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，如何解決這個問題已經(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，我們要做好這項工作就必須了解他們的技術(shù)，并能夠最終掌握。當前，簡陋技術(shù)最先進的設(shè)備當屬相關(guān)儀了，國外已有普通相關(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)過多方學習以及查閱相關(guān)資料，對其原理有了進一步的認識,下面就先從相關(guān)儀的基本原理說起.一．相關(guān)儀的基本原理當管道發(fā)生泄漏時,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（泄漏點包圍在中間）的振動傳感器或聲發(fā)射傳感器測量泄漏信號,由于泄漏點可能位于管道不同位置,因此泄漏聲傳播到達兩個傳感器的時間不同,利用兩列信號的互相關(guān)分析，一般即可確定泄漏噪聲到達兩個傳感器的時間差。根據(jù)該時間差，通過兩個傳感器間的距離和聲波在該管材中的傳播速度，即可計算出泄漏點距兩個傳感器的距離。設(shè)為所測量的兩列信號，則其相關(guān)函數(shù)計算公式如下：若信號為周期信號或一段信號可以反映信號全部特征，則可以采用一個共同周期或一段信號內(nèi)的均值代替整個歷程的平均值。對于泄漏聲波信號,只要采集的兩列信號均覆蓋了在500m以內(nèi)泄漏聲傳播的全過程即可,不必無限制采集.這樣，互相關(guān)函數(shù)計算公式可如下近似：相關(guān)系數(shù)計算公式為：其中:為延遲時間，分別為兩列信號的均值，分別為兩列信號的方差,。由于相關(guān)系數(shù)在［-1，1］范圍內(nèi)，顯然，采用相關(guān)系數(shù)計算比較方便，容易判斷。通過互相關(guān)系數(shù)的計算，位于最大相關(guān)系數(shù)的值，即為泄漏到達兩個傳感器的時間差。由于事先無法知道泄漏點距哪一個傳感器近，所以兩個傳感器的兩列信號中泄漏噪聲到達時間或早或晚于另一個，為了準確確定延遲時間，每次必須計算，由上面可知：為了區(qū)分兩個振動傳感器，將其標定為紅色傳感器和藍色傳感器，假定為紅色傳感器測的信號，為蘭色傳感器測的信號，以紅色傳感器測定的信號為標準，若波形內(nèi)找到相關(guān)系數(shù)最大的點，則表明信號中泄漏到達的時間早于，即泄漏距紅色傳感器近些;若波形內(nèi)找到相關(guān)系數(shù)最大的點，則表明信號中泄漏到達的時間晚于，即泄漏距紅色傳感器遠些，距藍色傳感器近些；若相關(guān)分析后計算的延遲時間為零，則表明中間相關(guān)，或為噪聲干擾或表明泄漏位于兩個傳感器正中，應(yīng)移動一個傳感器位置后重新相關(guān)分析。泄漏位置的計算：對于不同管材、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，兩個傳感器間的距離也可測的。假設(shè)泄漏點距較近的傳感器距離為L，兩個傳感器間的距離為D,聲波的速度為V,泄漏聲波到達兩個傳感器的時間差為Td,則泄漏點距較近的傳感器距離計算公式如下：當某管道只有一個管件可利用時，并且可能的泄漏點位于此管件與管道端部或關(guān)閉的閥門之間時，這時只能放置一個振動傳感器，只能采集一列聲波，當存在泄漏點時，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在某一點獲得泄漏噪聲信號，且一定延遲后，該信號被疊加，通過對該信號進行自相關(guān)分析，即可確定該延遲時間。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，可以計算出泄漏點距傳感器的距離。設(shè)為所測量的兩列信號，則其自相關(guān)函數(shù)計算公式如下：自相關(guān)系數(shù)計算公式為: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,所以只需計算該列信號的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)最大對應(yīng)的延遲時間即為泄漏聲直接傳遞和反射后傳遞的到達時間差，設(shè)該時間差為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L為：二．現(xiàn)場應(yīng)用中需要解決的問題在實際應(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，有效噪聲太微弱,信噪比低等都會干擾正常的噪聲信號。另外，管道的材質(zhì),粗細，管壁的厚薄，液體壓力的大小，漏點的大小，管線所在區(qū)域的土質(zhì)等也將對結(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。根據(jù)噪聲的表現(xiàn)形式,我們可以將其分為噪聲強度干擾和其他噪聲干擾。噪聲強度干擾是指能夠降低有用噪聲強度的干擾。比如管材，管徑，壁厚，傳感器間距，管道壓力，漏點形狀和大小等。有些因素也同時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)傳感器信號的強弱，自動選擇增益，動態(tài)范圍可達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。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，汽車噪聲干擾是最強烈的，有些地段無法找到安靜的時段，因此要獲得好的相關(guān)效果就必須能夠濾除或盡量降低汽車干擾.經(jīng)過多次試驗，我們發(fā)現(xiàn)汽車震動噪聲主要集中于低頻段，超過150Hz,其能量迅速降低，因此，只要設(shè)計好高通濾波就可以解決這個問題。另外，由于管材,管道壓力，漏點大小等不同，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問題。三．數(shù)字濾波的基本原理所謂濾波，廣義上講，就是對信號波形的一種變換處理.經(jīng)變換后的信號保留了原信號的主要成分,抑制了噪聲干擾。實現(xiàn)這種處理的設(shè)備稱為濾波器，它把一個信號,按照預(yù)定的要求轉(zhuǎn)化成另一個信號。數(shù)字化濾波以軟件方式實現(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)，其輸入和輸出之間可用一個差分方和來描述，即或者表示為：公式中的｛｝和｛｝是兩組常數(shù)，一旦它們的值確定后，一個濾波器就確定了。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)，可得稱為數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)。上述形式為數(shù)字濾波器的直接形式。除直接形式外，數(shù)字濾波器還可表示成為級聯(lián)（串聯(lián)）形式和并聯(lián)形式。所謂級聯(lián)形式，就是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，即其中任一級子濾波器可表示為（二階時）所謂并聯(lián)形式,就是總的被分解成為一階或二階數(shù)字濾波器傳遞函數(shù)的和，即設(shè)計數(shù)字濾波器,即根據(jù)濾波截止頻率等要求，求出中的各個系數(shù)和,以便能由輸入求出輸出。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，因此我們還需要對現(xiàn)場的信號進行功率譜密度分析，通過分析結(jié)果，可以幫助我們選擇濾波范圍，使結(jié)果更加穩(wěn)定