超聲波流量計在管道泄漏監測系統中的應用

管道運輸以其特有的經濟、便攜、安全等優點而被廣泛應用于石油、天然氣等液體、氣體、漿液的運輸中，并且已成為與鐵路、公路、航空、水運并駕齊驅的五大運輸行業之一。但是，隨著管線的增長，以及不可避免的腐蝕、磨損等自然或人為原因，管道事故頻頻發生。管道的泄漏不僅影響正常的生產，造成能源浪費和經濟損失，而且由于所輸介質的危險性和污染性，一旦發生事故還會造成對環境的污染和巨大的生命財產損失，因此泄漏的監測是一項重要的管道故障監測技術。為了減少損失，需要在有泄漏時立即監測出來，并且能夠指明泄漏發生的位置。

現有的一些管道泄漏監測方法或儀器設備還不能滿足對輸油管道進行準確監測的要求，因此，本文結合我國管道輸送的實際情況，針對原油管道泄漏監測技術及其運行監測系統進行了研究，并提出了一種超聲波流量計輸油管道泄漏監測方法，提高了定位精度，降低監測費用。

本系統采用前后端機結構的主從式設計，具有高速數據采集、數據通訊、數據庫存檔與分析等功能。測量過程由計算機自動控制，測量結果打印并帶有標準通信接口，可與上級控制系統直接連接，便于信息處理。并將混沌理論應用于信息處理中，充分發揮計算機網絡的優勢，建立管道泄漏監測系統，以達到及時發現泄漏，并準確定位的目的。

2 對管道泄漏監測系統的要求

泄漏監測的目的是減少泄漏物質損失及盡量杜絕泄漏物對人們生命財產和環境造成進一步危害，為此，理想的監測系統應該滿足以下各方面的要求。

準確性 泄漏發生后，能夠準確地測報出泄漏，不致因為操作失誤和設備故障等因素發出誤報警。

靈敏性 理想的檢漏系統應該能監測出從滲漏到管道斷裂的全部范圍內的泄漏情況，發出正確的報警提示。

實時性 理想的檢漏系統能夠在泄漏發生后，實時地監測出泄漏的發生。以便操作人員即刻采取行動，減少損失。

定位精度高 長輸管道穿越距離長，檢漏系統需能夠提供給操作人員準確的泄漏點位置，以使維修人員盡快到達漏油點，進行補封作業。

易維護性 檢漏系統裝置維修調整容易。

3 管道泄漏監測儀系統整機電路框圖

管道運行狀態監測儀以數字處理芯片作為CPU，包括信號轉換電路、A／D采集電路、數據顯示電路、實時時鐘電路、遠程通訊電路、與主計算機通訊的接口電路、聲光報警電路以及電源電路等。圖1是監測儀整機電路框圖。為消除傳感器輸出的信號經長距離傳輸引入的干擾，信號轉換電路首先對信號進行濾波和放大。為消除系統共地給系統運行帶來的不穩定因素，系統中采用高性能的隔離放大器AD202將被測信號與監測儀進行隔離。AD202采用信號耦合變壓器使放大器輸入端與輸出端沒有電路聯系，并能完成放大功能。AD202功耗小、精度高(最大非線性度±0.025%)。

信號采集器組采集超聲波流量計的信號，經信號傳輸電纜傳送至管道狀態監測儀。

管道狀態監測儀以PC機為核心，實時監控管道運行狀況，運用流量時差法對管道泄漏進行預報警，控制遠程數據通訊鏈路取得管道另一端監測儀的數據，送入系統計算機總站。遠程數據通訊鏈路通過通訊網線進行數據的傳送。

總站定時詢問所有分站，從每一個分站收集各種和聲速有關的狀態參數，收集到所有分站數據后，總站咨詢它內部的用于描述管道組態的拓撲程序，然后計算出最后一分鐘流入和流出測量管段的標準體積，如不平衡超過預設的報警設置值，將發出泄漏報警。

4 超聲波流量計管道運行監測系統的軟件設計

整個系統軟件以Windows 2000作為平臺，結合Matlab工具、高速數據采集卡動態鏈接庫的優點，由軟件開發工具Microsoft.net完成各個功能模塊的調配控制和實現。系統軟件的模塊化設計如圖2所示。

任務調度與管理程序是系統的核心管理模塊，主要利用操作系統的多任務性，實現程序對整個系統任務進行調度。

數據采集模塊主要利用高速數據采集卡對外部傳輸來的信號進行準確快速地采集，保證后續數據處理的實時性和準確性。

數據傳輸模塊利用VXD技術編程實現采集卡的虛擬儀器驅動程序，提供了對DMA中斷和部分I／O的操作，主要完成將采集卡采集的數據轉換成可方便處理的二進制代碼文件和數據庫源文件。

混沌算法處理模塊是整個系統的核心模塊，利用理論研究中的混沌處理算法對信號進行分析處理，提取管道泄漏特征信息，提高判斷的靈敏度和可靠性，從而解決信號的處理與識別工作。

顯示打印模塊利用Matlab強大的圖形顯示功能實時給出混沌振子的間歇混沌圖像和信號處理結果，并可完成實時輸出。

日志數據庫模塊完成數據的動態更新和復雜的查詢任務，本系統使用的是微軟公司的數據庫管理系統MS SQL Sever 2000，用ADO進行配置數據庫、設置數據源，實現本系統的對數據庫訪問的實時高效的功能。另外，為了保證數據傳輸準確快速地進行，數據通訊軟件的設計具有多級的數據糾錯和數據壓縮功能。

5 混沌算法處理模塊

混沌算法處理模塊是整個系統軟件的重要部分。它主要包括兩個部分的內容：信號預制的實現和混沌振子的實現。

信號預制的過程是指在信號進入混沌振子陣列前將其頻率壓縮至1～10范圍之內的過程。鑒于本課題將首先應用于微弱超聲信號的測量，而由于不同的實驗可能采用的超聲發射頻率不同，所以定義表征超聲發射信號頻率的全局可變參量float Pre_Proc。又因為發射信號頻率的已知性，故而很容易經過判斷后將頻率進行壓縮。混沌振子的實現包括單個振子的實現和時間尺度變換算法的實現。

用四階龍格一庫塔法求解，計算公式為(h為算法步長)：

時間尺度變換的方法很簡單，就是將龍格庫塔法中的積分步長取為初始值的1／ω即可。軟件中我們定義RungKutta(float Pace，float w)函數來完成步長為Pace、參考頻率為w的Duffing方程的數值積分。

在信號頻率確定后，信號的相位值可由鎖相方法確定，而幅值則可根據混沌周期段最大幅值對應的矢量合成峰值減去該混沌振子的參考信號幅值來確定。

運用混沌算法準確地提取了壓力信號中所包含的負壓波信息，定位精度在1%以內，滿足工程應用要求。

6 結語

結合管道輸送的實際情況，針對原油管道泄漏監測技術及其運行監測系統進行了深入的研究，利用超聲波流量計，依據流體的流量與超聲波流量計傳播速度之間的關系，對管道流量進行實時連續監測。充分發揮計算機網絡的優勢，建立管道泄漏監測系統，以達到及時發現泄漏，并準確地確定其位置的目的。