超聲波流量計在管道泄漏監測系統中的應用

    1 引 言

　　管道運輸以其特有的經(jīng)濟、便攜、安全等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應用于石油、天然氣等液體、氣體、漿液的運輸中，并且已成為與鐵路、公路、航空、水運并駕齊驅的五大運輸行業(yè)之一。但是，隨著(zhù)管線(xiàn)的增長(cháng)，以及不可避免的腐蝕、磨損等自然或人為原因，管道事故頻頻發(fā)生。管道的泄漏不僅影響正常的生產(chǎn)，造成能源浪費和經(jīng)濟損失，而且由于所輸介質(zhì)的危險性和污染性，一旦發(fā)生事故還會(huì )造成對環(huán)境的污染和巨大的生命財產(chǎn)損失，因此泄漏的監測是一項重要的管道故障監測技術(shù)。為了減少損失，需要在有泄漏時(shí)立即監測出來(lái)，并且能夠指明泄漏發(fā)生的位置。

　　現有的一些管道泄漏監測方法或儀器設備還不能滿(mǎn)足對輸油管道進(jìn)行準確監測的要求，因此，本文結合我國管道輸送的實(shí)際情況，針對原油管道泄漏監測技術(shù)及其運行監測系統進(jìn)行了研究，并提出了一種超聲波流量計輸油管道泄漏監測方法，提高了定位精度，降低監測費用。

　　本系統采用前后端機結構的主從式設計，具有高速數據采集、數據通訊、數據庫存檔與分析等功能。測量過(guò)程由計算機自動(dòng)控制，測量結果打印并帶有標準通信接口，可與上級控制系統直接連接，便于信息處理。并將混沌理論應用于信息處理中，充分發(fā)揮計算機網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢，建立管道泄漏監測系統，以達到及時(shí)發(fā)現泄漏，并準確定位的目的。

    2 對管道泄漏監測系統的要求

　　泄漏監測的目的是減少泄漏物質(zhì)損失及盡量杜絕泄漏物對人們生命財產(chǎn)和環(huán)境造成進(jìn)一步危害，為此，理想的監測系統應該滿(mǎn)足以下各方面的要求。

　　準確性 泄漏發(fā)生后，能夠準確地測報出泄漏，不致因為操作失誤和設備故障等因素發(fā)出誤報警。
　　靈敏性 理想的檢漏系統應該能監測出從滲漏到管道斷裂的全部范圍內的泄漏情況，發(fā)出正確的報警提示。

　　實(shí)時(shí)性 理想的檢漏系統能夠在泄漏發(fā)生后，實(shí)時(shí)地監測出泄漏的發(fā)生。以便操作人員即刻采取行動(dòng)，減少損失。

　　定位精度高 長(cháng)輸管道穿越距離長(cháng)，檢漏系統需能夠提供給操作人員準確的泄漏點(diǎn)位置，以使維修人員盡快到達漏油點(diǎn)，進(jìn)行補封作業(yè)。

　　易維護性 檢漏系統裝置維修調整容易。

    3 管道泄漏監測儀系統整機電路框圖

　　管道運行狀態(tài)監測儀以數字處理芯片作為CPU，包括信號轉換電路、A／D采集電路、數據顯示電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、遠程通訊電路、與主計算機通訊的接口電路、聲光報警電路以及電源電路等。圖1是監測儀整機電路框圖。為消除傳感器輸出的信號經(jīng)長(cháng)距離傳輸引入的干擾，信號轉換電路首先對信號進(jìn)行濾波和放大。為消除系統共地給系統運行帶來(lái)的不穩定因素，系統中采用高性能的隔離放大器AD202將被測信號與監測儀進(jìn)行隔離。AD202采用信號耦合變壓器使放大器輸入端與輸出端沒(méi)有電路聯(lián)系，并能完成放大功能。AD202功耗小、精度高(最大非線(xiàn)性度±0.025%)。

　　信號采集器組采集超聲波流量計的信號，經(jīng)信號傳輸電纜傳送至管道狀態(tài)監測儀。

　　管道狀態(tài)監測儀以PC機為核心，實(shí)時(shí)監控管道運行狀況，運用流量時(shí)差法對管道泄漏進(jìn)行預報警，控制遠程數據通訊鏈路取得管道另一端監測儀的數據，送入系統計算機總站。遠程數據通訊鏈路通過(guò)通訊網(wǎng)線(xiàn)進(jìn)行數據的傳送。

　　總站定時(shí)詢(xún)問(wèn)所有分站，從每一個(gè)分站收集各種和聲速有關(guān)的狀態(tài)參數，收集到所有分站數據后，總站咨詢(xún)它內部的用于描述管道組態(tài)的拓撲程序，然后計算出最后一分鐘流入和流出測量管段的標準體積，如不平衡超過(guò)預設的報警設置值，將發(fā)出泄漏報警。

    4 超聲波流量計管道運行監測系統的軟件設計

　　整個(gè)系統軟件以Windows 2000作為平臺，結合Matlab工具、高速數據采集卡動(dòng)態(tài)鏈接庫的優(yōu)點(diǎn)，由軟件開(kāi)發(fā)工具M(jìn)icrosoft.net完成各個(gè)功能模塊的調配控制和實(shí)現。系統軟件的模塊化設計如圖2所示。

　　任務(wù)調度與管理程序是系統的核心管理模塊，主要利用操作系統的多任務(wù)性，實(shí)現程序對整個(gè)系統任務(wù)進(jìn)行調度。

　　數據采集模塊主要利用高速數據采集卡對外部傳輸來(lái)的信號進(jìn)行準確快速地采集，保證后續數據處理的實(shí)時(shí)性和準確性。

　　數據傳輸模塊利用VXD技術(shù)編程實(shí)現采集卡的虛擬儀器驅動(dòng)程序，提供了對DMA中斷和部分I／O的操作，主要完成將采集卡采集的數據轉換成可方便處理的二進(jìn)制代碼文件和數據庫源文件。

　　混沌算法處理模塊是整個(gè)系統的核心模塊，利用理論研究中的混沌處理算法對信號進(jìn)行分析處理，提取管道泄漏特征信息，提高判斷的靈敏度和可靠性，從而解決信號的處理與識別工作。

　　顯示打印模塊利用Matlab強大的圖形顯示功能實(shí)時(shí)給出混沌振子的間歇混沌圖像和信號處理結果，并可完成實(shí)時(shí)輸出。

　　日志數據庫模塊完成數據的動(dòng)態(tài)更新和復雜的查詢(xún)任務(wù)，本系統使用的是微軟公司的數據庫管理系統MS SQL Sever 2000，用ADO進(jìn)行配置數據庫、設置數據源，實(shí)現本系統的對數據庫訪(fǎng)問(wèn)的實(shí)時(shí)高效的功能。另外，為了保證數據傳輸準確快速地進(jìn)行，數據通訊軟件的設計具有多級的數據糾錯和數據壓縮功能。

    5 混沌算法處理模塊

　　混沌算法處理模塊是整個(gè)系統軟件的重要部分。它主要包括兩個(gè)部分的內容：信號預制的實(shí)現和混沌振子的實(shí)現。

　　信號預制的過(guò)程是指在信號進(jìn)入混沌振子陣列前將其頻率壓縮至1～10范圍之內的過(guò)程。鑒于本課題將首先應用于微弱超聲信號的測量，而由于不同的實(shí)驗可能采用的超聲發(fā)射頻率不同，所以定義表征超聲發(fā)射信號頻率的全局可變參量float Pre_Proc。又因為發(fā)射信號頻率的已知性，故而很容易經(jīng)過(guò)判斷后將頻率進(jìn)行壓縮�；煦缯褡拥膶�(shí)現包括單個(gè)振子的實(shí)現和時(shí)間尺度變換算法的實(shí)現。

　　用四階龍格一庫塔法求解，計算公式為(h為算法步長(cháng))：

　　時(shí)間尺度變換的方法很簡(jiǎn)單，就是將龍格庫塔法中的積分步長(cháng)取為初始值的1／ω即可。軟件中我們定義RungKutta(float Pace，float w)函數來(lái)完成步長(cháng)為Pace、參考頻率為w的Duffing方程的數值積分。

　　在信號頻率確定后，信號的相位值可由鎖相方法確定，而幅值則可根據混沌周期段最大幅值對應的矢量合成峰值減去該混沌振子的參考信號幅值來(lái)確定。

　　運用混沌算法準確地提取了壓力信號中所包含的負壓波信息，定位精度在1%以?xún)�，滿(mǎn)足工程應用要求。

    6 結語(yǔ)

　　結合管道輸送的實(shí)際情況，針對原油管道泄漏監測技術(shù)及其運行監測系統進(jìn)行了深入的研究，利用超聲波流量計，依據流體的流量與超聲波流量計傳播速度之間的關(guān)系，對管道流量進(jìn)行實(shí)時(shí)連續監測。充分發(fā)揮計算機網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢，建立管道泄漏監測系統，以達到及時(shí)發(fā)現泄漏，并準確地確定其位置的目的。