一种地下给水管网泄漏位置识别的声发射检测仪的设计_吴正虎.pdf

收稿日期:2023 04 06第一作者:吴正虎(1974)，男，汉族，青海西宁人，高级职称，本科学历，主要研究方向为农村供水、农田节水灌溉、河沟道治理。一种地下给水管网泄漏位置识别的声发射检测仪的设计吴正虎(西宁市湟中区水利局，青海 西宁 811600)摘要:快速准确地识别地下给水网泄漏位置，尤其是小孔径泄漏位置，是保障地下给水管网安全稳定运行的有效方式，该文基于声音采集和处理原理，设计了一种适用于地下给水管网泄漏位置识别的声发射检测仪器。该仪器基于 STM32 的声波信号采集技术采集地下给水管道声波信号，并应用小波阈值法对所获声波信号实施合理噪声滤除，噪声滤除工作完成后，采用傅里叶变换的方式提取地下给水管道声波信号频域特征，并根据所获声波信号功率谱密度检测地下给水管网泄漏管道，最终利用时延估计法经过合理计算得到泄漏管道漏点具体位置，完成地下给水管网泄漏位置识别工作。实验结果表明:该声发射检测仪器可实现地下给水管网泄漏位置识别，具有较强的声波信号噪声滤除能力，能够较为准确地识别出地下给水管网泄漏位置。关键词:地下给水管网;泄漏位置识别;噪声滤除;声波信号采集;时延估计中图分类号:TP273文章编号:1000 0682(2023)04 0071 06文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 04 013Identification of leakage location of underground water supply networkbased on acoustic emission instrumentWU Zhenghu(Xining Huangzhong District Water Conservancy Bureau，Qinghai Xining 811600，China)Abstract:Quickly and accurately identifying the leakage location of underground water supply net-works，especially the small aperture leakage location，is an effective way to ensure the safe and stable op-eration of underground water supply networks Based on the principles of sound acquisition and process-ing，this article designs an acoustic emission detection instrument suitable for identifying the leakage loca-tion of underground water supply networks The instrument collects the acoustic signal of underground wa-ter supply pipeline based on STM32 acoustic signal acquisition technology，and applies wavelet thresholdmethod to implement reasonable noise filtering for the acquired acoustic signal After the noise filtering iscompleted，the Fourier transform method is used to extract the frequency domain characteristics of the a-coustic signal of underground water supply pipeline，and the leakage pipeline of underground water sup-ply pipeline network is detected according to the power spectral density of the acquired acoustic signalFinally，using the time delay estimation method，the specific location of the leakage point of the leakingpipeline was calculated reasonably，and the identification of the leakage location of the underground watersupply network was completed The experimental results show that the acoustic emission detection instru-ment can achieve the identification of leakage locations in underground water supply networks，with strongacoustic signal noise filtering ability，and can accurately identify the leakage locations of underground wa-ter supply networksKeywords:underground water supply network;identification of leakage location;noise filtering;acoustic signal acquisition;time delay estimation172023 年第 4 期工业仪表与自动化装置0引言地下水管网在服役很长一段时间后，由于服役时间较长，加之服役环境较为复杂，因腐蚀、外力以及老化等作用导致的水管网泄漏状况时有发生1 2。一旦水管网发生严重泄漏，不仅会造成严重的水资源浪费、一定程度的环境污染，还会带来巨大的经济损失3 4，因而水管网一旦发生泄漏，应第一时间采取合适的方法对水管网实施有效的泄漏位置定位，以便采取积极措施进行维修处理，将损失降到最低。针对上述问题，近年来国内外诸多学者进行了大量研究，研究中颇为有效的方法，如贺利乐等人研究的基于粒子滤波的地下给水管网泄漏位置识别方法5、杨健等人研究的基于 ICEEMD 样本熵分析的地下给水管网泄漏位置识别方法6。前者通过使用特征线法构建地下给水管道流体数学模型，并采用合适方式将模型形式变换为状态空间类型，在此基础上，通过粒子滤波算法对地下给水管道在瞬态流动状况下的流量以及压头实施有效的状态估计，最终通过将由粒子滤波算法估计出的数值与地下给水管道沿线测量数据实施合理匹配，获取地下给水管网泄漏位置;后者先使用改进 CEEMD 算法对采集到的给水管网泄漏声音信号实施有效的噪声滤除，获取真实有效的给水管网泄漏声音信号，在通过盲源分离以及极大似然估计法对观测信号执行有效分离操作，获取泄漏信号，最终通过互相关延时方法求解二者传输至传感器的时间差值，经过合理计算得到地下给水管网的泄漏位置，完成地下给水管网泄漏位置识别工作。二者均可有效识别地下水管网泄漏位置，但是当地下给水管网出现小孔径泄漏状况时，却往往无法很准确地识别出地下给水网的泄漏位置。为准确快速地识别当地下给水管网出现小孔径泄漏位置，该文设计应用于地下给水管网的声发射检测仪，发挥其地下给水管网泄漏声音采集与处理方面的优势，并采用合适方法提取声信号频域特征，可较为理想地完成地下给水管网泄漏位置识别工作。1地下给水管网的声发射检测仪设计方案1 1设计原理及架构组成从安全以及经济角度出发，该文设计一种专门针对地下给水管网、能够实现地下给水管网泄漏位置识别的声发射检测仪，通过适合用于接收采集地下给水管道声波信号的声学传感装置与前置放大器，并综合利用合理的信号处理以及分析识别技术完成地下给水管网泄漏位置识别工作。该检测仪器总体架构如图 1 所示。图 1声发射检测仪总体架构图该架构以声发射传感装置、声信号采集模块以及记录分析显示模块几个部分为主要构成。其中声信号采集模块又以前置放大器与 A/D 转换器为主要构成，记录分析显示模块又包含泄漏位置识别与识别结果显示两个子模块。在实际的工作中，声发射传感装置主要负责接收地下给水管道声波信号，包含前置放大器与 A/D 转换器的声信号采集模块负责完成声波信号的有效采集，并将采集到的数据交给数据采集与处理单元采用合适的方式执行有效的数据处理操作，处理完成后交由记录分析显示模块实施有效的分析计算，获取地下给水管网泄漏状况以及具体泄漏位置，并完成合理显示。1 2声波信号采集模块1 2 1声波信号采集单元能够较为精准地采集到地下给水管道声波信号，是完成地下给水管网泄漏位置识别工作的关键7 8。在该文中地下给水管道声波信号的采集工作，是基于 STM32 的声波信号采集技术完成的，其具体技术架构如图 2 所示。该技术架构以信号放大电路、低噪声调理电路、A/D 转换电路、大容量阵列存储以及时钟控制、电源转换电路为主要组成。其中主控电路采用的是具有极高性能的 STM32 型 AM 微型控制器，在控制性能方面极具优势，能够更好满足声波信号采集工作需要。传感装置接收地下给水管道声波模拟信号27工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期后，声波信号由信号放大电路与低噪声调理电路完成信号放大以及低噪声滤波操作，然后由主控电路对 A/D 转换电路实施有效控制，完成声波信号数字化转换工作。最终由主控电路应用合适格式将所获信号进行相应存储。图 2声波信号采集技术架构图1 2 2声波信号预处理单元地下给水管道声波信号的质量直接关系到地下给水管网泄漏位置识别的准确性9，因而在完成地下给水道声波信号采集工作后，还需对采集到的地下给水管道声波信号实施有效的预处理。尽管在进行地下给水管道声波信号采集时，也对声波模拟信号实施了相应的低噪声处理，但是由于声波信号在进行 A/D 转换以及向计算机系统传输的过程中，受到各种环境因素的影响，依然会产生大量的高斯白噪声10，因而，数据采集与处理单元在接收到 A/D转换后的声波信号后，会继续对其进行相应的预处理。在该文中，该处理单元采用小波阈值法对所获声波信号实施有效的噪声滤除，具体的噪声滤除过程可归结如下:(1)在第 j 层对地下给水管道声波信号执行小波分解操作，获得相应的尺度以及小波系数;(2)对所获小波系数实施合理的白噪声检测工作，若其与白噪声呈现特征相符，则在 j+1 层继续执行步骤(1)操作;(3)对参考地下给水管道声波噪声信号执行同层数小波分解操作，获取各层小波系数产生的标准差，进而完成阈值确定工作;(4)对地下给水管道声波信号的全部小波系数实施有效的阈值化处理，并重构声波信号，完成相应的噪声滤除工作。具体的算法流程如图 3 所示。图 3小波阈值声波信号去噪流程图1 3记录分析显示模块1 3 1泄漏位置识别模块鉴于时延估计算法在管道泄漏检测与识别工作方面的优势，该文在泄漏位置识别模块使用时延估计定位方法完成地下给水管网泄漏位置识别。在实际工作中能够确定给水管网具体泄漏位置的前提是要在地下给水管网泄漏区域中首先找到存在泄漏状况的泄漏管道11 12。因正常的地下给水管道声波信号与泄漏的地下给水管道声波信号在频域上会具有不同的特征13，因而可通过提取地下给水管网泄漏区域各地下给水管道声波信号频域特征的方式，找出存在泄漏现象的地下给水管道。在完成地下给水管道声波信号预处理工作后，使用傅里叶变换的方式完成给水管道声波信号频域特征提取工作。在该文中将声波信号的功率谱作为信号频域特征，完成，地下给水网泄漏管道检测工作。将某个时域上的非平稳管道声波信号标记为z(t)，并将其功率标记为 p，有:p=limTTT|z(t)|2dt2T(1)其中:时间范围与时间分别用 T、t 标记;d 标记的是微分，dt 表示对时间实施微分。为进一步对地下给水管道信号特征实施合理提取，以功率谱密度算法为可靠计算方式执行有效的信号评估操作。对在某个时域范围内能够执行傅里叶变换操作的地下给水管道信号来讲，有:z(k)=+z(t)ei2ktdt(2)其中:k 标记的是频率，其复函数用 z(k)标记;i372023 年第 4 期工业仪表与自动化装置标记的是虚数单位。在实际的工作中，可能会存在 z(t)不符合傅里叶变换条件的状况，此时需使用有效合理的方式对z(t)执行必要的信号截断操作，从而挑选 z(t)信号中符合傅里叶变换条件且信号程度较强的部分实施相应的功率计算，具体过程用公式可表示为:p=+limT|zT()|2d2T2(3)其中:频域变量与截断后的信号函数分别用 以及 zT()标记。用 pz标记功率谱密度，根据上式可将其用公式描述成:pz=limT|zT()|2dw2T(4)在实际的工作中，根据式(4)所获结果可完成相应的地下给水管道声波信号状态估计工作，并将所获声波信号功率谱密度与无泄漏状况下管道声波信号的功率谱密度进行对比，判断地下给水管道是否存在泄漏状况，完成地下给水管网泄漏管道检测工作。通常情况下正常地下给水管道声波信号与泄漏给水管道在功率谱密度上的区别主要发生在 1kHz 3 kHz 频段内，并且泄漏给水管道声波信号的功率谱密度要高于正常给水管道声波信号在该频段的功率谱密度。利用以上方式完成地下给水管网泄漏管道检测工作后，根据声波信号沿着地下给水管道往管道两侧传播的原理14 15，管道两侧的声波传感装置会产生一定程度的时延，将布置于管道两侧的声发射传感装置接收到的泄漏管道声波信号分别标记为s(t)、s(t )，并将二者间的互相关函数标记为Qxy()，Qxy()满足:Qxy()=limTtTt0s(t)s(t )dtTt(5)其中:总采样时间用 Tt标记。若 Qxy()有极值出现，则此时 标记的就是声波信号沿着管道传递到两侧声发射传感装置产生的时间差值，由于在实际工作中，在泄漏管道两侧采集到的声波信号均为离散信号，这里在形式上分别将他们标记为 x()n、y()n+m，由此，泄漏管道两侧声波信号的相关函数也就可相应地用公式表示成如下形式:qxy(m)=limTN1n=0 x(n)y(n+m)N(6)其中:总采样点数以及延迟点数分别用 N、m 标记;传感装置的采样点数用 n 标记。将泄漏管道两侧的两个声发射传感装置间的间距标记为 D，泄漏管道漏点距传感装置 A 间的距离标记为 Da，并将传感装置 A 与 B 获取管道泄漏声波信号的时间分别标记为 t1、t2，t1、t2满足:t1=Da01vdxt2=DDa1vdx(7)其中:v 标记的是泄漏管道声波信号传播速度。管道泄漏声波信号传送至两个传感装置产生的时间差值用公式可表示为:t=t1 t2(8)其中:t 标记的是时间差。根据式(8)可得到式(9):y(Da)=|t(Da)t0|(9)其中:在实际工作中的真实时间差用 t0标记;t(Da)标记的是有关 Da的单调函数;y(Da)标记的是经过合理计算所获结果与真实结果间存在的误差。在 y(Da)最小状况下，t(Da)、t0最接近，在该种情况下，经过合理计算得到的 Da值，便为管道泄漏点到传感装置 A 的距离。通过式(10)便可明确具体管道泄漏点的位置。Da=12(D+vt)(10)2实验与分析实际地下给水管网错综复杂，考虑到现实与经济因素，该文在实验室内搭建实验平台，设计加工 8根长度为 5 米，外径为 8 厘米，壁厚为 3 毫米的钢管，将其与节流阀、流量计以及蓄水罐、可调压柱塞泵等主要器件组合在一起，搭建成简易的地下给水管网，并在其中两根钢管上设计泄漏孔。应用该文设计的检测对其进行地下给水管网泄漏位置识别，验证该仪器有效性。实验时，声发射检测仪中的所使用的声发射传感器各项参数状况如表 1 所示。表 1声发射传感器参数状况参数信息参数值型号D 15A直径19 6 mm温度18 128 频率范围30 kHz 145 kHz中心频率75 kHz灵敏度52 4 dB47工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期续表 1参数信息参数值重量约为 35 gr检出方法压电型，单端输出外壳材料SUS304 型不锈钢接线端子位置侧面绝缘阻抗高于 1000 M电容300 15%表 4 显示的是应用该文方法进行地下给水管网泄漏位置识别获得的识别结果。图 4地下给水管网泄漏位置识别结果图从图 4 可以看出，应用该文检测仪器可以实现地下给水管网泄漏位置识别，更好满足实际工作需要，为地下给水管网正常稳定运行提供可靠支撑与保障。为验证该文方法在地下给水管网泄漏位置识别准确性方面的优势，绘制应用于该文的检测仪器对地下给水管网实施合理泄漏位置识别，获得的地下给水管网泄漏位置识别效果对比表，具体如表 2。表 2地下给水管网泄漏位置识别效果编号检测泄漏状况实际泄漏状况漏点距传感装置A 距离计算结果实际距离1否否/2是是2 13 m2 14 m3否否/4否否/5否否/6否否/7是是3 62 m3 62 m8否否/分析表 2 可知，应用该文检测仪器检测出的泄漏管道与真实管道泄漏状况一致，并且对发生泄漏管道进行管道泄漏位置识别所获得的结果与管道漏点的真实位置几乎一致，误差极小。证明:应用该文检测仪器可以较为准确地完成地下给水管网泄漏位置识别工作，为实际工作提供可靠性参考。为进一步验证该文检测仪器在地下给水管网泄漏位置识别方面的优势，绘制应用该文检测仪器对地下给水管道声波信号实施有效去噪后，获得的声波信号去噪效果对比图，具体如图 5 所示。图 5地下给水管道声波信号去噪效果图从图 5 可看出，应用该文检测仪器对采集到的地下给水管道声波信号执行合理去噪操作后，声波信号中的高斯白噪声几乎被全部去除，只有极小一部分残留。证明:该文方法在地下给水管道声波信号去噪方面较具优势，将完成噪声滤除工作的地下给水管道声波信号应用于地下给水管网泄漏位置识别工作中，可显著提升地下给水管网泄漏位置识别工作的准确性。3结论应用该文检测仪器可以实现地下给水管网泄漏位置识别，并且识别效果较好。其在地下给水管网泄漏位置识别方面的优势主要体现在以下几点:(1)对采集到的地下给水管道声波信号实施有572023 年第 4 期工业仪表与自动化装置效去噪后，声波信号中的高斯白噪声基本被去除，可收获较好的地下给水管道声波信号，将所获声波信号应用于实际工作中，可更为理想地完成相应的地下给水管网位置识别工作，为地下给水管网安全稳定运行提供可靠保障。(2)有效检测地下给水管网泄漏管道，并在此基础上较好完成对管道泄漏点的有效定位，获取管道泄漏点具体位置。将计算获得的管道泄漏点位置与真实泄漏点位置实施有效比较后，发现误差极小，在地下给水管网泄漏位置识别方面具有显著优势。但是，对该文检测仪器涉及的方法在准确性方面的验证，是在假设声波信号具有相同的采样频率、地下给水管道具有相同材质、壁厚、外径等条件下完成的，而在实际的工作中，地下给水管网管道的材质、壁厚、外径以及声波信号的采样频率可能会是不同的，因而在下一阶段的研究工作中，将以此为切入点，做进一步研究。参考文献:1 张英杰，李佳林，孙庆帅，等 基于半定长滑动窗口数据的供水管网漏损检测 J 湖南大学学报(自然科学版)，2022，49(10):43 50 2 徐祖信，王思玉，刘淑雅，等 基于地下水入渗反演解析的污水管网破损数值化定位 J 同济大学学报(自然科学版)，2022，50(09):1331 1338 3 陈京钰，冯新，肖诗云 一种基于压力测点报警等级的供水管网泄漏区域识别方法J 给水排水，2022，58(10):173 179 4 赵桓，吕谋，岳宏宇，等 基于群体智能优化算法的供水管网漏损定位研究J 水电能源科学，2022，40(07):128 130+75 5 贺利乐，陈奕昕，贺宁，等 基于粒子滤波的管道泄漏检测与定位方法J 控制工程，2021，28(04):787 798 6杨健，吴雨佳，许宁，等 基于 ICEEMD 样本熵分析的管道多点泄漏定位J 消防科学与技术，2022，41(06):757 762 7 秦政，刘玉德 C#与 MATLAB 混合编程在 AE 信号分析中的应用J 计算机仿真，2021，38(09):242 246 8 王彤，鞠彩，尚渝钧，等 基于压力敏感区域方法的供水管网漏失区域定位研究J 水电能源科学，2022，40(01):132 136 9 汪家泉，李枝蓉，黄楚玉，等 基于压力时空特征的供水管网漏失定位方法及物理实验验证 J 环境工程，2022，40(06):233 240 10 郭冠呈，刘书明，于喜鹏，等 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