吳天豪
(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)
一種基于相關(guān)測漏原理的地下供水管道漏點(diǎn)定位儀*
吳天豪
(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)
提出了一種新型漏點(diǎn)定位儀。在當(dāng)前相關(guān)測漏原理的基礎(chǔ)上,利用相關(guān)檢測的原理,結(jié)合壓電傳感器、信號(hào)放大電路、模擬濾波電路以及DSP信號(hào)處理模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)漏水聲音的采集、放大、自動(dòng)濾波以及自動(dòng)處理、對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)化精準(zhǔn)定位的功能。
測漏原理;漏點(diǎn)檢測;供水管道;漏點(diǎn)定位
水是人類生存的必要條件之一,是世界各國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。我國是一個(gè)水資源缺乏的國家,人均水量只相當(dāng)于世界人均占有量的1/4,在我國仍有一部分城市的水資源不能滿足生產(chǎn)生活需要。對(duì)此,國家出臺(tái)一系列政策鼓勵(lì)節(jié)約用水,研究如何節(jié)水,節(jié)約點(diǎn)滴水資源具有十分重要的意義。然而,在我國供水管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的過程中,每年因管道漏水不僅造成大量水資源浪費(fèi),還帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。加強(qiáng)管道漏水的檢測和處理,是最有效、最快捷的供水管網(wǎng)漏水防治措施。當(dāng)前,應(yīng)用最普遍的地下管道泄漏探測技術(shù)方法主要是音聽檢漏法。該方法需分步查漏,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,同時(shí)受聲音的強(qiáng)弱、外界影響大,且甄別水管漏水在很大程度上依靠人的經(jīng)驗(yàn)。為克服以上弊端,相關(guān)的測漏法應(yīng)運(yùn)而生,它們是在已知管道長度與漏水聲傳播速度的條件下,通過相關(guān)的算法,求得漏水聲傳至待檢測管道兩端的時(shí)間差,以確定漏點(diǎn)的位置。但這些方法自動(dòng)化水平較低,在測距、測速方面需要人為操作。
本文結(jié)合現(xiàn)有的主要檢測漏水方法,基于相關(guān)測漏原理,即通過檢測判斷漏水聲到達(dá)某特定位置的時(shí)間差判斷漏水點(diǎn)。該方法不僅可以對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的檢測和監(jiān)控,提前告知漏點(diǎn),還可以有效節(jié)省水管維修管道的時(shí)間,節(jié)約維修成本,對(duì)水管檢修具有重要的意義,同時(shí)還可以減少水資源的浪費(fèi)。
本設(shè)計(jì)主要由壓電傳感器、水流量傳感器、放大電路、模擬濾波器以及DSP系統(tǒng)電路組成,整體方案和傳感器安裝位置如圖1所示。
壓電傳感器:主要利用壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換,當(dāng)壓電材料受到外力時(shí),其表面將產(chǎn)生電荷,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。漏水點(diǎn)處振動(dòng)發(fā)出的聲波可沿管道向兩端傳播,安裝于水管兩側(cè)外部的傳感器在不同時(shí)間接收到該聲波并進(jìn)行處理。選用YD30D壓電傳感器,其靈敏度高、通用性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)、性價(jià)比高、安裝方便。
放大電路:可增大來自傳感器的信號(hào),便于后續(xù)處理。
模擬濾波器:可將熱電發(fā)電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來,通過輸出穩(wěn)定的電流供給激光二極管使用,使其正常工作。
DSP系統(tǒng):將采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、相關(guān)運(yùn)算,從而得出漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。主機(jī)采用數(shù)字信號(hào)處理專用芯片TMS320C5420,具有較快的運(yùn)行速度,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測與反饋。
圖1 整體方案和傳感器安裝位置
相關(guān)檢測原理說明:設(shè)L為被測管道長度,A,B為管道的2個(gè)端點(diǎn),X1和X2為漏點(diǎn)距兩端的距離。泄漏發(fā)生后,在漏點(diǎn)處由于水流的沖擊,會(huì)引起周圍介質(zhì)的振動(dòng),這樣就會(huì)產(chǎn)生以漏點(diǎn)為中心的漏水聲波信號(hào)。該漏水聲波信號(hào)將以聲速沿管道向兩端傳播,在A,B端點(diǎn)安裝的傳感器會(huì)在不同時(shí)刻檢測到這一信號(hào)。利用其時(shí)間差即可求得漏點(diǎn)距離管道端點(diǎn)的位置,從而準(zhǔn)確定位漏點(diǎn)位置。
將傳感器歸為信號(hào)采集模塊,放大電路與濾波電路部分歸為信號(hào)預(yù)處理及信號(hào)傳輸模塊,將DSP部分歸為信號(hào)處理及反饋模塊。
該模塊的中心元件為2類傳感器,即壓電傳感器和水流量傳感器。它的基本結(jié)構(gòu)包括殼體、彈簧、慣性質(zhì)量塊、壓電晶體片和輸出端。慣性質(zhì)量塊壓在壓電晶體片上的力會(huì)隨著傳感器受到的機(jī)械應(yīng)力而變化,晶體片由此產(chǎn)生形變,形成壓電效應(yīng),進(jìn)而形成有規(guī)律的電荷,由輸出端將電信號(hào)輸出。傳感器的固有頻率表示為:
式(1)中:K為結(jié)晶體片的剛度;Ms為慣性質(zhì)量塊質(zhì)量;Mb為殼體和基座的質(zhì)量;E為晶體的楊氏模量;D為陶瓷晶體片的直徑;T為晶體片的厚度。
首先需提高整個(gè)系統(tǒng)的輸入阻抗,避免微弱的漏水信號(hào)在前級(jí)傳感器輸出電阻中損耗,因此將TL084中的一個(gè)運(yùn)放輸出端和對(duì)應(yīng)反向輸入端相連。同時(shí),放大電路采用兩級(jí)通向信號(hào)放大,可以有效放大微小漏水信號(hào),滿足要求。查閱相關(guān)資料可知,漏水信號(hào)頻率一般小于2 000 Hz。
DSP主機(jī)將單片機(jī)采來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,從而計(jì)算出漏點(diǎn)的位置。為了克服隨機(jī)干擾引入系統(tǒng)的誤差,采用遞推平均濾波法實(shí)現(xiàn)軟件數(shù)字濾波,以濾除或抑制有效信號(hào)中的干擾成分,消除系統(tǒng)隨機(jī)誤差,同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的平滑處理,以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
該漏點(diǎn)探測法較當(dāng)前主要使用的音聽探測法來說更為精準(zhǔn)、方便且穩(wěn)定,較當(dāng)前技術(shù)較為先進(jìn)的超聲波探測等方法而言價(jià)格更低,較當(dāng)前的相關(guān)探測法而言,可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道是否漏水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,精準(zhǔn)定位后及時(shí)反饋,功能更全面,因此,可推廣性強(qiáng),具有廣闊的應(yīng)用前景。
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[2]高濤,李晗.輸氣管道泄漏檢測及定位技術(shù)分析[J].石化技術(shù),2017,24(09):23.
TU991.64
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.059
2095-6835(2018)01-0059-02
*國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助《一種基于相關(guān)測漏原理的地下供水管道漏點(diǎn)定位儀》編號(hào):20171049704017
〔編輯:劉曉芳〕