相关分析法管道漏点定位系统的试验研究哈尔滨工业大学张建利佟凯赵洪宾王洪林白天金东摘要：本文针对管道漏点定位的问题，研制出了一套基于快速傅立叶变换的相关分析法管道泄漏点定位系统。采用水声传感器捕获泄漏点水声信号；并对信号进行放大、带通滤波处理；应用L a b V I E W 语言进行计算机编程以实现水声信号的数据采集；为了快速准确的求解水声信号的互相关函数，引入了离散快速傅立叶算法；根据需要进行了多种泄漏点检测试验；对各种检测试验结果进行了比较分析。关词t漏点定位；快速傅立叶变换；水声信号；相关分析E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc o r r e l a t i o na n a l y s i si np i p el e a k a g ep o i n tl o c a t i o ns y s t e mA b s t r a c t ：A st ot h eq u e s t i o no fp i p e l i n el e a k a g ep o i n tl o c a t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e so n es e to fl e a k a g ep o i n tp o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nt h ef a s tF o u r i e rt r a n s f o r m a t i o na l g o r i t h m U s e st h ew a t e ra c o u s t i cs e n s o rt oc a p t u r et h el e a k i n gp o i n tw a t e ra c o u s t i cs i g n a la n dc a r r yo nt h ee n l a r g e m e n t ，b a n d p a s sf i l t e rp r o c e s s i n gt ot h es i g n a l ；C a r r i e so nt h ec o m p u t e rp r o g r a m m i n gw i t ht h eL a b V I E Wl a n g u a g et or e a l i z et h ew a t e ra c o u s t i cs i g n a ld a t aa c q u i s i t i o n ；I no r d e rt oa c c u r a t es o l u t et h ew a t e ra c o u s t i cs i g n a lc o r r e l a t i o nf u n c t i o nf a s t ，t h es e p a r a t ef a s tF o u r i e ra l g o r i t h mh a sb e e ni n t r o d u c e d ；H a sc a r d e do nm a n yk i n d so fl e a k i n gp o i n te x a m i n a t i o ne x p e r i m e n ta c c o r d i n gt on e e d e d ；H a sc a r d e do nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i st oe a c h1 ( i n do fe x a m i n a t i o nt e s tr e s u l t K e yw o r d s ：l e a k a g ep o i n tl o c a t i o n ；f a s tF o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ；w a t e ra c o u s t i cs i g n a l ；c o r r e l a t i o na n a l y s i s在城市供水管网、供热管网、石油输送管网中，由于管道在制造过程中存在着各种各样的缺陷，在循环载荷的作用下，以及在腐蚀或高温的环境中，裂纹会缓慢地扩展，出现管道泄漏，最终导致恶性事故的发生u 。因此，大力开展管道泄漏定位检测技术的研究迫在眉睫。声发射( A E ) 技术是一种无损检测方法他1 。据报道，若能将声发射技术推广应用予管道泄漏定位检测，可将平均1 0 0 0 m 3 k m 的泄漏量减小到5 0 0 m 3 k m 瞄。，因此，声发射技术是一种可能的、有效的管道泄漏定位检测方法。相关分析法是声发射源定位技术的一种方法，对相关函数的计算是此方法的关键所在，而快速傅立叶变换又是求解相关函数的一种快速算法，因此，基于快速傅立叶变换算法( F F T ) 的相关分析法的管道泄漏点定位技术具有重要的实际研究价值。1相关分析法泄一点定位愿理及系统蛆成管道泄漏点定位系统，通过水在管道中流动的过程中，当经过泄漏点时将发生水声波动，形成声源向两边发射出去，此声波通过管道传播。信号被贴附在管道壁的声学水声探头捕捉，分别得到两个特性相同而传递时间不同的流动水声信号，通过对这两个流动水声信号进行相关函数计算就可以确定其峰值所对应的渡越时间进而实现对管道泄漏点的精确定位。所谓渡3 1 5越时间就是互相关函数尺捌( 7 ) 最大值所对应的时间气，也就是两个信号问延迟时间。管道泄漏点定位系统原理图如图1 所示，我们假设探头a 所采集到的声波信号为x ( t ) ，探头b 所采集的声波信号为) ，( f ) ，实际捕获的波形如图2 所示。图1 管道泄漏点定位系统组成原理图图2 探头a 、探头b 的水声波形管道泄漏时，泄漏点将发出水声波信号，此信号向上、下游传播，并被探头a 和探头b所采集。设两个水声探头之间的距离为L ，而探头a 和探头b 距漏点的长度分别为L 1 和L 2 ，并且假设L 1 L 2 。因为声波在水中的传播速率是一定的，而两个探头所采集到的同一信号的时间却不相同，由图2 可以看出，z ( ，) 和y ( t ) 的波形基本一致，但是y ( t ) 要比z ( ，) 要向后延迟时间。已知声波在水中的传播速率为y ，则由图1 可以得到下式： n + L 2 = L( 1 )L 2 一L 1 = y Z o( 2 )两式联立就可以得到n 和L 2 的具体值，也就确定出了泄漏点的位置。因此，关键就在于渡越时间的求解。由前面的分析可以知道，两个信号的相关函数的最大值并不是出现在零点的位置，而是在z = f o 时达到最大值即峰值，因此，通过找出互相关函数R 。 ) 的最大值对应的时间就求得了渡越时间f o 。管道泄漏点定位系统的硬件由水声传感器、前置放大器、带通滤波器、后置放大器、模数转换器及计算机组成。所采用的水声传感器，具有只对水声这类纵波敏感，而对其他横波类噪声有约2 0 d B 的衰减的特点；前置放大器采用高输入阻抗放大器以实现与水声传感器的阻抗匹配；带通滤波器采用开关电容带通滤波器，这种滤波器很适合于水声波段的带通滤波。3 1 6后置放大器主要用于补偿水声信号的衰减，以达到模数转换器的信号电平的要求；模数转换器实现模拟量到数字量的转换，送入计算机进行数据处理。利用离散傅立叶变换的快速算法F F T 来计算出互相关函数的最大值，从而计算出渡越时间靠，代入公式( 1 ) 、( 2 ) 可求得1 和L 2 ，实现了漏点的定位。2水声信号的数据采集水声信号的数据采集部分，采用了I N 公司的D A Q C a r d6 0 2 4 E 数据采集卡，应用L a b V I E W图形化语言进行程序设计来完成。在L a b V I E W 图形化编程语言中我们是通过L a b V l E WD A QV l s来完成D A Q 编程应用的，使用了A n a l o gI n p u t 子模板完成模拟信号的数据采集，将管道漏点模拟信号通过D A Q 设备的A D 功能转化为数字信号，并采集到计算机中1 。图3 描述的是L a b V I E W 图形化语言实现A D 功能的前面板，图4 是与其对应的框图程序。图3A D 转换功能的前面板图4A D 转换功能的框图程序3 泄一点水声信号互相关函数的快速计算方法泄漏点水声信号经过模数转换后变成数字信号x ( n ) 和Y ( n ) ，它们先各自经过快速傅立叶变换( F F T ) ，然后，将Y ( n ) 的F F T 变换结果取共轭再与X ( n ) 的F F T 变换结果做序列相乘，所得结果经过反快速傅立叶变换( I F F T ) 就可以得到序列形式的互相关函数。互相关函数的最大值所对对应的时间就是所求的渡越时间H 1 。根据相关定理，图5 描述了基于F F T 算法的相关计算原理图。图5 基于F F T 算法的快速相关计算原理图3 1 74试验及结果分析试验是在一条供水管道上进行的，人工在管道上钻一个l m m 的圆孔，用于模拟管道上的泄漏点，数据的采样频率为l O O k H z ，每一试验所采集的数据个数为2 ”的整数倍。4 1 管道未泄漏时两路信号的互相关函数分析首先观测管道未泄漏时水声传感器捕获的噪声信号波形，然后进行相关分析。管道未泄漏时采集到的两路水声信号的波形如图6 所示。由图6 可见，两路信号都存在直流分量，为了进行对比分析，在做相关分析之前，先对这两路信号进行了去直流分量处理，使其波动中心为零轴( 如图7 ，图8所示) 。然后再对两路水声信号进行互相 关函数计算，得出互相关函数如图9 所示。图6 管道未泄漏时两路水声信号通过图9 可以看出，当管道未泄漏时，两路水声信号的互相关函数值在一O 1 5 一十O 1 5 极小的范围内变化，无相关峰值。02 04 06 08 0 1 0 0t 2 014 , 01 6 01 8 0 ：Z O O2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 03 0 0n图7 去直流后的信号x ( n )O 鹌1 1 2 0 1 柏1 6 0 1 2 0 。2 2 02 4 32 2 e o3 D on图8 去直流后的信号Y ( n )图9 无泄漏时计算出的相关函数3 1 8巾m正m点巾焉m2，0O1噎一S x 正4 2 管道泄漏时两个水声探头置于同一位置时互相关函数分析为了验证包括水声探头在内整个测试系统的正确性，将两个水声探头放置于泄漏管道上的同一位置( 距泄漏点2 m ) ，系统采集到的两路水声信号如图1 0 所示。从图1 0 可以看出，两路水声信号波形的相位是基本一致，说明水声信号采集系统采集的水声信号是正确的。对两路信号进行互相关函数计算，得互相关函数的波形如图1 i 所示。从图1 1 可以看出互相关函数的第一个最大值在零点附近，计算结果是正确的。图1 0 两个探头处于同一位置时两路水声信号的波形图1 I 互相关函数波形4 3 两个探头置于泄漏点两侧( 与泄漏点等距) 的互相关函数分析将两个探头a 、b 放置在管道泄漏点的两侧，距离均为1 m 。由于采集到的水声信号中包含高频信号，不利于相关分析，因此，在对两路水声信号进行相关分析前，运用“移动平均法”将高频信号去除，所谓“移动平均法”就是应用公式( 3 ) 将原始信号进行处理。y ( f ) = z ( f ) + x ( i + 1 ) + 戈( f + 2 ) + + x ( f + n - 1 ) n ，f = 0 ，l ，2 - f 冀)、一，式中n = 5 。处理后的两路信号如图1 2 、图1 3 所示。计算得到的互相关函数波形如图1 4 所示。根据圆相关原理及计算得到的互相关函数数据，在n = 4 时，R x y ( n ) = 8 1 1 4 8 9 为第一个最大值，即为所求