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江如意, 張曉萍,王克華

1  前言
油田輸氣、輸油、輸水管網是保障油田工業生產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、輸水管網腐蝕及被盜現象普遍，管網漏失嚴重。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、盜水支管及管網腐蝕穿孔的位置，及時卡斷漏失點已成為目前需要迫切解決的問題。
本文使用美國National Instruments公司的虛擬儀器開發平臺LabVIEW和數據采集卡，通過自行開發的智能管道檢漏儀測量流體介質在管道泄漏點處流動時產生的擾動噪聲，確定埋地油、氣、水管道穿孔泄漏點的位置。該裝置特別適合于無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
隨著管道的建設，各種檢測技術也在不斷發展，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方法，這些方法的特點和應用場合各不相同。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，天然氣流在開孔處形成一個收縮斷面，使氣體流速增加、壓力減小、產生節流效應，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，使介質壓力、密度、比容發生周期性的變化，產生一定強度的振動波，引起管壁及土壤的振動。原油、天然氣及水通過管道腐蝕穿孔處的流動情況與上述情況相似。均會產生一定強度的振動及噪聲。
埋地支管上產生的振動波以球面波的形式向地面傳播。振動波向地面傳播時，會被土壤吸收掉大部分高頻能量，而某些低頻率振動波仍然可以通過土層傳播到地面上。衰減劇烈是振動波在土壤中傳播的一個重要特點，利用此特性可以進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，傳播到地面上時的振幅及頻率同埋深、傳播距離、土壤性質有關。地面上某點的振動是由支管引起主管振動共同造成的，其影響因素十分復雜。但是，理論定性分析及實驗都證明，地面振動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，以此點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。
前置放大器、選頻放大器、功率放大器將檢振器送來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。選頻放大器可以有效的抑制高、低頻干擾，充分放大有效振動信號，且通頻帶可調。
指示部分有電流表指示、發光二極管指示、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，有效工作時間長。
一次儀表輸出的模擬信號經屏蔽電纜傳輸給便攜式計算機，經信號采樣、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，會發出報警信號。在檢振器沿管線按相同的間距（0.2~1.0m）移動時，計算機即可繪制出信號強度隨檢振器位移的曲線圖。在盜氣支管及穿孔點前后，振動信號會出現弱―強―弱的變化。計算機會繪制出一“峰”狀曲線，以確定盜氣支管及穿孔的位置，并發出提示信號。計算機將探測結果以文件的形式存儲起來，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是一種直覺式圖形程序語言，編程人員可以憑借直覺的方法建立前面板人機界面和方塊圖程序，進而完成編程過程。LabVIEW程序稱為虛擬儀表程序，簡稱為VI(Virtual Instruments)。
LabVIEW強大的硬件驅動、圖形顯示能力和便捷的快速程序設計為過程控制和工業自動化應用提供了優秀的解決方案。LabVIEW提供了工業界最大的儀器驅動程序庫，同時還支持通過Internet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式實現數據共享，它提供的眾多開發工具是復雜的測試和測量任務變得簡單易行。LabVIEW為工程師提供了功能強大的高級數學分析庫，包括統計、估計、回歸分析、線性代數、信號處理、時域和頻域算法等眾多科學領域，可滿足各種計算和分析需要。即使在聯合時頻分析(Joint Time Frequency Analysis (JTFA))、小波分析和數字濾波器等高級和特殊分析場合，LabVIEW也為此提供了專門的軟件包。
該系統的程序結構如下： 

在LabVIEW中是通過LabVIEW DAQ VIs 來完成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。
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)、實數域內的快速傅立葉變換(Real FFT.vi)、實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，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
虛擬儀器開發平臺和其他同類產品相比，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開發的該系統具有靈敏度高、精度高、響應頻率范圍寬、在線信號處理速度快，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實驗教材[Z]. 北京: 中科泛華測控技術有限公司.
[5]  程佩青. 數字信號處理教程[M]. 北京: 清華大學出版社, 1995.
[6]  王化祥, 張淑英. 傳感器原理及應用[M]. 天津: 天津大學出版社, 1991.