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