基于MSP430的输油管道检漏系统的设计

 0 引言

因管道运输具有密闭性好、运输量大、损失小、不易受外界因素影响等特点，已经成为油气运输的首选方式。但长期运营导致管道老化出现裂缝，或因外界环境腐蚀，以及打孔偷油等人为破坏因素，会引发管道泄漏，这不仅会带来重大的经济损失和严重的环境污染，而且，管道运输的油气易燃易爆，泄漏会导致起火爆炸，影响输油线的安全，以致造成人员伤亡。因此，安全问题一直是管道运输面临的一项重要课题。

由此，国外从上世纪70年代就开始了管道检漏技术的研究，国内起步较晚，上世纪80年代才开始。目前，检测方法主要有压力点分析法(PPA)、负压波法、声波法和实时模型法等。PPA法和负压波法在检测输油管道突发泄漏或者泄漏较大时有效，声波法和模型法的投入和误报率都较高。而基于MSP430的石油管道检漏系统，能连续检测并且针对管道发生细小泄漏及时报警，实时性和准确性较高。此外，更换破损管道方便且不影响整体结构，投入低、性价比高。

1 检测原理与安装设计

微线检漏传感器(MLLD传感器)是采用直径0.1mm的漆包线以“S形”紧密绕制而成的，传感器留有三个端口，分别是电源端、地端和电压检测端。实际情况中，输油管道大多需要埋在地下，为避免外界因素的影响需要先对管道进行包装保护后再投入运营。文中介绍的检测法是在管道包裹保护材料时，将MLLD传感器包裹在管道外的保护层中，通过检测传感器端口的电压值来判断管道泄漏情况。

1.1 检测原理与单元设计

漆包线由铜线构成，0℃时其电阻率约为1.6×10-8 Ω·m，且电阻率的大小与温度有关，电阻率的计算公式：

ρ=ρ0(1+at)

ρ=RS/L

式中，ρ、ρ0分别是t℃和0℃的电阻率，α是电阻率温度系数，R是导线电阻，S是导线横截面积，L是导线长度。根据上述两个公式得出t℃时漆包线的电阻率及电阻。

MLLD传感器内部构造如图1所示，其通断会导致α点电压发生变化，再通过电压比较器后，通过单片机I/O接收到“0”或“1”的电平信号来判断是否发生泄漏。为能缩小泄漏点位置的判断范围，提高检测的准确性，我们将一节管道均分成若干段，每段安装一个MLLD传感器。

1.2 管道整体设计

如图2所示，以长10m、外径400mm的管道为例，为方便检测，该管道均分成八段，则选用的MLLD传感器总长约为1.28km，每个单元长159m，直径0.1mm，在温度是20℃时，每单元的的漆包线电阻约为3.46 Ω，内部选10k的限流电阻。此外，在输油管道外增加温度传感器和压力传感器，实时检测管道运营情况，将检测值及时反馈给控制中心，做检漏系统的辅助信息。管道间由防腐防潮性高的四线工业连接器连接，这四根线分两组分别连接电源线和信号线。这样可以保证系统的供电以及管道间的信息传输。

2 硬件设计

2.1 信息传输系统设计

信息传输方式采用无线传输和有线传输结合。无线数传网络是由管道终端检测系统的无线通信单元和中继单元组成。检测终端的无线通信单元选用基于低功耗无线收发芯片CC1101的无线通信模块，电路图如图3所示。CC1101是美国TI公司推出的一款低功耗、高集成度而多通道的无线收发芯片，其工作在低于1GHz频段，设计旨在用于极低功耗RF应用，最高数据传输速率为500kbps，通过SPI通信接收数据。

在保证通信正常的情况下，为减少无线通信模块的数量，将管道分组，每十节管道为一组，每组管道间采用总线型主从式结构的有线传输。最后一节管道的MSP430汇总十节管道的信息，通过无线通信模块传输给无线中继单元，再由CDMA无线通信网络模块传输给控制中心。控制中心将接收的电平、温度、压力等信息在中心机显示，工作人员由此判断管道运营情况。图4是信息传输示意图。

为保证控制中心接收到的信息不会混乱，我们将每节管道编号，中心机按标号顺序显示管道信息。若发生泄漏，工作人员可通过标号快速找出泄漏管道，及时做出处理。

此外，由于无线数传网络的通信受传输距离限制，超出一定范围后中继单元将无法收到检测终端的信息。因而，为保证通信的可行性和可靠性，通过借鉴移动通信系统中基站的微蜂窝结构，对检测终端分成多个独立的无线数传网络。

2.2 检测终端电路设计

管道信息采集中系统微处理器采用美国TI公司推出的16位超低功耗的MSP430G2553单片机和MSP430F2234单片机。设计以十节管道为一组，前九节管道的微处理器选择MSP430 G2553单片机，而最后一节管道因增加无线通信单元和信息存储单元，所以选择MSP430F2234单片机。

MLLD传感器将电压信息通过电压比较器后，单片机I/O口接收高低不同电平值。管道温度数据采集选用微型化、低功耗、单线接口的DS18B20数字温度传感器，管道压力数据采集选用低功耗、宽电压设计、安装方便的KE-260/210压力传感器。每组管道由SD卡来存储信息，信息通过有线传输到最后一个单片机后，将采集的管道信息存储到SD卡中。

图5是每组管道的最后一节管道的硬件电路框图。

3 软件设计流程与仿真

3.1 设计流程

检测终端初始化后，每隔一段时间采集一次管道的温度值、压力值和MLLD电压端口值，并将信息通过无线通信模块传输给中继单元。若单片机接收到两个LM339的8位输出信息不全为“1”，说明回路断开，从而判断有泄漏出现。根据该8位二进制数中“0”的个数和位置，我们可以判断出是泄漏管道的哪一个MLLD传感器断开，从而可以确定泄漏点的位置。图6为电压检测流程图。

3.2 MATLAB仿真

据单元检测原理图设计数学模型，用MATLAB软件仿真出一节10m管道电压情况。软件设计从零时刻开始，每五分钟采集一次电压信息。20℃时MLLD传感器总阻值为10.346k Ω。再接入3.3V电源后，若传感器未断开，仿真结果约为3.19V;若断开，仿真结果为0.97V。如图7所示，座标系中横、纵、竖三个坐标分别表示管道MLLD传感器的标号，采集时间和电压值。在0时刻和5分钟时检测到电压值为3.19V，10分钟时检测到1号和5号传感器电压为0.97V，说明1号和5号传感器断开，进而说明管道在这两个传感器覆盖的位置出现泄漏。若未采取措施，在下次检测时，1号和5号传感器仍为低电压。

4 总结

文中提出了一种应用于输油管道泄漏检测的检漏系统，与其他石油管道的检测技术相比，设计的MLLD传感器简单易操作，而且系统设计采用了MSP430G2553、MSP430F2234、CC1101等低功耗器件，通过搭建电路和软件仿真的结合，验证了设计的可行性，检测结果较为可靠。