供水管道泄漏檢測及相關(guān)儀的原理與使用(南通市自來水公司 徐少童)摘要 介紹了相關(guān)儀的基本原理，使用方法等關(guān)鍵詞相關(guān)數(shù)字濾波噪聲引言隨著我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，水資源短缺越來越成為限制我們發(fā)展的瓶頸之一，如何解決這個(gè)問題巳經(jīng)被逐步提到了戰(zhàn)略高度，因此，合理利用水資源，降低漏損就成了我們水利工作者的重中之重。減少漏損就要有相應(yīng)的方法，目前我國大部份地區(qū)的檢漏手段還停留在幾十年前的水平，而國外在近二三十年則有了很大的發(fā)展， 我們要做好這項(xiàng)工作就必須了解他們的技術(shù)，并能夠最終掌握。當(dāng)前，簡陋技術(shù)最先進(jìn)的設(shè)備當(dāng)屬相關(guān)儀了，國外巳有普通相關(guān)儀，多探頭相關(guān)記錄儀等多種產(chǎn)品，但究其根本，原理都是一樣的，本人經(jīng)過多方學(xué)習(xí)以及查閱相關(guān)資料，對(duì)其原理有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，下面就先從相關(guān)儀的基本原理說起。一. 相關(guān)儀的基本原理當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，能夠產(chǎn)生比普通水聲頻率高較多的聲壓波沿管道傳播，泄漏噪聲頻率高低主要取決于泄漏點(diǎn)的大小，泄漏噪聲傳播速度主要取決于管道直徑和管材；通過放置在管道兩端(泄漏點(diǎn)包圍在中間)的振動(dòng)傳感器或聲發(fā)射傳感器測量泄漏信號(hào)，由于泄漏點(diǎn)可能位于管道不同位置，因此泄漏聲傳播到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間不同，利用兩列信號(hào)的互相關(guān)分析，一般即可確定泄漏噪聲到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間差。根據(jù)該時(shí)間差，通過兩個(gè)傳感器間的距離和聲波在該管材中的傳播速度，即可計(jì)算出泄漏點(diǎn)距兩個(gè)傳感器的距離。設(shè)x(t),y(t)為所測量的兩列信號(hào)，貝U其相關(guān)函數(shù)計(jì)算公式如下：1TRxy( 何：-0y(t)x(t-)dt=Ryx(-)若信號(hào)為周期信號(hào)或一段信號(hào)可以反映信號(hào)全部特征，則可以采用一個(gè)共同周期或一段信號(hào)內(nèi)的均值代替整個(gè)歷程的平均值。 對(duì)于泄漏聲波信號(hào)，只要采集的兩列信號(hào)均覆蓋了在500m 以內(nèi)泄漏聲傳播的全過程即可，不必?zé)o限制采集。這樣，互相關(guān)函數(shù)計(jì)算公式可如下近似：-maxRxy()I—沖腫)dt=Ryx(-)

max'/、/、Tm〒0x(t)y('/、/、Tm〒0x(t)y(t)dt」xh'xy(-)相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為:OxCTRxyC)-7y其中：為延遲時(shí)間為x(t),y(t)兩列信號(hào)的方差由于相關(guān)系數(shù)在［-1,?廠’分別為x(t),y(t)兩列信號(hào)的均值，|Pxy⑴"01］范圍內(nèi)，顯然，采用相關(guān)系數(shù)計(jì)算比較方便，容易判斷。分別通過互相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，位于最大相關(guān)系數(shù)的?值，即為泄漏到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間差由于事先無法知道泄漏點(diǎn)距哪一個(gè)傳感器近，所以兩個(gè)傳感器的兩列信號(hào)中泄漏噪聲到達(dá)時(shí)間或早或晚于另一個(gè)，為了準(zhǔn)確確定延遲時(shí)間每次必須計(jì)算$(?)和：聲到達(dá)時(shí)間或早或晚于另一個(gè)，為了準(zhǔn)確確定延遲時(shí)間每次必須計(jì)算$(?)和：xy(—)，由(-)“xyRxy(「)-FyRyxC)-—Lycxav上面可知:x(t)將其標(biāo)定為紅色傳感器和藍(lán)色傳感器，假定為了區(qū)分兩個(gè)振動(dòng)傳感器x(t)將其標(biāo)定為紅色傳感器和藍(lán)色傳感器，假定為紅色傳感器測的信號(hào)，y(t)為蘭色傳感器測的信號(hào)，以紅色傳感器測定的信號(hào)X(t)為標(biāo)準(zhǔn)，若波形內(nèi)找到相關(guān)系數(shù)最大的點(diǎn)，則表明x(t)信號(hào)中泄漏到達(dá)的時(shí)間早于y(t)，即泄漏距紅色傳感器近些；若.y(-J波形內(nèi)找到相關(guān)系數(shù)最大的點(diǎn)，則表明x(t)信號(hào)中泄漏到達(dá)的時(shí)間晚于y(t)，即泄漏距紅色傳感器遠(yuǎn)些，距藍(lán)色傳感器近些；若相關(guān)分析后計(jì)算的延遲時(shí)間為零，則表明中間相關(guān)，或?yàn)樵肼暩蓴_或表明泄漏位于兩個(gè)傳感器正中，應(yīng)移動(dòng)一個(gè)傳感器位置后重新相關(guān)分析。泄漏位置的計(jì)算:對(duì)于不同管材、不同外徑的管道，聲音傳播速度不同，根據(jù)事先給定的速度表，可以知道，兩個(gè)傳感器間的距離也可測的。假設(shè)泄漏點(diǎn)距較近的傳感器距離為L,兩個(gè)傳感器間的距離為D,聲波的速度為V，泄漏聲波到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間差為Td，則泄漏點(diǎn)距較近的傳感器距離計(jì)算公式如下:D=2L(VTd)L=0.5(D-VTd)當(dāng)某管道只有一個(gè)管件可利用時(shí)，并且可能的泄漏點(diǎn)位于此管件與管道端部

當(dāng)存或關(guān)閉的閥門之間時(shí)，這時(shí)只能放置一個(gè)振動(dòng)傳感器，只能采集一列聲波，在泄漏點(diǎn)時(shí)，泄漏聲一方面直接經(jīng)管道傳遞到傳感器，另一方面該波形經(jīng)管端或關(guān)閉的閥門反射后再沿管道傳遞到傳感器，因此該傳感器所采集的信號(hào)在某一點(diǎn)獲得泄漏噪聲信號(hào)，當(dāng)存即可確定該延遲時(shí)間。通過該管件聲波的傳播速度、傳感器距管頭或關(guān)閉的閥門的距離，可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)距傳感器的距離。Rx()設(shè)x(t)為所測量的兩列信號(hào)式如下：1則其自相關(guān)函數(shù)計(jì)算公x(t)x(t)dt-Hmx(t)x(t)dtT)二T0limT-TlimtTR即可確定該延遲時(shí)間。通過該管件聲波的傳播速度、傳感器距管頭或關(guān)閉的閥門的距離，可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)距傳感器的距離。Rx()設(shè)x(t)為所測量的兩列信號(hào)式如下：1則其自相關(guān)函數(shù)計(jì)算公x(t)x(t)dt-Hmx(t)x(t)dtT)二T0limT-TlimtTRx(-自相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為:(t-)x(t)dt(t)x(t-)dtTmax由于經(jīng)管頭或關(guān)閉的閥門反射的泄漏聲波一定滯后于直接傳遞的泄漏聲波，所以只需)，相關(guān)系數(shù)最大對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間即為泄計(jì)算該列信號(hào)的相關(guān)系數(shù)漏聲直接傳遞和反射后傳遞的到達(dá)時(shí)間差，設(shè)該時(shí)間差為Td,傳感器距管頭或關(guān)閉的閥門距離為D,聲波的速度為V,則泄漏聲距傳感器的距離2L為:L=D-0.5VTd現(xiàn)場應(yīng)用中需要解決的問題在實(shí)際應(yīng)用中，需要克服各種干擾，如管道流水的聲音，三通，四通處的分流，汽車經(jīng)過的電磁干擾和震動(dòng)噪聲，附近工地等其他噪聲以及由于沒有適合的放置傳感器的位置而造成傳感器距離太遠(yuǎn)，有效噪聲太微弱，信噪比低等都會(huì)干擾正常的噪聲信號(hào)。另外，管道的材質(zhì)，粗細(xì)，管壁的厚薄，液體壓力的大小，漏點(diǎn)的大小，管線所在區(qū)域的土質(zhì)等也將對(duì)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。綜上所述， 要想獲得正確可信的結(jié)果，儀器必須具備完善的抗干擾措施，操作者也需要有一定的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)噪聲的表現(xiàn)形式，我們可以將其分為噪聲強(qiáng)度干擾和其他噪聲干擾。噪聲強(qiáng)度干擾是指能夠降低有用噪聲強(qiáng)度的干擾。比如管材，管徑，壁厚，傳感器間距，管道壓力，漏點(diǎn)形狀和大小等。有些因素也同時(shí)影響了噪聲的頻譜分布。我們開發(fā)的相關(guān)儀可以根據(jù)傳感器信號(hào)的強(qiáng)弱，自動(dòng)選擇增益，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)50多dB,這可以使儀器適應(yīng)各種現(xiàn)場，并最大限度的保留了有用信號(hào)。其它噪聲干擾是指能夠產(chǎn)生和有用噪聲頻譜重疊的其他噪聲干擾，如管道流水噪聲，汽車干擾噪聲，其他噪聲源等，有的干擾是廣譜干擾，有些噪聲則集中于比較窄的頻帶內(nèi)，因此就需要根據(jù)不同情況采取不同的濾波手段。 我們在白天現(xiàn)場工作時(shí)，汽車噪聲干擾是最強(qiáng)烈的， 有些地段無法找到安靜的時(shí)段，因此要獲得好的相關(guān)效果就必須能夠?yàn)V除或盡量降低汽車干擾。 經(jīng)過多次試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)汽車震動(dòng)噪聲主要集中于低頻段，超過 150H乙其能量迅速降低，因此，只要設(shè)計(jì)好高通濾波就可以解決這個(gè)問題。另外，由于管材，管道壓力，漏點(diǎn)大小等不同，漏水噪聲的能量也分布于不同的頻帶，因此，使用固定的濾波將不能適應(yīng)所有的情況， 采用數(shù)字濾波可以解決這個(gè)問題。三.數(shù)字濾波的基本原理所謂濾波，廣義上講，就是對(duì)信號(hào)波形的一種變換處理。經(jīng)變換后的信號(hào)保留了原信號(hào)的主要成分，抑制了噪聲干擾。 實(shí)現(xiàn)這種處理的設(shè)備稱為濾波器，它把一個(gè)信號(hào)x(t)，按照預(yù)定的要求轉(zhuǎn)化成另一個(gè)信號(hào)y(t)。數(shù)字化濾波以軟件方式實(shí)現(xiàn)，便于軟件設(shè)定和控制，不占用硬件空間，沒有功耗問題，適于本系統(tǒng)應(yīng)用。與模擬濾波器對(duì)應(yīng)，數(shù)字濾波器是一類重要的線性移位不變系統(tǒng)，其輸入x(n)和輸出y(n)之間可用一個(gè)差分方和來描述，即、b.y(n-i)Aa」x(n-j)…_^一、. M L或者表示為：y(n)='akx(n-k)-'bky(n-k)k=0 km公式中的｛ak｝和｛bk｝是兩組常數(shù)，一旦它們的值確定后，一個(gè)濾波器就確定了。

數(shù)字濾波器可分為低通(Lowpass)、高通(highpass)、帶通(bandpass)和帶阻(bandstop)濾波器；也可分為有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器和無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器。如對(duì)上邊差分方程兩邊求Z變換，并應(yīng)用Z變換的移位性質(zhì)，可得Y(Z)=H(Z)上述形式為數(shù)字濾波器的直接形式H(Z)X(Z)Y(Z)=H(Z)上述形式為數(shù)字濾波器的直接形式M、az,k」為級(jí)聯(lián)(串聯(lián))形式和并聯(lián)形式。所謂級(jí)聯(lián)形式，就是H(Z)被分解為一階或二為級(jí)聯(lián)(串聯(lián))形式和并聯(lián)形式。所謂級(jí)聯(lián)形式，就是H(Z)被分解為一階或二階(也可更高階)數(shù)字濾波器傳遞函數(shù)的乘積，即Hk(Z)可表示為(二階時(shí))其中任一級(jí)子濾波器H(Z)=比⑺忙⑺HK(Z)Hk(Z)a°k'a1kZ 1 a2kZ3~1b*Z-III b2kZ/k二1,2「 ，K所謂并聯(lián)形式，就是總的H(Z)被分解成為一階或二階數(shù)字濾波器傳遞函數(shù)的和，即H(Z)二HdZ)a(Z)Hk(Z)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波 器，即根據(jù)濾波截止頻率等要求，求出H(Z)中的各個(gè)系數(shù)ak和bk，以便能由輸入x(n)求出輸出y(n)。四.其它功能介紹具備了數(shù)字濾波功能，我們還需要了解現(xiàn)場的噪聲，因此我們還需要對(duì)現(xiàn)場的信號(hào)進(jìn)行功率譜密度分析，通過分析結(jié)果，可以