供水管道泄漏微弱信號采集系統(tǒng)設(shè)計探討

潘 瑩

(深圳市北部水源工程管理處, 廣東 深圳 518000)

0 引 言

供水管道泄漏主要是由于自然因素和人為因素造成的，在短時間內(nèi)查找泄漏點，需要積極采用科學(xué)合理的方式，從微弱信號入手進行設(shè)計，將能夠起到良好的效果。供水管道泄漏信號中有著微弱信號的共性，還存在著一定的不確定性和隨機性，在實際對比信號信噪比方面難度較大，深入細(xì)致研究供水管道泄漏的機理，積極設(shè)計出科學(xué)有效的供水管道泄漏微弱信號采集系統(tǒng)，能夠為準(zhǔn)確尋找泄漏應(yīng)對措施，提供良好前提條件。

1 供水管道發(fā)生泄漏的成因和檢測原理

1.1 泄漏的成因

造成大型壓力輸水管道爆管的因素有很多，包括水擊、氣阻、管材、壓力、基礎(chǔ)、埋深、連接、使用年限、溫度、充填物等。

1.2 檢測泄露的原理

1.2.1 信號產(chǎn)生

不論受到何種因素影響，供水管道產(chǎn)生泄漏問題時，當(dāng)泄漏邊緣有水流經(jīng)過，泄漏口會有水流產(chǎn)生摩擦，進而產(chǎn)生振動聲波，這是管道檢修人員所需要檢測到的實際泄漏信號。針對供水管道供水管道泄漏信號進行分析，能夠發(fā)現(xiàn)其屬于微弱信號，想要準(zhǔn)確檢測這一信號，需要高度重視到其幅度較小的信號狀態(tài)和容易受到其他噪聲干擾的特點。針對以往供水管道泄漏情況加以分析，可以得知導(dǎo)致其泄漏問題的因素在于管道施工質(zhì)量較差、選擇管道材料不合適、管道易腐蝕性較強以及外界環(huán)境溫度發(fā)生變化等。

1.2.2 細(xì)致分析信號特征

細(xì)致分析和研究供水管道泄漏信號的基本特征，需要按照不同實驗條件進行，借助于聲發(fā)射檢測儀器，針對實際泄漏信號幅頻特性進行收集和提取，從而探討管道的具體泄漏條件和聲信號的內(nèi)在關(guān)系。

1)分析供水管道泄漏信號頻譜

在供水管道實際運行過程中，將其內(nèi)部壓力設(shè)定為25KPa，并按照一個泄漏點、兩個泄漏點的條件進行模擬，從而得到在這些條件下泄漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號和頻譜圖。在細(xì)致對比這些頻譜圖的基礎(chǔ)上，能夠發(fā)現(xiàn)凡是在有泄漏點的管道中，信號幅值會比背景噪聲信號幅值要高，而背景噪聲處在1V幅值范圍內(nèi)；當(dāng)供水管道存在著越多的泄漏點，其實際產(chǎn)生的信號幅值也會增加。

2)分析壓力變化與供水管道泄漏信號頻譜的內(nèi)在聯(lián)系

在實際分析供水管道泄漏信號頻譜特征的過程中，要高度關(guān)注到管道壓力這一重要因素。具體實驗活動價進行中，首先，需要在供水管道泄漏口1m附近位置中事先放置好SR10傳感器，針對管道泄漏的信號加以及時采集；其次，需要采用管道泄漏開啟模式，借助于XMT8000儀表針對管道中的具體壓力值進行讀取，其中可以直接在面板顯示出壓力值，按照三組不同壓力值重復(fù)采集的方式進行；最后，在聲發(fā)射系統(tǒng)之中，針對已經(jīng)采集好的實驗結(jié)果開展頻譜分析。經(jīng)過檢測，在三組泄漏信號的管道內(nèi)部壓力值中，分別呈現(xiàn)出20KPa、30KPa以及40KPa結(jié)果狀態(tài)。

在分析各項實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以得到以下結(jié)論：(1)三組數(shù)據(jù)之間的供水管道泄漏信號在幅值上沒有顯現(xiàn)出明顯的差別，供水管道泄漏信號的幅值，在管道內(nèi)部壓力有所變化的狀態(tài)下，產(chǎn)生的波動情況較小，也就是說供水管道泄漏信號幅值基本上不會受到管道內(nèi)部壓力變化的影響。(2)盡管在不同實驗情況下，管道內(nèi)壓力產(chǎn)生一定變化，但是對于不同頻率段來說，其在占據(jù)能量分布方面所表現(xiàn)出的情況基本相似。(3)對于供水管道內(nèi)部壓力達到40KPa，且處于1350Hz頻率狀態(tài)下，頻譜會出現(xiàn)尖峰，探究其產(chǎn)生原因，在于管內(nèi)壓力過大，導(dǎo)致管道內(nèi)壁受到水流更為劇烈的碰撞，這樣管道將會產(chǎn)生一定的振動問題。

2 供水管道泄漏微弱信號采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

供水管道泄漏微弱信號采集系統(tǒng)的良好設(shè)計，能夠在很大程度上收集和獲取到相應(yīng)的微弱信號，在實際設(shè)計該項系統(tǒng)的過程中，需要全面掌控好硬件和軟件部分，針對各個模塊進行綜合考慮，重點分析低功耗元器件、低噪聲。

2.1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件部分設(shè)計中，需要重點考量到泄漏信號的實際頻譜范圍和幅值大小，能夠選取到更為優(yōu)勢的信號采集、信號處理、存儲單元，確保其擁有著良好的兼容性和性價比。在供水管道泄漏微弱信號采集系統(tǒng)運行過程中，需要高度重視設(shè)計硬件部分，其中包含數(shù)據(jù)存儲單元、傳感器、A/D轉(zhuǎn)化器、調(diào)理電路以及存儲單元[1]。

1)功能和技術(shù)指標(biāo)

實際設(shè)計供水管道泄漏微弱信號采集系統(tǒng)的過程中，需要能夠針對一路數(shù)據(jù)進行充分采集，實施科學(xué)有效的增益調(diào)節(jié)工作，做好濾波處理工作，從而良好轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的模數(shù)，在SD卡中有效存儲好各項處理結(jié)果。在實際設(shè)計技術(shù)指標(biāo)環(huán)節(jié)中，重點分析各項技術(shù)指標(biāo)，包含：濾波器具備良好的帶通濾波性能，通帶的實際頻率保持在20Hz-2kHz范圍之內(nèi)；針對A/D單通道進行有效控制，確保其所擁有的最低采樣率達到4kHz；放大器實際能夠放大的倍數(shù)最小處在100倍，擁有著良好的抗干擾性能；系統(tǒng)供電過程中，使用電池，從而會嚴(yán)格器件的各項功耗情況，在實際選取器件時，要使其具備低功耗的特征[2]。

2)具體設(shè)計

在供水管道泄漏微弱信號采集系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要針對各項構(gòu)成要件進行綜合管控。①傳感器。合理選擇到相應(yīng)的傳感器，諧振式傳感器的可靠性和靈敏度都較高，將其應(yīng)用在供水管道泄漏檢測系統(tǒng)之中，可以起到良好效果。為確保傳感器的選擇具有正確性，需要注重結(jié)合被測泄漏信號的具體幅度和頻率范圍，重點考量到實驗環(huán)境周圍潛在的一些噪聲干擾信號，本次設(shè)計工作中選擇SR10傳感器，可以起到良好效果。②信號調(diào)理模塊。其在整個采集系統(tǒng)的運行中，可以針對傳感器輸出信號加以有效接收，對其進行有效處理，確保其能夠達到A/D轉(zhuǎn)換器可以直接處理好的信號范圍之內(nèi)。當(dāng)濾波模塊有效處理好泄漏信號之后，將能夠大幅度改善信噪比[3]。③數(shù)據(jù)采集模塊。這一模塊在實際應(yīng)用過程中，可以轉(zhuǎn)換好全部采集到的電壓模擬信號，這其中的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)為A/D形式，有效存儲好各項數(shù)據(jù)，使其達到SD卡之中。具體采集數(shù)據(jù)的過程中，可以積極使用到STM32F103rbt6，其中包含ADC子系統(tǒng)。ADC子系統(tǒng)實際運行環(huán)節(jié)中表現(xiàn)出明顯特征：使用間斷模式；擁有自校準(zhǔn)功能；存在12位分辨率；可以對齊數(shù)據(jù)；按照通道開展分別編程活動，有效掌控采樣間隔。

2.1.2 軟件設(shè)計

軟件是供水管道泄漏微弱信號檢測系統(tǒng)中的重要組成部分，其能夠指揮和調(diào)節(jié)好各項環(huán)節(jié)的運行效果，傳達正確的指令。在實際設(shè)計軟件系統(tǒng)的過程中，需要按照分塊理論，軟件系統(tǒng)之中包含數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等[4]。

實際設(shè)計軟件系統(tǒng)的過程中：(1)數(shù)據(jù)采集程序。在配置A/D寄存器的過程中，使用控制寄存器進行有效管理。使用放大器針對傳感器收集的微弱信號進行處理，使其達到A/D中可接受的范圍，為有效轉(zhuǎn)化好A/D電路，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓信號[5]。(2)液晶顯示程序。實際轉(zhuǎn)換供水管道泄漏信號時，積極使用A/D轉(zhuǎn)換器，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的同時，還要發(fā)揮液晶顯示程序的作用，在液晶屏上充分顯現(xiàn)出已經(jīng)采集到的各項電壓值。實際設(shè)計液晶顯示程序的過程中，需要設(shè)置好初始化液晶顯示模塊，為確保STM32和LED模塊進行有效連接，其中需要積極使用到I/O。

圖1 軟件主程序流程圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計實驗

供水管道泄漏微弱信號采集系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠為分析供水管道泄漏活動信號傳播速度提供良好支持，其中需要重點研究管壁厚度、直徑、周圍溫度、管內(nèi)壓力等因素，事先設(shè)定好不同條件，觀測其在不同條件下所表現(xiàn)出的效果。以管材為例進行分析，重點研究其在不同管材狀況下，供水管道泄漏聲信號傳播速度都會表現(xiàn)出一定的差異，具體情況見表1。

表1 不同管材下泄漏聲信號的傳播速度情況表

供水管道的實際材質(zhì)、口徑，都會影響到供水管道的衰減系數(shù)，泄漏信號的實際特征會受到多種因素的影響，如管道壓力、漏點傳播距離。

又如室內(nèi)試驗活動，要合理布置好試驗平臺和儀器設(shè)備，具體選擇五礦集團甬泰(山東)鋼鐵有限公司3000T內(nèi)水壓力測試平臺，見圖2。

圖2 室內(nèi)試驗平臺

還要使用長12m、直徑910mm的螺旋焊制鋼管作為管道模型。試驗活動中，針對壓力條件和滲漏程度進行科學(xué)設(shè)置，具體情況見表2。

表2 壓力條件和滲漏程度設(shè)置

4 結(jié) 語

有效提升供水管道的整體運行效果，減少滲漏情況的發(fā)生，需要積極采用科學(xué)合理的方式，設(shè)計供水管道泄漏微弱信號采集系統(tǒng)，其中需要重點分析供水管道泄漏的原因，泄漏微弱信號的各項情況，并從硬件部分和軟件系統(tǒng)部分入手開展科學(xué)合理的設(shè)計。