基于虚拟仪器的管道泄漏检测技术研究

张天刚，侯晓云

（中国民航大学，1.航空自动化学院；2.机场学院，天津 300300）

基于虚拟仪器的管道泄漏检测技术研究

张天刚1，侯晓云2

（中国民航大学，1.航空自动化学院；2.机场学院，天津 300300）

采用虚拟仪器技术，设计了一套基于相关分析技术的自来水管道泄漏检测及定位系统，并对其软、硬件方案进行了设计，并进行了大量的实验，验证了系统的可行性和准确性。

管道；泄漏；检测和定位；虚拟仪器

为了提升自来水管道系统安全运行管理水平，研制开发泄漏监测技术具有重要意义。利用软件和虚拟仪器技术，结合现有的管道泄漏检测定位方法，能有效地提高泄漏检测定位的精度和可靠性，同时具有更好的适应性。

1 检漏系统性能的评价

建立管道泄漏监测系统，及时准确报告泄漏事故的范围和程度，可以最大限度地减少经济损失和环境污染及更大危险的发生，对一种泄漏检测方法优劣或一个检漏系统性能的评价，应从以下方面加以考虑[1～2]。

（1）准确性。泄漏发生后，能够准确地测报出泄漏，不致因为操作失误和设备故障等因素发出误报警。

（2）灵敏性。检漏系统能检测出管道泄漏的大小范围，主要是多少的泄漏量能够发出正确的报警提示。

（3）实时性。理想的检漏系统能够在泄漏发生后，实时地检测出泄漏的发生，以便操作人员即刻采取行动，减少损失。

（4）定位精度高。长输管道穿越距离长，检漏系统要能够提供给操作人员准确的泄漏点位置，以使维修人员尽快达到漏水点，进行补修作业。

（5）易维护性。检漏系统装置维修调整容易。

（6）性价比。性价比是指系统建设、运行及维护的花费与系统所能提供性能的比值。

本文采用虚拟仪器技术，设计的一套基于相关分析技术的自来水管道泄漏检测及定位系统，能有效地提高泄漏检测定位的精度和可靠性。

2 泄漏点定位系统的总体构成

系统总体结构示意图如图1所示，系统由安装于泄漏点两侧的A、B压电传感器，前置放大器，数据采集卡，工控计算机等组成。

图1 泄漏检测系统总体结构图

泄漏声信号经传感器转换成电信号，送给前置放大器进行放大、滤波，之后送到数据采集卡进行信号的连续采集，并存储到计算机的硬盘中，供定位分析软件处理。在整个定位系统的构成中，基于虚拟仪器技术的定位软件是系统的核心。

3 系统硬件的选择

3.1 传感器

由于信号所处的背景比较复杂，信号强度也由于泄漏的程度而差别甚大，往往要求系统既要有足够的灵敏度，又要有很大的动态范围，所以采用了高灵敏度的压电式传感器。为了适应实际应用环境，传感器一端带有磁铁，可以吸附在铁质自来水管壁上[3]。

3.2 信号调理电路

因采集到的信号，是存在于外部复杂环境下的声音信号，初始采集的信号品质较差，需对其进行预处理后，方可进入后续处理，以便得到更为准确的结果。声音信号经压电式传感器转换为电信号后，直接在传感器部分进行放大，这样可以有效提高系统的信噪比。信号调理电路的功能框图如图2。

图2 信号调理电路的功能框图

在仪器的数据采集模块中，模拟调理电路总是不可或缺的。如果由传感器接收到的信号是一个幅值很小的微弱信号，则在进行A/D转换之前，需要进行放大、滤波、隔离等一些预处理，这样才能保证采集信号的有效性和可行度，并对后续的A/D转换器起到一定的保护作用。模拟调理电路的功能框图如2所示，主要包括低噪声放大电路、滤波电路和光耦隔离放大电路等。

前置低噪声放大器，是微弱信号检测系统中一个重要组成部分。系统可检测的最小信号，取决于低噪声放大器的噪声系数。因此，在研制低噪声放大电路时，应始终着眼于低噪声这个关键指标，来进行分析设计电路。对放大器的其他非噪声指标，如放大器增益、频率响应、输入输出阻抗及稳定性等，有的可以在解决噪声指标的同时加以解决，有的则需满足噪声指标的基础上再做出进一步的调整。

目前，低噪声放大器可以通过选用噪声指标好的集成电路来进行设计。在本文中采用了两片T-KOKOPA（万声达）公司生产AP-9811P高精度、低噪声放大器集成电路构成前置放大器。滤波电路主要是为了去除实验环境中的一些干扰，还有去除泄漏信号主要频带外的噪声，也防止信号混叠。

在工控计算机监控系统中，需要把外界信号与计算机隔离，这样可保证计算机的安全和程序运行的可靠性。在高精度测量中，消除工模电压、地回路对测量精度的影响，所以在信号调理电路中加入光耦隔离放大电路是必要的。本文选用的是TI（德州仪器）生产的RS-485，失调小，精度高，线性度和时间、温度稳定性都很好。

3.3 数据采集模块

本文所设计的数据采集系统，基于工控计算机平台，采用KPCI-811多功能数据采集卡作为数据采集工具，其不但具备数据采集的功能，而且还具备信号控制、输出的功能。通过数据采集卡，将从外界采集的电信号，转换为数字信号输入计算机，并把计算机输出的数字信号，转换为模拟信号传递给外设，可以控制外设的行为[4]。该卡的数据流向如图3所示。

图3 KPCI-811信号流程图

该卡是一种基于PCI总线的数据采集卡，支持PCI2.1协议，能够实现自动配置，实现设备的即插即用。

如图4所示，采样信号通过数据采集卡的信号调理和模数转换模块转换成数字信号，数字信号经过FIFO缓存后，通过PCI总线接口芯片PLX9050以DMA方式送到计算机内存中。当PLX9050上电初始化时，从中读出配置信息对PLX9050进行配置。数据采集卡的控制，是由一片CPLD芯片XC9572构成的控制模块来完成。

图4 KPCI-811卡工作原理图

4 定位系统的软件设计

软件系统主要完成如下功能：

（1）人机动态交互；

（2）数据的存储、删除、分析和处理包括泄漏的判断和泄漏源的定位。

对于整个系统而言，是一个虚拟仪器系统，软件部分完成系统的主要功能，系统设计的主要工作，就是软件模块的设计和调整。

本设计采用Lab VIEW与MATLAB联合编程的方法，完成系统的软件设计。该方法能够有效地将Lab VIEW编程简单、界面友好等特点与MATLAB强大的计算功能及完善的工具箱结合起来，能够有效克服其自身的缺点，充分利用Lab VIEW在界面编写及数据通讯等方面的优势，和MATLAB强大的数学计算能力及特定的工具箱，从而达到简化编程、完善程序的目的。这种方法不但提高了开发效率，而且易于使用。

MATLAB作为一种以解释方式运行的高级计算机语言，其程序的执行效率不高，实时性较差，对端口操作的能力也较低。在Lab VIEW应用程序中，可以直接调用MATLAB程序块[5]，向MATLAB传送数据，并接收其返回的结果。当Lab VIEW程序与MATLAB连接时，MATLAB会在后台打开，这在一定程度上影响了程序的执行速度。当系统对实时性要求不高时，使用这种方法能够较好地解决Lab view应用程序与MATLAB的连接问题。图5为简易程序流程图。

图5 简易程序流程图

5 结束语

笔者通过实验采集的泄漏声信号，采用虚拟仪器技术，以广义相关处理的原理和方法为基础。自行设计并制作了系统电路图，有效排除了干扰。该管道泄漏监测系统已成功应用到自来水管道中，并取得了令人满意的效果。

[1]常景龙，李 铁.输气管道泄漏检测技术的选择和优化[J].油气储运，2000，19(5)：9-13.

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

[3]邱增凯，王启万，孙 中，等.地下自来水管道测漏仪的改进设计[J].气象水文海洋仪器，2003，(1)：29-35.

[4]沈兰荪.高速数据采集系统的原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，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

张天刚（1978—），男，山东巨野人，讲师，硕士，研究方向：机械电子。