论文导读：本文将介绍相关法检漏就是基于克服上述不足之处而产生的漏点检测方法之一。地下自来水管道漏水的原因可从生物化学原因与外界的物理原因两方面来加以分析。根据漏水信号的特性，采用压电式传感器接收漏水声发射信号，压电式传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器，它能有效的把道漏水信号转换为电信号，并把该电信号送至放大器的输入端。采集控制电路采用新型单片机MSP430F149，电路结构大大简化。
关键词：自来水管道，传感器，漏点，MSP430F149，TMS320C5402
引言
我国是一个水资源十分紧缺的国家之一，全国各城市均采取计划供水和自来水价调价等措施，以促使节约用水。但对于地下自来水管漏水尚未引起普遍重视。地下自来水管漏水是不易察觉的，但损失是惊人的。地下自来水管常年大量漏水，对社会造成水资源浪费，给单位造成巨大经济损失，甚至会引起道路、房屋地基下沉，威胁着生命财产的安全。
当前，我国国内地下自来水管道漏水检测方法主要采用传统的被动检修法与听音法。前者是发现明显泄漏之后，才派工作人员去检修的一种方法，这种方法具有一定的滞后性，不利于对水资源的有效保护。后者是根据地下管道漏水产生声音的位置，在地面来推断管道漏点部位的方法，这种方法有如下几个不足之处：
1)在声音的音调变化范围过大的情况下，要确定正确的漏水位置比较困难；
2)有时漏水声响处与泄漏点之间存在一定的地域差异，对检测人员的经验依赖性大；
3)在交通繁忙等嘈杂的地区，噪声干扰较强，不适宜采用音听法；
4)在声音较弱的地方，也不宜采用听音法。
听音法虽然已经多方面改进，仪器性能与检测人员的技术水平有了很大提高，但仍然存在一些缺点，尤其是噪声较大，干扰信号较强，当管道铺设过深时，准确定位漏水地点并非容易之事。本文将介绍相关法检漏就是基于克服上述不足之处而产生的漏点检测方法之一。
1.地下自来水管道破损漏水的原因分析
地下自来水管道漏水的原因可从生物化学原因与外界的物理原因两方面来加以分析。
生物化学原因 生活污水中含有大量的有机物质，这些有机物在污水输送的过程中，会受到厌氧细菌的作用，出现腐化现象，并会对地下自来水管道产生腐蚀。
外界的物理原因 地下自来水管道在铺设和使用的过程中，管道本体会受到各种外来的载荷而被损坏。同时，管道和管道的连接处由于施工质量，地面车辆的震动以及联结处水封橡胶圈老化变形等，也会发生问题，引起自来水管道出现严重的漏水问题。
2.地下自来水管道漏水的特性
管道漏水信号属声发射信号之一，是一种承压状态下的水声发射现象。自来水管道是有一定压力的，当漏水时，水会从穿孔或裂缝处向外喷射，由于水与穿孔或裂缝处摩擦而产生振动，即产生了具有一定频率的声音信号，这一声音信号的频带宽度一般由几十赫兹到几千赫兹，当该声音信号经过土壤介质时，信号中的高频部分大大衰减。但是，即便如此，当漏水声传到地面时仍有较大的声压，其频率大致处200Hz与2000Hz之间，漏水声传到地面上的声音强弱和漏孔直径大小、水压力大小以及管道材质、管径粗细、土壤性质等诸多因素有关[1]。免费论文网。
漏水产生声音这一特性为漏点检测人员发现漏水并确定其漏水部位，提供了重要的检测依据。
3.相关漏点探测仪的工作原理
地下自来水管道漏水相关检测仪工作原理如下（见图1）：
图1.漏点检测示意图
A、B为管道两端，0为漏点，LAB是被测试管道的长度，LOA、LOB分别为漏点距两端的距离(假设LOA>LOB。)，设V0为漏水声的速度。则漏水声从漏点O传到A点的时间
T0A=LOA/V0（1）
同理，漏水声从漏点0传到B点的时间
T0B=LOB/V0（2）
漏水声从漏点0传到两端的时间差
△t=T0A－T0B=（LOA－LOB）/V0(3)
又因为LOA+LOB=LAB(4)
结合（3）、（4），可得
LOA=(△t*V0+LAB)/2(5)
LOB=(LAB-△t*V0)/2(6)
被检管道长度LAB与漏水声传递速度V0容易经测量得知，再根据式(5)，(6)可得，要对漏点进行准确定位，只需再计算出△t即可。
4.水漏检测仪设计
水漏检测仪就是按照相关检测原理，在汲取国内外一些先进经验的基础上，结合我国的实际情况而设计的，其基本原理框图如下（见图2）：
图2.水漏探测仪原理框图
1)传感器
根据漏水信号的特性，采用压电式传感器接收漏水声发射信号，压电式传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器，它能有效的把道漏水信号转换为电信号，并把该电信号送至放大器的输入端。压电式传感器内置20倍放大器，能够很好地与下一级运放匹配，并且能够有效地抑制噪声，信噪比高，还具有频带宽、结构简单、工作可靠重量轻等优点。
2)放大器
放大器选用高精度集成运算放大器，此类放大器具有失调电压小，漂移小，增益大、共模抑制比高的优点。此外，这类运算放大器的噪声也比较小。其放大倍数可由1800倍变化到5400倍。
3)滤波电路
由于漏水信号频率范围为：200Hz～2000Hz，滤波器采用有源带通滤波器，它是由四阶切比雪夫低通滤波器与四阶切比雪夫高通滤波器串联组成的，滤波器的带宽为1800Hz，通带增益为1，阻带衰减速率为80dB／10倍频程，高、低通截止频率分别为200Hz，2000Hz。
4)采集控制电路
采集控制电路采用新型单片机MSP430F149，电路结构大大简化。该单片机是德州公司新开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机。其外设和内存统一编址，寻址范围可达64K，还可外扩展存储器。具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P 口、2路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部震荡器和两个外部时钟。可在线对单片机进行调试，且JTAG口直接和FET(FLASHEMULATION TOOL)相连，无须另外的仿真工具，方便实用。采样频率为10kHz，大大提高了仪器的精度并且可以在超低功耗模式下工作。可靠性能好，满足漏点探测仪的精度要求。免费论文网。
5)DSP主机
主机采用数字信号处理专用芯片TMS320C5402[2,3]，运行速度大大加快，并实现了实时测量。
5.软件设计
通常情况下，传感器和DSP主机之间的距离比较远，并且测试现场存在各种干扰因素。因此，将整个系统软件部分分为数据采集与DSP数据处理两部分。免费论文网。
5．1数据采集控制部分软件设计
数据采集控制部分软件主要作用是对传感器采集的数据进行量化，以完成和DSP主机的通讯。该软件完成一次采集任务的流程图见如图4。
5．2 DSP数据处理的软件设计
DSP主机主要实现如下2项任务：1)对采集到的数据进行数字滤波；2)将处理后的数据进行相关运算，计算出漏点的具体位置。
当前，数字滤波的方法有很多，如中位置滤波法、算术平均值滤波法、递推平均滤波法、中位置平均滤波法等，由于递推平均滤波法能对周期性干扰有良好的抑制作用，并具有平滑度高，适应于高频振荡系统的特点，我们采用递推平均滤波法实现软件数字滤波，以滤除或抑制有效信号中的干扰成分，同时对信号进行必要的平滑处理，以保证系统的正常运行。
递推平均滤波法是把连续取的N个采样数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把采样数据放入队尾，并扔掉队首的一个数据（先进后出原则），这样在队列中始终有N“最新”的数据。计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均就可得到新的滤波值。这样每进行一次测量，就可以得到一个新的平均滤波值。这种滤波算法称为递推平均滤波法[4]，其数学表达式为
 （7）
式中： 为第n次采样值经滤波后的输出；yn-i是未经滤波的第n-i次采样值；N为递推平均项数。
图4.采集控制部分程序流程图
6.测试结果
在自来水管道上设置2个压电式传感器，其间的距离为15m，然后在中间放水来模拟漏水点。管道直径0.8m，漏水点距离A点4．5m。测试共采集了10组数据，经过处理，得到的测试结果如下（见表1）。表中RAB表示两个通道信号的相关函数幅值最大点，LOA表示漏点到A点的距离。实验数据显示：整个仪器的最大测量误差为0.21m，达到了预期要求，数据进而表明，用相关法来探测自来水管道泄漏点的方法是可取的。
| 序号 |
RAB |
LOA（m） |
误差 |
序号 |
RAB |
LOA（m） |
误差 |
| 1 |
45 |
4.71 |
0.21 |
6 |
51 |
4.41 |
-0.09 |
| 2 |
50 |
4.41 |
-0.09 |
7 |
51 |
4.41 |
-0.09 |
| 3 |
53 |
4.29 |
-0.21 |
8 |
51 |
4.41 |
-0.09 |
| 4 |
52 |
4.35 |
-0.15 |
9 |
53 |
4.29 |
-0.21 |
| 5 |
54 |
4.23 |
-0.27 |
10 |
53 |
4.29 |
-0.21 |
表1.测试结果
7.结论
地下自来水管道漏点探测仪的实际应用表明：该探测仪不仅具有可靠性高、测量误差小，数据传输速度快等优点，而且还操作方便、实时性强、性价比高，是一种比较科学的地下自来水管道探测仪。
参考文献：
[1]凌振宝，王君，邱春玲．网络化城市自来水管道漏水检测系统设计[J]．仪器仪表学报，2003，(4)：115一ll6．
[2]顾海军，赵晓晖，王洪革．用DSP主机端口实现虚拟Ic总线主控器[J]．吉林 大学学报(信息科学版)，2004，22(1)：13—17．
[3]张润洲，程德福．基于DSP的并行数据采集系统的设计与实现[J]．吉林大学学报(信息科学版)．2003，21(1)：13—17．
[4]程德福，林君．智能仪器[M]．北京：机械工业出版社，2004．
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