本文提出了應(yīng)用互相關(guān)技術(shù)探測(cè)法，即采用傳感器，從而達(dá)到地下自來水管道漏水部位定點(diǎn)檢測(cè)的效果，本文還給出了水漏探測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)框圖與軟件流程圖。該儀器應(yīng)用了新l6位單片機(jī)MSP430F149和數(shù)字信號(hào)處理專用芯片TMS320C5402，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理速度明顯提高，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理與顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該儀器的測(cè)量誤差在預(yù)期允許范圍之內(nèi)。［關(guān)鍵詞］自來水管道傳感器漏點(diǎn)MSP430F149TMS320C540

0.引言

我國(guó)是一個(gè)水資源十分緊缺的國(guó)家之一，全國(guó)各城市均采取計(jì)劃

供水和自來水價(jià)調(diào)價(jià)等措施，以促使節(jié)約用水。

但對(duì)于地下自來水管漏水尚未引起普遍重視。地下自來水管漏水是不易察覺的，但損失是驚人

的。地下自來水管常年大量漏水，

對(duì)社會(huì)造成水資源浪費(fèi)，給單位造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)鸬缆?、房屋地基下沉，威脅著生命財(cái)產(chǎn)的安全。

當(dāng)前，我國(guó)國(guó)內(nèi)地下自來水管道漏水檢測(cè)方法主要采用傳統(tǒng)的被動(dòng)檢修法與聽音法。前者是發(fā)現(xiàn)明顯泄漏之后，才派工作人員去檢修的一種方法，這種方法具有一定的滯后性，不利于對(duì)水資源的有效保護(hù)。后者是根據(jù)地下管道漏水產(chǎn)生聲音的位置，在地面來推斷管道漏點(diǎn)部位的方法，這種方法有如下幾個(gè)不足之處：

(1)在聲音的音調(diào)變化范圍過大的情況下，要確定正確的漏水位置比較困難；

(2)有時(shí)漏水聲響處與泄漏點(diǎn)之間存在一定的地域差異，對(duì)檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)依賴性大；

(3)在交通繁忙等嘈雜的地區(qū)，噪聲干擾較強(qiáng)，不適宜采用音聽法；(4)在聲音較弱的地方，也不宜采用聽音法。

聽音法雖然已經(jīng)多方面改進(jìn)，儀器性能與檢測(cè)人員的技術(shù)水平有了很大提高，但仍然存在一些缺點(diǎn)，尤其是噪聲較大，干擾信號(hào)較強(qiáng)，當(dāng)

管道鋪設(shè)過深時(shí)，準(zhǔn)確定位漏水地點(diǎn)并非容易之事。

本文將介紹相關(guān)法檢漏就是基于克服上述不足之處而產(chǎn)生的漏點(diǎn)檢測(cè)方法之一。

1.地下自來水管道破損漏水的原因分析

地下自來水管道漏水的原因可從生物化學(xué)原因與外界的物理原因兩方面來加以分析。

生物化學(xué)原因生活污水中含有大量的有機(jī)物質(zhì)，這些有機(jī)物在污水輸送的過程中，會(huì)受到厭氧細(xì)菌的作用，出現(xiàn)腐化現(xiàn)象，并會(huì)對(duì)地下自來水管道產(chǎn)生腐蝕。

外界的物理原因地下自來水管道在鋪設(shè)和使用的過程中，管道本

體會(huì)受到各種外來的載荷而被損壞。

同時(shí)，管道和管道的連接處由于施工質(zhì)量，地面車輛的震動(dòng)以及聯(lián)結(jié)處水封橡膠圈老化變形等，也會(huì)發(fā)生問題，引起自來水管道出現(xiàn)嚴(yán)重的漏水問題。

2.地下自來水管道漏水的特性

管道漏水信號(hào)屬聲發(fā)射信號(hào)之一，是一種承壓狀態(tài)下的水聲發(fā)射現(xiàn)象。自來水管道是有一定壓力的，當(dāng)漏水時(shí)，水會(huì)從穿孔或裂縫處向外噴射，由于水與穿孔或裂縫處摩擦而產(chǎn)生振動(dòng)，即產(chǎn)生了具有一定頻率的聲音信號(hào)，這一聲音信號(hào)的頻帶寬度一般由幾十赫茲到幾千赫茲，

當(dāng)該聲音信號(hào)經(jīng)過土壤介質(zhì)時(shí)，信號(hào)中的高頻部分大大衰減。但是，

即便如此，當(dāng)漏水聲傳到地面時(shí)仍有較大的聲壓，其頻率大致處200Hz與2000Hz之間，漏水聲傳到地面上的聲音強(qiáng)弱和漏孔直徑大小、水壓力

大小以及管道材質(zhì)、管徑粗細(xì)、土壤性質(zhì)等諸多因素有關(guān)[1]

。

漏水產(chǎn)生聲音這一特性為漏點(diǎn)檢測(cè)人員發(fā)現(xiàn)漏水并確定其漏水部位，提供了重要的檢測(cè)依據(jù)。

3.相關(guān)漏點(diǎn)探測(cè)儀的工作原理

地下自來水管道漏水相關(guān)檢測(cè)儀工作原理如下（見圖1）：

圖1漏點(diǎn)檢測(cè)示意圖

A、B為管道兩端，0為漏點(diǎn)，LAB是被測(cè)試管道的長(zhǎng)度，LOA、LOB分別

為漏點(diǎn)距兩端的距離(假設(shè)LOA>LOB)，設(shè)V0為漏水聲的速度。則漏水聲從漏點(diǎn)O傳到A點(diǎn)的時(shí)間

T0A=LOA/V0(1)同理，漏水聲從漏點(diǎn)0傳到B點(diǎn)的時(shí)間T0B=LOB/V0(2)漏水聲從漏點(diǎn)0傳到兩端的時(shí)間差△t=T0A-T0B=（LOA-LOB）/V0(3)又因?yàn)長(zhǎng)OA+LOB=LAB(4)結(jié)合（3）、（4），可得LOA=(△t×V0+LAB)/2(5)LOB=(LAB-△t×V0)/2(6)被檢管道長(zhǎng)度LAB與漏水聲傳遞速度V0容易經(jīng)測(cè)量得知，再根據(jù)式(5)，(6)可得，要對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，只需再計(jì)算出△t即可。

4.水漏檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

水漏檢測(cè)儀就是按照相關(guān)檢測(cè)原理，在汲取國(guó)內(nèi)外一些先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的，其基本原理框圖如下（見圖2）：

圖2水漏探測(cè)儀原理框圖

(1)傳感器

根據(jù)漏水信號(hào)的特性，采用壓電式傳感器接收漏水聲發(fā)射信號(hào)，壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器，是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器，它能有效的把道漏水信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并把該電信號(hào)送至放大器的輸入端。壓電式傳感器內(nèi)置20倍放大器，能夠很好地與下一級(jí)運(yùn)放匹配，并且能夠有效地抑制噪聲，信噪比高，還具有頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。(2)放大器

放大器選用高精度集成運(yùn)算放大器，此類放大器具有失調(diào)電壓小，

漂移小，增益大、

共模抑制比高的優(yōu)點(diǎn)。此外，這類運(yùn)算放大器的噪聲也比較小。其放大倍數(shù)可由1800倍變化到5400倍。

(3)濾波電路

由于漏水信號(hào)頻率范圍為：200Hz～2000Hz，濾波器采用有源帶通濾波器，它是由四階切比雪夫低通濾波器與四階切比雪夫高通濾波器串聯(lián)組成的，濾波器的帶寬為1800Hz，通帶增益為1，阻帶衰減速率為80dB/10倍頻程，高、低通截止頻率分別為200Hz，2000Hz。

(4)采集控制電路

采集控制電路采用新型單片機(jī)MSP430F149，電路結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。該單片機(jī)是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)。其外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K，還可外擴(kuò)展存儲(chǔ)器。具有統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門狗、6路P口、2路USART通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO內(nèi)部震蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘?？稍诰€對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試，且JTAG口直接和FET(FLASHEMULATIONTOOL)相連，無須另外的仿真工具，方便實(shí)用。采樣頻率為

10kHz，大大提高了儀器的精度并且可以在超低功耗模式下工作。可靠性能好，滿足漏點(diǎn)探測(cè)儀的精度要求。

(5)DSP主機(jī)

主機(jī)采用數(shù)字信號(hào)處理專用芯片TMS320C5402[2,3]，運(yùn)行速度大大加快，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量。

5.軟件設(shè)計(jì)

通常情況下，傳感器和DSP主機(jī)之間的距離比較遠(yuǎn)，

并且測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)存在各種干擾因素。

因此，將整個(gè)系統(tǒng)軟件部分分為數(shù)據(jù)采集與DSP數(shù)據(jù)處理兩部分。

5.1數(shù)據(jù)采集控制部分軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制部分軟件主要作用是對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，以完成和DSP主機(jī)的通訊。該軟件完成一次采集任務(wù)的流程圖見圖3。

圖3采集控制部分程序流程圖

5.2DSP數(shù)據(jù)處理的軟件設(shè)計(jì)

DSP主機(jī)主要實(shí)現(xiàn)如下2項(xiàng)任務(wù)：(1)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波；

(2)將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算出漏點(diǎn)的具體位置。當(dāng)前，數(shù)字濾波的方法有很多，如中位置濾波法、算術(shù)平均值濾波法、遞推平均濾波法、中位置平均濾波法等，由于遞推平均濾波法能對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，并具有平滑度高，適應(yīng)于高頻振蕩系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們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，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。

遞推平均濾波法是把連續(xù)取的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列

的長(zhǎng)度固定為N，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)（先進(jìn)后出原則），這樣在隊(duì)列中始終有N“最新”的數(shù)

據(jù)。

計(jì)算濾波值時(shí)，只要把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均就可得到新的濾波值。這樣每進(jìn)行一次測(cè)量，就可以得到一個(gè)新的平均濾波值。這

種濾波算法稱為遞推平均濾波法[4]

，

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為yn=1Nn-1

i=1Σyn-i(7)

式中：y為第n次采樣值經(jīng)濾波后的輸出；yn-i是未經(jīng)濾波的第n-i次采樣值；N為遞推平均項(xiàng)數(shù)。

6.測(cè)試結(jié)果

在自來水管道上設(shè)置2個(gè)壓電式傳感器，其間的距離為15m，然后

在中間放水來模擬漏水點(diǎn)。

管道直徑0.8m，漏水點(diǎn)距離A點(diǎn)4.5m。測(cè)試共采集了10組數(shù)據(jù)，

經(jīng)過處理，得到的測(cè)試結(jié)果如下（見表1）。表中RAB表示兩個(gè)通道信號(hào)的相關(guān)函數(shù)幅值**點(diǎn)，LOA表示漏點(diǎn)到A點(diǎn)的距離。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：整個(gè)儀器的**測(cè)量誤差為0.21m，達(dá)到了預(yù)期要求，數(shù)據(jù)進(jìn)而表明，用相關(guān)法來探測(cè)自來水管道泄漏點(diǎn)的方法是可取的。

表1測(cè)試結(jié)果7.結(jié)論

地下自來水管道漏點(diǎn)探測(cè)儀的實(shí)際應(yīng)用表明：該探測(cè)儀不僅具有可靠性高、測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且還操作方便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性價(jià)比高，是一種比較科學(xué)的地下自來水管道探測(cè)儀。

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