井文照

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，中國(guó) 上海 201306)

0 引言

水資源作為不可替代的自然資源，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活中占有重要地位。而我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，因此，節(jié)約和保護(hù)水資源，減少浪費(fèi)對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)尤為重要。據(jù)《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒2013年》統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)城市供水管道總長(zhǎng)度達(dá)54.6 億公里，供水總量約為440 億立方米，而供水漏損量將近70 億立方米，漏損率達(dá)到了15.9，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)家要求的標(biāo)準(zhǔn)[1]。供水行業(yè)因漏損而造成的直接損失就達(dá)70 億元。為了更好的利用水資源，世界各國(guó)很早就開(kāi)展了漏損檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備的研究、開(kāi)發(fā)工作。目前的檢漏方法有大地濕度檢測(cè)法、升壓法、紅外線照相法、探地雷達(dá)等。本文采用的是相關(guān)算法對(duì)管道進(jìn)行檢漏。與以上方法相比，相關(guān)法更加快捷方便。

供水管道泄漏發(fā)生后，由于管道內(nèi)外的壓力差，水流經(jīng)過(guò)漏點(diǎn)時(shí)會(huì)形成渦流，會(huì)使管道發(fā)生振動(dòng)而產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波會(huì)沿著管道壁向管道兩端傳播，此時(shí)，在管道兩端安裝兩個(gè)壓電式加速度傳感器，接收從泄漏處傳過(guò)來(lái)的應(yīng)力波信號(hào)。通過(guò)泄漏聲波信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間差則可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置[2]。

1 相關(guān)算法原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 定位原理

泄漏聲波信號(hào)是由流體激發(fā)的連續(xù)并且穩(wěn)定的信號(hào)，沒(méi)有明確的起點(diǎn)和終點(diǎn)，所以，應(yīng)用一般的方法無(wú)法計(jì)算出兩個(gè)傳感器的時(shí)間差。相關(guān)分析法的實(shí)質(zhì)是計(jì)算兩路時(shí)延信號(hào)間的相似程度，就是根據(jù)一路信號(hào)以及相對(duì)于這路信號(hào)有時(shí)延的信號(hào)的相似性來(lái)計(jì)算這兩路信號(hào)的時(shí)間差，從相關(guān)波形的波峰可得出時(shí)間延遲量。從而實(shí)現(xiàn)泄漏位置的定位[3]。定位原理如圖1 所示。

圖1 管道泄漏定位原理圖

泄漏點(diǎn)到傳感器A、B 的距離分別為L(zhǎng)A、LB，被測(cè)管道總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其中，L=LA+LB。聲波信號(hào)沿管道傳播的速度為V，其大小與管道材質(zhì)、內(nèi)徑及管道壁厚度等參數(shù)有關(guān)。泄漏噪聲沿管道傳播到A 點(diǎn)與B 點(diǎn)的時(shí)間差為：

其中，Δt 為根據(jù)相關(guān)算法求出的時(shí)間延遲量。

1.2 相關(guān)算法

如圖1 所示，設(shè)傳感器A、B 接收到的信號(hào)信號(hào)分別為x(t)和y(t)。建立數(shù)學(xué)模型，如下式：

式中：s（）t 為泄漏源信號(hào)，假設(shè)泄漏處管道供水的壓力和泄漏口徑大小不變，則此信號(hào)為平穩(wěn)過(guò)程；

α 為衰減因子；

D 為延遲時(shí)間；

r1、r2為噪聲。

假設(shè)噪聲信號(hào)和源信號(hào)是零均值、高斯分布、互不相關(guān)的隨機(jī)變量，對(duì)于有限的信號(hào)采集時(shí)間t，則互相關(guān)函數(shù)為：

使Rxy（τ ）達(dá)到最大值的τ則為時(shí)間延遲量。

在實(shí)際計(jì)算的Rxy（τ ）過(guò)程中，需要將x（t ）和y（t ）離散化為x（k）和y（k）。則離散信號(hào)x（k ）和y（k ）的互相關(guān)函數(shù)為：

式中：K 為總采樣點(diǎn)數(shù)；

k 為第k 個(gè)采樣點(diǎn)；

m 為延時(shí)的點(diǎn)數(shù)。

使式（5）達(dá)到最大值的m 的值即為時(shí)間延遲量。假設(shè)m=m0時(shí)，式（5）取得最大值，則時(shí)間延遲量Δt=Tm0。其中，為時(shí)間間隔。根據(jù)式（1）即可計(jì)算出泄漏點(diǎn)位置[4]。

2 LabVIEW 設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用LabVIEW 軟件編寫(xiě)的程序作為上位機(jī)，完成泄漏信號(hào)的存儲(chǔ)與分析。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。將兩個(gè)加速度傳感器分別安裝在一段供水管道的兩端，將信號(hào)輸出端連接到電荷放大器，對(duì)微弱的電荷進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅⑤敵鲭妷盒盘?hào)；用嵌入式開(kāi)發(fā)板對(duì)電荷放大器的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行采集，并進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換和信號(hào)預(yù)處理，最后通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB 接口傳輸 給PC 機(jī)上的LabVIEW；在LabVIEW 上編寫(xiě)程序，對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和互相關(guān)分析，根據(jù)分析結(jié)果求得時(shí)間延遲量，最終實(shí)現(xiàn)泄漏位置的定位。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）開(kāi)發(fā)的可以與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口，它本身不具有儀器編程能力，而是調(diào)用底層的驅(qū)動(dòng)程序的高層的API，可以控制VXI、串口、USB 和GPIB 等儀器。

本設(shè)計(jì)使用LabVIEW 的VISA 來(lái)控制USB 設(shè)備以實(shí)現(xiàn)與嵌入式設(shè)備的通信與數(shù)據(jù)傳輸。如圖3 所示。使用VISA Configure Serial Port.vi 對(duì)串口進(jìn)行配置，設(shè)置其波特率為115200、數(shù)據(jù)比特為8 位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位、1 個(gè)停止位等；VISA Open.vi 用來(lái)打開(kāi)VISA 資源名稱(chēng)所指定設(shè)備的會(huì)話句柄；VISA Read.vi 從指定設(shè)備或接口中讀取指定數(shù)量的字節(jié)，“字節(jié)總數(shù)”端口用來(lái)設(shè)置指定數(shù)量的字節(jié)，“讀取緩沖區(qū)”端口輸出通過(guò)串口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，此端口與Write To Spreadsheet File.vi連接，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入指定的電子表格文件；VISA Close.vi 在讀取完成后將打開(kāi)串口關(guān)閉。設(shè)置完成后，運(yùn)行程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)。

圖3 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)框圖

最后對(duì)采集的數(shù)據(jù)作互相關(guān)分析。如圖4 所示。由于采集了兩路信號(hào)，分別存儲(chǔ)在不同的文件中，所以使用兩個(gè)Read From Spreadsheet File.vi 讀取兩個(gè)文件中的數(shù)據(jù)，在輸出端連接波形圖顯示控件，運(yùn)行程序時(shí)輸出數(shù)據(jù)的波形；同時(shí)，將Read From Spreadsheet File.vi 的輸出端連接到Cross Correction.vi，對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，并輸出互相關(guān)分析后的波形圖。最后，根據(jù)波形圖中的波形數(shù)據(jù)，計(jì)算出時(shí)間延時(shí)量。

圖4 互相關(guān)分析程序框圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)利用LabVIEW 編程產(chǎn)生模擬信號(hào)來(lái)模擬兩路壓電式加速度傳感器采集的泄漏聲波信號(hào)。如圖5、圖6 所示。

圖5 模擬傳感器1 采集的泄漏聲波信號(hào)

圖6 模擬傳感器2 采集的信號(hào)。兩路模擬信號(hào)的采樣頻率為1000HZ，采樣點(diǎn)數(shù)為1000。其中，信號(hào)2 采集比信號(hào)1 有200 個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)的時(shí)延，由采樣頻率可以得出有0.2s 的時(shí)間時(shí)延。

圖5 模擬信號(hào)1

圖6 模擬信號(hào)2

對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，得到如圖7 所示波形圖，根據(jù)相關(guān)算法原理，在相關(guān)波形的波峰得到信號(hào)的時(shí)間延遲量，由圖可知在采樣點(diǎn)200 處取得峰值。可以得出模擬信號(hào)2 比模擬信號(hào)1 延遲了200采樣點(diǎn)。根據(jù)采樣頻率可計(jì)算出時(shí)間延遲量為0.2s，與模擬信號(hào)的延遲量相吻合。故有較高的精確率，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 互相關(guān)分析

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了供水管道泄漏定位的一種方法，并且使用LabVIEW編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)相關(guān)函數(shù)算法，能夠準(zhǔn)確估計(jì)時(shí)間延遲，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，有比較高的精確度。通過(guò)設(shè)計(jì)虛擬儀器進(jìn)行信號(hào)處理和分析是一條切實(shí)可行的途徑。

［1］中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部[Z].中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒，2013.

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