本文提出了應用互相關(guān)技術(shù)探測法，即采用傳感器，從而達到地下自來水管道漏水部位定點檢測的效果，本文還給出了水漏探測儀的硬件設計框圖與軟件流程圖。該儀器應用了新l6位單片機MSP430F149和數(shù)字信號處理專用芯片TMS320C5402，電路結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)處理速度明顯提高，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理與顯示。實驗結(jié)果表明：該儀器的測量誤差在預期允許范圍之內(nèi)。［關(guān)鍵詞］自來水管道傳感器漏點MSP430F149TMS320C540

0.引言

我國是一個水資源十分緊缺的國家之一，全國各城市均采取計劃

供水和自來水價調(diào)價等措施，以促使節(jié)約用水。

但對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，

對社會造成水資源浪費，給單位造成巨大經(jīng)濟損失，甚至會引起道路、房屋地基下沉，威脅著生命財產(chǎn)的安全。

當前，我國國內(nèi)地下自來水管道漏水檢測方法主要采用傳統(tǒng)的被動檢修法與聽音法。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，不利于對水資源的有效保護。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部位的方法，這種方法有如下幾個不足之處：

(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)有時漏水聲響處與泄漏點之間存在一定的地域差異，對檢測人員的經(jīng)驗依賴性大；

(3)在交通繁忙等嘈雜的地區(qū)，噪聲干擾較強，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，儀器性能與檢測人員的技術(shù)水平有了很大提高，但仍然存在一些缺點，尤其是噪聲較大，干擾信號較強，當

管道鋪設過深時，準確定位漏水地點并非容易之事。

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)生的漏點檢測方法之一。

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原因與外界的物理原因兩方面來加以分析。

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

外界的物理原因地下自來水管道在鋪設和使用的過程中，管道本

體會受到各種外來的載荷而被損壞。

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

2.地下自來水管道漏水的特性

管道漏水信號屬聲發(fā)射信號之一，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，當漏水時，水會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，即產(chǎn)生了具有一定頻率的聲音信號，這一聲音信號的頻帶寬度一般由幾十赫茲到幾千赫茲，

當該聲音信號經(jīng)過土壤介質(zhì)時，信號中的高頻部分大大衰減。但是，

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

大小以及管道材質(zhì)、管徑粗細、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檢測人員發(fā)現(xiàn)漏水并確定其漏水部位，提供了重要的檢測依據(jù)。

3.相關(guān)漏點探測儀的工作原理

地下自來水管道漏水相關(guān)檢測儀工作原理如下（見圖1）：

圖1漏點檢測示意圖

A、B為管道兩端，0為漏點，LAB是被測試管道的長度，LOA、LOB分別

為漏點距兩端的距離(假設LOA>LOB)，設V0為漏水聲的速度。則漏水聲從漏點O傳到A點的時間

T0A=LOA/V0(1)同理，漏水聲從漏點0傳到B點的時間T0B=LOB/V0(2)漏水聲從漏點0傳到兩端的時間差△t=T0A-T0B=（LOA-LOB）/V0(3)又因為LOA+LOB=LAB(4)結(jié)合（3）、（4），可得LOA=(△t×V0+LAB)/2(5)LOB=(LAB-△t×V0)/2(6)被檢管道長度LAB與漏水聲傳遞速度V0容易經(jīng)測量得知，再根據(jù)式(5)，(6)可得，要對漏點進行準確定位，只需再計算出△t即可。

4.水漏檢測儀設計

水漏檢測儀就是按照相關(guān)檢測原理，在汲取國內(nèi)外一些先進經(jīng)驗的基礎上，結(jié)合我國的實際情況而設計的，其基本原理框圖如下（見圖2）：

圖2水漏探測儀原理框圖

(1)傳感器

根據(jù)漏水信號的特性，采用壓電式傳感器接收漏水聲發(fā)射信號，壓電式傳感器是基于壓電效應的傳感器，是一種自發(fā)電式和機電轉(zhuǎn)換式傳感器，它能有效的把道漏水信號轉(zhuǎn)換為電信號，并把該電信號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運放匹配，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)簡單、

工作可靠、重量輕等優(yōu)點。(2)放大器

放大器選用高精度集成運算放大器，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。此外，這類運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MSP430F149，電路結(jié)構(gòu)大大簡化。該單片機是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機。其外設和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達64K，還可外擴展存儲器。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16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路P口、2路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部震蕩器和兩個外部時鐘。可在線對單片機進行調(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?？煽啃阅芎?，滿足漏點探測儀的精度要求。

(5)DSP主機

主機采用數(shù)字信號處理專用芯片TMS320C5402[2,3]，運行速度大大加快，并實現(xiàn)了實時測量。

5.軟件設計

通常情況下，傳感器和DSP主機之間的距離比較遠，

并且測試現(xiàn)場存在各種干擾因素。

因此，將整個系統(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計

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

圖3采集控制部分程序流程圖

5.2DSP數(shù)據(jù)處理的軟件設計

DSP主機主要實現(xiàn)如下2項任務：(1)對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波；

(2)將處理后的數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算，計算出漏點的具體位置。當前，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周期性干擾有良好的抑制作用，并具有平滑度高，適應于高頻振蕩系統(tǒng)的特點，我們采用遞推平均濾波法實現(xiàn)軟件數(shù)字濾波，以濾除或抑制有效信號中的干擾成分，同時對信號進行必要的平滑處理，以保證系統(tǒng)的正常運行。

遞推平均濾波法是把連續(xù)取的N個采樣數(shù)據(jù)看成一個隊列，隊列

的長度固定為N，每進行一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉隊首的一個數(shù)據(jù)（先進后出原則），這樣在隊列中始終有N“最新”的數(shù)

據(jù)。

計算濾波值時，只要把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均就可得到新的濾波值。這樣每進行一次測量，就可以得到一個新的平均濾波值。這

種濾波算法稱為遞推平均濾波法[4]

，

其數(shù)學表達式為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為遞推平均項數(shù)。

6.測試結(jié)果

在自來水管道上設置2個壓電式傳感器，其間的距離為15m，然后

在中間放水來模擬漏水點。

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

經(jīng)過處理，得到的測試結(jié)果如下（見表1）。表中RAB表示兩個通道信號的相關(guān)函數(shù)幅值**點，LOA表示漏點到A點的距離。實驗數(shù)據(jù)顯示：整個儀器的**測量誤差為0.21m，達到了預期要求，數(shù)據(jù)進而表明，用相關(guān)法來探測自來水管道泄漏點的方法是可取的。

表1測試結(jié)果7.結(jié)論

地下自來水管道漏點探測儀的實際應用表明：該探測儀不僅具有可靠性高、測量誤差小，數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點，而且還操作方便、實時性強、性價比高，是一種比較科學的地下自來水管道探測儀。

參考文獻［1］凌振寶，王君，邱春玲.網(wǎng)絡化城市自來水管道漏水檢測系統(tǒng)設計［J］.儀器儀表學報，2003，(4)：115-116.［2］顧海軍，趙曉暉，王洪革.用DSP主機端口實現(xiàn)虛擬Ic總線主控器［J］.吉林大學學報(信息科學版)，2004，22(1)：13-17.

［3］張潤洲，程德福.基于DSP的并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.吉林大學學報(信息科學版).2003，21(1)：13-17.

［4］程德福，林君.智能儀器［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004