強(qiáng)噪聲環(huán)境下管道泄漏弱信號檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭豐

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州興義 562400）

管道運(yùn)輸是化工企業(yè)生產(chǎn)過程中化工原料運(yùn)輸?shù)闹饕侄?。化工管道中存在大量連續(xù)彎曲的接縫，如果焊接接頭失效或失控，將嚴(yán)重威脅設(shè)備的正常運(yùn)行；如果有毒、有害、易燃等介質(zhì)泄漏，不僅會對周圍環(huán)境造成污染，而且一旦引燃可燃物還會引起爆炸，導(dǎo)致人員中毒或傷亡，危害人民健康。在管道泄漏的所有信號中，有用信號變化幅度較小，干擾性信號變化幅度較大[1]。管道泄漏微弱信號具有周期性和隨機(jī)性特點(diǎn)，如何在含干擾性信號中提取有用信號是當(dāng)前管道泄漏微弱信號檢測的關(guān)鍵。

信號低段集中噪聲，高段分散噪聲，因此，使用了傅里葉信號檢測方法[2]，結(jié)合低通濾波過濾干擾性信號，提取有用信號，然而，使用該方法對濾波器要求較高，如果選擇的低通濾波器檢測頻率范圍過大，那么過濾后的信號中仍然存在大量干擾性信號；如果選擇的低通濾波器檢測頻率范圍過小，那么會將有用弱信號過濾，使用自適應(yīng)隨機(jī)共振微弱信號檢測方法[3]，其依據(jù)隨機(jī)共振原理檢測泄漏微弱信號，然而，利用該系統(tǒng)只能起到短暫去噪效果，無法長時(shí)間檢測泄漏微弱信號。

針對上述問題，提出了強(qiáng)噪聲環(huán)境下管道泄漏弱信號檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效提高了檢測效果，保證了檢測的精準(zhǔn)性。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道泄漏形式主要有3 種，分別是直管泄漏、彎頭泄漏和管法蘭泄漏。其中，直管本身的制造缺陷和直管附件質(zhì)量問題引起直管泄漏，直管焊接、直管對齊或直管選材不當(dāng)引起腐蝕；介質(zhì)流經(jīng)彎管時(shí)，受彎管阻力較大的影響，主要發(fā)生在彎管半徑較大的外側(cè)，造成彎頭泄漏；另外，彎管與管縫之間有縫隙，也會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。因此在對泄漏管路法蘭密封時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)連接螺栓的預(yù)緊力，并增加墊片來達(dá)到足夠的密封比壓，避免壓力流體介質(zhì)的泄漏。

根據(jù)管道泄漏聲信號特性，設(shè)計(jì)的管道泄漏弱信號檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 管道泄漏弱信號檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

由圖1 可知，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊兩大模塊，并由加速度傳感器、濾波器、放大器、存儲器組成，通過主控單元、上位機(jī)、人機(jī)接口進(jìn)行運(yùn)作。其中，加速度傳感器負(fù)責(zé)將管道中的微弱信號轉(zhuǎn)換成電信號形式，并將該信號傳遞給信號調(diào)理模塊；信號調(diào)理模塊為加速度傳感器提供穩(wěn)定電源，在偏置電壓隔離后，加速度傳感器輸出信號是直流電路產(chǎn)生的加速信號；濾波器負(fù)責(zé)抑制來自加速度傳感器傳輸?shù)母蓴_性信號[4-6]；放大器負(fù)責(zé)將傳感器傳輸?shù)男孤┪⑷跣盘栠M(jìn)行放大處理后，能夠滿足后續(xù)數(shù)據(jù)采集要求[7]；數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)微弱信號采集，主控單元負(fù)責(zé)全局控制與處理，由此完成系統(tǒng)與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)和指令的傳輸[8-9]。

1.1 加速度傳感器

內(nèi)置加速度傳感器LC0151T，其頻率范圍為0.5～1 200 Hz，靈敏度達(dá)到145 mV/g，設(shè)檢測頻率為33 Hz，能夠達(dá)到系統(tǒng)高效傳輸數(shù)據(jù)的目的[10]。

LC0151T 加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 LC0151T加速度傳感器結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，加速度傳感器連接雙線系統(tǒng)，其中一線為地線，另一線為放大器的信號輸出線和恒流源輸入線[11]。通過上述連接方式，不僅能屏蔽噪音輸出信號，還能極大地簡化檢測系統(tǒng)，提高檢測準(zhǔn)確性[12]。

1.2 加法器與電阻網(wǎng)絡(luò)衰減電路

因?yàn)榘l(fā)射信號中含有大量的噪聲信號，所以在處理前，必須抑制噪聲，以模擬理想環(huán)境。為得到需要的混合信號，并更精確地檢測出微弱信號，在噪聲環(huán)境下還特別增加了加法器[13]。

從加法器速度出發(fā)，選用了單向運(yùn)放OP27，它是一種低噪聲精密運(yùn)放設(shè)備，經(jīng)過該裝置處理后的混合信號可以被電路電阻衰減[14]。采用純阻式分壓原理，經(jīng)連續(xù)10 次衰減后，能夠得到理想結(jié)果。圖3是電阻網(wǎng)絡(luò)衰減電路。

由圖3 可知，當(dāng)信號需要通過改變增益來衰減并且信號是帶寬信號時(shí)，應(yīng)該采用電阻網(wǎng)。在傳輸介質(zhì)過程中，干擾性信號會轉(zhuǎn)化成一部分能量，并被介質(zhì)吸收，這就使干擾性信號強(qiáng)度不斷衰減。當(dāng)電阻率不合適時(shí)，可采用串聯(lián)并聯(lián)的方法，這種電阻器能滿足小貼片封裝的功率要求，并具有較好的頻率特性。要使其工作于寬帶范圍，必須對電阻衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3 電阻網(wǎng)絡(luò)衰減電路

1.3 濾波器

管道通常位于野外或者更復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，這使得傳感器采集的泄漏信號不可避免地含有外部傳導(dǎo)的干擾和白噪聲。因此，在有用頻域內(nèi)選擇濾波器來提高信噪比[15]。管道泄漏信號最高頻率可達(dá)到4 kHz，并且存在噪聲頻帶較寬的問題，為了改善該問題，需抑制帶外噪聲。為此，通過二階低通濾波器和高通濾波器的結(jié)合，形成帶通濾波器，能夠有效提取泄漏微弱信號[16]。當(dāng)信號發(fā)生器產(chǎn)生等幅正弦波形后，通過示波器進(jìn)行觀察，再由濾波器輸出，通過測量多個(gè)頻點(diǎn)的輸入輸出，得到濾波器的頻域響應(yīng)曲線。

濾波器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 濾波器結(jié)構(gòu)

由圖4 可知，濾波器的通帶范圍設(shè)定在200～2 000 Hz，輸出信號幅值相對穩(wěn)定；在頻率低于200 Hz或高于2 000 Hz 的情況下，輸出信號的波幅會隨頻率的降低或升高而顯著衰減，說明所設(shè)計(jì)的濾波器對50 Hz 工頻及其諧波干擾和2 000 Hz 以上噪聲信號都有很好的屏蔽效果，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

1.4 PCB設(shè)計(jì)及抗干擾處理

為提高系統(tǒng)電路板的抗干擾能力，需添加PCB板，該板能夠有效抑制外界噪聲，PCB 板設(shè)計(jì)原則為：設(shè)計(jì)PCB 電路板時(shí)，采用直徑大于3 mm 的接地線，要求地線粗且短，確保通過印刷電路板的電流是正常電流的三倍，這些高頻元件應(yīng)用大面積銅箔進(jìn)行包裹。數(shù)字與模擬圖層盡可能地分離，高頻部分接地線與低頻部分接地線分別采用多點(diǎn)串連接地方式和單點(diǎn)接地方式。依據(jù)流入線路板的元件電流大小，使線路板內(nèi)回路電阻數(shù)最大，進(jìn)而提高線路板抗噪性。

PCB 電路部署時(shí)，盡量避免設(shè)置輸入/輸出線路，輸入/輸出線路安裝數(shù)字電路和模擬電路。二線相接于PCB 板，導(dǎo)線應(yīng)垂直或彎曲，避免平行放置，從而減少平行放置造成的線路失火問題出現(xiàn)。布設(shè)位置應(yīng)遠(yuǎn)離噪聲大、電流大的設(shè)備，并在電流上附加存儲器及邏輯控制電路，方便提高電路工作穩(wěn)定性。

在PCB 板上大面積涂銅主要有3 種效果，分別是散熱效果、阻抗降低效果、干擾信號屏蔽效果，可以有效提高電路板的抗干擾能力。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)完成管道泄漏弱信號采集、調(diào)理及存儲功能，數(shù)據(jù)處理需由上位機(jī)來完成。軟件部分設(shè)置放大器增益控制功能，通過提高信噪比，將放大后的信號幅度接近AD 轉(zhuǎn)換器的變化范圍。在數(shù)據(jù)采集之前，需先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，根據(jù)預(yù)處理程度確定放大器增益情況，設(shè)計(jì)弱信號檢測流程，并校正強(qiáng)噪聲環(huán)境下誤差，實(shí)現(xiàn)弱信號精準(zhǔn)檢測。

2.1 弱信號檢測流程設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，輸入待檢測弱信號，經(jīng)過電壓電路后，使用單片機(jī)采樣分析，系統(tǒng)工作步驟如圖5所示。

由圖5 可知，系統(tǒng)初始化后，設(shè)置系統(tǒng)初始參數(shù)，輸入含噪聲待測信號，啟動ADC 采樣，存儲樣本數(shù)據(jù)。判斷系統(tǒng)參數(shù)是否超過閾值，如果沒有則需重新調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，程序循環(huán)，直到超出預(yù)設(shè)值為止。

圖5 系統(tǒng)工作步驟

2.2 強(qiáng)噪聲環(huán)境下誤差校正

對于強(qiáng)噪聲環(huán)境下的非線性數(shù)據(jù)，要想得到線性曲線，就必須從非線性曲線圖上分別提取一個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)值，然后將相鄰的直線和各采樣點(diǎn)的數(shù)值相連接，得到一條近似直線。所以在強(qiáng)噪聲環(huán)境中，系統(tǒng)校準(zhǔn)的目標(biāo)之一就是得到模數(shù)轉(zhuǎn)換值與實(shí)際電壓值之間的線性關(guān)系。

設(shè)經(jīng)過檢測程序得到了n個(gè)電壓值V1、V2…Vn，以及采樣值g1、g2…gn。為了獲取某個(gè)測量點(diǎn)的電壓值，需先假設(shè)相鄰采集點(diǎn)為線性關(guān)系。在該關(guān)系下，某一位置的電壓值計(jì)算公式為：

式中，g表示未知值；(g0,V0)、(g1,V1)表示已知坐標(biāo)。兩邊的值均為λ，那么λ就是從g0到g與g0到g1的比值，由此完成誤差校正。

3 試 驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于非線性誤差校正的強(qiáng)噪聲環(huán)境下管道泄漏弱信號檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析。試驗(yàn)是在室溫環(huán)境下進(jìn)行的，采用Agilent DSO-X 系列設(shè)備檢測微弱信號。

測試內(nèi)容是不同幅值下系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)，強(qiáng)噪聲環(huán)境下的泄漏弱信號如圖6 所示。

圖6 強(qiáng)噪聲環(huán)境下的泄漏弱信號

由圖6 可知，強(qiáng)噪聲環(huán)境下的輸入信號在-30～30 mV 范圍內(nèi)波動。

基于此，分別使用傅里葉檢測方法、自適應(yīng)隨機(jī)共振弱信號檢測方法及非線性數(shù)據(jù)誤差校正系統(tǒng)檢測弱信號，檢測結(jié)果如圖7 所示。

圖7 3種方法弱信號檢測結(jié)果對比分析

由圖7可知，理想輸出信號在-20～27 mV范圍內(nèi)波動，使用傅里葉檢測方法輸出信號在-28～20 mV 范圍內(nèi)波動，與理想輸出信號范圍不一致；使用自適應(yīng)隨機(jī)共振弱信號檢測方法信號在-24～19 mV范圍內(nèi)波動，與理想輸出信號范圍不一致；使用非線性數(shù)據(jù)誤差校正系統(tǒng)輸出信號在-20～24 mV 范圍內(nèi)波動，在理想輸出信號范圍內(nèi)。由此可知，使用非線性數(shù)據(jù)誤差校正系統(tǒng)弱信號檢測結(jié)果更加接近理想情況。

4 結(jié)束語

為了檢測和提取在強(qiáng)噪聲環(huán)境下管道泄漏時(shí)的微弱信號，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置壓電加速度傳感器的信號檢測裝置，結(jié)合非線性誤差校正技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了弱信號的精準(zhǔn)檢測。通過相關(guān)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該系統(tǒng)檢測結(jié)果確實(shí)與理想結(jié)果更為接近。

雖然該系統(tǒng)具有精準(zhǔn)檢測結(jié)果，但在后續(xù)研究進(jìn)程中，需進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，尤其是上位機(jī)定位功能，應(yīng)優(yōu)化定位技術(shù)確定管道泄漏位置，保證系統(tǒng)能在定位范圍內(nèi)及時(shí)檢測出管道泄漏位置。