管道泄漏检测实验系统设计与实现

潘 霞 范世东 钟骏杰 胡 琼

武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063

管道泄漏检测实验系统设计与实现

潘 霞 范世东 钟骏杰 胡 琼

武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063

为解决管道泄漏检测问题，同时也为满足学员学习的需要，在实验室中设计了检测管道泄漏的实验系统，该系统基于负压波联合流量法，运用小波分析处理数据及Labview开发了一套系统软件，能够及时发现管道泄漏，并进行泄漏点定位。

负压波 管道泄漏 小波变换 相关 Labview

现有的管道泄漏检测方法主要包括基于人工巡检法，基于超声、磁通、摄像等技术的管内检漏法，基于电缆检漏法，基于管道压力、流量、温度等运行参数的外部检漏法等。前三种方法由于不经济在我国未能得到广泛运用。目前国内在管道泄漏方法研究上主攻第四种。文中采用的正是外部检漏法中的负压波联合流量法。基于这种检测方法，建立管道泄漏检测实验系统。

1 实验系统组成及实验原理

1．1 实验系统组成

在原有的环形管道截取其中的一段长为5．65 m的直管道作为研究对象。首尾两端各装上压力传感器，并在研究对象入口及出口处装上流量传感器，以及在管道上装上温度传感器。在研究对象上装上泄漏阀来控制管道的泄漏情况。泄漏阀距离首端传感器2．48 m，见图1。

图1 实验系统组成结构框图

测量压力采用JYB-KO-HAG型压力变送器，量程为0～0．5 MP，输出为4．0～20．0 mA的电流信号。测量流量采用LWGY-40型流量变送器，量程为2．0～20．0 m3／h，输出为4．0～20．0 mA的电流信号。数据采集卡采用研华PCI-1710HG多功能数据采集卡，可以在Labview等组态软件下很方便完成测量与控制系统。端子板型号为PCLD-8710。这种数据采集卡特点有：16路单端或8路差分或组合模拟量输入，12位的A／D转换器，采集卡有4 K采样的FIFO缓冲器，采样率最高可达100 k HZ。可以达到实验数据采集的要求。

1．2 实验原理

管道泄漏检测实验目的是及时发现泄漏；如果发生泄漏，迅速而准确定位泄漏点。

为了实现第一个目的，采用流量平衡法。

管道发生泄漏时，首端流量有所上升，尾端流量下降，流量差增大。如果大于正常范围，判断发生泄漏。

为了实现第二个目的，采用负压波定位法。

当管道发生泄漏时，泄漏处因流体物质损失而引起局部流体密度减小，产生瞬时压力降低和速度差，这个瞬时的压力下降称为负压波。它以声速向泄漏点的上下游处传播。根据上下游压力传感器接收到此压力信号的时间差和传播速度就可以定出泄漏点。

图2 负压波定位原理

见图2，负压波法定位公式为

式中：X——泄漏点距离首端测压点的距离，m；

L——被测管路对象的长度，m；

v——压力波的传播速度，m／s，v是温度的函数，可根据当时的温度和相关公式求取，在液体中一般在1 000～1 200 m／s之间［1］；

Δt——上下游传感器接受到压力波的时间差，s。

1．3 实验步骤

1）启动泵，使得管道正常输送液体。

2）打开检测软件系统。进行参数设置，阈值测试，在管道正常运行情况下进行监测获得数据的最值并进行修正得到。完成后打开实时监测程序开始监测管道运行状况。

管道泄漏监测过程实际上就是数据采集并进行处理的过程。首先采集首尾端压力和首尾端流量等四路信号并保存进磁盘。然后分别对这四路信号进行滤波，将首尾流量信号相减，若超过相应阈值，发出管道泄漏的信息，并且调用定位程序。定位是通过对两路压力信号分析获得。在实验中，是运用开关泄漏阀来控制泄漏的发生，关闭阀门停止或减小泄漏时也会在压力信号分析后的值中产生超过阈值的极值，从而产生误报警。为了防止此类误报警的出现，对流量差信号进行小波变换，开启阀门泄漏时，流量差上升，进行小波变换出现小于阈值的极小值，调用定位程序。关闭阀门时，流量差下降，进行小波变换出现大于阈值的极大值，不调用定位程序。最后把泄漏信息保存进磁盘。

图3 实时监测程序流程图

3）操作泄漏阀控制管道泄漏情况并观察实验结果。

4）关闭管道泄漏检测软件系统，停止泵，结束实验。

2 数据处理方法及软件设计

在管道泄漏监测过程中，数据处理是核心。要处理的数据是流量差（首端流量—尾端流量）、首端压力和尾端压力。在管道正常运行时，这3个量都维持在某一个值附近。当管道发生泄漏时，流量差增大，首端压力和尾端压力都下降。

为了捕捉它们变化的时刻或者趋势。可以运用小波分析来处理数据，并通过Labview编程实现。该软件直观便捷，编写效率较高，效果比较好。

具有有限能量的函数f（t）［即f（t）∈L2（R）］的小波变换定义为

简记为

式中：a——尺度因子，表示与频率相关的尺度收缩；

τ——时间平移因子；

ψ（t）——母小波；

在尺度上的伸缩，

小波变换是一种信号的时间-频率分析方法，具有多分辨率的特点，在时频两域都有表征信号局部特征的能力，很适合探测正常信号中夹带的反常现象，被誉为分析信号的“数学显微镜”。

在本算法中，令为高斯函数，则θ（t）的一阶导数和二阶导数都满足作为小波基的条件。假设待分析信号为s（t），对s（t）进行小波变换并运用卷积和微分性质

即对s（t）首先进行积分，再以高斯函数的二阶导数为小波基进行连续小波变换。在信号处于下降趋势时，WTas（t）有极大值。在信号处于上升趋势时，WTas（t）有极小值［2］。

在LabVIEW中提供了Mexico草帽小波，它是高斯函数的二阶导数归一化的结果，使用起来很方便。对首端压力信号和尾端压力信号分别进行式（3）所示的变换。所得变换结果最大值超过相应阈值，记下该最大值对应的时间，从而获得首端压力信号和尾端压力信号压降对应的两个时间，然后进行相减，即是所求的Δt。运用小波变换实现捕捉压降对应时间的程序见图4。

程序最后将压降对应时间存入了一个数组，以备调用。

图4 小波变换捕捉压降对应时间程序

3 实例

现给出一组实验数据。实验过程为：打开泄漏阀→关闭泄漏阀→打开泄漏阀→关闭泄漏阀→打开泄漏阀。获得的数据波形见图5。

经过小波变换后数据波形见图6。

在实验中，阈值测试的结果为：流量差阈值为0．25；流量差小波变换阈值为—0．3，首端压力和尾端压力小波变换阈值分别为0．014和0．012。

根据图3所示流程最后得出检测结果见表1。

表1 小波变换定位结果

4 讨论

绝对误差为

相对误差为

式中：x——泄漏点距首端定位距离；

x*——泄漏点距首端距离实测值，

L——被测管路对象的长度，L＝5．65 m。

根据以上公式计算定位结果见表2。

表2 定位结果绝对误差和相对误差

图5 实验数据波形图

误差计算结果表明，绝对误差较小，相对误差较大。也就是说，在一定条件下，小波变换可以较为准确地进行泄漏点定位，并且小波变换在信号滤波中也取得了良好的效果。

实验结果表明，研制的管道泄漏检测系统能够比较准确地判断管道的泄漏情况并进行管道泄漏点的定位。系统设计合理，为进一步研究管道泄漏检测方法提供了参考。

图6 小波变换后的数据波形图

［1］王 凯．输油管道泄漏检测技术研究［D］．西安：西安理工大学，2004：10-13．

［2］成礼智，郭汉伟．小波与离散变换理论与工程实践［M］．北京：清华大学出版社，2005：243-244．

［3］郑晓京，曹柳林．相关分析在原油管道泄漏中的应用［J］．自动化与仪表，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，硕士生。