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江如意, 张晓萍,王克华

1  前言
油田输气、输油、输水管网是保障油田工业生产及居民生活的重要设施。保障输水、输油、输气的安全、稳定已成为集输节能系统一项非常重要的工作。目前，输气、输油、输水管网腐蚀及被盗现象普遍，管网漏失严重。有的地方因盗气造成天然气损耗率竟达70%。因此，如何准确找出盗气、盗油、盗水支管及管网腐蚀穿孔的位置，及时卡断漏失点已成为目前需要迫切解决的问题。
本文使用美国National Instruments公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW和数据采集卡，通过自行开发的智能管道检漏仪测量流体介质在管道泄漏点处流动时产生的扰动噪声，确定埋地油、气、水管道穿孔泄漏点的位置。该装置特别适合于无法用金属探测仪检测的橡塑天然气盗气支管的位置确定。
2  测量原理及设备组成
随着管道的建设，各种检测技术也在不断发展，目前应用于管道泄漏检测的主要有压力梯度法、负压力波法、流量平衡法、超声波检测法、声波检测法等物理方法和一些化学方法，这些方法的特点和应用场合各不相同。本系统采用声波检测法。
2.1  测量基本原理
在输气管有盗气支管的情况下，由于其粘性及惯性的影响，天然气流在开孔处形成一个收缩断面，使气体流速增加、压力减小、产生节流效应，在支管接头近管壁处形成旋涡区及二次流。旋涡区内气体分子的旋转、摩擦、碰撞，使介质压力、密度、比容发生周期性的变化，产生一定强度的振动波，引起管壁及土壤的振动。原油、天然气及水通过管道腐蚀穿孔处的流动情况与上述情况相似。均会产生一定强度的振动及噪声。
埋地支管上产生的振动波以球面波的形式向地面传播。振动波向地面传播时，会被土壤吸收掉大部分高频能量，而某些低频率振动波仍然可以通过土层传播到地面上。衰减剧烈是振动波在土壤中传播的一个重要特点，利用此特性可以进行盗气支管及穿孔的定位。如图1所示。
盗气支管及穿孔处的振动，传播到地面上时的振幅及频率同埋深、传播距离、土壤性质有关。地面上某点的振动是由支管引起主管振动共同造成的，其影响因素十分复杂。但是，理论定性分析及实验都证明，地面振动信号的强弱主要受传播距离的影响。因此在地面垂直于支管口上方有一最强点，以此点为圆心的同心圆上随直径的增大，振幅呈负指数规律衰减，由此可以根据检振信号强度确定盗气支管的位置。 

图1  声波检测原理图

2.2  管道检漏仪组成及原理
智能管道检漏仪组成如图2所示。 

图2  智能管道检漏仪结构框图

智能管道检漏仪主要由检振器、一次仪表、分析计算机三部分组成。其中，一次仪表由输入电路、前置放大器、选频放大器及耳机、电流表、LED光显组成。
检振器将地面振动转换为电信号，它们具有灵敏度高、方向性好、响应频率范围宽等特点。
前置放大器、选频放大器、功率放大器将检振器送来的微弱信号放大送给指示部分。它具有放大倍数高、抗干扰性好、失真小的特点。选频放大器可以有效的抑制高、低频干扰，充分放大有效振动信号，且通频带可调。
指示部分有电流表指示、发光二极管指示、耳机指示信号强度三种方式。一次仪表为便携式，功耗小。用电池供电，有效工作时间长。
一次仪表输出的模拟信号经屏蔽电缆传输给便携式计算机，经信号采样、A/D转换、数字滤波、频谱分析后，计算多次测量结果的平均值。当计算机检测到漏气、漏水特征信号时，会发出报警信号。在检振器沿管线按相同的间距（0.2~1.0m）移动时，计算机即可绘制出信号强度随检振器位移的曲线图。在盗气支管及穿孔点前后，振动信号会出现弱―强―弱的变化。计算机会绘制出一“峰”状曲线，以确定盗气支管及穿孔的位置，并发出提示信号。计算机将探测结果以文件的形式存储起来，以方便备案和对比检查。
最后利用应用程序生成器(Application Builder)生成可以单独运行的应用程序。
3  系统的软件设计
LabVIEW是一种直觉式图形程序语言，编程人员可以凭借直觉的方法建立前面板人机界面和方块图程序，进而完成编程过程。LabVIEW程序称为虚拟仪表程序，简称为VI(Virtual Instruments)。
LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。LabVIEW提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具是复杂的测试和测量任务变得简单易行。LabVIEW为工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号处理、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算和分析需要。即使在联合时频分析(Joint Time Frequency Analysis (JTFA))、小波分析和数字滤波器等高级和特殊分析场合，LabVIEW也为此提供了专门的软件包。
该系统的程序结构如下： 

在LabVIEW中是通过LabVIEW DAQ VIs 来完成DAQ编程应用，所有的LabVIEW DAQ VIs都包含在功能模块→Data Acquisition 子模块中。利用Data Acquisition 的子模块就能轻松的完成数据采集任务。
利用LabVIEW 6i 中功能模块→Analyze 子模块→Signal Processing子模块→Frequency Domain子模块中的功率谱函数(Power Spectrum.vi)、实数域内的快速傅立叶变换(Real FFT.vi)、实数域内的快速傅立叶逆变换(Inverse Real FFT.vi)等数字信号处理接点，以及功能模块→Analyze 子模块→Signal Processing子模块→Filters子模块中的等波纹带通滤波器（Equi-Ripple Band Pass.vi）、中值滤波器（Median Filter.vi）等数字滤波器可以很轻松就能完成设计所需功能。
4  结语
虚拟仪器开发平台和其他同类产品相比，LabVIEW在数据采集、存储、显示、信号处理、数据传输等方面显示了强大的功能。综合运用数字滤波、频谱分析等各种信号处理函数，使工作更方便快捷。利用LabVIEW开发的该系统具有灵敏度高、精度高、响应频率范围宽、在线信号处理速度快，且方便扩展。该系统已在胜利油田、中原油田等多家单位得到良好的应用。

参考文献：
[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]  计算机虚拟仪器图形编程LabVIEW实验教材[Z]. 北京: 中科泛华测控技术有限公司.
[5]  程佩青. 数字信号处理教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 1995.
[6]  王化祥, 张淑英. 传感器原理及应用[M]. 天津: 天津大学出版社, 1991.