基于多传感器的管道泄漏检测装置设计

李忠虎，蔡志全，董彦华

(1．内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古自治区包头 014010；2．东北大学研究生院，辽宁沈阳 110000)

0 引言

管道泄漏检测与定位的方法很多，其中基于负压波法的泄漏检测应用最为广泛，它是基于管道泄漏时在液体中引发并且按着一定速度传播的瞬态负压波信号进行检测的。通过相关分析法计算负压波传播到管道首尾两端的传感器的时间差，通过时间差以及负压波的传播速度对泄漏点进行定位。

常规的管道泄漏检测在首尾两端各使用一个传感器，单一传感器的使用必然会受到外界环境的影响，并且采集到信号的精度也不会很高。该设计在管道的首尾两端各使用了2个传感器，通过对2组传感器的信号分析来确定泄漏点，较传统的检测方法准确度更高一些。并以STC89C52为核心设计了管道泄漏传感器信号采集系统，通过USB接口可以很方便地与计算机通信，进而判断泄漏点的具体位置[2]。

1 管道泄漏检测原理

流体输送管道发生泄漏时，会在泄漏处产生瞬态压力突降，由于流体流动的连续性，管道中的流体不会立刻改变流速，但是流体在泄漏点和相邻的两边区域间产生的压力差异会导致流体从上、下游的区域向泄漏区填充，进而引起泄漏点相邻区域内的流体密度和压力减小，这就形成了负压波。因为负压波在传播过程中衰减很小，所以可以传播很长的距离。对采集到的信号进行相关分析，由相关分析的思想可知，当没有泄漏时相关函数的极值点在0附近，如果发生了泄漏，相关函数的极值点将会偏离0值的位置，根据相关数值的大小及极值点所在的位置可以进行泄漏点的检测定位。

传统的管道泄漏检测系统中，在首尾两端各安装一个压力传感器用来检测负压波信号[1]，如图1所示。

图1 传统管道泄漏检测示意图

图中的传感器1与传感器2是管道泄漏检测中应用到的两个传感器。他们安装在管道的两端，用来采集负压波信号。根据负压波信号的传播时间以及负压波的传播速度就可以判断泄漏的位置。泄漏点到传感器1的距离为D1，两个传感器间的距离为D0，负压波的传播速度为v。假设负压波传播到传感器1的时间为t1，传播到传感器2的时间为t2，即可根据两个传感器采集到的负压波信号的时间以及管道的长度来确定漏点的位置。因为负压波的传播速度较流体的流速更快，所以流体的流速可以忽略。泄漏点的定位计算关系如下：

D1=v×t1

(1)

D1-(D0-D1)=v×(t1-t2)

(2)

2D1-D0=v×(t1-t2)

(3)

通过以上3个公式的推导可得：

(4)

从式(4)中可以看出，泄漏点的确定取决于负压波信号到达两个传感器的时间差、负压波信号的传播速度和两个传感器的距离。受到管道材质、结构和环境等因素的影响，负压波的传播速度难以确定，两个传感器之间的时间差的计算也必然会存在一定的误差。

为了更精确地确定泄漏点的位置，在设计中采用了4个传感器，如图2所示。

图2 多传感器安装及泄漏检测示意图

图中，传感器1和传感器2为一组，安装在管道的首端[3]，两个传感器的距离为L1。传感器3和传感器4为一组，安装在管道的尾端，两个传感器的距离为L3。两组传感器之间的距离即传感器2与传感器3之间的距离为L0。泄漏点信号传播到传感器1至4的时间分别为t1，t2，t3，t4。跟据4个传感器获得的数据可以得到如下的对应关系：

L=v×(t1-t2)

(5)

L2=v×t2

(6)

L3=v×(t4-t3)

(7)

v×(t1-t3)=L1+2×L2-L0

(8)

v×(t1-t4)=L1+2L2-L0-L3

(9)

v×(t2-t3)=2×L2-L0

(10)

v×(t2-t4)=2×L2-L0-L3

(11)

在该系统中，L0，L1，L3是已知的。通过式(5)和式(7)可以计算出负压波信号在管道中的传播速度，因为水流速度相对于负压波传播速度显得非常慢，可以忽略，所以负压波信号的传播速度近似为：

v=(L1+L3)/(t1+t4-t2-t3)

(12)

通过式(8)～式(11)组合推导可得；

v×(t1+t2-t3-t4)=L1+4L1-2L0-L3

(13)

式中只有传感器2距离漏点的相对位置L2是未知的，L2为：

(14)

通过对式(14)分析不难发现，泄漏点相对位置距离L2可以通过前面的已知条件求出。传感器2到泄漏点的距离L2在计算过程中使用了4次，通过求4次的平均值作为泄漏点的位置，较式(4)而言得到的结果更加准确。

2 系统总体结构设计

在分析管道泄漏信号的特性和泄漏处环境噪声对泄漏特征信号影响的前提下，本着高性价比、低噪声和低功耗的电路设计思想，设计了信号采集系统，系统总体结构框图如图3所示。主要由传感器、滤波电路、放大电路、数据采集模块、单片机及USB接口电路等组成。

系统中的4个传感器将管道泄漏的微弱信号转换成电信号；滤波电路将信号中的外界干扰及噪声滤除，以提高信噪比；放大电路将滤波后的微弱信号放大，以满足数据采集模块的需要；数据采集模块将模拟信号转换为数字信号；单片机完成信号的处理与分析；通过USB接口单元[4]可以很方便地实现与计算机的通信。

图3 系统总体结构框图

3 USB接口电路设计

设计选用的USB模块是CH375，它是一个通用USB总线接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-SLAVE设备方式[5]。CH375 的USB主机方式支持常用的USB全速移动存储设备，外部单片机或者DSP单元可以通过协议直接与CH375进行通信。CH375与单片机的接口电路图如图4所示。

图4 CH375与单片机接口电路

电路中，CH375的引脚TXD做接地处理，在复位期间它是低电平，这样使CH375工作在USB-HOST主机方式下的并口方式；D+和D-为USB总线的差分信号线，用于CH375与USB设备的数据传输；ACT#作为USB设备连接的状态输出引脚，当在低电平的时候有效，把它与电阻和LED串联连接到电源以指示状态；D0-D7口连接单片机的P0-P7口，用于数据的传输；WR#、RD#为芯片的选通端，分别连接单片机的外部数据存储器写选通口P3．6、外部数据存储器读选通口P3．7；A0连接单片机P2．0引脚，并通过电平的高低判断可以写命令还是可以读写数据；INT#连接到单片机的外部中断0口INT0引脚，接收单片机的命令从而获知中断请求；CS#为单片机对芯片的片选端，接单片机的P2．1引脚，当单片机外围电路过多时可以与译码器相连接；X0和X1之间的晶振为芯片提供稳定的工作时钟。

4 结束语

该设计主要分析了传感器的选用和安装方式以及漏点定位方法，并设计了管道泄漏信号检测装置，对于数据的进一步处理需要上位机完成，这样大大简化了该装置的软件系统，同时也使得对信号的处理更精确更简单。基于CH375的USB接口模块的电路设计，实现了信号检测装置与上位机之间的快速通信，更加方便对现场数据的采集与处理。同时，该硬件系统还可以扩展应用在其他领域。

参考文献：

[1] 李忠虎，郭卓芳．供水管道泄漏检测与定位技术应用研究 ．化工自动化及仪表，2011(8)：388-391．

[2] 朱建华，姜立娣．基于USB的高精度数据采集系统设计与实现．计算机测量与控制，2008，16(2)：262-265．

[3] 郭亚军，聂伟荣，朱继南，等．基于3个传感器的管道泄漏相关定位算法 ．南京理工大学学报，2003，27(6)：683-684．

[4] 许永和．8051单片机USB接口程序设计 ．北京：北京航空航天大学出版社，2004．

[5] 杨全玖，张大伟．基于CH375 多通道USB接口与PC机通信的实现．微计算机信息，2006，22(11)：72-74．