专利名称：一种便携式的管道泄漏检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测仪器，尤其是涉及一种用于压力流体管网中检测管道泄漏以及准确定位漏点的便携式管道泄漏检测仪。
背景技术：
在现有的压力流体管网系统中，由于第三方施工造成对已有管道的破坏、管道自身的老化和腐蚀、外界交通和大型建筑物对管道产生的过载压力、突发性碰撞以及安装不符合标准规定等原因，导致泄漏时有发生。各类管道的泄漏不仅严重影响了国民经济的快速发展，同时也给人类健康、自然环境、社会环境以及管道系统自身带来极大的危害。因此研究管道泄漏故障诊断技术，有显著的社会效益和经济效益。随着国民经济的发展，各种管道的铺设越来越广泛，越来越复杂，其总的趋势是管道大量的在地下埋设，并且呈网状分布，这就给管网的泄漏检测工作带来了极大的困难。
美国发明专利申请5231866公开的泄漏检测装置是在管道的泄漏点两侧分别设置振动传感器，每个传感器连接一数据采集单元，数据采集单元通过RS-232、RS-485等标准接口将采集数据传输到主机进行分析，定位漏点。这些标准接口通信速度最高不超过1Mbps、有线连接距离有限，传输介质常受到周围电场和磁场的干扰。为了增加传输距离、减小各种干扰，需增加更多的电路和设备，这样既增加了系统成本，又给系统维护带来不便。
中国发明专利96121000.1公开了一种采用瞬态压力波定位方法，计算泄漏点位置的泄漏检测装置。该装置采用模糊和神经网络的方法校正压力波速度。用这种方法首先需要建立管道运行模型。不同分布、不同环境条件下的管道的运行条件不同，模型也不相同。建立模型需要通过大量的、针对确定管线的实验操作来实现；对不同类型材料、尺寸的管道构成的复杂分布管网，不易建立起合适的模型。
美国发明专利申请5922942公开了一种泄漏检测系统，它包含主采集单元、附属采集单元和传感器三个部分。主采集单元采用微处理器，除了对一个传感信号进行采集之外，还控制整个系统以及完成相关的数据分析处理。微处理器是专用的器件，其运算功能有限，且功能扩展也有限。两个采集单元之间通过红外线方式进行通信。红外线通信方式，通信速度低，同时要求通信两部件间必须满足特定的相对位置条件，如两部件之间不能有障碍物。
发明内容
为了克服现有管道泄漏检测仪器的缺点和不足，本发明提供了一种便携式的，能在各种复杂环境下检测、定位泄漏的管道泄漏检测仪。该装置提供了USB和网络两种接口连接主机和数据采集单元，可适用于不同应用场合的离线和在线检测，支持高速数据传输；为了提高采集信号的信噪比，以最终提高泄漏检测的可靠性和泄漏定位精度，前端信号调理采用可编程的滤波器和放大器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是便携式管道泄漏检测仪，由主机、USB集线器、若干个数据采集单元和振动传感器构成，主机通过USB集线器与各数据采集单元连接；各数据采集单元分别连接一个振动传感器。
主机还可以通过网络集线器与各数据采集单元连接。所述的数据采集单元由信号调理单元、A/D转换器、微处理器、USB接口、网络接口、存储器、时钟源和可充电电源组成；信号调理单元、A/D转换器、微处理器顺序连接并分别与可充电电源连接，A/D转换器还与时钟源连接；微处理器还分别与时钟源、USB接口、网络接口、存储器连接，存储器还与可充电电源连接。所述的信号调理单元由程控滤波器和程控放大器构成。数据采集单元可以连接温度传感器，或者主机可以连接温度传感器。本检测仪还可以由主机通过USB集线器或网络集线器连接一个振动激励源，或者由数据采集单元之一连接一个振动激励源；振动激励源前端还连接一个振动器，振动器在管道上放置于振动传感器之一的旁边或与其距离已知的位置。
本发明涉及的检测系统在数据采集单元和主机之间提供了USB接口和网络接口。USB接口具有即插即用、速度快、传输可靠以及可同时支持多个外部设备等优点；网络技术则可同时满足远程和高速通信。同时，这两种接口都是目前通用计算机的标准接口和主流通用接口，其部件具有通用性和极高的性价比。这样，根据具体的检测环境，在工作过程中，主机和各数据采集单元既可以分开，也可以连接起来，分别实现离线和在线检测。
USB接口现有的标准主要有USB1.1和USB2.0。USB1.1的最高通讯速率可达12Mbps，USB2.0的最高通讯速率理论上可达480Mbps。USB接口的通讯距离较短。用USB接口连接主机和数据采集单元时，主机首先通过USB接口设置各个数据采集单元的参数，发送检测命令，并启动各数据采集单元同步采集定时。利用USB接口的热插拔功能，数据采集单元同步定时启动后，其可以不断电和主机分离，并和振动传感器一起被布置到数据采集点。利用已同步启动的各数据采集单元时钟，实现空间不同位置分布参数的同步采集；采集结束后，主机和数据采集单元再通过USB接口连接在一起，主机接收所采集的数据进行信号分析处理，获取检测信息，给出检测结果。
使用网络接口可以将主机和各个数据采集单元构成一个局域网，实现主机对各数据采集单元的在线控制，各数据采集单元的同步采集，采集数据的实时传输以及信号的实时在线处理。这样，主机可根据采集信号的情况及时调整数据采集单元的各种参数，随时校正各数据采集单元的时钟，消除各数据采集单元间的同步误差。
传感器获取的泄漏信号强度和多种因素有关，特别是对于分布复杂，管径、材质和埋设条件等都不尽相同的自来水供水管网。首先泄漏点产生的源泄漏信号强度由漏点形状、大小、管道内流体的压力等决定；同时泄漏信号经过管道、流体及管道周围的埋设介质等形成的传播途径传播到传感器中，信号的强度将随传播距离的不同而变化。另外，检测环境不可避免的存在各种干扰噪声，噪声的强度也是变化的。因此，在实际检测过程中，传感器获取信号强度是未知的，为了减小量化误差，在对传感信号进行模数转换前需要根据信号强度对放大倍数进行调整。本发明在信号采集前端设计了可编程控制的放大器。当数据采集单元收到主机命令后，首先采集原始传感信号，微处理器根据原始信号的幅度特征，结合模数转换的动态范围给出控制信号，改变程控放大器的放大倍数，对信号幅度进行调理。在数据采集过程中，为了避免信号强度变化的影响，仍需对传感信号进行适当地调整。因此，在离线方式下，通过主机设置一时间间隔，微处理器以该时间间隔为周期反复调整放大倍数；当采用局域网连接方式时，主机可根据信号幅度计算出合适的放大倍数，控制微处理器实现信号的增益调整。
同样地，泄漏信号的频率特征也和漏点、管道及埋设条件等因素有关，比如塑料管道与金属管道产生的泄漏信号主要频率成分就存在较大差异。因此，为了充分获取泄漏振动信号，减小干扰，提高信噪比，需要在不同的应用环境下调整程控滤波器中心频率、频带宽度等各种参数。本系统还可根据实际采集信号的频率成分自动调整采样率。
由于振动信号在管道中的传播速度与环境温度有直接的关系，本发明提出在检测仪器系统中增加温度传感器，将温度传感器放置在管道上、数据采集单元或者主机周边，采集模块不仅采集泄漏振动信号，同时也采集环境温度信号，这样可以根据实际温度修正在当前环境下振动信号在管道中的传播速度，减少由振动传输速度的不准确造成的泄漏定位的误差。
对于分布复杂的管网，如果两个振动传感器间的管道长度不确知，或者实际的振动传输速度和已预测、预知振动传输速度相差较大会给系统的泄漏定位带来误差。本发明设计了一个附加的振动激励装置，用以测量两个振动传感器之间管道的实际长度，或者在管道长度可以确知时测量管道中振动传输的实际速度。该振动激励装置由振动激励源和振动器构成，振动激励源激振振动器，在管道中造成确定的振动波。通过检测管道中该确定振动信号，计算两个振动传感器间管道的实际长度或者在管道中的实际振动传输速度。
本发明的有益效果是泄漏检测可以在离线或在线方式下完成；可实现放大倍数，滤波器的中心频率、频带宽度等各种参数的自动调整；可以根据当前温度值修正振动传输速度；附加的振动激励装置，用以测量两个振动传感器之间的管道实际长度，或者在管道长度确知时校正振动传输速度。
图1为在线检测结构示意图；图2为离线检测结构示意图；图3是主机控制调理参数、采集参数结构示意图；图4是采集单元控制调理参数、采集参数结构示意图；图5是数据采集单元采集温度信号修正振动传输速度的结构示意图；图6是主机采集温度信号修正振动传输速度的结构示意图；图7是由采集单元控制激励源工作的结构示意图；图8是由主机控制激励源工作的结构示意图；图9是振动器放置于两传感器间的示意图；图10是振动器放置于两传感器外侧的示意图。
上述图中，1代表USB接口，2代表网络接口，3代表振动传感器，4代表泄漏点，5代表管道，6代表振动器，7代表温度传感器，8代表数据采集单元，8-1代表信号调理单元，9代表主机，10代表振动激励源，11代表网络集线器，12代表USB集线器。
具体实施例方式
参阅图1、图2，便携式管道泄漏检测仪，由主机9、USB集线器12、若干个数据采集单元8和振动传感器3构成，主机9通过USB集线器12与各数据采集单元8连接；各数据采集单元8分别连接一个振动传感器3。主机9还可以通过网络集线器11与各数据采集单元8连接。
当选择图1所示的在线工作方式时，将振动传感器3放置到管道5，各数据采集单元8的网络接口2和主机9的网络接口2通过网络集线器12连接起来，构成一个局域网系统。启动数据采集单元8的电源，完成数据采集单元8的初始化，主机9通过网络向数据采集单元8发送采集参数，如采样频率、采样时间、滤波器参数等。参阅图3，数据采集单元8由信号调理单元8-1、A/D转换器、微处理器、USB接口1、网络接口2、存储器、时钟源和可充电电源组成；信号调理单元8-1、A/D转换器、微处理器顺序连接并分别与可充电电源连接，A/D转换器还与时钟源连接；微处理器还分别与时钟源、USB接口1、网络接口2、存储器连接，存储器还与可充电电源连接。信号调理单元8-1由程控滤波器和程控放大器连接构成。
微处理器接收主机9发送的参数，并设置采样率和程控滤波器的中心频率及带宽等。主机9确认A/D转换器、程控滤波器配置完成后，发出预采样命令，微处理器根据所采集信号幅度特征和A/D转换器的动态范围输出控制信号调整程控放大器的增益。增益调整完成后主机9发送命令正式启动各数据采集单元8的同步采集，并将采集数据通过网络传输到主机9，用户调用主机9相应的程序在采集过程中控制数据采集单元8重新调整信号增益和程控滤波器参数。主机9接收各数据采集单元8发送的数据，在界面上显示所获取的信号曲线，对信号进行分析处理，发现泄漏和定位漏点，主机9以网页、图表等方式自动记录分析处理结果，并提供打印等功能。
当选择图2所示的离线工作方式时，各数据采集单元8的USB接口1和主机9的USB接口1通过USB集线器12连接起来，启动数据采集单元8电源及初始化，完成主机9和各数据采集单元8之间的握手通信。
在数据采集单元8初始化完成后，主机9通过USB接口1向各数据采集单元8传送采样频率、采集时间长度、滤波器参数、传感器放置时间及调整放大倍数的周期等参数。确认数据采集单元8配置完成后，主机9向各数据采集单元8发送同步启动命令，然后各数据采集单元8和主机9相分离，并和振动传感器3一起布置到采集点，振动传感器放置在管道5上。参阅图4，数据采集单元8根据获取的传感器信号，调整信号调理单元8-1的放大倍数、程控滤波器的中心频率和带宽、A/D采样率等，同时为了避免噪声受随机因素的影响，在整个数据采集过程中，数据采集单元8将在设定的时间段内反复调整上述参数。各数据采集单元8均有一个时钟控制整个数据采集过程，实现各数据采集单元8间数据的同步采集，采集的数据存储在一个大容量存储器中。完成设定时间长度的采集后，数据采集单元8再通过USB接口1和主机9重新连接起来，将采集的数据传送回主机9，主机9对这些数据进行分析处理，检测泄漏，并定位漏点。
参阅图5，图6，振动信号的传播速度跟检测环境温度有直接关系，各数据采集单元8可以连接温度传感器7，主机9也可以连接温度传感器7。通过获取的温度信息对泄漏信号沿管道传播的速度进行修正，减小环境温度对管道漏点定位精度的影响。
参阅图7，图8，主机9通过USB集线器11或网络集线器12连接一个振动激励源10，或者由数据采集单元8之一连接一个振动激励源10；振动激励源10前端还连接一个振动器6，振动器6在管道5上放置于振动传感器3之一的旁边或与其距离已知的位置。在检测之前，主机9或数据采集单元8向振动激励源10发送信号控制振动激励源10激振振动器6产生振动信号。
参阅图9，图10，振动器6放置于一振动传感器3旁边(L1＝0)或与其距离已知的管道上(L1为一确知的非零值)。振动器产生的振动信号沿管道传输，它到达两个传感器的时间分别为t1和t2，通过对两个传感器采集到的信号进行时延估计，计算振动信号到达两振动传感器3的时间差Δt＝t1-t2。振动器与两个振动传感器间的管道长度差ΔL＝L1-L2，管道中的实际振动传输速度v和振动信号到达两个振动传感器的时间差Δt之间满足关系v＝ΔL/Δt。对于分布复杂的管网，在两个振动传感器间的管道长度不确知，振动传输速度已知的情况下，通过公式L＝2L1+Δt·v(振动器放置于两传感器之间)或者公式L＝v·Δt(振动器放置于两传感器外侧)来计算两个传感器之间的管道实际长度；在实际振动传输速度与已预测、预知振动传输速度相差较大，而两传感器间的管道实际长度已知的情况下，通过v＝(L-2L1)/Δt(振动器放置于两传感器之间)或者公式v＝L/Δt(振动器放置于两传感器外侧)来计算实际振动传输速度。
凌特公司生产的LTC6910-1程控放大器、美信公司生产的MAX7426程控滤波器、cygnal公司生产的C8051单片机、ADS7832 A/D转换器、Atmel公司生产的AT45DB081存储器即能满足设计要求。
权利要求
1.一种便携式的管道泄漏检测仪，其特征在于它由主机(9)、USB集线器(12)、若干个数据采集单元(8)和振动传感器(3)构成，主机(9)通过USB集线器(12)与各数据采集单元(8)连接；各数据采集单元(8)分别连接一个振动传感器(3)。
2.根据权利要求1所述的便携式的管道泄漏检测仪，其特征在于主机(9)还可以通过网络集线器(11)与各数据采集单元(8)连接。
3.根据权利要求1或2所述的便携式的管道泄漏检测仪，其特征在于所述的数据采集单元(8)由信号调理单元(8-1)、A/D转换器、微处理器、USB接口(1)、网络接口(2)、存储器、时钟源和可充电电源组成；信号调理单元(8-1)、A/D转换器、微处理器顺序连接并分别与可充电电源连接，A/D转换器还与时钟源连接；微处理器还分别与时钟源、USB接口(1)、网络接口(2)、存储器连接，存储器还与可充电电源连接。
4.根据权利要求3所述的便携式的管道泄漏检测仪，其特征在于所述的信号调理单元(8-1)由程控滤波器和程控放大器连接构成。
5.根据权利要求1或2所述的便携式的管道泄漏检测仪，其特征在于各数据采集单元(8)可以连接温度传感器(7)。
6.根据权利要求1或2所述的便携式的管道泄漏检测仪，其特征在于主机(9)可以连接温度传感器(7)。
7.根据权利要求1、2或4所述的便携式的管道泄漏检测仪，其特征在于或者由主机(9)通过USB集线器(11)或网络集线器(12)连接一个振动激励源(10)，或者由数据采集单元(8)之一连接一个振动激励源(10)；振动激励源(10)前端还连接一个振动器(6)，振动器(6)在管道(5)上放置于振动传感器(3)之一的旁边或与其距离已知的位置。
全文摘要
本发明涉及一种用于压力流体管网中检测管道泄漏以及准确定位漏点的便携式管道泄漏检测仪。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是便携式管道泄漏检测仪，由主机、USB集线器、网络集线器、若干个数据采集单元和振动传感器、温度传感器、振动激励装置构成，主机通过USB集线器或网络集线器与各数据采集单元连接。本发明的有益效果是泄漏检测可以在离线或在线方式下完成；可实现放大倍数，滤波器的中心频率、频带宽度等各种参数的自动调整；可以根据当前温度值修正管道振动传输速度；附加的振动激励装置，用以准确地测量两个振动传感器之间的管道实际长度，或者校准管道振动传输速度。
文档编号G01M3/24GK1645080SQ20051002019
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月15日 优先权日2005年1月15日
发明者文玉梅, 李平, 杨进, 文静, 游雪峰 申请人:重庆大学