賈 娜，姜雪松，孫 杰，王 輝

(東北林業(yè)大學 工程技術(shù)學院，哈爾濱 150040)

管道運輸由于具有安全、高效、低耗的特點，逐漸成為了石油、天然氣、生活用水、工業(yè)燃料等物質(zhì)的基本運輸工具。在人類生產(chǎn)活動頻繁的地區(qū)，管道就容易受到事故、挖掘、機械施工等事件影響而發(fā)生泄漏，當輸送介質(zhì)為易燃、有毒、易爆等有害物質(zhì)時，發(fā)生泄漏更會造成巨大的損失和環(huán)境污染，更加嚴重地可能會危害人民群眾的生命健康。因此，對管道泄漏進行迅速判斷和準確定位就顯得十分重要也十分必要。

目前針對管道閥門的檢漏方法有質(zhì)量平衡法、瞬變流模型法和溫度測試法等多種。其中質(zhì)量平衡法根據(jù)動態(tài)質(zhì)量平衡原理，考慮壓力-溫度-多重黏性參數(shù)變化的影響，進行動態(tài)質(zhì)量平衡計算。最后將計算出來的結(jié)果與某一設(shè)定的闕值相比較來判斷是否發(fā)生泄漏[1]；瞬變流模型法是利用流體狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程建立準確描述管內(nèi)瞬變流動過程的數(shù)學模型，并通過計算機技術(shù)進行求解，再根據(jù)計算值和測量值的偏差檢測泄漏[2]。S.Shimanskiy選擇耐高溫拾音傳感器對核電站反應(yīng)堆循環(huán)冷卻水管道進行了研究，并成功檢測到0.2gpm(0.046m3/h)的管道泄漏，證明了聲音檢測管道閥門泄漏的可能性[3]。而且有人對管道泄漏監(jiān)測進行了分析研究，提出了聲信號檢測技術(shù)在管道泄漏距離判定中的應(yīng)用，并對管道泄漏狀態(tài)進行實時監(jiān)控提出了技術(shù)性的判斷[4]。黃琳利用網(wǎng)狀的監(jiān)測點和基于GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)平臺的長距離傳輸方式實現(xiàn)了較大范圍的監(jiān)控，初步實現(xiàn)了監(jiān)測的自動化[5]。

從聲信號角度對供氣管道閥門泄漏進行監(jiān)測是之前的研究較多涉及到的，但是之前的研究并沒有把聲信號監(jiān)測技術(shù)與基于GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)平臺的長距離傳輸方式結(jié)合起來，本文介紹的基于聲信號的定位系統(tǒng)將兩技術(shù)進行結(jié)合創(chuàng)新，使之不再受到溫度和空間的影響，直接利用泄露處發(fā)出的聲信號來監(jiān)測較大范圍的區(qū)域，并可實時與控制中心反饋，以便及時發(fā)現(xiàn)泄漏點。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)的組成

本文所述的基于聲信號的供氣管道閥門泄漏監(jiān)測與定位系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。該系統(tǒng)由信號采集模塊、信號傳輸模塊、反饋定位模塊組成，其中信號采集模塊由信號采集裝置、傳感器固定裝置組成；信號傳輸模塊由模擬量信號轉(zhuǎn)RS-232數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換子模塊、GPRS DTU通信子模塊組成；反饋定位模塊由計算機、LED顯示屏、報警裝置組成。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖

1.2 系統(tǒng)內(nèi)部連接方式

信號采集裝置為COTT-C10拾音器，與模擬量信號轉(zhuǎn)RS-232數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換子模塊使用雙絞線連接；模擬量信號轉(zhuǎn)RS-232數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換子模塊的輸出采用RS-232接口，GPRS DTU通信子模塊的輸入采用RS-232接口，兩子模塊用 DB9線材連接；GPRS DTU通信子模塊通過GSM基站和移動網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，利用LQ8110 GPRS DTU模塊使DTU數(shù)據(jù)終端能夠保持與GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)的連接，從而實現(xiàn)與反饋定位模塊中的計算機連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。模型中將COTT-C10拾音器固定在傳感器固定裝置上實現(xiàn)對信號的采集功能。

1.3 傳感器固定裝置的設(shè)計

傳感器固定裝置(如圖2所示)由信號采集裝置座(1)、U形夾夾內(nèi)彈簧(2)、連接軸(3)、U形夾固定端(4)組成；U形夾固定端(4)與連接軸(3)采用鉸連接方式；信號采集裝置座(1)與U形夾固定端(4)相連，U形夾夾內(nèi)彈簧(2)與兩U形夾固定端(4)相連，均采用點焊連接，其結(jié)構(gòu)如圖二所示。傳感器固定裝置是夾在管道閥門處，傳感器固定裝置的兩U形夾固定端(4)與U形夾夾內(nèi)彈簧(2)連接，確保其穩(wěn)定性，兩U形夾固定端(4)連接端部通過一根連接軸(3)鉸連接，使用時將U形夾固定端(4)夾在管道閥門上，該傳感器固定裝置可適應(yīng)多種型號的閥門。

圖2 傳感器固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)運行過程

聲音經(jīng)由信號采集模塊采集處理，信號采集裝置COTT-C10拾音器采集聲信號，輸出模擬信號，將模擬信號輸入模擬量信號轉(zhuǎn)RS-232數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換子模塊，模擬信號經(jīng)過濾波、放大處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過RS-232接口輸入GPRS DTU通信模塊，數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為TCP/IP數(shù)據(jù)包通過GSM基站和移動網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)傳入互聯(lián)網(wǎng)，利用互聯(lián)網(wǎng)傳送至反饋定位模塊中的計算機。計算機終端軟件將根據(jù)不同材質(zhì)管道氣體泄漏孔聲信號頻率分析表(見表1)設(shè)置異常值范圍，接收數(shù)據(jù)包并分析信息。判斷是否為異常值，若正常則等待下一次的信號輸入；若超出正常范圍則將其傳感器編號所對應(yīng)的位置反饋至LED顯示屏，LED顯示屏上反色顯示對應(yīng)的管道閥門位置從而顯示聲音源地點，同時報警裝置(VCBY-12有源蜂鳴器)啟動，系統(tǒng)運行結(jié)束。

系統(tǒng)運行過程的框圖如圖3所示。

表1 不同材質(zhì)管道氣體泄漏孔聲信號頻率分析表

注：表1為李偉等在經(jīng)過科學實驗后得出的測量結(jié)果[6]，本系統(tǒng)根據(jù)此表數(shù)據(jù)設(shè)置計算機終端軟件的異常值范圍。

圖3 系統(tǒng)運行過程的框圖

3 結(jié) 論

本系統(tǒng)可采集管道閥門泄露處聲信號并與判別標準比對，將異常信號位置精準定位于管道布置圖中。

(1)基于聲信號的供氣管道閥門泄漏監(jiān)測與定位系統(tǒng)的研究，給出相應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)模型及內(nèi)部連接方式以保證系統(tǒng)準確反饋定位功能的實現(xiàn)；并設(shè)計傳感器固定裝置使之可適應(yīng)多種口徑管道和復雜外部環(huán)境。

(2)系統(tǒng)利用基于GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)平臺的長距離傳輸方式進行數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合區(qū)域內(nèi)大量廉價傳感器可構(gòu)建具有及時發(fā)現(xiàn)問題且準確定位泄露點功能的監(jiān)控網(wǎng)。系統(tǒng)應(yīng)用的以信息和自動化為中心的監(jiān)測模式，可實現(xiàn)對管道閥門安全的遠程動態(tài)監(jiān)測。

本系統(tǒng)輸出結(jié)果表現(xiàn)為顯示屏上反色顯示泄漏閥門位置及發(fā)出語音報警，可幫助維修人員及時確定泄漏位置進行搶修。本系統(tǒng)各模塊造價低廉且實用性較強，對于防止泄漏事故惡化、保護生態(tài)環(huán)境和人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

【參 考 文 獻】

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[5]黃 琳.面向農(nóng)業(yè)應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2011.

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