长输管道智能测试桩的研制

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【摘要】本文阐述长输管道智能测试桩的结构原理，论述了模型识别技术及信号自动分段技技术。长输管道智能测试桩能够实现对管道阴极保护电位、管道内压力，管道振动等参数进行采集报警，并上传至工作站，从而实现对长输管道的现代化管理并实现对在管道上打孔孔盗油情况的监测报警。

【关键词】管道;测试桩;单片机

一、研制开发的重要性和必要性

我国的原油贮量丰厚，进口原由逐年增加。目前，国内针对原油的运送方式主要采用管道加热输送工艺。原油在管道输送中每间隔40-90Km就设一个分站来进行加热、加压。在分站之间每公里安装一个测试桩，用于检测管道阴极保护电位，管道阴极保护电位的检测只能到现场检查，不具备连续测量及远传功能，而且功能较为单一。不适应现代化管理的要求。新研制的长输管道智能测试桩具备以下功能：

1.检测管道内压力并将测量数据上传到工作站，提高管道泄漏的检测精度。

2.管道阴极保护电位的自动检测及远传，实现管道阴极保护电位的连续自动在线测量。

3.管道内异物的检测，当管道内有异物或清管球通过时自动检测，并将测量数据上传到工作站。

4.管线振动检测，当附近管道上有盗油分子盗油时管道会产生振动，智能测试桩检测到振动后，上传到工作站，工作站对数据进行处理并报警。

为实现长输管道的现代化管理，加强对盗油情况的监控，研制高可靠性、高精度的长输管道智能测试桩十分必要。

二、产品结构及关键技术

1.结构原理

长输管道智能测试桩主要有主机板、超声波探测器、振动传感器，电压检测电路、通讯模块、供电电源及测试桩外壳等部分组成。 长输管道智能测试桩原理框图如图1所示。

图1 “长输管道智能测试桩”原理框图

①压力传感器件采用“CPS18陶瓷压力传感器”。该传感器是采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷压阻压力传感器，陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。

②微电脑采用EFM32 Zero Gecko ，Zero Gecko为EnergyMicro首个采用Cortex-M0+内核的EFM32系列微控制器。Cortex-M0+内核运行效率高达0.93 DMIPS/MHz，功耗仅为11.2μW/MHz。依托内核优势，EFM32ZG系列微控制器功耗进一步降低，运行模式下功耗仅130μA。

③振动传感器采用的振动传感器为压电式加速度传感器。

④通讯模块选用华为 3G 通讯模块 EM660 EVDO 无线数据终端。

⑤超声传感器类型的选择，超声波具有频率越高，其扩散角就越小，波束越细，指向性越好的特性。本装置主要用于输油管道收发清管球时检测是否通球成功，输油管道的一般管径小于1000mm，不需要远距离传输，因此在选择超声波频率时根据超声波传播特性、输油管道通球检测仪的要求和市场所售超声传感器的频率类型等因素选择频率较高的40kHz超声传感器。另外，从超声传感器的结构看有收发同体和收发异体两大类型，根据密闭输油管道的特点、易于安装和可靠性角度来看，选择收发同体型超声波传感器。

2.关键技术

（1）信号自动分段技术

对于振动信号的采集与报警识别，经过对现场信号多次模拟分析，采用信号自动分段技术与模型识别技术相结合能有效的克服各种干扰提长输管道智能测试桩的可靠性。

信号自动分段方法的基本原理是选用一个固定的窗选取平稳运行的信号作为参考段，不断与当前信号作比较，非平稳性（如上站停泵引起的信号特性的变化）可以由不同段之间的过程统计特性和频谱特性的改变显示出来。一般根据几种反映各段特性差异大小的判据，当判据大过一定的阈值或当前段低于设定值时，就认为信号进入了另一段（异常段）。

对压力信号自动分段，选用以下几种反映信号波形结构变化的统计特性参数：

①平均幅值距离

其中稳态信号的均值

（信号窗宽度为N，xsi为第i次稳态信号值）;

当前段信号的均值：

（xci为第i次当前段信号值）;

②均方根距离

其中稳态信号的均方根：

;

当前段信号的均方根：

③斜率均值距离

其中稳定段信号的斜率：

;（n=N-j）

（ksi为xsi～xs（i+1）段的最小二乘拟合斜率，j为拟合数据段长度）

当前段信号的斜率：

;（n=N-j）

（kci为xci～xc（i+j）段的最小二乘拟合斜率，j为拟合数据段长度）

定义波形结构统计判据：其中权值a、b、c根据检测要求和三个距离的重要性，通过实验确定。通过每段计算出的D与Dthres阈值相比较，来确定信号是否进入新段（异常段），同时当前段与给定值相比较，当前段小于给定值时也确定信号进入新段（异常段）。

信号进入新段后设置t=0（识别模型内的t），开始计时，并进行模型识别。

识别判据：

其中模型值：

当前段信号的均值：

（信号窗宽度为N ，xci为第i次当前段信号值）;

当判据B小于0振动报警。若进入新段8秒内判据B均大于0，新段结束程序进入到平稳段。

三、结论

长输管道智能测试桩选用了先进的微电脑处理芯片及华为 3G 通讯模块 EM660 EVDO 无线数据终端，实现了管线内压力，振动、阴极保护电压，过球等数据检测及远传。采用了模型识别及信号自动分段技术，消除了各种干扰，能够有效的识别盗油产生的振动及管道泄漏情况，有效的保护管道。

作者简介：高晓洪（1962―），男，高级工程师，主要从事长输管道管理工作。