強噪聲環境下管道泄漏弱信號檢測系統設計

鄭豐

（南方電網超高壓輸電公司天生橋局，貴州興義 562400）

管道運輸是化工企業生產過程中化工原料運輸的主要手段。化工管道中存在大量連續彎曲的接縫，如果焊接接頭失效或失控，將嚴重威脅設備的正常運行；如果有毒、有害、易燃等介質泄漏，不僅會對周圍環境造成污染，而且一旦引燃可燃物還會引起爆炸，導致人員中毒或傷亡，危害人民健康。在管道泄漏的所有信號中，有用信號變化幅度較小，干擾性信號變化幅度較大[1]。管道泄漏微弱信號具有周期性和隨機性特點，如何在含干擾性信號中提取有用信號是當前管道泄漏微弱信號檢測的關鍵。

信號低段集中噪聲，高段分散噪聲，因此，使用了傅里葉信號檢測方法[2]，結合低通濾波過濾干擾性信號，提取有用信號，然而，使用該方法對濾波器要求較高，如果選擇的低通濾波器檢測頻率范圍過大，那么過濾后的信號中仍然存在大量干擾性信號；如果選擇的低通濾波器檢測頻率范圍過小，那么會將有用弱信號過濾，使用自適應隨機共振微弱信號檢測方法[3]，其依據隨機共振原理檢測泄漏微弱信號，然而，利用該系統只能起到短暫去噪效果，無法長時間檢測泄漏微弱信號。

針對上述問題，提出了強噪聲環境下管道泄漏弱信號檢測系統設計，有效提高了檢測效果，保證了檢測的精準性。

1 系統硬件結構設計

管道泄漏形式主要有3 種，分別是直管泄漏、彎頭泄漏和管法蘭泄漏。其中，直管本身的制造缺陷和直管附件質量問題引起直管泄漏，直管焊接、直管對齊或直管選材不當引起腐蝕；介質流經彎管時，受彎管阻力較大的影響，主要發生在彎管半徑較大的外側，造成彎頭泄漏；另外，彎管與管縫之間有縫隙，也會出現泄漏現象。因此在對泄漏管路法蘭密封時，應加強連接螺栓的預緊力，并增加墊片來達到足夠的密封比壓，避免壓力流體介質的泄漏。

根據管道泄漏聲信號特性，設計的管道泄漏弱信號檢測系統總體結構框圖如圖1 所示。

圖1 管道泄漏弱信號檢測系統總體結構框圖

由圖1 可知，系統結構包括信號調理模塊和數據采集模塊兩大模塊，并由加速度傳感器、濾波器、放大器、存儲器組成，通過主控單元、上位機、人機接口進行運作。其中，加速度傳感器負責將管道中的微弱信號轉換成電信號形式，并將該信號傳遞給信號調理模塊；信號調理模塊為加速度傳感器提供穩定電源，在偏置電壓隔離后，加速度傳感器輸出信號是直流電路產生的加速信號；濾波器負責抑制來自加速度傳感器傳輸的干擾性信號[4-6]；放大器負責將傳感器傳輸的泄漏微弱信號進行放大處理后，能夠滿足后續數據采集要求[7]；數據采集模塊負責微弱信號采集，主控單元負責全局控制與處理，由此完成系統與上位機之間數據和指令的傳輸[8-9]。

1.1 加速度傳感器

內置加速度傳感器LC0151T，其頻率范圍為0.5～1 200 Hz，靈敏度達到145 mV/g，設檢測頻率為33 Hz，能夠達到系統高效傳輸數據的目的[10]。

LC0151T 加速度傳感器結構如圖2 所示。

圖2 LC0151T加速度傳感器結構

由圖2 可知，加速度傳感器連接雙線系統，其中一線為地線，另一線為放大器的信號輸出線和恒流源輸入線[11]。通過上述連接方式，不僅能屏蔽噪音輸出信號，還能極大地簡化檢測系統，提高檢測準確性[12]。

1.2 加法器與電阻網絡衰減電路

因為發射信號中含有大量的噪聲信號，所以在處理前，必須抑制噪聲，以模擬理想環境。為得到需要的混合信號，并更精確地檢測出微弱信號，在噪聲環境下還特別增加了加法器[13]。

從加法器速度出發，選用了單向運放OP27，它是一種低噪聲精密運放設備，經過該裝置處理后的混合信號可以被電路電阻衰減[14]。采用純阻式分壓原理，經連續10 次衰減后，能夠得到理想結果。圖3是電阻網絡衰減電路。

由圖3 可知，當信號需要通過改變增益來衰減并且信號是帶寬信號時，應該采用電阻網。在傳輸介質過程中，干擾性信號會轉化成一部分能量，并被介質吸收，這就使干擾性信號強度不斷衰減。當電阻率不合適時，可采用串聯并聯的方法，這種電阻器能滿足小貼片封裝的功率要求，并具有較好的頻率特性。要使其工作于寬帶范圍，必須對電阻衰減網絡進行補償。

圖3 電阻網絡衰減電路

1.3 濾波器

管道通常位于野外或者更復雜的工業環境中，這使得傳感器采集的泄漏信號不可避免地含有外部傳導的干擾和白噪聲。因此，在有用頻域內選擇濾波器來提高信噪比[15]。管道泄漏信號最高頻率可達到4 kHz，并且存在噪聲頻帶較寬的問題，為了改善該問題，需抑制帶外噪聲。為此，通過二階低通濾波器和高通濾波器的結合，形成帶通濾波器，能夠有效提取泄漏微弱信號[16]。當信號發生器產生等幅正弦波形后，通過示波器進行觀察，再由濾波器輸出，通過測量多個頻點的輸入輸出，得到濾波器的頻域響應曲線。

濾波器結構如圖4 所示。

圖4 濾波器結構

由圖4 可知，濾波器的通帶范圍設定在200～2 000 Hz，輸出信號幅值相對穩定；在頻率低于200 Hz或高于2 000 Hz 的情況下，輸出信號的波幅會隨頻率的降低或升高而顯著衰減，說明所設計的濾波器對50 Hz 工頻及其諧波干擾和2 000 Hz 以上噪聲信號都有很好的屏蔽效果，滿足了系統設計的要求。

1.4 PCB設計及抗干擾處理

為提高系統電路板的抗干擾能力，需添加PCB板，該板能夠有效抑制外界噪聲，PCB 板設計原則為：設計PCB 電路板時，采用直徑大于3 mm 的接地線，要求地線粗且短，確保通過印刷電路板的電流是正常電流的三倍，這些高頻元件應用大面積銅箔進行包裹。數字與模擬圖層盡可能地分離，高頻部分接地線與低頻部分接地線分別采用多點串連接地方式和單點接地方式。依據流入線路板的元件電流大小，使線路板內回路電阻數最大，進而提高線路板抗噪性。

PCB 電路部署時，盡量避免設置輸入/輸出線路，輸入/輸出線路安裝數字電路和模擬電路。二線相接于PCB 板，導線應垂直或彎曲，避免平行放置，從而減少平行放置造成的線路失火問題出現。布設位置應遠離噪聲大、電流大的設備，并在電流上附加存儲器及邏輯控制電路，方便提高電路工作穩定性。

在PCB 板上大面積涂銅主要有3 種效果，分別是散熱效果、阻抗降低效果、干擾信號屏蔽效果，可以有效提高電路板的抗干擾能力。

2 系統軟件部分設計

系統硬件結構完成管道泄漏弱信號采集、調理及存儲功能，數據處理需由上位機來完成。軟件部分設置放大器增益控制功能，通過提高信噪比，將放大后的信號幅度接近AD 轉換器的變化范圍。在數據采集之前，需先進行數據預處理，根據預處理程度確定放大器增益情況，設計弱信號檢測流程，并校正強噪聲環境下誤差，實現弱信號精準檢測。

2.1 弱信號檢測流程設計

當系統開始工作時，輸入待檢測弱信號，經過電壓電路后，使用單片機采樣分析，系統工作步驟如圖5所示。

由圖5 可知，系統初始化后，設置系統初始參數，輸入含噪聲待測信號，啟動ADC 采樣，存儲樣本數據。判斷系統參數是否超過閾值，如果沒有則需重新調整系統參數，程序循環，直到超出預設值為止。

圖5 系統工作步驟

2.2 強噪聲環境下誤差校正

對于強噪聲環境下的非線性數據，要想得到線性曲線，就必須從非線性曲線圖上分別提取一個采樣點的數值，然后將相鄰的直線和各采樣點的數值相連接，得到一條近似直線。所以在強噪聲環境中，系統校準的目標之一就是得到模數轉換值與實際電壓值之間的線性關系。

設經過檢測程序得到了n個電壓值V1、V2…Vn，以及采樣值g1、g2…gn。為了獲取某個測量點的電壓值，需先假設相鄰采集點為線性關系。在該關系下，某一位置的電壓值計算公式為：

式中，g表示未知值；(g0,V0)、(g1,V1)表示已知坐標。兩邊的值均為λ，那么λ就是從g0到g與g0到g1的比值，由此完成誤差校正。

3 試 驗

為了驗證基于非線性誤差校正的強噪聲環境下管道泄漏弱信號檢測系統設計的合理性，進行試驗驗證分析。試驗是在室溫環境下進行的，采用Agilent DSO-X 系列設備檢測微弱信號。

測試內容是不同幅值下系統檢測到的數據，強噪聲環境下的泄漏弱信號如圖6 所示。

圖6 強噪聲環境下的泄漏弱信號

由圖6 可知，強噪聲環境下的輸入信號在-30～30 mV 范圍內波動。

基于此，分別使用傅里葉檢測方法、自適應隨機共振弱信號檢測方法及非線性數據誤差校正系統檢測弱信號，檢測結果如圖7 所示。

圖7 3種方法弱信號檢測結果對比分析

由圖7可知，理想輸出信號在-20～27 mV范圍內波動，使用傅里葉檢測方法輸出信號在-28～20 mV 范圍內波動，與理想輸出信號范圍不一致；使用自適應隨機共振弱信號檢測方法信號在-24～19 mV范圍內波動，與理想輸出信號范圍不一致；使用非線性數據誤差校正系統輸出信號在-20～24 mV 范圍內波動，在理想輸出信號范圍內。由此可知，使用非線性數據誤差校正系統弱信號檢測結果更加接近理想情況。

4 結束語

為了檢測和提取在強噪聲環境下管道泄漏時的微弱信號，設計了一種內置壓電加速度傳感器的信號檢測裝置，結合非線性誤差校正技術，實現了弱信號的精準檢測。通過相關試驗研究，驗證了該系統檢測結果確實與理想結果更為接近。

雖然該系統具有精準檢測結果，但在后續研究進程中，需進一步優化系統，尤其是上位機定位功能，應優化定位技術確定管道泄漏位置，保證系統能在定位范圍內及時檢測出管道泄漏位置。