3.1 下位機硬件系統(tǒng)設(shè)計
??? 下位機硬件系統(tǒng)安放在管道上，對管道運行狀態(tài)進行實時檢測，并將檢測結(jié)果傳送給上位機。其系統(tǒng)框圖如圖3所示：
??? 下面分別說明下位機系統(tǒng)各組成部分的作用及設(shè)計。
??? 傳感器用來接收在管道內(nèi)傳播的包括噪聲在內(nèi)的負壓波信號。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，安裝維護方便等優(yōu)點園。通過研究相關(guān)資料和進行相關(guān)實驗，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壓波傳感器。
??? 前置放大器的作用是對傳感器采集到的負壓波信號進行放大。由于管道泄漏產(chǎn)生的負壓波信號是很微弱的信號，所以在使用這一信號進行檢測處理時，需要對信號進行前置放大。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行。由于負壓波信號要用于對泄漏點定位的運算中，對濾波器的相頻特性十分敏感，所以選用具有最平群延時特性的貝塞爾濾波器作為濾波器選型。在具體實現(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壓波信號要傳到上位機進行進一步的運算，而上位機只能對數(shù)字信號進行處理，所以必須要將采集到的負壓波信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號后才能傳遞給上位機。具體實現(xiàn)上采用了MAXIM公司的MAXll66逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。
??? 單片機控制電路的設(shè)計是下位機系統(tǒng)的核心，主要完成對整個下位機系統(tǒng)的控制，以及與上位棚系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。本文使用了ATMEL公司生產(chǎn)的Atmega128單片機進行電路設(shè)計，并編制了系統(tǒng)軟件控制整個下位機系統(tǒng)的運行。
??? 通信接口電路主要負責(zé)下位機系統(tǒng)與上位機系統(tǒng)通信中的電氣特性轉(zhuǎn)換。單片機串口不能直接用于較遠距離的信號傳輸，為了提高串行通訊的可靠性，增大通訊距離，在工程設(shè)計中一般采用標準串行接口。本課題選用RS485總線標準與上位機進行通信，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 上位機軟件系統(tǒng)設(shè)計
??? 在整體檢測系統(tǒng)中上位機為放置在監(jiān)控室的工控計算機，所以對上位機的設(shè)計主要為對運行于上位機平臺的軟件系統(tǒng)的設(shè)計。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示：
??? 上位機采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)，下面將介紹各個模塊的作用。
??? 下位機通信模塊主要負責(zé)上位機與下位機的數(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、數(shù)據(jù)位數(shù)、同步異步、停止位、緩沖區(qū)容量等。
??? 單通道時頻域分析模塊，對輸入信號進行時域和頻域分析。時域分析主要是對波形的觀測，由于串口傳遞的數(shù)據(jù)不含有時間信息，所以在分析和處理前要加上采樣起始時間和采樣時間間隔。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)計的關(guān)鍵部分，本模塊主要負責(zé)相關(guān)定位算法的實現(xiàn)，以及根據(jù)相關(guān)算法計算出的延時求解泄漏點的位置。
??? 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)在檢測泄漏時為實時系統(tǒng)，而實時系統(tǒng)對時間的要求非常嚴格，一切的操作處理需要在規(guī)定的時間內(nèi)完成，因此不能對信號進行復(fù)雜的處理。若將信號存儲起來，可以在日后對其做詳細的分析，這樣就彌補了實時系統(tǒng)對時間要求嚴格的不足。
4 充氣管道泄漏檢測實驗
??? 在實驗室搭建了充氣管道實驗?zāi)Ｐ?，該實驗?zāi)Ｐ褪褂瞄L3295cm、外徑為10cm、管壁厚為0.5cm的直管模擬燃氣管道，下位機1距離泄漏點718cm。使用氣泵對管道進行充氣，使管內(nèi)壓力在0.2MPa-0.3MPa。
??? 發(fā)生泄漏時，從兩下位機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)的時間即負壓波傳到兩傳感器的延時為97.51ms，波速取經(jīng)驗值175m/s。按照公式(1)計算出泄漏點到下位機1的距離為700cm，與實測值718cm相比，絕對誤差為18cm相對誤差為2.5%。
5 結(jié)論
??? 本文基于負壓波檢測定位原理，對充氣管道泄漏進行檢測與定位。設(shè)計了用于負壓波信號采集的下位機硬件系統(tǒng)和用于實現(xiàn)相關(guān)定位算法的上位機軟件系統(tǒng)。在實驗室進行了充氣管道泄漏實驗，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。對管道網(wǎng)絡(luò)的泄漏檢測與定位將是進一步要解決的問題。
參考文獻
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