摘要：本文研究了应用管道泄漏时产生的负压波对泄漏进行检测与定位的原理，设计了用于负压波信号传感及采集的硬件电路，以及对泄漏点进行定位的软件系统。将设计的软硬件系统用于充气管道泄漏实验，结果表明采用以上原理及方法可以比较准确的检测到管道的泄漏并对漏点进行定位。
关键词：燃气管道；泄漏；定位；负压波；相关算法
Study on Leakage Detection and Localization of Gas Pipeline
College of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology(110023) Gao Songwei，Liu Bo，Yang Lijian
Abstract：This paper based on negative pressure wave authority adopts LabVIEW software of NI Corporation to detect and locate the leakage. LabVIEW can process the signal of sensor and represent frequency and correlation information. This detection and location system of pipeline of gas leak can detect and locate leakage accurate through experimentation
Keywords：pipelines of gas leakage localization negative pressure wave correlation compute
1 前言
城市燃气管道分布于城市的地下，一旦泄漏会造成巨大的经济损失及人身伤害，及时地发现泄漏并确定泄漏点的位置成为发生泄漏后的首要问题。对城市燃气管道泄漏的检测属于压力管道泄漏检测范畴，随着管道的建设，泄漏检测技术也得到不断发展，目前国内外已提出了多种液体泄漏检测与定位方法，然而对燃气管道泄漏的检测与定位研究得较少。本文在基于当管道泄漏时管道内部气体压力变化的负压波原理的基础上，设计了硬件采集电路对负压波信号进行采集并将采集到的信号传送给计算机，在计算机中采用NI公司的LabVIEW虚拟仪器技术对采集到的负压波信号进行分析运算从而对泄漏进行检测与定位。
2 燃气管道泄漏检测与定位原理
对于管道泄漏检测技术的研究近年来不断有新的发展，检漏方法也由最初的听音法发展到基于信号处理和自动化装置的检漏，其中利用负压波进行泄漏检测定位的方法只需要在管道两端安装声压传感器，具有仪表施工量小、成本低、以及安装维护方便等的特点，因此得到了广泛应用[1]。
2.1 负压波检测与定位原理
当管道上某处发生泄漏时，由于管道内外压差，泄漏点处的流体迅速流失，在泄漏处产生瞬间压力突降。泄漏点两边的流体由于压差而向泄漏点处补充，从而形成了一个以泄漏点为中心的压力波动，该压力波动称为负压波。该负压波以一定的波速向管道两端传播，利用安装在管道两端的声压传感器检测负压波信号，并根据两传感器检测到的负压波信号的时间差就可以对泄漏点进行定位，原理如图1所示：
定位公式如式1所示：
L为已知条件，v为经验值，若测得两个声压传感器在测量压力瞬变时刻的时间差τ，就可以获得泄漏点距首端传感器的距离X。
2.2 负压波信号的特性及采集原理
发生泄漏时管道内流动的气体将导致整个管道内的压力震荡，频率的变化范围可达几千赫兹。其中，绝大多数是高频成分。由于高频成分很容易在传播过程中衰减，所以为了扩展检测距离，我们取其中的低频成分进行分析(O-200Hz)[2]。为了保证获得足够的信息量，并防止由于滤波器过渡带造成的频率混叠，并考虑到实际试验条件，我们选择2K的采样频率对负压波信号进行采样。
2.3 相关算法在管道泄漏定位中的应用
由前面的讨论可知。对管道泄漏点定位的关键是要确定两个压力传感器在测量压力瞬变时刻的时间差下，即求出首末两传感器检测到的波形延时，一种最常用的做法是相关运算。
使用相关运算对负压波信号进行处理时，当没有泄漏发生时，传感器接收不到负压波信号，相关函数值在零附近。发生泄漏后，相关函数输出值将显著增大，根据相关函数最大值出现的位置确定延时τ。用相关分析法进行定位具有灵敏、准确，只需检测压信号，不需要建立数学模型，计算量小等特点，因此是一种有效而可行的方法。但它要求泄漏的发生是快速的、突发性的。如果泄漏速度很慢没有明显的负压波出现。则此方法失效。
具体方法为假设在图1中到达首端传感器的信号为A似到达末端传感器的信号为B似可表示为：
A(t)=f(t)-NA(t) (2)
B(t)=g(t)+NB(t) (3)
式中：NA(t)和NB(t)分别为两传感器接收到的背景噪声。对A(t)，B(t)进行相关运算有：
通常认为泄漏负压波信号与背景噪声信号相互独立不相关，噪声NA(t)和%NB(t)完全不相关，所以公式(4)可简化为：
相关函数RAB(τ)例达到峰值时所对应的下值与负压波传播到两个端点的时间差呈线性，由于相关函数RAB(τ)取极大值的必要条件为在τ处的导数等于零，由此可求出τ，在L和v已知的前提下利用式(1)即可计算出X的值，从而确定泄漏点的位置。从以上分析可以看出要实现上述相关计算非常简单，只要在计算机上进行相关算法的编程，免去了对端点压力变化突变点的确定，大大提高了定位的精度。
3 检测系统软硬件设计
本文设计的燃气管道泄漏检测及定位系统主要由下位机硬件系统和上位机软件系统两部分组成，系统框图如图2所示：
其中上位机为放置在中央控制室的工控计算机，下位机为分布于输气管道各点进行对负压波信号传感采集传输的电路。上位机首先通过有线或无线通信手段，向下位机发送采集命令，下位机实现对压力数据的采集，并传输给上位机。上位机可以对采集的压力波信号以波形的形式进行实时显示，并以负压波理论为基础，利用相关算法。对输气管道中所出现的泄漏及时进行报警并计算泄漏点的位置，同时可以实现对管线压力数据存储和历史数据分析等任务。
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