工业环境下管道泄漏弱信号检测装置设计.pdf

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1、第5期李忠虎等．工业环境下管道泄漏弱信号检测装置设计573工业环境下管道泄漏弱信号检测装置设计李忠虎梁德治(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010)摘要针对工业环境下供水管道泄漏微弱信号的检测与提取进行研究，按照低噪声、低功耗和低成本的设计思想，以内装lc压电加速度侍感嚣LC015lT为基础．以AD574A和STC89c52RC为核心设计了信号检测装置，并进行了相应的试验研究。该装1可用于判断管道泄漏情况，并可与上位机结合进行漏点定位，同时其研究成果还可扩展应用于其他领域。关键词管道泄漏信号徽弱信号检测声信

2、号加速度侍感嚣数据采集中图分类号TQ055．8’l文献标识码A文章编号1000—3932(2叭2)05-0573—04所谓微弱信号．不仅意味着有用信号的幅值小，而且干扰或噪声信号的幅值很大，微弱是相对于干扰或噪声信号而言的。分析微弱信号检测的基本原理可知，根据信号的周期性和干扰与噪声的随机性特征，微弱信号检测的关键在于如何抑制噪声、提高检测系统输出信号的信噪比，以便从强噪声背景中提取出有用的微弱信号，满足现代科学研究和工农业生产的需要。笔者主要针对工业环境下供水管道泄漏微弱信号的检测、提取和处理技术进行研究，这属于动态

3、系统的故障诊断与系统安全性这一新学科的研究范畴，是典型的多领域、跨学科的研究课题。管道泄漏信号的准确检测不仅能判断管道是否泄漏，而且还可据此进一步研究漏点定位技术与实现方法．同时也可将该研究成果扩展应用于其他领域，故具有重要的理论意义和现实意义⋯。1系统总体设计在认真分析供水管道泄漏声信号特性和泄漏点环境噪声对泄漏特征信号影响的基础上，针对野外工作的实际需要，本着低噪声和低功耗的设计思想，在平衡成本与功能的前提下，所设计的管道泄漏微弱声信号检测装置总体结构框图如图l所示。系统主要包括加速度传感器、信号调理模块、滤波器、

4、放大器、数据采集模块、主控单元、存储器、人机接口以及通信模块等。加速度传感器将来自管道的泄漏微弱振动信号转换为电信号，然后送至信号调理模块；信号调理模块一方面为加速度传感器提供恒流源供电，另一方面将传感器的输出信号通过隔直电路隔掉r⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一t⋯‘‘1止掣}秀葬i：瓦磊磊汗叫二型掣：匮瓤蓝M固匹悃l图l检测系统总体结构框图偏置电压后输出交流加速度信号；滤波器用于抑制传感器采集到的有用信号中所包含的外界突发干扰和白噪声，以提高信噪比；放大器用于把传感器获得的微弱信号放大，以满足后续信号采集的需要；数据采

5、集模块实现信号采样和A／D转换；主控单元起到全局控制作用，并实现数据处理等功能；通信模块用来完成该系统与上位机间的数据和命令传输工作。2硬件系统设计2．1传感器选型传感器是实现信号检测的关键部件，它必须能够对原始被测信号进行可靠的捕捉¨o。针对管道泄漏微弱信号的特征和信号检测的实际情况，所选传感器除应具备基本的振动声信号转换功能之外，还应满足以下条件：一是应具有较高的灵敏度，当传感器距离漏点较远或漏水量较小时，仍能感知因管道泄漏而产生的微弱振动信号，并转换成放大器所需的输入信号；二是具有较强的抗干收稿日期：20ll·1

6、2研基金项目：内蒙古自治区自然科学基金(20IlMs0917)；内蒙古科技大学创新基金(2009Nc077)574化工自动化及仪表第39卷扰能力，因管道通常处于较为复杂的环境当中，泄漏信号中会包含各种来自外界的突发干扰和白噪声，这就要求传感器应对管道的泄漏信号敏感而对其他的振动信号和噪声不敏感；三是要有合适的频率范围，供水管道泄漏声信号的频率一般在2kHz以下，传感器的频率响应范围应符合系统设计要求，主要集中在该频段范围内。另外，传感器还应具有坚固、防水及防锈等特点。关于传感器的质量大小，并不需重点考虑，因为传感器的质

7、量相对于被测物体(即管道)而言是完全可以忽略的。综合以上对传感器的性能要求，本设计选用朗斯公司的内装IC压电加速度传感器LC015lT，其频率范围为0．7一13ooo．oHz。灵敏度为150mV／g，量程为339，完全可满足本系统要求。该传感器原理如图2所示，它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，且输出信号具有两线制连接特征，其中的一根线为地线，另一根线既作为信号输出线又作为放大器工作用恒流源输入线，信号输出采用屏蔽效果比较好的低噪声同轴电缆。特殊的结构可大大简化测试系统，并有效提高测试精度和工作可靠性。图2

8、LC015lT压电加速度传感器原理简图2．2信号调理模块LcOl5lT传感器需要外部提供24V(Dc)、4mA的恒流源才能正常工作，而且传感器的输出信号叠加在8一12V的偏置电压上．这样不便于对其输出信号进行放大等处理，因此需要设计信号调理模块。信号调理模块的基本原理如图3所示，其作用一是为Lcol5lT加速度传感器提供。P瑚7、