中國(guó)電子科技集團(tuán)第38研究所 張宏財(cái)目前輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)定位的主要方法可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是檢測(cè)輸油管線(xiàn)的管壁狀況,，如管內(nèi)探測(cè)球等,，另一類(lèi)則依賴(lài)于監(jiān)測(cè)輸油管內(nèi)流體的狀態(tài)，如壓力,、流量的變化,，常用的方法有壓力梯度法、負(fù)壓力波法,、流量平衡法,、相關(guān)法等。隨著計(jì)算機(jī),、通信和儀表技術(shù)的快速發(fā)展,，監(jiān)測(cè)輸油管道內(nèi)流體的狀態(tài)變得越來(lái)越容易實(shí)現(xiàn)，逐漸成為輸油管道監(jiān)測(cè)的主流方法,。由于這些依賴(lài)監(jiān)測(cè)輸油管內(nèi)流體的狀態(tài)的方法各有其優(yōu)缺點(diǎn),，所以目前輸油管道的泄漏監(jiān)測(cè)往往是采用多種方法聯(lián)合判斷。近幾年來(lái),，隨著高性能,、低功耗處理器ARM的出現(xiàn),，信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的功耗和體積不斷減少，滿(mǎn)足了便攜式的要求,，使得掌上儀器的開(kāi)發(fā)成為可能,。本文利用ARM核微處理器LPC2214研制的相關(guān)檢漏儀,，采用了負(fù)壓波法和聲波法判斷相結(jié)合的方法,，依據(jù)相關(guān)函數(shù)檢測(cè)原理，它不僅可以用于石油檢漏,，也可以用于煤氣,、城市自來(lái)水、天然氣等管道的泄漏檢測(cè),。
相關(guān)檢漏原理
1 負(fù)壓波檢測(cè)
當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí),，泄漏處因流體物質(zhì)損失而引起局部流體密度減小，產(chǎn)生瞬時(shí)壓力降低和速度差,，當(dāng)以泄漏前的壓力作為參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí),，泄漏時(shí)產(chǎn)生的減壓波就稱(chēng)為負(fù)壓波。該波以一定速度自泄漏點(diǎn)向兩端傳播,，經(jīng)過(guò)若干時(shí)間后分別傳到上下游,。上下游壓力傳感器捕捉到特定的瞬態(tài)壓力降的波形就可以進(jìn)行泄漏判斷，根據(jù)上下游壓力傳感器接收到此壓力信號(hào)的時(shí)間差和負(fù)壓波的傳播速度就可以定出泄漏點(diǎn),。
負(fù)壓波法檢測(cè)泄漏依賴(lài)泄漏點(diǎn)產(chǎn)生突然的壓力降,，通常大的管道泄漏都具有這一特征，然而對(duì)于緩慢發(fā)生的泄漏或已經(jīng)發(fā)生的泄漏,，負(fù)壓波法一般不能檢測(cè)出,，這是其局限性。
2 聲波檢測(cè)
當(dāng)管道內(nèi)液體泄漏時(shí),，由于管道內(nèi)外的壓力差,，使得泄漏的流體在通過(guò)泄漏點(diǎn)到達(dá)管道外部時(shí)形成渦流，這個(gè)渦流就產(chǎn)生了振蕩變化的聲波,。這個(gè)聲波可以傳播擴(kuò)散返回泄漏點(diǎn)并在管道內(nèi)建立聲場(chǎng),。聲波法是將泄漏時(shí)產(chǎn)生的噪聲作為信號(hào)源。聲波沿管道向兩端傳播,，通過(guò)設(shè)置好的傳感器拾取該聲波,，經(jīng)處理后確定泄漏是否發(fā)生并進(jìn)行定位?？梢杂行У目朔?fù)壓法的缺陷,。
為了精確獲得泄漏引發(fā)的壓力波和聲波傳播到上下游傳感器的時(shí)間差，需要準(zhǔn)確地捕捉到泄漏壓力波信號(hào)序列的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn),。由于現(xiàn)場(chǎng)的干擾,、輸油泵的振動(dòng)等因素,，采集到的壓力波信號(hào)序列附加了大量噪聲，如何從噪聲中準(zhǔn)確地提取出信號(hào)的特征點(diǎn)是定位的關(guān)鍵,。本儀器采用相關(guān)函數(shù)分析法,，相關(guān)函數(shù)檢漏法就是利用傳感器拾取漏點(diǎn)發(fā)出的負(fù)壓波或聲波，對(duì)負(fù)壓波或聲波信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析,。沒(méi)有泄漏時(shí),，相關(guān)函數(shù)的值在零附近；發(fā)生泄漏后,，相關(guān)函數(shù)的值將發(fā)生顯著變化,；另外，當(dāng)管道泄漏點(diǎn)的位置不同時(shí),，兩個(gè)信號(hào)的延遲時(shí)間就有區(qū)別,，信號(hào)的相關(guān)函數(shù)的值就會(huì)改變。因此,，根據(jù)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)信息,，就可以對(duì)管道的泄漏狀況進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行定位。
漏點(diǎn)定位算法
圖1 相關(guān)函數(shù)檢漏法的工作原理
檢測(cè)時(shí),，將傳感器分別置于管道部位露出的管道兩端,。把埋于幾米深的地下管道的微弱泄漏引起的負(fù)壓波信號(hào)、聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),。通過(guò)電纜送到與傳感器阻抗相匹配的放大器輸入級(jí),，經(jīng)前置放大，通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行預(yù)處理,，通過(guò)定義高通(或低通)頻率值來(lái)限制記錄噪聲信號(hào)的頻率范圍,，從而抑制干擾信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓放大,，經(jīng)數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行采樣和量化,，然后由ARM微處理器進(jìn)行處理，得出時(shí)間差,，進(jìn)而計(jì)算出泄漏點(diǎn),。
假設(shè)管道在Q點(diǎn)發(fā)生泄漏，產(chǎn)生一個(gè)以Q點(diǎn)為泄漏源的負(fù)壓波和聲波信號(hào),，該負(fù)壓波,、聲波信號(hào)將以一定的波速V向管道兩端傳播，安裝在管道A,、B兩端的傳感器分別在和(t+)到這個(gè)信號(hào)(這里假設(shè)泄漏點(diǎn)距離兩個(gè)傳感器的距離La>Lb),，由于同時(shí)也有外部噪聲的影響，設(shè)A,、B兩端的傳感器測(cè)得的信號(hào)樣本函數(shù)分別為A（t）,，B（t）因而它們可以表示為:
A(t)=f(t)+NA(t)
B(t)=f(t+τ)+NB(t)
其中,，f(t)和f(t+τ)是A、B兩處的源信號(hào),，NA(t)和NB(t)分別為A,、B兩處的背景噪聲。對(duì)A(t)和B(t)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,，即:
了處理數(shù)據(jù)方便,，一般認(rèn)為泄漏信號(hào)與噪聲信號(hào)相互獨(dú)立不相關(guān)，噪聲信號(hào)NA(t)和NB(t)完全不相關(guān),，則:
當(dāng)相關(guān)函數(shù)RAB(τ)達(dá)到峰值時(shí),，所對(duì)應(yīng)的τ值正好與兩個(gè)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)的時(shí)間差相一致。由數(shù)學(xué)知識(shí)可知,，相關(guān)函數(shù)R'AB(τ)=τ+τ0處取得極大值的必要條件是RAB(τ)在τ0處的導(dǎo)數(shù)RAB(τ)=0，由此求出τ0,，再測(cè)出兩個(gè)傳感器之間的實(shí)際長(zhǎng)度L和負(fù)壓波,、聲波在該管道的傳播速度V，泄漏點(diǎn)Q的位置就可以確定,，即：
LA=(L+S×V)/2
或
LB=(L-S×V)/2
ARM檢測(cè)儀的構(gòu)成
本文所研制的檢漏儀是基于ARM核嵌入式微處理器的新一代嵌入式系統(tǒng),。ARM微處理器功耗低、成本低,、性能強(qiáng),；支持ARM/THUMB雙指令集；配有豐富的標(biāo)準(zhǔn)軟件開(kāi)發(fā)工具和調(diào)試環(huán)境,。而且ARM核也以其高性能,、小體積、低功耗,、緊湊代碼密度和多供應(yīng)源的出色結(jié)合而著名,，是目前公認(rèn)的最領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器核。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
圖2 ARM嵌入式系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析如下:
①數(shù)據(jù)采集由一片CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)來(lái)產(chǎn)生控制時(shí)序,，控制邏輯主要包括:多路選擇地址C0～C2、采樣保持S/H,、啟動(dòng)A/D,、雙端口寫(xiě)入允許WR、寫(xiě)入地址以及一幀數(shù)據(jù)滿(mǎn)后的中斷請(qǐng)求IRQ等信號(hào),，主要時(shí)序關(guān)系如圖3所示,。
圖3 數(shù)據(jù)采集時(shí)序圖
②采用Philips公司的LPC2214的微處理器，用它來(lái)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,、顯示操作,。LPC2214是基于ARM7 TDMI核的RISC微處理器,，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32位核,，最適合對(duì)價(jià)格及功耗敏感的場(chǎng)合,。LPC2214在ARM7TDMI核的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一系列通用外圍器件：112個(gè)通用I/O口，4個(gè)串行口,，2個(gè)32位定時(shí)器,，9個(gè)外部中斷，通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz的操作頻率,。
③采集電路與ARMCPU用8KB雙端口RAM和中斷方式交換采集數(shù)據(jù),，RAM內(nèi)可設(shè)兩個(gè)緩沖區(qū)交替工作，雙端口RAM可直接與ARM嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)展總線(xiàn)連接,。
④設(shè)計(jì)中選擇TI公司的TLC5540高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,，其具有8位分辨率，內(nèi)置采樣和保持電路,，該芯片采用一種改進(jìn)的半閃結(jié)構(gòu),、CMOS工藝制造，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量,，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí),，能夠保持低功耗，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)40MB/s,。
⑤由于要移植嵌入式操作系統(tǒng),，所以要擴(kuò)展2M的Flash(SST39VF160)和8M的RAM（IS61LV25616AL），嵌入式操作系統(tǒng),、應(yīng)用程序的代碼和文件系統(tǒng)均存儲(chǔ)在Flash中,。
⑥采用普通I/O口來(lái)擴(kuò)展外部鍵盤(pán)，形成4×4的矩陣鍵盤(pán),。分別對(duì)應(yīng)“0,，1，2,，3,，4，5,，6,，7，8,，9”,、“.”、左移、右移,、前翻頁(yè),、后翻頁(yè)和確認(rèn)鍵。實(shí)現(xiàn)對(duì)各測(cè)控模塊組態(tài)信息的設(shè)置以及顯示畫(huà)面的切換,。
⑦選用控制器為SED1335的單色STN圖形液晶,，其點(diǎn)陣為320×240，考慮到LCD控制器的工作電壓為5V,，而主CPU的工作電壓為3.3V,，因此采用74HCT164245對(duì)數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
軟件設(shè)計(jì)
1 操作系統(tǒng)選擇
支持32位ARM CPU的嵌入式操作系統(tǒng)有很多,，現(xiàn)在市場(chǎng)上幾個(gè)著名的商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)主要有Vxwork,、QNX、Windows CE等,。Linux則以其免費(fèi)的,、源代碼公開(kāi)的特殊魅力，在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用,，嵌入式Linux具有以下特點(diǎn)：
①Linux開(kāi)放的源碼,，豐富的軟件資源。
②功能強(qiáng)大的內(nèi)核,，性能高效、穩(wěn)定,，多任務(wù)易于裁減,。
③完善的網(wǎng)絡(luò)通信、圖形,、文件管理機(jī)制,。
④支持大量的周邊硬件設(shè)備。
⑤良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境,，不斷發(fā)展的開(kāi)發(fā)工具集,。
⑥價(jià)格低廉有效降低產(chǎn)品成本。
μClinux是一套非常優(yōu)秀的嵌入式自由軟件,，是Linux 2.0/Linux 2.4版本的一個(gè)分支,，它被設(shè)計(jì)用來(lái)應(yīng)用微處理器領(lǐng)域。由于μClinux操作系統(tǒng)是源代碼公開(kāi)的,，其硬件相關(guān)部分可以通過(guò)定義一些函數(shù)移植到不同的硬件平臺(tái),，具有Linux的宿主機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境，有GNU的交叉編譯器的支持,，有操作系統(tǒng)的源代碼,，因此開(kāi)發(fā)基于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序?qū)⒎浅７奖恪?br />
2 軟件功能設(shè)計(jì)
軟件主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分，如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及組成圖
ARM Bootloader完成ARM的初始化,、存儲(chǔ)器的設(shè)置以及嵌入式 μcLinux的加載,，最后控制權(quán)交給 μcLinux操作系統(tǒng)，此后系統(tǒng)在μcLinux的管理下運(yùn)行應(yīng)用程序,；應(yīng)用程序包括中斷處理,、數(shù)值計(jì)算、鍵盤(pán)處理,、泄漏點(diǎn)位置及參數(shù)顯示,，顯示軟件完成320×240點(diǎn)陣LCD模塊的驅(qū)動(dòng)、漢字及圖表曲線(xiàn)的顯示等功能,。由于μcLinux是多任務(wù)系統(tǒng),，上面幾個(gè)處理任務(wù)可以設(shè)計(jì)成獨(dú)立進(jìn)程，程序設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單,。
結(jié)束語(yǔ)
該儀表設(shè)計(jì)主要采用了ARM微處理器,、μcLinux操作系統(tǒng)以及數(shù)值信號(hào)處理方法，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了高精度的信號(hào)采集和快速的數(shù)值分析算法,。該便攜式泄漏檢測(cè)定位儀在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果,，可以用于煤氣、城市自來(lái)水,、天然氣等管道的泄漏檢測(cè)定位,。