供水管道泄漏微弱信号采集系统设计探讨

潘 莹

(深圳市北部水源工程管理处, 广东 深圳 518000)

0 引 言

供水管道泄漏主要是由于自然因素和人为因素造成的，在短时间内查找泄漏点，需要积极采用科学合理的方式，从微弱信号入手进行设计，将能够起到良好的效果。供水管道泄漏信号中有着微弱信号的共性，还存在着一定的不确定性和随机性，在实际对比信号信噪比方面难度较大，深入细致研究供水管道泄漏的机理，积极设计出科学有效的供水管道泄漏微弱信号采集系统，能够为准确寻找泄漏应对措施，提供良好前提条件。

1 供水管道发生泄漏的成因和检测原理

1.1 泄漏的成因

造成大型压力输水管道爆管的因素有很多，包括水击、气阻、管材、压力、基础、埋深、连接、使用年限、温度、充填物等。

1.2 检测泄露的原理

1.2.1 信号产生

不论受到何种因素影响，供水管道产生泄漏问题时，当泄漏边缘有水流经过，泄漏口会有水流产生摩擦，进而产生振动声波，这是管道检修人员所需要检测到的实际泄漏信号。针对供水管道供水管道泄漏信号进行分析，能够发现其属于微弱信号，想要准确检测这一信号，需要高度重视到其幅度较小的信号状态和容易受到其他噪声干扰的特点。针对以往供水管道泄漏情况加以分析，可以得知导致其泄漏问题的因素在于管道施工质量较差、选择管道材料不合适、管道易腐蚀性较强以及外界环境温度发生变化等。

1.2.2 细致分析信号特征

细致分析和研究供水管道泄漏信号的基本特征，需要按照不同实验条件进行，借助于声发射检测仪器，针对实际泄漏信号幅频特性进行收集和提取，从而探讨管道的具体泄漏条件和声信号的内在关系。

1)分析供水管道泄漏信号频谱

在供水管道实际运行过程中，将其内部压力设定为25KPa，并按照一个泄漏点、两个泄漏点的条件进行模拟，从而得到在这些条件下泄漏所产生的声发射信号和频谱图。在细致对比这些频谱图的基础上，能够发现凡是在有泄漏点的管道中，信号幅值会比背景噪声信号幅值要高，而背景噪声处在1V幅值范围内；当供水管道存在着越多的泄漏点，其实际产生的信号幅值也会增加。

2)分析压力变化与供水管道泄漏信号频谱的内在联系

在实际分析供水管道泄漏信号频谱特征的过程中，要高度关注到管道压力这一重要因素。具体实验活动价进行中，首先，需要在供水管道泄漏口1m附近位置中事先放置好SR10传感器，针对管道泄漏的信号加以及时采集；其次，需要采用管道泄漏开启模式，借助于XMT8000仪表针对管道中的具体压力值进行读取，其中可以直接在面板显示出压力值，按照三组不同压力值重复采集的方式进行；最后，在声发射系统之中，针对已经采集好的实验结果开展频谱分析。经过检测，在三组泄漏信号的管道内部压力值中，分别呈现出20KPa、30KPa以及40KPa结果状态。

在分析各项实验结果数据的基础上，可以得到以下结论：(1)三组数据之间的供水管道泄漏信号在幅值上没有显现出明显的差别，供水管道泄漏信号的幅值，在管道内部压力有所变化的状态下，产生的波动情况较小，也就是说供水管道泄漏信号幅值基本上不会受到管道内部压力变化的影响。(2)尽管在不同实验情况下，管道内压力产生一定变化，但是对于不同频率段来说，其在占据能量分布方面所表现出的情况基本相似。(3)对于供水管道内部压力达到40KPa，且处于1350Hz频率状态下，频谱会出现尖峰，探究其产生原因，在于管内压力过大，导致管道内壁受到水流更为剧烈的碰撞，这样管道将会产生一定的振动问题。

2 供水管道泄漏微弱信号采集系统设计

2.1 系统设计方案

供水管道泄漏微弱信号采集系统的良好设计，能够在很大程度上收集和获取到相应的微弱信号，在实际设计该项系统的过程中，需要全面掌控好硬件和软件部分，针对各个模块进行综合考虑，重点分析低功耗元器件、低噪声。

2.1.1 硬件系统设计

硬件部分设计中，需要重点考量到泄漏信号的实际频谱范围和幅值大小，能够选取到更为优势的信号采集、信号处理、存储单元，确保其拥有着良好的兼容性和性价比。在供水管道泄漏微弱信号采集系统运行过程中，需要高度重视设计硬件部分，其中包含数据存储单元、传感器、A/D转化器、调理电路以及存储单元[1]。

1)功能和技术指标

实际设计供水管道泄漏微弱信号采集系统的过程中，需要能够针对一路数据进行充分采集，实施科学有效的增益调节工作，做好滤波处理工作，从而良好转换数据的模数，在SD卡中有效存储好各项处理结果。在实际设计技术指标环节中，重点分析各项技术指标，包含：滤波器具备良好的带通滤波性能，通带的实际频率保持在20Hz-2kHz范围之内；针对A/D单通道进行有效控制，确保其所拥有的最低采样率达到4kHz；放大器实际能够放大的倍数最小处在100倍，拥有着良好的抗干扰性能；系统供电过程中，使用电池，从而会严格器件的各项功耗情况，在实际选取器件时，要使其具备低功耗的特征[2]。

2)具体设计

在供水管道泄漏微弱信号采集系统设计过程中，需要针对各项构成要件进行综合管控。①传感器。合理选择到相应的传感器，谐振式传感器的可靠性和灵敏度都较高，将其应用在供水管道泄漏检测系统之中，可以起到良好效果。为确保传感器的选择具有正确性，需要注重结合被测泄漏信号的具体幅度和频率范围，重点考量到实验环境周围潜在的一些噪声干扰信号，本次设计工作中选择SR10传感器，可以起到良好效果。②信号调理模块。其在整个采集系统的运行中，可以针对传感器输出信号加以有效接收，对其进行有效处理，确保其能够达到A/D转换器可以直接处理好的信号范围之内。当滤波模块有效处理好泄漏信号之后，将能够大幅度改善信噪比[3]。③数据采集模块。这一模块在实际应用过程中，可以转换好全部采集到的电压模拟信号，这其中的转换环节为A/D形式，有效存储好各项数据，使其达到SD卡之中。具体采集数据的过程中，可以积极使用到STM32F103rbt6，其中包含ADC子系统。ADC子系统实际运行环节中表现出明显特征：使用间断模式；拥有自校准功能；存在12位分辨率；可以对齐数据；按照通道开展分别编程活动，有效掌控采样间隔。

2.1.2 软件设计

软件是供水管道泄漏微弱信号检测系统中的重要组成部分，其能够指挥和调节好各项环节的运行效果，传达正确的指令。在实际设计软件系统的过程中，需要按照分块理论，软件系统之中包含数据采集模块、液晶显示模块、数据存储模块等[4]。

实际设计软件系统的过程中：(1)数据采集程序。在配置A/D寄存器的过程中，使用控制寄存器进行有效管理。使用放大器针对传感器收集的微弱信号进行处理，使其达到A/D中可接受的范围，为有效转化好A/D电路，使其转变为数字电压信号[5]。(2)液晶显示程序。实际转换供水管道泄漏信号时，积极使用A/D转换器，使其转变为数字信号的同时，还要发挥液晶显示程序的作用，在液晶屏上充分显现出已经采集到的各项电压值。实际设计液晶显示程序的过程中，需要设置好初始化液晶显示模块，为确保STM32和LED模块进行有效连接，其中需要积极使用到I/O。

图1 软件主程序流程图

2.2 系统设计实验

供水管道泄漏微弱信号采集系统的应用，能够为分析供水管道泄漏活动信号传播速度提供良好支持，其中需要重点研究管壁厚度、直径、周围温度、管内压力等因素，事先设定好不同条件，观测其在不同条件下所表现出的效果。以管材为例进行分析，重点研究其在不同管材状况下，供水管道泄漏声信号传播速度都会表现出一定的差异，具体情况见表1。

表1 不同管材下泄漏声信号的传播速度情况表

供水管道的实际材质、口径，都会影响到供水管道的衰减系数，泄漏信号的实际特征会受到多种因素的影响，如管道压力、漏点传播距离。

又如室内试验活动，要合理布置好试验平台和仪器设备，具体选择五矿集团甬泰(山东)钢铁有限公司3000T内水压力测试平台，见图2。

图2 室内试验平台

还要使用长12m、直径910mm的螺旋焊制钢管作为管道模型。试验活动中，针对压力条件和渗漏程度进行科学设置，具体情况见表2。

表2 压力条件和渗漏程度设置

4 结 语

有效提升供水管道的整体运行效果，减少渗漏情况的发生，需要积极采用科学合理的方式，设计供水管道泄漏微弱信号采集系统，其中需要重点分析供水管道泄漏的原因，泄漏微弱信号的各项情况，并从硬件部分和软件系统部分入手开展科学合理的设计。