管道泄漏预测方法（付保川专利）.doc

管道泄漏预测方法及装置发明专利申请管道泄漏预测方法发明人：付保川1，陆卫忠1，班建民1，许维胜2（1苏州科技学院 2同济大学）1 背景情况介绍随着智能建筑的快速发展，人们对建筑环境的安全性要求越来越高。建筑环境安全不仅涉及防盗、放火、防煤气泄漏等方面，而且管道液体泄漏也是影响建筑环境安全的重要因素，尤其是在计算机（网络）机房、信息中心、图书馆、档案馆等对环境安全要求较高的场所，管道液体泄漏对环境安全的影响更大。因为在这些场所，为了满足环境条件的要求需要使用的环境设备数量较多，相应的各种管道数量也就随之增多。这些管道（例如供暖制冷管道、日常用水管道、消防用水管道等）大多分布于房间的角落、楼板夹层间或地板下面较为隐蔽的地方，小规模的管道泄漏很难被及时发现，因此管道泄漏成为环境安全的主要隐患之一。对于管道而言，由于老化、腐蚀、磨损、管壁疲劳等原因而发生泄漏是不可避免的事情，问题的关键在于如何及时发现并排除这些隐患。在上述这些场所，如果发生任何一次泄漏而不能及时地被发现和排除，不仅会导致相关设备的损坏，而且还会引发数据丢失或重要资料被破坏，造成巨大损失。因此，实时地进行管道泄漏检测或预测，及时发现并排除隐患，对保证建筑环境安全是非常必要的。2 管道泄漏检测的一般方法目前，管道泄漏检测的方法主要有两类：直接检漏法和间接检漏法。直接检漏法主要采用物理或化学的方法（如铺设湿度传感器、安装导流开关等）直接探测泄漏的液体，如中国专利94204155.0和94226766.4等均是基于泄漏的液体直接触发传感器而实施检测；间接检漏法是指根据管道泄漏所造成的流量、压力、声音等物理状态参数的变化而实施测量，其主要方法有：负压波法、质量平衡法、实时模型法、压力梯度法、应力波法、声波法等。基于间接检漏法的检测装置或设备较多，如中国专利96121000.1、99107241.3、02235420.4和2005100220194.2等都属于这一类。但是这些检测方法主要是针对长距离输送管道的特点而设计的，不适合用于对室内管道的泄漏检测。对室内管道的泄漏检测宜采用直接检测法，除了前面提到的几种直接检测法之外，目前在工程中常用的方法还有如下几种：电极式检测法或点式检测法。它采用泄漏电极来感应泄漏的液体，当泄漏的液体把电极浸泡之后检测装置发出报警信号；感应线缆检测法。该方法所用的线缆有两类：普通感应线缆和专用感应线缆。采用普通感应线缆进行检测，是将感应线缆铺设在管道下方，当泄漏的液体把感应线缆浸泡之后，检测装置发出报警信号；采用专用感应线缆（如美国Raychem公司的TT3000型电缆）进行检测时，实施检测的方法类似于普通感应线缆，但它除了提供泄漏报警信号之外，还能对泄漏发生的位置进行定位。在上述的这些检测方法中，无论是直接检测法还是间接检测法均是基于液体泄漏到达一定程度时才能检测到泄漏特征量的变化，而无法扑捉到泄漏之前的先期征兆，因此不具备泄漏预测能力。对于室内管道而言，只有实时准确地对管道泄漏作出预测，才可能真正避免泄漏事故的发生，从而避免造成重大损失。3 管道泄漏预测方法本发明主要针对室内管道的液体泄漏，给出管道泄漏预测的原理和技术方法。为叙述方便起见，下面以水管泄漏为例来介绍这种预测方法。基本思路通常根据泄漏程度可以把管道泄漏分为渗漏、泄漏和泄放三种类型。管道泄漏往往是从渗漏开始的，渗漏是泄漏发生的前期，一般会持续较长的一段时间，然后随着渗漏的逐步加重而变为泄漏，如果泄漏得不到及时控制就可能演变成难以控制的泄放。泄放是管道泄漏最严重的一种形式，具有很强的破坏性。如果在渗漏阶段就能及时发现并采取有效措施，就可以在很大程度上避免泄漏事故的发生，这就是泄漏预测的基本出发点。所谓泄漏预测就是捕捉渗漏（即泄漏前期）的一些先期特征。对于管道的渗漏来说，最明显的特征就是液体的渗出量较少，且附着在管道外壁上，不易被察觉到，管道自身没有明显的物理参数变化。这时，如果能够找到一种有效的方法来发现管道壁上渗出的液体，就可以尽早采取有效措施，从而可以避免泄漏事故的发生。泄漏预测原理对于以绝缘材料相隔离的两根平行导线而言，平行导线之间的阻抗与绝缘介质的导电率直接相关。如果采用吸湿性很强的材料（在干燥的环境中是绝缘的）作为两根导线之间的绝缘介质，由它来吸收管道渗漏出的液体，则绝缘介质的导电率就会随着其含水率的升高而增大。管道渗漏的量越多，绝缘介质的含水率就会越高，则两根导线之间的阻抗就越小，反之亦然。因此，只要使用一个检测电路不断地检测两根导线之间的阻抗值有无变化，就可以判断出管道是否发生渗漏，从而达到泄漏预测的效果。泄漏预测的具体实施方法说明如下。泄漏预测电路图1 泄漏预测电路为了准确地测量阻抗RL(t)的变化，本发明采用了基于平衡电桥的测量电路，如图1所示。在该电路中，以感应线缆的阻抗Rx作为测量电桥的一个桥臂，R12、R13、R14分别为电桥的另外三个臂，只要选取合适的阻值，就可以保证测量电桥臂平衡。为保证电桥在极端情况下（短路或开路）的输出电压在正常范围，我们在Rx两端并联一个电阻R11（对电桥起保护作用）；同时，为了便于电桥的平衡调整，在R12桥臂上串联一个可调电阻R12。在初始工作状态，通过调整R12使得如下的平衡关系成立：(Rx/R11)* R14 = (R12 +R12 )* R13例如选择R11 = R13 = R14 = 200K，R12 =100K，R12 = 100K，即可保证将电桥调整到平衡。另外，为便于计算并保持电路工作稳定，在选取电路其它参数时，应尽量遵守如下原则：R1 = R2，R3 = R4，R5 = R6，R7 = R8。在上述测量电路中，真正起放大作用的是集成运算放大器A3，其放大倍数可以根据需要由R1和R3的组织来确定。图中集成运算放大器A1、A2的作用是为了提高共模抑制比，增强电路对共模信号的抑制效果。泄漏预测方法的实施感应电缆的选择图2 平行铜导线感应线缆考虑到长期在线检测的有效性，在此选择由平行铜导线构成的感应线缆进行检测，感应线缆的形状如图2所示。感应电缆是由两根平行铜导线构成，并由绝缘橡胶浇铸定型，它们之间的间距为5mm。在正常情况下，两根导线之间的绝缘阻抗大于100M，导线自身的线缆阻抗小于1/100m。在具体应用时，感应线缆的长度可根据现场的实际需要进行截取，所用线缆的长度与预测的准确度无关。吸湿性衬垫材料的选择为了有效地吸收管道渗漏出来的液体，本发明采用吸湿性很强的PGI材料（具有较强的抗拉强度）作为感应线缆与管道之间的衬垫材料，即两根平行铜导线之间导电率可变的绝缘介质。感应线缆的固定方法图3 感应线缆的固定方法图4 感应线缆缠绕的截面图将感应线缆缠绕在管道的被检测部位，感应线缆与管道之间以PGI材料进行隔离，隔离层的厚度约为1-1.5mm。在管道上缠绕感应线缆的圈数为3-5圈为宜，缠绕方法如图3所示。在管道上缠绕线缆之后的截面图如图4所示。预测方法说明管道一旦发生渗漏，渗出的液体立即会被PGI材料吸收，导致感应线缆两根导线之间的绝缘介质导电率增大，导线之间的阻抗就越小，检测电路检测到该阻抗的变化，并根据该阻抗变化的幅度来判断管道泄漏的程度，然后由检测装置给出相应的报警提示，完成管道泄漏预测。图5 线缆阻抗-含水率特性曲线下面举例说明该预测方法的有效性。首先，按照上述方法把感应电缆固定在待检测的一段管道上，在没有发生任何泄漏的情况下，用万用表测量两根平行导线之间的阻抗RL(t)，得到RL(t) （实测值为110M）；第二步，缓慢地向管道外部滴水（管道渗漏），PGI衬垫材料的含水率Rh逐步增加，用万用表测量两根导线之间的阻抗值在不断地减小，直至RL(t)的值达到10K。第三步，当RL(t)的值减小到10K左右时，即使再向PGI衬垫材料上加再多的水，RL(t)的值也不再减小，说明此时PGI材料的含水率Rh已达到100%，相当于管道发生了泄漏。阻抗RL(t)随含水率Rh的变化规律用如图5所示的RL(t)-Rh特性曲线表示。该曲线可以近似地表达为：RL(t) = K/Rh，其中K为阻抗随含水率的变化率。根据RL(t)值的大小就可以判断是否有泄漏发生，同时根据RL(t)变化的范围，可以推判出液体泄漏的程度，从而达到泄漏预测之目的。联系方式：姓名：付保川单位：苏州科技学院电子与信息工程系地址：江苏省苏州新区滨河路1701号邮编：215011电话O)-mail： 问题1：关于吸湿性材料。在申请材料第3页上的“PGI材料”应为“美国PGI公司的吸湿性材料”，或者“金佰利的快速吸水材料HYDROKNIT（如MPM擦拭布、DEK擦拭布）”，它们是由纯木浆与无纺布纤维交织在一起而形成。纯木浆材料的吸水性极强，而无纺布纤维又保证了擦拭材料高强度的拉力。问题2：关于感应电缆参数的选择。从本项发明的检测方法来看，已有的检