王清琳，程 珩，靳寶全

(1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西太原 030024；2.太原理工大學機械電子工程研究所，山西太原 030024)

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管網泄漏極性相關法定位研究

王清琳1,2，程 珩1,2，靳寶全1,2

(1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西太原 030024；2.太原理工大學機械電子工程研究所，山西太原 030024)

針對管網泄漏定位運算量大而不易實現在線檢測的問題，設計一種運算快速、實時測量的定位方法。以泄漏液體的聲學特性為依據，建立測漏模型，將捕獲的信號離散化后極化處理，用極性相關法計算渡越時間，從而得到漏點到測點的距離。為驗證極性相關法定位的可行性與可靠性，設計聲學管網測漏儀。通過實驗證明極性相關法能夠有效提高相關函數的運算速度，易于在微處理芯片中進行實時分析，實現了工程中管網泄漏的在線定位測量。

聲學；漏點定位；在線檢測；FPGA；極性相關法

0 引言

對于輸水管道的泄漏檢測，目前多應用負壓波技術，如清華大學的王海生教授判斷泄漏通過分析管道兩端的負壓波信號，泄漏點定位根據壓力突降點出現的時延信息，但可檢測的最小泄漏量為5 m2/s[1]。而采用聲傳感器采集管道泄漏產生的聲信號比壓力傳感器采集負壓波信號敏感，且應用時可以根據需要選擇量程[2]。近年來，國內外學者對聲學檢測技術的研究為管道測漏帶來了新的發(fā)展方向。Osama等人通過對比實驗，得到不同材質管道、不同泄漏形式、不同埋設條件下泄漏聲波信號的特點[3]。楊進教授建立流體在管道內的渦擾動方程，通過力和流動狀態(tài)的分析，證明泄漏聲信號具有隨機性[4]。Muggleton通過理論分析得出了存在于液體中和管道中的兩種不同波的傳播特性，為提高相關檢測法定位的精度提供了依據[5-6]。針對漏點，張立學者采用多聲學傳感器融合技術測量管網泄漏點[7]；龔斌學者利用聲衰減的方法進行管網漏點定位[8]。Gao Y研究管網系統中聲波反射回響對延遲時間估計的影響，從而影響泄漏點的定位[9]。文玉梅教授應用盲卷積分離算法對噪聲信號進行辨識，在有固定噪聲干擾源的情況下對漏點進行有效定位和精確定位[10]。

這些學者用不同角度、不同算法研究提高管道泄漏的定位精度，但由于其龐大的運算量，更適用于離線的泄漏精確定位。而在工程中需要能夠在線測量，結構緊湊的測試儀器。本研究為提高運算速度實現實時分析，選用極性相關法，即用異或非門和累加運算代替需要大量運算的卷積函數，建立管道測漏模型，利用FPGA(現場可編程門陣列)高速運算、高度集成的特點，在FPGA芯片中實現算法，在工程允許的誤差范圍內達到在線測量泄漏點，并通過硬件搭建和軟件設計，研制一臺結構緊湊的聲學管網測漏儀進行實驗驗證。

1 泄漏液體聲學特性

若供水管網管壁上存在漏點，由于管內水壓高于管外水壓，水從漏點處向外噴射，會激發(fā)管壁及周圍空氣的震顫產生沖擊聲波；漏點附近的水流由層流狀態(tài)轉換為湍流狀態(tài)產生湍流聲；漏點處形成低壓區(qū)從而出現空氣泡，空氣泡潰破產生空泡聲，引起漏孔處產生振動，形成活塞聲源。聲信號通過管壁及周圍介質傳播。泄漏聲信號包含的頻率成分比較豐富，頻率范圍寬。

用相關分析法進行管道的漏水檢測，在泄漏源信號s(t)兩端不同位置分別放置傳感器，檢測到信號x(t)和y(t)。傳感器接收信號可簡化為

(1)

式中n1和n2表示觀察中的背景噪聲。

x(t)和y(t)的相關函數Rx,y為

Rx,y=E[x(t)·y(t+τ)]=E{[s(t)+n1(t)]×[s(t+t0+τ)+n2(t)]}

n1(t)]+E[n1(t)·n2(t)]

(2)

由于泄漏聲信號與背景噪聲不相關，兩測點處的背景噪聲也不相關，所以期望值均為0則式(2)可簡化為

Rx,y=E[s(t)·s(t+t0+τ)]

=Rx,y(τ-τ0)

(3)

當τ=τ0時，Rx,y取得最大值。

2 漏點定位相關法測漏原理

相關測漏儀由2個傳感器、2個數據采集系統和數據處理系統組成，如圖1所示。

圖1 相關測漏原理圖

假設管壁上存在漏點C，傳感器1和傳感器2檢測到2個信號x(t)和y(t)，2個信號的相關函數為

(4)

當相關函數Rx,y達到最大值時，相關性最大，即聲波從漏點C到達測點A、B的相對時延為τ=D。如圖2所示。

圖2 相關函數

根據聲波在管道傳播的速度v，和測點A、B之間的有效距離LC(若A、B間管道不是直管，則LC應為A、B間管道的實際長度)，就可以得到漏點C到測點A、B之間的距離LA、LB。

式中：w為雜質元素的含量，μg/g；I1為雜質元素的11次載氣空白信號值的3倍標準偏差，cps；I2為基體元素的信號值，cps；A1為雜質元素的豐度，%；A2為基體元素的豐度，%。

(5)

(6)

為了提高運算效率，將x(t)、y(t)做極化處理，得到符號函數sgn[x(t)]、sgn[y(t)]

(7)

(8)

圖3為離散極性化信號函數，圖曲線a為截取的一段聲信號波形，曲線b為采集到的信號經過式(7)建立的比較模塊得到的極性信號。

圖3 離散極性化信號函數

根據式(7)、式(8)極性化的方法簡化函數，得到極性相關函數Rsgn(τ)

(9)

對于工程中常見的具有高斯分布的平穩(wěn)隨機信號，用極性相關法得出的峰值點，與傳統相關函數得到的峰值點相同。因此，求出極性相關函數Rsgn(τ)，即得到聲波從漏點C到達測點A、B的相對時延值，從而利用式(5)和式(6)實現漏點定位。

離散信號的極性相關函數Rsgn(t)為

(10)

在數字電路中數據處理芯片采用異或非門進行乘法運算，用計數器實現乘積的累加。邏輯電路的高電平“1”代替符號函數中的“+1”，低電平“0”代替符號函數中的“-1”。如圖3所示，數據處理芯片中，將信號極化為“+1”和“-1”后記錄為0，0，1，1，1，0，0，1，1，0，0，1，1，1，1，0，0，0，1，1采樣值。

3 硬件架構及軟件設計流程

3.1 硬件架構

為實現管網泄漏定位測量，設計聲學管網測漏儀，該系統架構由兩部分組成：數據采集系統和微處理器系統。如圖4所示。數據采集系統通過傳聲器，將漏點引起的聲信號轉換為電壓信號，放大器將傳聲器輸出的微弱電壓信號放大至適合A/D采集電路的電壓范圍，經過濾波器去除高頻噪聲信號，通過A/D轉換最終將聲信號轉換為數字信號。微處理器系統分別采用單片機與FPGA作為中央控制模塊與數據處理模塊，實現主控制功能、數據處理及存儲、人機交互和通訊等功能。由于FPGA內部沒有存儲單元，系統代碼需存放到FLASH中，系統的運行及數據的高速處理需加載到SDRAM中。電源控制模塊為儀器中的集成電路、微處理電路等供電。外圍接口模塊使儀器可與PC機相連，或儲存采集到的數據，用以配合PC機進行進一步精確定位及歷史數據的保存。系統硬件選型如表1所示。

圖4 系統架構示意圖

編號名稱型號1單片機SiliconC8051F0402FPGAAlteraCycloneIVEP4CE153FLASHM25P644SDRAMH57V2562GTR5傳聲器AWA14421

3.2 軟件設計流程

圖5為聲學管網測漏儀的軟件設計流程圖。其中Rn為A/D采集的數值；Rsgn為Rn的值極化后存入FPGA中的高低電平值；Rtemp是Rsgn的可逆累加和；Rmax為Rtemp中的最大值；τ是取得最大值時所對應的時間；Addr為數值占用寄存器所對應的地址。

由于檢測的管道材質不同，聲信號在各種材質管道中傳播的速度不同。可以手動設置n值，為測量選擇合適的量程。

圖5 軟件設計流程圖

4 實驗研究

4.1 實驗方案設計

為進行聲學管網測漏實驗，需制定實驗設計方案。選取一段直輸水鋼管，如圖1中，在相距LC的A、B兩位置分別安放兩傳感器。在A處敲擊管道，測漏儀顯示兩傳感器收到信號的時間差為t0，多次測量取平均值，得到聲波在這段鋼管傳播速度v=LC/t0。擰開C點處的出水口，待水流平穩(wěn)后開始采集數據。

(a)

(b)圖6 兩組泄漏信號時域波形

圖6(a)與圖6(b)分別為兩傳感器采到的泄漏信號去除直流分量后的時域波形。分別截取圖6(a)、圖6(b)中的一段數據以便觀察兩組信號中的時延信息，如圖7所示。根據式(7)和式(8)分別對兩組信號進行二值極化處理，得到如圖8所示的函數圖形。在圖8中進行式(10)的運算過程，兩組數據兩路信號極性一致時，式(10)中乘積為正，信號極性相反時，乘積為負。乘積為正的時間和乘積為負的時間之差即為時延t所對應的相關函數值Rsgn(t)。

從某一時刻開始計數，賦初始值Rsgn(t)=0。每一時刻比較兩路信號，若兩路信號極性一致時，Rsgn(t)值加1，兩路信號極性相反，Rsgn(t)值減1。比較得出Rsgn(t)最大值，并將最大值對應的地址存入寄存器。由Rsgn(t)的最大值對應的地址得到渡越時間τ，即可根據式(5)、(6)得到漏點到測點的距離。

4.2 實驗驗證

為了驗證方案的可行性，選取一段有出水閥門的鑄鐵直管道進行實驗。在實驗前測得聲信號在這段管道中的傳播速度為v=3 940 m/s。在距出水閥門不同位置安裝傳感器1和傳感器2，打開出水閥門，待水流平穩(wěn)后開始采集數據，實驗結果如表2所示(已知ΔL=|LA-LB|;實驗數據計算得ΔL`=τ·v;定位的相對誤差是Lr=|ΔL′-ΔL| /L)。

(a)

(b)圖7 A、B兩組信號的局部信號波形

圖8 極性相關原理圖

編號實際距離LA/m實際距離LB/m實驗測得τ/s實驗距離LA/m相對誤差Lr/%112600015119550502126000161234916931260001612152169412060029512111517751206002821185542306120600293120721114

5 結束語

以泄漏液體的聲學特性為依據，將聲學振動信號應用于相關分析法中，用極性化的方法處理信號求得渡越時間，減少了相關法的運算量，并利用FPGA的高速采集和運算能力，提高運算速度。基于測漏模型，設計聲學管網測漏儀，并通過實驗進行驗證。實驗證明，在保證一定檢測精度的同時，有效提高了運算效率，適用于微處理芯片對管網測漏進行在線分析。

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Research of Leakage Detection for Pipelines Based on Polarity Correlation Algorithm

WANG Qing-lin1,2,CHENG Hang1,2,JIN Bao-quan1,2

(1.Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System,Ministry of Education and Shanxi Province,Taiyuan University of Technology Taiyuan 030024,China；2.Research Institute of Mechano-electronic Engineering,Taiyuan University of Technology Taiyuan 030024,China)

Leakage point location of pipelines needs much computation so that it is hard to implement the real-time detection.In order to solve the problem,we designed a leak detect method which can calculate fast to reduce the heavy computation and implement the on line measurement.Based on acoustic characteristics of the liquid leakage,a leak detection model was built to conduct polarization processing after discretizing the captured signal.The distance from leakage point to measuring point can be calculated by using the polarity correlation algorithm to capture the transition?time.Polarity correlation algorithm can effectively improve the arithmetic speed of correlation function and can make it easy to handle real-time analysis in micro-chips.Based on acoustics,we also designed leak detector of pipelines to verify the detecting method of polarity correlation algorithm.The experiment shows that the detector realizes the online detection of leakage pipelines with sufficient precision in engineering.

acoustics,leakage point location,real-time detection,FPGA,polarity correlation algorithm

山西省科技攻關資助項目(20140321018-02)；山西省自然科學基金資助項目(2013011023-1)

2014-09-29 收修改稿日期：2015-02-10

TN911.7；TP274.2

A

1002-1841(2015)07-0094-04

王清琳(1989— )，碩士研究生，主要研究方向為機械系統動態(tài)設計與機械動力學分析。E-mail：wangqinglinlong@163.com 程珩(1956— )，教授，學士，主要研究方向為機械系統動態(tài)設計、機電系統與生產過程智能控制。E-mail：chenghang@tyut.edu.cn