基于虚拟仪器技术的管道检漏仪设计

曾海霞　陈艳　高厚秀

摘 要：在工业化时代，随着科学技术的飞速发展，油气水等供应管道网络遍布四方，一旦发生泄漏，会严重影响人们的生活和安全。设计先进的管道泄漏检测仪器，依据互相关声波检测原理，选取功能全面的传感装置和数据采集装置，简化硬件，设计基于虚拟仪器技术LabVIEW的可视化控制平台，在计算机控制界面操作，通过采集、分析和处理声音信号实现对泄漏点的精准定位。

关键词：管道检漏；互相关声波检测；数据采集；虚拟仪器

中图分类号：TG115.28 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.072

现代社会工业网络中布满了复杂的供油、供气和供水管道，这些设备的正常运行是保证人们日常生活的基础。然而，自然灾害、施工损坏等种种原因引发的管道破裂泄漏事故层出不穷，严重影响生活质量，因此，在工作中，要快速地检测、定位泄漏事故。

1 互相关声波检测技术

当管道发生泄漏情况时，会以声波的形式向外传播几种不同频段的噪声信号。其中，被广泛应用于声波检测的有效信号称为“漏口处泄漏声”，通过一对传感装置在泄漏两端各取一处收集并处理该信号，采用互相关分析法取得信号采集的时间差，联系两采集点的距离和信号传播速率，即可计算出泄漏点的位置。

2 管道检漏仪总体设计

如图1所示，选取功能全面的数据采集卡，取得传感器的数据信息，实现对信号的放大、滤波、A/D转换和与上位机的通讯，再利用NI公司的虚拟仪器技术LabVIEW设计可视化的上位机控制平台，优化人机交互界面，对数据进行进一步处理、互相关分析和泄漏点定位。

3 硬件选型

在具体工作中，要选择功能全面且灵巧的装置，尽可能简化硬件设计。“漏口处泄漏声”与管道材质、管道内外的压力、漏口大小等都有关系，其频率值范围为1 000～2 000 Hz。因此，在设计检漏仪时，应根据不同情况选取合适的信号采样频率范围，依此确定传感和数据采集装置。但要注意的是，此处应包含滤波模块，以过滤其他频段信号，提高漏点的定位精度。

3.1 传感装置

本文设计中选用内装IC式压电加速度传感器LC0110，当其中的加速度计由于声波而发生振动时，可利用陶瓷性材料的特性传递到压电式元件中，进而改变输出电荷值。其灵敏度为100 mV/g，量程为50 g，频率范围在0.5～5 kHz，分辨率可达到0.02%，质量为65 gm。选择LC0110的理由有以下几点：①高灵敏度，能感知泄漏点比较远或者泄漏点比较小时所引起的微弱振动信号；②低阻抗输出，具备很好的抗干扰能力；③频率响应范围符合设计要求，对其他频段不敏感；④轻巧、坚固且防水防锈，适合野外工作；⑤具有放大功能，不需额外设计放大电路。

另外，传感装置的输出端口要选择低噪声的同轴电缆，以便进一步防止干扰。

3.2 数据采集装置

本文选用NI公司的 USB-6210作为泄漏检测系统的采集设备。该设备功能全面，价格低廉，且轻巧易于携带。它主要包括数字型输入和输出通路各4条，模拟型输入通路16条，采用USB总线供电，32位的计数器，NI-DAQmx、VI Logger Lite数据记录软件和其他测量服务等，与LabVIEW、LabWindows/ CVI和Measurement studio.NET完美兼容。

4 软件设计

采用虚拟仪器技术LabVIEW将计算机作为操作台设计交互界面，通过鼠标和键盘控制所有操作，完成数据的采集、滤波、存储、回放和分析处理，最终实现对泄漏点的定位。

4.1 数据采集和滤波

数据采集借助于DAQ系统软件，将采集装置测量并放大的电信号传递给控制软件处理。由于存在两端传感器的信号，所以，可在DAQ中设置2个物理通道，借助“DAQmx创建通道”VI设置采集数据的参数，比如幅值区域、频率区域和信息类别等。此后设置采样时钟、开始采样、DAQmx读取和终止采样程序。

数据滤波依据泄漏信号频率调节软件中的滤波器，将集中在1～2 kHz的泄漏声信号提取出来，提高信噪比，以得到理想的泄漏信号。此处选用LabVIEW所提供的Butterworth函数滤波器，它能在范围内的全部频率上提供平稳的响应。该程序如图2所示。

4.2 数据存储回放

设计程序实现数据的存储，且撤销硬件检测系统后仍可提取存储的数据，以作分析之用。在DAQmx的应用中引用TDMS数据流存储程序，操作简便，适用性强。数据存储和回放程序如图3所示。

4.3 信号互相关分析和漏点定位

为了模拟互相过关分析过程，采用同频率但具有相位差的正弦信号，经A/D转换后接到互相关分析的两输入端口，并引用簇，将信号图形的横轴起点、分度值和互相关函数构造成一整个模块。这样一来，图标将由簇的输入来决定，而横坐标由原本的采样点变成了时间。这不仅能得到互相关函数的波形，还将得到两正弦信号的相位之差。

根据泄漏声信号的传播速度、管道长度和由互相关分析求出的时间差，带入式（1）中可得到漏点的位置，即：

漏点定位模块程序如图4所示。要想保证泄漏点定位的准确性，则依赖于精准的信号时间差和传播速度。为了提高监测的准确度，应在设计前面板时插入不同管道材料和管径对应的信号速度，以供选择。

5 结束语

本文以互相关声波检测原理为基本依据，探讨并选择合理的传感装置和数据采集装置，避免繁复的硬件设计，采用LabVIEW设计虚拟化软件平台，并对信号进行处理和互相关分析，以实现高精度的漏点定位。这充分证明了虚拟化技术在管道检漏仪设计中的可行性和优越性。

参考文献

[1]姜涛.管道泄漏检测与定位的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[2]闫晓云.供水管道泄漏声信号数据采集系统研究[D].重庆：重庆大学，2007.

[3]章佳荣.基于虚拟仪器的信号采集与分析软件的设计及应用[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[4]杨进，文玉梅，李平.自来水铸铁管道泄漏声信号频率特征研究[J].应用声学，2006（01）.

[5]何滨，曾立云.供水管道检漏技术应用探讨[J].三门峡职业技术学院学报，2008（03）.

〔编辑：白洁〕