王阳雪
摘 要
随着地下管道长时间的运行磨损、设备的自然老化、地理和气候环境的变化以及人为损坏等原因，管道泄漏故障时有发生，造成了巨大的潜在危险。以下本文改进传统管道泄漏检测方法，设计了一款结合智能车和传感器的泄漏检测诊断设备，使管道检漏更加智能化、更加精准，并对未来设计发展的方向进行了规划。
关键词
地下管道泄漏故障;泄漏检测诊断设备;智能车;传感器
中图分类号： F273;F224 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.008
1 设计背景
地下管道（本文主要针对的是暖气和燃气管道），随着管道长时间的运行磨损、设备的自然老化、地理和气候环境的变化以及人为损坏等原因，泄漏故障时有发生，给人们的生命、财产和生存环境造成了巨大的潜在威胁，同时也会造成贵重资源的浪费。因此，开发管道泄漏检测诊断设备，能及时准确检测出事故的范围和程度，可以最大限度地减少经济损失和环境污染。
传统的管道泄漏检测方法主要依靠操作人员通过听音设备判断管道泄漏状态，当“不间断夜流量检测”法发现某片区管道发生泄漏时，工作人员首先用听音设备直接在管道暴露点（如阀门、消防栓及暴露的管道等）听取管道泄漏引起的振动，确定漏气管道，缩小检测范围。初步确定气体泄漏的管段后改由听音设备沿管道走向以一定距离逐点比较泄漏信号强度，距离漏点位置越近，信号越强，在泄漏发生处泄漏信号强度达到峰值。除了通过识别声音外还可以，巡检人员还可以通过感受温度来确定泄漏流体温度较高的地点。
基于管道一般铺设在平坦的水泥地下，并且每个区域有管道线路分布图，所以我们提出智能车检地下管道测漏仪这项设计方案。该设计旨在结合自动化技术采用具有循迹功能的智能小车代替检修人员执行环路检测工作（从供热站出发），能有效地降低人力的投入，并结合一些传感器进行探测，从而使管道检漏更加智能化、更加精准。
2 设计方案
地下管道测漏设备主要包括基于单片机的管道泄漏报警板块和智能小车两个部分组成。管道泄漏报警板块主要由传感器和蜂鸣器组成。传感器主要包括：温度传感器（用于检测高温流体的泄露情况）、气味传感器（用于检测燃气泄露情况）、声音传感器（用于微小声音的放大）。各个传感器越接近泄露点的位置，显示器上相应的数值就会越高，当数值超过设定阈值时，蜂鸣器将会启动报警功能，从而确保测漏的准确性和实用性。将管道泄漏报警仪搭载在智能小车上，智能车通过循迹黑线执行环路检测工作，代替检修人员夜间巡查泄漏地点的工作，达到及时准确检测出管道泄漏的范围和程度的目的。
2.1 管道泄漏报警板块
基于单片机的管道泄漏报警系统由51单片机、MQ-2烟雾传感器、ADC0832模数转换芯片、DS18B20温度传感器、声音传感器、数码管显示、按键设定和蜂鸣器设计而成。可设置烟雾浓度和高溫报警值和声音强度，遇到紧急突发情况可紧急报警和手动取消紧急报警功能。当烟雾传感器检测到管道释放烟雾或声音传感器检测到声音强度时，信号由ADC0832进行处理模数转化再到单片机进行处理，当检测到的浓度等级或声音强度超过设定的阈值时，蜂鸣器会发出报警声同时LED灯亮。同时，此报警器还可以检测温度，管道发生泄露时环境温度会升高，当检测到温度超过设定值时，蜂鸣器也将产生报警同时LED灯亮。另外单片机实时向数码显示模块输出显示信号，显示周围环境温度和气体数值[2]。
图1 管道泄漏报警仪总体设计框图
2.1.1 MQ-2半导体烟雾传感器
MQ-2半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡（SnO2）为主体的N型半导体气敏元件。当传感器所处环境中存在烟雾气体时，传感器的电导率随空气中烟雾气体浓度的增加而增大。
MQ.2半导体气体烟雾传感器把采集到的烟雾浓度模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号（各种烟雾浓度下的电压值）传送给单片机控制器，从而设定出理想的烟雾强度报警值。电路如图2所示，VCC接3V～5.5V，GND接地，DO传感器数据输出。
图2 烟雾浓度采集电路
2.1.2 DS18B20温度传感器
图3 外部供电方式单点测温电路
DS18B20温度传感器通过高低温度系数晶振产生振荡频率，产生固定的脉冲频率发送给计数器1和2进行计数，最终在温度寄存器中进行累加。DS18B20温度传感器芯片可直接输出串行数字信号，供核心控制模块处理，因为单片机的接口信号数字信号[1]。在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，GND引脚接地，DATA引脚为信号线。电路如图3所示。
2.1.3 声音传感器
声音传感器是通过声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，从而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D转换被数据采集器接受，并传送给计算机。该模块在环境声音强度达不到设定阈值时out输出高电平1，当外界环境声音强度超过设定阈值时，模块out输出低电平0。将输出out与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的声音。
2.1.4 声光报警器
声音报警器采用蜂鸣器，因为系统需要较大的电流，而单片机在其I/O端口提供的电流无法直接驱动它运作，采用三极管实现放大电路[1]。电路通过三极管的基极串连一个电阻与单片机端口连接从而达到控制喇叭是否报警。声音报警电路图。
2.2 循迹功能智能小车
设计的基于单片机的智能小车有循迹功能，即智能小车可以实现沿着铺设的黑线行驶的功能。基本原理是通过红外传感器左边中间和右边的探头检测到黑线，将此信号传给单片机STC89C52，单片机将通过算法实现驱动左右电机向前向后或者停止。智能小车采用电池供电的方法（4节1.5V干电池共6V做电源）。
2.3 地下管道测漏设备
购买符合要求的螺钉（螺钉长度应避免碰到电机），在智能车的亚克力板上打四个匹配的孔，将管道泄漏报警板块通过螺钉安装在智能小车上，从而实现小车在循迹的时候能够通过温度检测和燃气检测确定管道泄漏地点的功能。
3 设计优势
一方面该设计方案结合自动化技术解决了传统测漏方法步骤复杂繁琐，检测耗时长的问题，有效的降低了人力投入和时间成本。另一方面相比与检修人员依靠感官辨别测漏点，使用温度、燃气、声音传感器进行检测报警，可以通过数据更加准确的判断高温流体的位置和燃气泄漏附近井盖的位置。总体来说该设计是为了使管道检漏的方法变得更加高效便捷且精准。
4 设计发展
目前该设计方案已搭载完成实物模型，但还有很大的改进空间。一是拓宽智能小车的功能，现有的模型只具有循迹功能，未来我们希望通过获得有关区域的管道分布图，向智能车输入既定线路使之执行环路检测的功能，可以自行返回出发地点，实现检修人员只需在室内即可完成检测工作。二是提升智能小车的性能，延长使用寿命，不易损坏，能够更加贴合实际应用。同时可以对小车进行外观设计包装，在保证安全的同时使其更加美观。
参考文献
[1]李明泽，李涛，胡凯，石夏，逯玉兰.基于52单片机的智能粮仓火灾报警系统设计[J].软件，2019，40（05）：38-41.
[2]李嘉琪，孙晔，何文轩，马宝军.基于单片机的火灾自动报警系统设计[J].科技创新与应用，2016（05）：90.
[3]靳晶.基于单片机火灾自动报警系统设计[J].山东工业技术，2019（03）：137.
[4]李海娜，王翠，罗邵屏.基于单片机的火灾报警系统的设计[J].电子世界，2014（05）：127.
