李忠虎，蔡志全，董彥華

(1．內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭 014010；2．東北大學研究生院，遼寧沈陽 110000)

0 引言

管道泄漏檢測與定位的方法很多，其中基于負壓波法的泄漏檢測應用最為廣泛，它是基于管道泄漏時在液體中引發(fā)并且按著一定速度傳播的瞬態(tài)負壓波信號進行檢測的。通過相關(guān)分析法計算負壓波傳播到管道首尾兩端的傳感器的時間差，通過時間差以及負壓波的傳播速度對泄漏點進行定位。

常規(guī)的管道泄漏檢測在首尾兩端各使用一個傳感器，單一傳感器的使用必然會受到外界環(huán)境的影響，并且采集到信號的精度也不會很高。該設計在管道的首尾兩端各使用了2個傳感器，通過對2組傳感器的信號分析來確定泄漏點，較傳統(tǒng)的檢測方法準確度更高一些。并以STC89C52為核心設計了管道泄漏傳感器信號采集系統(tǒng)，通過USB接口可以很方便地與計算機通信，進而判斷泄漏點的具體位置[2]。

1 管道泄漏檢測原理

流體輸送管道發(fā)生泄漏時，會在泄漏處產(chǎn)生瞬態(tài)壓力突降，由于流體流動的連續(xù)性，管道中的流體不會立刻改變流速，但是流體在泄漏點和相鄰的兩邊區(qū)域間產(chǎn)生的壓力差異會導致流體從上、下游的區(qū)域向泄漏區(qū)填充，進而引起泄漏點相鄰區(qū)域內(nèi)的流體密度和壓力減小，這就形成了負壓波。因為負壓波在傳播過程中衰減很小，所以可以傳播很長的距離。對采集到的信號進行相關(guān)分析，由相關(guān)分析的思想可知，當沒有泄漏時相關(guān)函數(shù)的極值點在0附近，如果發(fā)生了泄漏，相關(guān)函數(shù)的極值點將會偏離0值的位置，根據(jù)相關(guān)數(shù)值的大小及極值點所在的位置可以進行泄漏點的檢測定位。

傳統(tǒng)的管道泄漏檢測系統(tǒng)中，在首尾兩端各安裝一個壓力傳感器用來檢測負壓波信號[1]，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)管道泄漏檢測示意圖

圖中的傳感器1與傳感器2是管道泄漏檢測中應用到的兩個傳感器。他們安裝在管道的兩端，用來采集負壓波信號。根據(jù)負壓波信號的傳播時間以及負壓波的傳播速度就可以判斷泄漏的位置。泄漏點到傳感器1的距離為D1，兩個傳感器間的距離為D0，負壓波的傳播速度為v。假設負壓波傳播到傳感器1的時間為t1，傳播到傳感器2的時間為t2，即可根據(jù)兩個傳感器采集到的負壓波信號的時間以及管道的長度來確定漏點的位置。因為負壓波的傳播速度較流體的流速更快，所以流體的流速可以忽略。泄漏點的定位計算關(guān)系如下：

D1=v×t1

(1)

D1-(D0-D1)=v×(t1-t2)

(2)

2D1-D0=v×(t1-t2)

(3)

通過以上3個公式的推導可得：

(4)

從式(4)中可以看出，泄漏點的確定取決于負壓波信號到達兩個傳感器的時間差、負壓波信號的傳播速度和兩個傳感器的距離。受到管道材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和環(huán)境等因素的影響，負壓波的傳播速度難以確定，兩個傳感器之間的時間差的計算也必然會存在一定的誤差。

為了更精確地確定泄漏點的位置，在設計中采用了4個傳感器，如圖2所示。

圖2 多傳感器安裝及泄漏檢測示意圖

圖中，傳感器1和傳感器2為一組，安裝在管道的首端[3]，兩個傳感器的距離為L1。傳感器3和傳感器4為一組，安裝在管道的尾端，兩個傳感器的距離為L3。兩組傳感器之間的距離即傳感器2與傳感器3之間的距離為L0。泄漏點信號傳播到傳感器1至4的時間分別為t1，t2，t3，t4。跟據(jù)4個傳感器獲得的數(shù)據(jù)可以得到如下的對應關(guān)系：

L=v×(t1-t2)

(5)

L2=v×t2

(6)

L3=v×(t4-t3)

(7)

v×(t1-t3)=L1+2×L2-L0

(8)

v×(t1-t4)=L1+2L2-L0-L3

(9)

v×(t2-t3)=2×L2-L0

(10)

v×(t2-t4)=2×L2-L0-L3

(11)

在該系統(tǒng)中，L0，L1，L3是已知的。通過式(5)和式(7)可以計算出負壓波信號在管道中的傳播速度，因為水流速度相對于負壓波傳播速度顯得非常慢，可以忽略，所以負壓波信號的傳播速度近似為：

v=(L1+L3)/(t1+t4-t2-t3)

(12)

通過式(8)～式(11)組合推導可得；

v×(t1+t2-t3-t4)=L1+4L1-2L0-L3

(13)

式中只有傳感器2距離漏點的相對位置L2是未知的，L2為：

(14)

通過對式(14)分析不難發(fā)現(xiàn)，泄漏點相對位置距離L2可以通過前面的已知條件求出。傳感器2到泄漏點的距離L2在計算過程中使用了4次，通過求4次的平均值作為泄漏點的位置，較式(4)而言得到的結(jié)果更加準確。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

在分析管道泄漏信號的特性和泄漏處環(huán)境噪聲對泄漏特征信號影響的前提下，本著高性價比、低噪聲和低功耗的電路設計思想，設計了信號采集系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。主要由傳感器、濾波電路、放大電路、數(shù)據(jù)采集模塊、單片機及USB接口電路等組成。

系統(tǒng)中的4個傳感器將管道泄漏的微弱信號轉(zhuǎn)換成電信號；濾波電路將信號中的外界干擾及噪聲濾除，以提高信噪比；放大電路將濾波后的微弱信號放大，以滿足數(shù)據(jù)采集模塊的需要；數(shù)據(jù)采集模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；單片機完成信號的處理與分析；通過USB接口單元[4]可以很方便地實現(xiàn)與計算機的通信。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 USB接口電路設計

設計選用的USB模塊是CH375，它是一個通用USB總線接口芯片，支持USB-HOST主機方式和USB-SLAVE設備方式[5]。CH375 的USB主機方式支持常用的USB全速移動存儲設備，外部單片機或者DSP單元可以通過協(xié)議直接與CH375進行通信。CH375與單片機的接口電路圖如圖4所示。

圖4 CH375與單片機接口電路

電路中，CH375的引腳TXD做接地處理，在復位期間它是低電平，這樣使CH375工作在USB-HOST主機方式下的并口方式；D+和D-為USB總線的差分信號線，用于CH375與USB設備的數(shù)據(jù)傳輸；ACT#作為USB設備連接的狀態(tài)輸出引腳，當在低電平的時候有效，把它與電阻和LED串聯(lián)連接到電源以指示狀態(tài)；D0-D7口連接單片機的P0-P7口，用于數(shù)據(jù)的傳輸；WR#、RD#為芯片的選通端，分別連接單片機的外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通口P3．6、外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通口P3．7；A0連接單片機P2．0引腳，并通過電平的高低判斷可以寫命令還是可以讀寫數(shù)據(jù)；INT#連接到單片機的外部中斷0口INT0引腳，接收單片機的命令從而獲知中斷請求；CS#為單片機對芯片的片選端，接單片機的P2．1引腳，當單片機外圍電路過多時可以與譯碼器相連接；X0和X1之間的晶振為芯片提供穩(wěn)定的工作時鐘。

4 結(jié)束語

該設計主要分析了傳感器的選用和安裝方式以及漏點定位方法，并設計了管道泄漏信號檢測裝置，對于數(shù)據(jù)的進一步處理需要上位機完成，這樣大大簡化了該裝置的軟件系統(tǒng)，同時也使得對信號的處理更精確更簡單?；贑H375的USB接口模塊的電路設計，實現(xiàn)了信號檢測裝置與上位機之間的快速通信，更加方便對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理。同時，該硬件系統(tǒng)還可以擴展應用在其他領(lǐng)域。

參考文獻：

[1] 李忠虎，郭卓芳．供水管道泄漏檢測與定位技術(shù)應用研究 ．化工自動化及儀表，2011(8)：388-391．

[2] 朱建華，姜立娣．基于USB的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)．計算機測量與控制，2008，16(2)：262-265．

[3] 郭亞軍，聶偉榮，朱繼南，等．基于3個傳感器的管道泄漏相關(guān)定位算法 ．南京理工大學學報，2003，27(6)：683-684．

[4] 許永和．8051單片機USB接口程序設計 ．北京：北京航空航天大學出版社，2004．

[5] 楊全玖，張大偉．基于CH375 多通道USB接口與PC機通信的實現(xiàn)．微計算機信息，2006，22(11)：72-74．