管道泄漏檢測實驗系統設計與實現

潘 霞 范世東 鐘駿杰 胡 瓊

武漢理工大學能源與動力工程學院 武漢 430063

管道泄漏檢測實驗系統設計與實現

潘 霞 范世東 鐘駿杰 胡 瓊

武漢理工大學能源與動力工程學院 武漢 430063

為解決管道泄漏檢測問題，同時也為滿足學員學習的需要，在實驗室中設計了檢測管道泄漏的實驗系統，該系統基于負壓波聯合流量法，運用小波分析處理數據及Labview開發了一套系統軟件，能夠及時發現管道泄漏，并進行泄漏點定位。

負壓波 管道泄漏 小波變換 相關 Labview

現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、攝像等技術的管內檢漏法，基于電纜檢漏法，基于管道壓力、流量、溫度等運行參數的外部檢漏法等。前三種方法由于不經濟在我國未能得到廣泛運用。目前國內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壓波聯合流量法?；谶@種檢測方法，建立管道泄漏檢測實驗系統。

1 實驗系統組成及實驗原理

1．1 實驗系統組成

在原有的環形管道截取其中的一段長為5．65 m的直管道作為研究對象。首尾兩端各裝上壓力傳感器，并在研究對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 實驗系統組成結構框圖

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。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。數據采集卡采用研華PCI-1710HG多功能數據采集卡，可以在Labview等組態軟件下很方便完成測量與控制系統。端子板型號為PCLD-8710。這種數據采集卡特點有：16路單端或8路差分或組合模擬量輸入，12位的A／D轉換器，采集卡有4 K采樣的FIFO緩沖器，采樣率最高可達100 k HZ?？梢赃_到實驗數據采集的要求。

1．2 實驗原理

管道泄漏檢測實驗目的是及時發現泄漏；如果發生泄漏，迅速而準確定位泄漏點。

為了實現第一個目的，采用流量平衡法。

管道發生泄漏時，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，判斷發生泄漏。

為了實現第二個目的，采用負壓波定位法。

當管道發生泄漏時，泄漏處因流體物質損失而引起局部流體密度減小，產生瞬時壓力降低和速度差，這個瞬時的壓力下降稱為負壓波。它以聲速向泄漏點的上下游處傳播。根據上下游壓力傳感器接收到此壓力信號的時間差和傳播速度就可以定出泄漏點。

圖2 負壓波定位原理

見圖2，負壓波法定位公式為

式中：X——泄漏點距離首端測壓點的距離，m；

L——被測管路對象的長度，m；

v——壓力波的傳播速度，m／s，v是溫度的函數，可根據當時的溫度和相關公式求取，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間差，s。

1．3 實驗步驟

1）啟動泵，使得管道正常輸送液體。

2）打開檢測軟件系統。進行參數設置，閾值測試，在管道正常運行情況下進行監測獲得數據的最值并進行修正得到。完成后打開實時監測程序開始監測管道運行狀況。

管道泄漏監測過程實際上就是數據采集并進行處理的過程。首先采集首尾端壓力和首尾端流量等四路信號并保存進磁盤。然后分別對這四路信號進行濾波，將首尾流量信號相減，若超過相應閾值，發出管道泄漏的信息，并且調用定位程序。定位是通過對兩路壓力信號分析獲得。在實驗中，是運用開關泄漏閥來控制泄漏的發生，關閉閥門停止或減小泄漏時也會在壓力信號分析后的值中產生超過閾值的極值，從而產生誤報警。為了防止此類誤報警的出現，對流量差信號進行小波變換，開啟閥門泄漏時，流量差上升，進行小波變換出現小于閾值的極小值，調用定位程序。關閉閥門時，流量差下降，進行小波變換出現大于閾值的極大值，不調用定位程序。最后把泄漏信息保存進磁盤。

圖3 實時監測程序流程圖

3）操作泄漏閥控制管道泄漏情況并觀察實驗結果。

4）關閉管道泄漏檢測軟件系統，停止泵，結束實驗。

2 數據處理方法及軟件設計

在管道泄漏監測過程中，數據處理是核心。要處理的數據是流量差（首端流量—尾端流量）、首端壓力和尾端壓力。在管道正常運行時，這3個量都維持在某一個值附近。當管道發生泄漏時，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刻或者趨勢?？梢赃\用小波分析來處理數據，并通過Labview編程實現。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，表示與頻率相關的尺度收縮；

τ——時間平移因子；

ψ（t）——母小波；

在尺度上的伸縮，

小波變換是一種信號的時間-頻率分析方法，具有多分辨率的特點，在時頻兩域都有表征信號局部特征的能力，很適合探測正常信號中夾帶的反?，F象，被譽為分析信號的“數學顯微鏡”。

在本算法中，令為高斯函數，則θ（t）的一階導數和二階導數都滿足作為小波基的條件。假設待分析信號為s（t），對s（t）進行小波變換并運用卷積和微分性質

即對s（t）首先進行積分，再以高斯函數的二階導數為小波基進行連續小波變換。在信號處于下降趨勢時，WTas（t）有極大值。在信號處于上升趨勢時，WTas（t）有極小值［2］。

在LabVIEW中提供了Mexico草帽小波，它是高斯函數的二階導數歸一化的結果，使用起來很方便。對首端壓力信號和尾端壓力信號分別進行式（3）所示的變換。所得變換結果最大值超過相應閾值，記下該最大值對應的時間，從而獲得首端壓力信號和尾端壓力信號壓降對應的兩個時間，然后進行相減，即是所求的Δt。運用小波變換實現捕捉壓降對應時間的程序見圖4。

程序最后將壓降對應時間存入了一個數組，以備調用。

圖4 小波變換捕捉壓降對應時間程序

3 實例

現給出一組實驗數據。實驗過程為：打開泄漏閥→關閉泄漏閥→打開泄漏閥→關閉泄漏閥→打開泄漏閥。獲得的數據波形見圖5。

經過小波變換后數據波形見圖6。

在實驗中，閾值測試的結果為：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。

根據圖3所示流程最后得出檢測結果見表1。

表1 小波變換定位結果

4 討論

絕對誤差為

相對誤差為

式中：x——泄漏點距首端定位距離；

x*——泄漏點距首端距離實測值，

L——被測管路對象的長度，L＝5．65 m。

根據以上公式計算定位結果見表2。

表2 定位結果絕對誤差和相對誤差

圖5 實驗數據波形圖

誤差計算結果表明，絕對誤差較小，相對誤差較大。也就是說，在一定條件下，小波變換可以較為準確地進行泄漏點定位，并且小波變換在信號濾波中也取得了良好的效果。

實驗結果表明，研制的管道泄漏檢測系統能夠比較準確地判斷管道的泄漏情況并進行管道泄漏點的定位。系統設計合理，為進一步研究管道泄漏檢測方法提供了參考。

圖6 小波變換后的數據波形圖

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

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

［3］鄭曉京，曹柳林．相關分析在原油管道泄漏中的應用［J］．自動化與儀表，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。