基于声信号的供气管道阀门泄漏监测与定位系统研究

贾 娜，姜雪松，孙 杰，王 辉

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

管道运输由于具有安全、高效、低耗的特点，逐渐成为了石油、天然气、生活用水、工业燃料等物质的基本运输工具。在人类生产活动频繁的地区，管道就容易受到事故、挖掘、机械施工等事件影响而发生泄漏，当输送介质为易燃、有毒、易爆等有害物质时，发生泄漏更会造成巨大的损失和环境污染，更加严重地可能会危害人民群众的生命健康。因此，对管道泄漏进行迅速判断和准确定位就显得十分重要也十分必要。

目前针对管道阀门的检漏方法有质量平衡法、瞬变流模型法和温度测试法等多种。其中质量平衡法根据动态质量平衡原理，考虑压力-温度-多重黏性参数变化的影响，进行动态质量平衡计算。最后将计算出来的结果与某一设定的阙值相比较来判断是否发生泄漏[1]；瞬变流模型法是利用流体状态方程、质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程建立准确描述管内瞬变流动过程的数学模型，并通过计算机技术进行求解，再根据计算值和测量值的偏差检测泄漏[2]。S.Shimanskiy选择耐高温拾音传感器对核电站反应堆循环冷却水管道进行了研究，并成功检测到0.2gpm(0.046m3/h)的管道泄漏，证明了声音检测管道阀门泄漏的可能性[3]。而且有人对管道泄漏监测进行了分析研究，提出了声信号检测技术在管道泄漏距离判定中的应用，并对管道泄漏状态进行实时监控提出了技术性的判断[4]。黄琳利用网状的监测点和基于GPRS/GSM网络平台的长距离传输方式实现了较大范围的监控，初步实现了监测的自动化[5]。

从声信号角度对供气管道阀门泄漏进行监测是之前的研究较多涉及到的，但是之前的研究并没有把声信号监测技术与基于GPRS/GSM网络平台的长距离传输方式结合起来，本文介绍的基于声信号的定位系统将两技术进行结合创新，使之不再受到温度和空间的影响，直接利用泄露处发出的声信号来监测较大范围的区域，并可实时与控制中心反馈，以便及时发现泄漏点。

1 系统设计方案

1.1 系统的组成

本文所述的基于声信号的供气管道阀门泄漏监测与定位系统的系统架构设计图如图1所示。该系统由信号采集模块、信号传输模块、反馈定位模块组成，其中信号采集模块由信号采集装置、传感器固定装置组成；信号传输模块由模拟量信号转RS-232数据A/D转换子模块、GPRS DTU通信子模块组成；反馈定位模块由计算机、LED显示屏、报警装置组成。

图1 系统架构设计图

1.2 系统内部连接方式

信号采集装置为COTT-C10拾音器，与模拟量信号转RS-232数据A/D转换子模块使用双绞线连接；模拟量信号转RS-232数据A/D转换子模块的输出采用RS-232接口，GPRS DTU通信子模块的输入采用RS-232接口，两子模块用 DB9线材连接；GPRS DTU通信子模块通过GSM基站和移动网络网关接入互联网，利用LQ8110 GPRS DTU模块使DTU数据终端能够保持与GPRS/CDMA网络的连接，从而实现与反馈定位模块中的计算机连接，实现数据的可靠传输。模型中将COTT-C10拾音器固定在传感器固定装置上实现对信号的采集功能。

1.3 传感器固定装置的设计

传感器固定装置(如图2所示)由信号采集装置座(1)、U形夹夹内弹簧(2)、连接轴(3)、U形夹固定端(4)组成；U形夹固定端(4)与连接轴(3)采用铰连接方式；信号采集装置座(1)与U形夹固定端(4)相连，U形夹夹内弹簧(2)与两U形夹固定端(4)相连，均采用点焊连接，其结构如图二所示。传感器固定装置是夹在管道阀门处，传感器固定装置的两U形夹固定端(4)与U形夹夹内弹簧(2)连接，确保其稳定性，两U形夹固定端(4)连接端部通过一根连接轴(3)铰连接，使用时将U形夹固定端(4)夹在管道阀门上，该传感器固定装置可适应多种型号的阀门。

图2 传感器固定装置结构示意图

2 系统运行过程

声音经由信号采集模块采集处理，信号采集装置COTT-C10拾音器采集声信号，输出模拟信号，将模拟信号输入模拟量信号转RS-232数据A/D转换子模块，模拟信号经过滤波、放大处理后转换为数字信号通过RS-232接口输入GPRS DTU通信模块，数字信号转换为TCP/IP数据包通过GSM基站和移动网络网关传入互联网，利用互联网传送至反馈定位模块中的计算机。计算机终端软件将根据不同材质管道气体泄漏孔声信号频率分析表(见表1)设置异常值范围，接收数据包并分析信息。判断是否为异常值，若正常则等待下一次的信号输入；若超出正常范围则将其传感器编号所对应的位置反馈至LED显示屏，LED显示屏上反色显示对应的管道阀门位置从而显示声音源地点，同时报警装置(VCBY-12有源蜂鸣器)启动，系统运行结束。

系统运行过程的框图如图3所示。

表1 不同材质管道气体泄漏孔声信号频率分析表

注：表1为李伟等在经过科学实验后得出的测量结果[6]，本系统根据此表数据设置计算机终端软件的异常值范围。

图3 系统运行过程的框图

3 结 论

本系统可采集管道阀门泄露处声信号并与判别标准比对，将异常信号位置精准定位于管道布置图中。

(1)基于声信号的供气管道阀门泄漏监测与定位系统的研究，给出相应系统架构模型及内部连接方式以保证系统准确反馈定位功能的实现；并设计传感器固定装置使之可适应多种口径管道和复杂外部环境。

(2)系统利用基于GPRS/GSM网络平台的长距离传输方式进行数据传输，结合区域内大量廉价传感器可构建具有及时发现问题且准确定位泄露点功能的监控网。系统应用的以信息和自动化为中心的监测模式，可实现对管道阀门安全的远程动态监测。

本系统输出结果表现为显示屏上反色显示泄漏阀门位置及发出语音报警，可帮助维修人员及时确定泄漏位置进行抢修。本系统各模块造价低廉且实用性较强，对于防止泄漏事故恶化、保护生态环境和人民生命财产安全具有重要意义。

【参 考 文 献】

[1]王延年，朱 强.长输油气管道泄漏检测方法研究进展[J].石油机械，2007(5)：49-50.

[2]肖智光.管道泄漏检测技术应用分析[J].管道技术与设备，2009(2)：23-25.

[3]Shimanskiy S，Iijima T,Naoi Y.Development of microphone leak detection technology on Fugen NPP[J].Progress in Nuclear Energy，2003，43(1)：357-364.

[4]济南铁道职业技术学院.声信号分析及无线通信网络在管道声发射泄漏检测中的研究与应用[J].中国新技术新产品，2009(3)：29-30.

[5]黄 琳.面向农业应用的无线传感器网络通信系统设计及实现[D].成都：电子科技大学，2011.

[6]李 伟，郭福平.气体管道泄漏声源特性声发射试验研究[J].压力容器，2008(6)：10-11.

[7]郑加柱，郭 斐.变形监测数据的时间序列分析[J].森林工程，2008，24(4)：50-53.