面向管道泄漏的定位报警检测系统设计

翟双良

摘要：在气体或者液体的运输，管道运输是主要的运输方式，管道运输在我国占有重要地位，具有成本低，节省能源，安全性高，供给稳定等特点。在运输过程中，对管道是否泄漏以及泄漏位置的实时监测是保证管道运输的安全性以及节省能源、保护环境的关键技术之一。本文针对管道泄漏及定位监测的需要，设计了一种管道泄漏定位报警检测系统。本文设计的管道泄漏定位报警检测系统对管道的安全运输，提高运输效率，减少管道维护成本能起到關键作用。

关键词：应变式管道压力传感器;差压式流量传感器;定位报警;检测系统

引言

管道泄漏定位报警检测系统需要安装在连续无分支的管道运输起始端与末端，通过检测管道压力与流量的变换来判断是否发生泄漏并定位泄漏位置并声光报警，以地图和文字方式显示泄漏位置方便查找，可以显示开始泄漏时间。检测系统辅以流量检测，可以减少漏报与误报发生次数。本系统具有成本低，安装方便，检测灵敏度高，误报几率低等优点。

一、管道泄漏定位报警检测系统概况

管道泄漏定位报警检测系统需要安装在连续无分支的管道运输起始端与末端，通过检测管道压力与流量的变换来判断是否发生泄漏并定位泄漏位置并声光报警，以地图和文字方式显示泄漏位置方便查找，可以显示开始泄漏时间。检测系统辅以流量检测，可以减少漏报与误报发生次数。本系统具有成本低，安装方便，检测灵敏度高，误报几率低等优点。

二、应用场合及需求分析

本系统可以很好的适应几乎所有使用管道运输的场合，在液体运输方面，如石油运输、南水北调、北方暖气输送等等。气体运输也可以准确快速地检测泄漏并定位泄漏点。管道运输已经是我国的主要运输方式之一，目前世界上长输管道总长度己超过200万km，但是由于管道设备老化（腐蚀）和人为原因（施工，破坏，偷盗等）。管道泄漏事故经常发生。一些暖气供应公司，由于用户私放管道热水，使得管道压力变小，可能导致供暖设备故障。在天然气运输，其泄漏不仅会对环境造成污染，而且还有一定的危险性。使用本设计系统可以及时的检测泄漏并定位泄漏点，挽回损失，因此本系统具有极好的应用需求。

三、设计方案

负压波检漏法。当输送管道发生泄漏的时候，以泄漏处为参考点，由于管道在泄漏处存在内外压强差，使得泄漏处的液体或气体快速流失，压力突降，以泄露前的压力作为参考标准时，泄漏时产生的减压波就称为负压波，该负压波以一定速度向首站和末站传输，经过一定时间，两端检测到负压，根据检测到的负压力波的波形特征。就可以判断是否发生了泄漏，再根据负压波到达首站与末站的时间差，以及负压波传输速度，就可以对泄漏点进行定位。负压波检漏法不需要数学模型，计算量小，适用于发生快速的、突发性泄漏的场合，并且大多数只用压力信号，特别适合我国管道应用。采用负压力波进行，泄漏检测和定位主要有相关分析法、时间序列法和小波变换法三种。

测控系统结构及原理。在运输管道的首站依次安装一个流量传感器与一个压力传感器，在管道末站依次安装一个压力传感器与一个流量传感器。原理：当首站加大运输流量时，首站流量与压力均会加大，末站流量与压力也增大，当首站排量下调时，首站与末站压力均会下降，且下降时间不同，与负压波类似，但是由于末站与首站流量相同，即管道没用发生泄漏，本系统可以避免这种误报情况。由其他环境或认为因素引起的水压波动基于此原理也可以避免误报。当发生泄漏时，首站压力下降，流量上升，末站压力下降，流量下降。

系统的结构由信号产生电路，信号放大电路，数据采集电路，数据分析，显示及报警这几部分组成。其中信号产生电路即传感器电路，由于传感器产生的信号非常小，需要加放大电路和滤波电路来获得可采集的信号，再由A/D转换器采集并打包上传数据，最后由控制室分析处理数据并当发生泄漏的时候进行报警。

压力传感器选择，应变式压力传感器是当流体压力变化时会使得测量部件产生弹性形变，使贴附到上面的应变片发生形变，从而使得应变片阻值发生改变，通过测量电阻值的变化量来测量压力的大小。常用来测量流动介质的动态或静态压力。

应变式传感器使用方便、原理简单、成本也低，易于制造和生产。而且在本系统中，主要是对其压力动态变化的测量，对其响应速度要求较高并且稳定性要求也较高，因此压电式传感器不适合，电容式传感器的测量电路复杂以及比应变式生产工艺复杂将导致其成本高，所以本系统的压力传感器使用应变式压力传感器。

流量传感器选择，差压式流量传感器通过管道内的节流装置，将管道内的流体瞬时流量转换成节流前后的压力差来测量。电磁式流量传感器是根据法拉第电磁感应定律来测量导电性流体的体积流量的，但是本系统可能用于非导电的流体，故不能使用此传感器。涡轮流量传感器是通过安装在管道中的一个可自由转动的叶轮，通过测出叶轮的转速来算出流速从而计算流量。由于需要测量管道的压力，即再在节流装置上加一个压力传感器即可组成差压式流量传感器来测量流体流量。

结论

管道泄漏的时候会在泄漏处产生一个向管道两端传输的负压波，计算负压波到达首站与末站的时间差，由于负压波的传播速度与管道内流体速度也可以得到，通过上述公式可以计算出泄漏点的位置。

但是由于计算得到的时间差受采样器的采样频率影响，用性能更好的采样器可以提高系统精度，同时温度变化会导致负压波传播速度的变化，需要对管道的温度进行采集，对传播速度进行相应的修正，可以更加精确的确定泄漏点位置。