供水管道泄漏检测及相关仪的原理与使用

供水管道泄漏检测及相关仪的原理与使用

（南通市自来水公司 徐少童）

摘 要 介绍了相关仪的基本原理，使用方法等

关键词 相关 数字滤波 噪声

引言

随着我国的经济建设的发展，水资源短缺越来越成为限制我们发展的瓶颈之一，如何解决这个问题已经被逐步提到了战略高度，因此，合理利用水资源，降低漏损就成了我们水利工作者的重中之重。

减少漏损就要有相应的方法，目前我国大部份地区的检漏手段还停留在几十年前的水平，而国外在近二三十年则有了很大的发展，我们要做好这项工作就必须了解他们的技术，并能够最终掌握。

当前，简陋技术最先进的设备当属相关仪了，国外已有普通相关仪，多探头相关记录仪等多种产品，但究其根本，原理都是一样的，本人经过多方学习以及查阅相关资料，对其原理有了进一步的认识，下面就先从相关仪的基本原理说起。

一． 相关仪的基本原理

当管道发生泄漏时，能够产生比普通水声频率高较多的声压波沿管道传播，泄漏噪声频率高低主要取决于泄漏点的大小，泄漏噪声传播速度主要取决于管道直径和管材；通过放置在管道两端（泄漏点包围在中间）的振动传感器或声发射传感器测量泄漏信号，由于泄漏点可能位于管道不同位置，因此泄漏声传播到达两个传感器的时间不同，利用两列信号的互相关分析，一般即可确定泄漏噪声到达两个传感器的时间差。根据该时间差，通过两个传感器间的距离和声波在该管材中的传播速度，即可计算出泄漏点距两个传感器的距离。

设)(),(t y t x 为所测量的两列信号，则其相关函数计算公式如下：

)()()(1

lim )(0τττ-=-=?∞→yx T

T xy R dt t x t y T R

若信号为周期信号或一段信号可以反映信号全部特征，则可以采用一个共同周期或一段信号内的均值代替整个历程的平均值。对于泄漏声波信号，只要采集的两列信号均覆盖了在500m 以内泄漏声传播的全过程即可，不必无限制采集。这样，互相关函数计算公式可如下近似：

)()()(1

)(max 0max τττ-=+=?yx T xy R dt t y t x T R

相关系数计算公式为：

y x y x xy y x T y

x T xy R dt t y t x T σσμμτσσμμττρ-=-+=?∞→)()()(1

lim )(0

其中：τ为延迟时间，y x μμ,分别为)(),(t y t x 两列信号的均值，y x σσ,分别

为)(),(t y t x 两列信号的方差，1)(≤τρxy

。 由于相关系数在[-1，1]范围内，显然，采用相关系数计算比较方便，容易判断。通过互相关系数的计算，位于最大相关系数的τ值，即为泄漏到达两个传感器的时间差。

由于事先无法知道泄漏点距哪一个传感器近，所以两个传感器的两列信号中泄漏噪声到达时间或早或晚于另一个，为了准确确定延迟时间，每次必须计算)()(τρτρ-xy xy 和，由上面可知：

y x y x yx y x y

x xy xy R R σσμμτσσμμττρ-=--=-)()()( 为了区分两个振动传感器，将其标定为红色传感器和蓝色传感器，假定)(t x 为红色传感器测的信号，)(t y 为兰色传感器测的信号，以红色传感器测定的信号)(t x 为标准，若)(τρxy 波形内找到相关系数最大的点，则表明)(t x 信号中泄漏到

达的时间早于)(t y ，即泄漏距红色传感器近些；若)(τρ-xy 波形内找到相关系数

最大的点，则表明)(t x 信号中泄漏到达的时间晚于)(t y ，即泄漏距红色传感器远些，距蓝色传感器近些；若相关分析后计算的延迟时间为零，则表明中间相关，或为噪声干扰或表明泄漏位于两个传感器正中，应移动一个传感器位置后重新相关分析。

泄漏位置的计算：

对于不同管材、不同外径的管道，声音传播速度不同，根据事先给定的速度表，可以知道，两个传感器间的距离也可测的。

假设泄漏点距较近的传感器距离为L ，两个传感器间的距离为D ，声波的速度为V ，泄漏声波到达两个传感器的时间差为Td ，则泄漏点距较近的传感器距离计算公式如下：

)(2d T V L D ?+=

)(5.0d T V D L ?-=

当某管道只有一个管件可利用时，并且可能的泄漏点位于此管件与管道端部

或关闭的阀门之间时，这时只能放置一个振动传感器，只能采集一列声波，当存在泄漏点时，泄漏声一方面直接经管道传递到传感器，另一方面该波形经管端或关闭的阀门反射后再沿管道传递到传感器，因此该传感器所采集的信号在某一点获得泄漏噪声信号，且一定延迟后，该信号被叠加，通过对该信号进行自相关分析，即可确定该延迟时间。通过该管件声波的传播速度、传感器距管头或关闭的阀门的距离，可以计算出泄漏点距传感器的距离。

设x t ()为所测量的两列信号，则其自相关函数计算公式如下：

)

()()(1lim )()(1lim )()(1lim )(000τττττ-=-=-=+=???∞→∞→∞→x T T T T T T x R dt t x t x T

dt t x t x T dt t x t x T

R 自相关系数计算公式为：

202max 22max )()(1

)()(x T x x x

x x dt t x t x T R σμτσμττρ?-+≈-==

由于经管头或关闭的阀门反射的泄漏声波一定滞后于直接传递的泄漏声波，

所以只需计算该列信号的相关系数)(τρx ，相关系数最大对应的延迟时间即为泄

漏声直接传递和反射后传递的到达时间差，设该时间差为Td ，传感器距管头或关闭的阀门距离为D ，声波的速度为V ，则泄漏声距传感器的距离L 为：

D T V L d =?+2

d T V D L ??-=5.0

二． 现场应用中需要解决的问题

在实际应用中，需要克服各种干扰，如管道流水的声音，三通，四通处的分流，汽车经过的电磁干扰和震动噪声，附近工地等其他噪声以及由于没有适合的放置传感器的位置而造成传感器距离太远，有效噪声太微弱，信噪比低等都会干扰正常的噪声信号。另外，管道的材质，粗细，管壁的厚薄，液体压力的大小，漏点的大小，管线所在区域的土质等也将对结果产生重要影响。综上所述，要想获得正确可信的结果，仪器必须具备完善的抗干扰措施，操作者也需要有一定的

现场经验。

根据噪声的表现形式，我们可以将其分为噪声强度干扰和其他噪声干扰。噪声强度干扰是指能够降低有用噪声强度的干扰。比如管材，管径，壁厚，传感器间距，管道压力，漏点形状和大小等。有些因素也同时影响了噪声的频谱分布。我们开发的相关仪可以根据传感器信号的强弱，自动选择增益，动态范围可达50多dB,这可以使仪器适应各种现场，并最大限度的保留了有用信号。

其它噪声干扰是指能够产生和有用噪声频谱重叠的其他噪声干扰，如管道流水噪声，汽车干扰噪声，其他噪声源等，有的干扰是广谱干扰，有些噪声则集中于比较窄的频带内，因此就需要根据不同情况采取不同的滤波手段。我们在白天现场工作时，汽车噪声干扰是最强烈的，有些地段无法找到安静的时段，因此要获得好的相关效果就必须能够滤除或尽量降低汽车干扰。经过多次试验，我们发现汽车震动噪声主要集中于低频段，超过150Hz,其能量迅速降低，因此，只要设计好高通滤波就可以解决这个问题。

另外，由于管材，管道压力，漏点大小等不同，漏水噪声的能量也分布于不同的频带，因此，使用固定的滤波将不能适应所有的情况，采用数字滤波可以解决这个问题。

三． 数字滤波的基本原理

所谓滤波，广义上讲，就是对信号波形的一种变换处理。经变换后的信号保留了原信号的主要成分，抑制了噪声干扰。实现这种处理的设备称为滤波器，它把一个信号)(t x ，按照预定的要求转化成另一个信号)(t y 。数字化滤波以软件方式实现，便于软件设定和控制，不占用硬件空间，没有功耗问题，适于本系统应用。

与模拟滤波器对应，数字滤波器是一类重要的线性移位不变系统，其输入)(n x 和输出)(n y 之间可用一个差分方和来描述，即

∑∑-=-)()(j n x a i n y b j i

或者表示为：∑∑==---=

M k L k k k k n y b k n x a n y 01)()()( 公式中的{

k a }和{k b }是两组常数，一旦它们的值确定后，一个滤波器就确定了。

数字滤波器可分为低通（Low pass ）、高通（high pass ）、带通（band pass ）和带阻（band stop ）滤波器；也可分为有限脉冲响应（FIR ）滤波器和无限脉冲响应（IIR ）滤波器。

如对上边差分方程两边求Z 变换，并应用Z 变换的移位性质，可得

)()()(Z X Z H Z Y =

∑∑=-=-+=L

k k

k M k k k Z b Z a Z H 00

1)( 称)(Z H 为数字滤波器的传递函数。

上述形式为数字滤波器的直接形式。除直接形式外，数字滤波器还可表示成为级联（串联）形式和并联形式。所谓级联形式，就是)(Z H 被分解为一阶或二阶（也可更高阶）数字滤波器传递函数的乘积，即

)()()()(21Z H Z H Z H Z H K =

其中任一级子滤波器)(Z H k 可表示为（二阶时）

22112

2111)(----++++=Z

b Z b Z a Z a a Z H k k k k ok k K k ,,2,1 =

所谓并联形式，就是总的)(Z H 被分解成为一阶或二阶数字滤波器传递函数的和，即

设计数字滤波

器，即根据滤波截止频率等要求，求出)(Z H 中的各个系数k a 和k b ，以便能由输入)(n x 求出输出)(n y 。

四． 其它功能介绍

具备了数字滤波功能，我们还需要了解现场的噪声，因此我们还需要对现场的信号进行功率谱密度分析，通过分析结果，可以帮助我们选择滤波范围，使结果更加稳定和可靠。另外，有些已知的固定干扰，如中间三通放水或已知漏点，需要查找其他漏点，这时候我们还需要峰值抑功能，将已知点处的波形抑制掉，)()()()(21Z H Z H Z H Z H K +++=

使其他位置的漏点暴露出来。

结语

总之，了解相关仪的基本原理和各项功能对我们正确使用仪器以及发挥仪器的最大潜力是极有好处的，我相信，我们会继续发展我们的技术，为我们的节水战略贡献自己的力量。