管道泄漏定位報警監控系統

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的重要手段，在管道運輸的過程中，管道泄露檢測就成為了保證經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。管道運輸泄漏定位系統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;負壓波測量

1設計背景

管道泄漏報警監控系統對水管內流量及壓力進行實時測量，通過對管道的瞬態模型進行計算，從而測出管道泄漏位點，并根據現場的實際情況進行分析，確定是否報警以及警報等級。如若發生管道泄漏但未能及時察覺，很有可能會發生火災，甚至有引發爆炸，造成巨大的人員傷亡。一旦發生了管道泄漏，巡線、停產、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控系統由于可以實時檢測并進行反饋，一旦發生泄漏，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測系統技術要求

管道泄漏定位報警監測系統能實時監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測，一旦管線發生穿孔泄漏，則監測系統可通過其信息管理系統及時報警，并定點定位地進行工程監控。輸油管道泄漏監測報警定位系統主要有數據采集系統、數據通訊系統、中央分析處理系統三大部分組成。

3設計內容

3.1測控系統結構

系統總體運行示意圖及網絡結構見圖表1、圖表2所示：

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

3.2測控系統原理

（1）負壓波泄漏監測原理

當管道發生泄漏后，泄漏點產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測到該負壓波信號，從而判斷管道是否發生泄漏。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）負壓波在管道內的傳輸速度

負壓波在管道內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——管道內壓力波的傳播速度，m/s;

K——液體的體積彈性系數，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。

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，自然環境對它的影響較小，環境適應性好。

（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分析系統可能產生的誤差

（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境，其動態性能和穩態性能會有所不同，會因為這些不同而導致該系統本身存在測量誤差。

（2）系統本身的誤差：由于該系統長期運行在戶外，在自然環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，導致系統本身在計算上存在誤差。

（3）分析時產生的誤差：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，輸油管道一旦發生泄漏將嚴重威脅公眾安全，帶來人員傷亡、財產損失、環境污染和不良社會影響等嚴重后果，而泄漏監測系統可幫助操作人員及時發現泄漏情況，降低安全、環境風險，減少財產損失。泄漏監測系統能24小時的不間斷的監控，能有效的避免這些損失。

對一個實際的泄漏監測系統，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實的，必須從實際要求出發，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。

胡旺文（2001-），男，湖北武漢，本科生，主要研究內容為嵌入式系統。

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，主要研究內容為嵌入式系統。

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）