王陽雪

摘 要

隨著地下管道長時間的運(yùn)行磨損、設(shè)備的自然老化、地理和氣候環(huán)境的變化以及人為損壞等原因，管道泄漏故障時有發(fā)生，造成了巨大的潛在危險。以下本文改進(jìn)傳統(tǒng)管道泄漏檢測方法，設(shè)計了一款結(jié)合智能車和傳感器的泄漏檢測診斷設(shè)備，使管道檢漏更加智能化、更加精準(zhǔn)，并對未來設(shè)計發(fā)展的方向進(jìn)行了規(guī)劃。

關(guān)鍵詞

地下管道泄漏故障;泄漏檢測診斷設(shè)備;智能車;傳感器

中圖分類號： F273;F224 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.008

1 設(shè)計背景

地下管道（本文主要針對的是暖氣和燃?xì)夤艿溃?，隨著管道長時間的運(yùn)行磨損、設(shè)備的自然老化、地理和氣候環(huán)境的變化以及人為損壞等原因，泄漏故障時有發(fā)生，給人們的生命、財產(chǎn)和生存環(huán)境造成了巨大的潛在威脅，同時也會造成貴重資源的浪費(fèi)。因此，開發(fā)管道泄漏檢測診斷設(shè)備，能及時準(zhǔn)確檢測出事故的范圍和程度，可以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。

傳統(tǒng)的管道泄漏檢測方法主要依靠操作人員通過聽音設(shè)備判斷管道泄漏狀態(tài)，當(dāng)“不間斷夜流量檢測”法發(fā)現(xiàn)某片區(qū)管道發(fā)生泄漏時，工作人員首先用聽音設(shè)備直接在管道暴露點（如閥門、消防栓及暴露的管道等）聽取管道泄漏引起的振動，確定漏氣管道，縮小檢測范圍。初步確定氣體泄漏的管段后改由聽音設(shè)備沿管道走向以一定距離逐點比較泄漏信號強(qiáng)度，距離漏點位置越近，信號越強(qiáng)，在泄漏發(fā)生處泄漏信號強(qiáng)度達(dá)到峰值。除了通過識別聲音外還可以，巡檢人員還可以通過感受溫度來確定泄漏流體溫度較高的地點。

基于管道一般鋪設(shè)在平坦的水泥地下，并且每個區(qū)域有管道線路分布圖，所以我們提出智能車檢地下管道測漏儀這項設(shè)計方案。該設(shè)計旨在結(jié)合自動化技術(shù)采用具有循跡功能的智能小車代替檢修人員執(zhí)行環(huán)路檢測工作（從供熱站出發(fā)），能有效地降低人力的投入，并結(jié)合一些傳感器進(jìn)行探測，從而使管道檢漏更加智能化、更加精準(zhǔn)。

2 設(shè)計方案

地下管道測漏設(shè)備主要包括基于單片機(jī)的管道泄漏報警板塊和智能小車兩個部分組成。管道泄漏報警板塊主要由傳感器和蜂鳴器組成。傳感器主要包括：溫度傳感器（用于檢測高溫流體的泄露情況）、氣味傳感器（用于檢測燃?xì)庑孤肚闆r）、聲音傳感器（用于微小聲音的放大）。各個傳感器越接近泄露點的位置，顯示器上相應(yīng)的數(shù)值就會越高，當(dāng)數(shù)值超過設(shè)定閾值時，蜂鳴器將會啟動報警功能，從而確保測漏的準(zhǔn)確性和實用性。將管道泄漏報警儀搭載在智能小車上，智能車通過循跡黑線執(zhí)行環(huán)路檢測工作，代替檢修人員夜間巡查泄漏地點的工作，達(dá)到及時準(zhǔn)確檢測出管道泄漏的范圍和程度的目的。

2.1 管道泄漏報警板塊

基于單片機(jī)的管道泄漏報警系統(tǒng)由51單片機(jī)、MQ-2煙霧傳感器、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、DS18B20溫度傳感器、聲音傳感器、數(shù)碼管顯示、按鍵設(shè)定和蜂鳴器設(shè)計而成?？稍O(shè)置煙霧濃度和高溫報警值和聲音強(qiáng)度，遇到緊急突發(fā)情況可緊急報警和手動取消緊急報警功能。當(dāng)煙霧傳感器檢測到管道釋放煙霧或聲音傳感器檢測到聲音強(qiáng)度時，信號由ADC0832進(jìn)行處理模數(shù)轉(zhuǎn)化再到單片機(jī)進(jìn)行處理，當(dāng)檢測到的濃度等級或聲音強(qiáng)度超過設(shè)定的閾值時，蜂鳴器會發(fā)出報警聲同時LED燈亮。同時，此報警器還可以檢測溫度，管道發(fā)生泄露時環(huán)境溫度會升高，當(dāng)檢測到溫度超過設(shè)定值時，蜂鳴器也將產(chǎn)生報警同時LED燈亮。另外單片機(jī)實時向數(shù)碼顯示模塊輸出顯示信號，顯示周圍環(huán)境溫度和氣體數(shù)值[2]。

圖1 管道泄漏報警儀總體設(shè)計框圖

2.1.1 MQ-2半導(dǎo)體煙霧傳感器

MQ-2半導(dǎo)體傳感器是以清潔空氣中電導(dǎo)率較低的金屬氧化物二氧化錫（SnO2）為主體的N型半導(dǎo)體氣敏元件。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在煙霧氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧氣體濃度的增加而增大。

MQ.2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器把采集到的煙霧濃度模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以識別的電信號（各種煙霧濃度下的電壓值）傳送給單片機(jī)控制器，從而設(shè)定出理想的煙霧強(qiáng)度報警值。電路如圖2所示，VCC接3V～5.5V，GND接地，DO傳感器數(shù)據(jù)輸出。

圖2 煙霧濃度采集電路

2.1.2 DS18B20溫度傳感器

圖3 外部供電方式單點測溫電路

DS18B20溫度傳感器通過高低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生振蕩頻率，產(chǎn)生固定的脈沖頻率發(fā)送給計數(shù)器1和2進(jìn)行計數(shù)，最終在溫度寄存器中進(jìn)行累加。DS18B20溫度傳感器芯片可直接輸出串行數(shù)字信號，供核心控制模塊處理，因為單片機(jī)的接口信號數(shù)字信號[1]。在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，GND引腳接地，DATA引腳為信號線。電路如圖3所示。

2.1.3 聲音傳感器

聲音傳感器是通過聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動，導(dǎo)致電容的變化，從而產(chǎn)生與之對應(yīng)變化的微小電壓。這一電壓隨后被轉(zhuǎn)化成0-5V的電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換被數(shù)據(jù)采集器接受，并傳送給計算機(jī)。該模塊在環(huán)境聲音強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定閾值時out輸出高電平1，當(dāng)外界環(huán)境聲音強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時，模塊out輸出低電平0。將輸出out與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境的聲音。

2.1.4 聲光報警器

聲音報警器采用蜂鳴器，因為系統(tǒng)需要較大的電流，而單片機(jī)在其I/O端口提供的電流無法直接驅(qū)動它運(yùn)作，采用三極管實現(xiàn)放大電路[1]。電路通過三極管的基極串連一個電阻與單片機(jī)端口連接從而達(dá)到控制喇叭是否報警。聲音報警電路圖。

2.2 循跡功能智能小車

設(shè)計的基于單片機(jī)的智能小車有循跡功能，即智能小車可以實現(xiàn)沿著鋪設(shè)的黑線行駛的功能。基本原理是通過紅外傳感器左邊中間和右邊的探頭檢測到黑線，將此信號傳給單片機(jī)STC89C52，單片機(jī)將通過算法實現(xiàn)驅(qū)動左右電機(jī)向前向后或者停止。智能小車采用電池供電的方法（4節(jié)1.5V干電池共6V做電源）。

2.3 地下管道測漏設(shè)備

購買符合要求的螺釘（螺釘長度應(yīng)避免碰到電機(jī)），在智能車的亞克力板上打四個匹配的孔，將管道泄漏報警板塊通過螺釘安裝在智能小車上，從而實現(xiàn)小車在循跡的時候能夠通過溫度檢測和燃?xì)鈾z測確定管道泄漏地點的功能。

3 設(shè)計優(yōu)勢

一方面該設(shè)計方案結(jié)合自動化技術(shù)解決了傳統(tǒng)測漏方法步驟復(fù)雜繁瑣，檢測耗時長的問題，有效的降低了人力投入和時間成本。另一方面相比與檢修人員依靠感官辨別測漏點，使用溫度、燃?xì)?、聲音傳感器進(jìn)行檢測報警，可以通過數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確的判斷高溫流體的位置和燃?xì)庑孤└浇w的位置。總體來說該設(shè)計是為了使管道檢漏的方法變得更加高效便捷且精準(zhǔn)。

4 設(shè)計發(fā)展

目前該設(shè)計方案已搭載完成實物模型，但還有很大的改進(jìn)空間。一是拓寬智能小車的功能，現(xiàn)有的模型只具有循跡功能，未來我們希望通過獲得有關(guān)區(qū)域的管道分布圖，向智能車輸入既定線路使之執(zhí)行環(huán)路檢測的功能，可以自行返回出發(fā)地點，實現(xiàn)檢修人員只需在室內(nèi)即可完成檢測工作。二是提升智能小車的性能，延長使用壽命，不易損壞，能夠更加貼合實際應(yīng)用。同時可以對小車進(jìn)行外觀設(shè)計包裝，在保證安全的同時使其更加美觀。

參考文獻(xiàn)

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