基于聲信號的供氣管道閥門泄漏監測與定位系統研究

賈 娜，姜雪松，孫 杰，王 輝

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

管道運輸由于具有安全、高效、低耗的特點，逐漸成為了石油、天然氣、生活用水、工業燃料等物質的基本運輸工具。在人類生產活動頻繁的地區，管道就容易受到事故、挖掘、機械施工等事件影響而發生泄漏，當輸送介質為易燃、有毒、易爆等有害物質時，發生泄漏更會造成巨大的損失和環境污染，更加嚴重地可能會危害人民群眾的生命健康。因此，對管道泄漏進行迅速判斷和準確定位就顯得十分重要也十分必要。

目前針對管道閥門的檢漏方法有質量平衡法、瞬變流模型法和溫度測試法等多種。其中質量平衡法根據動態質量平衡原理，考慮壓力-溫度-多重黏性參數變化的影響，進行動態質量平衡計算。最后將計算出來的結果與某一設定的闕值相比較來判斷是否發生泄漏[1]；瞬變流模型法是利用流體狀態方程、質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程建立準確描述管內瞬變流動過程的數學模型，并通過計算機技術進行求解，再根據計算值和測量值的偏差檢測泄漏[2]。S.Shimanskiy選擇耐高溫拾音傳感器對核電站反應堆循環冷卻水管道進行了研究，并成功檢測到0.2gpm(0.046m3/h)的管道泄漏，證明了聲音檢測管道閥門泄漏的可能性[3]。而且有人對管道泄漏監測進行了分析研究，提出了聲信號檢測技術在管道泄漏距離判定中的應用，并對管道泄漏狀態進行實時監控提出了技術性的判斷[4]。黃琳利用網狀的監測點和基于GPRS/GSM網絡平臺的長距離傳輸方式實現了較大范圍的監控，初步實現了監測的自動化[5]。

從聲信號角度對供氣管道閥門泄漏進行監測是之前的研究較多涉及到的，但是之前的研究并沒有把聲信號監測技術與基于GPRS/GSM網絡平臺的長距離傳輸方式結合起來，本文介紹的基于聲信號的定位系統將兩技術進行結合創新，使之不再受到溫度和空間的影響，直接利用泄露處發出的聲信號來監測較大范圍的區域，并可實時與控制中心反饋，以便及時發現泄漏點。

1 系統設計方案

1.1 系統的組成

本文所述的基于聲信號的供氣管道閥門泄漏監測與定位系統的系統架構設計圖如圖1所示。該系統由信號采集模塊、信號傳輸模塊、反饋定位模塊組成，其中信號采集模塊由信號采集裝置、傳感器固定裝置組成；信號傳輸模塊由模擬量信號轉RS-232數據A/D轉換子模塊、GPRS DTU通信子模塊組成；反饋定位模塊由計算機、LED顯示屏、報警裝置組成。

圖1 系統架構設計圖

1.2 系統內部連接方式

信號采集裝置為COTT-C10拾音器，與模擬量信號轉RS-232數據A/D轉換子模塊使用雙絞線連接；模擬量信號轉RS-232數據A/D轉換子模塊的輸出采用RS-232接口，GPRS DTU通信子模塊的輸入采用RS-232接口，兩子模塊用 DB9線材連接；GPRS DTU通信子模塊通過GSM基站和移動網絡網關接入互聯網，利用LQ8110 GPRS DTU模塊使DTU數據終端能夠保持與GPRS/CDMA網絡的連接，從而實現與反饋定位模塊中的計算機連接，實現數據的可靠傳輸。模型中將COTT-C10拾音器固定在傳感器固定裝置上實現對信號的采集功能。

1.3 傳感器固定裝置的設計

傳感器固定裝置(如圖2所示)由信號采集裝置座(1)、U形夾夾內彈簧(2)、連接軸(3)、U形夾固定端(4)組成；U形夾固定端(4)與連接軸(3)采用鉸連接方式；信號采集裝置座(1)與U形夾固定端(4)相連，U形夾夾內彈簧(2)與兩U形夾固定端(4)相連，均采用點焊連接，其結構如圖二所示。傳感器固定裝置是夾在管道閥門處，傳感器固定裝置的兩U形夾固定端(4)與U形夾夾內彈簧(2)連接，確保其穩定性，兩U形夾固定端(4)連接端部通過一根連接軸(3)鉸連接，使用時將U形夾固定端(4)夾在管道閥門上，該傳感器固定裝置可適應多種型號的閥門。

圖2 傳感器固定裝置結構示意圖

2 系統運行過程

聲音經由信號采集模塊采集處理，信號采集裝置COTT-C10拾音器采集聲信號，輸出模擬信號，將模擬信號輸入模擬量信號轉RS-232數據A/D轉換子模塊，模擬信號經過濾波、放大處理后轉換為數字信號通過RS-232接口輸入GPRS DTU通信模塊，數字信號轉換為TCP/IP數據包通過GSM基站和移動網絡網關傳入互聯網，利用互聯網傳送至反饋定位模塊中的計算機。計算機終端軟件將根據不同材質管道氣體泄漏孔聲信號頻率分析表(見表1)設置異常值范圍，接收數據包并分析信息。判斷是否為異常值，若正常則等待下一次的信號輸入；若超出正常范圍則將其傳感器編號所對應的位置反饋至LED顯示屏，LED顯示屏上反色顯示對應的管道閥門位置從而顯示聲音源地點，同時報警裝置(VCBY-12有源蜂鳴器)啟動，系統運行結束。

系統運行過程的框圖如圖3所示。

表1 不同材質管道氣體泄漏孔聲信號頻率分析表

注：表1為李偉等在經過科學實驗后得出的測量結果[6]，本系統根據此表數據設置計算機終端軟件的異常值范圍。

圖3 系統運行過程的框圖

3 結 論

本系統可采集管道閥門泄露處聲信號并與判別標準比對，將異常信號位置精準定位于管道布置圖中。

(1)基于聲信號的供氣管道閥門泄漏監測與定位系統的研究，給出相應系統架構模型及內部連接方式以保證系統準確反饋定位功能的實現；并設計傳感器固定裝置使之可適應多種口徑管道和復雜外部環境。

(2)系統利用基于GPRS/GSM網絡平臺的長距離傳輸方式進行數據傳輸，結合區域內大量廉價傳感器可構建具有及時發現問題且準確定位泄露點功能的監控網。系統應用的以信息和自動化為中心的監測模式，可實現對管道閥門安全的遠程動態監測。

本系統輸出結果表現為顯示屏上反色顯示泄漏閥門位置及發出語音報警，可幫助維修人員及時確定泄漏位置進行搶修。本系統各模塊造價低廉且實用性較強，對于防止泄漏事故惡化、保護生態環境和人民生命財產安全具有重要意義。

【參 考 文 獻】

[1]王延年，朱 強.長輸油氣管道泄漏檢測方法研究進展[J].石油機械，2007(5)：49-50.

[2]肖智光.管道泄漏檢測技術應用分析[J].管道技術與設備，2009(2)：23-25.

[3]Shimanskiy S，Iijima T,Naoi Y.Development of microphone leak detection technology on Fugen NPP[J].Progress in Nuclear Energy，2003，43(1)：357-364.

[4]濟南鐵道職業技術學院.聲信號分析及無線通信網絡在管道聲發射泄漏檢測中的研究與應用[J].中國新技術新產品，2009(3)：29-30.

[5]黃 琳.面向農業應用的無線傳感器網絡通信系統設計及實現[D].成都：電子科技大學，2011.

[6]李 偉，郭福平.氣體管道泄漏聲源特性聲發射試驗研究[J].壓力容器，2008(6)：10-11.

[7]鄭加柱，郭 斐.變形監測數據的時間序列分析[J].森林工程，2008，24(4)：50-53.