智能車自動檢測地下管道泄漏故障的設計

王陽雪

摘 要

隨著地下管道長時間的運行磨損、設備的自然老化、地理和氣候環境的變化以及人為損壞等原因，管道泄漏故障時有發生，造成了巨大的潛在危險。以下本文改進傳統管道泄漏檢測方法，設計了一款結合智能車和傳感器的泄漏檢測診斷設備，使管道檢漏更加智能化、更加精準，并對未來設計發展的方向進行了規劃。

關鍵詞

地下管道泄漏故障;泄漏檢測診斷設備;智能車;傳感器

中圖分類號： F273;F224 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.008

1 設計背景

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

傳統的管道泄漏檢測方法主要依靠操作人員通過聽音設備判斷管道泄漏狀態，當“不間斷夜流量檢測”法發現某片區管道發生泄漏時，工作人員首先用聽音設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備沿管道走向以一定距離逐點比較泄漏信號強度，距離漏點位置越近，信號越強，在泄漏發生處泄漏信號強度達到峰值。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。

基于管道一般鋪設在平坦的水泥地下，并且每個區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計方案。該設計旨在結合自動化技術采用具有循跡功能的智能小車代替檢修人員執行環路檢測工作（從供熱站出發），能有效地降低人力的投入，并結合一些傳感器進行探測，從而使管道檢漏更加智能化、更加精準。

2 設計方案

地下管道測漏設備主要包括基于單片機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（用于檢測燃氣泄露情況）、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，顯示器上相應的數值就會越高，當數值超過設定閾值時，蜂鳴器將會啟動報警功能，從而確保測漏的準確性和實用性。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行環路檢測工作，代替檢修人員夜間巡查泄漏地點的工作，達到及時準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

基于單片機的管道泄漏報警系統由51單片機、MQ-2煙霧傳感器、ADC0832模數轉換芯片、DS18B20溫度傳感器、聲音傳感器、數碼管顯示、按鍵設定和蜂鳴器設計而成。可設置煙霧濃度和高溫報警值和聲音強度，遇到緊急突發情況可緊急報警和手動取消緊急報警功能。當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度時，信號由ADC0832進行處理模數轉化再到單片機進行處理，當檢測到的濃度等級或聲音強度超過設定的閾值時，蜂鳴器會發出報警聲同時LED燈亮。同時，此報警器還可以檢測溫度，管道發生泄露時環境溫度會升高，當檢測到溫度超過設定值時，蜂鳴器也將產生報警同時LED燈亮。另外單片機實時向數碼顯示模塊輸出顯示信號，顯示周圍環境溫度和氣體數值[2]。

圖1 管道泄漏報警儀總體設計框圖

2.1.1 MQ-2半導體煙霧傳感器

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

MQ.2半導體氣體煙霧傳感器把采集到的煙霧濃度模擬信號經過A/D轉換器轉化為可以識別的電信號（各種煙霧濃度下的電壓值）傳送給單片機控制器，從而設定出理想的煙霧強度報警值。電路如圖2所示，VCC接3V～5.5V，GND接地，DO傳感器數據輸出。

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晶振產生振蕩頻率，產生固定的脈沖頻率發送給計數器1和2進行計數，最終在溫度寄存器中進行累加。DS18B20溫度傳感器芯片可直接輸出串行數字信號，供核心控制模塊處理，因為單片機的接口信號數字信號[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的駐極體薄膜振動，導致電容的變化，從而產生與之對應變化的微小電壓。這一電壓隨后被轉化成0-5V的電壓，經過A/D轉換被數據采集器接受，并傳送給計算機。該模塊在環境聲音強度達不到設定閾值時out輸出高電平1，當外界環境聲音強度超過設定閾值時，模塊out輸出低電平0。將輸出out與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測環境的聲音。

2.1.4 聲光報警器

聲音報警器采用蜂鳴器，因為系統需要較大的電流，而單片機在其I/O端口提供的電流無法直接驅動它運作，采用三極管實現放大電路[1]。電路通過三極管的基極串連一個電阻與單片機端口連接從而達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

設計的基于單片機的智能小車有循跡功能，即智能小車可以實現沿著鋪設的黑線行駛的功能。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STC89C52，單片機將通過算法實現驅動左右電機向前向后或者停止。智能小車采用電池供電的方法（4節1.5V干電池共6V做電源）。

2.3 地下管道測漏設備

購買符合要求的螺釘（螺釘長度應避免碰到電機），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，從而實現小車在循跡的時候能夠通過溫度檢測和燃氣檢測確定管道泄漏地點的功能。

3 設計優勢

一方面該設計方案結合自動化技術解決了傳統測漏方法步驟復雜繁瑣，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、燃氣、聲音傳感器進行檢測報警，可以通過數據更加準確的判斷高溫流體的位置和燃氣泄漏附近井蓋的位置。總體來說該設計是為了使管道檢漏的方法變得更加高效便捷且精準。

4 設計發展

目前該設計方案已搭載完成實物模型，但還有很大的改進空間。一是拓寬智能小車的功能，現有的模型只具有循跡功能，未來我們希望通過獲得有關區域的管道分布圖，向智能車輸入既定線路使之執行環路檢測的功能，可以自行返回出發地點，實現檢修人員只需在室內即可完成檢測工作。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用。同時可以對小車進行外觀設計包裝，在保證安全的同時使其更加美觀。

參考文獻

[1]李明澤，李濤，胡凱，石夏，逯玉蘭.基于52單片機的智能糧倉火災報警系統設計[J].軟件，2019，40（05）：38-41.

[2]李嘉琪，孫曄，何文軒，馬寶軍.基于單片機的火災自動報警系統設計[J].科技創新與應用，2016（05）：90.

[3]靳晶.基于單片機火災自動報警系統設計[J].山東工業技術，2019（03）：137.

[4]李海娜，王翠，羅邵屏.基于單片機的火災報警系統的設計[J].電子世界，2014（05）：127.