古尚賢 郭天葵 高棱 李海松 黃俊森

摘 要：基于Labview，采用聲信號(hào)的互相關(guān)算法，開發(fā)了一套能夠用于自來水管漏水處定位的虛擬儀器系統(tǒng)。初步試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)兩傳感器放置在水管道兩側(cè)的距離達(dá)到7.0m，本系統(tǒng)對(duì)自來水管漏水處漏點(diǎn)的定位相對(duì)偏差能控制在1%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：Labview；互相關(guān)；漏點(diǎn)定位

引言

地下管道漏水是對(duì)寶貴水源的浪費(fèi)，不僅增加了自來水成本，而且還額外地增大了供水設(shè)施的投資費(fèi)用[1]。世界多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都對(duì)供水管道檢測(cè)和修復(fù)技術(shù)非常重視，并很早就進(jìn)行了積極研究。20世紀(jì)70年代英國(guó)水研究中心率先研究出了一種便攜式的相關(guān)檢測(cè)儀，然后，一些其他歐美國(guó)家也相繼研究出類似的供水管道檢測(cè)裝置，并開始用于城市供水管道檢測(cè)中。近年來隨著中國(guó)城市的迅速擴(kuò)展，城市供水管道也迅速增加，這導(dǎo)致國(guó)內(nèi)漏水檢測(cè)技術(shù)的需求也越來越多。

目前對(duì)管道檢漏的方法主要有：地面聽音法、閥栓聽音法、相關(guān)檢漏法、漏水聲自動(dòng)檢測(cè)法和分區(qū)檢漏法等，它們有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)[2]。

Labview是NI公司推出的一款非常實(shí)用已經(jīng)廣受推崇的虛擬儀器開發(fā)軟件，僅僅需要傳感器和數(shù)據(jù)采集卡的硬件支持，就可根據(jù)不同的應(yīng)用需求快速編制開發(fā)出理想的測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)[3]。為此，本研究嘗試基于Labview開發(fā)了一套能夠用于自來水管的虛擬檢漏儀，其以壓電式加速度傳感器撿拾泄露水聲信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，然后采用互相關(guān)分析算法處理數(shù)據(jù)，從而定位出水管漏水處的位置。

1 互相關(guān)分析法測(cè)漏原理

圖1為互相關(guān)分析法測(cè)漏原理圖。A、B分別為安放在管道上的兩個(gè)傳感器，O為漏水點(diǎn)，LA、LB分別為A、B兩傳感器到漏水點(diǎn)O的距離，L為A、B兩傳感器之間的距離。假設(shè)漏水聲從O處經(jīng)由管道傳播到A、B兩處的傳輸時(shí)間分別為tA、tB， 它們之間的差值△t，聲波在管道壁中的傳播速度為V，則可由式（1）對(duì)漏水點(diǎn)進(jìn)行定位。

圖1 管道測(cè)漏原理圖

LA=（L-V×△t） / 2 （1）

△t 即可采用互相關(guān)分析法對(duì)A、B兩傳感器撿拾到的聲信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算得到。假設(shè)xA（t）、xB（t）分別為兩傳感器撿拾到的聲信號(hào)，則它們之間的互相關(guān)函數(shù)可由式（2）計(jì)算。

（2）

式中，？子為相關(guān)時(shí)間，當(dāng)相關(guān)函數(shù)取最大值時(shí)，則該最大值所對(duì)應(yīng)的相關(guān)時(shí)間即等于式（1）中的△t。

2 基于Labview的虛擬儀器

圖2給出了基于Labview的地下水管漏水定位系統(tǒng)的虛擬儀器界面，界面可直接從時(shí)域和頻域去實(shí)時(shí)顯示兩傳感器撿拾到的漏水聲信號(hào)，并可根據(jù)觀察到的信號(hào)頻譜圖，在界面中直接輸入濾波的頻段，對(duì)漏水聲進(jìn)行有效濾波，以得到可用于互相關(guān)計(jì)算的有用聲信號(hào)。漏水定位測(cè)試前，先可對(duì)兩傳感器對(duì)于漏水聲信號(hào)傳輸時(shí)間的一致性進(jìn)行檢查，其傳輸時(shí)間差能夠用于修正后續(xù)定位測(cè)試△t，還可通過傳感器測(cè)出漏水聲在管壁中的傳播速度，漏水定位測(cè)試時(shí)，可取多段漏水聲信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析計(jì)算，得到的多個(gè)△t再取平均值，用于漏水聲的定位計(jì)算。

3 漏聲定位測(cè)量試驗(yàn)

測(cè)試裝置主要有兩個(gè)加速度傳感器、一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，一根帶有漏水孔的測(cè)試鐵管，計(jì)算機(jī)以及Labview軟件，加速度傳感器采用PCB IMI 603C01加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集卡是采用專門為加速度計(jì)和擴(kuò)音器測(cè)量設(shè)計(jì)的NI 9234 C系列模塊，NI 9234能夠以51.2kS/s的采樣速率，同時(shí)采集四個(gè)模擬輸入通道。

通過對(duì)漏水聲的頻譜觀察，以及已有的研究結(jié)果，可以取300-2500Hz作為漏水聲的主要頻率區(qū)間，并用于試驗(yàn)中漏水聲的濾波。

3.1 傳感器一致性測(cè)試

由于兩個(gè)傳感器的性能不會(huì)完全相同，為了減小不同傳感器帶來的傳輸時(shí)間的差異，定位測(cè)試前，先將兩個(gè)傳感器置于鐵管同一位置，分別距離漏水點(diǎn)20cm、40 cm、60 cm、80cm處，分別測(cè)量漏水聲音到兩個(gè)傳感器的傳播時(shí)間差異，記錄5次，結(jié)果如表1。由表1可知兩個(gè)傳感器在同一漏點(diǎn)傳聲過來，在傳播時(shí)間上有些許差異，總的差異平均值可取為-0.032ms，這在后續(xù)漏水聲的定位測(cè)量中需要用來對(duì)△t 進(jìn)行修正。

表1 傳感器一致性測(cè)試

3.2 管壁聲速測(cè)量

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要測(cè)量漏水聲在管壁的傳播速度，分別使傳感器在管道同側(cè)相隔10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm，測(cè)量5次，抵消傳感器一致性影響后，計(jì)算得出聲音在管壁的傳播速度基本穩(wěn)定在1080m/s左右，這一測(cè)量結(jié)果與同類研究[4]中所提到的管道聲速值是相接近的。

3.3 漏點(diǎn)定位

將一個(gè)傳感器放置在漏點(diǎn)一側(cè)0.8m處，另一個(gè)傳感器分別放置在漏點(diǎn)的另一側(cè)0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、3.2m、6.2m處，隨機(jī)多組測(cè)量，抵消探頭一致性影響后，計(jì)算得出漏點(diǎn)距第二個(gè)傳感器的距離，對(duì)自來水管漏水處進(jìn)行定位，如表2所示。

表2 管道漏點(diǎn)定位

由表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著兩傳感器測(cè)試點(diǎn)距離的增加，測(cè)量得出數(shù)據(jù)的結(jié)果與實(shí)際距離的相對(duì)偏差越來越小，裝置的定位精度也隨之更加準(zhǔn)確，在第二個(gè)傳感器距離泄露點(diǎn)0.6m的范圍內(nèi)漏點(diǎn)定位相對(duì)偏差仍超過2%以上?？梢灶A(yù)見，當(dāng)兩測(cè)試點(diǎn)距離大于7.0m，漏點(diǎn)定位相對(duì)偏差可以控制在1%以下的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

本裝置創(chuàng)新性地將水管檢漏問題與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合起來，利用Labview虛擬儀器軟件，將傳統(tǒng)儀器測(cè)量的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^編寫程序利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

初步試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)放置在漏點(diǎn)兩側(cè)的兩傳感器距離較小時(shí)，定位系統(tǒng)對(duì)于地下自來水管爆裂處漏點(diǎn)的定位相對(duì)偏差較大些，而當(dāng)兩傳感器距離達(dá)到7.0m之后，定位系統(tǒng)對(duì)自來水管爆裂處漏點(diǎn)的定位相對(duì)偏差誤差就可以控制在1%以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]馬保松，曾聰，楊晨光.中國(guó)城市地下生命線工程的現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].非開挖技術(shù)，2007，24（3）：159-162.

[2]熊小冬，胡澍，張健雄.管道檢漏與檢漏儀器[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1996，4：59-62.

[3]劉其和，李云明. Labview虛擬儀器程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2011，4.

[4]楊進(jìn)，文玉梅，李平.自來水鑄鐵管道泄漏聲信號(hào)頻率特征研究[J].應(yīng)用聲學(xué)，2006，25（1）：30-37.