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施。保障輸水、輸油、輸氣的安全、穩定已成為集輸節能系統一項非常重要的工作。目前，輸氣、輸油、輸水管網(wǎng)腐蝕及被盜現象普遍，管網(wǎng)漏失嚴重。有的地方因盜氣造成天然氣損耗率竟達70%。因此，如何準確找出盜氣、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(wèn)題。
本文使用美國National Instruments公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW和數據采集卡，通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的智能管道檢漏儀測量流體介質(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)法用金屬探測儀檢測的橡塑天然氣盜氣支管的位置確定。
2  測量原理及設備組成
隨著(zhù)管道的建設，各種檢測技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前應用于管道泄漏檢測的主要有壓力梯度法、負壓力波法、流量平衡法、超聲波檢測法、聲波檢測法等物理方法和一些化學(xué)方法，這些方法的特點(diǎn)和應用場(chǎng)合各不相同。本系統采用聲波檢測法。
2.1  測量基本原理
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(kāi)孔處形成一個(gè)收縮斷面，使氣體流速增加、壓力減小、產(chǎn)生節流效應，在支管接頭近管壁處形成旋渦區及二次流。旋渦區內氣體分子的旋轉、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傳播。振動(dòng)波向地面傳播時(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，其影響因素十分復雜。但是，理論定性分析及實(shí)驗都證明，地面振動(dòng)信號的強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點(diǎn)，以此點(diǎn)為圓心的同心圓上隨直徑的增大，振幅呈負指數規律衰減，由此可以根據檢振信號強度確定盜氣支管的位置。 

圖1  聲波檢測原理圖

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  智能管道檢漏儀結構框圖

智能管道檢漏儀主要由檢振器、一次儀表、分析計算機三部分組成。其中，一次儀表由輸入電路、前置放大器、選頻放大器及耳機、電流表、LED光顯組成。
檢振器將地面振動(dòng)轉換為電信號，它們具有靈敏度高、方向性好、響應頻率范圍寬等特點(diǎn)。
前置放大器、選頻放大器、功率放大器將檢振器送來(lái)的微弱信號放大送給指示部分。它具有放大倍數高、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，且通頻帶可調。
指示部分有電流表指示、發(fā)光二極管指示、耳機指示信號強度三種方式。一次儀表為便攜式，功耗小。用電池供電，有效工作時(shí)間長(cháng)。
一次儀表輸出的模擬信號經(jīng)屏蔽電纜傳輸給便攜式計算機，經(jīng)信號采樣、A/D轉換、數字濾波、頻譜分析后，計算多次測量結果的平均值。當計算機檢測到漏氣、漏水特征信號時(shí)，會(huì )發(fā)出報警信號。在檢振器沿管線(xiàn)按相同的間距（0.2~1.0m）移動(dòng)時(shí)，計算機即可繪制出信號強度隨檢振器位移的曲線(xiàn)圖。在盜氣支管及穿孔點(diǎn)前后，振動(dòng)信號會(huì )出現弱―強―弱的變化。計算機會(huì )繪制出一“峰”狀曲線(xiàn)，以確定盜氣支管及穿孔的位置，并發(fā)出提示信號。計算機將探測結果以文件的形式存儲起來(lái)，以方便備案和對比檢查。
最后利用應用程序生成器(Application Builder)生成可以單獨運行的應用程序。
3  系統的軟件設計
LabVIEW是一種直覺(jué)式圖形程序語(yǔ)言，編程人員可以憑借直覺(jué)的方法建立前面板人機界面和方塊圖程序，進(jìn)而完成編程過(guò)程。LabVIEW程序稱(chēng)為虛擬儀表程序，簡(jiǎn)稱(chēng)為VI(Virtual Instruments)。
LabVIEW強大的硬件驅動(dòng)、圖形顯示能力和便捷的快速程序設計為過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化應用提供了優(yōu)秀的解決方案。LabVIEW提供了工業(yè)界最大的儀器驅動(dòng)程序庫，同時(shí)還支持通過(guò)Internet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式實(shí)現數據共享，它提供的眾多開(kāi)發(fā)工具是復雜的測試和測量任務(wù)變得簡(jiǎn)單易行。LabVIEW為工程師提供了功能強大的高級數學(xué)分析庫，包括統計、估計、回歸分析、線(xiàn)性代數、信號處理、時(shí)域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，可滿(mǎn)足各種計算和分析需要。即使在聯(lián)合時(shí)頻分析(Joint Time Frequency Analysis (JTFA))、小波分析和數字濾波器等高級和特殊分析場(chǎng)合，LabVIEW也為此提供了專(zhuān)門(mén)的軟件包。
該系統的程序結構如下： 

在LabVIEW中是通過(guò)LabVIEW DAQ VIs 來(lái)完成DAQ編程應用，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據采集任務(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(Power Spectrum.vi)、實(shí)數域內的快速傅立葉變換(Real FFT.vi)、實(shí)數域內的快速傅立葉逆變換(Inverse Real FFT.vi)等數字信號處理接點(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）等數字濾波器可以很輕松就能完成設計所需功能。
4  結語(yǔ)
虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺和其他同類(lèi)產(chǎn)品相比，LabVIEW在數據采集、存儲、顯示、信號處理、數據傳輸等方面顯示了強大的功能。綜合運用數字濾波、頻譜分析等各種信號處理函數，使工作更方便快捷。利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的該系統具有靈敏度高、精度高、響應頻率范圍寬、在線(xiàn)信號處理速度快，且方便擴展。該系統已在勝利油田、中原油田等多家單位得到良好的應用。

參考文獻：
[1]  LabVIEW User Manual. USA: National Instruments Corporation, 1998.
[2]  LabVIEW Function Manual. USA: National Instruments Corporation, 1998.
[3]  G Programming Reference Manual. USA: National Instruments Corporation, 1998.
[4]  計算機虛擬儀器圖形編程LabVIEW實(shí)驗教材[Z]. 北京: 中科泛華測控技術(shù)有限公司.
[5]  程佩青. 數字信號處理教程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1995.
[6]  王化祥, 張淑英. 傳感器原理及應用[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社, 1991.