超聲波流量計在管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

管道運輸以其特有的經(jīng)濟、便攜、安全等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)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(qū)的五大運輸行業(yè)之一。但是，隨著管線的增長，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(jiān)測是一項重要的管道故障監(jiān)測技術(shù)。為了減少損失，需要在有泄漏時立即監(jiān)測出來，并且能夠指明泄漏發(fā)生的位置。

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

本系統(tǒng)采用前后端機結(jié)構(gòu)的主從式設(shè)計，具有高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)庫存檔與分析等功能。測量過程由計算機自動控制，測量結(jié)果打印并帶有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可與上級控制系統(tǒng)直接連接，便于信息處理。并將混沌理論應(yīng)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(jiān)測系統(tǒng)，以達到及時發(fā)現(xiàn)泄漏，并準(zhǔn)確定位的目的。

2 對管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的要求

泄漏監(jiān)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)境造成進一步危害，為此，理想的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下各方面的要求。

準(zhǔn)確性 泄漏發(fā)生后，能夠準(zhǔn)確地測報出泄漏，不致因為操作失誤和設(shè)備故障等因素發(fā)出誤報警。

靈敏性 理想的檢漏系統(tǒng)應(yīng)該能監(jiān)測出從滲漏到管道斷裂的全部范圍內(nèi)的泄漏情況，發(fā)出正確的報警提示。

實時性 理想的檢漏系統(tǒng)能夠在泄漏發(fā)生后，實時地監(jiān)測出泄漏的發(fā)生。以便操作人員即刻采取行動，減少損失。

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

易維護性 檢漏系統(tǒng)裝置維修調(diào)整容易。

3 管道泄漏監(jiān)測儀系統(tǒng)整機電路框圖

管道運行狀態(tài)監(jiān)測儀以數(shù)字處理芯片作為CPU，包括信號轉(zhuǎn)換電路、A／D采集電路、數(shù)據(jù)顯示電路、實時時鐘電路、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(jiān)測儀整機電路框圖。為消除傳感器輸出的信號經(jīng)長距離傳輸引入的干擾，信號轉(zhuǎn)換電路首先對信號進行濾波和放大。為消除系統(tǒng)共地給系統(tǒng)運行帶來的不穩(wěn)定因素，系統(tǒng)中采用高性能的隔離放大器AD202將被測信號與監(jiān)測儀進行隔離。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(jiān)測儀。

管道狀態(tài)監(jiān)測儀以PC機為核心，實時監(jiān)控管道運行狀況，運用流量時差法對管道泄漏進行預(yù)報警，控制遠程數(shù)據(jù)通訊鏈路取得管道另一端監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)，送入系統(tǒng)計算機總站。遠程數(shù)據(jù)通訊鏈路通過通訊網(wǎng)線進行數(shù)據(jù)的傳送。

總站定時詢問所有分站，從每一個分站收集各種和聲速有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，收集到所有分站數(shù)據(jù)后，總站咨詢它內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)體積，如不平衡超過預(yù)設(shè)的報警設(shè)置值，將發(fā)出泄漏報警。

4 超聲波流量計管道運行監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)軟件以Windows 2000作為平臺，結(jié)合Matlab工具、高速數(shù)據(jù)采集卡動態(tài)鏈接庫的優(yōu)點，由軟件開發(fā)工具Microsoft.net完成各個功能模塊的調(diào)配控制和實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件的模塊化設(shè)計如圖2所示。

任務(wù)調(diào)度與管理程序是系統(tǒng)的核心管理模塊，主要利用操作系統(tǒng)的多任務(wù)性，實現(xiàn)程序?qū)φ麄€系統(tǒng)任務(wù)進行調(diào)度。

數(shù)據(jù)采集模塊主要利用高速數(shù)據(jù)采集卡對外部傳輸來的信號進行準(zhǔn)確快速地采集，保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理的實時性和準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)傳輸模塊利用VXD技術(shù)編程實現(xiàn)采集卡的虛擬儀器驅(qū)動程序，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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可方便處理的二進制代碼文件和數(shù)據(jù)庫源文件。

混沌算法處理模塊是整個系統(tǒng)的核心模塊，利用理論研究中的混沌處理算法對信號進行分析處理，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時給出混沌振子的間歇混沌圖像和信號處理結(jié)果，并可完成實時輸出。

日志數(shù)據(jù)庫模塊完成數(shù)據(jù)的動態(tài)更新和復(fù)雜的查詢?nèi)蝿?wù)，本系統(tǒng)使用的是微軟公司的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MS SQL Sever 2000，用ADO進行配置數(shù)據(jù)庫、設(shè)置數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)本系統(tǒng)的對數(shù)據(jù)庫訪問的實時高效的功能。另外，為了保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確快速地進行，數(shù)據(jù)通訊軟件的設(shè)計具有多級的數(shù)據(jù)糾錯和數(shù)據(jù)壓縮功能。

5 混沌算法處理模塊

混沌算法處理模塊是整個系統(tǒng)軟件的重要部分。它主要包括兩個部分的內(nèi)容：信號預(yù)制的實現(xiàn)和混沌振子的實現(xiàn)。

信號預(yù)制的過程是指在信號進入混沌振子陣列前將其頻率壓縮至1～10范圍之內(nèi)的過程。鑒于本課題將首先應(yīng)用于微弱超聲信號的測量，而由于不同的實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)過判斷后將頻率進行壓縮?；煦缯褡拥膶崿F(xiàn)包括單個振子的實現(xiàn)和時間尺度變換算法的實現(xiàn)。

用四階龍格一庫塔法求解，計算公式為(h為算法步長)：

時間尺度變換的方法很簡單，就是將龍格庫塔法中的積分步長取為初始值的1／ω即可。軟件中我們定義RungKutta(float Pace，float w)函數(shù)來完成步長為Pace、參考頻率為w的Duffing方程的數(shù)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(jù)混沌周期段最大幅值對應(yīng)的矢量合成峰值減去該混沌振子的參考信號幅值來確定。

運用混沌算法準(zhǔn)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%以內(nèi)，滿足工程應(yīng)用要求。

6 結(jié)語

結(jié)合管道輸送的實際情況，針對原油管道泄漏監(jiān)測技術(shù)及其運行監(jiān)測系統(tǒng)進行了深入的研究，利用超聲波流量計，依據(jù)流體的流量與超聲波流量計傳播速度之間的關(guān)系，對管道流量進行實時連續(xù)監(jiān)測。充分發(fā)揮計算機網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，建立管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，以達到及時發(fā)現(xiàn)泄漏，并準(zhǔn)確地確定其位置的目的。