超聲波流量計在管道洩漏中的(de)應用(yòng)

管道運輸以其特有的(de)經濟、便攜、安全等優點而被廣泛應用(yòng)于石油、天然氣等液體、氣體、漿液的(de)運輸中，并且已成爲與鐵路、公路、航空、水(shuǐ)運并駕齊驅的(de)五大(dà)運輸行業之一。但是，随著(zhe)管線的(de)增長(cháng)，以及不可(kě)避免的(de)腐蝕、磨損等自然或人(rén)爲原因，管道事故頻(pín)頻(pín)發生。管道的(de)洩漏不僅影(yǐng)響正常的(de)生産，造成能源浪費和(hé)經濟損失，而且由于所輸介質的(de)危險性和(hé)污染性，一旦發生事故還(hái)會造成對(duì)環境的(de)污染和(hé)巨大(dà)的(de)生命财産損失，因此洩漏的(de)監測是一項重要的(de)管道故障監測技術。爲了(le)減少損失，需要在有洩漏時(shí)立即監測出來(lái)，并且能夠指明(míng)洩漏發生的(de)位置。
現有的(de)一些管道洩漏監測方法或儀器設備還(hái)不能滿足對(duì)輸油管道進行準确監測的(de)要求，因此，本文結合我國管道輸送的(de)實際情況，針對(duì)原油管道洩漏監測技術及其運行監測系統進行了(le)研究，并提出了(le)一種超聲波流量計輸油管道洩漏監測方法，提高(gāo)了(le)定位精度，降低監測費用(yòng)。
本系統采用(yòng)前後端機結構的(de)主從式設計，具有高(gāo)速數據采集、數據通(tōng)訊、數據庫存檔與分(fēn)析等功能。測量過程由計算(suàn)機自動控制，測量結果打印并帶有标準通(tōng)信接口，可(kě)與上級控制系統直接連接，便于信息處理(lǐ)。并将混沌理(lǐ)論應用(yòng)于信息處理(lǐ)中，充分(fēn)發揮計算(suàn)機網絡的(de)優勢，建立管道洩漏監測系統，以達到及時(shí)發現洩漏，并準确定位的(de)目的(de)。
2 對(duì)管道洩漏監測系統的(de)要求
洩漏監測的(de)目的(de)是減少洩漏物(wù)質損失及盡量杜絕洩漏物(wù)對(duì)人(rén)們生命财産和(hé)環境造成進一步危害，爲此，理(lǐ)想的(de)監測系統應該滿足以下(xià)各方面的(de)要求。
準确性 洩漏發生後，能夠準确地測報出洩漏，不緻因爲操作失誤和(hé)設備故障等因素發出誤報警。
靈敏性 理(lǐ)想的(de)檢漏系統應該能監測出從滲漏到管道斷裂的(de)全部範圍内的(de)洩漏情況，發出正确的(de)報警提示。
實時(shí)性 理(lǐ)想的(de)檢漏系統能夠在洩漏發生後，實時(shí)地監測出洩漏的(de)發生。以便操作人(rén)員(yuán)即刻采取行動，減少損失。
定位精度高(gāo) 長(cháng)輸管道穿越距離長(cháng)，檢漏系統需能夠提供給操作人(rén)員(yuán)準确的(de)洩漏點位置，以使維修人(rén)員(yuán)盡快(kuài)到達漏油點，進行補封作業。
易維護性 檢漏系統裝置維修調整容易。
3 管道洩漏監測儀系統整機電路框圖
管道運行狀态監測儀以數字處理(lǐ)芯片作爲CPU，包括信号轉換電路、A／D采集電路、數據顯示電路、實時(shí)時(shí)鐘(zhōng)電路、遠(yuǎn)程通(tōng)訊電路、與主計算(suàn)機通(tōng)訊的(de)接口電路、聲光(guāng)報警電路以及電源電路等。圖1是監測儀整機電路框圖。爲消除傳感器輸出的(de)信号經長(cháng)距離傳輸引入的(de)幹擾，信号轉換電路首先對(duì)信号進行濾波和(hé)放大(dà)。爲消除系統共地給系統運行帶來(lái)的(de)不穩定因素，系統中采用(yòng)高(gāo)性能的(de)隔離放大(dà)器AD202将被測信号與監測儀進行隔離。AD202采用(yòng)信号耦合變壓器使放大(dà)器輸入端與輸出端沒有電路聯系，并能完成放大(dà)功能。AD202功耗小、精度高(gāo)(最大(dà)非線性度±0.025%)。

信号采集器組采集超聲波流量計的(de)信号，經信号傳輸電纜傳送至管道狀态監測儀。
管道狀态監測儀以PC機爲核心，實時(shí)監控管道運行狀況，運用(yòng)流量時(shí)差法對(duì)管道洩漏進行預報警，控制遠(yuǎn)程數據通(tōng)訊鏈路取得(de)管道另一端監測儀的(de)數據，送入系統計算(suàn)機總站。遠(yuǎn)程數據通(tōng)訊鏈路通(tōng)過通(tōng)訊網線進行數據的(de)傳送。
總站定時(shí)詢問所有分(fēn)站，從每一個(gè)分(fēn)站收集各種和(hé)聲速有關的(de)狀态參數，收集到所有分(fēn)站數據後，總站咨詢它内部的(de)用(yòng)于描述管道組态的(de)拓撲程序，然後計算(suàn)出最後一分(fēn)鐘(zhōng)流入和(hé)流出測量管段的(de)标準體積，如不平衡超過預設的(de)報警設置值，将發出洩漏報警。
4 超聲波流量計管道運行監測系統的(de)軟件設計
整個(gè)系統軟件以Windows 2000作爲平台，結合Matlab工具、高(gāo)速數據采集卡動态鏈接庫的(de)優點，由軟件開發工具Microsoft.net完成各個(gè)功能模塊的(de)調配控制和(hé)實現。系統軟件的(de)模塊化(huà)設計如圖2所示。

任務調度與管理(lǐ)程序是系統的(de)核心管理(lǐ)模塊，主要利用(yòng)操作系統的(de)多(duō)任務性，實現程序對(duì)整個(gè)系統任務進行調度。
數據采集模塊主要利用(yòng)高(gāo)速數據采集卡對(duì)外部傳輸來(lái)的(de)信号進行準确快(kuài)速地采集，保證後續數據處理(lǐ)的(de)實時(shí)性和(hé)準确性。
數據傳輸模塊利用(yòng)VXD技術編程實現采集卡的(de)虛拟儀器驅動程序，提供了(le)對(duì)DMA中斷和(hé)部分(fēn)I／O的(de)操作，主要完成将采集卡采集的(de)數據轉換成可(kě)方便處理(lǐ)的(de)二進制代碼文件和(hé)數據庫源文件。
混沌算(suàn)法處理(lǐ)模塊是整個(gè)系統的(de)核心模塊，利用(yòng)理(lǐ)論研究中的(de)混沌處理(lǐ)算(suàn)法對(duì)信号進行分(fēn)析處理(lǐ)，提取管道洩漏特征信息，提高(gāo)判斷的(de)靈敏度和(hé)可(kě)靠性，從而解決信号的(de)處理(lǐ)與識别工作。
顯示打印模塊利用(yòng)Matlab強大(dà)的(de)圖形顯示功能實時(shí)給出混沌振子的(de)間歇混沌圖像和(hé)信号處理(lǐ)結果，并可(kě)完成實時(shí)輸出。
日志數據庫模塊完成數據的(de)動态更新和(hé)複雜(zá)的(de)查詢任務，本系統使用(yòng)的(de)是微軟公司的(de)數據庫管理(lǐ)系統MS SQL Sever 2000，用(yòng)ADO進行配置數據庫、設置數據源，實現本系統的(de)對(duì)數據庫訪問的(de)實時(shí)高(gāo)效的(de)功能。另外，爲了(le)保證數據傳輸準确快(kuài)速地進行，數據通(tōng)訊軟件的(de)設計具有多(duō)級的(de)數據糾錯和(hé)數據壓縮功能。
5 混沌算(suàn)法處理(lǐ)模塊
混沌算(suàn)法處理(lǐ)模塊是整個(gè)系統軟件的(de)重要部分(fēn)。它主要包括兩個(gè)部分(fēn)的(de)内容：信号預制的(de)實現和(hé)混沌振子的(de)實現。
信号預制的(de)過程是指在信号進入混沌振子陣列前将其頻(pín)率壓縮至1～10範圍之内的(de)過程。鑒于本課題将首先應用(yòng)于微弱超聲信号的(de)測量，而由于不同的(de)實驗可(kě)能采用(yòng)的(de)超聲發射頻(pín)率不同，所以定義表征超聲發射信号頻(pín)率的(de)全局可(kě)變參量float Pre_Proc。又因爲發射信号頻(pín)率的(de)已知性，故而很容易經過判斷後将頻(pín)率進行壓縮。混沌振子的(de)實現包括單個(gè)振子的(de)實現和(hé)時(shí)間尺度變換算(suàn)法的(de)實現。
用(yòng)四階龍格一庫塔法求解，計算(suàn)公式爲(h爲算(suàn)法步長(cháng))：

時(shí)間尺度變換的(de)方法很簡單，就是将龍格庫塔法中的(de)積分(fēn)步長(cháng)取爲初始值的(de)1／ω即可(kě)。軟件中我們定義RungKutta(float Pace，float w)函數來(lái)完成步長(cháng)爲Pace、參考頻(pín)率爲w的(de)Duffing方程的(de)數值積分(fēn)。
在信号頻(pín)率确定後，信号的(de)相位值可(kě)由鎖相方法确定，而幅值則可(kě)根據混沌周期段最大(dà)幅值對(duì)應的(de)矢量合成峰值減去該混沌振子的(de)參考信号幅值來(lái)确定。
運用(yòng)混沌算(suàn)法準确地提取了(le)壓力信号中所包含的(de)負壓波信息，定位精度在1%以内，滿足工程應用(yòng)要求。
6 結語
結合管道輸送的(de)實際情況，針對(duì)原油管道洩漏監測技術及其運行監測系統進行了(le)深入的(de)研究，利用(yòng)超聲波流量計，依據流體的(de)流量與超聲波流量計傳播速度之間的(de)關系，對(duì)管道流量進行實時(shí)連續監測。充分(fēn)發揮計算(suàn)機網絡的(de)優勢，建立管道洩漏監測系統，以達到及時(shí)發現洩漏，并準确地确定其位置的(de)目的(de)。