专利名称：一种液体压力管道泄漏检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液体压力管道泄漏检测及音频噪声定位方法及装置。
背景技术：
目前我国还没有对液体压力管道泄漏检测的专用设备。在水资源日渐匮乏的形式下，提高供水利用率是节水的当务之急。在输水管线上，由于管道的质量及使用时间等因素，泄漏问题时有发生。通常情况下，由于发现不及时，只有大量泄漏出现时，才全被发现，而在被发现之前已经浪费大量的水资源。为了降低供水的漏失率，研制出一种价格低、操作方便和性能可靠的泄漏检测装置是最为行之有效的防漏节水办法。
发明内容
本发明所述一种液体压力管道泄漏检测方法及装置，可以解决对液体压力管道进行泄漏检测及定位的问题，同时提供一种成本低、使用方便和性能可靠的管道泄漏检测方法及装置。
本发明所述一种液体压力管道泄漏检测方法，其步骤如下(1)、将测量管道内泄漏噪声的两只传感器放置于被测漏水管道两侧的暴露管线上拾取管道内的噪声信号；(2)、对通过步骤1收集的噪声信号，进行高通滤波、信号放大和自动增益，找出与漏水噪声相应的音频范围信号，将泄漏噪声信号直接通过电缆或通过无线发射方式送至泄漏定位分析系统；(3)、泄漏定位分析系统利用泄漏噪声传播到达两个传感器的时间不同，即利用两列信号的互相分析，即可确定泄漏噪声到达两个传感器的时间差；设x(t)，y(t)为所测量的两列信号，则其相关函数计算公式如下Rxy(τ)=limT→∞1T∫0Ty(t)x(t-τ)dt=Ryx(-τ)]]>若信号为周期信号或一段信号可以反映信号全部特征，则可以采用一个共同周期或一段信号内的均值代替整个历程的平均值；对于泄漏声波信号，只要采集的两列信号均覆盖了500m以内泄漏声波传播的全过程即可，不必无限制采集；这样，相关函数计算公式如下Rxy(τ)=1Tmax∫0Tmaxx(t)y(t+τ)dt=Ryx(-τ)]]>相关系数计算公式为ρxy(τ)=limT→∞1T∫0Tx(t)y(t+τ)dt-μxμyσxσy=Rxy(τ)-μxμyσxσy]]>其中τ为延迟时间，μx，μy分别为x(t)，y(t)两列信号的均值，σx，σy分别为x(t)，y(t)两列信号的方差，由于|ρxy(τ)|≤1，所以相关系数|ρxy(τ)|在-1，1的范围内，通过互相关系数的计算，位于最大相差系数的τ值，即为泄漏到达两个传感器的时间差；为了准确确定延迟时间，每次必须计算ρxy(τ)和ρxy(-τ)，由上可知pxy(-τ)=Rxy(-τ)-μxμyσxσy=Ryx(τ)-μxμyσxσy]]>若ρxy(τ)波形内找到相关系数最大点，则表明x(t)信号中泄漏到达的时间早于y(t)，即若ρxy(-τ)波形内找到相关系数最大的点，则表明x(t)信号中泄漏到达的时间晚于y(t)；若相关分析后计算延迟时间为零，则表明中间相关或为噪声干扰或表明泄漏位于两个传感器正中，应移动一个传感器位置的重新相关分析；(4)、根据该时间差，由两个传感器间的距离和声波在不同管材中的传播速度，计算出泄漏点距两个传感器的距离D＝2L+(V×Td)L＝0.5(D-V×Td)其中L为泄漏点距较近的传感器距离，D为两个传感器的距离，V为声波的速度，Td为泄漏声波到达两个传感器的时间差为Td；上述声波的速度V是由事先给定的不同管材、不同外径的管道速度表确定的。
本发明所述一种液体压力管道泄漏检测装置，它包括两个分别设置在被测管道两端采集泄漏噪声的时域信号和频域信号的振动传感器及恒流源电路、连接在上述振动传感器输出端的两路高通滤波电路、连接在上述高通滤波电路输出端的两路信号放大电路及自动增益放大电路、连接在上述两路信号放大电路及自动增益放大电路输出端的两路信号放大或衰减电路及无线发射模块组成的发射机部分；还包括两个无线接收模块、连接在上述两个无线接收模块输出端的两路信号放大电路、连接在上述两路信号放大电路输出端的两路A/D采样电路、连接上述两路A/D采样电路的，由USB接口电路和完成计算上述两个传感器接收的两列噪声信号到达的时间差及泄漏点距两个传感器距离的计算机共同组成的接收机部分。
如上所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于传感器采用陶瓷晶体加速度传感器。
如上所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于发射机部分的滤波电路采用6阶椭圆滤波电路或采用开关电容滤波电路。
如上所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于发射机部分的自动增益电路采用音频自动增益放大元件。
如上所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于无线发射机采用500mw的模拟发射模块，载波频率在450MHz的工业频段。
如上所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于在发射机部分的信号放大或衰减电路的输出端连接有采用具有片内A/D采样的单片机对信号的交流进行采样，并用状态条动态的显示信号强度的显示电路。
如上所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于所述接收机部分的USB接口包括集成采集卡。
本发明具有检测精度高、电路设置简单合理、工作可靠性好、设备的制造成本低和使用方便等优点和积极效果。
图1是本明所述一种液体压力管道泄漏检测装置的发射机部分的电路原理框图；图2是本发明所述一种液体压力管道泄漏检测装置的接收机电路原理框图；图3是本发明所述一种液体压力管道泄漏检测方法的主流程图；图4是本发明的系统工作示意图。
具体实施例方式
本发明的检测方法基本原理如下当管道发生泄漏时，能够产生比普通水声频率高较多的声压波沿管道传播，泄漏噪声频率高低主要取决于泄漏点的大小，泄漏噪声传播速度主要取决于管道直径和管材；通过放置在管道两端(泄漏点包围在中间)的振动传感器或声发射传感器测量泄漏信号，由于泄漏点可能位于管道不同位置，因此泄漏声传播到达两个传感器的时间不同，利用两列信号的相关分析，一般即可确定泄漏噪声到达两个传感器的时间差。根据该时间差，通过两个传感器间的距离和声波在该管材中的传播速度，即可计算出泄漏点距两个传感器的距离。
设x(t)，y(t)为所测量的两列信号，则其相关函数计算公式如下Rxy(τ)=limT→∞1T∫0Ty(t)x(t-τ)dt=Ryx(-τ)]]>若信号为周期信号或一段信号可以反映信号全部特征，则可以采用一个共同周期或一段信号内的均值代替整个历程的平均值。对于泄漏声波信号，只要采集的两列信号均覆盖了在500m以内泄漏声传播的全过程即可，不必无限制采集。这样，互相关函数计算公式可如下近似Rxy(τ)=1Tmax∫0Tmaxx(t)y(t+τ)dt=Ryx(-τ)]]>相关系数计算公式为ρxy(τ)=limT→∞1T∫0Tx(t)y(t+τ)dt-μxμyσxσy=Rxy(τ)-μxμyσxσy]]>其中τ为延迟时间，μx，μy分别为x(t)，y(t)两列信号的均值，σx，σy分别为x(t)，y(t)两列信号的方差，|ρxy(τ)|≤1。
由于相关系数在[-1，1]范围内，显然，采用相关系数计算比较方便，容易判断。通过互相关系数的计算，位于最大相关系数的τ值，即为泄漏到达两个传感器时间差。
由于事先无法知道泄漏点距哪一个传感器近，所以两个传感器的两列信号中泄漏噪声到达时间或早或晚于另一个，为了准确确定延迟时间，第次必须计算ρxy(τ)和ρxy(-τ)，由上面可知ρxy(-τ)=Rxy(-τ)-μxμyσxσy=Ryx(τ)-μxμyσxσy]]>为了区分两个振动传感器，将其标定为红色传感器和蓝色传感器，假定x(t)为红色传感器测的信号，y(t)为蓝色传感器测的信号，以红色传感器测定的信号x(t)为标准，若ρxy(τ)波形内找到相关系数最大的点，则表明x(t)信号中泄漏到达的时间早于y(t)，即泄漏距红传感器近些；若ρxy(τ)波形内找到相关系数最大的点，则表明x(t)信号中泄漏到达的时间晚于y(t)，即泄漏距红色传感器远些，距蓝色传感器近些；若相关分析后计算的延迟时间为零，则表明中间相关，或为噪声干扰或表明泄漏位于两个传感器正中，应移动一个传感器位置后重新相关分析。
泄漏位置的计算对于不同管材、不同外径的管道，声音传播速度不同，根据事先给定的速度表，可以知道，两个传感器间的距离也可测的。
假设泄漏点距较近的传感器距离为L，两个传感器间的距离为D，声波的速度为V，泄漏声波到达两个传感器的时间差为Td，则泄漏点距较近的传感器距离计算公式如下D＝2L+(V×Td)L＝0.5(D-V×Td)本发明的设备见图1、2所示，无线数字传输泄漏检测仪采用工业PC和高精度采集卡完成信号的采集，采用数字无线通讯的方式完成信号的传输，无线发射模块与工业采集PC采用串行口连接，主机由工业PC，配无线接收模块、DSP板和LCD液晶显示器，完成信号的接书、软件数字滤波和相关分析、输入输出和人机界面。
本发明还可采用有线传输泄漏检测，由两个检测端和相关分析仪主机级成，两个检测端只有振动传感/变送器，主机由工业PC、高精度采集卡、DSP板、LCD液晶显示器和蓄电池供电装置组成，由软件完成信号的数字滤波、相关分析、输入输出和入机界面等。
无线模拟传输泄漏检测仪由两个检测端和相关分析仪主机组成，两个检测端由振动传感器/变送器和无线模拟发射模块、蓄电池供电装置组成，主机由工业PC、高精度采集卡、DSP板、LCD液晶显示器、对应的两块无线模拟接收模块和蓄电池供电装置组成，同样由软件完成信号的数字滤波，相关分析、输入输出和人机界面等。
系统工作方式参看图41、将两只传感器放置于漏水管道两则的管线上，可以放在水井，水表，消火栓或其它与管道直接相连的暴露管线上。要求根据管线的情况，尽可能离泄漏点近一些，这样效果比较好。
2、接好发射机，接收机和笔记本并开机。
3、打开相关软件，根据说明书的步骤进行相关判断漏点的位置。
发射机电路设计见图1发射机是完成噪声拾取，选择和放大的主要设备，因此其设计也直接影响最后的结果，由于噪声信号集中在音频范围，而工作环境中又存在着大量的干扰噪声，因此进行适当的滤波就成为了必不可少的工作，另外，现场噪声的强度也不一致，由此，动态的信号放大也是一个技术要点。
工作环境中，汽车噪声是随机的，而且其强度很大，必须要对其进行滤除，正常的汽车噪声经过现场测试，传到管道上的主要集中在几十赫兹的频段上，因此在滤波电路中要对几十赫兹的低频噪声进行大幅衰减，至少要衰减50dB，要完成这个指标，必须要至少6阶的椭圆滤波或8阶的切比雪夫，贝塞尔滤波器才能完成，或者可以采用开关电容滤波集成电路，其效果也很好。
自动增益电路可以选用有级的程控增益电路或无级的自动增益电路，在现场噪声比较随机的情况下，无级的自动增益电路对相关结果更有保障，因此选用合适的自动增益放大芯片对仪器的灵敏度也将产生一定的影响。
图1中传感器采用陶瓷晶体加速度传感器，灵敏度10V/g，带宽为0-5000Hz，4mA恒流源输入。
恒流源电路可采用标准电路。
滤波电路由于要求对阻带有60-80dB的衰减，而且过渡带较窄，因此可采用6阶椭圆滤波电路或采用开关电容滤波电路。
自动增益电路可采用音频自动增益放大元件，也可以自行设计。
信号调理是根据无线信号发射模块地输入要求将信号进行适当的放大或衰减。
无线发射可采用500mW的模拟发射模块，载波频率可在450MHz的工业频段。
信号强度显示可采用具有片内A/D采样的单片机对信号的交流进行采样，并用状态条动态的显示信号的强度。
图2中，信号调理电路负责将接收到的信号经过适当的放大，使之适合A/D采样电路的输入范围A/D采样电路采样速率为10K/s，时间误差不超过1‰。
USB接口可以有集成采集卡提供，也可以自己设计。
本发明的软件设计方案为了保证系统的可靠性，尽量提高系统的处理速度，在主机采用Windows NT4.0操作系统的MSVC++6.0来完成。软件模块有1、数据采集A/D转换模块2、无线通讯模块3、检测端电池耗电量在线检测模块4、水声播放模块5、数字滤波模块6、FFT块速傅立叶变换及谱分析模块7、互相关分析模块8、泄漏定位统计分析确认模块9、多种管材(10种以内)泄漏定位模块10、基于线性回归的计算模式理论(与传播速度无关)泄漏定位模块11、自相关分析模块
12、两个传感器间管道距离则量模块(包括引入噪声源位于两个传感器中间和外面两种情况)13、声音传播速度表管理及数据插值模块14、人机界面模块15、主机电池耗电量在线检测模块16、不同管材声音传播速度测量模块(包括引入噪声源位于两个传感器中间和外面两种情况)所有显示的图形有；两上振动传感器所采集的时域信号、频域信号、滤波后的时域信号、相关分析结果。
所有可保存的数据有两个振动传感器所采集的时域信号、频率信号、相关分析结构果。
工作方式采用人机界面操作方式进行，当进行相关分析时，1s时间完成数据采集、传输、数字滤波、相关分析及图形显示一次。当发现泄漏点，自动确定后即可停止，否则，持续采集、分析，直到人为停止为止。
权利要求
1.一种液体压力管道泄漏检测方法，其步骤如下(1)、将测量管道内泄漏噪声的两只传感器放置于被测漏水管道两侧的暴露管线上拾取管道内的噪声信号；(2)、对通过步骤1收集的噪声信号，进行高通滤波、信号放大和自动增益，找出与漏水噪声相应的音频范围信号，将泄漏噪声信号直接通过电缆或通过无线发射方式送至泄漏定位分析系统；(3)、泄漏定位分析系统利用泄漏噪声传播到达两个传感器的时间不同，即利用两列信号的互相分析，即可确定泄漏噪声到达两个传感器的时间差；设x(t)，y(t)为所测量的两列信号，则其相关函数计算公式如下Rxy(τ)=limT→∞1T∫0Ty(t)x(t-τ)dt=Ryx(-τ)]]>若信号为周期信号或一段信号可以反映信号全部特征，则可以采用一个共同周期或一段信号内的均值代替整个历程的平均值；对于泄漏声波信号，只要采集的两列信号均覆盖了500m以内泄漏声波传播的全过程即可，不必无限制采集；这样，相关函数计算公式如下Rxy(τ)=1Tmax∫0Tmaxx(t)y(t+τ)dt=Ryx(-τ)]]>相关系数计算公式为ρxy(τ)=limT→∞1T∫0Tx(t)y(t+τ)dt-μxμyσxσy=Rxy(τ)-μxμyσxσy]]>其中τ为延迟时间，μx，μy分别为x(t)，y(t)两列信号的均值，σx，σy分别为x(t)，y(t)两列信号的方差，由于|ρxy(τ)|≤1，所以相关系数|ρxy(τ)|在-1，1的范围内，通过互相关系数的计算，位于最大相差系数的τ值，即为泄漏到达两个传感器的时间差；为了准确确定延迟时间，每次必须计算ρxy(τ)和ρxy(-τ)，由上可知ρxy(-τ)=Rxy(-τ)-μxμyσxσy=Ryx(τ)-μxμyσxσy]]>若ρxy(τ)波形内找到相关系数最大点，则表明x(t)信号中泄漏到达的时间早于y(t)，即若ρxy(-τ)波形内找到相关系数最大的点，则表明x(t)信号中泄漏到达的时间晚于y(t)；若相关分析后计算延迟时间为零，则表明中间相关或为噪声干扰或表明泄漏位于两个传感器正中，应移动一个传感器位置的重新相关分析；(4)、根据该时间差，由两个传感器间的距离和声波在不同管材中的传播速度，计算出泄漏点距两个传感器的距离D＝2L+(V×Td)L＝0.5(D-V×Td)其中L为泄漏点距较近的传感器距离，D为两个传感器的距离，V为声波的速度，Td为泄漏声波到达两个传感器的时间差为Td；上述声波的速度V是由事先给定的不同管材、不同外径的管道速度表确定的。
2.一种液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于它包括两个分别设置在被测管道两端采集泄漏噪声的时域信号和频域信号的振动传感器及恒流源电路、连接在上述振动传感器输出端的两路高通滤波电路、连接在上述高通滤波电路输出端的两路信号放大电路及自动增益放大电路、连接在上述两路信号放大电路及自动增益放大电路输出端的两路信号放大或衰减电路及无线发射模块组成的发射机部分；还包括两个无线接收模块、连接在上述两个无线接收模块输出端的两路信号放大电路、连接在上述两路信号放大电路输出端的两路A/D采样电路、连接上述两路A/D采样电路的，由USB接口电路和完成计算上述两个传感器接收的两列噪声信号到达的时间差及泄漏点距两个传感器距离的计算机共同组成的接收机部分。
3.如权利要求2所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于传感器采用陶瓷晶体加速度传感器。
4.如权利要求2所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于发射机部分的滤波电路采用6阶椭圆滤波电路或采用开关电容滤波电路。
5.如权利要求2所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于发射机部分的自动增益电路采用音频自动增益放大元件。
6.如权利要求2所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于无线发射机采用500mw的模拟发射模块，载波频率在450MHz的工业频段。
7.如权利要求2所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于在发射机部分的信号放大或衰减电路的输出端连接有采用具有片内A/D采样的单片机对信号的交流进行采样，并用状态条动态的显示信号强度的显示电路。
8.如权利要求2所述的人工智能液体压力管道泄漏检测装置，其特征在于所述接收机部分的USB接口包括集成采集卡。
全文摘要
本发明公开了一种液体压力管道泄漏检测方法及装置，其步骤如下将测量管道内泄漏噪声的两只传感器放置于被测漏水管道两侧的暴露管线上拾取管道内的噪声信号；对噪声信号，进行高通滤波、信号放大和自动增益，找出与漏水噪声相应的音频范围信号，将泄漏噪声信号直接通过电缆或通过无线发射方式送至泄漏定位分析系统；泄漏定位分析系统利用泄漏噪声传播到达两个传感器的时间不同，即利用两列信号的互相分析，即可确定泄漏噪声到达两个传感器的时间差；根据该时间差，由两个传感器间的距离和声波在不同管材中的传播速度，计算出泄漏点距两个传感器的距离。本发明具有检测精度高、电路设置简单合理、工作可靠性好、设备的制造成本低和使用方便等优点和积极效果。
文档编号G01M3/26GK1755342SQ20041008022
公开日2006年4月5日 申请日期2004年9月28日 优先权日2004年9月28日
发明者杨月仙, 詹平, 张雪梅 申请人:北京埃德尔黛威新技术有限公司