基于虛擬儀器技術的管道檢漏儀設計

曾海霞　陳艷　高厚秀

摘 要：在工業(yè)化時代，隨著科學技術的飛速發(fā)展，油氣水等供應管道網(wǎng)絡遍布四方，一旦發(fā)生泄漏，會嚴重影響人們的生活和安全。設計先進的管道泄漏檢測儀器，依據(jù)互相關聲波檢測原理，選取功能全面的傳感裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，簡化硬件，設計基于虛擬儀器技術LabVIEW的可視化控制平臺，在計算機控制界面操作，通過采集、分析和處理聲音信號實現(xiàn)對泄漏點的精準定位。

關鍵詞：管道檢漏；互相關聲波檢測；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器

中圖分類號：TG115.28 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.072

現(xiàn)代社會工業(yè)網(wǎng)絡中布滿了復雜的供油、供氣和供水管道，這些設備的正常運行是保證人們?nèi)粘Ｉ畹幕A。然而，自然災害、施工損壞等種種原因引發(fā)的管道破裂泄漏事故層出不窮，嚴重影響生活質量，因此，在工作中，要快速地檢測、定位泄漏事故。

1 互相關聲波檢測技術

當管道發(fā)生泄漏情況時，會以聲波的形式向外傳播幾種不同頻段的噪聲信號。其中，被廣泛應用于聲波檢測的有效信號稱為“漏口處泄漏聲”，通過一對傳感裝置在泄漏兩端各取一處收集并處理該信號，采用互相關分析法取得信號采集的時間差，聯(lián)系兩采集點的距離和信號傳播速率，即可計算出泄漏點的位置。

2 管道檢漏儀總體設計

如圖1所示，選取功能全面的數(shù)據(jù)采集卡，取得傳感器的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對信號的放大、濾波、A/D轉換和與上位機的通訊，再利用NI公司的虛擬儀器技術LabVIEW設計可視化的上位機控制平臺，優(yōu)化人機交互界面，對數(shù)據(jù)進行進一步處理、互相關分析和泄漏點定位。

3 硬件選型

在具體工作中，要選擇功能全面且靈巧的裝置，盡可能簡化硬件設計。“漏口處泄漏聲”與管道材質、管道內(nèi)外的壓力、漏口大小等都有關系，其頻率值范圍為1 000～2 000 Hz。因此，在設計檢漏儀時，應根據(jù)不同情況選取合適的信號采樣頻率范圍，依此確定傳感和數(shù)據(jù)采集裝置。但要注意的是，此處應包含濾波模塊，以過濾其他頻段信號，提高漏點的定位精度。

3.1 傳感裝置

本文設計中選用內(nèi)裝IC式壓電加速度傳感器LC0110，當其中的加速度計由于聲波而發(fā)生振動時，可利用陶瓷性材料的特性傳遞到壓電式元件中，進而改變輸出電荷值。其靈敏度為100 mV/g，量程為50 g，頻率范圍在0.5～5 kHz，分辨率可達到0.02%，質量為65 gm。選擇LC0110的理由有以下幾點：①高靈敏度，能感知泄漏點比較遠或者泄漏點比較小時所引起的微弱振動信號；②低阻抗輸出，具備很好的抗干擾能力；③頻率響應范圍符合設計要求，對其他頻段不敏感；④輕巧、堅固且防水防銹，適合野外工作；⑤具有放大功能，不需額外設計放大電路。

另外，傳感裝置的輸出端口要選擇低噪聲的同軸電纜，以便進一步防止干擾。

3.2 數(shù)據(jù)采集裝置

本文選用NI公司的 USB-6210作為泄漏檢測系統(tǒng)的采集設備。該設備功能全面，價格低廉，且輕巧易于攜帶。它主要包括數(shù)字型輸入和輸出通路各4條，模擬型輸入通路16條，采用USB總線供電，32位的計數(shù)器，NI-DAQmx、VI Logger Lite數(shù)據(jù)記錄軟件和其他測量服務等，與LabVIEW、LabWindows/ CVI和Measurement studio.NET完美兼容。

4 軟件設計

采用虛擬儀器技術LabVIEW將計算機作為操作臺設計交互界面，通過鼠標和鍵盤控制所有操作，完成數(shù)據(jù)的采集、濾波、存儲、回放和分析處理，最終實現(xiàn)對泄漏點的定位。

4.1 數(shù)據(jù)采集和濾波

數(shù)據(jù)采集借助于DAQ系統(tǒng)軟件，將采集裝置測量并放大的電信號傳遞給控制軟件處理。由于存在兩端傳感器的信號，所以，可在DAQ中設置2個物理通道，借助“DAQmx創(chuàng)建通道”VI設置采集數(shù)據(jù)的參數(shù)，比如幅值區(qū)域、頻率區(qū)域和信息類別等。此后設置采樣時鐘、開始采樣、DAQmx讀取和終止采樣程序。

數(shù)據(jù)濾波依據(jù)泄漏信號頻率調節(jié)軟件中的濾波器，將集中在1～2 kHz的泄漏聲信號提取出來，提高信噪比，以得到理想的泄漏信號。此處選用LabVIEW所提供的Butterworth函數(shù)濾波器，它能在范圍內(nèi)的全部頻率上提供平穩(wěn)的響應。該程序如圖2所示。

4.2 數(shù)據(jù)存儲回放

設計程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，且撤銷硬件檢測系統(tǒng)后仍可提取存儲的數(shù)據(jù)，以作分析之用。在DAQmx的應用中引用TDMS數(shù)據(jù)流存儲程序，操作簡便，適用性強。數(shù)據(jù)存儲和回放程序如圖3所示。

4.3 信號互相關分析和漏點定位

為了模擬互相過關分析過程，采用同頻率但具有相位差的正弦信號，經(jīng)A/D轉換后接到互相關分析的兩輸入端口，并引用簇，將信號圖形的橫軸起點、分度值和互相關函數(shù)構造成一整個模塊。這樣一來，圖標將由簇的輸入來決定，而橫坐標由原本的采樣點變成了時間。這不僅能得到互相關函數(shù)的波形，還將得到兩正弦信號的相位之差。

根據(jù)泄漏聲信號的傳播速度、管道長度和由互相關分析求出的時間差，帶入式（1）中可得到漏點的位置，即：

漏點定位模塊程序如圖4所示。要想保證泄漏點定位的準確性，則依賴于精準的信號時間差和傳播速度。為了提高監(jiān)測的準確度，應在設計前面板時插入不同管道材料和管徑對應的信號速度，以供選擇。

5 結束語

本文以互相關聲波檢測原理為基本依據(jù)，探討并選擇合理的傳感裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，避免繁復的硬件設計，采用LabVIEW設計虛擬化軟件平臺，并對信號進行處理和互相關分析，以實現(xiàn)高精度的漏點定位。這充分證明了虛擬化技術在管道檢漏儀設計中的可行性和優(yōu)越性。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕