基于水流量狀態監測的水暖管道泄漏監按報警系統

陳 維，李建海，張曼曼

（溫州市質量技術檢測科學研究院，浙江 溫州）

引言

為了確保居民生活的穩定性和安全性，對正常的供暖設置需要進行定期的檢測。人們生活質量的日益改善，北方地區對供暖的需求也越發強烈，因此在冬季對水暖管道的用暖高峰時段水管壓力遠遠大于夏季的供暖平淡期。并且經過三個季度的閑置，冬季的水暖管道的突然使用，極容易造成管道的泄漏。然而在樓層居民的生活中，上門檢測是一項極其繁瑣的過程，結合住戶時間以及檢修人員的安排，會給檢修工程造成極大的困擾。因此，基于水流量狀態，對水暖管道進行泄漏處的定點監按報警，不僅節約檢修人員的時間，減少檢修工序，也能為居民自身提供警示，方便住戶預約檢修人員。除此之外，水暖管道的泄漏問題，也會造成資源的浪費，供暖不足，水源流失，都是在水暖管道泄漏中急需解決的問題[1]。

1 系統硬件設計

1.1 壓力傳感器

為監測水暖管道泄漏中水流量狀態，將HL-8 壓電式壓力傳感器貼合于水暖管道處，采集管道上的壓力信號。本研究所選用的HL-8 壓電式壓力傳感器在測量環境中可以正常工作，能夠使用管道中的信息采集，能夠做到有效輸出。除此之外，在管道作業中存在的噪聲環境，該傳感器的量程測定能夠確保超過管道壓力的所有值，并且避免出現的相應誤差問題。并且該傳感器具有較高的精度，能夠保證信號傳輸在一個穩定的范圍內，精確采集管道中水流量狀態的變化。

1.2 報警器

本研究選擇蜂鳴器作為警報系統的硬件設置，無源蜂鳴器內部沒有振蕩器，所以必須用震蕩電流驅動發聲。本系統中選用的STM32 開發板上自帶TIM 定時器，可以產生PWM 波輸出，只要驅動電流達到一定數值蜂鳴器就會發聲。

外接模塊蜂鳴器上的VCC 接STM32 開發板3V3引腳，程序中本研究要用到通用定時器TIM 3 的CH2通道產生一路PWM 波驅動蜂鳴器發聲，所以此處要注意I/O 引腳必須接開發板的PA7 引腳。LED 燈呈綠色常亮。

報警器電路仿真如圖1 所示。

圖1 報警器電路仿真

蜂鳴器兩端并聯接入LED 燈泡，在正常的管道輸送過程中，蜂鳴器不發聲。當管道檢測到泄漏情況時蜂鳴器發聲并伴隨著LED 燈由綠色轉換為紅色常亮，直到被手動調試至正常狀態[2]。

2 系統軟件設計

2.1 采集水流量信息

當水暖管道上某管段發生泄漏時，因液體的流動會出現壓力的差別，因此可以根據振動源的位置將采集到的水流量信息劃分為三種：

（1） 水暖管道漏點處出現的壓力信號。當水暖管道出現泄漏，水流會向外溢出，產生泄漏或噴射現象，但前期的壓力變化都較為急劇，這種壓力的變化同樣會向水暖管道的兩個方向傳播，就能被管道上安裝的壓力傳感器所檢測，從而獲得水流量的信息。水暖管道內液體流動過程如下：

（2） 由于水流的互相沖擊造成的壓力感應，但是此種原因在建筑的水暖管道中對本研究所需要的壓力信息造成的數據影響較小，因此在本研究之后的敘述中，并不對此作詳細分析。

（3） 水暖管道中因管道自身以及水質問題，出現了各種介質，介質在相互作用中，產生了一部分的水流狀態的信號，管內水流高速向外噴出后，水流與管外各種物質及管外各種物質之間的相互摩擦產生信號[3]。該信號不被本研究系統所選用的壓力傳感器所檢測，需要通過聽音桿等儀器獲取。

2.2 建立水流量計算模型

根據水暖管道的水流量變化，建立相應的模型，在管道泄漏時，忽略管道內流體流動的介質影響，設泄漏點距離管段首端的距離為x，那么根據水流量的衰減變化，水流量變化模型的構建如下：

式中：λ1表示輸暖管道中配置的壓力傳感器的靈敏度；表示水暖管道中水流與介質摩擦產生的標準差；因此可以通過式（3）得出，水流量的變化能夠影響水暖管道中的壓力傳感器，并且水暖管道的泄漏情況能夠根據水流量與泄漏的距離進行關聯[4]。假設漏點到水暖管道假設壓力傳感器的位置為x，那么管道中可被檢測到的泄漏情況則會隨著管道的距離進行減小，因此通過x 的確認，來確定最適宜的壓力傳感器的架設位置，以在合適的距離中檢測水暖管道的泄漏問題，提高監按報警系統的精確性。

2.3 實現水暖管道泄漏監按報警

將上述的水流量出現的泄漏問題，進行約束，約束參數如下所示：

式中：Ex 表述約束的等級規劃。為了對水暖管道泄漏監按報警系統進行實現，采用分割法對水流量的大小以及泄漏問題進行預警界限的分區，以避免若出現細小泄漏問題時報警器產生的報警聲音對住戶造成影響。

并且為防止報警出現錯報和漏報現象，選取可避免模糊輸出變量區間交叉和重疊的三角形隸屬函數進行模糊化處理，即可得到水暖管道泄漏監按報警輸出變量的模糊集。選取期望值作為系統泄漏報警輸出值并與劃分的泄漏等級進行比較，通過蜂鳴器警報器進行報警。報警后的蜂鳴器需要通過人為的調按才能夠停止報警，但是經過長時間的停滯仍未對其進行檢修后，積累的壓力仍會導致報警器再次進行告警[5]。

3 系統性能測定實驗

3.1 實驗說明

在本次的系統性能測定實驗中，首先構建實驗環境，根據管道可能出現的泄漏情況，且在已有的實際泄漏數據中，合理設定管道泄漏點，對其進行實驗環境的模擬。為了更加貼合實際的水暖管道泄漏情況，設置了兩個泄漏點。且以實驗的簡潔性為敘述基礎，將本研究所設計的基于水流量狀態監測的水暖管道泄漏監按報警系統設置為實驗組，將基于神經網絡的水暖管道泄漏監按報警系統設置為對照組Ⅰ，設置基于壓力波法的水暖管道泄漏監按報警系統設置為對照組Ⅱ。

實驗中進行多次實驗，但以多次實驗的主要結果為實驗數據的體現。以“1 不泄漏，2 不泄漏”為第一組的實驗組別劃分，2 號實驗組為“1 泄漏，2 不泄漏”，3號實驗組為“1 不泄漏，2 泄漏”，4 號實驗組為“1 泄漏，2 泄漏”。在多次實驗結果中，選擇具有代表性的數據，并將最后的監按報警數據進行平均準確率的計算，將數據呈現在實驗結果的表格中。

3.2 實驗準備

為了研究水暖管道泄漏時的監按報警系統，探究以水流量狀態的監測變化來識別管道泄漏方法的可行性，為水暖管道泄漏提供實驗樣本及數據，本次實驗以水流量的變化，來識別水暖管道的泄漏問題，并且對報警系統進行實現。且對泄漏管道的檢測具有可靠性，對實驗數據以及誤差的測定更加準確，實驗中利用水泵、輸水管道等實驗器材，構建實驗環境，通過實際的水流量的狀態，結合水暖管道中的漏點進行實驗檢測，驗證本研究設計系統的可靠性。

在實驗中利用渦輪流量計、配電柜以及本研究所用系統硬件設備，對實驗環境進行設置，所用設備的主要參數如表1 所示。

表1 實驗環境及設備參數

根據表1 的實驗設備進行前期準備，實驗環境如圖2 所示。

圖2 實驗環境

本次實驗以水暖管道的泄漏識別報備，以檢測本研究所設計的系統報警的適用性及精確性，在水暖管道的上方設置閥門以模擬泄漏點，首先在水泵的作用下對水流量進行檢測，然后關閉水閥對水箱的水流狀態進行檢測，多次實驗模擬過程中，對實驗數據的記錄可基于傳感器裝置的檢測復位鍵，在系統檢測過程中，顯示水流經過時的壓力變化值，記錄傳感器的數據，通過實際的測量數據進行誤差的分析。

在水暖管道發生泄漏之前，管內流體呈穩定流動狀態，但是當管道泄漏后，則變成不穩定狀態，當水暖管道適應泄漏的出水量后，流體流動再次呈現為穩定狀態，管道中的水流量則會出現區間內變化，但是由于多種情況均會對水流量造成影響，因此本次實驗過程只考慮比較明顯的水流量變化。

3.3 實驗結果

為了對本研究所設計的水暖管道的泄漏監按報警系統進行驗證，將三種對泄漏情況進行監測的系統設計進行對比，對泄漏點1 和泄漏點2 的監按報警結果如表2 所示。

表2 各系統對水暖管道泄漏監按報警結果對比

通過實驗，對本研究所設計的系統性能進行了測定，以表2 的水暖管道泄漏監按報警對比結果可以得出，實驗組對管道泄漏的監按報警的準確度為98.6%，對照組Ⅰ的監按報警的準確度為84.5%，對照組Ⅱ的監按報警的準確度為76.4%。在以兩組泄漏點為參照的4 次具有主要特性的實驗中，提取了以兩組泄漏點的泄漏和不泄漏為對比依據，并將多次的實驗結果進行匯總，得出各個系統下的監按報警效果。本研究所設計的實驗組能夠對主要泄漏問題比較準確的監測并提供報警信號，而對照組Ⅰ在泄漏1 和2 均不泄漏的情況下，出現了錯誤的監測結果，在前期準備中對誤差進行了定量的排除，因此認為此項結果是系統的性能問題。而對照組Ⅱ在1 不泄漏，2 泄漏的情況下，對兩處泄漏點的泄漏地點的監測出現問題，導致監測準確度的降低。因此，基于上述實驗結果和對應分析，能夠得到本研究所設計的監按報警系統，能夠提供較高的報警精度，具有一定的對水暖管道泄漏的監測效果。

結束語

本研究對水暖管道泄漏監按報警系統，在基于水流量狀態下，進行了設計與實驗。首先對系統的硬件做了報警器和壓力傳感器的主要構件的設計，然后在軟件分析中，首先檢測了水流量，并以此為依據，設計整體的報警系統，最后在系統的性能測定實驗中，完成對系統的檢驗。本研究在水流量的狀態下對水暖管道的泄漏問題進行監按，不僅減少了多余設備的安裝，也能夠基于水暖管道本身，完成整體的報警監按，相對于傳統的常規報警系統，更加方便快捷。