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（中國民航大學(xué)，1.航空自動化學(xué)院；2.機場學(xué)院，天津 300300）

基于虛擬儀器的管道泄漏檢測技術(shù)研究

張?zhí)靹?，侯曉云2

（中國民航大學(xué)，1.航空自動化學(xué)院；2.機場學(xué)院，天津 300300）

采用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計了一套基于相關(guān)分析技術(shù)的自來水管道泄漏檢測及定位系統(tǒng)，并對其軟、硬件方案進行了設(shè)計，并進行了大量的實驗，驗證了系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性。

管道；泄漏；檢測和定位；虛擬儀器

為了提升自來水管道系統(tǒng)安全運行管理水平，研制開發(fā)泄漏監(jiān)測技術(shù)具有重要意義。利用軟件和虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的管道泄漏檢測定位方法，能有效地提高泄漏檢測定位的精度和可靠性，同時具有更好的適應(yīng)性。

1 檢漏系統(tǒng)性能的評價

建立管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，及時準(zhǔn)確報告泄漏事故的范圍和程度，可以最大限度地減少經(jīng)濟損失和環(huán)境污染及更大危險的發(fā)生，對一種泄漏檢測方法優(yōu)劣或一個檢漏系統(tǒng)性能的評價，應(yīng)從以下方面加以考慮[1～2]。

（1）準(zhǔn)確性。泄漏發(fā)生后，能夠準(zhǔn)確地測報出泄漏，不致因為操作失誤和設(shè)備故障等因素發(fā)出誤報警。

（2）靈敏性。檢漏系統(tǒng)能檢測出管道泄漏的大小范圍，主要是多少的泄漏量能夠發(fā)出正確的報警提示。

（3）實時性。理想的檢漏系統(tǒng)能夠在泄漏發(fā)生后，實時地檢測出泄漏的發(fā)生，以便操作人員即刻采取行動，減少損失。

（4）定位精度高。長輸管道穿越距離長，檢漏系統(tǒng)要能夠提供給操作人員準(zhǔn)確的泄漏點位置，以使維修人員盡快達到漏水點，進行補修作業(yè)。

（5）易維護性。檢漏系統(tǒng)裝置維修調(diào)整容易。

（6）性價比。性價比是指系統(tǒng)建設(shè)、運行及維護的花費與系統(tǒng)所能提供性能的比值。

本文采用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計的一套基于相關(guān)分析技術(shù)的自來水管道泄漏檢測及定位系統(tǒng)，能有效地提高泄漏檢測定位的精度和可靠性。

2 泄漏點定位系統(tǒng)的總體構(gòu)成

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)由安裝于泄漏點兩側(cè)的A、B壓電傳感器，前置放大器，數(shù)據(jù)采集卡，工控計算機等組成。

圖1 泄漏檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

泄漏聲信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，送給前置放大器進行放大、濾波，之后送到數(shù)據(jù)采集卡進行信號的連續(xù)采集，并存儲到計算機的硬盤中，供定位分析軟件處理。在整個定位系統(tǒng)的構(gòu)成中，基于虛擬儀器技術(shù)的定位軟件是系統(tǒng)的核心。

3 系統(tǒng)硬件的選擇

3.1 傳感器

由于信號所處的背景比較復(fù)雜，信號強度也由于泄漏的程度而差別甚大，往往要求系統(tǒng)既要有足夠的靈敏度，又要有很大的動態(tài)范圍，所以采用了高靈敏度的壓電式傳感器。為了適應(yīng)實際應(yīng)用環(huán)境，傳感器一端帶有磁鐵，可以吸附在鐵質(zhì)自來水管壁上[3]。

3.2 信號調(diào)理電路

因采集到的信號，是存在于外部復(fù)雜環(huán)境下的聲音信號，初始采集的信號品質(zhì)較差，需對其進行預(yù)處理后，方可進入后續(xù)處理，以便得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。聲音信號經(jīng)壓電式傳感器轉(zhuǎn)換為電信號后，直接在傳感器部分進行放大，這樣可以有效提高系統(tǒng)的信噪比。信號調(diào)理電路的功能框圖如圖2。

圖2 信號調(diào)理電路的功能框圖

在儀器的數(shù)據(jù)采集模塊中，模擬調(diào)理電路總是不可或缺的。如果由傳感器接收到的信號是一個幅值很小的微弱信號，則在進行A/D轉(zhuǎn)換之前，需要進行放大、濾波、隔離等一些預(yù)處理，這樣才能保證采集信號的有效性和可行度，并對后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換器起到一定的保護作用。模擬調(diào)理電路的功能框圖如2所示，主要包括低噪聲放大電路、濾波電路和光耦隔離放大電路等。

前置低噪聲放大器，是微弱信號檢測系統(tǒng)中一個重要組成部分。系統(tǒng)可檢測的最小信號，取決于低噪聲放大器的噪聲系數(shù)。因此，在研制低噪聲放大電路時，應(yīng)始終著眼于低噪聲這個關(guān)鍵指標(biāo)，來進行分析設(shè)計電路。對放大器的其他非噪聲指標(biāo)，如放大器增益、頻率響應(yīng)、輸入輸出阻抗及穩(wěn)定性等，有的可以在解決噪聲指標(biāo)的同時加以解決，有的則需滿足噪聲指標(biāo)的基礎(chǔ)上再做出進一步的調(diào)整。

目前，低噪聲放大器可以通過選用噪聲指標(biāo)好的集成電路來進行設(shè)計。在本文中采用了兩片T-KOKOPA（萬聲達）公司生產(chǎn)AP-9811P高精度、低噪聲放大器集成電路構(gòu)成前置放大器。濾波電路主要是為了去除實驗環(huán)境中的一些干擾，還有去除泄漏信號主要頻帶外的噪聲，也防止信號混疊。

在工控計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，需要把外界信號與計算機隔離，這樣可保證計算機的安全和程序運行的可靠性。在高精度測量中，消除工模電壓、地回路對測量精度的影響，所以在信號調(diào)理電路中加入光耦隔離放大電路是必要的。本文選用的是TI（德州儀器）生產(chǎn)的RS-485，失調(diào)小，精度高，線性度和時間、溫度穩(wěn)定性都很好。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

本文所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于工控計算機平臺，采用KPCI-811多功能數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集工具，其不但具備數(shù)據(jù)采集的功能，而且還具備信號控制、輸出的功能。通過數(shù)據(jù)采集卡，將從外界采集的電信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計算機，并把計算機輸出的數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換為模擬信號傳遞給外設(shè)，可以控制外設(shè)的行為[4]。該卡的數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

圖3 KPCI-811信號流程圖

該卡是一種基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，支持PCI2.1協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)自動配置，實現(xiàn)設(shè)備的即插即用。

如圖4所示，采樣信號通過數(shù)據(jù)采集卡的信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過FIFO緩存后，通過PCI總線接口芯片PLX9050以DMA方式送到計算機內(nèi)存中。當(dāng)PLX9050上電初始化時，從中讀出配置信息對PLX9050進行配置。數(shù)據(jù)采集卡的控制，是由一片CPLD芯片XC9572構(gòu)成的控制模塊來完成。

圖4 KPCI-811卡工作原理圖

4 定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要完成如下功能：

（1）人機動態(tài)交互；

（2）數(shù)據(jù)的存儲、刪除、分析和處理包括泄漏的判斷和泄漏源的定位。

對于整個系統(tǒng)而言，是一個虛擬儀器系統(tǒng)，軟件部分完成系統(tǒng)的主要功能，系統(tǒng)設(shè)計的主要工作，就是軟件模塊的設(shè)計和調(diào)整。

本設(shè)計采用Lab VIEW與MATLAB聯(lián)合編程的方法，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計。該方法能夠有效地將Lab VIEW編程簡單、界面友好等特點與MATLAB強大的計算功能及完善的工具箱結(jié)合起來，能夠有效克服其自身的缺點，充分利用Lab VIEW在界面編寫及數(shù)據(jù)通訊等方面的優(yōu)勢，和MATLAB強大的數(shù)學(xué)計算能力及特定的工具箱，從而達到簡化編程、完善程序的目的。這種方法不但提高了開發(fā)效率，而且易于使用。

MATLAB作為一種以解釋方式運行的高級計算機語言，其程序的執(zhí)行效率不高，實時性較差，對端口操作的能力也較低。在Lab VIEW應(yīng)用程序中，可以直接調(diào)用MATLAB程序塊[5]，向MATLAB傳送數(shù)據(jù)，并接收其返回的結(jié)果。當(dāng)Lab VIEW程序與MATLAB連接時，MATLAB會在后臺打開，這在一定程度上影響了程序的執(zhí)行速度。當(dāng)系統(tǒng)對實時性要求不高時，使用這種方法能夠較好地解決Lab view應(yīng)用程序與MATLAB的連接問題。圖5為簡易程序流程圖。

圖5 簡易程序流程圖

5 結(jié)束語

筆者通過實驗采集的泄漏聲信號，采用虛擬儀器技術(shù)，以廣義相關(guān)處理的原理和方法為基礎(chǔ)。自行設(shè)計并制作了系統(tǒng)電路圖，有效排除了干擾。該管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)已成功應(yīng)用到自來水管道中，并取得了令人滿意的效果。

[1]常景龍，李 鐵.輸氣管道泄漏檢測技術(shù)的選擇和優(yōu)化[J].油氣儲運，2000，19(5)：9-13.

[2]M S Yoon et al.Leak Detection Performance Specification[J].Pipeline Engineering.ASME，1991，（34）：21-26.

[3]邱增凱，王啟萬，孫 中，等.地下自來水管道測漏儀的改進設(shè)計[J].氣象水文海洋儀器，2003，(1)：29-35.

[4]沈蘭蓀.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，1995.

[5]Daubechies I.The wavelet transform,time-frequency localization and signal analysis[J].IEEE Trans，1990，36(5)：961-1005.

Study of the Leakage Monitoring Technique based on Virtual Instrument

ZHANG Tian-gang1,HOU Xiao-yun2
(1.Aeronautical Automation College;2.Airport College,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

The thesis using virtual instrument technology to design the signal correlation analysis technology,which is used to detect pipeline leak and fix position.Then,the software and scheme is designed.Finally,many experiments have been done to verify the feasibility and accuracy of the system.

pipeline;leak detection and location;virtual instrument

TP274

A

1672-545X（2011）09-0037-03

2011-06-03

張?zhí)靹偅?978—），男，山東巨野人，講師，碩士，研究方向：機械電子。