基于USB AE模塊的便攜式管道聲發(fā)射泄漏檢測系統(tǒng)開發(fā)

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（1.北京化工大學 化工安全教育部工程研究中心，北京 100029；2.美國物理聲學公司 北京代表處，北京 100029）

基于USB AE模塊的便攜式聲發(fā)射檢測設備是新型的聲發(fā)射設備，其靈活性大大提高，是聲發(fā)射檢測技術的重要發(fā)展，對于聲發(fā)射檢測技術的推廣與應用具有重要意義。

聲發(fā)射檢測過程中，當管道泄漏時，由于內部壓力，造成管道中介質噴射從而誘發(fā)瞬態(tài)彈性波，并且其沿管壁材料傳播到表面，產生表面微位移。將聲發(fā)射傳感器置于管壁，傳感器通過壓電效應將材料表面的微機械振動轉化為電信號，然后經放大、傳輸后顯示和處理。聲發(fā)射信號實際上是由一個或多個AE事件經系統(tǒng)處理得到的電信號［1]。這些來自聲發(fā)射源（即泄漏點）的信號載有源的特征信息，解析這些信息可以掌握管道的泄漏情況，達到檢測泄漏的目的。

筆者將闡述利用USB AE模塊設計多通道的便攜式聲發(fā)射設備，并圍繞如何提高便攜式USB聲發(fā)射軟件系統(tǒng)可操作性這一問題，重點研究基于USB AE模塊的管道泄漏檢測系統(tǒng)的開發(fā)。

1 硬件結構

1.1 USB AE模塊

試驗所使用的是美國物理聲學公司（PAC）的高性能USBAE模塊。與傳統(tǒng)的聲發(fā)射板卡不同，USB AE模塊是基于USB（Universal Serial Bus）通用串行總線技術的，這一技術進步使得聲發(fā)射設備脫離了PCI插槽的束縛，從而可以擺脫笨重的工控機。USB AE模塊體積更小靈活性更大，但其功能并不比傳統(tǒng)聲發(fā)射設備少，聲發(fā)射實時特征抽取與波形采集器等功能都可以實現。每一個USB AE模塊為單通道。它不需要外部電源，可以通過通用USB數據線直接與計算機連接形成聲發(fā)射采集分析系統(tǒng)。

USBAE模塊具有18位A/D轉換、20 M/s的采樣率和1 MHz的帶寬。該模塊集成了前置放大電路。放大電路的輸入輸出信號都為模擬信號，它是一個模擬電路，放大倍數為40 dB，通頻帶為20～1 000 kHz，輸入噪聲電壓小于5μV。

1.2 多通道便攜式USB AE聲發(fā)射系統(tǒng)硬件設計

筆者設計使用多個USB AE模塊組成多通道聲發(fā)射系統(tǒng)。利用RJ45接口，使用連接線（帶有RJ45型插頭的網線）將4個USB AE模塊連接形成4通道系統(tǒng)，低通道序號模塊的LINK OUT接口連接高序號通道模塊的LINK IN接口。該系統(tǒng)中，傳感器采集的聲發(fā)射信號經信號電纜輸入到USB AE模塊，完成A/D轉換，再經USB通信協(xié)議接口傳輸至計算機，如圖1所示。

圖1 USB AE硬件結構

系統(tǒng)配備使用的是美國物理聲學公司的Al pha系列傳感器中的R3a和R6a傳感器。主要功能是利用壓電原理實現機械能與電能之間的能量轉化。

由于USB AE模塊使用的是USB通用串行總線協(xié)議，所以該系統(tǒng)的計算機終端選擇裝載Window7系統(tǒng)的筆記本電腦，更加體現了該系統(tǒng)的便捷性。計算機的USB接口供給5 V、500 mA的電能給USB AE模塊。

系統(tǒng)所選用信號電纜為1 m的1502－4003－1型電纜和2 m的1502－4003－2型電纜，它們都為75Ω的同軸電纜。

2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

2.1 現有聲發(fā)射軟件系統(tǒng)的局限性

現有的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，操作設置復雜且需要大量從業(yè)經驗，操作性、適用性有待提高。如AE通道設置，需設置每個通道的門檻值、模擬濾波器上下限、采樣率、預觸發(fā)、長度。模擬濾波器的設置需根據對象不同而進行不同的設置，需要豐富的專業(yè)知識。AE定時參數PDT/HDT/HLT的設置，需要根據檢測對象材料的不同來設置經驗值。

聲發(fā)射參數眾多，如撞擊、事件計數、幅值、ASL值、RMS值等，但是這些參數對于不同的檢測對象并不是全部都有意義，軟件中對于檢測對象沒有意義的參數采集不但浪費了資源，也使得操作人員對各種參數混淆，容易操作錯誤。因此急需設計針對特定環(huán)境和對象的便攜式USB聲發(fā)射檢測系統(tǒng)來滿足使用需求。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

2.2.1 開發(fā)平臺

為保證軟件的可靠性和可移植性，該系統(tǒng)軟件采用Windows 7操作系統(tǒng)和Visual Studio C＋＋2012作為程序開發(fā)平臺。C＋＋語言的可靠性、靈活性、高繼承性、便于移植等特點，成就了它代碼質量高、可讀性好、安全性強等優(yōu)點，非常適合本次研究。C＋＋的面向對象功能，使得軟件的界面化得以保證，人機交互可以實現。

2.2.2 采集模塊

該系統(tǒng)開發(fā)是以美國物理聲學公司（PAC）的底端開發(fā)環(huán)境為基礎。該底端開發(fā)環(huán)境為系統(tǒng)開發(fā)提供動態(tài)鏈接庫，動態(tài)鏈接是一種應用程序運行時與庫鏈接的機制。系統(tǒng)通過訪問、調用該動態(tài)鏈接庫來控制、操縱USB板卡。采集模塊以此為基礎，通過調用分析PAC公司提供的動態(tài)鏈接庫來實現數據的采集活動。

2.2.3 數據傳輸與儲存模塊

系統(tǒng)開發(fā)充分利用USB總線的帶寬，設計為多線程，采集、保存、顯示都為獨立的線程［2]。需使各個線程保持高度同步，從而保證系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)基于C＋＋面向對象功能，實現人機交互界面，對數據進行顯示、分析。

為了實現系統(tǒng)數據傳輸的可靠性與準確性。該系統(tǒng)設計了具有完備功能的數據傳輸協(xié)議。USB提供的四種傳輸模式保證了系統(tǒng)設備間的實時聯(lián)系。在USB AE設備接入計算機進行配置時，依靠USB的控制傳輸方式發(fā)送請求給USB設備，進行配置。USB的同步傳輸模式在采集數據的時候可以保證數據到主機的同步傳輸［3]。為了保證數據傳輸的準確性，將數據包的格式定義為報頭與報文兩部分。報頭（head）部分存儲有數據的版本號、通道號、存儲地址等信息。報頭的封裝提高了數據包傳輸及尋源的準確度。報文部分主要包括數據的類型、數據信息等。

2.2.4 系統(tǒng)功能

管道泄漏檢測系統(tǒng)包括以下幾個基本功能：

（1）參數設置：該系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，不需要進行許多需要專業(yè)知識的參數設置，軟件已經將管道泄漏的參數設置集成到系統(tǒng)中。使用時只需要根據環(huán)境噪聲適當調整門檻值，以及管道、環(huán)境等相關數據。

（2）顯示：系統(tǒng)可建立并顯示多種聲發(fā)射圖譜。除了圖譜顯示外還可顯示數據，將所需數據以列表形式顯示出。

（3）定位：可進行管道泄漏點的定位，并可顯示三維的定位圖。

（4）微調選項：聲發(fā)射信號受周圍環(huán)境等其他因素的影響比較大，在檢測時需要對設置進行調整，但是這種調整無不需要豐富的經驗。針對這一問題，在該系統(tǒng)開發(fā)中，設計微調功能，該功能類似收音機的微調功能。微調功能將檢測時可以改變的參數設置慢慢進行微小的組合調整，直到達到要求。

2.3 管道泄漏檢測模塊算法

2.3.1 信號處理方法

聲發(fā)射能量分析法適用于連續(xù)聲發(fā)射信號，不依賴于任何閾值電壓，故采用能量分析法。聲發(fā)射參數中，RMS值和ASL值反映聲發(fā)射的大小，不受門檻值的影響，非常適用于連續(xù)聲發(fā)射且測量簡單，故試驗選擇ASL值和RMS值來評判管道的泄漏［4]。

有效值電壓（RMS）表示采樣時間內信號的均方根值，以V表示。平均信號電平（ASL）表示采樣時間內，信號電平的平均值，以Db表示。

使用能量分析法進行信號處理：

（1）將4～20 mA的電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘?。聲發(fā)射傳感器利用壓電效應將聲發(fā)射源發(fā)出的瞬態(tài)彈性波所產生的位移轉換為電信號，即4～20 mA的電流信號。系統(tǒng)將經過信號轉變處理得到的4～20 mA電流與0～5 V的電壓值線性對應。（2）有效值電壓（RMS）為：

式中：V（t）為隨時間變化的信號電壓值；ΔT為平均時間，ΔT＝T2－T1。

通過試驗得知，對于泄漏檢測，ΔT值一般為0.5～5 s。

（3）平均信號電平（ASL）為：

式中：ASL單位為dB；pre為前置放大器增益，單位為dB。ASL值的意義是為了縮小數量級，以提高數據的可讀性。

該系統(tǒng)設計采用ASL值為定性評判被檢測管道泄漏與否的決定值，也是估算管道、閥門泄漏率的唯一主要變量［5]。

2.3.2 定位算法

該系統(tǒng)應用于管道的泄漏檢測，定位方式主要為線定位和平面定位。當管道的長徑比非常大時，采用時差線定位的方法［6－7]；當管道長徑比小時，采用平面定位。系統(tǒng)開發(fā)主要面對的是長徑比大的管道，所以使用線定位算法。

如圖2（a）所示，聲發(fā)射源在1，2傳感器之間，t1，t2為傳感器1、2接收到聲發(fā)射信號的時間，D為兩傳感器間距。可以計算出聲發(fā)射源距傳感器1的距離d為：

式中：V為聲波在管道的傳播速度；Δt為兩傳感器接收到信號的時間差。

圖2 管道線定位圖

當聲發(fā)射源在傳感器陣列外部時，如圖2（b）所示，Δt均為D/V，聲發(fā)射源定位為傳感器1外部。

如式（3）所述，只需得到傳感器接收信號的時間差Δt以及聲波在檢測材料中的傳播速度，即可計算出泄漏源的位置。管道泄漏的聲發(fā)射信號為連續(xù)聲發(fā)射信號，連續(xù)信號兩個波之間的時間延遲由互相關方法得到［8]。兩波的互相關函數為：

式中：X（t）為傳感器X接收到來自連續(xù)AE源的波；Y（t＋τ）為傳感器Y接收到的來自同AE源的波，與X（t）的時間延遲為τ；ΔT為一個有限的時間間隔，單位為ms。

X，Y兩傳感器接收到同AE源所發(fā)出波的時間差Δt可以由互相關函數XY（τ）的最大峰值處來得到，Δt＝τ。

3 應用試驗

3.1 試驗設備

搭建管道泄漏模擬試驗平臺，在該平臺使用便攜式USB AE系統(tǒng)，驗證其功能的有效性與準確性。

試驗臺選用長2 m、外徑100 mm、壁厚10 mm的無縫鋼管模擬泄漏管道。在管道兩端分別連接水泵和球閥，用于加壓和壓力調節(jié)。管中介質為水，當試驗時，由揚程為28 m的耐腐節(jié)能管道泵加壓至0.3 MPa。以管道連接泵一端為零點，沿軸向方向分別在0.7，1.3 m處設置AE傳感器。為模擬泄漏孔，沿軸向方向，在距零點1.25 m位置制作直徑為1.2 mm的孔，如圖3所示。試驗時將另一臺空氣泵開啟運行，用于模擬現場環(huán)境噪聲。

圖3 模擬試驗平臺

3.2 試驗步驟

（1）參數設置：將模擬泄漏孔封堵住，將模擬環(huán)境噪聲的空氣泵打開，應用軟件測量噪聲，以便設置門檻值。經測量，噪聲信號為26 dB，故將門檻值設置為30 dB。將泄漏孔堵住，當管道內壓力加到預計的0.3 MPa并穩(wěn)定后開始采集，此時ASL值為14 dB，故ASL報警值設為30 dB。

（2）使用微調功能調整設置。建立ASL值隨時間變化圖、RMS值隨時間變化圖、撞擊隨時間變化圖、功率譜圖。

（3）開放泄漏孔，在管道壓力穩(wěn)定在0.3 MPa后開始采集，觀察圖像，如圖4所示。

圖4 AE信號圖譜

（4）進行泄漏點定位，并計算誤差及誤差分析。將傳感器置于四個不同位置進行四組定位試驗。傳感器的設置及四組試驗的泄漏點定位數據見表1。圖5為第一組試驗定位圖。

表1 四組試驗泄漏點定位數據

圖5 泄漏點定位3D圖

3.3 試驗結果分析

（1）由ASL值隨時間變化圖可以看出，在壓力穩(wěn)定開始采集后，ASL值穩(wěn)定并且明顯高于報警值。說明系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測管道的泄漏情況。

（2）綜合四組定位試驗結果可見，驗證系統(tǒng)可以完成管道泄漏點的定位功能，但定位存在著誤差。定位誤差原因可能為系統(tǒng)算法的不精確度、環(huán)境對定位的影響、傳感器的不精確度、管道材料對聲發(fā)射信號的衰減等。

由上述試驗結果可以看出，該系統(tǒng)可以準確地判斷管道的泄漏情況，可以建立相關數據的圖譜進行分析，根據泄漏信號可以將泄漏點的位置進行定位。綜上，可以證明該系統(tǒng)可以實現預計的功能。

4 結語

應用強大的C＋＋程序編譯語言，設計開發(fā)了針對管道泄漏檢測的便攜式USB聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。通過管道泄漏模擬試驗，驗證了該系統(tǒng)的可行性，實現了聲發(fā)射數據的實時采集、儲存和顯示等功能以及聲發(fā)射源定位的功能。與傳統(tǒng)的通用類聲發(fā)射系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在管道泄漏檢測方面展現出優(yōu)良的性能，界面簡潔、操作方便、適用性良好，具有廣泛的應用前景。

目前，面向特定對象的便攜式USB聲發(fā)射系統(tǒng)開發(fā)還剛剛起步，該系統(tǒng)對于管道泄漏量的估算以及定位準確性方面還尚顯不足，還需要進一步研究。今后的研究重點是：

（1）進一步研究基于便攜式USB設備的管道泄漏檢測系統(tǒng)。通過大量基礎試驗得出管道泄漏的相對準確的泄漏量估算公式以及調整定位公式的參數設置及算法。

（2）總結開發(fā)管道泄漏模塊的經驗和技術，發(fā)展更多的面向不同環(huán)境和對象的USB AE檢測系統(tǒng)。

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