（控制科学与工程专业论文）站间管道泄漏检测器的开发.pdf

摘要 管道作为石油天然气长距离输送的重要设施，无泄漏的安全运行是管道输送最基本 的条件，随着我国石油天然气工业的发展，管道泄漏检测已经成为油气运输过程中极为 重要的一项工作。全国各大油田对高精度、高稳定性输油管道泄漏检测器的需求也日益 增加。本文在对泄漏检测技术、检测设备现状和发展趋势进行分析的基础上，设计和开 发了经济实用的管道泄漏检测器。论文内容按照泄漏检测器的硬件设计、软件设计和实 验分析三部分来进行组织。 首先，分析了长输管道泄漏检测技术的国内外现状；然后，根据站间管道泄漏检测 技术要求，确定泄漏检测方法和采集器基本功能，进行整体设计，根据管道现场运行情 况确定了抗干扰措施和所要达到的技术指标。为满足信号采集的需要，根据系统硬件设 计要求进行了信号调理电路设计和检测器电路板的制作；用c 语言进行编程，实现数字 滤波、采样频率设置及通信速率设置和系统中断控制等功能。最后，在完成软件和硬件 功能调试的基础上，用压力变送器和信号发生器做信号源模拟现场仪表，用本设计的管 道泄漏检测器对信号进行采集和管道泄漏判断，经测试，系统工作状态良好，基本达到 现场工作的要求。 关键词：泄漏检测；数据采集；长输管道 t h ed e v e l o p m e n to fp i p e l i n el e a kd e t e c t o rb e t w e e ns t a t i o n s w e il i a n g ( c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rg e n gy a n f e n g a b s t r a c t l o n g d i s t a n c ep i p e l i n ea sam a j o rf a c i l i t yi nt h ef i e l do fo i la n dg a st r a n s p o r t a t i o n ，t h e s a f e t yo p e r a t i o no fn o n - l e a k i n gi se s s e n t i a lf o rp i p e l i n e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo i la n dg a s i n d u s t r y ，p i p e l i n el e a kd e t e c t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h ee x t r e m e l yi m p o r t a n tt a s k si nt h e p r o c e s so fo i lt r a n s p o r t a t i o n d e m a n df o rh i g hp r e c i s i o n ，h i g hs t a b i l i t yo i lp i p e l i n el e a k d e t e c t i o nd e v i c e si si n c r e a s i n gi nn a t i o n a lm a j o ro i lf i e l d s t h ee c o n o m i c a lp i p e l i n el e a k d e t e c t o rw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e da f t e rt h ea n a l y s i so ft h el e a kd e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，t h e l e a kd e t e c t i o ne q u i p m e n ts t a t u sq u oa n dd e v e l o p m e n tt r e n d t h i ss t u d yi sc a r r i e do u ti nt h r e e p a r t s ，n a m e l yl e a kd e t e c t o rh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g na n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s f i r s t l y ，t h er e s e a r c hs t a t u s e so fl o n g - d i s t a n c ep i p e l i n el e a kd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d p i p e l i n el e a kd e t e c t o ra th o m ea n da b r o a dw a sa n a l y z e d s e c o n d l y ，d e t e r m i n e dt h el e a k d e t e c t i o nm e t h o da n dt h eb a s i cf u n c t i o n so ft h ed e t e c t o ra c c o r d i n gt ol e a kd e t e c t i o n r e q u i r e m e n t s ，t h es y s t e ms t r u c t u r e ，a n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e sa n dt e c h n i c a lt a r g e to fl e a k d e t e c t o rw e r eg i v e ni nt h ep a r to ft h eo v e r a l ld e s i g n n e x t ，a c c o r d i n gt od a t aa c q u i s i t i o na n d s y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rt h eh a r d w a r e ，t h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n dp c bf o rl e a k d e t e c t o rh a sb e e nd e s i g n e d a d d i t i o n a l l y ，p r o g r a m m i n gw i t hcl a n g u a g et oa c h i e v et h e f u n c t i o n ss u c ha s d i g i t a l f i l t e rt h ec o l l e c t e d s i g n a l s ，s a m p l i n gf r e q u e n c y a n dd a t a c o m m u n i c a t i o nr a t es e t t i n gf o rt h ed e t e c t o ra n ds y s t e mi n t e r r u p tc o n t r 0 1 f i n a l l y ，u p o n c o m p l e t i o no fd e b u g g i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r ef u n c t i o n s ，t a k e dt h ep r e s s u r et r a n s m i t t e ra n d s i g n a lg e n e r a t o ra ss i g n a ls o u r c et oc o l l e c td a t aa n dt od e t e r m i n ep i p e l i n el e a k a g ew i t ht h i s p i p e l i n e l e a kd e t e c t o r b e e nt e s t e d ，t h e s y s t e m i n g o o dc o n d i t i o na n da c h i e v e dt h e r e q u i r e m e n t so ff i e l dw o r k k e yw o r d s ：l e a kd e t e c t i o n ；d a t aa c q u i s i t i o n ；l o n g d i s t a n c ep i p e l i n e 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 ll景 学位论文作者签名：悠、盘日期：洌i ) 年6 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：缒五日期：t 。，。年6 月日 指导教师签名： 日期：细口年多月1 日 中围石油火学( 华东) 硕士学位论文 1 1课题背景 第1 章绪论 1 1 1 我国长输管道发展概况 长输管道的任务是远距离输送液体或者气体产品，如原油、天然气、煤浆、水等， 管道输送不仅安全、高效，而且具有输送量大、输送费用低等优点，对于易燃、易爆、 易挥发、有毒的原油及石油产品，最佳的运输方式就是密闭的管道运输。我国8 0 以上 的原油靠长输管道运输，使管道输送成为继铁路、公路、水路和航空运输后的第五大运 输方式【l 】，在石油输送中具有独特优势。 我国第一条长距离输油管道于1 9 5 7 年在克拉玛依油田建成，管道全长1 4 7 公里， 管径1 5 0 毫米【2 】。随着大庆油田、胜利油田、辽河油田的开发和建设，为适应原油输送 工作的需要，我国长输管道敷设长度逐渐增加。上世纪九十年代后，我国长输管道建设 又有新的突破，油气长输管道年敷设长度平均超过4 0 0 公里，全国各产油区管网逐步完 善。近年来，我国加快推进西北、东北、西南、海上四大油气战略通道和国内油气骨干 管网建设。截至2 0 0 9 年，我国油气管道总长度达6 万余公里，其中原油管道约1 7 万公 里，天然气管道3 3 万公里，成品油管道1 2 万公里。目前，我国东北、华北、华东、 西南等广大地区已经遍布了大口径、长距离的输油管道，基本上形成了横贯东西，纵贯 南北的管道运输网络【3 1 。 1 1 2 我国长输管道运输面临的问题 统计资料表明，目前世界上总管网的5 0 已经用了3 0 年甚至更长时间。我国相当 一部分长输管道由于使用时间较长、所处环境恶劣、管道质量等原因，已经进入衰老期， 并且石油管道具有点多、线长、面广等特点，腐蚀、地形沉降、重压、机械施工及人为 破坏等因素都会使管道出现损伤，导致泄漏【4 】。近几十年来，我国管道油品泄漏事件发 生频繁，例如：从2 0 0 1 年1 月至7 月，东临线发生破坏管线盗油事件1 0 0 多起；中原 油田的中洛线自1 9 9 3 年起因为打孔盗油事件直接净值损失达千万元；2 0 0 9 年7 月9 日 凌晨，位于济南市与肥城市交界处的地下输油管道遭“油耗子”袭击，致使管道泄漏， 喷射而出的原油覆盖了半个山坡，数十亩庄稼遭殃：2 0 0 9 年1 2 月3 0 日凌晨，中石油公 司兰( 州) 郑( 州) 长( 沙) 成品油输油管道渭南支线发生柴油泄漏，此次泄漏柴油量为1 5 0 立 方米，仅5 0 立方米回收，约1 0 0 立方米柴油进入渭河支流赤水河，污染严重。如今能 第1 牵绪论 源紧缺，众多不法分子更是在利益的驱使下，打孔盗油行为愈演愈烈，成为当今长输管 道安全运行的又一大隐患。 石油泄漏不仅会造成能源浪费、财产损失和严重环境污染造成生态破坏，甚至会引 发火灾、爆炸。并且，能源紧缺已经是目前人类面临的一大难题，这对石油资源的输送 也提出了越来越高的要求，如何保证安全、经济的输送，是长输管道运输面临的重要问 题。解决这个问题的关键技术之一就是对长输管道实行自动化的生产和经营管理【5 】【6 1 。 管道泄漏检测是对石油运输进行安全管理的重要措施之一，已经成为输油管道安全 生产管理的重要工作内容。在线检测输油管道流体的压力、流量等参数并且实时、准确 的传送给管理人员，成为输油管道建设与运行中必不可少的工作。全国各大油田、企业 都相继投入了大量的精力、资金来研发性价比较高的泄漏检测仪器来满足石油生产、输 送等环节的工作需要，以期逐步取代传统的机械仪表和普通的电子仪表，实现对输油管 道检漏管理的实时化和自动化。 可是目前国内既经济又实用的泄漏检测器仍然处于相对缺乏的阶段，本文所述的泄 漏检测器即为满足检漏工作的需要而投入研发的设备，为管道运输的安全有效运行提供 保障。 1 1 3 现行管道泄漏检测技术 石油管道泄漏检测器的种类和设计方法很多，不同的检漏仪器所采用的技术也有很 多异同，泄漏检测器的发展与泄漏检测技术的发展息息相关。经过国内外专家学者的共 同努力，管道泄漏检测技术已经取得了一定的发展，管道的检漏方法整体可以分为直接 检漏法和间接检漏法2 种【7 】【8 】。 1 直接检漏法 直接检漏法是利用相应的探测设备直接检测管道外是否有泄漏物存在，以此来判断 管道是否发生泄漏，主要有检漏电缆法、导电高聚合物检漏法、传感光缆法、红外线法 和探地雷达法等。直接检漏法主要是利用图像分析或用泄漏物敏感材料制成传感器，检 测管道外是否有泄漏物存在，检测到的数据直接作为管道是否泄漏的依据。 ( 1 ) 检漏电缆法【9 】该方法是沿石油管道埋设具有透油性但非透水性材料制成的同 轴电缆或者附有容易被碳氢化合物溶解的绝缘材料的两芯电缆，一旦管道发生泄漏，检 漏电缆会在油品的作用下发生相应的物理变化或者化学变化，并转化为电信号或者光信 2 中国石油人学( 华东) 硕，卜学位论文 号输出，输出的信号被检测设备接收之后便可判断管道是否有泄漏发生。但是此方法有 造价较高，设备更换困难的缺点。 ( 2 ) 导电高聚物检漏法【1 0 】【l i 】该方法仅适用于绝缘管道的检漏。检测系统可以探 测管道绝缘层的浸水点和泄漏点。外包导电高聚物的导线作为探测电缆的一部分用来探 测沿线的浸水及泄漏位置。探测电缆中的探测导线通过检测电缆中水蒸气的存在，及早 检测出水的进入，使操作者在管道腐蚀前采取修补措施。 ( 3 ) 传感光缆法【1 2 】传感光缆实质上是一种可以用作传感器的光缆，在管道沿线 铺设一条传感光缆，管道周围异常的压力、声音和振动信号可以被传感光缆所检测，进 而对管道是否泄漏以及泄漏点做出判断。 ( 4 ) 红外线法用飞机或者卫星装载精密红外摄像装置对铺设管道的区域进行红 外摄像，记录输油管道周围的热辐射效应，再利用光谱分析可以检测出泄漏的位置。这 种方法适用于长管道微小泄漏的检测。 ( 5 ) 探地雷达法探地雷达向埋设管道的区域发送电磁波信号，若输油管道发生 泄漏，管道周围地表的电性质就会发生变化，探地雷达所接收到的反射电磁波信号也会 随之变化，通过反射信号特征的分析便可以判断管道是否泄漏。 2 间接检漏法 间接检漏法是通过检测设备对管道的运行参数，如压力、流量、温度等进行测量， 得到的数据不能直接作为判断是否泄漏的依据，而是根据所得数据用一定的算法进行计 算分析，用分析的结果判断管道是否泄漏及确定泄漏位置，主要有质量平衡法、负压波 检漏法、压力梯度法、智能爬机法、应力波法等【1 3 】。 ( 1 ) 质量平衡法【1 4 】在管道的首端和末端分别安装检测设备，获取一段时间内首 端和末端流体质量或者体积数据，根据首末端流体质量或者体积之间的差值来判断管道 是否泄漏。此种方法不能对泄漏做出定位，且及时性差。 ( 2 ) 负压波检漏法【1 5 】【1 6 】【1 7 1 输油管道泄漏发生时，泄漏处因流体流失而引起局部 流体的密度减小，压力出现瞬时降低和流速差，这个瞬时的压力下降以声速向泄漏点的 上下游处传播，若以泄漏前的压力为标准，泄漏后所产生的减压波就称为负压波。位于 泄漏点上下游的传感器可以采集到负压波的波形和接收到负压波的时间差，进而计算出 泄漏点的大体位置。负压波检漏法简单易行，检测速度快，操作人员少，是我国管道泄 漏检测行之有效的方法之一。 第1 章绪论 ( 3 ) 压力梯度法【1 8 1 输油管道发生泄漏时，管道内从输油入口到出口的压力分布 会发生变化，在泄漏点上游，流量增大，压力梯度变陡，泄漏点下游，流量减小，压力 梯度变平。管道内压力梯度会成折线状下降，以管道入口和出口的压力梯度作线，其交 汇点即为泄漏的位置。但是，我国原油具有“三高 的特点，即高凝点、高含蜡、高粘 度，需要采用加热输送的方式，其物质特性随温度变化较大，微小的温度变化就可以很 大程度的改变原油的粘度，使得压力梯度沿管线分布呈非线性，造成压力梯度法的定位 精度不高，仪表误差也会对定位精度产生影响。 ( 4 )管内智能爬机法【1 9 】智能爬机是一种集成有智能控制器的爬行机器，在应用 于输油管道泄漏检测时，智能爬机配备检测设备在管道内爬行，主要采用漏磁和超声为 检测方法。智能爬机检测到泄漏点时，会在泄漏点处停止爬行，并向泄漏点发射放射性 物质作为标记，定位精度较高。但是智能爬机对管道条件要求很高，一旦爬机堵塞在管 道中，救援难度大，且对长距离管道的检测，供电难度较大。 ( 5 ) 应力波法【2 0 】在输油管道外壁安装高灵敏度的应力波传感器，当在管道上打 孔时，由于震动而产生的应力波会沿管道在管壁内传播，通过对传感器采集到的应力波 信号的功率谱来检测并确定泄漏位置，也可以用应力波到达管道两端的时间差来定位泄 漏位置。但是管道应力波的传播容易受到很多因素的影响，因而在实际中准确描述出管 道振动的难度较大。 综上所述，直接检漏法虽然具有较高的灵敏性，可以检测微小泄漏的场合，但是大 都存在着造价昂贵、检测不连续的缺点。间接检漏法是目前管道检漏中普遍采用的方法， 大都采用软硬件结合的方式，在进行检漏工作时，快速、准确、自动化程度高。 “4 泄漏检测法国内外研究现状及分析 随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国外管 道检漏数据采集技术已经有了很大的发展【2 1 1 。我国管道工业起步较晚，泄漏检测技术相 对落后。近年来，国内不少学者开展了管道泄漏检测技术方面的研究。 国内部分高校研究机构对负压波检漏法进行了实用化研究，成功地将负压波检漏法 应用到多条管线的泄漏检测。国内外负压波检漏法的研究主要集中在负压波信号识别 上，如利用相关分析、小波变换、小波相关分析、卡尔曼滤波、神经网络和模式识别等 来提高定位精度和泄漏预报准确度【2 2 】。智能爬机检漏系统仍然是国内的研究热点之一， 磁通量泄漏检测和超声探测是智能爬机采用的主要技术，超声探测法和磁通量泄漏探测 4 中国石油大学( 华东) 硕一 ：学位论文 法相比，在检测精度、定位精度、数据存储和数据分析方面更有优势。智能爬机检测领 域的关键技术有缺陷检测、精确定位、信号采集与处理、电源与驱动、智能爬行器、智 能控制系统、管道缺陷评价、投放回收等【2 3 1 。我国众多石油管理局和科研机构也在对智 能爬机进行研究和改进，但与国外相比，无论在技术上还是在应用上都还存在着差距。 分布式光纤传感器是近年来传感器领域的研究热点，国内外不少学者对分布式光纤传感 器在长输油气管道检漏方面展开了研究，并且取得了一定的进展幽j 。 目前，管道泄漏检测技术多种多样，并且随着科技的发展和新式测量设备的出现， 管道泄漏检测系统的效率和判断能力也在不断提高。 泄漏检测法是否有效，要与实际的检漏工作相结合进行综合评价，为了比较各种检 漏方法的性能，常见的性能指标有：灵敏度、定位能力、评估能力、检测时间、有效性、 误报警率、适应能力、可维护性、费用等【2 5 1 。 本文所述的管道泄漏检测器就是基于间接检漏法的一种设备，实时采集现场温度、 流量、压力信掣2 6 】，上位机再根据所采集的现场信号进行分析计算，判断管道是否发生 泄漏以及确定泄漏位置，为工作人员对管道的维护提供依据。本文设计的泄漏检测器与 站控中心的上位机软件相结合，共同构成泄漏检测系统，具有较高的使用价值。 1 2 管道泄漏检测系统研究现状 管道泄漏检测系统是一种能够收集管道现场数据，通过通信线路发送到站控中心进 行处理、显示，并对管道运行状况作出分析判断的智能系统。目前，大多数的管道泄漏 检测系统都是采用软件和硬件相结合的方法，由硬件实现信号采集和调理，由工控机软 件提供丰富的图形界面和数据库处理等数据管理功能2 7 1 。泄漏检测器是管道泄漏检测系 统的一部分，是一种在管道现场具有记录、分析功能的设备，其基本原理是把安装在管 道上的传感器或其他测量装置所得的信号作为依据，配以各种测量分析技术以及多样化 的显示格式所组成的一个电路系统，能和计算机一起组成独立的监测诊断系统，是辅助 计算机对输油管道运行状态进行诊断的手段之一，其最主要的功能是采集管道现场信息 并对管道泄漏作出初步判断。 1 2 1 数据采集的原理与任务 数据采集是泄漏检测最重要的步骤之一，实时、准确的采集管道现场数据，是泄漏 检测的前提条件。数据采集是将现场的原始电信号或者温度、流量、压力、位移等物理 第1 章绪论 信号由传感器等设备转换为标准电信号，经过数字化后传送到上位机的过程。数据采集 的整体流程是：采集信号、处理分析数据、提供信息，如图1 1 所示。被采集的数据大 体分为模拟量和数字量两种，对不同类型的数据，在数据采集的硬件和软件上都是不同 的。 现 a 标 k 离 卜 数 卜 信卜全 场 传感器 准 a d 转换 散 采集) 字 处理、 息传输)面 信 v 电 数 v 量 v 集 v 信 信字集 合息号 量 公 号口 图1 - 1 数据采集流程图 f i 9 1 1f l o w c h a r to f d a t aa c q u i s i t i o n 1 2 2 管道检漏信号采集的技术现状 就目前的检漏系统而言，常用的采集方式有“工控机+ 板卡”和通用采集模块两种， 都是将采集的数据发送到上位机，再进行管道泄漏判断，能够在管道现场采集数据并进 行泄漏判断的设备较少。 在管道泄漏检测的数据采集方面，随着大规模集成电路和超大规模集成电路的发 展，数据采集器所采用各种芯片的集成化程度、智能程度也得到了大幅度的提高，使得 数据采集器的数据采集处理能力、处理速度也越来越高。目前，国内外研发数据采集设 备的公司主要n a t i o n a li n s t r u m e n t ，s p e c t r u ms i g n a lp r o c e s s i n g ，a c q u i s i t i o nl o g i c ，a d l i n k 等。 衡量数据采集器性能的标准主要有精度( 位数) 、速度、可靠性和稳定性等各项参数， 其中精度取决于a d 转换的位数，而速度则取决于a d 转换的速度、控制芯片的速度和 传输方式的速度，可靠性和稳定性则是由抗电磁干扰、驱动程序等因素影响的【2 8 】。随着 国内外采集技术的发展，采集器的精度、速度和可靠性都有了很大的发展，而且智能化 程度不断提高。 在输油管道泄漏检测领域，一般是采集管道现场的流量、压力、温度等信号，采集 器硬件上主要是信号调理模块、a d 模块、控制芯片和通信模块组成，其结构如图1 2 所示。 数据采集器硬件部分是执行数据采集任务的主要部分，主要包括a d 转换、核心控 制芯片和通信模块，各采集器生产厂家的产品在硬件部分的结构上都是大同小异，最主 要的差别是控制芯片的选择和通信方式的选择上。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 温度 流量 压力 4 2 0 m a 4 - 2 0 m a 变 控通 上 送 j 制信 位 器 4 - 2 0 m a 芯 模 机 片块 r 永冲。 管道现场 i 数据采集器硬件 i ： 控制室 图l - 2 数据采集系统结构图 f i g l 一2t h es t r u c t u r eo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 采集器核心控制芯片决定了系统进行数据采集的智能化程度，也是决定系统采集速 度的一个重要因素。随着科技的发展和控制芯片的更新换代，采集器所用的控制芯片也 随之变化。当前主流的m c u 、d s p 、c p l d f p g a 、a r m 等控制核心，由于其突出的 性能已经被成功应用在众多采集器的设计中。各种控制芯片的特点略有不同：d s p 在计 算方面有较大的优势，具有强大的数据处理能力和较高的运行速度；c p l d f p g a 使用 灵活，设计周期短，可靠性高，且可扩展性强，目前很多采集卡是基于c p l d f p g a 芯 片的【2 9 】；a r m 具有比较强的事务管理功能，可以用来执行应用程序，在控制方面有独 特优势；单片机( m c u ) 具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用 方便等优点。 在通信方式上，现在的数据采集器与计算机有多种接口方式，可以通过u s b 、p x i 、 p c i 、p c ie x p r e s s 、火线( 1 3 9 4 ) 、p c m c i a 、i s a 、c o m p a c tf l a s h 、r s 4 8 5 、r s 2 3 2 、以太 网、各种无线网络等总线接入个人计算机。通信方式的选择与数据采集的速度、通信距 离和硬件结构有紧密联系，目前最常用的通信方式有2 3 2 、4 8 5 、p c i 、u s b 、以太网和 无线网络。其中r s 2 3 2 、r s 4 8 5 3 0 】为串行通信，不适合高速数据采集的需要，而且对传 输距离的限制较严格，但是r s 2 3 2 、r s 4 8 5 通信方式向其他通信方式的转化比较灵活， 抗干扰性强，成本较低，在输油管道数据采集方面有广泛的应用；p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t 外设部件互连标准) 总线具有负载能力强、支持3 2 6 4 位数据传 输、采用多总线和线性突发传输模式、独立于c p u 、自动配置、支持即插即用等优点， 应用于泄漏检测的众多数据采集卡均采用p c i 方式与上位机进行通信，但是p c i 总线方 式的缺点也较明显，比如安装麻烦、价格昂贵，受计算机插槽数量、地址、中断资源限 7 第l 章绪论 制，可扩展性差，在电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的 数据失真等缺点1 3 。u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行总线) 接口的采集器近年来得 到了很快的发展，因其具有传输速率高、使用方便、价格低廉，支持热插拔以及工作可 靠性高等优势，国内外众多数据采集公司都开发出了u s b 接口的产品【3 2 】。以太网通信 方式是随着网络技术的发展而逐渐应用到数据采集领域的一种新的通信方式，它具有连 接方便、易扩展、便于远程控制、远程监视、远程访问以及远程数据传送等优点，是未 来测控技术发展的必然趋势。但是以太网在建设前期，要布专线形成网络结构，造价较 高、工作复杂【3 引。 而对于测量点比较分散的系统，远程线路铺设及维护均需较高的代价，无线通信就 显出独特的优势，在外界干扰较弱的情况下，无线通信适用于通信范围内的任何一点， 因此，无线通信在长输管道通信领域具有较广的应用。 1 3 本论文的研究意义和主要工作 1 3 1 本文的研究意义 目前，很多联合站都是用工控机作为数据采集和处理的设备，这种采集方式成本较 高，浪费资源，且体积较大安置不便。本检测器可以代替现场工控机采集站场数据，并 向上位机发送，为管理人员提供准确的管道现场信息和管道泄漏的初步判断结果，为检 漏工作提供必要的保证。 该检测器具有以下几方面的特点： 节约成本 本设计是自行研制的仪器设备，有较少的劳动成本和技术成本，且电路系统中各芯 片的选型在满足工作需要的前提下，尽量满足成本较低的原则； 针对性强 本设计是直接针对管道泄漏检测工作的，所采集信号的类型是与管道现场仪表的输 出信号相符合的，硬件电路模块的设计方式与发向上位机的信号类型是满足管道泄漏检 测工作要求的，使其能够满足管道检漏工作的需要，同时又无冗余的功能模块； 升级方便 对管道泄漏检测器进行版本升级时，只需在原系统的基础上设计新的模块，将新模 块添加到原电路的原理图和p c b 图上，再把新的程序烧写到单片机中； 可维修性强 8 中国石油火学( 华东) 硕士学位论文 硬件采用模块化设计，可以通过直接更换相关芯片的方式来维修，非专业人员即可 以完成维修工作。 1 3 2 本文的主要工作及结构安排 本文通过对管道泄漏检测器发展现状进行了解和分析，充分认识了现行各种检测器 的优点和不足，并以目前比较常用间接检漏法为基础进行管道泄漏检测器的设计开发。 本文的主要工作和结构安排为： 第一章为绪论。主要介绍了本课题的背景和意义，国内外现行管道泄漏检测技术， 管道泄漏检测器的国内外研究现状，并对国内外研究现状进行分析，为本设计提供重要 的借鉴。 第二章为站间管道泄漏检测器系统整体设计。内容主要包括站间管道泄漏检测器的 概况、整体设计思想，检测器抗干扰设计，以及本设计的功能和技术指标。 第三章为站间管道泄漏检测器系统硬件设计与开发。主要包括硬件电路的总体结构 划分，电源模块、输入通道模块、输出模块、模数转换模块、系统时钟模块、键盘模块 等功能模块的电路设计方法，以及p c b 板设计的原则等内容。 第四章为站间管道泄漏检测器系统软件设计与开发。详细描述了软件总体设计的方 法，数据采集模块、参数设置模块、l c d 模块、系统时钟模块、串行通信模块的程序设 计思想，并借助流程图和芯片时序图，讲述了为满足模块功能的需要，各程序编写的方 法和流程。 第五章为性能测试及结果分析。主要介绍了各电路模块调试的方法和过程、通信模 块的测试过程，并用实验室仪表模拟管道现场，对管道泄漏检测器做总体测试，最后对 检测器的误差进行分析。 1 4 本章小结 本章阐述了管道运输在我国石油运输工作中的重要作用，指出长期以来我国管道运 输存在的腐蚀泄漏、打孔盗油等各种安全隐患，并通过对现行管道泄漏检测技术和泄漏 检测器的分析，选择设计一种基于负压波检漏法的管道泄漏检测器，该设备的设计吸取 了众多检测设备的经验，在仪器成本、针对性、可维修性和系统升级等方面具有一定的 优势。 9 第2 m 问管道m 漏幢铡器系统整体垃计 第2 章站间管道泄漏检测器系统整体设计 2 1 站间管道泄漏检测器概述 本设计是根据输油管道泄漏检测的需要，研发一套能够实时准确采集管道现场温 度、流量、压力信号，并将信号转化为现场数据传输向站控中心的电路系统，本设计能 对管道现场采集的信号进行分析计算，并对管道是否泄漏作出初步判断，将判断结果向 上位机发送。本设计在管道泄漏检测系统中的工作示意图如图2 1 所示，。 图2 - 1 管道泄漏检测系统示意图 f i 穹2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f p i p e l i n e l e a k d e t e c t i o ns y s t e r m 检测器在使用时要安放在现场变送器附近系统需要供电的模块有检测器硬件电 路、现场变送器和无线电台。检测器设计了连接普通市电2 2 0 v a c 的接口，检测器内部 安装有开关电源，将市电转化为现场变送器所需的2 4 v d c ，同时在检测器硬件部分设 计将2 4 vd c 变换为检测器需要的5 vd c 的转换电路。 21l 管道泄漏检测及定位原理 用负压波法对管道进行泄漏检测和定位，所需的最重要参数是流量和压力，当管道 某点发生泄漏的时候，其上一站出站压力下降，流量上升，下一站入站压力下降，流量 下降，这种现象有别于其他情形的压力和流量变化，比如升高泵速时，出站压力、流量 和下一站入站压力、流量都上升，降低泵速时，出站压力、流量和下一站入站压力、流 量都下降，由此，可根据首末站流量、压力的变化情况来判断被监测的管道是否发生泄 漏，降低负压波法的误报率o ，因此，流量、压力的测量是本设计的重要任务。 用负压波进行管道泄漏点定位的示意图如图2 - 2 所示跚： 中国石油火学( 华东) 硕j ：学位论文 图2 - 2 泄漏点定位原理 f i 9 2 2t h ep r i n c i p l eo fl e a k a g ep o i n tl o c a l i z a t i o n 图中首站a 与末站b 之间的距离为l ，负压波从泄漏点m 传到首站的时间为t 2 ， 传到末站b 的时间为t 1 ，泄漏点到末站b 的距离l x 作为被测量。由以上各量，可以列 出下式【3 6 】： fi t 2 = a t v i = l x( 2 1 ) l v ( i + t 2 ) = l 式中，t 为负压波传播到首站和末站之间的时间差，由以上三式计算可得泄漏点 距离末站的距离有： l x ：l + _ v _ xa t(2-2) 负压波在管道中传播的速度v 并不是一个常数，而是受各种因素影响的变量，其波 速v 与管道油温目的关系式为： v ( o ) =( 2 3 ) 式中：v ( 9 ) 一管内负压波在油温为目时的传播速度； k ( 秒) 一原油在油温为椤时的体积弹性系数； p ( 9 ) 一原油在油温臼时的密度； 式( 2 3 ) 中e 、d 、e 、c 等量在已经铺设的管道中为常数，因此负压波的波速是关 于温度的函数。上位机在进行管道泄漏定位时就依据式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 进行分析计算， 可见，温度、时间差也是负压波检漏法的重要因素，因此，温度采集和精准时间信号的 获取也是本设计的任务。 由负压波法进行管道检漏和泄漏点定位的计算方法可见，对管道首末站流量、压力、 温度等信号的采集是管道泄漏检测和定位的必要条件，因此本设计所要采集的主要是流 量、压力、温度信号，硬件电路要设计采集这几种信号的通道，软件上要编写相应的转 笫2 章站问管道泄漏检测器系统整体设计 换程序。 2 1 1 2 控制芯片和通信总线的选择 1 控制芯片的选择【3 7 】 单片机以其体积小、成本低、功能强、智能化程度高、使用方便等优点在智能仪表 开发领域有独特的优势，a v r 单片机是a t m e l 公司研发的增强型内置f l a s h 的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc p u ) 精简指令集高速8 位单片机，具备单时钟周期执行一条 指令的能力，运行速度快。本设计中所选用的控制核心芯片a t m e g a l 2 8 是a v r 所有8 位单片机中配置最高的一款。 a t m e g a l 2 8 单片机与本设计相关的优点有如下几条： 自行设计的产品，控制芯片应该具有可反复擦写的功能，便于产品的调试、开发、 生产、更新，a t m e g a l 2 8 单片机内嵌高质量的f l a s h 程序存储器，可反复擦写，支持i s p 下载方式，烧写方便快捷。 本设计具有参数设置功能，设置的波特率、采样率、时间等参数要保存在电路系 统内部，不能因掉电而丢失，a t m e g a l 2 8 单片机内嵌容量为4 k 字节的e e p r o m 可长 期保存关键数据，满足参数保存的要求。 本设计需要普通i o 口至少2 8 个，同时需要用到串行通信、计数器计数、外部 中断等功能，很多单片机的i o 口处在第二工作模式的时候，剩余的普通i o 口就很少， a t m e g a l 2 8 单片机不仅成本低、功能强，并且有较多的i o 口供本设计使用。 2 通信总线的选择 本文所设计开发的泄漏检测器要在联合站的管道现场使用，各联合站采用的通信方 式主要有以太网通信、电话线通信、无线电台通信，为了使管道泄漏检测器在各联合站 具有通用性，要求本设计能够根据各联合站实际选取的通信方式与上位机进行通信。在 各种通信方式中，r s 2 3 2 串行通信抗干扰性强，设计简单，且能够通过管道现场的各种 外设转化成多种通信方式，因此本设计选取r s 2 3 2 串行通信。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕 4 位论文 2 1 3 系统方案 图2 - 3 泄漏检测器总体设计 f i 9 2 - 3t h eo v e r a l ld e s i g no f l e a kd e t e c t o r 本设计采用模块化设计思想，将整个电路系统划分成几个功能相对独立的模块，主 要分为输入通道、人机联系部件、通信接口和电源等模块。在协调好各个模块之间的关 系之后，各个模块可以分别独立进行设计、调试和修改，最后通过控制芯片a t m e g a l 2 8 单片机和存储器内部程序将各个模块建立紧密的联系，实现各模块在独立完成工作的前 提下能够协调其他各个模块共同完成数据采集、处理、传输的需要。模块化设计的电路 系统易于维护、修改和后期升级，单独的模块还可移植到其他系统之中，可移植性强。 系统整体设计方案如图2 3 所示。 系统整体设计从硬件设计、软件设计两大部分来进行。硬件设计主要包括系统原理 电路的绘制、各种芯片的选择、硬件抗干扰措施、稳定性、阻抗匹配等方面；软件设计 主要包括编译软件与编译语言的选择、各芯片控制程序、数字滤波、数据处理等方面。 2 2 站间管道泄漏检测器抗干扰设计 干扰会降低检测器的测量精度，使上位机接收的数据误差增大，对泄漏检测的分析 第2 章站问管道泄漏检测器系统整体设计 计算不利。找出干扰源并采取相应的抗干扰措施是管道泄漏检测器正常工作的保证【3 8 1 。 2 2 1 泄漏检测器干扰源 泄漏检测器的干扰源分为内部干扰和外部干扰两部分，其中内部干扰主要包括电路 中的电阻热噪声、晶体管器件内部的分配噪声、闪烁噪声和不当的电子线路设计带来的 干扰，外部干扰主要通过电源和信号线引入。 对本设计来讲，内部干扰是次要干扰，在线路设计时，可以通过严格按照电子线路 设计原则的方法来避免，外部干扰是本设计的主要干扰。 1 来自电源的干扰 开关电源供给线路系统的电流除直流成分外，还混有5 0 h z 的交流成分，因此电源 供给各电路单元的电流在接地阻抗上产生的压降，除了有直流电压外，还有不同频率的 交流电压，这些交流电压馈入电路形成干扰。 2 来自信号线的干扰 与管道泄漏检测器相连的各类信号传输线，总会有外部干扰信号的侵入，此干扰主 要有两种途径：一是通过变送器供电电源串入的电网干扰；二是信号线受空间电磁辐射 感应的干扰。 2 2 2 泄漏检测器抗干扰措施 针对管道现场可能存在的干扰源，本设计的抗干扰措施分为硬件和软件两个方面， 1 硬件抗干扰措施 ( 1 ) 信号输入通道抗干扰措施：对4 - 一2 0 r n a 的模拟信号，先通过r c 低通滤波器 再进入a d c ，以滤除高频电磁波的干扰；对脉冲输入信号，在进入采集系统之前，要 采用隔离措施，采用的主要是光电耦合器件；p c b 设计时，模拟信号尽量远离数字信号， 减少他们之间的耦合。 ( 2 ) 电源干扰抑制措施：电源干扰是电路系统最重要的干扰，单片机对电源噪声 干扰很敏感。抑制来自电源的干扰就是尽可能的减小干扰源的d u d t ，减小d u d t 主要是 通过在干扰源两端并联电容来实现。一方面，选择高质量的开关电源，抑制高频瞬变干 扰进入系统；另一方面，本设计所选用的单片机主频在1 0 m h z 1 5 m h z 频率范围内，该 频率的波动会对硬件电路自身电源造成干扰，0 1l af 贴片电容的阻频特性如图2 - 4 所示， 由图可知，0 1l af 电容在1 0 m h z 附近具有最低的阻抗，因此，为减少自身干扰，在每 片i c 的v c c 和g n d 引脚之间都接0 1l af 的去耦电容，以滤除电源中的杂波和噪声， 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 减小i c 对电源的影响，各i c 去耦电容的连接方法如图2 5 所示。 1 、 、 入 、 ， 、k 、， 、 ，一 一， -、， 多 歹 一 、i，二 、 、 一 _ ，_ 托 ， 1 l) p 、 k、 、 0工f x 1uf l t 0 1ui l l 图2 - 5 去耦电容连接图 f i 9 2 5c o n n e c t i o nd i a g r a mo fd e c o u p l i n gc a p a c i t o r 其中i c 。为检测器内部所用的各芯片，c 。为接在相应i c 电源管脚和地管脚的o 11 tf 电容。 ( 3 ) 电场、磁场干扰的抑制措施：检测器采用刚度较大且阻抗较低的铝制外壳， 并接地，能起到静电屏蔽和电磁屏蔽作用。如图2 - 6 所示，导线a 为干扰源，b 点为被 干扰导线的某点，设导线在a 点的电压为v a ，在b 点的感应电压为，导线a 和导 线b 之间的分布电容为c 。，b 点与地之间的分布电容为c ：，在没加屏蔽罩h 的情况下， b 点的感应电压与a 点的电压有如下关系： v b = 器 ( 2 - 4 ) 因此在未加屏蔽罩的情况下，b 点的感应