基于相关检测的漏点定位系统设计

　　0　引　言

　　液体或气体输送管道的泄漏导致资源浪费和危害,如果在发生泄漏后尽快找到泄漏点,就能及时补救。

　　1　漏水管道的物理特性

　　管道发生漏水时,喷出管道的水与漏口发生磨擦以及与周围介质产生撞击,会产生不同频率的震动,产生漏水声。漏水声通常分为3种:漏口摩擦声、水头撞击声和介质摩擦声。漏口摩擦声频率为300~2500Hz,沿管道传播。水头撞击声频率在100~800Hz[1],可在地面被检测。介质摩擦声的频率最低,通常用于漏点的最后定位。本文利用水头撞击声设计一种漏点定位系统。

　　2　系统理论分析

　　2.1　传感器的选用与设置

　　测量点的振动可以经振动传感器转化为电压信号,然后进入漏点定位系统。本设计选用的是动圈式振动速度传感器,它与陆上石油地震勘探中普遍采用的地震检波器的工作原理相同[2],其输出电压与被测物体的振动速度成正比。

　　传感器设置如图1所示。PABO为边长为a的正方形,P点、O点和Q点在一条直线上,且PO=OQ。声波检测传感器设置在这5个点上。本系统使用时需要以O点为中心转动,当PQ垂直于OX时测量OX的值,此时PX=QX。

　　2.2　漏点方向的确定

　　设漏点声波信号为X(t),则P、Q传感器接收到的漏点信号分别为:

　　P点:XP(t+Δt)　　Q点:XQ(t)

　　背景噪音信号分别为:

　　P点:Np(t)　　Q点:NQ(t)

　　其收到的实际信号分别为:

2.3　漏点定位系统

　　2.3.1　漏点定位系统的理论分析

　　漏点声波信号为X(t),则P点和O点传感器接收到的漏点信号分别为:

　　P点:X(t+tP)　　O点:X(t+tO)

　　再将A点和B点传感器接入如图3所示的系统,同理测试出延时值Δt2=τ0。由下式计算出BX:

　　相关函数峰点跟踪系统如图5所示。先对一路输入信号进行微分,再将其与另一路信号进行相关处理,得到的就是相关的微分[4]。微分后的信号用于延时跟踪环的调整。互相关函数的微分如图4所示,它可能为正值或负值,但是在互相观函数的峰点处,它总是为零,而且在其两侧符号相反。

　　图5中的延时线可以用移位寄存器实现,调整其时钟频率就调整了延时线上实现的延时量。相关函数的微分结果用来控制压控振荡器(VCO)的输出频率f,即移位寄存器的移位频率。若移位寄存器的级数为K,则所实现的延时量为τ=K/f。

　　2.3.3　单片机及其辅助模块

　　MCS51系列单片机内部设置了两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1,它们具有计数器和定时器两种工作方和4种工作模式,通过设置状态字,可以方便地选择适当的工作方式与工作模式。采用计数器T0的16位定时模式,用于对输入频率信号的测周。计数值由Δt=kN/mfC可得到延时值。