基于電子鼻的三角定位儲罐泄漏檢測

陳藜元，王玉峰，韓沁煒

（西華大學西華學院，四川成都 610039）

儲罐是一種專門用于儲備放置原油和液體化工原料及其產品的儲存設備。由于其體積巨大、分布集中的特點，且化工產品大都具有一定的腐蝕性和危險性，一旦發生泄漏，將造成嚴重后果。因此，儲罐的泄漏檢測尤為重要。

目前大型金屬儲罐的常用檢測方法有三類[1]，分別是常規檢測、開罐檢測和在線檢測。其中，在線檢測的聲發射無損檢測技術相對成熟，可以檢測出儲罐內部缺陷的情況。但由于其設備昂貴，對檢測人員要求較高，尚不能廣泛使用。

以上幾種方法雖常見，但使用方法單一，優缺點明顯。若將多種檢測方法結合起來，則可以大大改變現有的檢測情況，提高檢測效率。本文采用將電子鼻和聲發射無損檢測相結合的方法，充分利用電子鼻的可實時檢測，成本低廉的優點，以及聲發射無損檢測的精確性，來實現對儲罐泄漏的檢測。

1 泄漏檢測方案

本文設計了一種以電子鼻為主，聲發射無損檢測技術為輔的檢測方案，將多個氣敏傳感器按規律布置在大型儲罐表面，通過氣敏傳感器所測得的氣體濃度分析罐體是否發生泄漏，若發現泄漏，可將泄漏點的位置縮小至某一范圍，再通過聲發射探測儀器確定儲罐缺陷的具體情況。

這種監測系統，可以在泄漏的第一時間發出警報，并將泄漏點的位置縮小到某一范圍，可以大大提高查漏的效率，以便采取有效的補救措施。

2 檢測方法介紹

2.1 電子鼻

電子鼻主要由三個部分組成：氣敏傳感器、信號預處理和模式識別[2]。

氣敏傳感器是電子鼻用來檢測氣體濃度和成分的基本元件。氣體中的化學成分與敏感材料相互作用，氣敏傳感器將作用于活性材料上的化學輸入轉換為電信號。多個傳感器對一種氣體的響應構成傳感器陣列對該氣體的響應譜，這種響應譜就是氣體的廣譜響應譜[3]。

為了對氣體進行定性或定量分析，需要對傳感器上的信號進行預處理。即對傳感器陣列傳入的電信號進行濾波、交換和特征提取。通過預處理傳感器的響應模式，可以實現漂移補償、信息壓縮和減少信號隨樣品波動。特征提取是最重要的步驟，常用的方法包括相對法、差分法、對數法和歸一化法等。

模式識別是對特征提取后的信息進行進一步處理，以完成對氣體信號的定性和定量識別，獲取混合氣體的組成和濃度信息。模式識別方法主要有統計模式識別技術、人工神經網絡和進化神經網絡。

2.2 聲發射檢測技術

聲發射檢測技術是一種動態的無損檢測技術，它僅顯示和記錄擴展的缺陷，與缺陷的尺寸無關，并根據其危險程度對缺陷進行分類。

當材料或組件遭受斷裂或內部應力超過極限，將經歷不可逆的變形，并接收以瞬態彈性波形式釋放的應變能時，可以應用聲發射檢測法。通過示波器，可以觀察到連續且不規則的聲發射波形，該波形具有由泄漏激發的小幅度波動。當罐體破裂時，彈性波將被釋放并通過某種介質傳播到材料或組件的表面，從而在表面上引起機械振動。此時，聲發射傳感器將表面的瞬時位移轉換為電信號，然后放大，處理，記錄顯示波形和特征參數，最后進行數據分析和解釋以評估聲發射源的特性。一般而言，泄漏越多，激發信號的幅度越高。所使用的聲發射傳感器的頻率越低，則泄漏源可以被監測得越遠，但是它將受到環境噪聲的影響。目前，它主要用于航空航天、石油化工、電力等行業的管道、閥門、集裝箱和倉儲。

3 電子鼻位置與泄漏點定位

3.1 氣敏傳感器分布影響因素

氣敏傳感器的優化分布直接影響著監測系統的響應速度和靈敏程度。

氣敏傳感器可顯示出該位置的氣體濃度，當儲罐某點發生泄漏時，往往是離泄漏點最近的傳感器首先檢測到氣體，即傳感器的分布需要考慮氣體的擴散。氣體的擴散與很多因素有關，如溫度、濕度、風向和氣體本身的特性。溫度越高，氣體擴散越快，傳感器檢測到氣體所需時間越短；當風向固定時，氣體擴散不會保持泄漏點周圍均勻擴散的特性，而是順風擴散，因此位于泄漏點下游的傳感器將更早地檢測到氣體泄漏；當泄漏氣體密度大于空氣密度時，氣體下沉，而當泄漏氣體密度大于空氣密度時，氣體上升。因此，對于不同的物質和不同的環境，氣體傳感器的位置是不同的。

氣體傳感器的分布不僅與氣體和外部環境條件有關，而且與儲罐的具體條件有關。

3.2 傳感器分布

理想條件下，將儲罐視為表面光滑的立式圓筒形儲罐，由于重力原因，圓柱形罐壁主要受存貯介質的靜液壓力。靜液壓力由罐頂至罐底呈三角形分布，在儲罐制作過程中，罐壁并不能從上到下逐漸增厚。罐底所受壓力大，更容易出現化學品泄漏的問題。所以氣敏傳感器在大型儲罐下部和底部分布較多。

氣敏傳感器采用三角定位分布，一圈等間距放置三個氣敏傳感器，每個探測器都可與離自身最近的探測器構成三角形，如圖2所示。這種分布方法可以有效確定泄漏點，同時高效利用氣敏傳感器。

圖2 氣敏傳感器分布立體圖

實際生產中，大型儲罐是由多塊鋼材焊接起來的，焊縫相比罐體更容易發生泄漏，而罐底承重壓力大，又有接口等，風險最高。因此，在布置氣體傳感器時，在滿足三角定位的條件下，傳感器應盡可能地分布在接縫附近，如圖3所示。

圖3 儲罐接縫圖

3.3 泄漏點定位計算

3.3.1 理想情況下三角定位計算

在理想條件下，氣體以泄漏點為圓心向四周擴散，氣體濃度與擴散距離呈正態分布關系。假定泄漏點附近三個傳感器A、B、C 第一時間檢測出氣體，且三個傳感器測得氣體濃度分別為X1、X2、X3。

因為ABC 第一時間檢測出氣體，根據氣體擴散分析，泄漏點一定位于A，B，C 點組成的三角區域內。

若X1＞＞X2、X3，則泄漏點就在C 點附近S1范圍內，如圖4所示，直接采用聲發射儀器進行探測，采取措施。

圖4 泄漏點在C點示意圖

若X3＞X1，X3＞X2，則判定泄漏點位于A，B，C 構成三角形的質心靠近點C 部分，再比較X1、X2，根據比較結果鎖定泄漏位置。若X1=X2，則泄漏點到A，B 的距離相近，泄漏點位于S2區域；若X1＞X2，則泄漏點則泄漏點距A 點更近，泄漏點位于S3區域；若X1＜X2，則泄漏點距B 點更近，泄漏點位于S4區域，如圖5。

圖5 三角定位示意圖

3.3.2 實際情況下三角定位計算

由于實際情況中存在風向和重力浮力等影響因素，離泄漏點近的氣敏傳感器不一定能先檢測到氣體。例如，風從右向左吹過泄漏點，雖然泄漏點右側的氣敏傳感器A 離泄漏點更近，但氣體隨風向左擴散，離泄漏點更遠的B 傳感器卻會更早檢測出氣體且濃度更大，這勢必會對泄漏點位置范圍的確定造成干擾，所以在定位過程中，需要考慮風向，且需考慮多個傳感器。

圖6 三角定位計算示意圖

以兩圈傳感器組成的傳感器網絡為例，如圖6，由A、B C、D、E、F 六個傳感器組成，讀數分別為X1、X2、X3、X4、X5、X6。（黑圓表示上層傳感器A、B、D，白圈表示下層傳感器C、E、F，三角形表示泄漏點的位置1、2、3、4）。

當泄漏點在1號區域時，由于罐體呈圓弧形，氣體從1號處向兩邊擴散，六個傳感器均有數值。

當泄漏點在2號區域時，由于風向，氣體從2號區域向左側擴散，僅有A、C 兩個傳感器有數值，且X3＞X2。

當泄漏點在3號區域時，僅A 傳感器有數值。

當泄漏點在4號區域時，僅A、F 傳感器有數值，且由于罐體遮擋，處于背風面，氣體擴散受風向影響不大，所以可參考理想情況下的定位方法進行定位。

當X1、X2、X3、X4、X5、X6均有數值時，泄漏點位于區域1；當X1、X3有數值時，泄漏點位于區域2；當X1有數值時，泄漏點位于區域3；當X2、X3有數值時，泄漏點位于區域4，還可通過理想情況下的計算方法進一步縮小泄漏點所在范圍。

4 結束語

1）氣敏傳感器按規律布置于儲罐表面，實時檢測化工氣體濃度，當濃度超過安全值，開始發出警報，并通過所測氣體濃度分析傳感器與泄漏點的距離，利用三角定位算法確定泄漏點的大致位置，最后使用聲發射儀器在此范圍內檢測，探明泄漏點情況。

2）三角定位法能較好地確定泄漏點的大致位置，將這種方法運用到電子鼻，即氣敏傳感器的氣敏網絡中，配合聲發射檢測法，來進行化工氣體泄漏的檢測。但是投入到使用還需要引入更多的變量，如氣體特性、當地環境、儲罐條件等，才能更好地進行檢測定位工作。