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工业环境下管道泄漏弱信号检测装置设计

来源:个人技术集锦
第5期 李忠虎等.工业环境下管道泄漏弱信号检测装置设计 573 工业环境下管道泄漏弱信号检测装置设计 李忠虎 梁德治 (内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古包头014010) 摘要针对工业环境下供水管道泄漏微弱信号的检测与提取进行研究,按照低噪声、低功耗和低成本 的设计思想,以内装Ic压电加速度传感器LC015IT为基础,以AD574A和STC89C52RC为核心设计了 信号检测装置,并进行了相应的试验研究。该装置可用于判断管道泄漏情况,并可与上位机结合进行漏 点定位,同时其研究成果还可扩展应用于其他领域。 关键词 管道泄漏信号 微弱信号检测 声信号 加速度传感器 数据采集 中图分类号TQ055.8 1 文献标识码 A 文章编号 1000.3932(2012)05-0573.04 所谓微弱信号,不仅意味着有用信号的幅值 l卜位机I 小,而且干扰或噪声信号的幅值很大,微弱是相对 于干扰或噪声信号而言的。分析微弱信号检测的 基本原理可知,根据信号的周期性和干扰与噪声 的随机性特征,微弱信号检测的关键在于如何抑 洲 制噪声、提高检测系统输出信号的信噪比,以便从 强噪声背景中提取出有用的微弱信号,满足现代 图i 检测系统总体结构框图 科学研究和工农业生产的需要。 偏置电压后输出交流加速度信号;滤波器用于抑 笔者主要针对工业环境下供水管道泄漏微弱 制传感器采集到的有用信号中所包含的外界突发 信号的检测、提取和处理技术进行研究,这属于动 干扰和白噪声,以提高信噪比;放大器用于把传感 态系统的故障诊断与系统安全性这一新学科的研 器获得的微弱信号放大,以满足后续信号采集的 究范畴,是典型的多领域、跨学科的研究课题。管 需要;数据采集模块实现信号采样和A/D转换; 道泄漏信号的准确检测不仅能判断管道是否泄 主控单元起到全局控制作用,并实现数据处理等 漏,而且还可据此进一步研究漏点定位技术与实 功能;通信模块用来完成该系统与上位机间的数 现方法,同时也可将该研究成果扩展应用于其他 据和命令传输工作。 领域,故具有重要的理论意义和现实意义…。 2硬件系统设计 1 系统总体设计 2.1传感器选型 在认真分析供水管道泄漏声信号特性和泄漏 传感器是实现信号检测的关键部件,它必须 点环境噪声对泄漏特征信号影响的基础上,针对 能够对原始被测信号进行可靠的捕捉 。针对管 野外工作的实际需要,本着低噪声和低功耗的设 道泄漏微弱信号的特征和信号检测的实际情况, 计思想,在平衡成本与功能的前提下,所设计的管 所选传感器除应具备基本的振动声信号转换功能 道泄漏微弱声信号检测装置总体结构框图如图1 之外,还应满足以下条件:一是应具有较高的灵敏 所示。系统主要包括加速度传感器、信号调理模 度,当传感器距离漏点较远或漏水量较小时,仍能 块、滤波器、放大器、数据采集模块、主控单元、存 感知因管道泄漏而产生的微弱振动信号,并转换 储器、人机接口以及通信模块等。 成放大器所需的输入信号;二是具有较强的抗干 加速度传感器将来自管道的泄漏微弱振动信 号转换为电信号,然后送至信号调理模块;信号调 理模块一方面为加速度传感器提供恒流源供电, 收稿日期:2011-12-07 基金项目:内蒙古自治区自然科学基金(2011MS0917);内蒙 另一方面将传感器的输出信号通过隔直电路隔掉 古科技大学创新基金(2009NC077) 574 化工自动化及仪表 第39卷 扰能力,因管道通常处于较为复杂的环境当中,泄 漏信号中会包含各种来自外界的突发干扰和白噪 声。这就要求传感器应对管道的泄漏信号敏感而 对其他的振动信号和噪声不敏感;三是要有合适 的频率范围,供水管道泄漏声信号的频率一般在 2kHz以下,传感器的频率响应范围应符合系统设 计要求,主要集中在该频段范围内。另外,传感器 还应具有坚固、防水及防锈等特点。关于传感器 的质量大小,并不需重点考虑,因为传感器的质量 相对于被测物体(即管道)而言是完全可以忽略 的。 综合以上对传感器的性能要求,本设计选用 朗斯公司的内装Ic压电加速度传感器LCO151T, 其频率范围为0.7~13 000.0Hz,灵敏度为 150mV/g,蹙程为33g,完金可满足本系统要求。 该传感器原理如图2所示,它将传统的压电加速 度传感器与电荷放大器集于一体,且输出信号具 有两线制连接特征,其巾的一根线为地线,另一根 线既作为信号输出线又作为放大器工作用恒流源 输入线,信号输出采用屏蔽效果比较好的低噪声 同轴电缆。特殊的结构町大大简化测试系统,并 有效提高测试精度和_T作町靠性。 图2 LCO】51T压电加速度传感器原理简图 2.2信号调理模块 LC0151T传感器需要外部提供24V(DC)、 4mA的恒流源才能正常工作,而且传感器的输出 信号叠加在8~12V的偏置电压上,这样不便于 对其输出信号进行放大等处理,因此需要设计信 号调理模块。信号调理模块的基本原理如图3所 示,其作用一是为LC01 5 1 T加速度传感器提供 图3 信号调理模块原理简图 24V(DC)、4mA的恒流电源,二是将LCO151T加 速度传感器输出的叠加在直流偏压上的交流被测 加速度信号通过CR高通隔直电路隔掉直流偏 压,最后输出交流加速度信号。 2.3 滤波器 供水管道常位于野外甚至是更为复杂的工业 环境当中,这就导致传感器所采集到的泄漏信号 中必然会包含外界突发干扰和白噪声,为了提高 信噪比,就必须设置滤波器,用以选取信号中有用 的频率成分。相关试验研究表明,管道泄漏信号 的高频成分截止到2kHz ,而噪声的频带则要宽 得多,故可设计低通滤波器抑制带外噪声。另外, 由于50Hz工频及其谐波干扰成分幅度高且持续 时间长,需想办法抑制其影响。基于此,笔者采用 二阶RC有源低通滤波器加高通滤波器组合构成 带通滤波器,以有效提取泄漏特征信息。 对于设计好的滤波器,采用试验的方法测试 其滤波性能。把信号发生器产生的幅度恒定的正 弦波施加到滤波器的输入端,同时在其输出端用 示波器进行观察,通过测试多个频率点的输入/输 出值,得到滤波器的频域响应曲线。本试验中滤 波器带通范围设置为200—2 O00Hz,由试验可知, 当输入信号频率在200~2 000Hz范围之内时,输 出信号的幅度比较稳定;而当输入信号的频率低 于200Hz或高于2 000Hz时,输出信号的幅值则 会随着频率的下降或上升出现大幅度衰减,这就 说明所设计的滤波器对50Hz工频及其谐波干扰 和2 000Hz以上的噪声信号有很好的屏蔽作用,满 足系统设计要求。 2.4放大器 管道泄漏信号的能量大小与传感器到漏点的 距离和泄漏量的大小有关,而这种能量的大小会 表现在传感器输出信号的幅度上,且差别可能会 很大。这样一来,若采用固定的增益放大器,则当 泄漏信号能量较小时,就会在A/D转换过程中产 生比较大的量化误差(因量化误差与输入电压成 反比),进而导致信噪比降低。由此,笔者采用低 噪声数字程控增益放大器(PGA),根据泄漏信号 能量不同由主控单元自动调整放大器的放大倍 数,进而将量化误差减小到最低程度。 2.5数据采集与主控单元 本系统的A/D转换器选用AD574A,单片机 选用STC89C52RC,实现数据采集与处理及系统 第5期 李忠虎等.工业环境下管道泄漏弱信号检测装置设计 575 控制等功能。AD574A是AD公司生产的12位逐 选择空闲模式和掉电模式。AD574A与 STC89C52RC的接口方式如图4所示。由于 AD574A为12位而STC89C52RC为8位,所以据 的传送需分步进行。本设计中数据分割形式采用 12位向左对齐输出格式,所以将低四位DB3一 次逼近型快速A/D转换器,具有转换速度快、精 度高、功耗低及外接元件少等特点。其内部含有 三态输出缓冲电路,可直接与各种微处理器连接, 而且内部还配置有高精度参考电压源和时钟电 路,并具有自动校零和自动极性转换功能,应用非 DB0接到高四位DB11~DB8上,读数时先读高八 位DB11~DB4,后读低四位DB3一DB0(此时DB7 一常方便。AD574A有单极性输入和双极性输入两 种工作方式,本设计中,由于要采集振动信号,因 此采用±5V双极性输人方式。STC89C52RC是 Intel公司生产的高性能8位单片机,属于80C51 增强型单片机版本,它结合了HMOS的高速和高 密度技术及CHMOS的低功耗特征,可通过软件 s_rC89 52RC 74I S373 DB4均为0)。另外,AD574A的工作过程由 STC89C52RC通过三态锁存器74LS373进行控 制,逻辑控制信号由单片机的P0发出,并由 74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上,实施控 制作用。 A 1)574 P0.7 PO.6 P0.5 PO.4 PO.3 I 0.2 )7 :6 )5 l A ・’ 0 ● Q7 Q6 Q5 n■V斗  I,・1 /-、● z Vl V V 5V PO.1 PO.0 Dl I)O Q1 QO A0 R/C -1. GND DB9 I) 8 I)B7 bipoff _[ DB Jl DBIO lnn I)R6 BlN 广i] I)B5 DB4 BOI J…I I)B3 100 AI I)B2 10Vm I)BI 20Vm 一±5V输入 WIl{1){ P3.目 l。 IC)EB 10 )GN1) S.rS 图4 AD574A与STC89C52RC接口电路 3软件系统设计 4 结束语 该信号检测装置主要完成管道泄漏声信号的 主要针对工业环境下供水管道泄漏微弱信号 的检测与提取进行研究,以内装IC压电加速度传 获取、调理、采集、存储以及传输等功能,而数据的 进一步处理则由上位机来完成,这样本装置的软 件系统就变得较为简单。软件系统主要包括初始 感器LC0151T为基础,设计了信号检测装置,并 进行了相应的试验研究。该装置可在一定空间范 化模块、参数设置模块、放大器增益自动控制模 块、数据采集模块、数据存储模块以及通信模块 等。这里需要特别说明的是放大器增益自动控制 模块,设置这一模块的目的是为了提高信噪比,使 被放大后的信号幅度尽量接近A/D转换器的动 围内判断管道是否泄漏,并可由上位机对检测结 果进行诸如互相关等运算后实现漏点定位功能。 参 考 文 献 [1] 刘燕.基于声波原理检测供水管道泄漏[J].无损检 测,2008,30(6):355~356. 态范围,具体做法是在开始数据采集之前,首先进 行数据预采集,根据预采集数据的幅度来确定放 大器的增益,而增益的计算方式采用通用的3 or 法则。 [2] 董永贵.传感技术与系统[M].北京:清华大学出版 社.2006. [3] 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,2006,25(1):30~38. (下转第579页) 第5期 刘希民等.直管式粘度计的研制 579 1536为最大;其次是直径的 =33.11;长度和压 参 考 文 献 d上, 童刚,陈丽君,冷健.旋转式粘度计综述[J].自动化 差的误差传递系数很小。因此,提高流量的测量 博览,2007,24(1):68~70. 精确度可以对直径的线膨胀特性进行补偿还可以 李必超.粘度测量的几种方法[J].石油仪器,2004, 进一步有效地提高粘度的测量精确度。 18(3):57~58. 5 结束语 俞有理,贾蕊.新型旋转毛细管粘度计测量血液流 笔者研制的直管式粘度计测量范围为5— 变特性方法[J].兰州理工大学学报,2005,31(12): 150mPa・S,被测流体温度0—100%,理论分析和 l50—152. 实际测量表明:测量精确度优于3%,可代替旋转 张秀梅,张兆谟,张尊立.压力式细管粘度计[J].仪 器仪表学报,1998,19(3):305—308. 式粘度计并可用于流体粘度的实时在线测量和控 章新友,周旭清,章青.对两种粘度计测量原理的分 制,实现了钻井液等流体的在线测量,解决了离线 析与改造[J].实验室研究与探索,2006,25(7):754 粘度测量实时性差和监测控制不及时的缺陷,为 ~757. 粘度测量提供了一种新的解决方案。在直管粘度 曾春元.宾汉流体水力参数优化程序设计方法[J]. 计的基础上,通过修改测量方案或增加装置,可较 石油钻探技术,1994,22(1):48—5O. 容易地实现流变性测量,这在石油钻探等领域有 刘希民.热电偶线性温度测量装置[J].仪器仪表学 着重要的意义。报,2007,28(4):53—56. 二J ]j1  2 3 4 ]J 1J5  1J6 ]J7  Development of Straight Pipe Viscometer LIU Xi-rain ,LIU Bao—shuang ,HUANG Ming—jian , ZHANG En—ping ,REN Hong—wel (1.School of Electrical Engineering,Jinan University,Jinan 250022,China; 2.Drilling Technology Research Institute fo Shengli Petroleum Administration,Dongying 257017,China) Abstract A straight pipe viscometer was proposed,and its measuring principle and working process were ana。 lyzed.Having measurement results compared with that of rotationa1 viscometer shows that within 5~150mPa・S, its viscosity measurement precision can reach 3%and the online measuring viscosity can be accomplished. Key words viscosity,straight pipe viscometer,MCU (上接第575页) Weak Signal Detector Design for Water Supply Pipeline Leakage in Industrial Environments LI Zhong—hu,LIANG De—zhi (School ofInformation Engineering,Inner Mongolia University ofScience and Technology,Baotou 014010,China) Abstract Considering the weak signal detection and data acquisition of water supply pipeline leakage in in。 dustrial environments,and in accordance with the design idea of low noise,low power consumption and low cost,a detector which having LC0151T built.in IC piezoelectric acceleration transducer based,and AD574A and STC89 C52 RC cored was designed and experimented to decide pipeline leakage and to locate the leakage position when integrating with the upper computer.The research results can also be extended to other applica。 tion areas. Key words pipeline leakage signal,weak signal detection,acoustic signal,acceleration transducer,data acquisition 

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