輸油管道泄漏檢測(cè)儀設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、輸油管道泄漏檢測(cè)儀設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)XX 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 輸油管道泄漏檢測(cè)儀設(shè)計(jì) 學(xué) 院 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 電氣 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 成 績(jī) 2013年X月X日 摘 要 管道運(yùn)輸已經(jīng)成為我國輸油事業(yè)的主要運(yùn)輸方式，主要是因?yàn)檫@種運(yùn)輸方式廉價(jià)的原因。但是，由于人為或者管道自身材料而被腐蝕的原因，管道泄漏時(shí)有發(fā)生。目前，檢測(cè)輸油管道的方法多鐘多樣，而負(fù)壓波泄漏檢測(cè)和定位方法無需建立管道模型，只需對(duì)輸油管道壓力信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，因而得到了較為廣泛的應(yīng)用。但是由于往往有大量的噪聲附帶在采集的信號(hào)中以及被測(cè)管道和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況復(fù)雜，因而嚴(yán)重影響了結(jié)果的正確性。 為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了這一套

2、系統(tǒng)，該系統(tǒng)將流量平衡法、音波測(cè)漏法和負(fù)壓波法結(jié)合起來，適用于原油集輸管線及原油長(zhǎng)輸管線的泄漏檢測(cè)。這種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸油管道壓力、流量、溫度等數(shù)據(jù)的檢測(cè)。本設(shè)計(jì)首先分析了負(fù)壓波的產(chǎn)生以及傳播，然后分析了負(fù)壓波的計(jì)算以及溫度等因數(shù)對(duì)負(fù)壓波波速的影響。本設(shè)計(jì)主要研究了通過采集管道泄漏的信息實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)定位以及管道數(shù)據(jù)采集的硬件方面的研究。 關(guān)鍵詞：定位；泄漏檢測(cè)；負(fù)壓波法；輸油管道 Abstract Pipeline transportation of oil for its cheap and convenient has been the main form of oil transport

3、in China. However，because corrosion, as well as vandalism and other factors, the pipeline leakages occurred frequentlyAt present，there are so many means of localization of leakageThe negative pressure wave method of leak detection and location can work with out establishing a pipeline model，so it ha

4、s been more widely usedHowever，the scene environment is complex，and signal acquisition is often attached to a large number of noisesThe accuracy of the results is seriously affected by them Thus.It is devised a system which combines with Flow balance method sonic leak detection method and negative p

5、ressure wave method and is available for the Crude oil gathering pipeline and long distance crude oil pipeline leak detection.it also makes the detection of Crude Oil Pipeline of running parameters of temperature, flow, pressure, sound waves come into reality. Thesis analyzes the laws of negative pr

6、essure wave propagation，methods of calculating wave velocity and the impacts of temperature on velocityThis design is mainly studied how to extract the pipeline leakage signal，and achieve to put forward the signal in drawing the systematic software and hardware. Key words: Locate; Pipeline; Negative

7、 pressure wave; Leak detection 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 選題的意義及實(shí)際應(yīng)用方面的價(jià)值 1 1.2 本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1 1.3 課題研究的內(nèi)容及擬采取的方法 1 第2章 輸油管道泄漏檢測(cè)方法 3 2.1 負(fù)壓波的產(chǎn)生與特點(diǎn) 3 2.2 輸油管道模型 4 2.3 負(fù)壓波泄漏檢測(cè)定位原理 6 第3章 管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 3.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 11 3.2 系統(tǒng)硬件各功能模塊構(gòu)建 11 3.2.1 主控單元 11 3.2.2 信號(hào)采集模塊 13 3.2.3 無限通信GPRS模塊 15 3.2.4 電源

8、模塊 16 第4章 管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 17 4.1 系統(tǒng)軟件總體介紹 17 4.2 系統(tǒng)軟件各功能模塊設(shè)計(jì) 17 4.2.1 數(shù)據(jù)讀取及處理中A/D轉(zhuǎn)換的軟件設(shè)計(jì) 17 4.2.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘的軟件設(shè)計(jì) 18 第5章 噪聲對(duì)音波信號(hào)的影響及解決方法 19 5.1 噪聲信號(hào)對(duì)音波信號(hào)的影響 19 5.2 小波變換理論 19 5.3 基于小波變換的濾波方法 20 5.3.1 小波變換消噪理論 20 5.3.2 基于小波變換的濾波方法 21 結(jié)論 24 參考文獻(xiàn) 25 附錄 26 致謝 27 第1章 緒 論 1.1 選題的意義及實(shí)際應(yīng)用方面的價(jià)值 輸油管道檢測(cè)對(duì)于保障輸油管道正常運(yùn)行具有十分重

9、要的意義。輸油管道停輸?shù)闹饕蚓褪枪艿佬孤Ｔ诋?dāng)今社會(huì)，由于罪犯打孔盜油和管道腐蝕穿孔的原因，輸油管道泄漏事故經(jīng)常發(fā)生，輸油事業(yè)因此受到了巨大的損失，社會(huì)環(huán)境也因此受到污染。因此，設(shè)計(jì)一套對(duì)石油管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)十分必要。不僅可以挽回國家財(cái)產(chǎn)損失還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取有效措施最大限度的保護(hù)生態(tài)環(huán)境不受污染。 本設(shè)計(jì)在分析現(xiàn)有管道測(cè)量方法的基礎(chǔ)上不破壞管道的完整性，不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的前提下，通過非接觸式對(duì)系統(tǒng)的多個(gè)臨時(shí)部位的壓力檢測(cè)，設(shè)計(jì)出一套輸油管道泄漏檢測(cè)儀。用這種儀器可實(shí)現(xiàn)管道壓力的無損檢測(cè)，具有不破壞管道內(nèi)流體流場(chǎng)、無壓力損失、測(cè)量能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景

10、。 1.2 本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 本設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容已經(jīng)普片應(yīng)用在國外。美國等發(fā)達(dá)國家立法要求管道運(yùn)輸必須有相關(guān)的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。輸油管道檢漏方法主要有：硬件方法和軟件方法。硬件方法主要包括氣體、直觀、壓力和聲學(xué)傳感器。攜帶氣體采樣器沿著管道進(jìn)行檢測(cè)是氣體采樣的方法。使用溫度傳感器對(duì)泄漏處的溫度進(jìn)行采樣，分析溫度的變化是直觀檢測(cè)的方法，將多傳感器電纜沿著管道進(jìn)行鋪設(shè)就是采用了直觀傳感器進(jìn)行檢測(cè)的一種方法。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，會(huì)有液體從管道流出，這時(shí)會(huì)有聲音發(fā)出，液體的物理性質(zhì)決定了聲波在管道中的傳播速度。檢測(cè)這種波的波速就是利用了聲波傳感器。由SCADA系統(tǒng)提供的溫度，流量等數(shù)據(jù)，然后在通過

11、其變化以及壓力點(diǎn)的分析和動(dòng)力模型的方法進(jìn)行檢測(cè)便是軟件方法。管道運(yùn)輸?shù)陌踩趪庖训玫搅酥匾?，而且，泄漏技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。應(yīng)用范圍也比較廣1。 目前，我國油田大多是長(zhǎng)距離輸油管道。而且，大多沒有安裝泄漏自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，主要的檢測(cè)方式是人工沿管道巡視，人工讀取管道中的數(shù)據(jù)。在這種情況下，管道的運(yùn)行安全得不到保障。從九幾年開始我國長(zhǎng)距離的輸油管道檢測(cè)系統(tǒng)的研究已經(jīng)有一定的發(fā)展，在最近幾年有了突破性的進(jìn)展。 1.3 課題研究的內(nèi)容及擬采取的方法 本設(shè)計(jì)主要采用的是負(fù)壓波法。當(dāng)長(zhǎng)輸管道發(fā)生泄漏時(shí)，管道的泄漏會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)外的壓差，使得泄漏處的壓力突降，由于壓差的存在，泄漏處周圍的液體會(huì)向泄漏處補(bǔ)充，負(fù)壓波

12、因此產(chǎn)生。這個(gè)波動(dòng)會(huì)從泄漏點(diǎn)向上、下游傳播，并以指數(shù)律衰減，逐漸歸于平靜，這種壓降波動(dòng)是幾乎垂直的前緣，與一般的波動(dòng)不太一樣。這種瞬變的壓力信息通過管道兩端的壓力傳感器進(jìn)行接收，從而判斷泄漏的發(fā)生。測(cè)量泄漏點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓波到達(dá)上、下游的時(shí)間差以及此波動(dòng)的傳播速度可以有效的計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置，在下一章中將具體的進(jìn)行研究。較快的響應(yīng)速度和較高的定位精度便是選擇研究負(fù)壓波的原因。本課題著重進(jìn)行了以下幾方面的研究工作： 1提出了輸油管道非接觸式壓力測(cè)量的思想，并合理的采用了利用負(fù)壓波法測(cè)量管道泄漏的方法。 2使用負(fù)壓波泄漏檢測(cè)與定位方法，研究通過負(fù)壓波定位泄漏點(diǎn)，以及影響負(fù)壓波傳播的原因。 3研究壓力變

13、送器，溫度變送器，流量傳感器等設(shè)備對(duì)信號(hào)的采集，傳送。 4根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)了輸油管道泄漏檢測(cè)的硬件系統(tǒng)，包括傳感器、主控單元和GPRS等。 第2章 輸油管道泄漏檢測(cè)方法 2.1 負(fù)壓波的產(chǎn)生與特點(diǎn) 輸油管道因?yàn)槎喾矫娴脑蛞l(fā)泄漏，立刻會(huì)有流體從泄漏部分流出，這種反應(yīng)會(huì)將滲漏地方的壓強(qiáng)大小，從而油密立即引起改變。輸油管道里的原油因?yàn)椴婚g斷性不可能馬上變化速度大小，因?yàn)樵驮跐B漏處與鄰近的周圍方位的壓強(qiáng)不同引起原油自上游地區(qū)把滲漏區(qū)域補(bǔ)充上，因此又該導(dǎo)致和滲漏地方毗鄰的地方的油密和壓強(qiáng)的下降。該問題導(dǎo)致滲漏地方發(fā)生大面積蔓延，該現(xiàn)象在水利工程學(xué)上別叫做負(fù)壓波，該波的傳遞速率別定義為在輸油管

14、道中的傳遞速率。 管道的泄漏指標(biāo)，在外因的影響下，運(yùn)行速度快，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行距離遠(yuǎn)。但是在傳感器的感知下，還是可以被捕捉發(fā)現(xiàn)的。通過傳感器的感知只可知道可以測(cè)出指標(biāo)的速率和位置。但指標(biāo)的速率在不同的環(huán)境下運(yùn)行是不同的。在一些油中傳播的速率可達(dá)1100-1300m/s。由于傳播速率超強(qiáng)，因此在管道漏油時(shí)可以迅速被發(fā)現(xiàn)，并迅速得到處理。保障了人身和財(cái)產(chǎn)損失2。鑒別漏油指標(biāo)的大小范圍，就顯得尤為重要。如果對(duì)漏油指標(biāo)處理得好，也會(huì)獲得很好的經(jīng)濟(jì)利益，在發(fā)生漏油事故時(shí)要正確恰當(dāng)處理。并且還應(yīng)該提高檢測(cè)技術(shù)，減少漏油事故的發(fā)生4。針對(duì)泄漏時(shí)壓力傳播現(xiàn)象的某些特征，可以采取適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?。如果知道輸油管線

15、的一些具體物理參數(shù)，就可以通過這些物理參數(shù)再加上壓力的速度和波形就能找出哪里出現(xiàn)漏油。由于漏油時(shí)管道壓力和壓強(qiáng)的變化劇烈，與普通認(rèn)為無操作引起的壓力和壓強(qiáng)相差甚大，所以認(rèn)為操作失誤還是管道本身泄露是能被鑒別出來的。 當(dāng)輸油管線在距首端x處發(fā)生泄漏時(shí)，由于壓力差的原因，該點(diǎn)的壓力會(huì)降低從而產(chǎn)生壓力波動(dòng)，這個(gè)壓力降p以負(fù)壓波的形式向管道兩端傳播，p向首端的傳播速度為v-u，向末端的傳播速度為v+u。 管道泄漏產(chǎn)生的壓力波水擊壓力波u類似，壓力值也會(huì)隨著液體流速的瞬時(shí)變化而變化，流速和壓力降的關(guān)系見式(2-1)：p= (2-1) 式中： 由于液體流速瞬時(shí)變化引起的壓力變化 v負(fù)壓波在該管路中的傳播速

16、度(m/s) r液體的重度（kgf/m3）;g重力加速度(m/s2) u突然改變后的液體流速(m/s) u正常輸油時(shí)液體的流速(m/s) 2.2 輸油管道模型 在輸送高凝點(diǎn)、高黏度和高含蠟原油時(shí)，一般都需要加熱輸送；而當(dāng)管道輸送成品油和低凝點(diǎn)、低黏度原油時(shí)，則一般采用常溫輸送的方式進(jìn)行。管道輸送的總流程可以大致分為油田內(nèi)部或油田之間相互輸送、各個(gè)儲(chǔ)油、加工油工廠之間相互輸送、加油站各個(gè)用油廠之間的相互輸送、各個(gè)學(xué)校、工廠政府、企業(yè)之間的相互輸送，輸送管道四通八達(dá)，為成品油輸送渠道提供便利。通常是加油站之間或者各個(gè)加油站之間進(jìn)行油的調(diào)度運(yùn)輸。加油站的輸送設(shè)備對(duì)輸油的速度有很大影響。輸油管道的開頭

17、是第一站，在第一站輸油管道需要經(jīng)歷一系列程序才能進(jìn)入下一站，在這一站中對(duì)輸油設(shè)備進(jìn)行一些預(yù)處理，該加熱就加熱，該輸送就輸送，把初級(jí)品質(zhì)的油送到下一站。除去管道的開頭和結(jié)尾就是第二站，第二站是第一站的深加工，將第一站運(yùn)來的油進(jìn)行加壓、加溫處理，這一站對(duì)輸油的設(shè)備有很高要求，需要經(jīng)常對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)避免發(fā)生事故影響油的運(yùn)輸，也可以避免造成人身和財(cái)產(chǎn)損失。最后一站是第三站，在管道的結(jié)尾處或者說是管道的末梢處。第三站是輸油管道最重要的一站，如果在這個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)事故，后果不堪設(shè)想。這一站也是油、管道、運(yùn)輸?shù)墓?jié)點(diǎn)。在這一站中，如果有要求有的各個(gè)品質(zhì)，就需要對(duì)油進(jìn)行各種預(yù)處理包括對(duì)油進(jìn)行加溫、加壓后再根據(jù)要

18、求，往各有需求的地方運(yùn)送。輸油管道模型圖如圖1-1所示。對(duì)于用油最多的地方，比如加油站，在加油站用管道的第一站響應(yīng)對(duì)應(yīng)仿效加油站的輸入口。在加油站有管道的第三站也就是末梢位置的那一環(huán)節(jié)作為加油站輸出油的輸出口。管道的第二站也就相應(yīng)的和加油站的中間環(huán)節(jié)相對(duì)應(yīng)。不同加油站，由于各個(gè)影響因素不同所以運(yùn)來的油的氣溫，氣壓也不一樣，根據(jù)實(shí)際情況各個(gè)加油站可以進(jìn)行微調(diào)。在選擇在哪里建造管道，也就是運(yùn)油管道選址時(shí)，不用地方不同地形，不同資源都會(huì)對(duì)管道選址有影響。因此管道位置選址是要具體問題具體分析。如果管道選址選的好，不僅有利于油的輸送，也有利于油的生產(chǎn)配送安全。因此在管道生產(chǎn)、加工、輸送還有管道安全維護(hù)方

19、面選址的好壞至關(guān)重要56。 圖1-1輸油管道系統(tǒng)流程圖 輸油管道中油體的流動(dòng)可以當(dāng)做為一元流體流動(dòng)，而流體的流動(dòng)也要滿足能量守恒、質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒等基本規(guī)律。因此，液體在輸油管道中流動(dòng)的模型可以根據(jù)流體力學(xué)來建立，其中包括動(dòng)量方程、連續(xù)性方程和能量方程，流體中的溫度、壓力流量等量之間的關(guān)系可以通過方程來表述出來，這些方程如下述公式(2-2)，(2-3)，(2-4)所示： (2-2) (2-3) (2-4) 式中 介質(zhì)密度，單位kg/m 管道與水平面問的傾角 p管內(nèi)壓力，單位pa C油品比熱容，單位J/(kgK) T油品溫度，單位K g重力加速度，單位m/s D管道內(nèi)徑，單位m t時(shí)間變量，單

20、位s K熱油管道的總熱傳遞系數(shù)，單位W/(mk) V介質(zhì)流速，單位m/s T地溫，單位K x管道位置變量，單位m 管道水力摩阻系數(shù) 2.3 負(fù)壓波泄漏檢測(cè)定位原理 負(fù)壓波定位原理示意圖2-2如下，設(shè)發(fā)生泄漏時(shí)刻為t(s)，t(s)，即負(fù)壓波傳播到管道上、下游傳感器時(shí)，傳感器捕捉到負(fù)壓波到達(dá)時(shí)的時(shí)間；設(shè)管道上下游之間的距離為L(zhǎng)(m)；泄漏點(diǎn)到管道上游的距離X(m)；負(fù)壓波傳播速度為v(m/s)。 圖2-2管線泄漏示意圖 可以看出：t+t= (2-5) t-t=t (2-6) X=tv。 (2-7) 整理后得到傳統(tǒng)定位公式： X= (2-8) 由上式可以看出，利用負(fù)壓波法定位主要是獲取負(fù)壓波傳播到

21、上下游的時(shí)間t以及負(fù)壓波的波速v。由于輸油管道內(nèi)液體的流速對(duì)負(fù)壓波的波速有一定的影響，修正上面的公式，將管道液體流速u引入公式。有以下方程： (2-9) 將上式代入式(2-8)，得到了修正之后的負(fù)壓波定位公式：X= (2-10) 通過對(duì)負(fù)壓波定位公式(2-10)的分析和對(duì)管道的分析可知，負(fù)壓波法檢測(cè)定位的關(guān)鍵在于以下幾點(diǎn)：(1)負(fù)壓波在管道中轉(zhuǎn)播的速度的確定。 (2)負(fù)壓波產(chǎn)生后會(huì)沿著管道向管道上下游傳播，確定負(fù)壓波傳播到管道上下游的時(shí)間差是負(fù)壓波檢測(cè)的關(guān)鍵。 (3)輸油管道進(jìn)行越站、調(diào)閥、調(diào)泵、反輸?shù)炔僮鲿r(shí)，也會(huì)有負(fù)壓波產(chǎn)生，這種負(fù)壓波會(huì)對(duì)管道泄漏引起的負(fù)壓波產(chǎn)生影響。如何消除這種負(fù)壓波的影

22、響也是負(fù)壓波檢測(cè)的關(guān)鍵。 在一般的負(fù)壓波檢測(cè)定位的方法中，負(fù)壓波在輸油管道中傳播的速度v一般被定為常值。但是，實(shí)際上，負(fù)壓波的傳播速度并不是常數(shù)，而是由以下式子所決定：v(x)= (2-11) 公式(2-11)中 v管內(nèi)負(fù)壓力波的傳播速度，單位m/s E管材的彈性模量，單位pa K液體的體積彈性系數(shù)，單位pa e管壁厚度，單位m 液體的密度，單位kg/m C與管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù) D管道直徑，單位m 實(shí)際中，上式(2-11)中的液體密度以及彈性系數(shù)K等參數(shù)還受到油體溫度的影響。因此，加入溫度這個(gè)參數(shù)，波速的公式可以表示為形式。如式：v(x)= (2-12) 上述公式(2-12)表明液體的

23、密度、液體的彈性系數(shù)以及管材的彈性變形影響著負(fù)壓波在管道中的傳播速度。即負(fù)壓波的傳播速度與液體的類型和管道的性質(zhì)有關(guān)，而管道壁的材料變形特性以及管道壁的彈性決定了管道的性質(zhì)。而管道管道的約束條件、管道的一個(gè)無因次比值以及管道橫截面形狀決定了管道壁的材料變形特性。對(duì)于圓形管道而言，無因次比值為管道的直徑與管道壁的厚度之比(D/e)。而管道的體積彈性系數(shù)又隨著流體的壓力、溫度、品種的不同而不同。一下是對(duì)上述提到的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究：1 液體的體積彈.性系數(shù)K 液體隨著外界壓力的變化，液體的體積也發(fā)生變化即為液體的體積彈性系數(shù)。在下表2-l為幾種液體的體積彈性系數(shù)隨著溫度的變化而變化的數(shù)據(jù)。由下表可以

24、看出烴類液體的體積彈性系數(shù)隨著溫度的變化而變化。溫度越高，其體積彈性系數(shù)越小，溫度越低，其體積彈性系數(shù)越大。而原油的主要成分就是烴類液體。 以下是壓縮系數(shù)的計(jì)算公式，壓縮系數(shù)的倒數(shù)等于液體的體積彈性系數(shù)K的值：1n(F10)=051992+0.0023662T+846596/+2366.7T/ (2-13) 公式(2-13)中：T溫度，單位 標(biāo)準(zhǔn)密度，=，單位kg/m F壓縮系數(shù)，單位pa 表2-1 幾種液體的體積彈性系數(shù) 液體名稱 體積彈性系數(shù)105 20 30 40 50 90 水 23500 22100 21800 24400 22300 22350 丙烷 1750(1800) 1370

25、(1400) 1050(1060) 750(730) 丁烷 3560(3650) 3020(3080) 2510(2560) 2130(2170) 汽油 9060(9530) 7600(7750) 煤油 13650 12020 13950 12050 潤滑油 15650 13070 15930 14050 2原油密度 原油密度與壓力和溫度有關(guān)，但是由于原油是液體，壓力對(duì)其影響不是很大，溫度對(duì)其影響卻剛好相反。其密度隨溫度變化的公式如下：（T）=-(T-20) (2-14) 式中：(T) T是原油密度，單位kg/m 原油的體積膨脹系數(shù)(=1.825-0001315)，單位kg/(m) 20時(shí)原油

26、的密度，單位kg/m 由式(2-14)可見，原油溫度越低，原油密度越大；原油溫度越高，原油密度越小。 按照wylie的觀點(diǎn)，管道的約束條件可以分為以下三類：(1)管道只固定在管道的上游；(2)直接將管道固定住，使管道不能移動(dòng)；(3)全部采用膨脹接頭連接管道；對(duì)應(yīng)地修正系數(shù)C，可取為下列值：(1)C=1- (2) C=1- (3) C=1 (為管材的泊松系數(shù)) 對(duì)于厚壁彈性管來說按照wylie的觀點(diǎn)，當(dāng)厚壁管情況時(shí)，即D/e>25。管壁內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力明顯不同的管道即是厚壁管，由于管壁應(yīng)力分布不均的原因，管道的變形特性也隨之改變，波速方程也因此而變得復(fù)雜。分析研究表明，基本波速方程可以對(duì)管道壁

27、進(jìn)行使用，但是需要對(duì)系數(shù)C進(jìn)行修正。 以下公式分別對(duì)應(yīng)上面的三種情況：(1) C=+ (2-15) (2) C=+ (2-16) (3) C=+ (2-17) 地下輸油管道.屬于式(2-16)所示情況，這里取030。 表2-2 常用材料彈性模量和泊松系數(shù) 名稱 彈性模量E 泊松系數(shù) 鋼 206.8 0.30 球墨鑄鐵 165.4 0.27 銅 110.2 0.36 鋁 72.5 0.34 石棉水泥 23.2 0.30 混凝土 30106 0.080.18 橡膠 0.07 0.45 考慮到溫度對(duì)波速的影響，泄漏點(diǎn)x處的負(fù)壓波傳播到管道首末端的時(shí)間分別如下所示：t=，t= (2-18) 由于負(fù)壓波

28、在管道中的傳播速度與管道距離變化的函數(shù)表達(dá)式v(x)比較復(fù)雜，因此，很難得到負(fù)壓波波速的解。而差值是可檢測(cè)到的值，為了確定泄漏點(diǎn)的位置x，可采用細(xì)分的搜索方法。考慮到v(x)是連續(xù)變化的；如果速度v為常數(shù)，對(duì)于測(cè)得的時(shí)間差t，將負(fù)壓波到達(dá)管道上游的速度代入定位公式可以得到一個(gè)泄漏點(diǎn)x，將負(fù)壓波下游的速度代入得到泄漏點(diǎn)位置可以得到x，那么負(fù)壓波的泄漏地點(diǎn)必然在x 與x之間。利用細(xì)分搜索算法計(jì)算出，然后計(jì)算出y=|-|(為實(shí)測(cè)到的時(shí)間差)，逐次計(jì)算的值，負(fù)壓波泄漏點(diǎn)x即為最小的值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)所指出的位置。 第3章 管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)是將采集的數(shù)據(jù)通過

29、主控單元，再通過GPRS傳送到工控機(jī)中進(jìn)行分析處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位。本設(shè)計(jì)主要研究的是數(shù)據(jù)的采集以及傳送階段。通過GPRS將管道兩側(cè)信號(hào)傳入上位機(jī)的時(shí)間t，t，我們可以確定差值。由于負(fù)壓波的傳播速度與液體內(nèi)型和管道性質(zhì)有關(guān)，因此通過對(duì)管壁材料的彈性系數(shù)和變形特征、液體的彈性系數(shù)、原油密度以及溫度的分析能夠確定某一時(shí)刻負(fù)壓波的傳播速度，這一點(diǎn)在上一章中已做了詳細(xì)的介紹。 系統(tǒng)硬件電路部分主要包括主控單元、信號(hào)采集模塊、電源模塊和無線通信GPRS模塊。信號(hào)采集模塊又包括壓力采集模塊，流量采集模塊和溫度采集模塊。系統(tǒng)的總體框圖如圖3-1所示： 圖3-1 系統(tǒng)硬件總體框圖 3.2 系統(tǒng)硬件各功

30、能模塊構(gòu)建 3.2.1 主控單元 主控單元采用51系列單片機(jī)AT89C51。AT89C51單片機(jī)內(nèi)ROM是FLASH存儲(chǔ)器，以獲得廣泛的應(yīng)用80C51兼容，采用靜態(tài)邏輯設(shè)計(jì)，操作頻率范圍寬，具有兩個(gè)軟件選擇的節(jié)能模式。 AT89C51單片機(jī)具有極為很高的使用屬性?？砷W存，可更改內(nèi)容，而且使用的是36V以內(nèi)的電壓，使用時(shí)安全系數(shù)很高。而且功能強(qiáng)大，實(shí)用性很好，被廣為使用。還有一種單片機(jī)是89C2051性能也很好，但是比AT89C51性能要弱，實(shí)用性也較差。單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小，價(jià)格低廉，易儲(chǔ)存，制造技術(shù)簡(jiǎn)單，而且與別程序或原件容錯(cuò)率也很好?？梢哉fAT89C51在一定程度上加快了微型計(jì)算機(jī)的進(jìn)程。

31、 1、主要性能指標(biāo)： (1)它和MCS-51單片機(jī)相容 (2)4KB的可控制邏輯閃存 (3)使用限度：一千寫每擦來轉(zhuǎn)換 (4)信息存根時(shí)限：十年 (5)完全靜止?fàn)顟B(tài)工作周期：024Hz (6)四級(jí)系統(tǒng)閃存鎖緊 (7)有128*8位的內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)器 (8)32可控制輸入/輸出總線 (9)有2個(gè)十六位的內(nèi)部中斷計(jì)時(shí)器 (10)5個(gè)內(nèi)部中斷電源源 (11)可控制串行通訊 (12)小功率的擺置與去電方式 AT89C51的最小系統(tǒng)如圖3-2： 圖 3-2 AT89C51的最小系統(tǒng)圖 3.2.2 信號(hào)采集模塊 1.傳感器的選用原則 傳感器的作用是將聲音，溫度等非電物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。它主要通過各種

32、物理、化學(xué)和生物效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)它的作用，并且有相關(guān)的定律來約束它。傳感器的選擇有以下幾點(diǎn)原則9：(1)傳感器具有足夠的容量，這樣使得傳感器的工作范圍變寬，并且當(dāng)傳感器過載時(shí)不會(huì)被損壞。 (2)傳感器要與需要檢測(cè)、控制的系統(tǒng)良好的匹配，轉(zhuǎn)換的速度快，輸出的信號(hào)要與輸入的信號(hào)相對(duì)應(yīng)。 (3)傳感器要在保證其穩(wěn)定性的前提下保證其精度，使其能正常的工作，靜態(tài)響應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。 (4)傳感器要有較快的反應(yīng)速度，使其在工作時(shí)不會(huì)出偏差。 (5)在使用技巧，經(jīng)濟(jì)成本等方面全面分析傳感器的性價(jià)比，看看是否合適。 2.壓力信號(hào)采集模塊 壓力傳感器采用DJ20B型壓力傳感器。DJ20B型壓力傳感器采用

33、進(jìn)口不銹鋼隔離膜片的高精度、高穩(wěn)定性的芯片組裝，產(chǎn)品經(jīng)過精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)不銹鋼殼體的全密封焊接工藝制造，輸出信號(hào)為05VCD。適用于氣體、液體、蒸汽壓力的測(cè)量及具有腐蝕性介質(zhì)的壓力測(cè)量。 此模塊中壓力信號(hào)來源于壓力傳感器。其輸入信號(hào)為420mA電流。傳感器輸入的信號(hào)為電流信號(hào)，在對(duì)此信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，需要將此信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。然后采用外部AD轉(zhuǎn)換器件對(duì)轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)進(jìn)行采集。電路系統(tǒng)分兩部分組成：信號(hào)處理電路及電壓信號(hào)采集電路。電路圖如圖3-3所示： 圖3-3 壓力采集模塊電路圖 其中，在電路的緩沖部分，為了減少“自動(dòng)”啟動(dòng)誤觸發(fā)的可能性，提高系統(tǒng)的輸入阻抗，減少對(duì)被測(cè)信號(hào)的衰減影響等諸方面考

34、慮，采用電壓跟隨器。 而在電壓信號(hào)AD電路中采用AD7684芯片。AD7684是一個(gè)16位差分輸入的AD轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)為低電平時(shí)AD7684將采用差壓的方式在兩輸入端進(jìn)行采樣。此時(shí)，當(dāng)DK不斷的得到脈沖信號(hào)時(shí)，Vo將不斷的輸出數(shù)據(jù)。而且此芯片所需的電源范圍為2.7V到5.5V。主控單元通過PF1控制對(duì)AD7684進(jìn)行選擇；通過PF3向AD7684提供串行數(shù)據(jù)發(fā)送脈沖；通過PF2讀取AD7684的串行數(shù)據(jù)。 3.流量信號(hào)采集模塊 在此模塊中，流量傳感器采用CMZ1-GF100-80。該傳感器有以下特點(diǎn)：(1)沒有可動(dòng)部件，構(gòu)造簡(jiǎn)單而牢固，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠，使用壽命長(zhǎng)。 (2)壓力損失較小，測(cè)量范圍寬、

35、測(cè)量精度較高。 (3)適用范圍廣，可用于液體、氣體、蒸汽的流量測(cè)量，氣液通用。 (4)輸出脈沖信號(hào)，便于同計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用。 (5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、維護(hù)方便、安裝費(fèi)用較低。 流量信號(hào)為脈沖信號(hào)。對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，首先對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理，使其轉(zhuǎn)化為規(guī)則的脈沖信號(hào)，以防止發(fā)生電平抖動(dòng)，影響采集結(jié)果。隨后將經(jīng)處理后的脈沖信號(hào)接入單片機(jī)中。此模塊的電路圖如圖3-4所示： 圖3-4 流量信號(hào)采集模塊電路圖 4溫度信號(hào)采集模塊 在此模塊中，溫度傳感器采用YY-W200一體化溫度變送器，該傳感器具有集溫度檢測(cè)與信號(hào)處于一體，標(biāo)準(zhǔn)接插件出線，體積小巧，線性化輸出15V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。此傳感器在電力、橡膠、石

36、油、化工、醫(yī)藥、食品、紡織、建材、冶金等自動(dòng)化檢測(cè)與控制領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。該傳感器具有以下特點(diǎn)：(1)抗干擾能力強(qiáng) (2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便 (3)小型化，使用壽命長(zhǎng) 溫度信號(hào)為420mA的電流信號(hào)。對(duì)溫度信號(hào)采集時(shí)，首先將傳感器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后通過外部AD轉(zhuǎn)換器件對(duì)轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)進(jìn)行采集。此模塊的電路圖如圖3-5所示： 圖3-5 溫度信號(hào)采集模塊電路圖 3.2.3 無限通信GPRS模塊 GPRS是分組交換技術(shù)，具有“高速”和“永久在線”的優(yōu)點(diǎn)。GPRS允許用戶端在端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無限分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。隨

37、著無限數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的迅速發(fā)展，GPRS已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)無限數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最佳承載方式。本課題GPRS模塊采用西門子的MC52i芯片。 1.GPRS模塊芯片MC52i 本課題選用的GPRS模塊是西門子的MC52i。 GPRS模塊MC52i的特性：(1)體積小、重量輕、低功耗 (2)支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真 (3)SIM應(yīng)用數(shù)據(jù)包 (4)音頻：最高速率，升級(jí)最高速率和半速率 (5)帶TCP/IP協(xié)議棧 (6)便于集成 (7)支持電壓范圍：3.3至4.8V (8)環(huán)境溫度：-20+55 (9)數(shù)據(jù)特征：CSD最大達(dá)到14.4kbps、USSD、不透明模式 2. GPRS模塊電路圖 GPRS模塊和單片機(jī)之

38、間的數(shù)據(jù)通信主要是通過端口TXD0與TXD之間。RXD0與RXD之間的數(shù)據(jù)傳輸完成。其中GPRS模塊上的TXD0口是用于接收從單片機(jī)上傳來的數(shù)據(jù)，而單片機(jī)上的TXD端口是用于向GPRS模塊傳送數(shù)據(jù)的。GPRS上的RXD0口是用來向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的，單片機(jī)上的RXD口用來接收從GPRS模塊傳來的數(shù)據(jù)。GPRS模塊電路圖如圖3-6： 圖3-6 GPRS模塊連接圖 3.2.4 電源模塊 此模塊向系統(tǒng)提供5V的電壓，采用LM2593HVS來實(shí)現(xiàn)這一功能。LM2593HVS的輸入電壓為+12V。此模塊的電路圖如圖3-7所示： 圖3-7 電源模塊電路圖 第4章 管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)軟件總

39、體介紹 在進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合在一起考慮。當(dāng)硬件部分明確后，軟件部分以硬件部分為基礎(chǔ)，軟件部分的具體內(nèi)容也就隨著產(chǎn)生。 系統(tǒng)的軟件通?？梢苑譃閮?nèi)部系統(tǒng)軟件和外部系統(tǒng)軟件兩大類。其中外部系統(tǒng)軟件可以對(duì)文件進(jìn)行模擬、復(fù)印、輸出。而內(nèi)部系統(tǒng)軟件的作用就是用來對(duì)文件進(jìn)行檢索、復(fù)制、協(xié)調(diào)各種程序之間的聯(lián)系，也可以對(duì)文件進(jìn)行檢查，預(yù)處理文件等作用。 本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件包括：系統(tǒng)初始化、信號(hào)讀取及處理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及數(shù)據(jù)發(fā)送。系統(tǒng)的總體框圖如圖4-1所示： 圖4-1 系統(tǒng)軟件總體框圖 4.2 系統(tǒng)軟件各功能模塊設(shè)計(jì) 4.2.1 數(shù)據(jù)讀取及處理中A/D轉(zhuǎn)換的軟件設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換的

40、軟件流程圖，如圖4-2所示： 4-2 A/D轉(zhuǎn)換軟件流程圖 4.2.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘的軟件設(shè)計(jì) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘的的軟件流程圖，如圖4-3所示： 圖4-3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘軟件流程圖 第5章 噪聲對(duì)音波信號(hào)的影響及解決方法 5.1 噪聲信號(hào)對(duì)音波信號(hào)的影響 當(dāng)輸油管道發(fā)生泄漏時(shí)，我們可以在輸油管道的首尾端采集到與泄漏有關(guān)的音波信號(hào)。準(zhǔn)確的定位泄漏點(diǎn)的關(guān)鍵在于負(fù)壓波波速的確定以及準(zhǔn)確提取負(fù)壓波到達(dá)管道兩端接收器的時(shí)間差。而準(zhǔn)確確定音波傳播到管道兩端的時(shí)間差的關(guān)鍵是能夠及時(shí)捕捉到負(fù)壓波的到達(dá)時(shí)刻。但是，由于在管道處于運(yùn)行的過程中有著許多的問題，其中包括大量的干擾信號(hào)，在采集著音波信號(hào)的同時(shí)還會(huì)采集到大量的噪聲信號(hào)。在

41、本次設(shè)計(jì)中，我將會(huì)使用小波濾波技術(shù)來解決噪聲信號(hào)干擾的問題 10，通過這種技術(shù)，可以將正確的音波信號(hào)從采集到的混有噪聲信號(hào)的信號(hào)中采集出來。 5.2 小波變換理論 小波分析是一種數(shù)學(xué)工具，它是對(duì)時(shí)間和頻率局網(wǎng)域變換的關(guān)系的確定和處理方法。與Fourier變換、視窗傅立葉變換比較而言，小波變換分析在信號(hào)處理上具有明顯的優(yōu)越性。在時(shí)域，頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行多層分解和多尺度分析使用小波分析是再合適不過的了。 設(shè)f(t)是平方可積的函數(shù)，(t)是被稱為基本小波或母小波的函數(shù)。連續(xù)小波變換(CWT)的定義為：CWT（a,b）=()dt a0 (5-1) (t)=是基本小波的位移和尺度伸縮；在公式(5-1)中t

42、和a還有b都是連續(xù)性變量，因此又稱為連續(xù)小波變換。 如果要對(duì)信號(hào)重構(gòu)，則必須滿足允許條件 C= (5-2) 在滿足允許條件時(shí)反變換存在 s(t)= (5-3) 小波函數(shù)的時(shí)域分辯率為at，頻域分辯率為，其乘積與a無關(guān)，這說明也遵循不確定原理。但是，其特點(diǎn)是品質(zhì)因數(shù)為常數(shù)Q=，即雖然不能同時(shí)獲得高的時(shí)域或頻域分辨率，但分辨率是隨尺度a變化的，即能夠?qū)崿F(xiàn)高頻的頻率分辨率低，低頻的頻率分辨率高，這是做信號(hào)處理所希望的。仔細(xì)點(diǎn)說，時(shí)間軸上的考查范圍是隨著a值的變化而變化的。當(dāng)a值增大時(shí)，觀察范圍也擴(kuò)大，這樣在頻域上我們就是用低頻率小波做大致觀察，也就是低分辨率觀察頻域波形，而當(dāng)a值減小時(shí)，觀察范圍就隨

43、之減小，這時(shí)我們?cè)陬l域上以高分辨率觀察頻域波形，使獲得的波形更加細(xì)致清晰 11。 5.3 基于小波變換的濾波方法 5.3.1 小波變換消噪理論 低通濾波的算法有很多種有對(duì)RC的差分方程，還有加權(quán)平均濾波法，常用的就是卷積法，公式如下：X(n)h(n)= (5-4) x(n) 為數(shù)字信號(hào)，其中h(n)為數(shù)字低通濾波器，n為正整數(shù)。低通濾波對(duì)于信號(hào)中高于截止頻率的信號(hào)進(jìn)行去除，將低于截止頻率的信號(hào)進(jìn)行保留。例如，設(shè)定的信號(hào)頻率最高為1000Hz，在信號(hào)通過低通濾波以后，高于500 Hz的信號(hào)將被去除，而低于500 Hz的信號(hào)將進(jìn)行保留，用于數(shù)據(jù)處理和測(cè)量?？偟膩碚f，低通濾波就是將信號(hào)分成兩部分，高

44、的去除，低的保留。根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，最高頻率為1000Hz的信號(hào)在低通濾波后信號(hào)的最高頻率降低為500Hz，而不是1000Hz。這樣，信號(hào)經(jīng)過簡(jiǎn)單的低通濾波后將違反奈奎斯特準(zhǔn)則16。信號(hào)的尺度因子會(huì)因此而加倍。采樣頻率將會(huì)隨之降低，這種情況下，需要通過在信號(hào)中增加新的采樣點(diǎn)，否則采樣頻率將不符合標(biāo)準(zhǔn)，為了提高采樣頻率，我們?cè)谛盘?hào)中添加的采樣點(diǎn)為0或者是一個(gè)中間值，雖然此時(shí)高頻信號(hào)會(huì)通過低通濾波后被消掉，但是仍然能保持可恢復(fù)的低頻采樣。此時(shí)，對(duì)頻域的時(shí)間軸的觀察范圍與信號(hào)的信息總能量將會(huì)聯(lián)系在一起，所以，信號(hào)的濾波操作受到尺度因子的影響。綜上所述，信號(hào)中的高頻信號(hào)雖然通過簡(jiǎn)單的低通濾波后在對(duì)得到

45、的采樣信號(hào)的影響去除了，但是信號(hào)中所包含的信息量也只剩下一半，因此，信號(hào)的分辨率也降低了，只有原來分辨率的一半。在這種情況下，在子采樣后將尺度因子加倍，仍舊可以使小波變換可逆，所以對(duì)該信號(hào)的低通濾波將由等式(5-5)完成1213。 y(n)= (5-5) 此處的小波變換消噪是基于多尺度小波變換的分解和重構(gòu)。L(R)多尺度分析空間序列Vz, 當(dāng)m充分大時(shí)VL（R），這時(shí)對(duì)任意fL，有ff, f為f在V上的投影。h(2x-n)中，是V生成元，是的標(biāo)準(zhǔn)正交基。其中： （x）= (5-6) V=VW (5-7) ?。簃=0,f=f,則有： V= (5-8) f= (5-9) 對(duì)f V,存在CI，則有：

46、 f= (5-10) C=<f,> (5-11) 由式（5-9）有：f=f+g (5-12) f=f+g (5-13) f=f+g (5-14) 且f=,g=?？赏茖?dǎo)出多尺一維小波分解公式: C= d= (5-15) k=1,2,N 即： (5-16) C,C,，C表示信號(hào)f分解后的低頻部分，,，表示高頻部分。可用,，及C重構(gòu)C，從而得到f=f。 5.3.2 基于小波變換的濾波方法 通過對(duì)小波變換的理論分析后，我們可以得到下面的方法進(jìn)行濾波，小波變換可以進(jìn)行帶通濾波，我們將信號(hào)分為不同的頻帶，也就是將信號(hào)的大小范圍劃分成三個(gè)或更多的范圍，而不像低通濾波那樣僅僅將信號(hào)分成兩個(gè)不同的大

47、小范圍，通過設(shè)定不同的尺度參數(shù)來確定小波空間的大小或?yàn)V波頻帶的帶寬，各小波空間的大小經(jīng)正交小波變換后無交集存在，因此，當(dāng)采集的音波信號(hào)中含有噪聲時(shí)，信號(hào)中的有用的音波成分和噪聲在頻域上會(huì)呈現(xiàn)分離特性，采集到整體信號(hào)通過小波變換后將信號(hào)分到不同的頻帶，這樣處理信號(hào)以后，有用的音波信號(hào)和噪聲信號(hào)將被分離，將帶有噪聲的頻帶信號(hào)置零。通過重構(gòu)算法重構(gòu)除噪后的信號(hào)，小波變換在頻率分辨率要求較高的情況下，將采集到的頻率信號(hào)分成多個(gè)部分，然后逐個(gè)分離，從而更好的取的了濾波的效果 14。小波變換程序流程圖如圖5-1所示： 圖5-1 小波變換仿真流程圖 在實(shí)際應(yīng)用中，噪聲的頻帶范圍很寬，發(fā)生時(shí)間也是隨機(jī)性的，這樣我們采用傳統(tǒng)的方法是很難將其和有用的信號(hào)分離開來的。例如，在本設(shè)計(jì)中，噪聲的信號(hào)受外界環(huán)境的影響隨時(shí)都可能混雜在有用的音波信號(hào)中，而且所采集的音波信號(hào)頻帶范圍較窄。這種情況下我們可以通過信號(hào)的小波包分解，就是將噪聲部分的頻帶刪除，保留所需的頻帶信號(hào)，我們通過更細(xì)致地將頻帶劃分，這樣去除的噪聲中含有的音波信號(hào)更少，從而使保留下來的頻帶信號(hào)中噪聲的成分也更少。在分解去除以后，還要對(duì)信