基于虛擬儀器的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)研究

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（中國(guó)民航大學(xué)，1.航空自動(dòng)化學(xué)院；2.機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

基于虛擬儀器的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)研究

張?zhí)靹?，侯曉云2

（中國(guó)民航大學(xué)，1.航空自動(dòng)化學(xué)院；2.機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

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

管道；泄漏；檢測(cè)和定位；虛擬儀器

為了提升自來水管道系統(tǒng)安全運(yùn)行管理水平，研制開發(fā)泄漏監(jiān)測(cè)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(cè)定位方法，能有效地提高泄漏檢測(cè)定位的精度和可靠性，同時(shí)具有更好的適應(yīng)性。

1 檢漏系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)

建立管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)告泄漏事故的范圍和程度，可以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染及更大危險(xiǎn)的發(fā)生，對(duì)一種泄漏檢測(cè)方法優(yōu)劣或一個(gè)檢漏系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)，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(cè)報(bào)出泄漏，不致因?yàn)椴僮魇д`和設(shè)備故障等因素發(fā)出誤報(bào)警。

（2）靈敏性。檢漏系統(tǒng)能檢測(cè)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(bào)警提示。

（3）實(shí)時(shí)性。理想的檢漏系統(tǒng)能夠在泄漏發(fā)生后，實(shí)時(shí)地檢測(cè)出泄漏的發(fā)生，以便操作人員即刻采取行動(dòng)，減少損失。

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

（5）易維護(hù)性。檢漏系統(tǒng)裝置維修調(diào)整容易。

（6）性價(jià)比。性價(jià)比是指系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行及維護(hù)的花費(fèi)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(jì)的一套基于相關(guān)分析技術(shù)的自來水管道泄漏檢測(cè)及定位系統(tǒng)，能有效地提高泄漏檢測(cè)定位的精度和可靠性。

2 泄漏點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算機(jī)等組成。

圖1 泄漏檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

泄漏聲信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送給前置放大器進(jìn)行放大、濾波，之后送到數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)的連續(xù)采集，并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的硬盤中，供定位分析軟件處理。在整個(gè)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(hào)所處的背景比較復(fù)雜，信號(hào)強(qiáng)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(dòng)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(shí)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(hào)調(diào)理電路

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

圖2 信號(hào)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(hào)是一個(gè)幅值很小的微弱信號(hào)，則在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，需要進(jìn)行放大、濾波、隔離等一些預(yù)處理，這樣才能保證采集信號(hào)的有效性和可行度，并對(duì)后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換器起到一定的保護(hù)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(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分。系統(tǒng)可檢測(cè)的最小信號(hào)，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(shí)，應(yīng)始終著眼于低噪聲這個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，來進(jìn)行分析設(shè)計(jì)電路。對(duì)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(shí)加以解決，有的則需滿足噪聲指標(biāo)的基礎(chǔ)上再做出進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)。在本文中采用了兩片T-KOKOPA（萬(wàn)聲達(dá)）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(shí)驗(yàn)環(huán)境中的一些干擾，還有去除泄漏信號(hào)主要頻帶外的噪聲，也防止信號(hào)混疊。

在工控計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，需要把外界信號(hào)與計(jì)算機(jī)隔離，這樣可保證計(jì)算機(jī)的安全和程序運(yùn)行的可靠性。在高精度測(cè)量中，消除工模電壓、地回路對(duì)測(cè)量精度的影響，所以在信號(hào)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(shí)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(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于工控計(jì)算機(jī)平臺(tái)，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(hào)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(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，并把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)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(hào)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(dòng)配置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用。

如圖4所示，采樣信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過FIFO緩存后，通過PCI總線接口芯片PLX9050以DMA方式送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。當(dāng)PLX9050上電初始化時(shí)，從中讀出配置信息對(duì)PLX9050進(jìn)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(jì)

軟件系統(tǒng)主要完成如下功能：

（1）人機(jī)動(dòng)態(tài)交互；

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

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，是一個(gè)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(jì)的主要工作，就是軟件模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)整。

本設(shè)計(jì)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(jì)。該方法能夠有效地將Lab VIEW編程簡(jiǎn)單、界面友好等特點(diǎn)與MATLAB強(qiáng)大的計(jì)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(diǎn)，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(shì)，和MATLAB強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力及特定的工具箱，從而達(dá)到簡(jiǎn)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(yùn)行的高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，其程序的執(zhí)行效率不高，實(shí)時(shí)性較差，對(duì)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(shí)，MATLAB會(huì)在后臺(tái)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(duì)實(shí)時(shí)性要求不高時(shí)，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(jiǎn)易程序流程圖。

圖5 簡(jiǎn)易程序流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過實(shí)驗(yàn)采集的泄漏聲信號(hào)，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(jì)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(cè)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(cè)技術(shù)的選擇和優(yōu)化[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，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(wàn)，孫 中，等.地下自來水管道測(cè)漏儀的改進(jìn)設(shè)計(jì)[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(jī)械電子。