3.1 下位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? 下位機(jī)硬件系統(tǒng)安放在管道上，對管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將檢測結(jié)果傳送給上位機(jī)。其系統(tǒng)框圖如圖3所示：
??? 下面分別說明下位機(jī)系統(tǒng)各組成部分的作用及設(shè)計(jì)。
??? 傳感器用來接收在管道內(nèi)傳播的包括噪聲在內(nèi)的負(fù)壓波信號。理想的傳感器應(yīng)具有較高的靈敏度、寬而平直的頻率特性、足夠的動(dòng)態(tài)范圍、良好的穩(wěn)定性。根據(jù)輸氣管道的特殊環(huán)境，檢測系統(tǒng)的傳感器還需具有施工量小，成本低，安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)園。通過研究相關(guān)資料和進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在本課題中選用浙江紅聲器材廠生產(chǎn)的HS14423駐極體電容測試傳聲器作為負(fù)壓波傳感器。
??? 前置放大器的作用是對傳感器采集到的負(fù)壓波信號進(jìn)行放大。由于管道泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波信號是很微弱的信號，所以在使用這一信號進(jìn)行檢測處理時(shí)，需要對信號進(jìn)行前置放大。為了與本課題選用的傳感器匹配，選用與傳感器同廠生產(chǎn)的HSl46133前置放大器。
??? 模擬濾波電路的作用是提取有用信號的頻帶削減帶外噪聲，防止頻率混疊保證采樣順利進(jìn)行。由于負(fù)壓波信號要用于對泄漏點(diǎn)定位的運(yùn)算中，對濾波器的相頻特性十分敏感，所以選用具有最平群延時(shí)特性的貝塞爾濾波器作為濾波器選型。在具體實(shí)現(xiàn)上采用了MAXIM公司的MAX281模擬濾波芯片作為貝塞爾濾波器的實(shí)現(xiàn)方案。
??? 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將濾波后的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。由于傳感器采集到的負(fù)壓波信號要傳到上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的運(yùn)算，而上位機(jī)只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理，所以必須要將采集到的負(fù)壓波信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號后才能傳遞給上位機(jī)。具體實(shí)現(xiàn)上采用了MAXIM公司的MAXll66逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。
??? 單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)是下位機(jī)系統(tǒng)的核心，主要完成對整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)的控制，以及與上位棚系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本文使用了ATMEL公司生產(chǎn)的Atmega128單片機(jī)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并編制了系統(tǒng)軟件控制整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。
??? 通信接口電路主要負(fù)責(zé)下位機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)系統(tǒng)通信中的電氣特性轉(zhuǎn)換。單片機(jī)串口不能直接用于較遠(yuǎn)距離的信號傳輸，為了提高串行通訊的可靠性，增大通訊距離，在工程設(shè)計(jì)中一般采用標(biāo)準(zhǔn)串行接口。本課題選用RS485總線標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)進(jìn)行通信，所使用的電平轉(zhuǎn)換芯片為MAXIM公司生產(chǎn)的MAX485電平轉(zhuǎn)換芯片。
3.2 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? 在整體檢測系統(tǒng)中上位機(jī)為放置在監(jiān)控室的工控計(jì)算機(jī)，所以對上位機(jī)的設(shè)計(jì)主要為對運(yùn)行于上位機(jī)平臺的軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示：
??? 上位機(jī)采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)，下面將介紹各個(gè)模塊的作用。
??? 下位機(jī)通信模塊主要負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。由于使用串口通信，所以本模塊的功能主要有通信參數(shù)的設(shè)置和字符數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。通信參數(shù)的設(shè)置主要包括設(shè)置波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位數(shù)、同步異步、停止位、緩沖區(qū)容量等。
??? 單通道時(shí)頻域分析模塊，對輸入信號進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。時(shí)域分析主要是對波形的觀測，由于串口傳遞的數(shù)據(jù)不含有時(shí)間信息，所以在分析和處理前要加上采樣起始時(shí)間和采樣時(shí)間間隔。頻域分析主要是對信號的數(shù)字濾波，提取需要的頻率成分，提高相關(guān)定位算法的精度。
??? 雙通道相關(guān)定位模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，本模塊主要負(fù)責(zé)相關(guān)定位算法的實(shí)現(xiàn)，以及根據(jù)相關(guān)算法計(jì)算出的延時(shí)求解泄漏點(diǎn)的位置。
??? 檢測結(jié)果存儲回放模塊作用是對檢測結(jié)果的存儲回放。由于本系統(tǒng)在檢測泄漏時(shí)為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)對時(shí)間的要求非常嚴(yán)格，一切的操作處理需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，因此不能對信號進(jìn)行復(fù)雜的處理。若將信號存儲起來，可以在日后對其做詳細(xì)的分析，這樣就彌補(bǔ)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)對時(shí)間要求嚴(yán)格的不足。
4 充氣管道泄漏檢測實(shí)驗(yàn)
??? 在實(shí)驗(yàn)室搭建了充氣管道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂瞄L3295cm、外徑為10cm、管壁厚為0.5cm的直管模擬燃?xì)夤艿溃挛粰C(jī)1距離泄漏點(diǎn)718cm。使用氣泵對管道進(jìn)行充氣，使管內(nèi)壓力在0.2MPa-0.3MPa。
??? 發(fā)生泄漏時(shí)，從兩下位機(jī)采集到的泄漏信號如圖5所示：
采用相關(guān)分析對兩路傳感器信號進(jìn)行處理后得到的相關(guān)波形如圖6所示：
??? 按照相關(guān)波形中，最大值對應(yīng)的時(shí)間即負(fù)壓波傳到兩傳感器的延時(shí)為97.51ms，波速取經(jīng)驗(yàn)值175m/s。按照公式(1)計(jì)算出泄漏點(diǎn)到下位機(jī)1的距離為700cm，與實(shí)測值718cm相比，絕對誤差為18cm相對誤差為2.5%。
5 結(jié)論
??? 本文基于負(fù)壓波檢測定位原理，對充氣管道泄漏進(jìn)行檢測與定位。設(shè)計(jì)了用于負(fù)壓波信號采集的下位機(jī)硬件系統(tǒng)和用于實(shí)現(xiàn)相關(guān)定位算法的上位機(jī)軟件系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了充氣管道泄漏實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明本檢測系統(tǒng)具有方法簡便、檢測速度快和定位精度高等特點(diǎn)。對管道網(wǎng)絡(luò)的泄漏檢測與定位將是進(jìn)一步要解決的問題。
參考文獻(xiàn)
1 楊理踐，景曉斐，宮照廣.輸氣管道音波泄漏檢測技術(shù)的研究.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(1)：70-73.
2 林偉國.基于動(dòng)態(tài)壓力信號的管道泄漏檢測技術(shù)研究.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，26(8)：908-909.
3 鄧鴻英，王毅.負(fù)壓波管道泄漏檢測與定位技術(shù).油氣儲運(yùn).2003，22(7)30-33.
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