管網(wǎng)泄漏極性相關(guān)法定位研究

王清琳，程 珩，靳寶全

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；2.太原理工大學(xué)機(jī)械電子工程研究所，山西太原 030024)

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管網(wǎng)泄漏極性相關(guān)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(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；2.太原理工大學(xué)機(jī)械電子工程研究所，山西太原 030024)

針對(duì)管網(wǎng)泄漏定位運(yùn)算量大而不易實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種運(yùn)算快速、實(shí)時(shí)測(cè)量的定位方法。以泄漏液體的聲學(xué)特性為依據(jù)，建立測(cè)漏模型，將捕獲的信號(hào)離散化后極化處理，用極性相關(guān)法計(jì)算渡越時(shí)間，從而得到漏點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)的距離。為驗(yàn)證極性相關(guān)法定位的可行性與可靠性，設(shè)計(jì)聲學(xué)管網(wǎng)測(cè)漏儀。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明極性相關(guān)法能夠有效提高相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算速度，易于在微處理芯片中進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)了工程中管網(wǎng)泄漏的在線定位測(cè)量。

聲學(xué)；漏點(diǎn)定位；在線檢測(cè)；FPGA；極性相關(guān)法

0 引言

對(duì)于輸水管道的泄漏檢測(cè)，目前多應(yīng)用負(fù)壓波技術(shù)，如清華大學(xué)的王海生教授判斷泄漏通過(guò)分析管道兩端的負(fù)壓波信號(hào)，泄漏點(diǎn)定位根據(jù)壓力突降點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)延信息，但可檢測(cè)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(chǎn)生的聲信號(hào)比壓力傳感器采集負(fù)壓波信號(hào)敏感，且應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)需要選擇量程[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)的研究為管道測(cè)漏帶來(lái)了新的發(fā)展方向。Osama等人通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到不同材質(zhì)管道、不同泄漏形式、不同埋設(shè)條件下泄漏聲波信號(hào)的特點(diǎn)[3]。楊進(jìn)教授建立流體在管道內(nèi)的渦擾動(dòng)方程，通過(guò)力和流動(dòng)狀態(tài)的分析，證明泄漏聲信號(hào)具有隨機(jī)性[4]。Muggleton通過(guò)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(guān)檢測(cè)法定位的精度提供了依據(jù)[5-6]。針對(duì)漏點(diǎn)，張立學(xué)者采用多聲學(xué)傳感器融合技術(shù)測(cè)量管網(wǎng)泄漏點(diǎn)[7]；龔斌學(xué)者利用聲衰減的方法進(jìn)行管網(wǎng)漏點(diǎn)定位[8]。Gao Y研究管網(wǎng)系統(tǒng)中聲波反射回響對(duì)延遲時(shí)間估計(jì)的影響，從而影響泄漏點(diǎn)的定位[9]。文玉梅教授應(yīng)用盲卷積分離算法對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行辨識(shí)，在有固定噪聲干擾源的情況下對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行有效定位和精確定位[10]。

這些學(xué)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(yùn)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(cè)量，結(jié)構(gòu)緊湊的測(cè)試儀器。本研究為提高運(yùn)算速度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析，選用極性相關(guān)法，即用異或非門(mén)和累加運(yùn)算代替需要大量運(yùn)算的卷積函數(shù)，建立管道測(cè)漏模型，利用FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)高速運(yùn)算、高度集成的特點(diǎn)，在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)算法，在工程允許的誤差范圍內(nèi)達(dá)到在線測(cè)量泄漏點(diǎn)，并通過(guò)硬件搭建和軟件設(shè)計(jì)，研制一臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊的聲學(xué)管網(wǎng)測(cè)漏儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 泄漏液體聲學(xué)特性

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

用相關(guān)分析法進(jìn)行管道的漏水檢測(cè)，在泄漏源信號(hào)s(t)兩端不同位置分別放置傳感器，檢測(cè)到信號(hào)x(t)和y(t)。傳感器接收信號(hào)可簡(jiǎn)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(guān)函數(shù)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(hào)與背景噪聲不相關(guān)，兩測(cè)點(diǎn)處的背景噪聲也不相關(guān)，所以期望值均為0則式(2)可簡(jiǎn)化為

Rx,y=E[s(t)·s(t+t0+τ)]

=Rx,y(τ-τ0)

(3)

當(dāng)τ=τ0時(shí)，Rx,y取得最大值。

2 漏點(diǎn)定位相關(guān)法測(cè)漏原理

相關(guān)測(cè)漏儀由2個(gè)傳感器、2個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 相關(guān)測(cè)漏原理圖

假設(shè)管壁上存在漏點(diǎn)C，傳感器1和傳感器2檢測(cè)到2個(gè)信號(hào)x(t)和y(t)，2個(gè)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)為

(4)

當(dāng)相關(guān)函數(shù)Rx,y達(dá)到最大值時(shí)，相關(guān)性最大，即聲波從漏點(diǎn)C到達(dá)測(cè)點(diǎn)A、B的相對(duì)時(shí)延為τ=D。如圖2所示。

圖2 相關(guān)函數(shù)

根據(jù)聲波在管道傳播的速度v，和測(cè)點(diǎn)A、B之間的有效距離LC(若A、B間管道不是直管，則LC應(yīng)為A、B間管道的實(shí)際長(zhǎng)度)，就可以得到漏點(diǎn)C到測(cè)點(diǎn)A、B之間的距離LA、LB。

式中：w為雜質(zhì)元素的含量，μg/g；I1為雜質(zhì)元素的11次載氣空白信號(hào)值的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，cps；I2為基體元素的信號(hào)值，cps；A1為雜質(zhì)元素的豐度，%；A2為基體元素的豐度，%。

(5)

(6)

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

(7)

(8)

圖3為離散極性化信號(hào)函數(shù)，圖曲線a為截取的一段聲信號(hào)波形，曲線b為采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)式(7)建立的比較模塊得到的極性信號(hào)。

圖3 離散極性化信號(hào)函數(shù)

根據(jù)式(7)、式(8)極性化的方法簡(jiǎn)化函數(shù)，得到極性相關(guān)函數(shù)Rsgn(τ)

(9)

對(duì)于工程中常見(jiàn)的具有高斯分布的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，用極性相關(guān)法得出的峰值點(diǎn)，與傳統(tǒng)相關(guān)函數(shù)得到的峰值點(diǎn)相同。因此，求出極性相關(guān)函數(shù)Rsgn(τ)，即得到聲波從漏點(diǎn)C到達(dá)測(cè)點(diǎn)A、B的相對(duì)時(shí)延值，從而利用式(5)和式(6)實(shí)現(xiàn)漏點(diǎn)定位。

離散信號(hào)的極性相關(guān)函數(shù)Rsgn(t)為

(10)

在數(shù)字電路中數(shù)據(jù)處理芯片采用異或非門(mén)進(jìn)行乘法運(yùn)算，用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)乘積的累加。邏輯電路的高電平“1”代替符號(hào)函數(shù)中的“+1”，低電平“0”代替符號(hào)函數(shù)中的“-1”。如圖3所示，數(shù)據(jù)處理芯片中，將信號(hào)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(gòu)及軟件設(shè)計(jì)流程

3.1 硬件架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)泄漏定位測(cè)量，設(shè)計(jì)聲學(xué)管網(wǎng)測(cè)漏儀，該系統(tǒng)架構(gòu)由兩部分組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微處理器系統(tǒng)。如圖4所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)傳聲器，將漏點(diǎn)引起的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，放大器將傳聲器輸出的微弱電壓信號(hào)放大至適合A/D采集電路的電壓范圍，經(jīng)過(guò)濾波器去除高頻噪聲信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換最終將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。微處理器系統(tǒng)分別采用單片機(jī)與FPGA作為中央控制模塊與數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)主控制功能、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)、人機(jī)交互和通訊等功能。由于FPGA內(nèi)部沒(méi)有存儲(chǔ)單元，系統(tǒng)代碼需存放到FLASH中，系統(tǒng)的運(yùn)行及數(shù)據(jù)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(jī)相連，或儲(chǔ)存采集到的數(shù)據(jù)，用以配合PC機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步精確定位及歷史數(shù)據(jù)的保存。系統(tǒng)硬件選型如表1所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

編號(hào)名稱型號(hào)1單片機(jī)SiliconC8051F0402FPGAAlteraCycloneIVEP4CE153FLASHM25P644SDRAMH57V2562GTR5傳聲器AWA14421

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程

圖5為聲學(xué)管網(wǎng)測(cè)漏儀的軟件設(shè)計(jì)流程圖。其中Rn為A/D采集的數(shù)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(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間；Addr為數(shù)值占用寄存器所對(duì)應(yīng)的地址。

由于檢測(cè)的管道材質(zhì)不同，聲信號(hào)在各種材質(zhì)管道中傳播的速度不同?？梢允謩?dòng)設(shè)置n值，為測(cè)量選擇合適的量程。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為進(jìn)行聲學(xué)管網(wǎng)測(cè)漏實(shí)驗(yàn)，需制定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(cè)漏儀顯示兩傳感器收到信號(hào)的時(shí)間差為t0，多次測(cè)量取平均值，得到聲波在這段鋼管傳播速度v=LC/t0。擰開(kāi)C點(diǎn)處的出水口，待水流平穩(wěn)后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。

(a)

(b)圖6 兩組泄漏信號(hào)時(shí)域波形

圖6(a)與圖6(b)分別為兩傳感器采到的泄漏信號(hào)去除直流分量后的時(shí)域波形。分別截取圖6(a)、圖6(b)中的一段數(shù)據(jù)以便觀察兩組信號(hào)中的時(shí)延信息，如圖7所示。根據(jù)式(7)和式(8)分別對(duì)兩組信號(hào)進(jìn)行二值極化處理，得到如圖8所示的函數(shù)圖形。在圖8中進(jìn)行式(10)的運(yùn)算過(guò)程，兩組數(shù)據(jù)兩路信號(hào)極性一致時(shí)，式(10)中乘積為正，信號(hào)極性相反時(shí)，乘積為負(fù)。乘積為正的時(shí)間和乘積為負(fù)的時(shí)間之差即為時(shí)延t所對(duì)應(yīng)的相關(guān)函數(shù)值Rsgn(t)。

從某一時(shí)刻開(kāi)始計(jì)數(shù)，賦初始值Rsgn(t)=0。每一時(shí)刻比較兩路信號(hào)，若兩路信號(hào)極性一致時(shí)，Rsgn(t)值加1，兩路信號(hào)極性相反，Rsgn(t)值減1。比較得出Rsgn(t)最大值，并將最大值對(duì)應(yīng)的地址存入寄存器。由Rsgn(t)的最大值對(duì)應(yīng)的地址得到渡越時(shí)間τ，即可根據(jù)式(5)、(6)得到漏點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)的距離。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方案的可行性，選取一段有出水閥門(mén)的鑄鐵直管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)前測(cè)得聲信號(hào)在這段管道中的傳播速度為v=3 940 m/s。在距出水閥門(mén)不同位置安裝傳感器1和傳感器2，打開(kāi)出水閥門(mén)，待水流平穩(wěn)后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示(已知ΔL=|LA-LB|;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得ΔL`=τ·v;定位的相對(duì)誤差是Lr=|ΔL′-ΔL| /L)。

(a)

(b)圖7 A、B兩組信號(hào)的局部信號(hào)波形

圖8 極性相關(guān)原理圖

編號(hào)實(shí)際距離LA/m實(shí)際距離LB/m實(shí)驗(yàn)測(cè)得τ/s實(shí)驗(yàn)距離LA/m相對(duì)誤差Lr/%112600015119550502126000161234916931260001612152169412060029512111517751206002821185542306120600293120721114

5 結(jié)束語(yǔ)

以泄漏液體的聲學(xué)特性為依據(jù)，將聲學(xué)振動(dòng)信號(hào)應(yīng)用于相關(guān)分析法中，用極性化的方法處理信號(hào)求得渡越時(shí)間，減少了相關(guān)法的運(yùn)算量，并利用FPGA的高速采集和運(yùn)算能力，提高運(yùn)算速度。基于測(cè)漏模型，設(shè)計(jì)聲學(xué)管網(wǎng)測(cè)漏儀，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，在保證一定檢測(cè)精度的同時(shí)，有效提高了運(yùn)算效率，適用于微處理芯片對(duì)管網(wǎng)測(cè)漏進(jìn)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(guān)資助項(xiàng)目(20140321018-02)；山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析。E-mail：wangqinglinlong@163.com 程珩(1956— )，教授，學(xué)士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、機(jī)電系統(tǒng)與生產(chǎn)過(guò)程智能控制。E-mail：chenghang@tyut.edu.cn