專利名稱：一種便攜式的管道泄漏檢測儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種檢測儀器，尤其是涉及一種用于壓力流體管網(wǎng)中檢測管道泄漏以及準確定位漏點的便攜式管道泄漏檢測儀。
背景技術：
在現(xiàn)有的壓力流體管網(wǎng)系統(tǒng)中，由于第三方施工造成對已有管道的破壞、管道自身的老化和腐蝕、外界交通和大型建筑物對管道產(chǎn)生的過載壓力、突發(fā)性碰撞以及安裝不符合標準規(guī)定等原因，導致泄漏時有發(fā)生。各類管道的泄漏不僅嚴重影響了國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，同時也給人類健康、自然環(huán)境、社會環(huán)境以及管道系統(tǒng)自身帶來極大的危害。因此研究管道泄漏故障診斷技術，有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，各種管道的鋪設越來越廣泛，越來越復雜，其總的趨勢是管道大量的在地下埋設，并且呈網(wǎng)狀分布，這就給管網(wǎng)的泄漏檢測工作帶來了極大的困難。
美國發(fā)明專利申請5231866公開的泄漏檢測裝置是在管道的泄漏點兩側(cè)分別設置振動傳感器，每個傳感器連接一數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)采集單元通過RS-232、RS-485等標準接口將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C進行分析，定位漏點。這些標準接口通信速度最高不超過1Mbps、有線連接距離有限，傳輸介質(zhì)常受到周圍電場和磁場的干擾。為了增加傳輸距離、減小各種干擾，需增加更多的電路和設備，這樣既增加了系統(tǒng)成本，又給系統(tǒng)維護帶來不便。
中國發(fā)明專利96121000.1公開了一種采用瞬態(tài)壓力波定位方法，計算泄漏點位置的泄漏檢測裝置。該裝置采用模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡的方法校正壓力波速度。用這種方法首先需要建立管道運行模型。不同分布、不同環(huán)境條件下的管道的運行條件不同，模型也不相同。建立模型需要通過大量的、針對確定管線的實驗操作來實現(xiàn)；對不同類型材料、尺寸的管道構(gòu)成的復雜分布管網(wǎng)，不易建立起合適的模型。
美國發(fā)明專利申請5922942公開了一種泄漏檢測系統(tǒng)，它包含主采集單元、附屬采集單元和傳感器三個部分。主采集單元采用微處理器，除了對一個傳感信號進行采集之外，還控制整個系統(tǒng)以及完成相關的數(shù)據(jù)分析處理。微處理器是專用的器件，其運算功能有限，且功能擴展也有限。兩個采集單元之間通過紅外線方式進行通信。紅外線通信方式，通信速度低，同時要求通信兩部件間必須滿足特定的相對位置條件，如兩部件之間不能有障礙物。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有管道泄漏檢測儀器的缺點和不足，本發(fā)明提供了一種便攜式的，能在各種復雜環(huán)境下檢測、定位泄漏的管道泄漏檢測儀。該裝置提供了USB和網(wǎng)絡兩種接口連接主機和數(shù)據(jù)采集單元，可適用于不同應用場合的離線和在線檢測，支持高速數(shù)據(jù)傳輸；為了提高采集信號的信噪比，以最終提高泄漏檢測的可靠性和泄漏定位精度，前端信號調(diào)理采用可編程的濾波器和放大器。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是便攜式管道泄漏檢測儀，由主機、USB集線器、若干個數(shù)據(jù)采集單元和振動傳感器構(gòu)成，主機通過USB集線器與各數(shù)據(jù)采集單元連接；各數(shù)據(jù)采集單元分別連接一個振動傳感器。
主機還可以通過網(wǎng)絡集線器與各數(shù)據(jù)采集單元連接。所述的數(shù)據(jù)采集單元由信號調(diào)理單元、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、USB接口、網(wǎng)絡接口、存儲器、時鐘源和可充電電源組成；信號調(diào)理單元、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器順序連接并分別與可充電電源連接，A/D轉(zhuǎn)換器還與時鐘源連接；微處理器還分別與時鐘源、USB接口、網(wǎng)絡接口、存儲器連接，存儲器還與可充電電源連接。所述的信號調(diào)理單元由程控濾波器和程控放大器構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集單元可以連接溫度傳感器，或者主機可以連接溫度傳感器。本檢測儀還可以由主機通過USB集線器或網(wǎng)絡集線器連接一個振動激勵源，或者由數(shù)據(jù)采集單元之一連接一個振動激勵源；振動激勵源前端還連接一個振動器，振動器在管道上放置于振動傳感器之一的旁邊或與其距離已知的位置。
本發(fā)明涉及的檢測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集單元和主機之間提供了USB接口和網(wǎng)絡接口。USB接口具有即插即用、速度快、傳輸可靠以及可同時支持多個外部設備等優(yōu)點；網(wǎng)絡技術則可同時滿足遠程和高速通信。同時，這兩種接口都是目前通用計算機的標準接口和主流通用接口，其部件具有通用性和極高的性價比。這樣，根據(jù)具體的檢測環(huán)境，在工作過程中，主機和各數(shù)據(jù)采集單元既可以分開，也可以連接起來，分別實現(xiàn)離線和在線檢測。
USB接口現(xiàn)有的標準主要有USB1.1和USB2.0。USB1.1的最高通訊速率可達12Mbps，USB2.0的最高通訊速率理論上可達480Mbps。USB接口的通訊距離較短。用USB接口連接主機和數(shù)據(jù)采集單元時，主機首先通過USB接口設置各個數(shù)據(jù)采集單元的參數(shù)，發(fā)送檢測命令，并啟動各數(shù)據(jù)采集單元同步采集定時。利用USB接口的熱插拔功能，數(shù)據(jù)采集單元同步定時啟動后，其可以不斷電和主機分離，并和振動傳感器一起被布置到數(shù)據(jù)采集點。利用已同步啟動的各數(shù)據(jù)采集單元時鐘，實現(xiàn)空間不同位置分布參數(shù)的同步采集；采集結(jié)束后，主機和數(shù)據(jù)采集單元再通過USB接口連接在一起，主機接收所采集的數(shù)據(jù)進行信號分析處理，獲取檢測信息，給出檢測結(jié)果。
使用網(wǎng)絡接口可以將主機和各個數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成一個局域網(wǎng)，實現(xiàn)主機對各數(shù)據(jù)采集單元的在線控制，各數(shù)據(jù)采集單元的同步采集，采集數(shù)據(jù)的實時傳輸以及信號的實時在線處理。這樣，主機可根據(jù)采集信號的情況及時調(diào)整數(shù)據(jù)采集單元的各種參數(shù)，隨時校正各數(shù)據(jù)采集單元的時鐘，消除各數(shù)據(jù)采集單元間的同步誤差。
傳感器獲取的泄漏信號強度和多種因素有關，特別是對于分布復雜，管徑、材質(zhì)和埋設條件等都不盡相同的自來水供水管網(wǎng)。首先泄漏點產(chǎn)生的源泄漏信號強度由漏點形狀、大小、管道內(nèi)流體的壓力等決定；同時泄漏信號經(jīng)過管道、流體及管道周圍的埋設介質(zhì)等形成的傳播途徑傳播到傳感器中，信號的強度將隨傳播距離的不同而變化。另外，檢測環(huán)境不可避免的存在各種干擾噪聲，噪聲的強度也是變化的。因此，在實際檢測過程中，傳感器獲取信號強度是未知的，為了減小量化誤差，在對傳感信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換前需要根據(jù)信號強度對放大倍數(shù)進行調(diào)整。本發(fā)明在信號采集前端設計了可編程控制的放大器。當數(shù)據(jù)采集單元收到主機命令后，首先采集原始傳感信號，微處理器根據(jù)原始信號的幅度特征，結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換的動態(tài)范圍給出控制信號，改變程控放大器的放大倍數(shù)，對信號幅度進行調(diào)理。在數(shù)據(jù)采集過程中，為了避免信號強度變化的影響，仍需對傳感信號進行適當?shù)卣{(diào)整。因此，在離線方式下，通過主機設置一時間間隔，微處理器以該時間間隔為周期反復調(diào)整放大倍數(shù)；當采用局域網(wǎng)連接方式時，主機可根據(jù)信號幅度計算出合適的放大倍數(shù)，控制微處理器實現(xiàn)信號的增益調(diào)整。
同樣地，泄漏信號的頻率特征也和漏點、管道及埋設條件等因素有關，比如塑料管道與金屬管道產(chǎn)生的泄漏信號主要頻率成分就存在較大差異。因此，為了充分獲取泄漏振動信號，減小干擾，提高信噪比，需要在不同的應用環(huán)境下調(diào)整程控濾波器中心頻率、頻帶寬度等各種參數(shù)。本系統(tǒng)還可根據(jù)實際采集信號的頻率成分自動調(diào)整采樣率。
由于振動信號在管道中的傳播速度與環(huán)境溫度有直接的關系，本發(fā)明提出在檢測儀器系統(tǒng)中增加溫度傳感器，將溫度傳感器放置在管道上、數(shù)據(jù)采集單元或者主機周邊，采集模塊不僅采集泄漏振動信號，同時也采集環(huán)境溫度信號，這樣可以根據(jù)實際溫度修正在當前環(huán)境下振動信號在管道中的傳播速度，減少由振動傳輸速度的不準確造成的泄漏定位的誤差。
對于分布復雜的管網(wǎng)，如果兩個振動傳感器間的管道長度不確知，或者實際的振動傳輸速度和已預測、預知振動傳輸速度相差較大會給系統(tǒng)的泄漏定位帶來誤差。本發(fā)明設計了一個附加的振動激勵裝置，用以測量兩個振動傳感器之間管道的實際長度，或者在管道長度可以確知時測量管道中振動傳輸?shù)膶嶋H速度。該振動激勵裝置由振動激勵源和振動器構(gòu)成，振動激勵源激振振動器，在管道中造成確定的振動波。通過檢測管道中該確定振動信號，計算兩個振動傳感器間管道的實際長度或者在管道中的實際振動傳輸速度。
本發(fā)明的有益效果是泄漏檢測可以在離線或在線方式下完成；可實現(xiàn)放大倍數(shù)，濾波器的中心頻率、頻帶寬度等各種參數(shù)的自動調(diào)整；可以根據(jù)當前溫度值修正振動傳輸速度；附加的振動激勵裝置，用以測量兩個振動傳感器之間的管道實際長度，或者在管道長度確知時校正振動傳輸速度。


圖1為在線檢測結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為離線檢測結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是主機控制調(diào)理參數(shù)、采集參數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是采集單元控制調(diào)理參數(shù)、采集參數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是數(shù)據(jù)采集單元采集溫度信號修正振動傳輸速度的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是主機采集溫度信號修正振動傳輸速度的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是由采集單元控制激勵源工作的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是由主機控制激勵源工作的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是振動器放置于兩傳感器間的示意圖；圖10是振動器放置于兩傳感器外側(cè)的示意圖。
上述圖中，1代表USB接口，2代表網(wǎng)絡接口，3代表振動傳感器，4代表泄漏點，5代表管道，6代表振動器，7代表溫度傳感器，8代表數(shù)據(jù)采集單元，8-1代表信號調(diào)理單元，9代表主機，10代表振動激勵源，11代表網(wǎng)絡集線器，12代表USB集線器。
具體實施例方式
參閱圖1、圖2，便攜式管道泄漏檢測儀，由主機9、USB集線器12、若干個數(shù)據(jù)采集單元8和振動傳感器3構(gòu)成，主機9通過USB集線器12與各數(shù)據(jù)采集單元8連接；各數(shù)據(jù)采集單元8分別連接一個振動傳感器3。主機9還可以通過網(wǎng)絡集線器11與各數(shù)據(jù)采集單元8連接。
當選擇圖1所示的在線工作方式時，將振動傳感器3放置到管道5，各數(shù)據(jù)采集單元8的網(wǎng)絡接口2和主機9的網(wǎng)絡接口2通過網(wǎng)絡集線器12連接起來，構(gòu)成一個局域網(wǎng)系統(tǒng)。啟動數(shù)據(jù)采集單元8的電源，完成數(shù)據(jù)采集單元8的初始化，主機9通過網(wǎng)絡向數(shù)據(jù)采集單元8發(fā)送采集參數(shù)，如采樣頻率、采樣時間、濾波器參數(shù)等。參閱圖3，數(shù)據(jù)采集單元8由信號調(diào)理單元8-1、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、USB接口1、網(wǎng)絡接口2、存儲器、時鐘源和可充電電源組成；信號調(diào)理單元8-1、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器順序連接并分別與可充電電源連接，A/D轉(zhuǎn)換器還與時鐘源連接；微處理器還分別與時鐘源、USB接口1、網(wǎng)絡接口2、存儲器連接，存儲器還與可充電電源連接。信號調(diào)理單元8-1由程控濾波器和程控放大器連接構(gòu)成。
微處理器接收主機9發(fā)送的參數(shù)，并設置采樣率和程控濾波器的中心頻率及帶寬等。主機9確認A/D轉(zhuǎn)換器、程控濾波器配置完成后，發(fā)出預采樣命令，微處理器根據(jù)所采集信號幅度特征和A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍輸出控制信號調(diào)整程控放大器的增益。增益調(diào)整完成后主機9發(fā)送命令正式啟動各數(shù)據(jù)采集單元8的同步采集，并將采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)街鳈C9，用戶調(diào)用主機9相應的程序在采集過程中控制數(shù)據(jù)采集單元8重新調(diào)整信號增益和程控濾波器參數(shù)。主機9接收各數(shù)據(jù)采集單元8發(fā)送的數(shù)據(jù)，在界面上顯示所獲取的信號曲線，對信號進行分析處理，發(fā)現(xiàn)泄漏和定位漏點，主機9以網(wǎng)頁、圖表等方式自動記錄分析處理結(jié)果，并提供打印等功能。
當選擇圖2所示的離線工作方式時，各數(shù)據(jù)采集單元8的USB接口1和主機9的USB接口1通過USB集線器12連接起來，啟動數(shù)據(jù)采集單元8電源及初始化，完成主機9和各數(shù)據(jù)采集單元8之間的握手通信。
在數(shù)據(jù)采集單元8初始化完成后，主機9通過USB接口1向各數(shù)據(jù)采集單元8傳送采樣頻率、采集時間長度、濾波器參數(shù)、傳感器放置時間及調(diào)整放大倍數(shù)的周期等參數(shù)。確認數(shù)據(jù)采集單元8配置完成后，主機9向各數(shù)據(jù)采集單元8發(fā)送同步啟動命令，然后各數(shù)據(jù)采集單元8和主機9相分離，并和振動傳感器3一起布置到采集點，振動傳感器放置在管道5上。參閱圖4，數(shù)據(jù)采集單元8根據(jù)獲取的傳感器信號，調(diào)整信號調(diào)理單元8-1的放大倍數(shù)、程控濾波器的中心頻率和帶寬、A/D采樣率等，同時為了避免噪聲受隨機因素的影響，在整個數(shù)據(jù)采集過程中，數(shù)據(jù)采集單元8將在設定的時間段內(nèi)反復調(diào)整上述參數(shù)。各數(shù)據(jù)采集單元8均有一個時鐘控制整個數(shù)據(jù)采集過程，實現(xiàn)各數(shù)據(jù)采集單元8間數(shù)據(jù)的同步采集，采集的數(shù)據(jù)存儲在一個大容量存儲器中。完成設定時間長度的采集后，數(shù)據(jù)采集單元8再通過USB接口1和主機9重新連接起來，將采集的數(shù)據(jù)傳送回主機9，主機9對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，檢測泄漏，并定位漏點。
參閱圖5，圖6，振動信號的傳播速度跟檢測環(huán)境溫度有直接關系，各數(shù)據(jù)采集單元8可以連接溫度傳感器7，主機9也可以連接溫度傳感器7。通過獲取的溫度信息對泄漏信號沿管道傳播的速度進行修正，減小環(huán)境溫度對管道漏點定位精度的影響。
參閱圖7，圖8，主機9通過USB集線器11或網(wǎng)絡集線器12連接一個振動激勵源10，或者由數(shù)據(jù)采集單元8之一連接一個振動激勵源10；振動激勵源10前端還連接一個振動器6，振動器6在管道5上放置于振動傳感器3之一的旁邊或與其距離已知的位置。在檢測之前，主機9或數(shù)據(jù)采集單元8向振動激勵源10發(fā)送信號控制振動激勵源10激振振動器6產(chǎn)生振動信號。
參閱圖9，圖10，振動器6放置于一振動傳感器3旁邊(L1＝0)或與其距離已知的管道上(L1為一確知的非零值)。振動器產(chǎn)生的振動信號沿管道傳輸，它到達兩個傳感器的時間分別為t1和t2，通過對兩個傳感器采集到的信號進行時延估計，計算振動信號到達兩振動傳感器3的時間差Δt＝t1-t2。振動器與兩個振動傳感器間的管道長度差ΔL＝L1-L2，管道中的實際振動傳輸速度v和振動信號到達兩個振動傳感器的時間差Δt之間滿足關系v＝ΔL/Δt。對于分布復雜的管網(wǎng)，在兩個振動傳感器間的管道長度不確知，振動傳輸速度已知的情況下，通過公式L＝2L1+Δt·v(振動器放置于兩傳感器之間)或者公式L＝v·Δt(振動器放置于兩傳感器外側(cè))來計算兩個傳感器之間的管道實際長度；在實際振動傳輸速度與已預測、預知振動傳輸速度相差較大，而兩傳感器間的管道實際長度已知的情況下，通過v＝(L-2L1)/Δt(振動器放置于兩傳感器之間)或者公式v＝L/Δt(振動器放置于兩傳感器外側(cè))來計算實際振動傳輸速度。
凌特公司生產(chǎn)的LTC6910-1程控放大器、美信公司生產(chǎn)的MAX7426程控濾波器、cygnal公司生產(chǎn)的C8051單片機、ADS7832 A/D轉(zhuǎn)換器、Atmel公司生產(chǎn)的AT45DB081存儲器即能滿足設計要求。
權(quán)利要求
1.一種便攜式的管道泄漏檢測儀，其特征在于它由主機(9)、USB集線器(12)、若干個數(shù)據(jù)采集單元(8)和振動傳感器(3)構(gòu)成，主機(9)通過USB集線器(12)與各數(shù)據(jù)采集單元(8)連接；各數(shù)據(jù)采集單元(8)分別連接一個振動傳感器(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式的管道泄漏檢測儀，其特征在于主機(9)還可以通過網(wǎng)絡集線器(11)與各數(shù)據(jù)采集單元(8)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的便攜式的管道泄漏檢測儀，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集單元(8)由信號調(diào)理單元(8-1)、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、USB接口(1)、網(wǎng)絡接口(2)、存儲器、時鐘源和可充電電源組成；信號調(diào)理單元(8-1)、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器順序連接并分別與可充電電源連接，A/D轉(zhuǎn)換器還與時鐘源連接；微處理器還分別與時鐘源、USB接口(1)、網(wǎng)絡接口(2)、存儲器連接，存儲器還與可充電電源連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的便攜式的管道泄漏檢測儀，其特征在于所述的信號調(diào)理單元(8-1)由程控濾波器和程控放大器連接構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的便攜式的管道泄漏檢測儀，其特征在于各數(shù)據(jù)采集單元(8)可以連接溫度傳感器(7)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的便攜式的管道泄漏檢測儀，其特征在于主機(9)可以連接溫度傳感器(7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的便攜式的管道泄漏檢測儀，其特征在于或者由主機(9)通過USB集線器(11)或網(wǎng)絡集線器(12)連接一個振動激勵源(10)，或者由數(shù)據(jù)采集單元(8)之一連接一個振動激勵源(10)；振動激勵源(10)前端還連接一個振動器(6)，振動器(6)在管道(5)上放置于振動傳感器(3)之一的旁邊或與其距離已知的位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于壓力流體管網(wǎng)中檢測管道泄漏以及準確定位漏點的便攜式管道泄漏檢測儀。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是便攜式管道泄漏檢測儀，由主機、USB集線器、網(wǎng)絡集線器、若干個數(shù)據(jù)采集單元和振動傳感器、溫度傳感器、振動激勵裝置構(gòu)成，主機通過USB集線器或網(wǎng)絡集線器與各數(shù)據(jù)采集單元連接。本發(fā)明的有益效果是泄漏檢測可以在離線或在線方式下完成；可實現(xiàn)放大倍數(shù)，濾波器的中心頻率、頻帶寬度等各種參數(shù)的自動調(diào)整；可以根據(jù)當前溫度值修正管道振動傳輸速度；附加的振動激勵裝置，用以準確地測量兩個振動傳感器之間的管道實際長度，或者校準管道振動傳輸速度。
文檔編號G01M3/24GK1645080SQ20051002019
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月15日
發(fā)明者文玉梅, 李平, 楊進, 文靜, 游雪峰 申請人:重慶大學