基于Windows 2000平臺(tái)和AD202放大器實(shí)現(xiàn)原油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引 言

管道運(yùn)輸以其特有的經(jīng)濟(jì)、便攜、安全等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于石油、天然氣等液體、氣體、漿液的運(yùn)輸中，并且已成為與鐵路、公路、航空、水運(yùn)并駕齊驅(qū)的五大運(yùn)輸行業(yè)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(fā)生。管道的泄漏不僅影響正常的生產(chǎn)，造成能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，而且由于所輸介質(zhì)的危險(xiǎn)性和污染性，一旦發(fā)生事故還會(huì)造成對環(huán)境的污染和巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，因此泄漏的監(jiān)測是一項(xiàng)重要的管道故障監(jiān)測技術(shù)。為了減少損失，需要在有泄漏時(shí)立即監(jiān)測出來，并且能夠指明泄漏發(fā)生的位置。

現(xiàn)有的一些管道泄漏監(jiān)測方法或儀器設(shè)備還不能滿足對輸油管道進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測的要求，因此，本文結(jié)合我國管道輸送的實(shí)際情況，針對原油管道泄漏監(jiān)測技術(shù)及其運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并提出了一種超聲波流量計(jì)輸油管道泄漏監(jiān)測方法，提高了定位精度，降低監(jiān)測費(fèi)用。

本系統(tǒng)采用前后端機(jī)結(jié)構(gòu)的主從式設(shè)計(jì)，具有高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)庫存檔與分析等功能。測量過程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，測量結(jié)果打印并帶有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可與上級控制系統(tǒng)直接連接，便于信息處理。并將混沌理論應(yīng)用于信息處理中，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，建立管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，以達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，并準(zhǔn)確定位的目的。

2、對管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的要求

泄漏監(jiān)測的目的是減少泄漏物質(zhì)損失及盡量杜絕泄漏物對人們生命財(cái)產(chǎn)和環(huán)境造成進(jìn)一步危害，為此，理想的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下各方面的要求。

準(zhǔn)確性 泄漏發(fā)生后，能夠準(zhǔn)確地測報(bào)出泄漏，不致因?yàn)椴僮魇д`和設(shè)備故障等因素發(fā)出誤報(bào)警。

靈敏性 理想的檢漏系統(tǒng)應(yīng)該能監(jiān)測出從滲漏到管道斷裂的全部范圍內(nèi)的泄漏情況，發(fā)出正確的報(bào)警提示。

實(shí)時(shí)性 理想的檢漏系統(tǒng)能夠在泄漏發(fā)生后，實(shí)時(shí)地監(jiān)測出泄漏的發(fā)生。以便操作人員即刻采取行動(dòng)，減少損失。

定位精度高 長輸管道穿越距離長，檢漏系統(tǒng)需能夠提供給操作人員準(zhǔn)確的泄漏點(diǎn)位置，以使維修人員盡快到達(dá)漏油點(diǎn)，進(jìn)行補(bǔ)封作業(yè)。

易維護(hù)性 檢漏系統(tǒng)裝置維修調(diào)整容易。

3、管道泄漏監(jiān)測儀系統(tǒng)整機(jī)電路框圖

管道運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測儀以數(shù)字處理芯片作為CPU，包括信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、A／D采集電路、數(shù)據(jù)顯示電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、遠(yuǎn)程通訊電路、與主計(jì)算機(jī)通訊的接口電路、聲光報(bào)警電路以及電源電路等。圖1是監(jiān)測儀整機(jī)電路框圖。為消除傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)長距離傳輸引入的干擾，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路首先對信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。為消除系統(tǒng)共地給系統(tǒng)運(yùn)行帶來的不穩(wěn)定因素，系統(tǒng)中采用高性能的隔離放大器AD202將被測信號(hào)與監(jiān)測儀進(jìn)行隔離。AD202采用信號(hào)耦合變壓器使放大器輸入端與輸出端沒有電路聯(lián)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(hào)采集器組采集超聲波流量計(jì)的信號(hào)，經(jīng)信號(hào)傳輸電纜傳送至管道狀態(tài)監(jiān)測儀。

管道狀態(tài)監(jiān)測儀以PC機(jī)為核心，實(shí)時(shí)監(jiān)控管道運(yùn)行狀況，運(yùn)用流量時(shí)差法對管道泄漏進(jìn)行預(yù)報(bào)警，控制遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊鏈路取得管道另一端監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)，送入系統(tǒng)計(jì)算機(jī)總站。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊鏈路通過通訊網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。

總站定時(shí)詢問所有分站，從每一個(gè)分站收集各種和聲速有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，收集到所有分站數(shù)據(jù)后，總站咨詢它內(nèi)部的用于描述管道組態(tài)的拓?fù)涑绦颍缓笥?jì)算出最后一分鐘流入和流出測量管段的標(biāo)準(zhǔn)體積，如不平衡超過預(yù)設(shè)的報(bào)警設(shè)置值，將發(fā)出泄漏報(bào)警。

4、超聲波流量計(jì)管道運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件以Windows 2000作為平臺(tái)，結(jié)合Matlab工具、高速數(shù)據(jù)采集卡動(dòng)態(tài)鏈接庫的優(yōu)點(diǎn)，由軟件開發(fā)工具M(jìn)icrosoft.net完成各個(gè)功能模塊的調(diào)配控制和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件的模塊化設(shè)計(jì)如圖2所示。

任務(wù)調(diào)度與管理程序是系統(tǒng)的核心管理模塊，主要利用操作系統(tǒng)的多任務(wù)性，實(shí)現(xiàn)程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。

數(shù)據(jù)采集模塊主要利用高速數(shù)據(jù)采集卡對外部傳輸來的信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確快速地采集，保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)傳輸模塊利用VXD技術(shù)編程實(shí)現(xiàn)采集卡的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可方便處理的二進(jìn)制代碼文件和數(shù)據(jù)庫源文件。

混沌算法處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，利用理論研究中的混沌處理算法對信號(hào)進(jìn)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(hào)的處理與識(shí)別工作。

顯示打印模塊利用Matlab強(qiáng)大的圖形顯示功能實(shí)時(shí)給出混沌振子的間歇混沌圖像和信號(hào)處理結(jié)果，并可完成實(shí)時(shí)輸出。

日志數(shù)據(jù)庫模塊完成數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新和復(fù)雜的查詢?nèi)蝿?wù)，本系統(tǒng)使用的是微軟公司的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MS SQL Sever 2000，用ADO進(jìn)行配置數(shù)據(jù)庫、設(shè)置數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的對數(shù)據(jù)庫訪問的實(shí)時(shí)高效的功能。另外，為了保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確快速地進(jìn)行，數(shù)據(jù)通訊軟件的設(shè)計(jì)具有多級的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)壓縮功能。

5、混沌算法處理模塊

混沌算法處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)軟件的重要部分。它主要包括兩個(gè)部分的內(nèi)容：信號(hào)預(yù)制的實(shí)現(xiàn)和混沌振子的實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)預(yù)制的過程是指在信號(hào)進(jìn)入混沌振子陣列前將其頻率壓縮至1～10范圍之內(nèi)的過程。鑒于本課題將首先應(yīng)用于微弱超聲信號(hào)的測量，而由于不同的實(shí)驗(yàn)可能采用的超聲發(fā)射頻率不同，所以定義表征超聲發(fā)射信號(hào)頻率的全局可變參量float Pre_Proc。又因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)頻率的已知性，故而很容易經(jīng)過判斷后將頻率進(jìn)行壓縮?；煦缯褡拥膶?shí)現(xiàn)包括單個(gè)振子的實(shí)現(xiàn)和時(shí)間尺度變換算法的實(shí)現(xiàn)。

用四階龍格一庫塔法求解，計(jì)算公式為（h為算法步長）：

時(shí)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(shù)來完成步長為Pace、參考頻率為w的Duffing方程的數(shù)值積分。

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

運(yùn)用混沌算法準(zhǔn)確地提取了壓力信號(hào)中所包含的負(fù)壓波信息，定位精度在1%以內(nèi)，滿足工程應(yīng)用要求。

6、結(jié)語

結(jié)合管道輸送的實(shí)際情況，針對原油管道泄漏監(jiān)測技術(shù)及其運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，利用超聲波流量計(jì)，依據(jù)流體的流量與超聲波流量計(jì)傳播速度之間的關(guān)系，對管道流量進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測。充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，建立管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，以達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，并準(zhǔn)確地確定其位置的目的。

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