建设部项目技术报告（智能型液体泄漏检测仪的研制）

1、.建设部建设领域信息技术科技项目技术报告;- PAGE 15 -项目编号：02-5-1.14建设部建设领域信息技术科技项目技术报告项目名称：智能型液体泄漏检测仪的研制完成单位：苏州科技学院项目负责人：付保川完成日期：2005年10月建设部建设领域信息技术科技项目智能型液体泄漏检测仪的研制技术报告（2005年10月）1. 概述建设部建设领域信息技术科技项目“智能型液体泄漏检测仪的研制” （项目编号：02-5-1.14），于2002年5月由建设部批准立项，2002年7月正式启动，至2005年10月完成。该项目主要研究了管道液体泄漏预测的方法，以及基于嵌入式网络实现智能型液体泄漏检测仪的技术和方法。

2、为了说明该项目的研究内容及研究的意义，首先对项目研究的背景作如下简要说明。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，管道液体泄漏已成为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。因为在这些场所使用的环境设备数量较多，相应的各种管道数量也较多。而这些管道（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之处，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

3、生泄漏是不可避免的事情22 25，问题的关键在于如何及时发现并排除隐患。在上述这些场所，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，而且还可能导致数据丢失或重要资料被破坏，造成巨大损失2021。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非常必要。目前，国内所使用的具有定位功能的液体泄漏检测设备，主要依靠进口，价格较高，国内尚缺乏同类检测设备。而具有泄漏预测功能的网络化检测设备，目前国内尚无同类产品，国外也极为少见，因此有必要自行研制。该项目立足于对管道液体泄漏前期特征的研究，提出了液体泄漏预测的思路和方法，并基于此方法设计出具有泄漏预测功

4、能的网络化嵌入式液体泄漏检测仪样机1台。该检测仪采用嵌入式系统结构、内置嵌入式Web服务器，可以将其直接挂接到以太网上，支持网络用户的远程访问。同时，在项目进展过程中，项目组成员围绕该项目的技术关键点进行了多方位的技术攻关，取得了一系列的研究成果。除了研制成功智能型液体泄漏检测仪样机之外，先后发表研究论文10余篇，申请国家发明专利1项（发明专利号：200510094217.9）。2. 项目研究的主要内容2.1 研究的主要内容根据项目申报书和项目合同书所确定的研究内容，对项目涉及的关键技术进行研究，研究内容主要包括以下几个方面：液体泄漏预测方法；液体泄漏位置的定位方法；嵌入式设备的网络化方法（嵌

5、入式Web）；现场设备与嵌入式Web的动态数据交互方法。2.1.1液体泄漏预测方法液体泄漏预测是该项目的核心技术。所谓预测就是尽早地捕捉液体泄漏的前期特征并及时做出反映。为了有效地提取泄漏的前期特征，我们对管道液体泄漏规律进行了较深入的研究22 25，总结出管道泄漏的一般规律1。根据泄漏程度通常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。对管道液体泄漏进行检测的方法主要有两类：直接检漏法

6、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，主要方法有：负压波法、质量平衡法、压力梯度法、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。对于室内管道的

7、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方法之外，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；而采用专用感应线缆（如美国Raychem公司的TT3000型电缆）进行检测，其检测方法类似于普通感应线缆，同时能够对泄漏位置进行较准确的定位。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

8、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前期征兆，因此不具备泄漏预测能力，无法避免泄漏事故的发生。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1。经过对多种实验方法的对比，综合专用线缆法测漏和电极法测漏的优点，我们提出一种基于普通感应线缆的液体泄漏预测方法。其做法是，通过在管道的被检测部位缠绕或捆扎吸湿性材料（采用美国金佰利的快速吸水材料MPM擦拭布或DEK擦拭布），将检测电缆（一对平行导线）缠绕在吸湿衬底材料上，把管道的液体泄漏转换为检测线缆的电参数（电阻或电容）变化。这样就可以根据检测线缆的电参数有无变化来判断管

9、道是否有泄漏发生。通过大量的实验证明，检测电缆的阻抗与吸湿性衬底材料的湿度直接相关，可以用图1所示的曲线来表示它们之间的关系。（检测电缆的阻抗与湿度的关系表达详见发明专利 “管道泄漏预测方法” 及论文“液体泄漏检测与定位的一种新方法” ）。图1 线缆阻抗-湿度特性曲线Figure1 Characteristic Curve of Conduct Resister-Moisture对电参数变化的检测采用平衡电桥法，检测电路如图2所示。在没有泄漏发生时电桥是平衡的，一旦泄漏发生电桥将失去平衡，泄漏程度越严重电桥的输出信号越大。由于该方法能够检测到微小的渗漏，因此具有对管道泄漏进行预测的功能，从而可

10、以避免因泄漏造成的严重后果。在采用平衡电桥法进行检测时，电桥臂电阻值的选择将对检测灵敏度产生较大的影响，为此我们做了大量的仿真试验，通过仿真试验来比较Uout对RL(t) 变化的灵敏度。图2 检测仪的前向数据通道Figure 2 Data Channel of Liquid Leakage Instrument电桥的检测灵敏度可以用输出电压Uout随RL(t) 的变化来表示，下式是压Uout与RL(t) 的关系表达式：2.1.2液体泄漏位置的确定管道泄漏点的定位方法，与检测方法密切相关。如前所述的电极式检测法是基于一个电极检测一个圆形区域，多个电极按照一定的规律分布就可以覆盖一个大的区域，然后

11、根据不同位置上电极的检测结果实现定位；而前述的感应线缆检测法是根据线缆的连续检测实现定位。这两种定位方法各有其优缺点，前者成本低廉易于实现，但定位不准确；而后者定位准确但成本过高不适用。同时，两者定位的前提均是在泄漏已经大规模发生之后才能有效，从避免损失的角度来看，即使定位再准确也失去了它应有的意义。而采用管道泄漏预测的定位方法，吸收了上述两种定位方法的优点，采用普通线缆且分散布置检测点，以此来降低成本（比专用检测线缆成本低得多），同时由于对于固定泄漏点的预测是在管道表面上进行的，因此泄漏预测点的位置可以准确地定位。如果把多个预测点排列成矩阵，则可以形成检测矩阵，因此我们称此方法为栅格定位法。

12、（对该方法的详细说明参阅文献1）。2.1.3嵌入式设备的网络化方法（基于嵌入式Web）图3 基于E-Web模式的体系结构嵌入式设备的网络化方法涉及设备的网络访问方法、异构网络协议的转换、嵌入式Web的实现方法等多个方面。其中网络访问方法主要有：独立网关方式、E-Web (Embedded Web Server) 方式、SoC（System on Chip）方式。不同的访问方式所实现的嵌入式设备的形态、网络性能、成本开销均有所不同。该项目中采用E-Web的结构作为嵌入式设备的网络化模型（对此技术的详细讨论参见文献3）。网络化模型确定之后，就确定了网络化嵌入式设备的体系结构，如图3所示。在此实现了

13、现场总线通信协议RS485/RS232到TCP/IP网络协议之间的相互转换。2.1.4现场设备与嵌入式Web的动态数据交互方法图4 基于Web的网络化设备模型动态数据交互的关键在于，现场设备与嵌入式Web Server数据交换方式。而这种交换以基于Web的网络化设备模型为基础，该模型如图4所示。将现场设备采集的数据实时地刷新到嵌入式Web Server的办法有多种，如CGI（Common Gateway Interface）、API（Application Programming Interface）以及SSI（Server Side Includes）等，对该项技术的详细描述参见文献3。此外

14、，基于嵌入式数据库的动态数据交互技术，在文献45中进行了详细的讨论，并与上述的交互方式进行了对比。2.2 项目的技术难点及创新点该项目的难点主要集中两个方面：一是对液体泄漏前期特征的提取，二是异构网络协议之间的相互转换尤其是现场总线协议的数据与嵌入式Web Server之间的动态交互。该项目的创新点主要有：提出了一种对管道液体泄漏进行预测的实用化方法；确定管道液体泄漏位置的栅格定位方法；将基于CGI的动态数据交互方法应用于嵌入式泄漏预测设备中，使嵌入式设备成为独立的网络节点。2.3 液体泄漏检测仪的体系结构智能型液体泄漏检测仪采用模块化的嵌入式体系结构，根据实际需要可以灵活地组合成多种结构。如

15、点对点的通信系统结构、DCS集散型结构等。3. 项目研究的实施过程根据项目申报书和项目合同书中确定的技术路线和进度计划，在项目开始之初就对项目的研究内容和研究方法进行了总体规划，该项目研究实施过程可以分为如下三个阶段：第一阶段，2002年7月-2003年12月，技术准备阶段。第二阶段，2004年1月-2004年10月，技术攻关阶段。第三阶段，2005年1月-2005年10月，技术总结和样机制作调试阶段。3.1技术准备阶段在该阶段，以建立实验环境、了解和熟悉管道液体泄漏特征为主。把该项目用到的关键技术抽取出来，以子任务的形式分配到小组进行研究（共分为3个小组）。从项目的研究内容中抽取出四种关键技

16、术，它们分别是：管道液体泄漏预测与定位技术；实时嵌入式Web的实现技术； 嵌入式网络接口技术（网络协议的转换方法等）； 动态数据交互技术。在技术准备阶段，重点解决了中的预测方法问题，同时针对上述的项建立了相应的实验环境，为第二阶段的技术攻关做好准备。3.2技术攻关阶段在该阶段，主要做了两方面的工作：一方面，深入研究了湿度与检测线缆阻抗之间的关系，建立泄漏预测模型；另一方面，结合对嵌入式网络环境工具的深入学习和使用，对技术方案的设计与实现方法进行了相关实验研究。3.2.1泄漏预测模型的研究与实验仿真通过对衬底材料的湿度与检测线缆阻抗之间的关系进行研究，进一步归纳总结了管道液体泄漏的规律，建立了如

17、图1所示的泄漏预测模型，并对该预测模型进行了仿真测试，仿真数据见表1。同时，这对该泄漏预测模型设计了如图2所示泄漏检测电路，通过对该检测电路进行仿真实验，优化了检测桥臂的阻值，使其检测灵敏度达到最大。对于这方面的研究内容在论文1中有更详细和深入的讨论。表1 湿度与检测线缆（检测线缆长度20cm）阻抗的关系状 态湿敏材料的相对湿度(%)线缆间的阻抗值(K)无渗漏 10有渗漏138000 15350018150019110022900237502560028570335003747040370512505715060100668070607540泄 漏8332883193229520100153.

18、2.2技术方案设计与实现的实验研究通过对嵌入式网络环境工具的深入学习和实验研究，对技术方案的设计与实现方法进行了一系列的实验对比和理论分析，完成论文2451011。3.3技术总结和样机制作调试阶段在该阶段，以样机制作调试、技术总结提高为主要内容。样机的制作和调试该阶段的主旋律，是对项目技术方案的实际验证。同时，通过对技术方案的总结、提炼和对样机的调试，完成了论文3679，并在此基础上，形成了该技术研究报告。4. 已取得的主要研究成果通过3年的实验研究和理论研究，在如下几个方面取得一定的研究成果： 对管道液体泄漏的预测和定位方面，形成了独具特色的检测方法，并将该方法总结成如下论文：1付保川，陆卫

19、忠，刘文亮等，液体泄漏检测与定位的一种新方法，传感器技术，2005.11同时，“管道液体泄漏预测方法”已于2005年申请了中国发明专利（发明专利号：200510094217.9）。嵌入式设备的网络化方法。网络化的访问方式是监控设备的主流，但在单片机上实现嵌入式Web Server 的功能，尚需要在系统的软硬件资源配置、网络协议的实现方面进行很多改进。这方面的研究工作已分别总结成如下几篇论文：2付保川，班建民，陆卫忠等，基于嵌入式Web的远程监控系统设计，微计算机信息，2005.7-23付保川，陆卫忠，刘文亮等，嵌入式设备的网络化方法研究，自动化仪表，2005.12（已录用）4班建民，陆卫忠，付

20、保川等，嵌入式数据库在监控系统中的应用与实现，计算机工程与应用2005.315班建民，付保川，陆卫忠等，基于嵌入式数据库的实时数据采集方法，微计算机信息，2005.7-2 现场设备与嵌入式Web的动态数据交互方法。嵌入式设备网络化的核心是在嵌入式设备内部实现一个嵌入式Web Server，使得现场数据通过CGI、API、SSI等接口技术与嵌入式Web Server进行交互，用户使用Web浏览器通过嵌入式Web Server即可访问到现场的实时数据，达到远程实时监控的效果。在这方面的研究工作已总结成如下几篇论文：6付保川，王中杰，班建民等，基于CGI实现嵌入式监控系统的动态数据交互，计算机工程，

21、2005年12月（已录用）7付保川，班建民，王中杰等，嵌入式监控系统中的CGI组件设计，仪器仪表学会2005年会论文集，2005.98付保川，班建民，夏倩等，基于E-Web液体泄漏检测仪的设计与实现，仪表技术与传感器，2005年12月（已录用）RTOS 在嵌入式系统中的应用研究取得突破性进展。从RTOS操作系统的移植到 TCP/IP协议栈的裁减与重构，以及自定义嵌入式Web Server等方面均取得实质性的突破，并将研究成果直接应用到泄漏检测仪样机中，较好地实现了泄漏检测仪的网络化，同时发表如下研究论文：9陆卫忠，付保川，朱音等，C/OS II 在Microchip PIC上的移植，微计算机信

22、息，2005-1110陆卫忠，付保川，刘文亮等，C/OS II 在实时监控系统中的应用，江南大学学报（自然科学版），2006-02（已录用）总之，到目前为止，在该项目上发表的研究论文已超过10篇，申请国家发明专利1项，研制成功LLD-1型智能型液体泄漏检测仪样机1台。5. 样机的结构、主要性能指标及特点5.1样机的结构LLD-1型智能液体泄漏检测仪，采用模块化的嵌入式体系结构，根据实际需要可以灵活地组合成多种结构。如点对点的通信系统结构、DCS集散型结构等。5.2主要性能指标LLD-1型智能液体泄漏检测仪的主要性能指标：电源电压：220V交流电工作温度：0 40通信协议：支持RS485/RS2

23、32、TCP/IP通信协议可测的湿度范围：10% 100%可测的线缆阻抗范围： 10K湿度分辨率：1 %采样周期：1秒5.3样机的系统特点LLD-1型智能液体泄漏检测仪具有如下一些特点：支持TCP/IP协议，可以将其作为一个独立的网络节点，通过RJ45接口直接联入Internet网络；内置嵌入式Web，支持网络用户的远程访问，实现远程实时监控；基于CGI技术实现现场数据与嵌入式Web服务器之间的动态数据交互；采用模块化的嵌入式体系结构，组合灵活方便；可捕捉液体泄漏的前期特征，对泄漏进行预测，避免发生严重泄漏事故；通过栅格定位方法，对多检测点进行泄漏定位。6. 参考文献1付保川，陆卫忠，刘文亮等

24、，液体泄漏检测与定位的一种新方法，传感器技术，2005.11 2付保川，班建民，陆卫忠等，基于嵌入式Web的远程监控系统设计，微计算机信息，2005.7-23付保川，陆卫忠，刘文亮等，嵌入式设备的网络化方法研究，自动化仪表，2005.12（已录用）4班建民，陆卫忠，付保川等，嵌入式数据库在监控系统中的应用与实现，计算机工程与应用2005.315班建民，付保川，陆卫忠等，基于嵌入式数据库的实时数据采集方法，微计算机信息，2005.7-2 6付保川，王中杰，班建民等，基于CGI实现嵌入式监控系统的动态数据交互，计算机工程，2005年12月（已录用）7付保川，班建民，王中杰等，嵌入式监控系统中的CG

25、I组件设计，仪器仪表学会2005年会论文集，2005.98付保川，班建民，夏倩等，基于E-Web液体泄漏检测仪的设计与实现，仪表技术与传感器，2005年12月（已录用）9陆卫忠，付保川，朱音等，C/OS II 在Microchip PIC上的移植，微计算机信息，2005-1110陆卫忠，付保川，刘文亮等，C/OS II 在实时监控系统中的应用，江南大学学报（自然科学版），2006-02（已录用）11奚雪峰，付保川，杨俊等，一种基于V模型的嵌入式软件测试方案，信息技术，2004.912毛汉领，黄文，包家福等，自来水管网泄漏检测的两种方法，管道技术与设备，2002.1 13毛汉领，黄文，包家福等，

26、自来水管网泄漏检测的两种方法， HYPERLINK http:/ZSZK t _blank 噪声与振动控制,2002.2 14韩光洁，赵海，王金东等，一种基于Web技术的嵌入式设备网络管理模型及实现，小型微型计算机系统，2004.25(12):2080-2083.15韩光洁，王金东，赵海等，基于Web管理的Embedded Web Server研究与实现，东北大学学报（自然科学版），2002.23(11):1021-1024.16卿立军，徐成，李仁发等，一种新型网络化嵌入式系统的体系结构，计算机应用研究，2004.4:204-20617张帆，欧阳洪林，余映天等，基于PIC16F877的嵌入式以太网通信的设计与实现，计算机工程与应用，2003.32:164-166.18Fred Eady, TCP/IP Stack Solution, Circuit Cellar(The Magazine Computer Applications), Issue172, November 200419张曦煌，柴志雷，嵌入式Web服务器中CGI的特点及实现，小型微型计算机系统，2003.24(11): 2046-2048.20杨卫娟，周俊虎，曹欣玉等，锅炉管道泄漏知识及应用现状，动力工程，2000，20