(fù)雜的查詢?nèi)蝿?wù)，本系統(tǒng)使用的是微軟公司的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MS SQL Sever 2000，用ADO進(jìn)行配置數(shù)據(jù)庫、設(shè)置數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的對(duì)數(shù)據(jù)庫訪問的實(shí)時(shí)高效的功能。另外，為了保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確快速地進(jìn)行，數(shù)據(jù)通訊軟件的設(shè)計(jì)具有多級(jí)的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)壓縮功能^［8，9］。

5 混沌算法處理模塊

混沌算法處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)軟件的重要部分。它主要包括兩個(gè)部分的內(nèi)容：信號(hào)預(yù)制的實(shí)現(xiàn)和混沌振子的實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)預(yù)制的過程是指在信號(hào)進(jìn)入混沌振子陣列前將其頻率壓縮至1~10范圍之內(nèi)的過程。鑒于本課題將首先應(yīng)用于微弱超聲信號(hào)的測量，而由于不同的實(shí)驗(yàn)可能采用的超聲發(fā)射頻率不同，所以定義表征超聲發(fā)射信號(hào)頻率的全局可變參量float Pre_Proc。又因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)頻率的已知性，故而很容易經(jīng)過判斷后將頻率進(jìn)行壓縮?；煦缯褡拥膶?shí)現(xiàn)包括單個(gè)振子的實(shí)現(xiàn)和時(shí)間尺度變換算法的實(shí)現(xiàn)。

時(shí)間尺度變換的方法很簡單，就是將龍格庫塔法中的積分步長取為初始值的1/ω即可。軟件中我們定義RungKutta(float Pace，float w)函數(shù)來完成步長為Pace、參考頻率為w的Duffing方程的數(shù)值積分。

在信號(hào)頻率確定后，信號(hào)的相位值可由鎖相方法確定，而幅值則可根據(jù)混沌周期段最大幅值對(duì)應(yīng)的矢量合成峰值減去該混沌振子的參考信號(hào)幅值來確定^［10］。

運(yùn)用混沌算法準(zhǔn)確地提取了壓力信號(hào)中所包含的負(fù)壓波信息，定位精度在1%以內(nèi)，滿足工程應(yīng)用要求。

6 結(jié) 語

結(jié)合管道輸送的實(shí)際情況，針對(duì)原油管道泄漏監(jiān)測技術(shù)及其運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，利用超聲波流量計(jì)，依據(jù)流體的流量與超聲波流量計(jì)傳播速度之間的關(guān)系，對(duì)管道流量進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測。充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，建立管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，以達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，并準(zhǔn)確地確定其位置的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介 吳欣明 男，1973年出生，河北香河縣人，講師、碩士。主要從事計(jì)算機(jī)教學(xué)及教學(xué)理論方面的研究工作。

郝曉軍 男，1974年出生，河北正定人，講師、碩士。主要從事計(jì)算機(jī)教學(xué)及教學(xué)理論方面的研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文