孟杰 何山紅 馮德仁

摘 要：針對供暖系統(tǒng)地下管道滲漏的情況，依據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)方程，建立了滲漏點三維熱傳導(dǎo)模型，給出模型的數(shù)據(jù)和仿真。依據(jù)仿真結(jié)果，提出了“圓心逼近”的算法，設(shè)計了一種以WZP-PT100高精度鉑熱電阻作為溫度檢測傳感器，通過STC89C52RC單片機(jī)把檢測的數(shù)據(jù)及時處理，并在數(shù)碼管顯示器實時顯示出來。模擬熱源、溫度場的實驗結(jié)果顯示，這種方法可準(zhǔn)確地查找到滲漏處。

關(guān)鍵詞：供暖系統(tǒng)；熱電阻；單片機(jī)；溫度場；滲漏

中圖分類號：TU833 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、易于統(tǒng)一管理等優(yōu)點，因此，在各大公司、院所、廠礦或者小區(qū)供暖中廣泛采用。采用這種方式供暖就會涉及到遠(yuǎn)距離輸送熱水的問題，目前普遍采用的是直埋敷設(shè)方式[1]。然而在投入使用后，由于施工不當(dāng)、機(jī)械損壞、管材腐蝕以及維護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩?，發(fā)生熱水滲漏，需要經(jīng)常檢修。常見的檢修方法主要有：人工測漏法[2]，工程人員根據(jù)自己豐富的實踐經(jīng)驗，根據(jù)供熱管網(wǎng)的聲音、振動、溫度等異常情況，通常情況下可以判斷滲漏的位置。但是受制于具體的環(huán)境和不同的狀況，往往不能快速確定管道的滲漏具體發(fā)生位置，從而耗費(fèi)不必要的人力、物力、財力進(jìn)行大開挖以確定泄漏點；還有一種常用的方法是聲振泄漏檢測法[3]，依據(jù)的原理是管道在滲漏時由于壓力變化會引發(fā)特殊振動，而這些振動在漏點處往往比較強(qiáng)烈。但是在實際探測過程中，可以引起漏水檢測儀反應(yīng)的振源未必就是漏點處的振動產(chǎn)生的，比如轉(zhuǎn)彎角發(fā)出的聲音、環(huán)境的振動因素、噪聲的干擾等等，影響檢測效果；在國外，利用紅外線熱成像原理制成的紅外線熱成像儀[4]，被運(yùn)用于各種地下管道的滲漏檢測，但是這種設(shè)備成本過高，對作業(yè)人員要求一定的業(yè)務(wù)知識，在國內(nèi)還沒有被廣泛使用。本文分析了滲漏處溫度場分布的具體情況，提出并設(shè)計了一種基于鉑熱電阻[5]作為溫度檢測傳感器的“圓心逼近”的檢測技術(shù)，通過數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果驗證了技術(shù)的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性與可行性。

2 溫度場與熱場模型分析

溫度場[6]是指在某一時刻？子，物體中各點溫度的集合，為標(biāo)量場，是坐標(biāo)與時間的函數(shù)，可表示為：

在一個物體內(nèi)，通過熱源處向外導(dǎo)熱的過程中，在某一時刻把溫度相同的各點連接在一起稱為等溫面。在任何一個二維平面上，等溫面即表現(xiàn)為等溫線。根據(jù)傅里葉定律，球坐標(biāo)系下三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程為：

實驗研究對象在輸送熱水的導(dǎo)熱過程中，實質(zhì)為非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱方式，在測量時可將其視為瞬態(tài)的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程，所以上式簡化如下：

當(dāng)τ>0時，t1=f（τ）=T1（常數(shù)）

采用有限差分法求解上述導(dǎo)熱微分方程，首先將溫度場空間區(qū)域離散化，如圖2示，用分別平行于面x=0，y=0，z=0的無數(shù)平行平面將導(dǎo)熱空間分割成無數(shù)的小立方體，小立方體的長寬高分別表示為？駐x，？駐y，？駐z并把？駐x，？駐y，？駐z稱為x，y，z方向的步長。顯然，步長越小，小立方體越微小，近似的節(jié)點溫度集合就越接近于真實的溫度分布。

計算結(jié)果表明：三維導(dǎo)熱體內(nèi)部節(jié)點溫度等于其6個相鄰節(jié)點溫度的算術(shù)平均值?；诖?，根據(jù)邊界條件，并結(jié)合研究對象的熱量傳導(dǎo)過程，可模擬出熱場模型的導(dǎo)熱分布，如圖3所示，溫度圍繞熱源以近似圓形等溫線向四周擴(kuò)散。

3 技術(shù)實現(xiàn)

3.1 原理與算法

由圖3可知，溫度圍繞熱源以近似圓形等溫線向四周擴(kuò)散，采用等步長R的方法，逐步逼近熱源，算法示意圖如圖4所示，具體步驟如下：

（1）任意選定熱場內(nèi)一點a，以a為圓心作半徑為R的圓？準(zhǔn)a，在圓？準(zhǔn)a上等距離標(biāo)注5個點bcdef；

（2）若Td>Tc>Tb>Te>Tf，則以d點為圓心作半徑為R的圓？準(zhǔn)d，在圓？準(zhǔn)d上等距離標(biāo)注4個點ghij；

（3）若Ti>Th>Tg>Tj>Td，則以i為圓心作半徑為R的圓？準(zhǔn)i，在圓？準(zhǔn)i上等距離標(biāo)注4個點klmn；

（4）若Tm>Tl>TK>Tn>Ti，則以m為圓心作半徑為R的圓？準(zhǔn)m，在圓？準(zhǔn)m上繼續(xù)標(biāo)注4個點；

（5）若在第N個圓？準(zhǔn)o上，有To>Tp>Tq>Tr>Ts>Tt，則可以確定熱源A點必在圓？準(zhǔn)o范圍以內(nèi)的某點。此時可根據(jù)具體情況，以O(shè)點為圓心，以半步長R/2為半徑繼續(xù)縮小范圍，直到確定滲漏點位置為止。

3.2 軟件程序

程序主要由主程序和子程序兩部分構(gòu)成。主程序主要是實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，子程序是溫度信號采集程序鍵值處理，A/D轉(zhuǎn)換，顯示數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖5所示。

以下為鉑電阻溫度傳感器折算成電壓降的程序段。

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 硬件組成

方案選用WZP-PT100鉑熱電阻作為溫度檢測傳感器[7]。本設(shè)計選用應(yīng)用廣泛、功能強(qiáng)大的STC89C52RC單片機(jī)[8]對檢測信號進(jìn)行處理，然后送由數(shù)碼管實時顯示測量溫度值。單片機(jī)工作電路與顯示電路如下圖6所示。根據(jù)總體設(shè)計方案，硬件部分還包括四位共陰數(shù)碼管、W502電位器等，圖7為系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖。

3.4 實驗?zāi)M與仿真

為了對實際供暖系統(tǒng)的地下管道熱水滲漏的熱場進(jìn)行模擬，實驗室選用了敞口箱體容器，高60厘米，直徑80厘米。內(nèi)裝滿了泥土，在中間預(yù)埋了熱源（100℃），進(jìn)行長時間加熱后進(jìn)入保持期，連續(xù)對其中多點測量數(shù)據(jù)。把數(shù)據(jù)通過仿真軟件MATLAB對熱場模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。

4 結(jié)束語

經(jīng)過在實驗過程中數(shù)據(jù)模擬、軟件調(diào)試以及計算機(jī)仿真，所得結(jié)果均表明技術(shù)設(shè)計思路合理、方案切實可行，可以準(zhǔn)確地找到滲漏源，解決問題。

參考文獻(xiàn)：

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