一種基于相關(guān)測漏原理的地下供水管道漏點定位儀＊

吳天豪

（武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

一種基于相關(guān)測漏原理的地下供水管道漏點定位儀＊

吳天豪

（武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

提出了一種新型漏點定位儀。在當(dāng)前相關(guān)測漏原理的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)檢測的原理，結(jié)合壓電傳感器、信號放大電路、模擬濾波電路以及DSP信號處理模塊，實現(xiàn)對漏水聲音的采集、放大、自動濾波以及自動處理、對漏點進行自動化精準(zhǔn)定位的功能。

測漏原理；漏點檢測；供水管道；漏點定位

水是人類生存的必要條件之一，是世界各國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素。我國是一個水資源缺乏的國家，人均水量只相當(dāng)于世界人均占有量的1/4，在我國仍有一部分城市的水資源不能滿足生產(chǎn)生活需要。對此，國家出臺一系列政策鼓勵節(jié)約用水，研究如何節(jié)水，節(jié)約點滴水資源具有十分重要的意義。然而，在我國供水管網(wǎng)系統(tǒng)運行的過程中，每年因管道漏水不僅造成大量水資源浪費，還帶來巨大的經(jīng)濟損失。加強管道漏水的檢測和處理，是最有效、最快捷的供水管網(wǎng)漏水防治措施。當(dāng)前，應(yīng)用最普遍的地下管道泄漏探測技術(shù)方法主要是音聽檢漏法。該方法需分步查漏，費時費力，同時受聲音的強弱、外界影響大，且甄別水管漏水在很大程度上依靠人的經(jīng)驗。為克服以上弊端，相關(guān)的測漏法應(yīng)運而生，它們是在已知管道長度與漏水聲傳播速度的條件下，通過相關(guān)的算法，求得漏水聲傳至待檢測管道兩端的時間差，以確定漏點的位置。但這些方法自動化水平較低，在測距、測速方面需要人為操作。

本文結(jié)合現(xiàn)有的主要檢測漏水方法，基于相關(guān)測漏原理，即通過檢測判斷漏水聲到達某特定位置的時間差判斷漏水點。該方法不僅可以對漏點進行較為準(zhǔn)確的檢測和監(jiān)控，提前告知漏點，還可以有效節(jié)省水管維修管道的時間，節(jié)約維修成本，對水管檢修具有重要的意義，同時還可以減少水資源的浪費。

1 方案設(shè)計

本設(shè)計主要由壓電傳感器、水流量傳感器、放大電路、模擬濾波器以及DSP系統(tǒng)電路組成，整體方案和傳感器安裝位置如圖1所示。

壓電傳感器：主要利用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，當(dāng)壓電材料受到外力時，其表面將產(chǎn)生電荷，將機械能轉(zhuǎn)換成電能。漏水點處振動發(fā)出的聲波可沿管道向兩端傳播，安裝于水管兩側(cè)外部的傳感器在不同時間接收到該聲波并進行處理。選用YD30D壓電傳感器，其靈敏度高、通用性強、抗干擾性強、性價比高、安裝方便。

放大電路：可增大來自傳感器的信號，便于后續(xù)處理。

模擬濾波器：可將熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電能儲存起來，通過輸出穩(wěn)定的電流供給激光二極管使用，使其正常工作。

DSP系統(tǒng)：將采集的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、相關(guān)運算，從而得出漏點的準(zhǔn)確位置。主機采用數(shù)字信號處理專用芯片TMS320C5420，具有較快的運行速度，實現(xiàn)了實時檢測與反饋。

圖1 整體方案和傳感器安裝位置

2 技術(shù)路線

相關(guān)檢測原理說明：設(shè)L為被測管道長度，A，B為管道的2個端點，X1和X2為漏點距兩端的距離。泄漏發(fā)生后，在漏點處由于水流的沖擊，會引起周圍介質(zhì)的振動，這樣就會產(chǎn)生以漏點為中心的漏水聲波信號。該漏水聲波信號將以聲速沿管道向兩端傳播，在A，B端點安裝的傳感器會在不同時刻檢測到這一信號。利用其時間差即可求得漏點距離管道端點的位置，從而準(zhǔn)確定位漏點位置。

將傳感器歸為信號采集模塊，放大電路與濾波電路部分歸為信號預(yù)處理及信號傳輸模塊，將DSP部分歸為信號處理及反饋模塊。

2.1 信號采集模塊

該模塊的中心元件為2類傳感器，即壓電傳感器和水流量傳感器。它的基本結(jié)構(gòu)包括殼體、彈簧、慣性質(zhì)量塊、壓電晶體片和輸出端。慣性質(zhì)量塊壓在壓電晶體片上的力會隨著傳感器受到的機械應(yīng)力而變化，晶體片由此產(chǎn)生形變，形成壓電效應(yīng)，進而形成有規(guī)律的電荷，由輸出端將電信號輸出。傳感器的固有頻率表示為：

式（1）中：K為結(jié)晶體片的剛度；Ms為慣性質(zhì)量塊質(zhì)量；Mb為殼體和基座的質(zhì)量；E為晶體的楊氏模量；D為陶瓷晶體片的直徑；T為晶體片的厚度。

2.2 信號預(yù)處理及信號傳輸模塊

首先需提高整個系統(tǒng)的輸入阻抗，避免微弱的漏水信號在前級傳感器輸出電阻中損耗，因此將TL084中的一個運放輸出端和對應(yīng)反向輸入端相連。同時，放大電路采用兩級通向信號放大，可以有效放大微小漏水信號，滿足要求。查閱相關(guān)資料可知，漏水信號頻率一般小于2 000 Hz。

2.3 信號處理及反饋模塊

DSP主機將單片機采來的數(shù)據(jù)進行分析和處理，從而計算出漏點的位置。為了克服隨機干擾引入系統(tǒng)的誤差，采用遞推平均濾波法實現(xiàn)軟件數(shù)字濾波，以濾除或抑制有效信號中的干擾成分，消除系統(tǒng)隨機誤差，同時對信號進行必要的平滑處理，以保證系統(tǒng)的正常運行。

3 結(jié)束語

該漏點探測法較當(dāng)前主要使用的音聽探測法來說更為精準(zhǔn)、方便且穩(wěn)定，較當(dāng)前技術(shù)較為先進的超聲波探測等方法而言價格更低，較當(dāng)前的相關(guān)探測法而言，可實現(xiàn)對管道是否漏水進行實時監(jiān)控，精準(zhǔn)定位后及時反饋，功能更全面，因此，可推廣性強，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］吳珊珊，胡國兵，張照鋒，等.變模式分解在供水管道漏點定位中的應(yīng)用研究［J］.電子器件，2017，40（04）：1036-1043.

［2］高濤，李晗.輸氣管道泄漏檢測及定位技術(shù)分析［J］.石化技術(shù)，2017，24（09）：23.

TU991.64

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.059

2095－6835（2018）01－0059－02

＊國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助《一種基于相關(guān)測漏原理的地下供水管道漏點定位儀》編號：20171049704017

〔編輯：劉曉芳〕