一種基于相關測漏原理的地下供水管道漏點定位儀＊

吳天豪

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

一種基于相關測漏原理的地下供水管道漏點定位儀＊

吳天豪

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

提出了一種新型漏點定位儀。在當前相關測漏原理的基礎上，利用相關檢測的原理，結合壓電傳感器、信號放大電路、模擬濾波電路以及DSP信號處理模塊，實現對漏水聲音的采集、放大、自動濾波以及自動處理、對漏點進行自動化精準定位的功能。

測漏原理；漏點檢測；供水管道；漏點定位

水是人類生存的必要條件之一，是世界各國國民經濟和社會發展的重要因素。我國是一個水資源缺乏的國家，人均水量只相當于世界人均占有量的1/4，在我國仍有一部分城市的水資源不能滿足生產生活需要。對此，國家出臺一系列政策鼓勵節約用水，研究如何節水，節約點滴水資源具有十分重要的意義。然而，在我國供水管網系統運行的過程中，每年因管道漏水不僅造成大量水資源浪費，還帶來巨大的經濟損失。加強管道漏水的檢測和處理，是最有效、最快捷的供水管網漏水防治措施。當前，應用最普遍的地下管道泄漏探測技術方法主要是音聽檢漏法。該方法需分步查漏，費時費力，同時受聲音的強弱、外界影響大，且甄別水管漏水在很大程度上依靠人的經驗。為克服以上弊端，相關的測漏法應運而生，它們是在已知管道長度與漏水聲傳播速度的條件下，通過相關的算法，求得漏水聲傳至待檢測管道兩端的時間差，以確定漏點的位置。但這些方法自動化水平較低，在測距、測速方面需要人為操作。

本文結合現有的主要檢測漏水方法，基于相關測漏原理，即通過檢測判斷漏水聲到達某特定位置的時間差判斷漏水點。該方法不僅可以對漏點進行較為準確的檢測和監控，提前告知漏點，還可以有效節省水管維修管道的時間，節約維修成本，對水管檢修具有重要的意義，同時還可以減少水資源的浪費。

1 方案設計

本設計主要由壓電傳感器、水流量傳感器、放大電路、模擬濾波器以及DSP系統電路組成，整體方案和傳感器安裝位置如圖1所示。

壓電傳感器：主要利用壓電材料的壓電效應實現能量的轉換，當壓電材料受到外力時，其表面將產生電荷，將機械能轉換成電能。漏水點處振動發出的聲波可沿管道向兩端傳播，安裝于水管兩側外部的傳感器在不同時間接收到該聲波并進行處理。選用YD30D壓電傳感器，其靈敏度高、通用性強、抗干擾性強、性價比高、安裝方便。

放大電路：可增大來自傳感器的信號，便于后續處理。

模擬濾波器：可將熱電發電結構產生的電能儲存起來，通過輸出穩定的電流供給激光二極管使用，使其正常工作。

DSP系統：將采集的信號進行模數轉換、數字濾波、相關運算，從而得出漏點的準確位置。主機采用數字信號處理專用芯片TMS320C5420，具有較快的運行速度，實現了實時檢測與反饋。

圖1 整體方案和傳感器安裝位置

2 技術路線

相關檢測原理說明：設L為被測管道長度，A，B為管道的2個端點，X1和X2為漏點距兩端的距離。泄漏發生后，在漏點處由于水流的沖擊，會引起周圍介質的振動，這樣就會產生以漏點為中心的漏水聲波信號。該漏水聲波信號將以聲速沿管道向兩端傳播，在A，B端點安裝的傳感器會在不同時刻檢測到這一信號。利用其時間差即可求得漏點距離管道端點的位置，從而準確定位漏點位置。

將傳感器歸為信號采集模塊，放大電路與濾波電路部分歸為信號預處理及信號傳輸模塊，將DSP部分歸為信號處理及反饋模塊。

2.1 信號采集模塊

該模塊的中心元件為2類傳感器，即壓電傳感器和水流量傳感器。它的基本結構包括殼體、彈簧、慣性質量塊、壓電晶體片和輸出端。慣性質量塊壓在壓電晶體片上的力會隨著傳感器受到的機械應力而變化，晶體片由此產生形變，形成壓電效應，進而形成有規律的電荷，由輸出端將電信號輸出。傳感器的固有頻率表示為：

式（1）中：K為結晶體片的剛度；Ms為慣性質量塊質量；Mb為殼體和基座的質量；E為晶體的楊氏模量；D為陶瓷晶體片的直徑；T為晶體片的厚度。

2.2 信號預處理及信號傳輸模塊

首先需提高整個系統的輸入阻抗，避免微弱的漏水信號在前級傳感器輸出電阻中損耗，因此將TL084中的一個運放輸出端和對應反向輸入端相連。同時，放大電路采用兩級通向信號放大，可以有效放大微小漏水信號，滿足要求。查閱相關資料可知，漏水信號頻率一般小于2 000 Hz。

2.3 信號處理及反饋模塊

DSP主機將單片機采來的數據進行分析和處理，從而計算出漏點的位置。為了克服隨機干擾引入系統的誤差，采用遞推平均濾波法實現軟件數字濾波，以濾除或抑制有效信號中的干擾成分，消除系統隨機誤差，同時對信號進行必要的平滑處理，以保證系統的正常運行。

3 結束語

該漏點探測法較當前主要使用的音聽探測法來說更為精準、方便且穩定，較當前技術較為先進的超聲波探測等方法而言價格更低，較當前的相關探測法而言，可實現對管道是否漏水進行實時監控，精準定位后及時反饋，功能更全面，因此，可推廣性強，具有廣闊的應用前景。

［1］吳珊珊，胡國兵，張照鋒，等.變模式分解在供水管道漏點定位中的應用研究［J］.電子器件，2017，40（04）：1036-1043.

［2］高濤，李晗.輸氣管道泄漏檢測及定位技術分析［J］.石化技術，2017，24（09）：23.

TU991.64

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.059

2095－6835（2018）01－0059－02

＊國家大學生創新創業訓練計劃資助《一種基于相關測漏原理的地下供水管道漏點定位儀》編號：20171049704017

〔編輯：劉曉芳〕