基于虛擬儀器的管道泄漏檢測技術研究

張天剛，侯曉云

（中國民航大學，1.航空自動化學院；2.機場學院，天津 300300）

基于虛擬儀器的管道泄漏檢測技術研究

張天剛1，侯曉云2

（中國民航大學，1.航空自動化學院；2.機場學院，天津 300300）

采用虛擬儀器技術，設計了一套基于相關分析技術的自來水管道泄漏檢測及定位系統，并對其軟、硬件方案進行了設計，并進行了大量的實驗，驗證了系統的可行性和準確性。

管道；泄漏；檢測和定位；虛擬儀器

為了提升自來水管道系統安全運行管理水平，研制開發泄漏監測技術具有重要意義。利用軟件和虛擬儀器技術，結合現有的管道泄漏檢測定位方法，能有效地提高泄漏檢測定位的精度和可靠性，同時具有更好的適應性。

1 檢漏系統性能的評價

建立管道泄漏監測系統，及時準確報告泄漏事故的范圍和程度，可以最大限度地減少經濟損失和環境污染及更大危險的發生，對一種泄漏檢測方法優劣或一個檢漏系統性能的評價，應從以下方面加以考慮[1～2]。

（1）準確性。泄漏發生后，能夠準確地測報出泄漏，不致因為操作失誤和設備故障等因素發出誤報警。

（2）靈敏性。檢漏系統能檢測出管道泄漏的大小范圍，主要是多少的泄漏量能夠發出正確的報警提示。

（3）實時性。理想的檢漏系統能夠在泄漏發生后，實時地檢測出泄漏的發生，以便操作人員即刻采取行動，減少損失。

（4）定位精度高。長輸管道穿越距離長，檢漏系統要能夠提供給操作人員準確的泄漏點位置，以使維修人員盡快達到漏水點，進行補修作業。

（5）易維護性。檢漏系統裝置維修調整容易。

（6）性價比。性價比是指系統建設、運行及維護的花費與系統所能提供性能的比值。

本文采用虛擬儀器技術，設計的一套基于相關分析技術的自來水管道泄漏檢測及定位系統，能有效地提高泄漏檢測定位的精度和可靠性。

2 泄漏點定位系統的總體構成

系統總體結構示意圖如圖1所示，系統由安裝于泄漏點兩側的A、B壓電傳感器，前置放大器，數據采集卡，工控計算機等組成。

圖1 泄漏檢測系統總體結構圖

泄漏聲信號經傳感器轉換成電信號，送給前置放大器進行放大、濾波，之后送到數據采集卡進行信號的連續采集，并存儲到計算機的硬盤中，供定位分析軟件處理。在整個定位系統的構成中，基于虛擬儀器技術的定位軟件是系統的核心。

3 系統硬件的選擇

3.1 傳感器

由于信號所處的背景比較復雜，信號強度也由于泄漏的程度而差別甚大，往往要求系統既要有足夠的靈敏度，又要有很大的動態范圍，所以采用了高靈敏度的壓電式傳感器。為了適應實際應用環境，傳感器一端帶有磁鐵，可以吸附在鐵質自來水管壁上[3]。

3.2 信號調理電路

因采集到的信號，是存在于外部復雜環境下的聲音信號，初始采集的信號品質較差，需對其進行預處理后，方可進入后續處理，以便得到更為準確的結果。聲音信號經壓電式傳感器轉換為電信號后，直接在傳感器部分進行放大，這樣可以有效提高系統的信噪比。信號調理電路的功能框圖如圖2。

圖2 信號調理電路的功能框圖

在儀器的數據采集模塊中，模擬調理電路總是不可或缺的。如果由傳感器接收到的信號是一個幅值很小的微弱信號，則在進行A/D轉換之前，需要進行放大、濾波、隔離等一些預處理，這樣才能保證采集信號的有效性和可行度，并對后續的A/D轉換器起到一定的保護作用。模擬調理電路的功能框圖如2所示，主要包括低噪聲放大電路、濾波電路和光耦隔離放大電路等。

前置低噪聲放大器，是微弱信號檢測系統中一個重要組成部分。系統可檢測的最小信號，取決于低噪聲放大器的噪聲系數。因此，在研制低噪聲放大電路時，應始終著眼于低噪聲這個關鍵指標，來進行分析設計電路。對放大器的其他非噪聲指標，如放大器增益、頻率響應、輸入輸出阻抗及穩定性等，有的可以在解決噪聲指標的同時加以解決，有的則需滿足噪聲指標的基礎上再做出進一步的調整。

目前，低噪聲放大器可以通過選用噪聲指標好的集成電路來進行設計。在本文中采用了兩片T-KOKOPA（萬聲達）公司生產AP-9811P高精度、低噪聲放大器集成電路構成前置放大器。濾波電路主要是為了去除實驗環境中的一些干擾，還有去除泄漏信號主要頻帶外的噪聲，也防止信號混疊。

在工控計算機監控系統中，需要把外界信號與計算機隔離，這樣可保證計算機的安全和程序運行的可靠性。在高精度測量中，消除工模電壓、地回路對測量精度的影響，所以在信號調理電路中加入光耦隔離放大電路是必要的。本文選用的是TI（德州儀器）生產的RS-485，失調小，精度高，線性度和時間、溫度穩定性都很好。

3.3 數據采集模塊

本文所設計的數據采集系統，基于工控計算機平臺，采用KPCI-811多功能數據采集卡作為數據采集工具，其不但具備數據采集的功能，而且還具備信號控制、輸出的功能。通過數據采集卡，將從外界采集的電信號，轉換為數字信號輸入計算機，并把計算機輸出的數字信號，轉換為模擬信號傳遞給外設，可以控制外設的行為[4]。該卡的數據流向如圖3所示。

圖3 KPCI-811信號流程圖

該卡是一種基于PCI總線的數據采集卡，支持PCI2.1協議，能夠實現自動配置，實現設備的即插即用。

如圖4所示，采樣信號通過數據采集卡的信號調理和模數轉換模塊轉換成數字信號，數字信號經過FIFO緩存后，通過PCI總線接口芯片PLX9050以DMA方式送到計算機內存中。當PLX9050上電初始化時，從中讀出配置信息對PLX9050進行配置。數據采集卡的控制，是由一片CPLD芯片XC9572構成的控制模塊來完成。

圖4 KPCI-811卡工作原理圖

4 定位系統的軟件設計

軟件系統主要完成如下功能：

（1）人機動態交互；

（2）數據的存儲、刪除、分析和處理包括泄漏的判斷和泄漏源的定位。

對于整個系統而言，是一個虛擬儀器系統，軟件部分完成系統的主要功能，系統設計的主要工作，就是軟件模塊的設計和調整。

本設計采用Lab VIEW與MATLAB聯合編程的方法，完成系統的軟件設計。該方法能夠有效地將Lab VIEW編程簡單、界面友好等特點與MATLAB強大的計算功能及完善的工具箱結合起來，能夠有效克服其自身的缺點，充分利用Lab VIEW在界面編寫及數據通訊等方面的優勢，和MATLAB強大的數學計算能力及特定的工具箱，從而達到簡化編程、完善程序的目的。這種方法不但提高了開發效率，而且易于使用。

MATLAB作為一種以解釋方式運行的高級計算機語言，其程序的執行效率不高，實時性較差，對端口操作的能力也較低。在Lab VIEW應用程序中，可以直接調用MATLAB程序塊[5]，向MATLAB傳送數據，并接收其返回的結果。當Lab VIEW程序與MATLAB連接時，MATLAB會在后臺打開，這在一定程度上影響了程序的執行速度。當系統對實時性要求不高時，使用這種方法能夠較好地解決Lab view應用程序與MATLAB的連接問題。圖5為簡易程序流程圖。

圖5 簡易程序流程圖

5 結束語

筆者通過實驗采集的泄漏聲信號，采用虛擬儀器技術，以廣義相關處理的原理和方法為基礎。自行設計并制作了系統電路圖，有效排除了干擾。該管道泄漏監測系統已成功應用到自來水管道中，并取得了令人滿意的效果。

[1]常景龍，李 鐵.輸氣管道泄漏檢測技術的選擇和優化[J].油氣儲運，2000，19(5)：9-13.

[2]M S Yoon et al.Leak Detection Performance Specification[J].Pipeline Engineering.ASME，1991，（34）：21-26.

[3]邱增凱，王啟萬，孫 中，等.地下自來水管道測漏儀的改進設計[J].氣象水文海洋儀器，2003，(1)：29-35.

[4]沈蘭蓀.高速數據采集系統的原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，1995.

[5]Daubechies I.The wavelet transform,time-frequency localization and signal analysis[J].IEEE Trans，1990，36(5)：961-1005.

Study of the Leakage Monitoring Technique based on Virtual Instrument

ZHANG Tian-gang1,HOU Xiao-yun2
(1.Aeronautical Automation College;2.Airport College,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

The thesis using virtual instrument technology to design the signal correlation analysis technology,which is used to detect pipeline leak and fix position.Then,the software and scheme is designed.Finally,many experiments have been done to verify the feasibility and accuracy of the system.

pipeline;leak detection and location;virtual instrument

TP274

A

1672-545X（2011）09-0037-03

2011-06-03

張天剛（1978—），男，山東巨野人，講師，碩士，研究方向：機械電子。