（仪器科学与技术专业论文）供水管道泄漏检测信号采集系统研究.pdf

中文摘要摘要为减少水资源浪费，提高检测效率，在供水管网泄漏控制工程中需要采用专门的泄漏检测定位仪器。应用嵌入式技术和虚拟仪器技术构建的供水管道泄漏检测及定位仪器系统，采用现代传感器技术、信号调理技术和数字信号处理技术构成灵活可调的、开放式的仪器系统，能够满足多种工程实际应用条件，性能指标较传统仪器有较大改善。针对供水管道泄漏信号幅度低，动态范围大，频率分布因管道材质等情况的不同而异，受噪声污染严重等特点，本文研究具有低噪声、低功耗特性，采集参数动态可调的管道泄漏信号采集系统。该系统以单片机为核心，包括内装i c 的加速度传感器、信号调理模块、数据采集模块、数据传输模块、液晶显示模块和电源管理模块，c p u 可根据泄漏信号特征的变化调整信号调理参数。采集器设计了带通滤波器，抑制外界噪声；设置了增益可编程控制放大器，增加动态范围。电阻、集成放大器等选择低噪声器件，降低电路噪声，提高采集信号的信噪比。从软硬件两方面对采集系统进行低功耗设计，以适应管道泄漏检测的野外操作环境。为提高漏点定位精度，需增加采集时间和a d c 转换位数，这将导致数据量急剧增大，而采集系统存储容量有限，为解决该矛盾，提出一种传感信号采集中的误差受控压缩算法。为适应泄漏信号特征多变的情况，根据各段信号的自相关系数动态调整梯度预测器的系数；通过改进最大步长均匀量化器降低量化噪声；采用g o l o m b r i c e 编码算法对量化后的预测误差序列进行编码。根据采集器前端噪声水平确定压缩误差参数的上限，进而获得压缩比的上限。算法在泄漏检测定位中的应用表明，压缩比达2 6 3 时，压缩后重构信号漏点定位误差增加量小于0 2m 。本文在充分认识和分析供水管道泄漏信号特征的基础上，采用嵌入式系统实现泄漏信号采集系统。数据采集单元的动态范围为7 0d b ，滤波器通频带为2 0 0 2 0 0 0h z ，对5 0h z 和2 5 0 0h z 噪声的抑制能力分别为3 5d b 和6 0d b 。在泄漏信号采集过程中进行误差可控数据压缩，确定了不影响信号处理结果前提下压缩误差参数和压缩比的上限。大量实际泄漏检测实验表明，研发的供水管道泄漏信号采集系统工作有效、稳定、可靠，具有方便携带、低噪声，低功耗等特点，满足管道泄漏检测定位要求。关键词：泄漏检测定位，数据采集，嵌入式系统，误差受控压缩英文摘要a b s t r a c ti no r d e rt or e d u c ew a t e rl o s sa n di m p r o v et h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c y , s p e c i f i cl e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o ni n s t r u m e n t sa r en e e d e di nt h ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e ml e a k a g ec o n t r o le n g i n e e r i n g al e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o ni n s t r u m e n ts y s t e mi sb u i l tb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ；a n di ti n c o r p o r a t e sm o d e r ns e n s o rt e c h n o l o g y , s i g n a lc o n d i t i o n i n gt e c h n o l o g y , a n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y d u et ot h ef l e x i b i l i t ya n do p e n n e s so ft h ew a t e rp i p e l i n el e a kd e t e c t i o ni n s t r u m e n ts y s t e m ，i tc a ns a t i s f yv a r i o u sp r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，a n di t sp e r f o r m a n c ei sh i g h l yi m p r o v e d c o m p a r e dw i mt h et r a d i t i o n a lo n e s t h el e a ks i g n a l sh a v el o wa m p l i t u d e ，w i d ed y n a m i cr a n g e ，a n df r e q u e n c yc o n t e n t sv a r yw 铷ht h ep i p em a t e r i a l sa n dt h ep r a c t i c a ls e t t i n g s m e a n w h i l e t h el e a ks i g n a l sa r em i x e dw i t ha m b i e n tn o i s e s c o n f r o n t e dw i t ht h e s ec h a l l e n g e s ，al e a ks i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hs h o u l dh a v el o wn o i s e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n db ea d j u s t a b l ea c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ls e t t i n g si sa n a l y z e da n dd e s i g n e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h em c ub a s e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc o m p r i s e ss i xm o d u l e s ：a c c e l e r a t i o ns e n s o r se m b e d d e dw i mi c s s i g n a lc o n d i t i o n i n g , d a t aa c q u i s i t i o n , d a t at r a n s m i s s i o n , l c dd i s p l a y , a n dp o w e rm a n a g e m e n t t h es i g n a lc o n d i t i o n i n gp a r a m e t e r sc a nb ea d j u s t e dr e l a t i v et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e a ks i g n a l s ab a n d - p a s sf i l t e ri sd e s i g n e dt os u p p r e s sn o i s e s ap r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e ri sa d o p t e dt ow i d e nt h es y s t e md y r m m i cr a n g e l o wn o i s er e s i s t e r sa n da m p l i f i e r sa r es e l e c t e dt or e d u c et h en o i s e so fs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t s l o wp o w e rc o n s u m p t i o nd e s i g ni sa d o p t e dt om e e tt h ed e m a n do fi ns i t uo p e r a t i o no f w a t e rp i p e l i n el e a kd e t e c t i o n i no r d e rt oi m p r o v el e a kl o c a t i o na c c u r a c y , i ti sn e c e s s a r yt oi n c r e a s et h ed a t al e n g t ha n db i t s ，w h i c hl e a d st oas h a r pr i s eo fd a t aa m o u n t a nf i l l o rc o n s t r a i n e dd a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h mf o rs e n s i n gs i g n a la c q u i s i t i o ni sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m t oa c c o r dw i t ht h ev a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so f l e a ks i g n a l ，t h ec o e f f i c i e n t so f t h eg r a d i e n tp r e d i c t o ra r ed y n a m i c a l l ya d j u s t e dr e l a t i v et ot h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t so fd a t as e g m e n t s ；t h eu n i f o r mr e s i d u eq u a n t i z e ri si m p r o v e dt or e d u c eq u a n t i z a t i o nn o i s e ；a n dt h eg o l o m b r i c ec o d i n ga l g o r i t h mi sa d o p t e dt oe n c o d et h eq u a n t i z e dp r e d i c t i o nr e s i d u a ls e q u e n c e t h eu p p e rb o u n d so fc o m p r e s s i o ne r r o ra n dc o m p r e s s i o nr a t ea r ed e t e r m i n e di nt e r m so ft h en o i s el e v e lo ft h es y s t e mf r o n te n d a p p l i c a t i o n so nl e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o ns h o wt h a t ，a tac o m p r e s s i o nr a t eo f2 6 3 ，t h ea d d i t i o n a ll e a ki l l重庆大学硕士学位论文l o c a t i o ng r r o rt ot h er e c o n s t r u c t e ds i g n a l si sl e s st h a n0 2m w i t hs u f f i c i e n ta n a l y s i so fl e a ks i g n a l s ，t h i st h e s i sd e s i g n st h el e a ks i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do ne m b e d d e dm i c r op r o c e s s o r t h ed y n a m i cr a n g eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o nu n i ti s7 0d b t h ep a s s - b a n do f t h ef i l t e ri s2 0 0 2 0 0 0h z ，h e n c et h en o i s e sa t5 0a n d2 5 0 0h za l er e j e c t e dt o 一3 5d ba n d 一6 0d br e s p e c t i v e l y e r r o rc o n s t r a i n e dd a t ac o m p r e s s i o nd u r i n gl e a ks i g n a la c q u i s i t i o ni sp r o p o s e d ，t h eu p p e rb o u n d so fc o m p r e s s i o ne r r o ra n dc o m p r e s s i o nr a t ea r ed e t e r m i n e d l o t so fl e a kd e t e c t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a t , t h es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mf o rl e a kd e t e c t i o no fw a t e rs u p p l yp i p e l i n e sw o r k se f f i c i e n t l y , s t a b l y , a n dr e l i a b l y i ts a t i s f i e st h ed e m a n d so f l e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o nw i t l li t sl o w - n o i s e , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , a n dp o r t a b l ef e a t u r e s k e yw o r d s ：l e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o n , d a t aa c q u i s i t i o n , e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o r ,e r r o rc o n s t r a i n e dd a t ac o m p r e s s i o n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：石莲端签字日期：跏7 r 年一钼口争日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密() ，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密( ) 。( 请只在上述一个括号内打“”)学位论文作者签名：乃熬岛签字日期：加7 年争占月，伯导师签名：签字日期：1 绪论1 绪论1 1 研究意义淡水资源短缺是全球关注的问题。联合国世界水资源开发报告第二版称，目前全球仍有l l 亿人口没有充足的饮用水，大约2 6 亿人口缺乏基本的卫生设施，这些人属于世界最贫困的人口，其中一半以上生活在中国和印度。光明日报报道，如不采取有力措施，预计2 0 2 5 年全世界将有近1 3 的人口无法获得安全的饮用水。我国是世界上1 3 个贫水国家之一，中国青年报发表文章称，中国以全球淡水资源的7 支撑全球2 1 的人口，且水资源地区分布极不平衡，占国土面积6 3 5 的长江以北地区水资源量仅占全国的1 9 。严峻的缺水形势和超量开采地下水已经导致了水位下降、地面下沉、海水倒灌、耕地盐碱化等生态环境问题。就全国来讲，水资源短缺已成为制约经济社会发展的重要因素。与此同时，水资源浪费非常严重。我国由于历史原因，城市长期实行公益性供水，供水价格低于成本，供水企业依靠政府补贴维持经营，自身缺乏设备、管网等固定资产的维护和更新能力，供水管网老化、漏损严重。据全国城市供水管网改造近期规划( 2 0 0 6年- - 2 0 0 7 年) 统计，2 0 0 4 年我国供水管网长度3 5 8 4 1 0 公里，城市供水总量4 9 0亿立方米，用水普及率达8 9 ，管网漏损率却在2 0 以上，仅北京市年漏水量就超过一亿吨。小城市管网漏损率最高，主要原因是供水设施水平较低、计量管理不完善；特大型城市管网漏损率也很高，这与供水管网密度大、管道较长和老城区管网老化有判”。管道泄漏浪费了大量水资源，建设部仇保兴副部长在2 0 0 6 年8 月2 2 日的新闻发布会上表示，如果我国城市管网漏损率达到国际先进的7 一9 ，则节约的水量就相当于南水北调中线全部的调水量，可为国家节省上千亿元资金。管道泄漏造成经济损失的同时，还会造成严重的社会影响：管道长期泄漏，会冲刷道路和建筑物基础，引发道路塌陷和建筑物跨塌，或在建筑施工时发生塌方事故；大量泄漏会导致管网压力下降，造成用户断水；管网失压时，漏点周围的污物和细菌有可能通过漏点进入管道，造成水质污染。大力发展管道泄漏检测定位技术，具有良好的经济效益和社会效益。传统的管道泄漏检测定位方法需在夜间操作，劳动强度大，工作效率低，且漏点定位精度受人为因素和噪声环境的影响严重。随着现代信号处理技术和仪器技术的发展，以相关仪【2 h 5 】为代表的泄漏检测仪器得到了广泛应用。英国，德国，瑞士，美国等推出了不同型号的相关仪，国内泄漏检测定位仪器的研发起步较晚，目前我国泄漏检测仪器主要依靠进口，随之而来的问题主要有：国内管道的材质、埋设环境、压力、内部结垢等情况不同于国外管道，进重庆大学硕士学位论文口产品不能完全适应国内管网的特点和实际环境，性能下降；进口产品价格昂贵，且操作人员培训、产品维护、软件升级等后续投入很大，国内供水企业经济承受能力有限，特别是漏水严重的中小型城市，对进口产品只能望而却步；如果国内没有同等技术水平，国外企业很容易设置技术壁垒，我国在参与国际竞争时将处于被动局势。中国加入w t o 以后，水务市场向全世晃开放，特别是第五届世界水大会在北京召开，将有更多的国际水务集团竞争中国市场。为提高自身竞争力，改变我国泄漏检测仪器主要依靠进口的现状，扭转我国在国际竞争中的不利局势，开发具有自主知识产权的供水管道泄漏检测定位仪器非常必要，具有广阔的市场前景。1 2 传统管道泄漏检测定位方法传统的管道泄漏检测方法主要依靠操作人员通过听音设备判断管道泄漏状态，当“不间断夜流量检测”法【6 】发现某片区管道发生泄漏时，工作人员首先用听音设备直接在管道暴露点( 如阀门、消防栓及暴露的管道等) 听取管道泄漏引起的振动，确定漏水管道，缩小检测范围。初步确定漏水管段后改由听音设备沿管道走向以一定距离逐点比较泄漏信号强度，距离漏点位置越近，信号越强，在泄漏发生处泄漏信号强度达到峰值。传统管道泄漏检测常用的听音设备有听音棒、电予听漏仪等。听音棒的一端带有振动板，使用时将听音棒的尖端置于管道的暴露位置，入耳听取由棒体传播的管道振动信号，以此判断泄漏点在测量点的上游还是下游，并估计漏点位置。听音棒有木棒和金属棒两种，木棒由于声音较小目前使用不多，金属棒还在供水企业中广泛应用，但漏点定位精度主要取决于操作人员的专业技能和实践经验。电子听漏仪由拾音器、滤波器、放大器和耳机组成，可在一定程度上抑制背景噪声，放大有用信号。拾音器在使用时被置于管道暴露位置，泄漏信号经放大滤波后传入耳机，以供操作人员判断漏点位置。与昕音棒相比，电子听漏仪增加了信号选频和放大功能，性能有所提高，但仍依靠工作人员判断漏点位置，工作效率和定位精度的提高有限。传统管道泄漏检测定位方法对操作环境要求较高，要等到夜深人静时实施操作，泄漏检测定位精度主要依赖于操作人员的实践经验，劳动强度大，检测效率低，漏点定位精度差，当供水管网需要大规模巡检时，工作量急剧增大。21 绪论1 3 现代管道泄漏检测定位方法随着现代信号处理技术的发展，互相关算法 7 h 9 1 、神经网络【1 0 h 1 2 1 等信号处理方法应用于管道泄漏检测定位，开发出以相关仪为代表的泄漏检测定位仪器。相关仪通过计算机处理泄漏信号，判定漏点位置，摆脱了对操作人员经验的依赖，降低了对环境噪声的要求，可在白天使用，无需开挖路面。且泄漏检测过程不影响管道正常运行，不影响居民、工厂和消防设施供水状况，可避免经济损失保障消防安全。传感器。了哨防栓1地面h 采集器出埋地管道图1 1 漏点定位示意图f i g 1 1s k e t c ho f l e a kl o c a t i o n相关检测定位原理如图1 1 所示，供水管道泄漏引起的泄漏信号以速度v 向两侧传播，传感器1 、2 距离漏点位置分别为厶、厶，信号到达两传感器的时间差即时间延迟为d ，相关仪根据两路信号的相似性找到相关函数的峰值点，即可确定时延d ，从而确定漏点位置。漏点距离传感器1 的距离厶为：厶= t l - v d( 1 1 )目前国外从事管道泄漏检测定位研究的主要有加拿大国家研究中心( n a t i o n a lr e s e a r c hc o u n c i l ) 1 3 h 1 4 l ；英国南安普顿大掣1 5 h 1 9 1 等。生产泄漏信号相关仪的企业有英国雷迪公司，代表产品为m c 6 、m c 7 型相关仪；瑞士g u t e r m a n n 公司，代表产品为a q u a s c a n9 0 0 ；美国f l o wm e t r i x 公百- - - 2 0 ，代表产品为d i g i c o r r l i i 相关仪；英国b a d c o m 公司；德国s e b a 公司；德国f a s t 公司等。国外产品存在的采集参数设置不符合我国复杂的管网体统，且价格昂贵，我国中小型城市的供水企业难以承担。抛开价格因素，国外产品对操作人员的技术水平要求较高，而国内供水企业对操作人员的技术培训和产品维护不够重视，造成进口仪器难以正常发挥工作性能，甚至部分仪器被闲置。重庆大学硕士学位论文国内从事管道泄漏检测研究的高校有北京大学1 2 1 】 捌，南京理工大掣2 3 h 2 4 1 ，清华大掣2 卯，吉林大学【2 6 】等，但其研究成果均在模拟管道上得出，其中最长的管道只有6 0m ，最短的1 5m 。泄漏检测定位实验使用长度过短的模拟管道存在的问题主要有两点：首先，模拟管道结构简单，环境单一，而实际管道的材质、管径、敷设时间、埋设条件、外界环境等条件千差万别，泄漏信号特征也随之变化，模拟管道泄漏信号与实际运行的管道泄漏信号存在特征差异，在模拟管道上得出的研究成果有待于结合实际管道进一步深入。其次，检测距离过短会降低检测仪器的实用性。随着城市的发展，越来越多的管道采用埋地敷设方式，暴露在地面的阀门、管井、消防栓间距离少则一百米，多则两、三百米，泄漏检测距离过短将导致仪器无法检测实际管道泄漏。1 4 管道泄漏信号采集系统的研究现状如图1 2 所示，管道泄漏信号相关仪由传感器，数据采集单元和执行相关运算、判断漏点位置的主机构成，采集器与主机通过有线或无线通信方式传输数据。图1 2 泄漏信号相关仪的基本结构f i g 1 2b a s i cc o n f i g u r a t i o no f l e a ks i g n a le o r r d a t o r管道泄漏信号可由水听器或振动传感器拾取。水听器在检测塑料管道泄漏产生的低频信号时更有效，压电加速度传感器在检测铸铁管道泄漏时效果也较好【l ”，安装更方便。北京大学【2 l 】采用水听器拾取泄漏引起的应力波，南京理工大学1 2 4 1 、吉林大学【冽采用压电传感器拾取泄漏引起的管道振动信号。数据采集单元主要完成传感信号的调理、数据采集、数据存储以及与主机间的数据通信等功能。目前数据采集单元主要由m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i 0 或d s p( d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 开发。m c u 又称微控制器，是指把中央处理单元( c p u ) ，存储器( r a m 瓜o m ) ，输入输出接口( ) ，计数器定时器等功能部件集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。m c u 因具备可靠性高、易扩展、控制能力强、体积小，价格低等特点广泛应用于仪器仪表等专用设备的智能化管理及过程控制等领域。d s p 即数字信号处理器，内部采用程序总线和数据总线分开的哈佛结构，具41 绪论有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的数字信号处理指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法。d s p 为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础，已经广泛应用于高速自动控制、通信技术、语音处理、网络设备等领域。m c u 和d s p 各有所长，用户可根据功能需要、技术基础和使用偏好等选择。国外产品的泄漏信号采集器多由m c u 或d s p 开发，国内的南京理工大学采用数据采集卡和m c u 开发的采集器实现泄漏信号采集功能，北京大学、吉林大学采用d s p 开发泄漏信号采集器。数据采集单元与主机间的通信方式多种多样，主要包括无线电通信【2 7 】、以太网通信脚】、红外线通信【3 】、蓝牙通信、r s 2 3 2 串口通信【2 8 1 和u s b 通信等。红外线和蓝牙传输距离较短；r s 2 3 2 速度低，在很多方面的应用正逐步被u s b 取代；无线电通信方式是多家公司选用的通信方式，技术成熟，但无线电传输容易受干扰，数据容易丢失，限制了采集数据的动态范围和频率范围。u s b 接口具有即插即用、速度快、传输可靠和可同时支持多个外设等优点，但传输距离限制在5 米以内【。以太网通信可以实现远程数据传输，这对长距离埋地管道泄漏检测具有重要意义。目前国外泄漏信号采集器的问题主要是采集参数根据国外管道设定，不完全适应我国复杂的供水管网系统，且对操作人员的技术水平要求较高，而国内采集器的主要问题是实用性不够。1 5 本课题的主要研究内容为减少水资源浪费，提高检测效率，在供水管网泄漏控制工程中需要采用专门的泄漏检测定位仪器。而传统的管道泄漏检测定位方法检测效率低，漏点定位精度依赖人的经验；进口的泄漏检测仪器价格昂贵，采集参数针对国外管道设置，不完全适应我国复杂的供水管网系统，且对操作人员的技术水平要求较高；而国内高校的研究成果实用性有待加强。应用嵌入式技术和虚拟仪器技术构建的供水管道泄漏检测及定位仪器系统f 州3 1 1 ，采用现代传感器技术、信号调理技术和数字信号处理技术构成灵活可调的、开放式的仪器系统，能够满足多种工程实际应用条件，性能指标较传统仪器有较大改善。针对管道泄漏信号的特征和泄漏检测定位对采集信号高信噪比的要求，本文设计具有低噪声、低功耗、采集参数可根据信号特征的变化调整的泄漏信号采集系统。研究工作将从以下几个方面展开：研究供水管道泄漏信号的特征，包括信号的产生机理、幅度范围、频率特性、传播特性、噪声和干扰特性等。比较已有的泄漏检测定位算法，分析影响漏点定位精度的因素。根据泄漏信号特征选择传感器，从抗干扰，可靠性，可扩展性，适合野外操作等方面考虑，完成数据采集系统的c p u 选型，根据泄漏信号特征制定信号调重庆大学硕士学位论文理方案，提高采集信号的信噪比。比较现有通信方案，制定数据采集单元与主机间的通信方式，完成数据采集系统硬件设计及软件流程。采集系统实现后，测试系统的基本参数。在实际供水管道上做泄漏检测定位实验，分析噪声对漏点定位精度的影响。综合现有的数据压缩算法，结合泄漏信号特征和数据采集单元处理能力，设计一种可以在数据采集过程中对采集样本进行压缩的低复杂度的压缩算法。62 供水管道泄漏信号特征及泄漏检测定位原理2供水管道泄漏信号特征及泄漏检测定位原理2 1 引言供水管道发生泄漏时，水在压力作用下从管道泄漏处向外喷射，水与管壁摩擦引起管道振动，该振动携带漏点信息，沿管道传播。在泄漏点两端布置数据采集单元采集泄漏信号，通过时延估计算法确定两路信号到达两采集单元的时间间隔，再结合两采集单元间的距离和振动沿管道传播的速度确定漏点位置。实际管道情况复杂，泄漏信号幅频特性变化较大，且操作现场噪声环境恶劣，开发泄漏检测定位系统时需充分认识管道泄漏信号特征，参考已有的时延估计算法选择有效的泄漏定位算法，分析影响时延估计方差的因素，提高时延估计精度，从而提高漏点定位精度。2 2 管道泄漏信号特征2 2 1幅频特征管道泄漏信号的幅度变化范围很大，影响泄漏信号幅度的因素主要有漏孔形状、管道压力、泄漏量和信号传播距离等。管壁裂缝、腐蚀引起的泄漏信号幅度高于管道接口和阀门处泄漏信号的幅度：漏孔形状相同时，管道压力越大泄漏信号越强；相同压力、漏孔形状情况下，泄漏量越大泄漏信号越强；而管道断裂、错位等情况泄漏信号非常弱。泄漏信号在传播过程中能量不断衰减 3 2 】，接口、阀门、内部结垢严重的老管道对信号幅度的衰减作用明显，故检测距离越远，管道接口、阀门越多，敷设时间越长，信号幅度越低。在如图2 1 所示的铸铁管道上进行实验，采用如图2 2 所示的消防栓放水模拟管道泄漏。管道直径2 0 0 姗，消防栓开口直径1 0m i l l ，将传感器布置在消防栓开口不远处，避免泄漏信号特征在传播过程中改变，调节开口大小，即可改变泄漏量。图2 3 和2 4 为不同泄漏量时泄漏信号的时域波形和功率谱，可见管道开口相同的情况下，泄漏量越大泄漏信号能量越大，而信号频率分布基本不变。7重庆大学硕士学位论文图2 1 实验管道f i g 2 1p i p e l i n ef o re x p e r i m e n t so0 2口0 1喜星。呈00 1图2 2 消防栓放水模拟泄漏f i g 2 2r e l e a s ew a t e rf r o mh y d r a n tt os i m u l a t el e a k a g e( a )图2 3 小泄漏量信号的时域波形和频谱( a ) 时域波形( b ) 频谱f i g 2 3t i m ed o m a i nw a v e f o r ma n df r e q u e n c ys p e c t r u mo f s m a l ll e a k a g e( a ) t i m ed o m a i nw a v e f o r m ( b ) f r e q u e n c ys p e c t r u m(a)(”图2 4 大泄漏量信号的时域波形和频谱( a ) 时域波形( b ) 频谱f i g 2 4t i m ed o m a i nw a v e f o r ma n df r e q u e n c ys p e c t r u mo f l a r g e l e a k a g e( a ) t i m ed o m a i nw a v e f o r m( b ) f r e q u e n c ys p e c t r u m82 供水管道泄漏信号特征及泄漏检测定位原理泄漏信号的频率分布因管道材质、直径、漏孔形状不同而异。管道材质的杨氏模量越低泄漏信号频率越低，如塑料管道泄漏信号频率分布在5 0h z 【”】以内，而铸铁管道泄漏信号频率较高，分布在2 0 0 - 2 0 0 0h z 之间。管壁裂缝、腐蚀引起的泄漏信号频率高于管道接口和阀门处泄漏信号的频率。在外界噪声较小、没有突发干扰的情况下，泄漏信号可视为平稳信号，频率分布基本不随时间改变，如图2 5所示。管道参数变化，外界环境变化都会引起泄漏信号的频率分布，如图2 5 和2 6 所示的两路信号，频率分布明显不同。-bx o ( b )( c )图2 5 泄漏信号的频谱和时频谱( a ) 时域波形彻频谱( c ) 时频谱f i g 2 5f r e q u e n c ys p e c t r u ma n dt i m e - f r e q u e n c ys p e c t r u mo f l e a ks i g n a l( a ) t i m ed o m a i nw a v c f o r mc o ) f r e q u e n c ys p e c t r u m ( c ) t i m e - f i e c l u e n c ys p c c f f u m9重庆大学硕士学位论文i j上_i i i 山05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0f r e q u e n c y h zco)(c)图2 6 泄漏信号频谱和时频谱( a ) 时域波形( b ) 频谱( c ) 时频谱f i g 2 6f r e q u e n c ys p e c t r u ma n dt i m e - f r e q u e n c ys p e c t r u mo f l e a ks i g n a l( a ) t i m ed o m a i nw a v e f o r m ( b ) f r e q u e n c ys p e c t r u m ( c ) t i m e - f r e q u e n c ys p e c t r t l m2 2 2 噪声特征泄漏信号幅度很低，而管道泄漏测试现场噪声和干扰情况却很严重。除去采集系统内部电路噪声，区别于泄漏信号的噪声和干扰主要包括：供水管网系统内部噪声，如用户正常用水；高压线缆发出的5 0h z 工频噪声及其谐波；交通噪声；施工噪声；测试现场其它噪声。信号源噪声与泄漏信号叠加，会降低信号的信噪比，影响漏点定位精度；工频噪声及其谐波幅度大、持续时间长、周期性强，会对泄漏信号产生调制作用，可能导致数据采集失败，无法进行泄漏检测定位，即使采集到的数据可用，仍会使相关函数产生周期性，严重降低定位精度；被视为突发干扰的交通噪声和施工噪声强度大、持续时间短，会大幅降低信号的信噪比，破坏信号的平稳性，使相1 087654321o富三五e2 供水管道泄漏信号特征及泄漏检测定位原理关函数产生严重畸变p 3 1 ，降低漏点定位精度，甚至使系统产生误判，故需在信号采集阶段予以处理。图2 7 为包含突发干扰的泄漏信号，图中表现为峰值突然增大、持续时间较短的一段信号，在时频谱上表现为频率分布突然发生变化，频率范围充满整个频带。o 0 1 5i “”垂0呈。i j 山1 1 l l u l l jl l”i 甲叩t 1 r 1_n 1 t t t ，叩( a )嘞图2 7 泄漏信号中的突发干扰( a ) 时域波形( b ) 时频谱f i g 2 7b u r s ti n t e r f e r e n c e si nl e a ks i g n a l( a ) t i m ed o m a i n w a v e f o r m ( b ) t i m e - f r e q u e n c ys p e c t r u m2 3 管道泄漏检测定位原理2 3 1互相关时延估计泄漏定位原理管道泄漏检测的基本原理为：管道发生泄漏时，水在压力作用下与管壁摩擦，并伴随着泄漏处气穴的破裂，进而在泄漏处形成振动，该振动通过管壁传播。数据采集单元采集到该振动信号后，将数据传输至主机。主机利用相关分析确定不同传感器输出信号间的延时，根据传感器的几何布局和振动的传播速度定位漏点。对泄漏信号建立如下模型：j 工i ( ) = s o ) + ，l l o ( 2 1 )i x 2 ( f ) = 球占o + d ) + ，1 2 0 )、其中五( f ) 和x 2 ( f ) 分别表示两个采集单元采集的信号，j o ) 为泄漏信号，? 1 1 ( f ) 和1 1 2 ( f ) 为加性噪声，s ( f ) 、? 1 1 ( f ) 、n 2 ( f ) 两两互不相关，d 为两传感器采集到的泄漏信号时间延迟，c t 表示泄漏信号由于传输距离不同造成的不同能量损失。假设置( f )和x a t ) 为零均值平稳随机信号，则互相关函数定义为氏( f ) = 研而( t ) x 2 ( t + r ) d t 】( 2 2 )因己假设s ( t ) 、啊( f ) 、n 2 ( f ) 两两互不相关，有重庆大学硕士学位论文r 。( f ) = 氏。( f )( 2 3 )互相关函数尺。( f ) 在f = d 处有明显的极大值，因此由r 2 x l x ：( r ) - r 关系曲线的峰值位置就可以确定d 值，从而确定漏点位置。广义互相关在相关处理前加了一对滤波器( 神和日：( c o ) 3 4 ，因互相关函数与互功率谱密度傅立叶变换对，有1 一氏；：( r ) = 寺【( ) e 扣d c o( 2 4 )其中只。( 叻为_ ( f ) 和屯( f ) 的互功率谱。信号而( f ) ，x 2 ( f ) 经滤波后，广义互相关函数为l 一瓯( f ) = 去f 。；( 功( 功e ”d c o其中矿。( c o ) = h 1 ( 妫日：( ) 为广义频域加权函数。频域加权的作用有两点：一是抑制带外噪声，提高信号带宽内的信噪比；二是将信号白化，突出相互函数的峰值，改善时延估计结梨1 8 1 。广义互相关的关键问题是频域加权函数的选择，但y 。( 回) 选择的有效性依赖于对信号和噪声先验知识的了解程度。而泄漏信号和噪声的特征随管道参数、泄漏现场环境等的不同而异，选择不同的滤波函数，可能导致不同的时延估计结果，或者滤波参数选择不当，造成有用信号被滤除，导致定位不准甚至误检。2 3 2自适应时延估计泄漏定位原理广义互相关算法虽然降低了噪声对时延估计结果的影响，但仍然需要了解信号和噪声的统计特征。而实际情况是管道泄漏信号和噪声的统计特性都是不确定的，也是随着实际管道和工作环境的变化而变化的，这种情况下，自适应时延估计算法表现出优越性。自适应滤波器由参数可调的数字滤波器和自适应算法两部分组成。算法是指调节自适应滤波系数的步骤，以达到在所描述准则下的误差最小化。自适应滤波器含有两个过程，即自适应过程和滤波过程。前一过程的基本目标是调节滤波系数彬，使有意义的目标函数或代价函数f ( ) 最小化，滤波器输出信号y ( k ) 逐步逼近所期望的参考信号为( 七) ，由两者之间的估计误差e ( k ) 驱动某种算法对滤波( 权)系数进行调整，使滤波器处于最佳工作状态以实现滤波过程。所以自适应过程是一个闭合的反馈环，算法决定了这个闭合环的自适应过程所需要的时间 h 3 6 1 。1 22 供水管道泄漏信号特征及泄漏检测定位原理图2 8l m s 自适应时延估计算法原理f i g 2 8l m sa d a p t i v et i m ee s t i m a t i o na l g o r i t h ml m s ( 最小均方误差) 自适应时延估计算法原理如图2 8 所示，其权系数向量w = 【降二，矿，+ l ，】1 ( t 表示转置) ，x ( 后) = 【五( | 一p ) ，五( 膏一p + 1 ) ，_ ( 后+ p ) 】7为离散信号而 ) 组成的向量，长度为2 p + l ，滤波器的误差为e ( _ | ) = x a k ) - w 1 ( 七) x ( 七)( 2 6 )根据最小均方自适应算法w ( 七十1 ) = w ( k ) + p e ( k ) x ( k )( 2 7 )式2 7 中，是一个控制收敛速度与稳定性的常数，称之为收敛因子，取值应满足0 1 。f 越大说明放大器内部噪声越严重。对于级联放大器，如果已知每级放大器的噪声系数，其总的噪声系数可根据弗里斯( f r i i s ) 公式计算阽e + 等k + 最k k + + 隶k k ：鼍k s ，-1，_l，1 63 供水管道泄漏检测信号采集系统设计其中f 为放大通路总的噪声系数，e 表示第n 级放大器的噪声系数，k 。表示第n 级放大器的额定功率增益。由式3 5 可知，级联放大器中各级的噪声系数对总噪声系数的影响不同，越是前级影响越大。故在电路的低噪声设计中，前置放大器的器件选择和电路设计非常关键。3 2 2 数据采集单元低噪声设计在时延估计算法中输入信号的信噪比是影响泄漏检测定位精度的重要因素。为了放大传感器输出信号，需使用放大器，然而放大器自身也是噪声源，这就要对数据采集单元进行低噪声设计，降低放大器自身的噪声，防止信号在放大过程中被污染。设计低噪声放大电路的主要内容包括选择低噪声元器件，噪声匹配，干扰抑制等工作【拍j 。选用低噪声元器件电阻器：l 矿噪声占电阻噪声的主要部分，故主要根据l 矿噪声的大小选用电阻器。一般金属膜电阻的噪声指数比碳膜电阻噪声指数低很多，故放大电路选用金属膜电阻。三极管：场效应管比晶体管输入阻抗高，噪声系数低，是低噪声设计的首选有源器件。集成放大器：选择低噪声的轨对轨( r a i l t o r a i l ) 器件。轨对轨是指运算放大器的输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值，可扩大动态范围，提高电路性能，这在低压电路中尤为重要。噪声匹配i!置巳i厂、vfi：()ie：q ()!：j( a )嘞图3 2 放大器的噪声等效电路( a ) 实际电路等效电路f i g 3 2t h en o i s ee q u i v a l e n tc k c m to f a m p l i f i e r( a ) o r i g i n a lc i r c u i t ( ”e q u i v a l e n tc i r c u i t前置放大器可由图3 2 ( a ) 表示，巳表示被测信号电压，r ，表示传感器输出内阻。把电阻和放大器用噪声模型代替，可得图3 2