基于水流量状态监测的水暖管道泄漏监按报警系统

陈 维，李建海，张曼曼

（温州市质量技术检测科学研究院，浙江 温州）

引言

为了确保居民生活的稳定性和安全性，对正常的供暖设置需要进行定期的检测。人们生活质量的日益改善，北方地区对供暖的需求也越发强烈，因此在冬季对水暖管道的用暖高峰时段水管压力远远大于夏季的供暖平淡期。并且经过三个季度的闲置，冬季的水暖管道的突然使用，极容易造成管道的泄漏。然而在楼层居民的生活中，上门检测是一项极其繁琐的过程，结合住户时间以及检修人员的安排，会给检修工程造成极大的困扰。因此，基于水流量状态，对水暖管道进行泄漏处的定点监按报警，不仅节约检修人员的时间，减少检修工序，也能为居民自身提供警示，方便住户预约检修人员。除此之外，水暖管道的泄漏问题，也会造成资源的浪费，供暖不足，水源流失，都是在水暖管道泄漏中急需解决的问题[1]。

1 系统硬件设计

1.1 压力传感器

为监测水暖管道泄漏中水流量状态，将HL-8 压电式压力传感器贴合于水暖管道处，采集管道上的压力信号。本研究所选用的HL-8 压电式压力传感器在测量环境中可以正常工作，能够使用管道中的信息采集，能够做到有效输出。除此之外，在管道作业中存在的噪声环境，该传感器的量程测定能够确保超过管道压力的所有值，并且避免出现的相应误差问题。并且该传感器具有较高的精度，能够保证信号传输在一个稳定的范围内，精确采集管道中水流量状态的变化。

1.2 报警器

本研究选择蜂鸣器作为警报系统的硬件设置，无源蜂鸣器内部没有振荡器，所以必须用震荡电流驱动发声。本系统中选用的STM32 开发板上自带TIM 定时器，可以产生PWM 波输出，只要驱动电流达到一定数值蜂鸣器就会发声。

外接模块蜂鸣器上的VCC 接STM32 开发板3V3引脚，程序中本研究要用到通用定时器TIM 3 的CH2通道产生一路PWM 波驱动蜂鸣器发声，所以此处要注意I/O 引脚必须接开发板的PA7 引脚。LED 灯呈绿色常亮。

报警器电路仿真如图1 所示。

图1 报警器电路仿真

蜂鸣器两端并联接入LED 灯泡，在正常的管道输送过程中，蜂鸣器不发声。当管道检测到泄漏情况时蜂鸣器发声并伴随着LED 灯由绿色转换为红色常亮，直到被手动调试至正常状态[2]。

2 系统软件设计

2.1 采集水流量信息

当水暖管道上某管段发生泄漏时，因液体的流动会出现压力的差别，因此可以根据振动源的位置将采集到的水流量信息划分为三种：

（1） 水暖管道漏点处出现的压力信号。当水暖管道出现泄漏，水流会向外溢出，产生泄漏或喷射现象，但前期的压力变化都较为急剧，这种压力的变化同样会向水暖管道的两个方向传播，就能被管道上安装的压力传感器所检测，从而获得水流量的信息。水暖管道内液体流动过程如下：

（2） 由于水流的互相冲击造成的压力感应，但是此种原因在建筑的水暖管道中对本研究所需要的压力信息造成的数据影响较小，因此在本研究之后的叙述中，并不对此作详细分析。

（3） 水暖管道中因管道自身以及水质问题，出现了各种介质，介质在相互作用中，产生了一部分的水流状态的信号，管内水流高速向外喷出后，水流与管外各种物质及管外各种物质之间的相互摩擦产生信号[3]。该信号不被本研究系统所选用的压力传感器所检测，需要通过听音杆等仪器获取。

2.2 建立水流量计算模型

根据水暖管道的水流量变化，建立相应的模型，在管道泄漏时，忽略管道内流体流动的介质影响，设泄漏点距离管段首端的距离为x，那么根据水流量的衰减变化，水流量变化模型的构建如下：

式中：λ1表示输暖管道中配置的压力传感器的灵敏度；表示水暖管道中水流与介质摩擦产生的标准差；因此可以通过式（3）得出，水流量的变化能够影响水暖管道中的压力传感器，并且水暖管道的泄漏情况能够根据水流量与泄漏的距离进行关联[4]。假设漏点到水暖管道假设压力传感器的位置为x，那么管道中可被检测到的泄漏情况则会随着管道的距离进行减小，因此通过x 的确认，来确定最适宜的压力传感器的架设位置，以在合适的距离中检测水暖管道的泄漏问题，提高监按报警系统的精确性。

2.3 实现水暖管道泄漏监按报警

将上述的水流量出现的泄漏问题，进行约束，约束参数如下所示：

式中：Ex 表述约束的等级规划。为了对水暖管道泄漏监按报警系统进行实现，采用分割法对水流量的大小以及泄漏问题进行预警界限的分区，以避免若出现细小泄漏问题时报警器产生的报警声音对住户造成影响。

并且为防止报警出现错报和漏报现象，选取可避免模糊输出变量区间交叉和重叠的三角形隶属函数进行模糊化处理，即可得到水暖管道泄漏监按报警输出变量的模糊集。选取期望值作为系统泄漏报警输出值并与划分的泄漏等级进行比较，通过蜂鸣器警报器进行报警。报警后的蜂鸣器需要通过人为的调按才能够停止报警，但是经过长时间的停滞仍未对其进行检修后，积累的压力仍会导致报警器再次进行告警[5]。

3 系统性能测定实验

3.1 实验说明

在本次的系统性能测定实验中，首先构建实验环境，根据管道可能出现的泄漏情况，且在已有的实际泄漏数据中，合理设定管道泄漏点，对其进行实验环境的模拟。为了更加贴合实际的水暖管道泄漏情况，设置了两个泄漏点。且以实验的简洁性为叙述基础，将本研究所设计的基于水流量状态监测的水暖管道泄漏监按报警系统设置为实验组，将基于神经网络的水暖管道泄漏监按报警系统设置为对照组Ⅰ，设置基于压力波法的水暖管道泄漏监按报警系统设置为对照组Ⅱ。

实验中进行多次实验，但以多次实验的主要结果为实验数据的体现。以“1 不泄漏，2 不泄漏”为第一组的实验组别划分，2 号实验组为“1 泄漏，2 不泄漏”，3号实验组为“1 不泄漏，2 泄漏”，4 号实验组为“1 泄漏，2 泄漏”。在多次实验结果中，选择具有代表性的数据，并将最后的监按报警数据进行平均准确率的计算，将数据呈现在实验结果的表格中。

3.2 实验准备

为了研究水暖管道泄漏时的监按报警系统，探究以水流量状态的监测变化来识别管道泄漏方法的可行性，为水暖管道泄漏提供实验样本及数据，本次实验以水流量的变化，来识别水暖管道的泄漏问题，并且对报警系统进行实现。且对泄漏管道的检测具有可靠性，对实验数据以及误差的测定更加准确，实验中利用水泵、输水管道等实验器材，构建实验环境，通过实际的水流量的状态，结合水暖管道中的漏点进行实验检测，验证本研究设计系统的可靠性。

在实验中利用涡轮流量计、配电柜以及本研究所用系统硬件设备，对实验环境进行设置，所用设备的主要参数如表1 所示。

表1 实验环境及设备参数

根据表1 的实验设备进行前期准备，实验环境如图2 所示。

图2 实验环境

本次实验以水暖管道的泄漏识别报备，以检测本研究所设计的系统报警的适用性及精确性，在水暖管道的上方设置阀门以模拟泄漏点，首先在水泵的作用下对水流量进行检测，然后关闭水阀对水箱的水流状态进行检测，多次实验模拟过程中，对实验数据的记录可基于传感器装置的检测复位键，在系统检测过程中，显示水流经过时的压力变化值，记录传感器的数据，通过实际的测量数据进行误差的分析。

在水暖管道发生泄漏之前，管内流体呈稳定流动状态，但是当管道泄漏后，则变成不稳定状态，当水暖管道适应泄漏的出水量后，流体流动再次呈现为稳定状态，管道中的水流量则会出现区间内变化，但是由于多种情况均会对水流量造成影响，因此本次实验过程只考虑比较明显的水流量变化。

3.3 实验结果

为了对本研究所设计的水暖管道的泄漏监按报警系统进行验证，将三种对泄漏情况进行监测的系统设计进行对比，对泄漏点1 和泄漏点2 的监按报警结果如表2 所示。

表2 各系统对水暖管道泄漏监按报警结果对比

通过实验，对本研究所设计的系统性能进行了测定，以表2 的水暖管道泄漏监按报警对比结果可以得出，实验组对管道泄漏的监按报警的准确度为98.6%，对照组Ⅰ的监按报警的准确度为84.5%，对照组Ⅱ的监按报警的准确度为76.4%。在以两组泄漏点为参照的4 次具有主要特性的实验中，提取了以两组泄漏点的泄漏和不泄漏为对比依据，并将多次的实验结果进行汇总，得出各个系统下的监按报警效果。本研究所设计的实验组能够对主要泄漏问题比较准确的监测并提供报警信号，而对照组Ⅰ在泄漏1 和2 均不泄漏的情况下，出现了错误的监测结果，在前期准备中对误差进行了定量的排除，因此认为此项结果是系统的性能问题。而对照组Ⅱ在1 不泄漏，2 泄漏的情况下，对两处泄漏点的泄漏地点的监测出现问题，导致监测准确度的降低。因此，基于上述实验结果和对应分析，能够得到本研究所设计的监按报警系统，能够提供较高的报警精度，具有一定的对水暖管道泄漏的监测效果。

结束语

本研究对水暖管道泄漏监按报警系统，在基于水流量状态下，进行了设计与实验。首先对系统的硬件做了报警器和压力传感器的主要构件的设计，然后在软件分析中，首先检测了水流量，并以此为依据，设计整体的报警系统，最后在系统的性能测定实验中，完成对系统的检验。本研究在水流量的状态下对水暖管道的泄漏问题进行监按，不仅减少了多余设备的安装，也能够基于水暖管道本身，完成整体的报警监按，相对于传统的常规报警系统，更加方便快捷。