基于水流量狀態(tài)監(jiān)測(cè)的水暖管道泄漏監(jiān)按報(bào)警系統(tǒng)

陳 維，李建海，張曼曼

（溫州市質(zhì)量技術(shù)檢測(cè)科學(xué)研究院，浙江 溫州）

引言

為了確保居民生活的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)正常的供暖設(shè)置需要進(jìn)行定期的檢測(cè)。人們生活質(zhì)量的日益改善，北方地區(qū)對(duì)供暖的需求也越發(fā)強(qiáng)烈，因此在冬季對(duì)水暖管道的用暖高峰時(shí)段水管壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季的供暖平淡期。并且經(jīng)過三個(gè)季度的閑置，冬季的水暖管道的突然使用，極容易造成管道的泄漏。然而在樓層居民的生活中，上門檢測(cè)是一項(xiàng)極其繁瑣的過程，結(jié)合住戶時(shí)間以及檢修人員的安排，會(huì)給檢修工程造成極大的困擾。因此，基于水流量狀態(tài)，對(duì)水暖管道進(jìn)行泄漏處的定點(diǎn)監(jiān)按報(bào)警，不僅節(jié)約檢修人員的時(shí)間，減少檢修工序，也能為居民自身提供警示，方便住戶預(yù)約檢修人員。除此之外，水暖管道的泄漏問題，也會(huì)造成資源的浪費(fèi)，供暖不足，水源流失，都是在水暖管道泄漏中急需解決的問題[1]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 壓力傳感器

為監(jiān)測(cè)水暖管道泄漏中水流量狀態(tài)，將HL-8 壓電式壓力傳感器貼合于水暖管道處，采集管道上的壓力信號(hào)。本研究所選用的HL-8 壓電式壓力傳感器在測(cè)量環(huán)境中可以正常工作，能夠使用管道中的信息采集，能夠做到有效輸出。除此之外，在管道作業(yè)中存在的噪聲環(huán)境，該傳感器的量程測(cè)定能夠確保超過管道壓力的所有值，并且避免出現(xiàn)的相應(yīng)誤差問題。并且該傳感器具有較高的精度，能夠保證信號(hào)傳輸在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，精確采集管道中水流量狀態(tài)的變化。

1.2 報(bào)警器

本研究選擇蜂鳴器作為警報(bào)系統(tǒng)的硬件設(shè)置，無(wú)源蜂鳴器內(nèi)部沒有振蕩器，所以必須用震蕩電流驅(qū)動(dòng)發(fā)聲。本系統(tǒng)中選用的STM32 開發(fā)板上自帶TIM 定時(shí)器，可以產(chǎn)生PWM 波輸出，只要驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到一定數(shù)值蜂鳴器就會(huì)發(fā)聲。

外接模塊蜂鳴器上的VCC 接STM32 開發(fā)板3V3引腳，程序中本研究要用到通用定時(shí)器TIM 3 的CH2通道產(chǎn)生一路PWM 波驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，所以此處要注意I/O 引腳必須接開發(fā)板的PA7 引腳。LED 燈呈綠色常亮。

報(bào)警器電路仿真如圖1 所示。

圖1 報(bào)警器電路仿真

蜂鳴器兩端并聯(lián)接入LED 燈泡，在正常的管道輸送過程中，蜂鳴器不發(fā)聲。當(dāng)管道檢測(cè)到泄漏情況時(shí)蜂鳴器發(fā)聲并伴隨著LED 燈由綠色轉(zhuǎn)換為紅色常亮，直到被手動(dòng)調(diào)試至正常狀態(tài)[2]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 采集水流量信息

當(dāng)水暖管道上某管段發(fā)生泄漏時(shí)，因液體的流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)壓力的差別，因此可以根據(jù)振動(dòng)源的位置將采集到的水流量信息劃分為三種：

（1） 水暖管道漏點(diǎn)處出現(xiàn)的壓力信號(hào)。當(dāng)水暖管道出現(xiàn)泄漏，水流會(huì)向外溢出，產(chǎn)生泄漏或噴射現(xiàn)象，但前期的壓力變化都較為急劇，這種壓力的變化同樣會(huì)向水暖管道的兩個(gè)方向傳播，就能被管道上安裝的壓力傳感器所檢測(cè)，從而獲得水流量的信息。水暖管道內(nèi)液體流動(dòng)過程如下：

（2） 由于水流的互相沖擊造成的壓力感應(yīng)，但是此種原因在建筑的水暖管道中對(duì)本研究所需要的壓力信息造成的數(shù)據(jù)影響較小，因此在本研究之后的敘述中，并不對(duì)此作詳細(xì)分析。

（3） 水暖管道中因管道自身以及水質(zhì)問題，出現(xiàn)了各種介質(zhì)，介質(zhì)在相互作用中，產(chǎn)生了一部分的水流狀態(tài)的信號(hào)，管內(nèi)水流高速向外噴出后，水流與管外各種物質(zhì)及管外各種物質(zhì)之間的相互摩擦產(chǎn)生信號(hào)[3]。該信號(hào)不被本研究系統(tǒng)所選用的壓力傳感器所檢測(cè)，需要通過聽音桿等儀器獲取。

2.2 建立水流量計(jì)算模型

根據(jù)水暖管道的水流量變化，建立相應(yīng)的模型，在管道泄漏時(shí)，忽略管道內(nèi)流體流動(dòng)的介質(zhì)影響，設(shè)泄漏點(diǎn)距離管段首端的距離為x，那么根據(jù)水流量的衰減變化，水流量變化模型的構(gòu)建如下：

式中：λ1表示輸暖管道中配置的壓力傳感器的靈敏度；表示水暖管道中水流與介質(zhì)摩擦產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)差；因此可以通過式（3）得出，水流量的變化能夠影響水暖管道中的壓力傳感器，并且水暖管道的泄漏情況能夠根據(jù)水流量與泄漏的距離進(jìn)行關(guān)聯(lián)[4]。假設(shè)漏點(diǎn)到水暖管道假設(shè)壓力傳感器的位置為x，那么管道中可被檢測(cè)到的泄漏情況則會(huì)隨著管道的距離進(jìn)行減小，因此通過x 的確認(rèn)，來確定最適宜的壓力傳感器的架設(shè)位置，以在合適的距離中檢測(cè)水暖管道的泄漏問題，提高監(jiān)按報(bào)警系統(tǒng)的精確性。

2.3 實(shí)現(xiàn)水暖管道泄漏監(jiān)按報(bào)警

將上述的水流量出現(xiàn)的泄漏問題，進(jìn)行約束，約束參數(shù)如下所示：

式中：Ex 表述約束的等級(jí)規(guī)劃。為了對(duì)水暖管道泄漏監(jiān)按報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，采用分割法對(duì)水流量的大小以及泄漏問題進(jìn)行預(yù)警界限的分區(qū)，以避免若出現(xiàn)細(xì)小泄漏問題時(shí)報(bào)警器產(chǎn)生的報(bào)警聲音對(duì)住戶造成影響。

并且為防止報(bào)警出現(xiàn)錯(cuò)報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象，選取可避免模糊輸出變量區(qū)間交叉和重疊的三角形隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊化處理，即可得到水暖管道泄漏監(jiān)按報(bào)警輸出變量的模糊集。選取期望值作為系統(tǒng)泄漏報(bào)警輸出值并與劃分的泄漏等級(jí)進(jìn)行比較，通過蜂鳴器警報(bào)器進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警后的蜂鳴器需要通過人為的調(diào)按才能夠停止報(bào)警，但是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的停滯仍未對(duì)其進(jìn)行檢修后，積累的壓力仍會(huì)導(dǎo)致報(bào)警器再次進(jìn)行告警[5]。

3 系統(tǒng)性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)說明

在本次的系統(tǒng)性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，首先構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，根據(jù)管道可能出現(xiàn)的泄漏情況，且在已有的實(shí)際泄漏數(shù)據(jù)中，合理設(shè)定管道泄漏點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬。為了更加貼合實(shí)際的水暖管道泄漏情況，設(shè)置了兩個(gè)泄漏點(diǎn)。且以實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)潔性為敘述基礎(chǔ)，將本研究所設(shè)計(jì)的基于水流量狀態(tài)監(jiān)測(cè)的水暖管道泄漏監(jiān)按報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水暖管道泄漏監(jiān)按報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置為對(duì)照組Ⅰ，設(shè)置基于壓力波法的水暖管道泄漏監(jiān)按報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置為對(duì)照組Ⅱ。

實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，但以多次實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的體現(xiàn)。以“1 不泄漏，2 不泄漏”為第一組的實(shí)驗(yàn)組別劃分，2 號(hào)實(shí)驗(yàn)組為“1 泄漏，2 不泄漏”，3號(hào)實(shí)驗(yàn)組為“1 不泄漏，2 泄漏”，4 號(hào)實(shí)驗(yàn)組為“1 泄漏，2 泄漏”。在多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，選擇具有代表性的數(shù)據(jù)，并將最后的監(jiān)按報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行平均準(zhǔn)確率的計(jì)算，將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表格中。

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了研究水暖管道泄漏時(shí)的監(jiān)按報(bào)警系統(tǒng)，探究以水流量狀態(tài)的監(jiān)測(cè)變化來識(shí)別管道泄漏方法的可行性，為水暖管道泄漏提供實(shí)驗(yàn)樣本及數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)以水流量的變化，來識(shí)別水暖管道的泄漏問題，并且對(duì)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。且對(duì)泄漏管道的檢測(cè)具有可靠性，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及誤差的測(cè)定更加準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)中利用水泵、輸水管道等實(shí)驗(yàn)器材，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過實(shí)際的水流量的狀態(tài)，結(jié)合水暖管道中的漏點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性。

在實(shí)驗(yàn)中利用渦輪流量計(jì)、配電柜以及本研究所用系統(tǒng)硬件設(shè)備，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，所用設(shè)備的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及設(shè)備參數(shù)

根據(jù)表1 的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行前期準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本次實(shí)驗(yàn)以水暖管道的泄漏識(shí)別報(bào)備，以檢測(cè)本研究所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)報(bào)警的適用性及精確性，在水暖管道的上方設(shè)置閥門以模擬泄漏點(diǎn)，首先在水泵的作用下對(duì)水流量進(jìn)行檢測(cè)，然后關(guān)閉水閥對(duì)水箱的水流狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，多次實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄可基于傳感器裝置的檢測(cè)復(fù)位鍵，在系統(tǒng)檢測(cè)過程中，顯示水流經(jīng)過時(shí)的壓力變化值，記錄傳感器的數(shù)據(jù)，通過實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差的分析。

在水暖管道發(fā)生泄漏之前，管內(nèi)流體呈穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，但是當(dāng)管道泄漏后，則變成不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)水暖管道適應(yīng)泄漏的出水量后，流體流動(dòng)再次呈現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)，管道中的水流量則會(huì)出現(xiàn)區(qū)間內(nèi)變化，但是由于多種情況均會(huì)對(duì)水流量造成影響，因此本次實(shí)驗(yàn)過程只考慮比較明顯的水流量變化。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了對(duì)本研究所設(shè)計(jì)的水暖管道的泄漏監(jiān)按報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，將三種對(duì)泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)泄漏點(diǎn)1 和泄漏點(diǎn)2 的監(jiān)按報(bào)警結(jié)果如表2 所示。

表2 各系統(tǒng)對(duì)水暖管道泄漏監(jiān)按報(bào)警結(jié)果對(duì)比

通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)本研究所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)定，以表2 的水暖管道泄漏監(jiān)按報(bào)警對(duì)比結(jié)果可以得出，實(shí)驗(yàn)組對(duì)管道泄漏的監(jiān)按報(bào)警的準(zhǔn)確度為98.6%，對(duì)照組Ⅰ的監(jiān)按報(bào)警的準(zhǔn)確度為84.5%，對(duì)照組Ⅱ的監(jiān)按報(bào)警的準(zhǔn)確度為76.4%。在以兩組泄漏點(diǎn)為參照的4 次具有主要特性的實(shí)驗(yàn)中，提取了以兩組泄漏點(diǎn)的泄漏和不泄漏為對(duì)比依據(jù)，并將多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，得出各個(gè)系統(tǒng)下的監(jiān)按報(bào)警效果。本研究所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)組能夠?qū)χ饕孤﹩栴}比較準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)并提供報(bào)警信號(hào)，而對(duì)照組Ⅰ在泄漏1 和2 均不泄漏的情況下，出現(xiàn)了錯(cuò)誤的監(jiān)測(cè)結(jié)果，在前期準(zhǔn)備中對(duì)誤差進(jìn)行了定量的排除，因此認(rèn)為此項(xiàng)結(jié)果是系統(tǒng)的性能問題。而對(duì)照組Ⅱ在1 不泄漏，2 泄漏的情況下，對(duì)兩處泄漏點(diǎn)的泄漏地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度的降低。因此，基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對(duì)應(yīng)分析，能夠得到本研究所設(shè)計(jì)的監(jiān)按報(bào)警系統(tǒng)，能夠提供較高的報(bào)警精度，具有一定的對(duì)水暖管道泄漏的監(jiān)測(cè)效果。

結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)水暖管道泄漏監(jiān)按報(bào)警系統(tǒng)，在基于水流量狀態(tài)下，進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)系統(tǒng)的硬件做了報(bào)警器和壓力傳感器的主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)，然后在軟件分析中，首先檢測(cè)了水流量，并以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)整體的報(bào)警系統(tǒng)，最后在系統(tǒng)的性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，完成對(duì)系統(tǒng)的檢驗(yàn)。本研究在水流量的狀態(tài)下對(duì)水暖管道的泄漏問題進(jìn)行監(jiān)按，不僅減少了多余設(shè)備的安裝，也能夠基于水暖管道本身，完成整體的報(bào)警監(jiān)按，相對(duì)于傳統(tǒng)的常規(guī)報(bào)警系統(tǒng)，更加方便快捷。