一種供暖系統(tǒng)地下管道滲漏的檢測(cè)技術(shù)

孟杰 何山紅 馮德仁

摘 要：針對(duì)供暖系統(tǒng)地下管道滲漏的情況，依據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)方程，建立了滲漏點(diǎn)三維熱傳導(dǎo)模型，給出模型的數(shù)據(jù)和仿真。依據(jù)仿真結(jié)果，提出了“圓心逼近”的算法，設(shè)計(jì)了一種以WZP-PT100高精度鉑熱電阻作為溫度檢測(cè)傳感器，通過(guò)STC89C52RC單片機(jī)把檢測(cè)的數(shù)據(jù)及時(shí)處理，并在數(shù)碼管顯示器實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。模擬熱源、溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種方法可準(zhǔn)確地查找到滲漏處。

關(guān)鍵詞：供暖系統(tǒng)；熱電阻；單片機(jī)；溫度場(chǎng)；滲漏

中圖分類號(hào)：TU833 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）09-0001-03

Abstract： In view of the leakage of underground pipes in heating system， according to the Fourier's equation of heat conduction， a three-dimensional heat conduction model of leakage point is established， and the data and simulation of the model are given. According to the simulation results， the algorithm of "approaching the center of the circle" is put forward， and a high precision platinum thermal resistor （WZP-PT100） is designed as a temperature sensor. The measured data is processed in time by STC89C52RC single chip microcomputer and displayed in real time on the digital tube display. The experimental results of simulating heat source and temperature field show that this method can find the leakage accurately.

Keywords： heating system； thermal resistance； single chip microcomputer； temperature field； leakage

1 概述

由于集中供暖具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、易于統(tǒng)一管理等優(yōu)點(diǎn)，因此，在各大公司、院所、廠礦或者小區(qū)供暖中廣泛采用。采用這種方式供暖就會(huì)涉及到遠(yuǎn)距離輸送熱水的問(wèn)題，目前普遍采用的是直埋敷設(shè)方式[1]。然而在投入使用后，由于施工不當(dāng)、機(jī)械損壞、管材腐蝕以及維護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩?，發(fā)生熱水滲漏，需要經(jīng)常檢修。常見(jiàn)的檢修方法主要有：人工測(cè)漏法[2]，工程人員根據(jù)自己豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)供熱管網(wǎng)的聲音、振動(dòng)、溫度等異常情況，通常情況下可以判斷滲漏的位置。但是受制于具體的環(huán)境和不同的狀況，往往不能快速確定管道的滲漏具體發(fā)生位置，從而耗費(fèi)不必要的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行大開(kāi)挖以確定泄漏點(diǎn)；還有一種常用的方法是聲振泄漏檢測(cè)法[3]，依據(jù)的原理是管道在滲漏時(shí)由于壓力變化會(huì)引發(fā)特殊振動(dòng)，而這些振動(dòng)在漏點(diǎn)處往往比較強(qiáng)烈。但是在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中，可以引起漏水檢測(cè)儀反應(yīng)的振源未必就是漏點(diǎn)處的振動(dòng)產(chǎn)生的，比如轉(zhuǎn)彎角發(fā)出的聲音、環(huán)境的振動(dòng)因素、噪聲的干擾等等，影響檢測(cè)效果；在國(guó)外，利用紅外線熱成像原理制成的紅外線熱成像儀[4]，被運(yùn)用于各種地下管道的滲漏檢測(cè)，但是這種設(shè)備成本過(guò)高，對(duì)作業(yè)人員要求一定的業(yè)務(wù)知識(shí)，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有被廣泛使用。本文分析了滲漏處溫度場(chǎng)分布的具體情況，提出并設(shè)計(jì)了一種基于鉑熱電阻[5]作為溫度檢測(cè)傳感器的“圓心逼近”的檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果驗(yàn)證了技術(shù)的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性與可行性。

2 溫度場(chǎng)與熱場(chǎng)模型分析

溫度場(chǎng)[6]是指在某一時(shí)刻？子，物體中各點(diǎn)溫度的集合，為標(biāo)量場(chǎng)，是坐標(biāo)與時(shí)間的函數(shù)，可表示為：

在一個(gè)物體內(nèi)，通過(guò)熱源處向外導(dǎo)熱的過(guò)程中，在某一時(shí)刻把溫度相同的各點(diǎn)連接在一起稱為等溫面。在任何一個(gè)二維平面上，等溫面即表現(xiàn)為等溫線。根據(jù)傅里葉定律，球坐標(biāo)系下三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程為：

實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象在輸送熱水的導(dǎo)熱過(guò)程中，實(shí)質(zhì)為非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱方式，在測(cè)量時(shí)可將其視為瞬態(tài)的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程，所以上式簡(jiǎn)化如下：

當(dāng)τ>0時(shí)，t1=f（τ）=T1（常數(shù)）

采用有限差分法求解上述導(dǎo)熱微分方程，首先將溫度場(chǎng)空間區(qū)域離散化，如圖2示，用分別平行于面x=0，y=0，z=0的無(wú)數(shù)平行平面將導(dǎo)熱空間分割成無(wú)數(shù)的小立方體，小立方體的長(zhǎng)寬高分別表示為？駐x，？駐y，？駐z并把？駐x，？駐y，？駐z稱為x，y，z方向的步長(zhǎng)。顯然，步長(zhǎng)越小，小立方體越微小，近似的節(jié)點(diǎn)溫度集合就越接近于真實(shí)的溫度分布。

計(jì)算結(jié)果表明：三維導(dǎo)熱體內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度等于其6個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)溫度的算術(shù)平均值?；诖耍鶕?jù)邊界條件，并結(jié)合研究對(duì)象的熱量傳導(dǎo)過(guò)程，可模擬出熱場(chǎng)模型的導(dǎo)熱分布，如圖3所示，溫度圍繞熱源以近似圓形等溫線向四周擴(kuò)散。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 原理與算法

由圖3可知，溫度圍繞熱源以近似圓形等溫線向四周擴(kuò)散，采用等步長(zhǎng)R的方法，逐步逼近熱源，算法示意圖如圖4所示，具體步驟如下：

（1）任意選定熱場(chǎng)內(nèi)一點(diǎn)a，以a為圓心作半徑為R的圓？準(zhǔn)a，在圓？準(zhǔn)a上等距離標(biāo)注5個(gè)點(diǎn)bcdef；

（2）若Td>Tc>Tb>Te>Tf，則以d點(diǎn)為圓心作半徑為R的圓？準(zhǔn)d，在圓？準(zhǔn)d上等距離標(biāo)注4個(gè)點(diǎn)ghij；

（3）若Ti>Th>Tg>Tj>Td，則以i為圓心作半徑為R的圓？準(zhǔn)i，在圓？準(zhǔn)i上等距離標(biāo)注4個(gè)點(diǎn)klmn；

（4）若Tm>Tl>TK>Tn>Ti，則以m為圓心作半徑為R的圓？準(zhǔn)m，在圓？準(zhǔn)m上繼續(xù)標(biāo)注4個(gè)點(diǎn)；

（5）若在第N個(gè)圓？準(zhǔn)o上，有To>Tp>Tq>Tr>Ts>Tt，則可以確定熱源A點(diǎn)必在圓？準(zhǔn)o范圍以內(nèi)的某點(diǎn)。此時(shí)可根據(jù)具體情況，以O(shè)點(diǎn)為圓心，以半步長(zhǎng)R/2為半徑繼續(xù)縮小范圍，直到確定滲漏點(diǎn)位置為止。

3.2 軟件程序

程序主要由主程序和子程序兩部分構(gòu)成。主程序主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，子程序是溫度信號(hào)采集程序鍵值處理，A/D轉(zhuǎn)換，顯示數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖5所示。

以下為鉑電阻溫度傳感器折算成電壓降的程序段。

float account_res（void）

{ uchar temp；

float temp_r，d；

temp=median（tem，11）；

d = temp*500.0/256

temp_r=d*3135/4096；

return（temp_r）； }

3.3 硬件組成

方案選用WZP-PT100鉑熱電阻作為溫度檢測(cè)傳感器[7]。本設(shè)計(jì)選用應(yīng)用廣泛、功能強(qiáng)大的STC89C52RC單片機(jī)[8]對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，然后送由數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示測(cè)量溫度值。單片機(jī)工作電路與顯示電路如下圖6所示。根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，硬件部分還包括四位共陰數(shù)碼管、W502電位器等，圖7為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖。

3.4 實(shí)驗(yàn)?zāi)M與仿真

為了對(duì)實(shí)際供暖系統(tǒng)的地下管道熱水滲漏的熱場(chǎng)進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)室選用了敞口箱體容器，高60厘米，直徑80厘米。內(nèi)裝滿了泥土，在中間預(yù)埋了熱源（100℃），進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加熱后進(jìn)入保持期，連續(xù)對(duì)其中多點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)。把數(shù)據(jù)通過(guò)仿真軟件MATLAB對(duì)熱場(chǎng)模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)模擬、軟件調(diào)試以及計(jì)算機(jī)仿真，所得結(jié)果均表明技術(shù)設(shè)計(jì)思路合理、方案切實(shí)可行，可以準(zhǔn)確地找到滲漏源，解決問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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