基于ARM核微处理器的便携式管道泄漏检测仪分析

目前输油管道泄漏监测定位的主要方法可分为两大类，一类是检测输油管线的管壁状况，如管内探测球等，另一类则依赖于监测输油管内流体的状态，如压力、流量的变化，常用的方法有压力梯度法、负压力波法、流量平衡法、相关法等。随着计算机、通信和仪表技术的快速发展，监测输油管道内流体的状态变得越来越容易实现，逐渐成为输油管道监测的主流方法。由于这些依赖监测输油管内流体的状态的方法各有其优缺点，所以目前输油管道的泄漏监测往往是采用多种方法联合判断。近几年来，随着高性能、低功耗处理器ARM的出现，信号采集存储系统的功耗和体积不断减少，满足了便携式的要求，使得掌上仪器的开发成为可能。本文利用ARM核微处理器LPC2214研制的相关检漏仪，采用了负压波法和声波法判断相结合的方法，依据相关函数检测原理，它不仅可以用于石油检漏，也可以用于煤气、城市自来水、天然气等管道的泄漏检测。

相关检漏原理
1 负压波检测
当泄漏发生时，泄漏处因流体物质损失而引起局部流体密度减小，产生瞬时压力降低和速度差，当以泄漏前的压力作为参考标准时，泄漏时产生的减压波就称为负压波。该波以一定速度自泄漏点向两端传播，经过若干时间后分别传到上下游。上下游压力传感器捕捉到特定的瞬态压力降的波形就可以进行泄漏判断，根据上下游压力传感器接收到此压力信号的时间差和负压波的传播速度就可以定出泄漏点。

负压波法检测泄漏依赖泄漏点产生突然的压力降，通常大的管道泄漏都具有这一特征，然而对于缓慢发生的泄漏或已经发生的泄漏，负压波法一般不能检测出，这是其局限性。

2 声波检测
当管道内液体泄漏时，由于管道内外的压力差，使得泄漏的流体在通过泄漏点到达管道外部时形成涡流，这个涡流就产生了振荡变化的声波。这个声波可以传播扩散返回泄漏点并在管道内建立声场。声波法是将泄漏时产生的噪声作为信号源。声波沿管道向两端传播，通过设置好的传感器拾取该声波，经处理后确定泄漏是否发生并进行定位。可以有效的克服负压法的缺陷。

为了精确获得泄漏引发的压力波和声波传播到上下游传感器的时间差，需要准确地捕捉到泄漏压力波信号序列的对应特征点。由于现场的干扰、输油泵的振动等因素，采集到的压力波信号序列附加了大量噪声，如何从噪声中准确地提取出信号的特征点是定位的关键。本仪器采用相关函数分析法，相关函数检漏法就是利用传感器拾取漏点发出的负压波或声波，对负压波或声波信号进行互相关分析。没有泄漏时，相关函数的值在零附近；发生泄漏后，相关函数的值将发生显著变化；另外，当管道泄漏点的位置不同时，两个信号的延迟时间就有区别，信号的相关函数的值就会改变。因此，根据信号的相关函数信息，就可以对管道的泄漏状况进行检测并进行定位。

漏点定位算法
管道检漏技术的工作原理，如图1所示。

图1 相关函数检漏法的工作原理

检测时，将传感器分别置于管道部位露出的管道两端。把埋于几米深的地下管道的微弱泄漏引起的负压波信号、声波信号转换成电信号。通过电缆送到与传感器阻抗相匹配的放大器输入级，经前置放大，通过带通滤波器进行预处理，通过定义高通(或低通)频率值来限制记录噪声信号的频率范围，从而抑制干扰信号。信号经过电压放大，经数据采集板进行采样和量化，然后由ARM微处理器进行处理，得出时间差，进而计算出泄漏点。

假设管道在Q点发生泄漏，产生一个以Q点为泄漏源的负压波和声波信号，该负压波、声波信号将以一定的波速V向管道两端传播，安装在管道A、B两端的传感器分别在和(t+)到这个信号(这里假设泄漏点距离两个传感器的距离La>Lb)，由于同时也有外部噪声的影响，设A、B两端的传感器测得的信号样本函数分别为A（t），B（t）因而它们可以表示为:

A(t)=f(t)+NA(t)
B(t)=f(t+τ)+NB(t)

其中，f(t)和f(t+τ)是A、B两处的源信号，NA(t)和NB(t)分别为A、B两处的背景噪声。对A(t)和B(t)进行相关运算，即:

为了处理数据方便，一般认为泄漏信号与噪声信号相互独立不相关，噪声信号NA(t)和NB(t)完全不相关，则:

当相关函数RAB(τ)达到峰值时，所对应的τ值正好与两个传感器检测到的信号的时间差相一致。由数学知识可知，相关函数RAB(τ)=τ+τ0处取得极大值的必要条件是RAB(τ)在τ0处的导数RAB(τ)=0，由此求出τ0，再测出两个传感器之间的实际长度L和负压波、声波在该管道的传播速度V，泄漏点Q的位置就可以确定，即：

LA=(L+S×V)/2
或
LB=(L-S×V)/2
ARM检测仪的构成
本文所研制的检漏仪是基于ARM核