LabVIEW 在供水管道泄漏定位中的應用

井文照

(上海海事大學 物流工程學院，中國 上海 201306)

0 引言

水資源作為不可替代的自然資源，在經濟發展和人民生活中占有重要地位。而我國是一個水資源嚴重短缺的國家，因此，節約和保護水資源，減少浪費對我國來說尤為重要。據《中國城市建設統計年鑒2013年》統計，2012年我國城市供水管道總長度達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，漏損率達到了15.9，這遠遠超過了國家要求的標準[1]。供水行業因漏損而造成的直接損失就達70 億元。為了更好的利用水資源，世界各國很早就開展了漏損檢測技術及設備的研究、開發工作。目前的檢漏方法有大地濕度檢測法、升壓法、紅外線照相法、探地雷達等。本文采用的是相關算法對管道進行檢漏。與以上方法相比，相關法更加快捷方便。

供水管道泄漏發生后，由于管道內外的壓力差，水流經過漏點時會形成渦流，會使管道發生振動而產生應力波。應力波會沿著管道壁向管道兩端傳播，此時，在管道兩端安裝兩個壓電式加速度傳感器，接收從泄漏處傳過來的應力波信號。通過泄漏聲波信號到達兩個傳感器的時間差則可以計算出泄漏點的位置[2]。

1 相關算法原理及系統設計

1.1 定位原理

泄漏聲波信號是由流體激發的連續并且穩定的信號，沒有明確的起點和終點，所以，應用一般的方法無法計算出兩個傳感器的時間差。相關分析法的實質是計算兩路時延信號間的相似程度，就是根據一路信號以及相對于這路信號有時延的信號的相似性來計算這兩路信號的時間差，從相關波形的波峰可得出時間延遲量。從而實現泄漏位置的定位[3]。定位原理如圖1 所示。

圖1 管道泄漏定位原理圖

泄漏點到傳感器A、B 的距離分別為LA、LB，被測管道總長度為L，其中，L=LA+LB。聲波信號沿管道傳播的速度為V，其大小與管道材質、內徑及管道壁厚度等參數有關。泄漏噪聲沿管道傳播到A 點與B 點的時間差為：

其中，Δt 為根據相關算法求出的時間延遲量。

1.2 相關算法

如圖1 所示，設傳感器A、B 接收到的信號信號分別為x(t)和y(t)。建立數學模型，如下式：

式中：s（）t 為泄漏源信號，假設泄漏處管道供水的壓力和泄漏口徑大小不變，則此信號為平穩過程；

α 為衰減因子；

D 為延遲時間；

r1、r2為噪聲。

假設噪聲信號和源信號是零均值、高斯分布、互不相關的隨機變量，對于有限的信號采集時間t，則互相關函數為：

使Rxy（τ ）達到最大值的τ則為時間延遲量。

在實際計算的Rxy（τ ）過程中，需要將x（t ）和y（t ）離散化為x（k）和y（k）。則離散信號x（k ）和y（k ）的互相關函數為：

式中：K 為總采樣點數；

k 為第k 個采樣點；

m 為延時的點數。

使式（5）達到最大值的m 的值即為時間延遲量。假設m=m0時，式（5）取得最大值，則時間延遲量Δt=Tm0。其中，為時間間隔。根據式（1）即可計算出泄漏點位置[4]。

2 LabVIEW 設計

本設計使用LabVIEW 軟件編寫的程序作為上位機，完成泄漏信號的存儲與分析。整個系統的設計框圖如圖2 所示。將兩個加速度傳感器分別安裝在一段供水管道的兩端，將信號輸出端連接到電荷放大器，對微弱的電荷進行適當的放大，并輸出電壓信號；用嵌入式開發板對電荷放大器的輸出電壓信號進行采集，并進行A/D 轉換和信號預處理，最后通過串口轉USB 接口傳輸 給PC 機上的LabVIEW；在LabVIEW 上編寫程序，對兩路信號進行存儲和互相關分析，根據分析結果求得時間延遲量，最終實現泄漏位置的定位。

圖2 系統結構框圖

VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是美國國家儀器公司（NI）開發的可以與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口，它本身不具有儀器編程能力，而是調用底層的驅動程序的高層的API，可以控制VXI、串口、USB 和GPIB 等儀器。

本設計使用LabVIEW 的VISA 來控制USB 設備以實現與嵌入式設備的通信與數據傳輸。如圖3 所示。使用VISA Configure Serial Port.vi 對串口進行配置，設置其波特率為115200、數據比特為8 位、無奇偶校驗位、1 個停止位等；VISA Open.vi 用來打開VISA 資源名稱所指定設備的會話句柄；VISA Read.vi 從指定設備或接口中讀取指定數量的字節，“字節總數”端口用來設置指定數量的字節，“讀取緩沖區”端口輸出通過串口發來的數據，此端口與Write To Spreadsheet File.vi連接，將數據寫入指定的電子表格文件；VISA Close.vi 在讀取完成后將打開串口關閉。設置完成后，運行程序可以實現對數據的傳輸與存儲。

圖3 數據采集與存儲框圖

最后對采集的數據作互相關分析。如圖4 所示。由于采集了兩路信號，分別存儲在不同的文件中，所以使用兩個Read From Spreadsheet File.vi 讀取兩個文件中的數據，在輸出端連接波形圖顯示控件，運行程序時輸出數據的波形；同時，將Read From Spreadsheet File.vi 的輸出端連接到Cross Correction.vi，對兩路信號進行互相關運算，并輸出互相關分析后的波形圖。最后，根據波形圖中的波形數據，計算出時間延時量。

圖4 互相關分析程序框圖

3 仿真實驗

本實驗利用LabVIEW 編程產生模擬信號來模擬兩路壓電式加速度傳感器采集的泄漏聲波信號。如圖5、圖6 所示。

圖5 模擬傳感器1 采集的泄漏聲波信號

圖6 模擬傳感器2 采集的信號。兩路模擬信號的采樣頻率為1000HZ，采樣點數為1000。其中，信號2 采集比信號1 有200 個采樣點數的時延，由采樣頻率可以得出有0.2s 的時間時延。

圖5 模擬信號1

圖6 模擬信號2

對采集的信號進行相關分析，得到如圖7 所示波形圖，根據相關算法原理，在相關波形的波峰得到信號的時間延遲量，由圖可知在采樣點200 處取得峰值。可以得出模擬信號2 比模擬信號1 延遲了200采樣點。根據采樣頻率可計算出時間延遲量為0.2s，與模擬信號的延遲量相吻合。故有較高的精確率，滿足設計要求。

圖7 互相關分析

4 結束語

本文介紹了供水管道泄漏定位的一種方法，并且使用LabVIEW編寫程序實現相關函數算法，能夠準確估計時間延遲，方法簡單，易于實現，有比較高的精確度。通過設計虛擬儀器進行信號處理和分析是一條切實可行的途徑。

［1］中華人民共和國住房與城鄉建設部[Z].中國城市建設統計年鑒，2013.

［2］王桂增，葉昊，著.流體輸送管道的泄漏檢測與定位[M].北京：清華大學出版社，2010：7-9.

［3］楊進.供水管道泄漏檢測定位中的信號分析及處理研究[D].重慶大學，2007.

［4］李飛，陶濤.供水管網漏損評估與控制方法[J].中國給水排水，2012(18)：35-39.

［5］陳玉華，劉時風，耿榮生，沈功田.聲發射信號的譜分析和相關分析[J].無損檢測，2002(09)：395-399.

［6］楊樂平，李海濤，趙勇，等.LabVIEW 高級程序設計[M].北京：清華大學出版社，2003.