（仪器科学与技术专业论文）供水管道泄漏声信号数据采集系统研究.pdf

中文摘要 摘要 随着世界人口和经济的迅猛发展，各种原因造成的水资源浪费已成为社会经 济发展的主要制约因素之一。我国城市自来水供给系统每年因管道泄漏造成的损 失相当惊人，既浪费了宝贵的水资源也造成了巨大的经济损失。如何快速的查找 漏点，为管道工程技术人员提供有效的检漏方法和仪器，一直是从事供水管道工 作的科技人员和学者致力研究的重要目标。 本文研制了一种针对供水管道泄漏声信号的数据采集系统。根据泄漏检测定 位的需要，系统具有信号调理、数据采集和传输、u s b 通信、液晶显示等功能， 为后续泄漏检测定位的信号处理提供了必需的数据支撑。 当泄漏量较小或者检测距离较远时，泄漏信号一般都比较微弱，为了提高系 统灵敏度，噪声抑制是系统开发的重要内容。论文在分析泄漏声信号特性以及相 关定位、l m s 时延估计算法原理的基础上，通过讨论检漏时主要的噪声来源，研 究了噪声对时延估计方差的影响，给出了抑制系统电路噪声和检漏环境噪声的主 要方法。考虑到系统野外工作的特殊性，采集系统还应具有较低的功耗以延长使 用时间。 选用低功耗的单片机为主控单元，按照低噪声、低功耗的要求，提出了系统 的总体设计方案。并在此基础上完成了系统的硬件设计，包括数据采集模块设计、 电源管理模块设计以及传感器选择、主控单元配置等。由于实际采集的泄漏声信 号强度随泄漏形式、管内压力等条件不同而存在差异，且受到环境噪声影响，系 统调理电路设计时，采用带通滤波器、自动增益调节的技术手段来提高系统的泄 漏信号采集能力、减少量化误差影响。利用u s b 接口作为命令发送及数据传输的 通道，速度快，易连接。采用液晶显示器实时显示采集状态来提高系统的人机交 互能力，方便工程技术人员操作。配合硬件平台采用c 语言设计嵌入式软件，手 动建立液晶显示字模库，采用流程图的形式对软件的编程思想和程序流程进行了 详细说明。 对系统电路噪声和功耗的测试表明系统达到了低噪声、低功耗的设计要求； 对系统的滤波效果实验和a d c 有效位数实验证明系统能有效的抑制带外噪声、采 集泄漏信号。将设计开发的数据采集系统应用到自来水管网泄漏检测定位中，实 验结果表明，该采集系统能够正确有效的获取泄漏信号，满足后续泄漏检测与定 位的信号处理需求。 关键词：泄漏检测，泄漏声信号，数据采集，噪声抑制，信号调理 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ew o r l dp o p u l a t i o na n de c o n o m y , t h ew a s t eo f w a t e rr e s o u r c 船h a sb e c o m eo n eo ft h em a i nf a c t o r sw h i c hr e s t r a i nt h ed e v e l o p m e n to f s o c i a le c o n o m y e v e r yy e a r , o u rc o u n t r ys u f f e r sa na s t o n i s h i n gl o s sb e c a u s eo fw a t e r s u p p l yp i p e l i n el e a k t h ew a t e rl e a kn o to n l yw a s t e st h ep r e c i o u sw a t e rb u t a l s oc r e a t e s h u g ee c o n o m i cl o s s t h em a i nr e s e a r c hp u r p o s e o ft h ee x p e r t sw h oa l ee n g a g e di nt h e w a t e rs u p p l yp i p e l i n ej o b si st op r o v i d ee f f e c t i v el e a kd e t e c t i o nm e t h o d sa n d i n s t r u m e n t sf o r t h ep i p e l i n ee n g i n e e r s t h i sp a p e rd e v e l o p sad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o ra c o u s t i cs i g n a lo fl e a k i n gw a t e r s u p p l yp i p e s a c c o r d i n gt ot h en e e d so f l e a kl o c a l i z a t i o n ，t h i ss y s t e mh a st h ef u n c t i o no f s i g r l 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 na n dt r a n s m i s s i o n , u s bc o m m u n i c a t i o n , l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y , e t e i tp r o v i d e st h ee s s e n t i a ld a t af o rt h es i g n a lp r o c e s s i n go ft h el e a k d e t e c t i o n b a s e do nt h et h e o r e t i e a lr e s e a r c ho nt h el e a ka c o u s t i cs i g n a la n dc o r r e l a t i o n p o s i t i o n i n ga sw e l l 鼬l m st i m ed e l a ye s t i m a t i o n t h i sp a p e rs t u d i e st h en o i s ei n f l u e n c e o nt h ev a r i a n c eo f t i m ed e l a ye s t i m a t i o n , g i v e ss o m em e t h o d st os u p p r e s st h en o i s eb o t h f r o ml c a kd e t e c t i o ne n v i r o n m e n ta n ds y s t e mc i r c u i t a st h es y s t e mo f t e nc 凋t r g i e so nt h e f i e l do p e r a t i o n , t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma l s oh a sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n i nt h i sp a p e r , s c m ( s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r ) i ss e l e c t e dt ob et h em a s t e r c o n t r o lu n i t a f t e ra n a l y z i n gt h ed e m a n d so fn o i s ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n , w e p r e s e n t e dt h ei n t e g r a ld e s i g ns c h e m e o f t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a st h ea m p l i t u d eo f l e a ks i g n a li sv a r i e dw i t ht h ep i p ei n t e r n a lp r e s s u r ea n dl e a ks i t u a t i o n , b a n dp a s sf i l t e r a n dp r o g r a m m e d 群i i na m p l i f i e ra r em c dt oi m p r o v es i g n a la c q u i s i t i o na b i l i t ya n d r e d u c et h eq u a n t i z a t i o na q l o lu s bi sa d o p t e dt or e a l i z ef a s to r d e ra n dd a t at r a n s m i s s i o n l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yi su s e dt oe n h a n c et h es y s t e mm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o na b i l i t y t h ee m b e d d e ds o r w a r ei sd e s i g n e db yu s i n gcl a n g u a g e , a n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y c h a l a c t e rm o d e li se s t a b l i s h e dm a n u a l l y s o r w a r ep r o g r a m m i n gt h o u g h th a sa l s ob e e n i n t r o d a c o d t h et e s t so ft h ec i r c u i tn o i s ea n dp o w e rc o n s u m p t i o ni n d i c a t et h es y s t e mh a s a c h i e v e dt h el o wn o i s e , l o wp o w e rc o n s u m p t i o nd e s i g ng o a l t h ee x p e r i m e n t so ft h e f i l t e re f f e c ta n dt h ea d ce f f e c t i v en u m b e ro fb i t st e s t i 母t h es y s t e mo a ns u p p r e s st h e i 重庆大学硕士学伊论文 o u t - b a n dn o i s ee f f e c t i v e l y a tl a s t ，w ea p p l yt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt ot h ew a t e r p i p el e a kd e t e c t i o n ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mc a nc o l l e c tt h el e a ks i g n a l c o r r e c t l ya n dm e e tt h es i g n a lp r o c e s s i n gn e e d so fl e a kd e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o n k e y w o r d s ：l e a kd e t e c t i o n ，l e a k a c o u s t i c s i g n a l ，d a t aa c q u i s i t i o n ，n o i s e s u p p r e s s i o n ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g 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，也不包含为获得重麽太堂 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：颜小三签字日期：硼 年，月歹e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆盍堂有关保留、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。本人授权重庞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“4 ”) 学位论文作者签名：赢小云 签字日期：堋年# 月；日 聊繇衍 签字日期： 0 7 年6 月j 日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 水是宝贵的自然资源，真正可供人类使用、易于取得的淡水仅占地球水资源 的2 6 ( 约0 7 亿立方米) 。随着全球环境污染的加剧及世界人口的不断增加，水 资源的紧张局势更是不断恶化【1 】【2 1 。我国虽然是一个水资源大国，但从人均角度看， 又是一个严重缺水的国家【3 1 。据统计，我国水资源人均占有量不到2 2 0 0 立方米， 不足世界人均水资源占有量的三分之一，北方地区只有9 9 0 立方米，不到世界人 均值的八分之一。全国6 6 0 个城市当中，大约有4 0 0 多个城市缺水。根据水利部 4 ：2 1 世纪中国水供求分析，2 0 1 0 年我国工业、农业、生活及生态环境总需求水 量在中等干旱年为6 9 8 8 亿立方米，缺水3 1 8 亿立方米。这表明，2 0 1 0 年后我国将 开始进入严重缺水期。 人民的生活离不开水，供水管道作为一个国家最重要的基础设施之一，是保 障人民生活、发展生产建设不可缺少的物质基础。近二十年来，为适应我国经济 发展迅速、城市化进程发展快这一国情，自来水普及率迅速提高。根据城市发展 需要新建和改造了许多供水管网，更换了大量的老化管道，但我国的供水管道仍 然普遍存在管线长，管龄长的问题，很多管道遭受到腐蚀、磨损等自然或人为损 坏，管道事故频频发生【4 h 6 】。 据统计，目前我国大多数城市供水漏失率在2 0 3 0 之间，一些小城镇的供水 漏失率甚至达到5 0 。其中直接由于管道泄漏造成的占9 0 以上，发达国家的供 水漏失率普遍在1 5 左右【7 】嗍。表1 1 中给出了部分年份我国城市供水平均漏损率 的统计情况【9 】。 表1 1 部分年份我国城市供水平均漏损率统计 t a b l e1 1s t a t i s t i cd a t af o ra v e r a g ew a t e rl o s sr a t i oo f o u rc o u n t r y sc i t yi ns o m ey e a r s 年份1 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 漏损率( ) 8 8 6 9 71 0 9 71 1 4 41 3 0 51 5 1 41 5 6 11 6 0 71 6 7 22 1 5 由表1 1 可以看出，我国城市供水系统的漏损率总体上偏高。这意味着有相当 大一部分花了很高费用去净化处理的水，未能到达消费者那里，而是在它们流经 的地方漏失掉了。据2 0 0 3 年1 0 月在沈阳召开的全国城市节水工作座谈会暨城市 供水管网漏损控制研讨会公布的数字，我国城市供水每年漏损近1 0 0 亿吨，甚至 高于南水北调中线的输水量。每年我国城市供水行业因管道泄漏造成的直接经济 损失超过1 0 0 亿元l ”j 。 重庆大学硕士学何论文 管道漏损现象已成为供水行业普遍存在的严重问题，长时间未排除的供水管 道泄漏，除了浪费水资源造成巨大的经济损失外，还可能危害道路、桥梁以及房 屋建筑的地基从而引发灾难性事故。同时，外界环境的有害物质还可能会通过管 道的泄漏点进入管道从而危害人们的生命健康。随着水资源不足的日益严重、水 成本的不断提高和能源紧张，世界各国都将漏损控制问题作为供水行业的一项重 要课题来研究。 1 2 管道泄漏产生原因 供水管道的泄漏町以分为明漏和暗漏2 种【l 。明漏的流量一般都很大，是可 以被用户或路人发现的漏失，多为爆管事件，对周围环境及用户会产生较大的影 响。一般来讲对其处理速度都很快，虽然有较大的漏水流量，由于漏失的持续时 间不长，所以总的漏水量却不大。暗漏是指路面上看不到的管道漏水，也经常出 现。暗漏具有一定的隐蔽性，其漏失水量取决于系统的压力、运行情况、土壤情 况及管道状况等等。 管道泄漏的原因较多，各国对管网规划、设计以及安装维护的标准、措施不 同，使得各国管道发生泄漏的原因也不完全相同。对于我国的自来水供应管道， 引起泄漏的主要原因除了日常维修、保养不够之外，还有以下几方面 1 3 【1 2 】： 管道设计及选材不当 管道埋设过深、过浅，没有严格的结构计算及相应措施；管材工压选用偏低； 选用了易爆管材；大口径管道上通气阀选型、分布不当；阀门选用不当；管道支 礅、阀井设计欠妥。 管道施工质量差 管道地基处理不当；管道安装中接口坑处理不当；管道胸腔等回填质量不符 合要求；通气阀门未安装在最高点；阀门密封面受到损坏；管道试压检验不严或 未过关；管道支礅、阀井砌筑、管道接口处理不当。 管道腐蚀 管道埋在土壤中受到电化学腐蚀；土壤中的某些细菌活动对管道产生细菌腐 蚀；管道内的输送水实际是一种电解液也会对管道产生腐蚀。管道腐蚀的主要表 现方式有生锈、坑蚀、结瘤、开裂或脆化等。 环境温度变化 温度变化时产生的温变应力有可能使运行时间较长或者管径较小的管道产生 裂纹甚至断裂；气温低于零度时，土壤中空隙水冻结造成土壤体积增大，冻土层 的非均匀膨胀造成地下管道上的负荷增加。 工程施工的干扰 2 l 绪论 埋管地段道路、房屋等的改扩影响；后期平行施工的雨污水等管道扰动了水 管的基础；后期立交施工的雨、污水等管道。 特殊原因 不可抗拒的自然灾害，如地震、塌方等以及难以预料的人为损坏。 1 3 供水管道泄漏检测方法综述 用于供水管道的泄漏检测方法可大致分为3 类：简单评估技术1 4 】 1 9 1 ，专用定 位技术【2 0 1 【3 0 】和基于管道模型或统计的方法【3 i l 【3 2 1 。 1 3 1 简单评估技术 最普通的简单泄漏评估就是人为的主动观察。主动观察意味着当泄漏已经变 大到能被人们察觉到，或者因为大量的水已渗透到地表，或在水压上有明显的降 低时，泄漏才被发现。主动观察只针对于泄漏很大的情况。在大部分系统中，用 水审计【1 4 】【1 6 1 或者连续流量测量来配合主动观察 1 刀【1 8 1 。水审计包括在整个管道网络 中分离一些子网络，测量每个子网络中的流进和流出量，大约2 4 个小时为一周期。 流进流出量的差别就是未计及的水量。未计及的水量可能来自未授权的用水，不 准确的流量计，测量误差，偷水或者泄漏。连续的流量测量技术与水审计类似， 只是连续流量测量通常在一个小的子系统中，针对一个很短的时间段进行，比如 一个晚上或者两个小时。连续流量测量通常都在系统需水量最低，流量最小的午 夜进行。不过水审计和连续流量测量技术都较依赖于流量测量的准确度，因此水 审计和连续流量测量技术一般不用于检测小泄漏。 1 3 2 专用泄漏定位技术 专用泄漏定位技术能准确的确定泄漏点的位置，以便于泄漏管道的维修。常 可以分为基于声学的定位技术和非声学的定位技术。 基于声学的检漏方法 1 ) 听音技术例：听音装置一般包括听音棒和地面麦克风，可以是机械的，也 可以是电子的。它们用灵敏的机械装置或者如压电元件类的材料来检测泄漏引发 的声音或振动。现代的电子听音设备结合了信号放大器和噪声滤波器，使得检漏 效果有了进一步的提高，如图1 1 所示的电子听漏仪。执行泄漏检测时，检查员沿 着管道网络系统进行检查，用听音棒在适当的管道部件上听取因水泄漏产生的特 有的嘶嘶声。听音检测的有效性依赖于泄漏量的大小，道路交通和水牵引力等引 起的背景噪声强弱，对操作人员的经验要求较高。一般用于检测较大的泄漏，而 且存在定位不够准确的缺点，只能大致的圈定漏水范围。 3 重庆大学硕十学位论文 图1 1 电f 听漏仪 f i g1 1e l e c t r o n i cl e a kd e t c c t i n gd e v i c e 2 ) 噪声记录技术【2 i 】：噪声记录器是包含一个振动传感器( 或水听器) 和一个可 编程数据记录器的紧密单元，它被用来大面积的检测泄漏，但这种设备不适合于 定位泄漏。记录器在相邻的管道部件( 如相隔2 0 0 到5 0 0 米的消防栓和阀门) 上成组 的使用，一组大概6 个或者更多，通常把它们整夜的放置在那里。这些记录器一 般被编程在凌晨2 到4 点之间采集管道噪声数据。第二天将它们收集回来，再将 收集回来的记录器中前一天采集到的数据下载到个人电脑上。记录的数据被统计 分析( 如：泄漏噪声的频率分析) 来检测泄漏的存在。最近的噪声记录器还被长久的 使用，存储的结果通过无线方式传送到接收机，检测人员通过随身携带的电子设 备来处理泄漏噪声，如图1 2 中的漏水巡视仪。但是该类设备灵敏度比不上相关仪， 安装上也较为复杂。 图1 2 帕玛劳( p e r m a l o g ) 漏水巡视仪 f i 9 1 2 p e r m a l o n g w a t e r l e a k p a t r o ld e v i c e 3 1 泄漏噪声相关检测【2 1 - i s 5 】：第一台相关测漏仪由英国水研究中心在1 9 6 0 年 研制出。目前，基于微处理器的便携式相关仪既能检测也能定位泄漏。在管道上 的两点采集泄漏噪声( 声音或者振动) ，采集信号通过无线或有线的方式传输给相关 仪，利用两泄漏信号的最大相关时间偏移，泄漏噪声的传播速度和两测量点间的 管道距离来决定泄漏的位置。如果相关仪只作为检测模式，那么两测量点间的距 离可以从供水系统布局图上直接得到。但如果要作为定位模式，则应该就地准确 测量距离。大部分的相关仪将不同类型，尺寸的管道的经验声音传播速度放入程 4 1 绪论 序中，但为了提高定位精度，也应该就地准确测量。相关仪与听音设备相比，能 更有效的检测和定位，而且没那么依赖检测员的经验。但相关仪售价较为昂贵， 许多水司和泄漏检测服务公司还没有经济实力使用。 图1 3 英国雷迪( r a d i o l o c a f i o n ) 公司生产的m c 6 相关仪 f i g1 3m c 6c o n c l a t o rp r o d u c e db yr a d i o l o c a f i o n 非声学的泄漏检测方法 1 ) 气体追踪方法1 2 6 2 t ：这种方法是将无毒的，不溶于水的，轻于空气的气体， 如氦或氢注入供水管道的一段隔离部分。当有泄漏出现时，气体从泄漏口逸出， 由于它比空气轻，所以通过泥土和路面渗出地表。用高灵敏的气体检测仪直接扫 描管道上面的地表就能确定泄漏的位置。气体追踪方法非常昂贵，且在供水系统 中通常不是很有效的方法。 2 ) 红外热成象方法哪】：利用红外热成象技术来完成泄漏检测的原理是当水从 地下管道泄漏时，会改变邻近泥土的热特性。比如，使得邻近泥土比周围的干 散热更快。用红外扫描仪检测管道的热反常就可检测出管道泄漏。红外热成象技 术也非常昂贵，且需要经过专门培训的操作人员。 3 ) 探地雷达方法【2 9 1 【3 0 】：在这种方法中，传输和记录设备都被事先安置在管道 上方的地表上。发射天线将电磁波传入地下，从发射波和反射波之间的时间延迟 就能确定反射表面离地表的距离。探地雷达法通过两种方法来确定水的泄漏：( a ) 通过分辨由泄漏水的湍流产生的泥土空洞；( b ) 通过分辨由于泄漏引起的饱和土 壤的电介质常数增加。对于探地雷达方法的数据解释需要专门的培训和长期的经 验，而且探地雷达的检测过程不能提供供水管道状态的准确描述。 1 3 3 基于管道模型及统计方法 随着管道s c a d a ( s u p c r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统的发展，一些以 软件为基础的检测方法，特别是管道实时瞬变模型法或统计决策方法，表现出了 良好的发展前景。 5 重庆大学硕七学位论文 瞬变模型法：瞬变模型法是建立管内流体流动的数学模型，在一定边界条件 下求解管内流场，然后将计算值与管道的实测值相比较。当实测值与计算值的偏 差大于一定范围时，即认为发生了泄漏。在泄漏定位中使用稳态模型，根据管道 内的压力梯度变化可以确定泄漏点的位置【3 l 】。瞬变模型法的报警门限值与测量仪 器误差、流动模型误差、数值方法误差以及要求的报警时间有关。如果采用较小 门限值来检测更小的泄漏，那么由于以上原因导致的不确定性就会产生更多的误 报警；如果要求低的误报警率，那么所能检测到的最小泄漏必然变大。误报警率 高是瞬变模型法在实际应用中一个难以解决的问题。 统计决策法是壳牌公司开发出的一种新型管道检漏方法【3 2 1 。它使用序贯概率 比检测f s p r t ) 的方法对实测的压力、流量值进行分析，连续计算发生泄漏的概率， 并利用最小二乘法进行泄漏点定位。该方法使用统计决策论的观点较好地解决了 瞬变模型中误报警的问题，而且不用计算复杂的管道模型，降低了计算上的复杂 性。 1 4 国内外研究现状 由于各国管道工业的发展情况不同，使得各国泄漏检测技术的发展和现状也 存在很大的差异。总的说来，美国、日本和欧洲一些发达国家的管道工业较为发 达，为使管道安全运行，通过了一系列的法规，保证在进行管道规划、设计、施 工、操作及维护各个阶段都根据相应的法规采取安全措施，尤为重视对泄漏事故 的早期发现及防止泄漏扩散。他们对管道泄漏定位检测的研究起步也比其它发展 中国家早。 早在7 0 年代英国供水行业的漏失管理和控制工作就已经起步了口3 3 4 1 ，其标志 是1 9 8 0 年7 月国家水协常设委员会发布了漏失控制方法和实践的报告，论述 漏水控制工作的内容、方法和对策。美国水协会( a w w a ) 在1 9 7 6 年成立了检漏 专业委员会。日本水道协会( j w w a ) ，也专门对漏损控制进行研究，而且部很重 视测漏仪器设备的开发和生产【2 ”。1 9 6 0 年英国水研究中心开发了世界上第一台相 关检漏仪，但其体积非常庞大，实用性很差。经过十多年的开发和研究，英、美、 法、日相继研制成功了实用性很强的轻型检漏仪【2 ”。9 0 年代初期又研究了利用水 传声的相关检漏仪，提高了检漏设备的检漏叮靠性和准确性【2 8 1 。另外在8 0 年代中 期，美国、日本开还发了探地雷达，主要是利用无线电波对漏水情况进行检测， 并用图像显示漏水点周围的情况，从而实现漏水点的精确定位。英国b r i s t o l 电子 公司开发一种浮球测漏法；德国采用模式识别技术根据泄漏信号强度来测定泄漏位 置口9 1 。近年来，欧洲宅间局对卫星通信系统的用户进行定位时，开发了一种信息 处理技术，人们从中得到启发，利用数学技术，诸如浑沌理论为基础的算法，以 6 1 绪论 及使用神经网络和模糊逻辑方法来分析数据，测定地下水管的泄漏位置，而且这 些方法可以在较为廉价的计算机上开发运行。在发达国家，漏损控制工作己成为 一个系统的工程，在工作层次、科学研究、供水计划、经济分析和实施手段等方 面互为补充；在测漏技术、仪器开发、管材及施工方法也得到全面改进；在技术 方面则常根据不同条件使用不同方法，同时采用多种手段以保证取得良好的检漏 效果。 在我国，从上个世纪八十年代后期开始对管道泄漏检测进行研究。如文献 3 5 1 3 6 1 ( 1 9 8 7 ，1 9 9 3 年) 研制了利用泄漏噪声沿管壁传播的信号进行相关分析的 检测仪器。文献 3 7 1 ( 1 9 9 4 年) 探讨了强噪声环境下地下管道泄漏噪声的检测方法， 采用了频谱分析技术提取信号相关特征，并使用了专门的数字处理芯片，研制出 便携式应力波法泄漏检测仪。文献 3 8 1 ( 1 9 9 7 年) 研究管道泄漏后形成多相湍射流 所引发的应力波在管壁中的传播机理，提出了一系列特征提取指标，首次将神经 网络技术引入了应力波泄漏检测领域。经过多年的努力，在国家自然科学基金和 政府科学计划以及企业科技改造和科技创新基金的资助下，我国虽然开发出了一 些实用化的、针对特定类型管道泄漏检测的仪器系统【3 9 1 - 4 ”，但总的来说由于我国 对管道泄漏检测的研究起步较晚，基础较为薄弱，一般都是针对特定的一段管线 开发的检测系统，在成型的产品中，和国外的产品相比，技术相对落后，实用性 不够强。 目前来看，基于振动和声音信号相关算法的相关检漏技术仍是管网泄漏定位 检测技术的主流，英国一家相关仪制造商甚至声称：随着最新传感器和数据处理 技术的应用，没有哪处漏水是他们的相关仪找不到的 4 2 1 。当然其它一些方法和技 术也在探索和研究之中【4 3 4 4 1 。但大多仍处于理论仿真或者特定管道的实验阶段， 没能进行较好的实际应用。 1 5 课题研究意义及主要内容 在我国，由于多数供水设施陈旧、管道腐蚀、人为破坏、技术水平提高缓慢、 管理体制等问题使得我国城市供水管网漏损率还远达不到( 2 0 0 0 年供水行业规划 目标所规定的8 目标，距国外发达国家的先进水平还有很大的差距。各地供水 公司一直在开展漏水调查工作，配备有简单的仪器设备，以管道事故抢修为主， 漏水调查靠老工人的经验，多数单位管道漏水控制效果不好。 最近几年由于国内经济环境和市场管理机制的改善，国内有关用水、节水政 策措施的颁布，管道泄漏问题逐渐受到各级政府和各地供水公司的重视，国外成 熟的漏水调查技术与设备进入国内市场，为开展漏水调查工作提供了良好的条件。 各地有较好经济条件的供水公司相继引进了一些发达国家的先进漏水检测设备， 7 重庆大学硕士学位论文 比如日本、英国、德国等国家的听漏仪、相关检测仪、雷达检测仪和流量计等设 备，并根据自身状况成立了相应的检漏队伍，专门从事漏水控制工作，取得了一 定的效果。但总体上看和发达国家还是有一定的差距，检漏技术人员较少，专业 技能较低，对先进设备的引进和使用也没有很好消化，工程经验不足，虽有先进 的仪器设备也无法达到应有的效果。而且由于国内外在管道材料及铺设工艺上的 差别，使得这些仪器在国内的实际检测过程中效果并不是特别理想，因此迫切的 需要研发具有自主知识产权、符合我国国情、先进的检漏设备。 本论文的主要研究工作是在调研论证并参照国内外同类设备特点的基础之 上，通过分析泄漏声信号特性和泄漏检测中噪声对漏点定位检测的影响，开发一 个低噪声、低功耗的便携式供水管道泄漏声信号数据采集系统，作为供水管网泄 漏检测仪器的数据采集单元，并对所设计的供水管道泄漏卢信号数据采集系统进 行了性能测试和实际管道实验，验证了其可靠性和实用性。主要研究内容包括以 下几个方面： 研究泄漏卢信号的传播特性、频率特性，分析相关定位技术以及l m s 时 延估计算法的原理，为系统设计打下理论基础。 讨论系统检漏时主要的噪声来源，分析噪声对漏点定位的影响以及时延估 计时对采集到泄漏信号的信噪比要求，指出抑制检漏环境中噪声和系统电路噪声 的主要方法。 合理设计系统硬件的总体结构，在满足功能要求的前提下，按照低噪声、 低功耗的要求进行传感器、主控单元以及元器件的选型。利用低功耗的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机作为主控核心模块，完成供水管道泄漏声信号数据采集系统的硬件设计。 整个硬件设计包括数据采集、电源管理、液晶显示、u s b 通信等模块的设计。 设计单片机嵌入式软件，介绍系统软件的开发流程及整体结构，采用流程 图的形式对各模块的程序流程和设计思想进行了详细说明。 在完成系统的p c b 板制作、系统调试以及样机生产的基础之上，对系统的 电路噪声水平和功耗进行了测试。验证了系统中滤波器的滤波效果，绘制了频域 响应曲线，并对系统a d c 的有效位数进行了测试。 将系统应用到供水管网泄漏检测中，通过实地的管道实验，对系统在长距 离、短距离以及突发干扰情况下的测试效果进行了验证，证实了本文开发系统的 实用性。最后进行了漏点定位的误差来源分析，提出了改进建议和设想。 2 系统设计的理论基础 2 系统设计的理论基础 2 1 引言 对于管道泄漏声信号数据采集系统，必须首先分析泄漏声信号的特性，并了 解系统最终的定位原理，从而为系统的总体设计提供理论基础。泄漏声信号特性 与管道漏点特征、管道材质、管道直径、管道流体流量和压力等因素有关【2 8 】。当 某处管道发生破损时，压力水从管道裂口向外喷射，水与管道裂口缝隙间的摩擦 产生振动形成喷射声；压力水冲击埋层的土质，瓦砾等形成地面的微弱振动产生 声音：有时管道裂口振动还会引起管道其它部位的附加扰动，压力水冲击管道周 围的空隙还会引起水流回旋式的振动。这就使得泄漏声信号比较多变而且复杂。 通过分析漏水声的形成机理，可以将泄漏声分为漏水口摩擦声、冲击声和介质碰 撞声三种【4 ”，如图2 1 所示。 求和管道摩擦声、! ：! ：i i 够石块等的撞击声 榔馘臌声心能刳啜酽 乏二二二二二二里二二二二) 水管 漏水口摩擦声是指喷出管道的水与漏水口摩擦产生的声音。该摩擦声沿管道 向远方传播，传播距离与管材、管径、接口及漏水口尺寸有关；冲击声是指喷出 管道的水与周围介质撞击产生的声音。该撞击声以类似于漏斗的形式，通过土壤 向地面传播，因此可以在地面用检漏仪听测到；介质撞击声是指喷出管道的水带 动周围介质( 如砂粒、石块等) 相互碰撞摩擦产生的声音，其频率较低，一般只 有把听音棒插入地下漏水口附近才能听测到。 在利用相关仪进行检漏时，传感器都是布置在管道或者布置在与管道相连的 消防栓、阀门上，主要获取的是沿管道传播的漏口摩擦声，而沿土壤传播的冲击 声以及介质碰撞声并不是主要关心的内容，因此文中提到的泄漏声信号主要是指 漏水口摩擦声。 9 重庆大学硕士学伊论文 2 2 泄漏声信号特性分析 2 2 1 泄漏声信号传播特- 性 无论是液体( 如水、油等) 还是气体( 如煤气、天然气等) ，在管道的泄漏处都 会因向外喷射作用而形成振动声波，我们称其为泄漏声信号。该信号的频率往往 不是单一的，可用如下数学模型来描述【2 8 ： s ( f ) = a j c o s ( o ： ( 2 1 ) j = l 式中q 第i 个频率q 成分的振幅； n 频率成分的个数。 在泄漏信号的n 个频率中，有一个主要频率，设为，它对应的振幅a 。是最 大的。为了研究方便，且不失一般意义，略去其它次要频率成分，则式( 2 1 ) 可 改写成： s ( f ) = a oc o s m o t ( 2 2 ) 因为泄漏信号s ( t ) 是以一定速度v 从泄漏点向周围传播的，假设泄漏信号传播 到p 点所需时间为f ，则： r ：尘 v ( 2 3 ) 这里n 表示从泄漏点到p 点之间的距离。若在p 点设一个测漏传感器，那么 接收到的泄漏信号比泄漏点处的信号要滞后一段时间f ，这样p 点的泄漏信号为： 昂( f ，p ) = a 0c o s o j o ( ) = a 0c o s 0 9 0 i t - 尘i lj ( 2 4 ) 考虑到泄漏信号在传播过程中，周围介质对它的能量会产生一定的吸收或衰 减作用，且这种衰减作用与传播距离r p 有关，故式( 2 4 ) 可改写为： s p ( f ，p ) = 即一所c o s ( o o it - - 尘l ( 2 5 ) l”j 式中口周围介质对泄漏信号的衰减系数。 泄漏信号在管道中的衰减与管道的材质、管道的半径有关，但与压力关系不 大【4 5 1 。一般情况下，钢管的连接形式为焊接，漏水声在钢管中的传播能量消耗小， 衰减较慢；铸铁管道的连接形式一般为承插式，橡胶圈连接，漏水声在铸铁管道 中的衰减要比钢管快；漏水声在钢筋混凝土管中的传播能量消耗更大，衰减比铸 铁管道更快。因此泄漏声信号在管道中的衰减率一股为：钢管 铸铁管 钢筋混凝 土管。 泄漏卢信号的传播特性中，声速也是一个十分重要的参数，获得准确的泄漏 声信号传播速度是影响漏点定位准确度的关键因素之一，声信号在管道上的传播 速度会随管道材质、壁厚、内径大小的不同而变化，有时管道的声速也会随着管 1 0 2 系统设计的理论基础 道使用年限的增加而减小，或者随不同制造商生产的相同材料的管道而变化。通 常在实际测试时，会根据具体的所测管道，采用查找经验声速表的方式来获得声 信号的传播速度。不同铸铁管道的经验声速表，如表2 1 所示。 表2 1 不同铸铁管道上声音传播速度经验值 ! ! ! ! ! ：! 坠巴竺! 型! ! ! ! ! ! ! ! 塑! ! 塑垫坐壁! ! 型型鲤12 1 鬯 材质等级1材质等级i o 内径壁厚声速内径壁厚速度 ( m m ) ( n u n ) ( m s )( 衄) ( n a n ) ( m s 1 1 0 0 7 5 1 2 5 01 0 06 11 2 9 1 1 5 08 31 0 2 5球1 5 06 31 2 4 3 铸2 0 09 21 1 7 3墨2 0 06 a 1 2 0 1 铁2 5 01 0 0 1 1 4 6 铸 2 5 06 81 1 7 1 管3 0 0 1 0 81 1 2 5 铁 3 0 07 21 1 4 8 道4 0 0 1 2 51 0 9 5管4 0 08 11 1 1 3 4 5 01 3 31 0 8 2道5 0 09 0 1 0 8 7 5 0 01 4 21 0 7 4 6 0 09 91 0 6 7 6 0 01 5 81 0 5 68 0 01 1 71 0 3 9 7 0 01 7 51 0 4 41 0 0 01 3 5 1 0 1 9 2 2 2 泄漏声信号频率特性 泄漏声信号的频率特性比较复杂。大多数对泄漏声信号频率特性的研究都是 采用实验的方法【蛔m ，比如o s a m ah u n a i d i 等人利用实验的方法采集了管道接口 泄漏和管道直观泄漏时的信号，通过比较管道背景噪声和泄漏信号两者的频率成 分，对自来水塑料管道的频率分布进行了研究【删。针对国内自来水管道中铸铁管 使用普遍的现象，我们通过宽带采样对不同口径的铸铁管道漏损声信号进行了实 验分析，认为铸铁管道漏损声信号主要频率成分集中在2 k h z 以下，并得到了一些 有益的结论。在实际对管道进行漏损监测时，泄漏声信号的特征还和泄漏量的大 小，漏点离传感器的距离，传感器类型，以及管道接v i 等相关1 4 7 。另外，检漏环 境的噪声也会对泄漏声信号造成干扰。 总的来说，漏损声信号的频带范围并不一定是完全固定的，不同学者得到的 结果会稍有差掣8 】，m 。【4 引。这主要是由于各学者研究用的实验管道、实验环境以及 漏水情况等都不同所造成。在设计数据采集系统时，滤波器的截止频率最好采用 可编程的方式来设定，以满足不同检漏情况的需要。 重庆大学硕士学付论文 2 3 相关定位原理 供水管网泄漏检测定位仪器是采用相关分析原理进行定位的。在一个信号相 对于另一个信号有延迟的情况下，比较2 个信号之间的相似性来估计时间差，从 相关波峰得到信号的时间延迟量，从而计算出漏点位置 4 9 】【5 0 1 。不失一般性，设漏 点和2 个传感器的布置位置在同一平面上，地下管道泄漏点的位置坐标为( x 。，y 0 ) ， a 和b 两个测漏传感器所在点的坐标分别为( x 。，l ) 和( z 。，) ，如图2 2 所示。 图2 2 相关定位示意图 f i g2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o r r e l a t i o np o s i t i o n i n g 根据式( 2 5 ) ，a 和b 两个传感器接收到的泄漏信号分别为 叩帆。 r 一等 印慨。愕 地面 水管 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 中，和分别为a 、b 两个传感器至泄漏点的距离， 由于传感器布置在管道上，接收到是沿管道传播过来的信号，因此和白应为漏 损声信号沿管道传播的距离，而不是传感器离漏点的直线距离。如图2 2 中，要注 意加上消防栓到管道之间的这段距离，那么 和分别为： = ( x o x ) + ( l k ) ( 2 8 ) r a = ( x b x o ) + ( k k ) ( 2 9 ) 那么s 。和& 两个泄漏信号的相关函数为： r ，0 ) = f s 。o ，_ 声。o + t ， ( 2 1 0 ) 由于s 。和s 。为三角函数，根据自相关函数基本性质，积分仅在一个周期内进 行即可，设泄漏信号的周期为t o = 2 z c o 。，那么将式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 代入式( 2 1 0 ) 后， 可得： 1 2 2 系统设计的理论基础 州班盹+ r j ) 。l - 钊c o s 卜钊 s i n c o 。j 尘兰一tk ( 2 1 1 ) = 口0 2 口砒+ ，j ) j - l 年 s i i l 0 i 尘玉一f f 由上式可知，两泄漏信号的相关函数是由一个s i n c 函数与一个参数的乘积构 成。s i n c 函数的极大值可表示为： s i n c m 。= l i 理里坚 ( 2 1 2 ) 所以自相关函数的极大值对应着： 。 孚一扣 l v l ( 2 1 3