郭祥宇 胡旺文 黃寒冰 朱家瑋 吳博

摘 要：在當前國際運輸中，管道運輸是原油運輸?shù)闹匾侄危诠艿肋\輸?shù)倪^程中，管道泄露檢測就成為了保證經(jīng)濟收益的重要手段之一。但由于人工檢查大量耗費人力物力，且無法做到24小時不間斷的檢查。本文基于對管道泄漏定位的需要，設計了一種管道運輸泄漏定位系統(tǒng)。管道運輸泄漏定位系統(tǒng)由差動式電容壓力傳感器、傳感器信號檢測電路、放大電路、濾波電路及工控機、報警電路和系統(tǒng)軟件等構成。

關鍵詞：差動式電容壓力傳感器;原油泄漏檢測;檢測電路;測控系統(tǒng);負壓波測量

1設計背景

管道泄漏報警監(jiān)控系統(tǒng)對水管內(nèi)流量及壓力進行實時測量，通過對管道的瞬態(tài)模型進行計算，從而測出管道泄漏位點，并根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行分析，確定是否報警以及警報等級。如若發(fā)生管道泄漏但未能及時察覺，很有可能會發(fā)生火災，甚至有引發(fā)爆炸，造成巨大的人員傷亡。一旦發(fā)生了管道泄漏，巡線、停產(chǎn)、搶險、補漏等需要動用大量人力物力，浪費大量時間，這其中的經(jīng)濟損失十分巨大。如果可以采取必要的科技手段，對運輸管道進行實時監(jiān)測，迅速而準確的判斷出具體泄漏位置并報警。就能及時處理突發(fā)事件，將由于管道泄漏所造成的損失降到最低。而管道泄漏定位報警監(jiān)控系統(tǒng)由于可以實時檢測并進行反饋，一旦發(fā)生泄漏，會及時的進行報警，以提示工作人員去修理和維護泄漏的管道，可以極大情況的減小各種由于管道泄漏處理不及時而導致的問題。

2設計方案

2.1管道泄漏定位報警監(jiān)測系統(tǒng)技術要求

管道泄漏定位報警監(jiān)測系統(tǒng)能實時監(jiān)測輸油管道的運行狀況，對液體（原油或其他液體）輸送管道全天時分秒監(jiān)測，一旦管線發(fā)生穿孔泄漏，則監(jiān)測系統(tǒng)可通過其信息管理系統(tǒng)及時報警，并定點定位地進行工程監(jiān)控。輸油管道泄漏監(jiān)測報警定位系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、中央分析處理系統(tǒng)三大部分組成。

3設計內(nèi)容

3.1測控系統(tǒng)結構

系統(tǒng)總體運行示意圖及網(wǎng)絡結構見圖表1、圖表2所示：

該系統(tǒng)不僅可以實時的監(jiān)測管道內(nèi)部的運行狀態(tài)，還可以監(jiān)測管道泄漏以及確定泄漏點的位置。為了監(jiān)測管道泄漏，在一條平直的管道兩端分別設置壓力傳感器，實時監(jiān)測管道內(nèi)壓力的變化。

3.2測控系統(tǒng)原理

（1）負壓波泄漏監(jiān)測原理

當管道發(fā)生泄漏后，泄漏點產(chǎn)生的負壓波會以波動的形式向管道上下游傳播，利用安裝在管道上下游的壓力傳感器即可監(jiān)測到該負壓波信號，從而判斷管道是否發(fā)生泄漏。利用該負壓波到達上下游的時間差，可以定位該泄漏點的具體位置。

（2）負壓波在管道內(nèi)的傳輸速度

負壓波在管道內(nèi)的傳播速度取決于液體的彈性、液體的密度以及管道的彈性，公式如下：

式子中：α——管道內(nèi)壓力波的傳播速度，m/s;

K——液體的體積彈性系數(shù)，Pa;

ρ——液體的密度，kg/m3;

E——管道的彈性，Pa;

D——管道的直徑，m;

e——管壁厚度，m;

C1——與管道約束條件相關的修正系數(shù)。

3.2傳感器選擇

（1）差動式電容壓力傳感器

電容式壓力傳感器是利用電容敏感元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電信號輸出的壓力傳感器。所需要的輸入能量較低，自然環(huán)境對它的影響較小，環(huán)境適應性好。

（2）壓電式測力傳感器

這種傳感器的特點是體積小、動態(tài)特性好、耐高溫等，壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。由于管道運輸幾乎都是處于戶外，環(huán)境較為惡劣，且作為輸入的負壓波信號震動較為微小，故使用差動式電容壓力傳感器。

3.3分析系統(tǒng)可能產(chǎn)生的誤差

（1）壓力傳感器本身的誤差：由于制作工藝的不同，導致壓力傳感器本身的性能不同，且壓力傳感器在不同的工作環(huán)境，其動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能會有所不同，會因為這些不同而導致該系統(tǒng)本身存在測量誤差。

（2）系統(tǒng)本身的誤差：由于該系統(tǒng)長期運行在戶外，在自然環(huán)境中存在各種各樣的信號干擾，總存在計算之外的干擾信號，導致系統(tǒng)本身在計算上存在誤差。

（3）分析時產(chǎn)生的誤差：在傳感器將信號傳輸給計算機后，計算機將對信號進行分析，以判斷該信號是否是由于泄漏導致的負壓波所產(chǎn)生的，但由于計算機是由程序以及算法判斷的，程序不可能完全完善，導致會存在誤判。

3.4誤差解決方法

（1）在組裝電路時，盡量選擇符合標準的元器件，選擇符合電路設計的壓力傳感器，盡量選擇性能與標準接近的元器件。這樣就能有效的避免由于元器件的工藝或是性能等指標導致的誤差。

（2）使用多個壓力傳感器進行測量，并將測量結果進行比較，以減小系統(tǒng)帶的偶然誤差。

（3）改進計算機算法，如使用小波變化，它在時域和頻域都具有表征信號局部特性的能力，是一種窗口大小可以改變，即時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法。

4總結

由于原油本身較為特殊，輸油管道一旦發(fā)生泄漏將嚴重威脅公眾安全，帶來人員傷亡、財產(chǎn)損失、環(huán)境污染和不良社會影響等嚴重后果，而泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可幫助操作人員及時發(fā)現(xiàn)泄漏情況，降低安全、環(huán)境風險，減少財產(chǎn)損失。泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能24小時的不間斷的監(jiān)控，能有效的避免這些損失。

對一個實際的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，總是希望泄漏檢測的靈敏度和定位精度越高越好，泄漏檢測的誤報警越少越好。但在實際中，同時具有靈敏度高與誤報警率低是相矛盾的，要求在高泄漏檢測靈敏度的條件下具有高定位精度也是不現(xiàn)實的，必須從實際要求出發(fā)，抓住矛盾的主要方面，對各種性能指標進行綜合考慮，提出一個合理的可實現(xiàn)的折衷指標。

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作者簡介：

郭祥宇（2001-），男，安徽宿州，本科生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)。

胡旺文（2001-），男，湖北武漢，本科生，主要研究內(nèi)容為嵌入式系統(tǒng)。

吳博（2000-），男，河南鄭州，本科生，主要研究方向為機械結構。

朱家瑋（2001-），男，河南鄭州，本科生，主要研究內(nèi)容為嵌入式系統(tǒng)。

黃寒冰（1999-），女，河南信陽，本科生，主要研究方向為JAVA編程。

（河南科技大學信息工程學院，河南 洛陽 471000）