基于Labview的水管漏水处的定位

摘 要：基于Labview，采用声信号的互相关算法，开发了一套能够用于自来水管漏水处定位的虚拟仪器系统。初步试验结果表明，当两传感器放置在水管道两侧的距离达到7.0m，本系统对自来水管漏水处漏点的定位相对偏差能控制在1%以内。

关键词：Labview；互相关；漏点定位

引言

地下管道漏水是对宝贵水源的浪费，不仅增加了自来水成本，而且还额外地增大了供水设施的投资费用[1]。世界多数发达国家都对供水管道检测和修复技术非常重视，并很早就进行了积极研究。20世纪70年代英国水研究中心率先研究出了一种便携式的相关检测仪，然后，一些其他欧美国家也相继研究出类似的供水管道检测装置，并开始用于城市供水管道检测中。近年来随着中国城市的迅速扩展，城市供水管道也迅速增加，这导致国内漏水检测技术的需求也越来越多。

目前对管道检漏的方法主要有：地面听音法、阀栓听音法、相关检漏法、漏水声自动检测法和分区检漏法等，它们有着各自的优缺点[2]。

Labview是NI公司推出的一款非常实用已经广受推崇的虚拟仪器开发软件，仅仅需要传感器和数据采集卡的硬件支持，就可根据不同的应用需求快速编制开发出理想的测试软件，实现复杂的测试任务[3]。为此，本研究尝试基于Labview开发了一套能够用于自来水管的虚拟检漏仪，其以压电式加速度传感器捡拾泄露水声信号，经数据采集卡后进入计算机，然后采用互相关分析算法处理数据，从而定位出水管漏水处的位置。

1 互相关分析法测漏原理

图1为互相关分析法测漏原理图。A、B分别为安放在管道上的两个传感器，O为漏水点，LA、LB分别为A、B两传感器到漏水点O的距离，L为A、B两传感器之间的距离。假设漏水声从O处经由管道传播到A、B两处的传输时间分别为tA、tB， 它们之间的差值t，声波在管道壁中的传播速度为V，则可由式（1）对漏水点进行定位。

图1 管道测漏原理图

LA=（L-V×t） / 2 （1）

t 即可采用互相关分析法对A、B两传感器捡拾到的声信号进行相关计算得到。假设xA（t）、xB（t）分别为两传感器捡拾到的声信号，则它们之间的互相关函数可由式（2）计算。

（2）

式中，？子为相关时间，当相关函数取最大值时，则该最大值所对应的相关时间即等于式（1）中的t。

2 基于Labview的虚拟仪器

图2给出了基于Labview的地下水管漏水定位系统的虚拟仪器界面，界面可直接从时域和频域去实时显示两传感器捡拾到的漏水声信号，并可根据观察到的信号频谱图，在界面中直接输入滤波的频段，对漏水声进行有效滤波，以得到可用于互相关计算的有用声信号。漏水定位测试前，先可对两传感器对于漏水声信号传输时间的一致性进行检查，其传输时间差能够用于修正后续定位测试t，还可通过传感器测出漏水声在管壁中的传播速度，漏水定位测试时，可取多段漏水声信号进行互相关分析计算，得到的多个t再取平均值，用于漏水声的定位计算。

3 漏声定位测量试验

测试装置主要有两个加速度传感器、一个数据采集卡，一根带有漏水孔的测试铁管，计算机以及Labview软件，加速度传感器采用PCB IMI 603C01加速度传感器，数据采集卡是采用专门为加速度计和扩音器测量设计的NI 9234 C系列模块，NI 9234能够以51.2kS/s的采样速率，同时采集四个模拟输入通道。

通过对漏水声的频谱观察，以及已有的研究结果，可以取300-2500Hz作为漏水声的主要频率区间，并用于试验中漏水声的滤波。

3.1 传感器一致性测试

由于两个传感器的性能不会完全相同，为了减小不同传感器带来的传输时间的差异，定位测试前，先将两个传感器置于铁管同一位置，分别距离漏水点20cm、40 cm、60 cm、80cm处，分别测量漏水声音到两个传感器的传播时间差异，记录5次，结果如表1。由表1可知两个传感器在同一漏点传声过来，在传播时间上有些许差异，总的差异平均值可取为-0.032ms，这在后续漏水声的定位测量中需要用来对t 进行修正。

表1 传感器一致性测试

3.2 管壁声速测量

根据系统设计要求，需要测量漏水声在管壁的传播速度，分别使传感器在管道同侧相隔10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm，测量5次，抵消传感器一致性影响后，计算得出声音在管壁的传播速度基本稳定在1080m/s左右，这一测量结果与同类研究[4]中所提到的管道声速值是相接近的。

3.3 漏点定位

将一个传感器放置在漏点一侧0.8m处，另一个传感器分别放置在漏点的另一侧0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、3.2m、6.2m处，随机多组测量，抵消探头一致性影响后，计算得出漏点距第二个传感器的距离，对自来水管漏水处进行定位，如表2所示。

表2 管道漏点定位

由表2的实验数据可知，随着两传感器测试点距离的增加，测量得出数据的结果与实际距离的相对偏差越来越小，装置的定位精度也随之更加准确，在第二个传感器距离泄露点0.6m的范围内漏点定位相对偏差仍超过2%以上。可以预见，当两测试点距离大于7.0m，漏点定位相对偏差可以控制在1%以下的范围内。

4 结束语

本装置创新性地将水管检漏问题与虚拟仪器技术结合起来，利用Labview虚拟仪器软件，将传统仪器测量的方式转变为通过编写程序利用计算机处理数据，可进行实时测量。

初步试验结果表明，当放置在漏点两侧的两传感器距离较小时，定位系统对于地下自来水管爆裂处漏点的定位相对偏差较大些，而当两传感器距离达到7.0m之后，定位系统对自来水管爆裂处漏点的定位相对偏差误差就可以控制在1%以内。

参考文献

[1]马保松，曾聪，杨晨光.中国城市地下生命线工程的现状调查与分析[J].非开挖技术，2007，24（3）：159-162.

[2]熊小冬，胡澍，张健雄.管道检漏与检漏仪器[J].工业仪表与自动化装置，1996，4：59-62.

[3]刘其和，李云明. Labview虚拟仪器程序设计与应用[M].化学工业出版社，2011，4.

[4]杨进，文玉梅，李平.自来水铸铁管道泄漏声信号频率特征研究[J].应用声学，2006，25（1）：30-37.