江如意, 張曉萍,王克華

1  前言
油田輸氣、輸油、輸水管網(wǎng)是保障油田工業(yè)生產(chǎn)及居民生活的重要設(shè)施。保障輸水、輸油、輸氣的安全、穩(wěn)定已成為集輸節(jié)能系統(tǒng)一項(xiàng)非常重要的工作。目前，輸氣、輸油、輸水管網(wǎng)腐蝕及被盜現(xiàn)象普遍，管網(wǎng)漏失嚴(yán)重。有的地方因盜氣造成天然氣損耗率竟達(dá)70%。因此，如何準(zhǔn)確找出盜氣、盜油、盜水支管及管網(wǎng)腐蝕穿孔的位置，及時(shí)卡斷漏失點(diǎn)已成為目前需要迫切解決的問題。
本文使用美國(guó)National Instruments公司的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)自行開發(fā)的智能管道檢漏儀測(cè)量流體介質(zhì)在管道泄漏點(diǎn)處流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)噪聲，確定埋地油、氣、水管道穿孔泄漏點(diǎn)的位置。該裝置特別適合于無(wú)法用金屬探測(cè)儀檢測(cè)的橡塑天然氣盜氣支管的位置確定。
2  測(cè)量原理及設(shè)備組成
隨著管道的建設(shè)，各種檢測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前應(yīng)用于管道泄漏檢測(cè)的主要有壓力梯度法、負(fù)壓力波法、流量平衡法、超聲波檢測(cè)法、聲波檢測(cè)法等物理方法和一些化學(xué)方法，這些方法的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合各不相同。本系統(tǒng)采用聲波檢測(cè)法。
2.1  測(cè)量基本原理
在輸氣管有盜氣支管的情況下，由于其粘性及慣性的影響，天然氣流在開孔處形成一個(gè)收縮斷面，使氣體流速增加、壓力減小、產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，在支管接頭近管壁處形成旋渦區(qū)及二次流。旋渦區(qū)內(nèi)氣體分子的旋轉(zhuǎn)、摩擦、碰撞，使介質(zhì)壓力、密度、比容發(fā)生周期性的變化，產(chǎn)生一定強(qiáng)度的振動(dòng)波，引起管壁及土壤的振動(dòng)。原油、天然氣及水通過(guò)管道腐蝕穿孔處的流動(dòng)情況與上述情況相似。均會(huì)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的振動(dòng)及噪聲。
埋地支管上產(chǎn)生的振動(dòng)波以球面波的形式向地面?zhèn)鞑ァＵ駝?dòng)波向地面?zhèn)鞑r(shí)，會(huì)被土壤吸收掉大部分高頻能量，而某些低頻率振動(dòng)波仍然可以通過(guò)土層傳播到地面上。衰減劇烈是振動(dòng)波在土壤中傳播的一個(gè)重要特點(diǎn)，利用此特性可以進(jìn)行盜氣支管及穿孔的定位。如圖1所示。
盜氣支管及穿孔處的振動(dòng)，傳播到地面上時(shí)的振幅及頻率同埋深、傳播距離、土壤性質(zhì)有關(guān)。地面上某點(diǎn)的振動(dòng)是由支管引起主管振動(dòng)共同造成的，其影響因素十分復(fù)雜。但是，理論定性分析及實(shí)驗(yàn)都證明，地面振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)弱主要受傳播距離的影響。因此在地面垂直于支管口上方有一最強(qiáng)點(diǎn)，以此點(diǎn)為圓心的同心圓上隨直徑的增大，振幅呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，由此可以根據(jù)檢振信號(hào)強(qiáng)度確定盜氣支管的位置。 

圖1  聲波檢測(cè)原理圖

2.2  管道檢漏儀組成及原理
智能管道檢漏儀組成如圖2所示。 

圖2  智能管道檢漏儀結(jié)構(gòu)框圖

智能管道檢漏儀主要由檢振器、一次儀表、分析計(jì)算機(jī)三部分組成。其中，一次儀表由輸入電路、前置放大器、選頻放大器及耳機(jī)、電流表、LED光顯組成。
檢振器將地面振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它們具有靈敏度高、方向性好、響應(yīng)頻率范圍寬等特點(diǎn)。
前置放大器、選頻放大器、功率放大器將檢振器送來(lái)的微弱信號(hào)放大送給指示部分。它具有放大倍數(shù)高、抗干擾性好、失真小的特點(diǎn)。選頻放大器可以有效的抑制高、低頻干擾，充分放大有效振動(dòng)信號(hào)，且通頻帶可調(diào)。
指示部分有電流表指示、發(fā)光二極管指示、耳機(jī)指示信號(hào)強(qiáng)度三種方式。一次儀表為便攜式，功耗小。用電池供電，有效工作時(shí)間長(zhǎng)。
一次儀表輸出的模擬信號(hào)經(jīng)屏蔽電纜傳輸給便攜式計(jì)算機(jī)，經(jīng)信號(hào)采樣、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、頻譜分析后，計(jì)算多次測(cè)量結(jié)果的平均值。當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測(cè)到漏氣、漏水特征信號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在檢振器沿管線按相同的間距（0.2~1.0m）移動(dòng)時(shí)，計(jì)算機(jī)即可繪制出信號(hào)強(qiáng)度隨檢振器位移的曲線圖。在盜氣支管及穿孔點(diǎn)前后，振動(dòng)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)弱―強(qiáng)―弱的變化。計(jì)算機(jī)會(huì)繪制出一“峰”狀曲線，以確定盜氣支管及穿孔的位置，并發(fā)出提示信號(hào)。計(jì)算機(jī)將探測(cè)結(jié)果以文件的形式存儲(chǔ)起來(lái)，以方便備案和對(duì)比檢查。
最后利用應(yīng)用程序生成器(Application Builder)生成可以單獨(dú)運(yùn)行的應(yīng)用程序。
3  系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
LabVIEW是一種直覺式圖形程序語(yǔ)言，編程人員可以憑借直覺的方法建立前面板人機(jī)界面和方塊圖程序，進(jìn)而完成編程過(guò)程。LabVIEW程序稱為虛擬儀表程序，簡(jiǎn)稱為VI(Virtual Instruments)。
LabVIEW強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)、圖形顯示能力和便捷的快速程序設(shè)計(jì)為過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。LabVIEW提供了工業(yè)界最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，同時(shí)還支持通過(guò)Internet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，它提供的眾多開發(fā)工具是復(fù)雜的測(cè)試和測(cè)量任務(wù)變得簡(jiǎn)單易行。LabVIEW為工程師提供了功能強(qiáng)大的高級(jí)數(shù)學(xué)分析庫(kù)，包括統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分析、線性代數(shù)、信號(hào)處理、時(shí)域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，可滿足各種計(jì)算和分析需要。即使在聯(lián)合時(shí)頻分析(Joint Time Frequency Analysis (JTFA))、小波分析和數(shù)字濾波器等高級(jí)和特殊分析場(chǎng)合，LabVIEW也為此提供了專門的軟件包。
該系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如下： 

在LabVIEW中是通過(guò)LabVIEW DAQ VIs 來(lái)完成DAQ編程應(yīng)用，所有的LabVIEW DAQ VIs都包含在功能模塊→Data Acquisition 子模塊中。利用Data Acquisition 的子模塊就能輕松的完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。
利用LabVIEW 6i 中功能模塊→Analyze 子模塊→Signal Processing子模塊→Frequency Domain子模塊中的功率譜函數(shù)(Power Spectrum.vi)、實(shí)數(shù)域內(nèi)的快速傅立葉變換(Real FFT.vi)、實(shí)數(shù)域內(nèi)的快速傅立葉逆變換(Inverse Real FFT.vi)等數(shù)字信號(hào)處理接點(diǎn)，以及功能模塊→Analyze 子模塊→Signal Processing子模塊→Filters子模塊中的等波紋帶通濾波器（Equi-Ripple Band Pass.vi）、中值濾波器（Median Filter.vi）等數(shù)字濾波器可以很輕松就能完成設(shè)計(jì)所需功能。
4  結(jié)語(yǔ)
虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)和其他同類產(chǎn)品相比，LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫骘@示了強(qiáng)大的功能。綜合運(yùn)用數(shù)字濾波、頻譜分析等各種信號(hào)處理函數(shù)，使工作更方便快捷。利用LabVIEW開發(fā)的該系統(tǒng)具有靈敏度高、精度高、響應(yīng)頻率范圍寬、在線信號(hào)處理速度快，且方便擴(kuò)展。該系統(tǒng)已在勝利油田、中原油田等多家單位得到良好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
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