【文章內(nèi)容簡介】 式(212)表明液體的密度、液體的彈性系數(shù)以及管材的彈性變形影響著負壓波在管道中的傳播速度。即負壓波的傳播速度與液體的類型和管道的性質(zhì)有關(guān)，而管道壁的材料變形特性以及管道壁的彈性決定了管道的性質(zhì)。而管道管道的約束條件、管道的一個無因次比值以及管道橫截面形狀決定了管道壁的材料變形特性。對于圓形管道而言，無因次比值為管道的直徑與管道壁的厚度之比(D/e)。而管道的體積彈性系數(shù)又隨著流體的壓力、溫度、品種的不同而不同。一下是對上述提到的各個參數(shù)進行研究：1． K液體隨著外界壓力的變化，液體的體積也發(fā)生變化即為液體的體積彈性系數(shù)。在下表 2l 為幾種液體的體積彈性系數(shù)隨著溫度的變化而變化的數(shù)據(jù)。由下表可以看出烴類液體的體積彈性系數(shù)隨著溫度的變化而變化。溫度越高，其體積彈性系數(shù)越小，溫度齊齊哈爾大學畢業(yè)設(shè)計（論文）8越低，其體積彈性系數(shù)越大。而原油的主要成分就是烴類液體。以下是壓縮系數(shù)的計算公式，壓縮系數(shù)的倒數(shù)等于液體的體積彈性系數(shù) K 的值：1n(F10 )=0．51992++846596/ +(213)10 ?20?20公式(213)中：T——溫度，單位℃——標準密度， = ，單位 kg/m0?0?243F——壓縮系數(shù)，單位 pa 1?表 21 幾種液體的體積彈性系數(shù)體積彈性系數(shù) 105液體名稱20℃ 30℃ 40℃ 50℃ 90℃23500 — 22100 — 21800水24400 — 22300 — 22350丙烷 1750(1800) 1370(1400) 1050(1060) 750(730) —丁烷 3560(3650) 3020(3080) 2510(2560) 2130(2170) —汽油 9060(9530) — — 7600(7750) —13650 — 12020 — —煤油13950 — 12050 — —15650 — — 13070 —潤滑油15930 — — 14050 —2．原油密度 ?原油密度與壓力和溫度有關(guān)，但是由于原油是液體，壓力對其影響不是很大，溫度對其影響卻剛好相反。其密度隨溫度變化的公式如下：（T）= (T20) (2?20?14)式中：(T) ——T 是原油密度，單位 kg/m?3——原油的體積膨脹系數(shù)( =．001315 )，單位 kg/(m ℃)???203——20℃時原油的密度，單位 kg/m20 3由式(214)可見，原油溫度越低，原油密度越大；原油溫度越高，原油密度越小。按照 wylie 的觀點，管道的約束條件可以分為以下三類：(1)管道只固定在管道的上游；(2)直接將管道固定住，使管道不能移動；(3)全部采用膨脹接頭連接管道；對應(yīng)地修正系數(shù) C ，可取為下列值：1齊齊哈爾大學畢業(yè)設(shè)計（論文）9(1)C =112?(2) C =1(3) C =11( 為管材的泊松系數(shù))?對于厚壁彈性管來說按照 wylie 的觀點，當厚壁管情況時，即 D/e25。管壁內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力明顯不同的管道即是厚壁管，由于管壁應(yīng)力分布不均的原因，管道的變形特性也隨之改變，波速方程也因此而變得復(fù)雜。分析研究表明，基本波速方程可以對管道壁進行使用，但是需要對系數(shù) C 進行修正。1以下公式分別對應(yīng)上面的三種情況：(1) C = + (215)1)(/2??eD)21(/??De(2) C = + (216)(3) C = + (217)1)(/ee/1?(216)所示情況，這里 取 0．30。?表 22 常用材料彈性模量和泊松系數(shù)名稱 彈性模量 E 泊松系數(shù) ?鋼 ≈球墨鑄鐵 ≈銅 ≈鋁 ≈石棉水泥 ≈ ≈混凝土 30~106 ~橡膠 ≈ ≈考慮到溫度對波速的影響，泄漏點 x 處的負壓波傳播到管道首末端的時間分別如0下所示：t = ，t = (218)1dxv?0)(2dxvl?)(1由于負壓波在管道中的傳播速度與管道距離變化的函數(shù)表達式 v(x)比較復(fù)雜，因此，很難得到負壓波波速的解。而差值 是可檢測到的值，為了確定泄漏點的位置21t???x ，可采用細分的搜索方法。考慮到 v(x)是連續(xù)變化的；如果速度 v 為常數(shù)，對于測得0齊齊哈爾大學畢業(yè)設(shè)計（論文）10的時間差 t，將負壓波到達管道上游的速度代入定位公式可以得到一個泄漏點 x ，將? 1v負壓波下游的速度代入得到泄漏點位置可以得到 x ，那么負壓波的泄漏地點必然在 x2v 與 x 之間。利用細分搜索算法計算出 ，然后計算出 y =| |( 為實測到1v2v nit?init?t的時間差)，逐次計算 的值，負壓波泄漏點 x 即為最小的 值所對應(yīng)的點所指出的位iy0i置。齊齊哈爾大學畢業(yè)設(shè)計（論文）11第 3 章 管道泄漏檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計管道泄漏檢測系統(tǒng)是將采集的數(shù)據(jù)通過主控單元，再通過 GPRS 傳送到工控機中進行分析處理，從而實現(xiàn)對泄漏點的定位。本設(shè)計主要研究的是數(shù)據(jù)的采集以及傳送階段。通過 GPRS 將管道兩側(cè)信號傳入上位機的時間 t ，t ，我們可以確定差值 。由12 t?于負壓波的傳播速度與液體內(nèi)型和管道性質(zhì)有關(guān)，因此通過對管壁材料的彈性系數(shù)和變形特征、液體的彈性系數(shù)、原油密度以及溫度的分析能夠確定某一時刻負壓波的傳播速度，這一點在上一章中已做了詳細的介紹。系統(tǒng)硬件電路部分主要包括主控單元、信號采集模塊、電源模塊和無線通信GPRS模塊。信號采集模塊又包括壓力采集模塊，流量采集模塊和溫度采集模塊。系統(tǒng)的總體框圖如圖31所示：主控單片機壓力采集模塊溫度采集模塊流量采集模塊G P R S 模塊電源模塊復(fù)位上位機圖31 系統(tǒng)硬件總體框圖 系統(tǒng)硬件各功能模塊構(gòu)建 主控單元齊齊哈爾大學畢業(yè)設(shè)計（論文）12主控單元采用 51 系列單片機 AT89C51。AT89C51 單片機內(nèi) ROM 是 FLASH 存儲器，以獲得廣泛的應(yīng)用 80C51 兼容，采用靜態(tài)邏輯設(shè)計，操作頻率范圍寬，具有兩個軟件選擇的節(jié)能模式。AT89C51 單片機具有極為很高的使用屬性。可閃存，可更改內(nèi)容，而且使用的是36V 以內(nèi)的電壓，使用時安全系數(shù)很高。而且功能強大，實用性很好，被廣為使用。還有一種單片機是 89C2051 性能也很好，但是比 AT89C51 性能要弱，實用性也較差。單片機的優(yōu)點是體積小，價格低廉，易儲存，制造技術(shù)簡單，而且與別程序或原件容錯率也很好?？梢哉f AT89C51 在一定程度上加快了微型計算機的進程。主要性能指標： (1)它和 MCS51 單片機相容 (2)4KB 的可控制邏輯閃存 (3)使用限度：一千寫每擦來轉(zhuǎn)換(4)信息存根時限：十年 (5)完全靜止狀態(tài)工作周期：0~24Hz (6)四級系統(tǒng)閃存鎖緊 (7)有 128*8 位的內(nèi)部隨機存儲器 (8)32 可控制輸入 /輸出總線 (9)有 2 個十六位的內(nèi)部中斷計時器(10)5 個內(nèi)部中斷電源源 (11)可控制串行通訊 (12)小功率的擺置與去電方式AT89C51 的最小系統(tǒng)如圖 32：P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178INT113 INT012RESET9T115 T014X119EA/VP31X218RD17 WR16P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10GND20VCC 40AT89C51+22uf 1k+6V12MH30p30p齊齊哈爾大學畢業(yè)設(shè)計（論文）13圖 32 AT89C51 的最小系統(tǒng)圖 信號采集模塊傳感器的作用是將聲音，溫度等非電物理信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。它主要通過各種物理、化學和生物效應(yīng)來實現(xiàn)它的作用，并且有相關(guān)的定律來約束它。傳感器的選擇有以下幾點原則 [9]：(1)傳感器具有足夠的容量，這樣使得傳感器的工作范圍變寬，并且當傳感器過載時不會被損壞。(2)傳感器要與需要檢測、控制的系統(tǒng)良好的匹配，轉(zhuǎn)換的速度快，輸出的信號要與輸入的信號相對應(yīng)。(3)傳感器要在保證其穩(wěn)定性的前提下保證其精度，使其能正常的工作，靜態(tài)響應(yīng)與動態(tài)響應(yīng)的準確度能滿足要求。(4)傳感器要有較快的反應(yīng)速度，使其在工作時不會出偏差。(5)在使用技巧，經(jīng)濟成本等方面全面分析傳感器的性價比，看看是否合適。壓力傳感器采用DJ20B型壓力傳感器。DJ20B型壓力傳感器采用進口不銹鋼隔離膜片的高精度、高穩(wěn)定性的芯片組裝，產(chǎn)品經(jīng)過精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計對不銹鋼殼體的全密封焊接工藝制造，輸出信號為0~5VCD。適用于氣體、液體、蒸汽壓力的測量及具有腐蝕性介質(zhì)的壓力測量。此模塊中壓力信號來源于壓力傳感器。其輸入信號為4~20mA電流。傳感器輸入的信號為電流信號，在對此信號進行采集時，需要將此信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。然后采用外部AD轉(zhuǎn)換器件對轉(zhuǎn)換的電壓信號進行采集。電路系統(tǒng)分兩部分組成：信號處理電路及電壓信號采集電路。電路圖如圖33所示：齊齊哈爾大學畢業(yè)設(shè)計（論文）1432 184U1A32 184U2A12PT1PF3PF2PF1VCCVCCVCCR110KC1REF1VDD2+IN3IN4GND 8DK 7VO 6/CS 5AD7684圖33 壓力采集模塊電路圖其中，在電路的緩沖部分，為了減少“自動”啟動誤觸發(fā)的可能性，提高系統(tǒng)的輸入阻抗，減少對被測信號的衰減影響等諸方面考慮，采用電壓跟隨器。而在電壓信號AD電路中采用AD7684芯片。AD7684是一個16位差分輸入的AD轉(zhuǎn)換器件。當 為低電平時AD7684將采用差壓的方式在兩輸入端進行采樣。此時，當DKCS不斷的得到脈沖信號時，Vo 將不斷的輸出數(shù)據(jù)。主控單元通過PF1控制 對AD7684 進行選擇；通過 PF3向AD7684提供串行數(shù)據(jù)CS發(fā)送脈沖；通過PF2讀取AD7684 的串行數(shù)據(jù)。在此模塊中，流量傳感器采用CMZ1GF10080。該傳感器有以下特點：(1)沒有可動部件，構(gòu)造簡單而牢固，長期運行可靠，使用壽命長。(2)壓力損失較小，測量范圍寬、測量精度較高。(3)適用范圍廣，可用于液體、氣體、蒸汽的流量測量，氣液通用。(4)