基于声波技术的管道泄漏检测与定位系统的研究

付光杰1，赵丹1，赵庆峰2，王士勇3

（1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆163318；2.大庆采油一厂三矿，黑龙江大庆163000；3.大庆石油管理局电力集团供电二公司，黑龙江大庆163711）

摘要：天然气管道漏点在线实时泄漏监测与定位系统的研究与应用，使得泄漏能够被及时发现并确定泄漏点的位置，从而降低因天然气泄漏造成的经济损失，同时对提高天然气输送管线的自动化管理水平有着深远的意义。通过对国内外各种管道泄漏检测技术的研究和分析比较，采用声波检测方法应用于输气管道的泄漏检测策略，在信号处理方面采用虚拟仪器软件设计了天然气管线声波泄漏实时监测定位系统，对泄漏声波信号进行波形实时显示、数字滤波、相关运算以及泄漏点定位等操作，实现了管线泄漏检测的自动化。

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关键词：天然气管道；泄漏检测；泄漏定位；声波技术

中图分类号：TN70?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）17?0101?02

0 引言

由于天然气管道难免在制造过程中存在各种缺陷，在使用的过程中，在循环载荷的作用下，以及在腐蚀或高温的环境中，腐蚀会缓慢地扩展，最终导致事故或恶性事故的发生，由此造成损失并对人民生命安全构成威胁[1]。另外，用长输管道输送天然气等原料时，管道一旦发生泄漏事故，除了影响正常的生产外，还会因为天然气的流失，造成经济损失、火灾以及环境污染等后果。因此，开发出一套有效的管道泄漏检测软件是一项刻不容缓的工作。同时，如何快速准确地发现天然气管道泄漏位置，并采取相应的对策及时预防和控制事故发生，是管道维护人员追求的目标。

1 管道泄漏检测与定位系统总体设计思想该系统主要是根据管道泄漏时产生泄漏声波信号的现象，构建一种管道泄漏点实时定位监测系统，其软件部分和硬件电路均采用模块化思想，其整体结构如图1所示。

该系统的主要工作原理是：上位机首先通过有线传输手段，向下位机发送采集命令，下位机通过16 位AD7705获得有效的数字信号。在此过程中，管道上的压力传感器获得模拟电压信号并由电压滤波电路和信号放大电路处理变为稳定信号，并传输给AD7705进行处理。

当上位机获得信号后，可以对采集的泄漏声波信号进行实时波形显示，并依据输气管道两端的泄漏信号，以声波理论为基础，利用相关算法，对输气管道中出现的泄漏及时进行报警并估测泄漏点的位置，实现对管线相关数据存储，实时泄漏定位和历史泄漏信息显示等任务。

2 管道泄漏检测与定位系统核心电路的研究

2.1 电压信号采集电路

该电路的主要作用是在下位机采集信号时对输入信号进行有效放大，其工作过程是将输入的0~4 mV模拟电压信号，先通过RC4558运算放大器A1进行电压信号的放大，再经由A2运算放大器放大为4~20 mA的标准电流信号，具体电路如图2所示。

2.2 16位A/D信号处理电路

该电路模块的设计主要是为了使上位机能够采集到有效数字信号。其主要工作原理是AD7705 将上述信号放大电路处理过的信号进行采集处理，并通过下位机变换为数字信号，再传输至上位机进行相关数据的存储显示等，AD7705的核心电路如图3所示。

AD7750 的具体工作过程如下：通电时输入引脚RESET处于低电平，复位所有的逻辑、数据滤波器和模拟调试器，将所有的片内寄存器设置到其默认状态。使用芯片REF195 产生5 V基准电压供给AD7705作为参考电压，同时作为压力传感器的激励电流源。由于第1通道的输入端加入去耦电路,因此需要AD7705 工作于缓冲模式，通道2作为供电电压的监测。

3 管道泄漏检测与定位系统软件部分的设计

在本系统设计中，工控机作为核心部分，将管道首端的工控机确定为主工控机。在主工控机中，不仅要实时地显示管道首端的DAQ信号采集装置采集到的管道状态参数，还必须通过数据通信装置把管道末端采集到的信号传输至本机。当判断管道是否有泄漏发生时，主工控机利用小波变换捕捉到两端压力信号中的压力突降时刻，并确定其差值，进而根据泄漏定位公式确定管道泄漏点的位置，并将报警信息和泄漏点信息显示在工控机软件界面上。

整个软件系统的工作流程如图4所示。