曾海霞　陳艷　高厚秀

摘 要：在工業(yè)化時(shí)代，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，油氣水等供應(yīng)管道網(wǎng)絡(luò)遍布四方，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)嚴(yán)重影響人們的生活和安全。設(shè)計(jì)先進(jìn)的管道泄漏檢測(cè)儀器，依據(jù)互相關(guān)聲波檢測(cè)原理，選取功能全面的傳感裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，簡(jiǎn)化硬件，設(shè)計(jì)基于虛擬儀器技術(shù)LabVIEW的可視化控制平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)控制界面操作，通過(guò)采集、分析和處理聲音信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。

關(guān)鍵詞：管道檢漏；互相關(guān)聲波檢測(cè)；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.072

現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中布滿(mǎn)了復(fù)雜的供油、供氣和供水管道，這些設(shè)備的正常運(yùn)行是保證人們?nèi)粘Ｉ畹幕A(chǔ)。然而，自然災(zāi)害、施工損壞等種種原因引發(fā)的管道破裂泄漏事故層出不窮，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量，因此，在工作中，要快速地檢測(cè)、定位泄漏事故。

1 互相關(guān)聲波檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)管道發(fā)生泄漏情況時(shí)，會(huì)以聲波的形式向外傳播幾種不同頻段的噪聲信號(hào)。其中，被廣泛應(yīng)用于聲波檢測(cè)的有效信號(hào)稱(chēng)為“漏口處泄漏聲”，通過(guò)一對(duì)傳感裝置在泄漏兩端各取一處收集并處理該信號(hào)，采用互相關(guān)分析法取得信號(hào)采集的時(shí)間差，聯(lián)系兩采集點(diǎn)的距離和信號(hào)傳播速率，即可計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置。

2 管道檢漏儀總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，選取功能全面的數(shù)據(jù)采集卡，取得傳感器的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換和與上位機(jī)的通訊，再利用NI公司的虛擬儀器技術(shù)LabVIEW設(shè)計(jì)可視化的上位機(jī)控制平臺(tái)，優(yōu)化人機(jī)交互界面，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理、互相關(guān)分析和泄漏點(diǎn)定位。

3 硬件選型

在具體工作中，要選擇功能全面且靈巧的裝置，盡可能簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。“漏口處泄漏聲”與管道材質(zhì)、管道內(nèi)外的壓力、漏口大小等都有關(guān)系，其頻率值范圍為1 000～2 000 Hz。因此，在設(shè)計(jì)檢漏儀時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同情況選取合適的信號(hào)采樣頻率范圍，依此確定傳感和數(shù)據(jù)采集裝置。但要注意的是，此處應(yīng)包含濾波模塊，以過(guò)濾其他頻段信號(hào)，提高漏點(diǎn)的定位精度。

3.1 傳感裝置

本文設(shè)計(jì)中選用內(nèi)裝IC式壓電加速度傳感器LC0110，當(dāng)其中的加速度計(jì)由于聲波而發(fā)生振動(dòng)時(shí)，可利用陶瓷性材料的特性傳遞到壓電式元件中，進(jìn)而改變輸出電荷值。其靈敏度為100 mV/g，量程為50 g，頻率范圍在0.5～5 kHz，分辨率可達(dá)到0.02%，質(zhì)量為65 gm。選擇LC0110的理由有以下幾點(diǎn)：①高靈敏度，能感知泄漏點(diǎn)比較遠(yuǎn)或者泄漏點(diǎn)比較小時(shí)所引起的微弱振動(dòng)信號(hào)；②低阻抗輸出，具備很好的抗干擾能力；③頻率響應(yīng)范圍符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)其他頻段不敏感；④輕巧、堅(jiān)固且防水防銹，適合野外工作；⑤具有放大功能，不需額外設(shè)計(jì)放大電路。

另外，傳感裝置的輸出端口要選擇低噪聲的同軸電纜，以便進(jìn)一步防止干擾。

3.2 數(shù)據(jù)采集裝置

本文選用NI公司的 USB-6210作為泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的采集設(shè)備。該設(shè)備功能全面，價(jià)格低廉，且輕巧易于攜帶。它主要包括數(shù)字型輸入和輸出通路各4條，模擬型輸入通路16條，采用USB總線供電，32位的計(jì)數(shù)器，NI-DAQmx、VI Logger Lite數(shù)據(jù)記錄軟件和其他測(cè)量服務(wù)等，與LabVIEW、LabWindows/ CVI和Measurement studio.NET完美兼容。

4 軟件設(shè)計(jì)

采用虛擬儀器技術(shù)LabVIEW將計(jì)算機(jī)作為操作臺(tái)設(shè)計(jì)交互界面，通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)控制所有操作，完成數(shù)據(jù)的采集、濾波、存儲(chǔ)、回放和分析處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位。

4.1 數(shù)據(jù)采集和濾波

數(shù)據(jù)采集借助于DAQ系統(tǒng)軟件，將采集裝置測(cè)量并放大的電信號(hào)傳遞給控制軟件處理。由于存在兩端傳感器的信號(hào)，所以，可在DAQ中設(shè)置2個(gè)物理通道，借助“DAQmx創(chuàng)建通道”VI設(shè)置采集數(shù)據(jù)的參數(shù)，比如幅值區(qū)域、頻率區(qū)域和信息類(lèi)別等。此后設(shè)置采樣時(shí)鐘、開(kāi)始采樣、DAQmx讀取和終止采樣程序。

數(shù)據(jù)濾波依據(jù)泄漏信號(hào)頻率調(diào)節(jié)軟件中的濾波器，將集中在1～2 kHz的泄漏聲信號(hào)提取出來(lái)，提高信噪比，以得到理想的泄漏信號(hào)。此處選用LabVIEW所提供的Butterworth函數(shù)濾波器，它能在范圍內(nèi)的全部頻率上提供平穩(wěn)的響應(yīng)。該程序如圖2所示。

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放

設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，且撤銷(xiāo)硬件檢測(cè)系統(tǒng)后仍可提取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，以作分析之用。在DAQmx的應(yīng)用中引用TDMS數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)程序，操作簡(jiǎn)便，適用性強(qiáng)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放程序如圖3所示。

4.3 信號(hào)互相關(guān)分析和漏點(diǎn)定位

為了模擬互相過(guò)關(guān)分析過(guò)程，采用同頻率但具有相位差的正弦信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后接到互相關(guān)分析的兩輸入端口，并引用簇，將信號(hào)圖形的橫軸起點(diǎn)、分度值和互相關(guān)函數(shù)構(gòu)造成一整個(gè)模塊。這樣一來(lái)，圖標(biāo)將由簇的輸入來(lái)決定，而橫坐標(biāo)由原本的采樣點(diǎn)變成了時(shí)間。這不僅能得到互相關(guān)函數(shù)的波形，還將得到兩正弦信號(hào)的相位之差。

根據(jù)泄漏聲信號(hào)的傳播速度、管道長(zhǎng)度和由互相關(guān)分析求出的時(shí)間差，帶入式（1）中可得到漏點(diǎn)的位置，即：

漏點(diǎn)定位模塊程序如圖4所示。要想保證泄漏點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性，則依賴(lài)于精準(zhǔn)的信號(hào)時(shí)間差和傳播速度。為了提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，應(yīng)在設(shè)計(jì)前面板時(shí)插入不同管道材料和管徑對(duì)應(yīng)的信號(hào)速度，以供選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以互相關(guān)聲波檢測(cè)原理為基本依據(jù)，探討并選擇合理的傳感裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，避免繁復(fù)的硬件設(shè)計(jì)，采用LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬化軟件平臺(tái)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和互相關(guān)分析，以實(shí)現(xiàn)高精度的漏點(diǎn)定位。這充分證明了虛擬化技術(shù)在管道檢漏儀設(shè)計(jì)中的可行性和優(yōu)越性。

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〔編輯：白潔〕