基于虚拟仪器的天然气管线泄漏声波监测与定位系统

２０１０　仪表技术与传感器　２０ｌ０　Ｎ　ｏ．７　第７期　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　基于虚拟仪器的天然气管线泄漏声波监测与定位系统　杨理践，李佳奇，高松巍　（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳１１０１７８）　摘要：针对天然气管道破坏识别的问题，研究了各种典型破坏信号的特征。从检测管道内破坏声波的角度搭建平台　并进行相关实验。设计了基于虚拟仪器的天然气管线破坏声波监测与定位系统。该系统使用高速单片机采集泄漏信号，　计算机采用ＬＡＢＶＩＥＷ实现实时信号的采集、存储、分析和结果显示。当管线遭到破坏时能够准确定位并自动关闭阀门，　减小事故损失。该系统具有成本低、人性化等特点。　关键词：天然气管线；声波检漏；声波监测；泄漏定位；虚拟仪器技术　中图分类号：ＴＥ９７３．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—１８４１（２０１０）０７—００１９—０３　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｇａｓ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ＹＡＮＧ　Ｌｉ－ｊｉａｎ，Ｌｉ　Ｊｉａ—ｑｉ，ＧＡＯ　Ｓｏｎｇ—ｗｅｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１０１７８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｄａｍａｇｅ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅ，ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｉｄｅｎｔｉｉｃａｔｆｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｗａｖｅ　Ｏｉｌ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ．Ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｉｎｓｉｄｅ—ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｄａｍａｇｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｅｓｔ，ｉｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｍａｄｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｅ—　ｓｉｇｎｅｄ　ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｆ　ｇａｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｕｍｅｎｔ．Ｉｔｒ　ｕｓｅｓ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｔｏ　ｃｏｌｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｓｉｇｎａｌ，ａｎｄ　ｕｓｅ　ＬＡＢＶＩＥＷ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ｓｉｎａｌｇ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｓｔｏｒａｇｅ，ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｕｌｔ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｏｎ　ＰＣ．　Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｉｓ　ｂｅｉｎｇ　ｄｅｓｔｒｏｙｅｄ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｌｏｃａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ａｎｄ　ｃｌｏｓｅ　ｔｈｅ　ｖａｌｖｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ＳＯ　ｔｈａｔ　ｒｅｄｕｃｅ　ａｃ—　ｃｉｄｅｎｔ　ｌｏｓｓｅｓ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｌｏｗ—ｃｏｓｔ，ｈｕｍａｎｉｚａｔｉｏｎ，ｅｔｃ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｌｅａｋ　ｔｅｓｔ；ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｍ０ｎｉｔ０ｒｉｎｇ；ｌｅａｋ　ｌｏｃａｔｉｏｎ；ｖｉｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｒ　０引言　送管道，设泄漏声波传播速度为ａ，管道内气体流速为　，一般　有ａ比　大２个数量级以上，这样可认为泄漏波从首端传到末　管道运输是一种非常经济有效的运输方式，同时管道泄漏　也一直是国内外关注的重要问题…。管道一旦发生泄漏事故，　除了影响正常的生产外，还会因为天然气的流失，造成经济损　失、火灾以及环境污染等后果。快速准确发现天然气管道泄漏　位置，并采取相应的对策来及时预防和控制事故发生，具有明　显的经济效益。　为了充分利用计算机资源对管道的运行状态进行监测，可　从声学角度研究典型管道破坏声波的识别问题。针对各种破　图１管道泄漏定位示意图　坏方式信号的特点，采用相关法设计了基于虚拟仪器的天然气　管线泄漏声波监测与定位系统。系统结构简单且易于操作维　护。该研究和应用具有良好的经济价值和市场前景　Ｊ。　１声波检测基本原理　图１中，设泄漏点　处产生的泄漏声波传到首、末端所需　的时问分别为ｔ．、ｔ　，计算公式为　（１）　（２）　声波不但能在空气中传播，而且能在液体和固体中传播。　ａ　叶－　在空气中传播其传播速度仅为３４０　ｍ／ｓ左右，在钢管表面传播　其传播速度在５　０００　ｍ／ｓ左右。当管道遭到破坏时，破坏信号　当气体管道出现泄漏时，根据２个端点声波传感器所检测　到的声波信号的时间差，即可估算泄漏位置，如式（３）：　Ｔ＝ｔ２　：　ａ１－ｒ　一　会沿管线上、下游传送，根据信号到达管线上２个传感器的时　间差，可计算出破坏位置　。　天然气管道泄漏点定位原理如图１所示，设两传感器间距　离Ｌ为已知条件，　为泄漏点距首端传感器的距离，对于燃气输　（３）　“一ｒ　Ｘ：　～［Ｌ（。一　）＋（　一ｎ：）ｆ］　（４）　式中：Ｌ为首末端传感器距离，ｍ；　为泄漏点到首端传感器距　基金项目：国家科技支撑项目（２００６ＢＡＪ１６Ｂ０３—０２）　收稿日期：２００９～ｌ１—２６收修改稿日期：２０１０—０３—１７　离，ｍ；。为管内声波的传播速度，ｍ／ｓ；Ｖ为管内气体流速，ｍ／ｓ；　ｔｒ为首末端泄漏声波到达的时间差，Ｓ．　２Ｏ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｊｕ１．２０１０　设首端泄漏产生泄漏声波传到末端有ｔ　＝０，ｔ：＝　（ａ＋　系统由声波传感器拾取管道破坏信号以及泄漏信号，传感　Ｖ）；再设末端泄漏产生泄漏声波传到首端，则有ｔ：＝０，ｔ。＝　器信号以差分信号形式输入采集模块，从而提高了信噪比，降　（口一　）。两者时间差的绝对值为　低了外部电磁干扰（ＥＭＩ）。主单片机Ｃ８０５１Ｆ０２０负责采集前　＇Ｉ，　Ｉ　２一ｚｌ　Ｉ＝　Ｌ　（５）　置放大器放大后的声波信号。由于采集速度提高时，计算机的　Ⅱ一ｒ　响应速度跟不上，容易造成数据丢失。所以在主单片机和总线　因为ａ／Ｖ＞１００，由此引起的定位误差在首末端传感器距离　之间增加了先进先出存储器（ＦＩＦＯ），数据暂时存放在这里。当　Ｌ的０．１％以下，因此已经达到相当高的精度，所以计算时可忽　数据超过一定容量时由ＰＣ机成批读取，解决了Ｗｉｎｄｏｗｓ系统　略　对。的影响，令　＝０，式（４）简化为　为分时系统，实时响应能力较差的问题　Ｊ。系统采用并行数据　Ｘ：　（６）　转为串行ＵＳＢ输出方式，由单片机ＣＹ７Ｃ６８０１３Ａ将信号批量传　首末端传感器距离　在安装时已经确定，管道中泄漏声波　送至计算机，降低了主单片机负担，实现了数据的高速传输。　传播速度ａ近似为音速，那么泄漏点到首端传感器的距离　主　采集模块的电路图如图３所示。　要取决于首末端泄漏声波到达的时间差ｒ的确定　Ｊ。　３管道破坏试验　为了研究管道在遭到破坏时信号的多样性，在外径４８　ｍｍ　２系统总体设计　的管道上进行了各种破坏方式的声模拟试验，传感器安装距破　系统的硬件设计框图如图２所示。　坏点２０　ｍ的位置进行信号采集。采集到的典型破坏声波信号　数　数　计　的频域波形如图４、图５、图６所示。　据　据　算　采　传　机　图４为典型管道遭到敲击破坏所采集到的波形。信号时　集　－—　输　－—■　报　模　接　警　域信号持续时间较短，主要能量集中在４．５　ｋＨｚ左右。　块　口　定　典型管道遭到切割破坏所采集到的波形如图５所示。信　位　号的主要能量以３　ｋＨｚ为中心向两边缓慢衰减。以上用工具破　坏时，时域信号是周期性的，频谱集中在６　ｋＨｚ以下。　图２系统硬件框图　典型管道泄漏所采集到的波形如图６所示。信号的主要　能量集中在低频区域（２０　Ｈｚ以下）。　Ｒ：Ｗ　图３采集模块电路图　４管线声波监测与定位系统的设计　作为虚拟仪器开发平台，和其他同类产品相比，ＬａｂＶＩＥｗ　根据以上各种破坏方式的特征分析，通过合理的软件设　在数据采集、存储、显示、信号处理和数据传输等方面显示了强　计，采用虚拟仪器软件设计了天然气管线声波在线实时监测系　大的功能　。在这里综合运用数字滤波、中值滤波、频谱分析　统。系统首先读入缓冲区中的数据进行滤波，然后对数据进行　和相关分析等信号处理函数，使定位精度进一步提高。该系统　频谱分析。当信号中存在过闽值的数据时，根据信号的频率特　核心采用相关算法确定时间，从而进行泄漏点的定位，软件工　征进行相关分析，同时报告泄漏位置。系统的软件流程图如图　作界面如图８所示。　７所示　在图８中，由实时监测曲线可以看到曲线在０９：２７：５０处，　第７期　杨理践等：基于虚拟仪器的天然气管线泄漏声波监测与定位系统　２１　１　１　—１　馨１　蜊　椭　．　…ｉ一』　。－Ｉ．●　０　ｌ　２　３　４　５　６　７　藏摩舢ｚ　图４管道敲击破坏信号特征图　●　羞ｊｉ　螂　伽　。　．　图５管道切割破坏信号特征图　５０　—４Ｏ　－　罐３０　●　鲻　｛ＩⅢ２０　●　ｌ０　－　Ｏ　【　上　一　０　ｌＯ　２０　３Ｏ　４０　频率／ｌ（｝Ｉｚ　图６管道泄漏信号特征图　图７系统软件流程圈　有一个波形的变化。由于是实时记录，实时报警信息会随时间　刷新（图中已扫描到０９：２７：５５）。但系统会记录下发生故障的　时间，提示发生泄漏，以及泄漏点距离首端传感器的距离，同时　泄漏次数自动加１。计算机定位平均结果和实际泄漏位置的对　比实验数据如表１所示。　由实验表格可见，通过采用相关法进行实时泄漏定位取得　了很高的精度。由于是实时在线监测，可以保证当管线泄漏发　生以及遭到破坏时系统能够及时进行报警，同时迅速显示泄漏　位嚣，关闭阀门，减小损失。　图８　天然气管线声波实时监测系统上位机图　表ｌ实验数据　５结束语　利用声波检测技术，通过对典型管道破坏信号特征的研究　和分析可以看出，声波检测技术不仅可以在实际工程中进行应　用，而且应用效果良好。定位系统可以达到如下技术指标：检　测定位分辨率１　ｅｍ；定位精度≥９９％；报警误报率≤５％。　由于采用了虚拟仪器技术，不仅使用上方便灵活，成本也　随之降低，使得系统有着很好的应用前景。　参考文献：　［１］　聂伟荣，朱继南．管道泄漏检测技术及其发展，信息与控制，２００３　（８）：７８—８０．　［２］　常景龙，李铁．输气管道泄漏检测技术的选择和优化．油气储运，　２０００，１９（５）：９一ｌ３．　［３］　魏忠昕，邹润，张勇．声波检测技术用于管道泄漏检测．油气田地　面工程，２００３（６）．　［４］　杨理践，景晓斐，富照广．输气管道音波泄漏检测技术的研究．沈　阳工业大学学报，２００７，２９，（１）：７０—７３．　［５］　曾周末，李健．基于ＬａｂＶＩＥＷ的管道泄漏检测与定位系统．电子　产品世界，２００４（１９）：９７—９９．　［６］任达千，杨世锡，严拱标．等．高速同步数据采集卡设计．机电工　程．２００３（２）：４ｌ一４３．　［７］　史殿义．基于虚拟仪器的管道泄漏监测系统．油气田地面工程，　２００４（Ｏ８）：７—８．　作者简介：杨理践（１９５７一），教授，博士生导师，主要从事无损检测、数　字信号处理方面研究。Ｅ．ｍａｉｌ：１２５９０８３４＠ｑｑ．１２０１１１