一种供暖系统地下管道渗漏的检测技术

孟杰 何山红 冯德仁

摘 要：针对供暖系统地下管道渗漏的情况，依据傅里叶热传导方程，建立了渗漏点三维热传导模型，给出模型的数据和仿真。依据仿真结果，提出了“圆心逼近”的算法，设计了一种以WZP-PT100高精度铂热电阻作为温度检测传感器，通过STC89C52RC单片机把检测的数据及时处理，并在数码管显示器实时显示出来。模拟热源、温度场的实验结果显示，这种方法可准确地查找到渗漏处。

关键词：供暖系统；热电阻；单片机；温度场；渗漏

中图分类号：TU833 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）09-0001-03

Abstract： In view of the leakage of underground pipes in heating system， according to the Fourier's equation of heat conduction， a three-dimensional heat conduction model of leakage point is established， and the data and simulation of the model are given. According to the simulation results， the algorithm of "approaching the center of the circle" is put forward， and a high precision platinum thermal resistor （WZP-PT100） is designed as a temperature sensor. The measured data is processed in time by STC89C52RC single chip microcomputer and displayed in real time on the digital tube display. The experimental results of simulating heat source and temperature field show that this method can find the leakage accurately.

Keywords： heating system； thermal resistance； single chip microcomputer； temperature field； leakage

1 概述

由于集中供暖具有節能、经济环保、易于统一管理等优点，因此，在各大公司、院所、厂矿或者小区供暖中广泛采用。采用这种方式供暖就会涉及到远距离输送热水的问题，目前普遍采用的是直埋敷设方式[1]。然而在投入使用后，由于施工不当、机械损坏、管材腐蚀以及维护不当等因素，发生热水渗漏，需要经常检修。常见的检修方法主要有：人工测漏法[2]，工程人员根据自己丰富的实践经验，根据供热管网的声音、振动、温度等异常情况，通常情况下可以判断渗漏的位置。但是受制于具体的环境和不同的状况，往往不能快速确定管道的渗漏具体发生位置，从而耗费不必要的人力、物力、财力进行大开挖以确定泄漏点；还有一种常用的方法是声振泄漏检测法[3]，依据的原理是管道在渗漏时由于压力变化会引发特殊振动，而这些振动在漏点处往往比较强烈。但是在实际探测过程中，可以引起漏水检测仪反应的振源未必就是漏点处的振动产生的，比如转弯角发出的声音、环境的振动因素、噪声的干扰等等，影响检测效果；在国外，利用红外线热成像原理制成的红外线热成像仪[4]，被运用于各种地下管道的渗漏检测，但是这种设备成本过高，对作业人员要求一定的业务知识，在国内还没有被广泛使用。本文分析了渗漏处温度场分布的具体情况，提出并设计了一种基于铂热电阻[5]作为温度检测传感器的“圆心逼近”的检测技术，通过数据及仿真结果验证了技术的科学性、经济性与可行性。

2 温度场与热场模型分析

温度场[6]是指在某一时刻？子，物体中各点温度的集合，为标量场，是坐标与时间的函数，可表示为：

在一个物体内，通过热源处向外导热的过程中，在某一时刻把温度相同的各点连接在一起称为等温面。在任何一个二维平面上，等温面即表现为等温线。根据傅里叶定律，球坐标系下三维非稳态导热微分方程为：

实验研究对象在输送热水的导热过程中，实质为非稳态的导热方式，在测量时可将其视为瞬态的稳态导热过程，所以上式简化如下：

当τ>0时，t1=f（τ）=T1（常数）

采用有限差分法求解上述导热微分方程，首先将温度场空间区域离散化，如图2示，用分别平行于面x=0，y=0，z=0的无数平行平面将导热空间分割成无数的小立方体，小立方体的长宽高分别表示为？驻x，？驻y，？驻z并把？驻x，？驻y，？驻z称为x，y，z方向的步长。显然，步长越小，小立方体越微小，近似的节点温度集合就越接近于真实的温度分布。

计算结果表明：三维导热体内部节点温度等于其6个相邻节点温度的算术平均值。基于此，根据边界条件，并结合研究对象的热量传导过程，可模拟出热场模型的导热分布，如图3所示，温度围绕热源以近似圆形等温线向四周扩散。

3 技术实现

3.1 原理与算法

由图3可知，温度围绕热源以近似圆形等温线向四周扩散，采用等步长R的方法，逐步逼近热源，算法示意图如图4所示，具体步骤如下：

（1）任意选定热场内一点a，以a为圆心作半径为R的圆？准a，在圆？准a上等距离标注5个点bcdef；

（2）若Td>Tc>Tb>Te>Tf，则以d点为圆心作半径为R的圆？准d，在圆？准d上等距离标注4个点ghij；

（3）若Ti>Th>Tg>Tj>Td，则以i为圆心作半径为R的圆？准i，在圆？准i上等距离标注4个点klmn；

（4）若Tm>Tl>TK>Tn>Ti，则以m为圆心作半径为R的圆？准m，在圆？准m上继续标注4个点；

（5）若在第N个圆？准o上，有To>Tp>Tq>Tr>Ts>Tt，则可以确定热源A点必在圆？准o范围以内的某点。此时可根据具体情况，以O点为圆心，以半步长R/2为半径继续缩小范围，直到确定渗漏点位置为止。

3.2 软件程序

程序主要由主程序和子程序两部分构成。主程序主要是实现系统的初始化，子程序是温度信号采集程序键值处理，A/D转换，显示数据。程序流程图如图5所示。

以下为铂电阻温度传感器折算成电压降的程序段。

float account_res（void）

{ uchar temp；

float temp_r，d；

temp=median（tem，11）；

d = temp*500.0/256

temp_r=d*3135/4096；

return（temp_r）； }

3.3 硬件组成

方案选用WZP-PT100铂热电阻作为温度检测传感器[7]。本设计选用应用广泛、功能强大的STC89C52RC单片机[8]对检测信号进行处理，然后送由数码管实时显示测量温度值。单片机工作电路与显示电路如下图6所示。根据总体设计方案，硬件部分还包括四位共阴数码管、W502电位器等，图7为系统硬件设计框图。

3.4 实验模拟与仿真

为了对实际供暖系统的地下管道热水渗漏的热场进行模拟，实验室选用了敞口箱体容器，高60厘米，直径80厘米。内装满了泥土，在中间预埋了热源（100℃），进行长时间加热后进入保持期，连续对其中多点测量数据。把数据通过仿真软件MATLAB对热场模型进行仿真，结果如图8所示。

4 结束语

经过在实验过程中数据模拟、软件调试以及计算机仿真，所得结果均表明技术设计思路合理、方案切实可行，可以准确地找到渗漏源，解决问题。

参考文献：

[1]李征.直埋供热管道运行监测与泄漏检测技术探讨[J].区域供热，2016（5）.

[2]单立军.供热管网泄漏检测方法探讨[J].区域供热，2014（6）.

[3]贾志刚.浅谈供热管网漏点的检测方法[J].民营科技，2017（6）.

[4]谢明，韩广惠.红外线热成像仪在地下供热管泄漏检测中的应用[J].应用能源技术，2009（10）.

[5]王健石，朱炳林.热电偶与热电阻技术手册[M].北京：中国标准出版社，2012，08.

[6]王润富，陈国荣.温度场和温度应力[M].北京：科学出版社，2005，01.

[7]张琳娜，赵凤霞，刘武发.传感检测技术及应用[M].北京：中国计量出版社，2011，04.

[8]高传贤.51单片机C语言编程实战[M].镇江：江蘇大学出版社，2016，11.