CN103644457B - 一种管道堵塞的定位方法以及装置 - Google Patents

Abstract

一种管道堵塞的定位方法以及装置。主要为了解决管道堵塞人工检测困难、效率低的问题。其特征在于：在待测管道上安装由核心控制板、压缩气泵、次声波传感器、压力传感器、温度传感器、控制声波释放的电磁阀、管口阀、排气阀以及连接管道组成的检测装置，检测装置通过次声波采集模块获得次声波的发生和回波之间的时间差Δt；检测装置中的管道堵塞定位计算模块在获得管道内的压力和温度后，声速计算模块计算出次声波在管道中的传播速度c，声波经过的路程则表示为：，管道堵塞的位置与管口之间的距离为：。利用本发明所述的方法能精确定位堵塞位置，有效地提高检测效率。

Description

一种管道堵塞的定位方法以及装置

技术领域

本发明涉及一种对管道堵塞进行检测的方法以及装置。

背景技术

管道输送是油气输送的主要方式。一般来说,有两种情况会需要进行清管作业。其一，由于管道铺设时其内部会混入泥土等杂质，所以当其投入运行时就要进行清管作业；其二，运行过程中由于管道材质老化腐蚀，以及天然气中含有的杂质在管道内沉积、聚集，致使管道的流通面积减小，甚至出现堵塞，同时这些沉积物又会加速管道的内腐蚀，所以在管道运行一段时间后需要进行清管作业。清管作业时往往采用清管球清管，就可能会由于管道内沉积物较多而使得球被卡住造成堵塞事故。现有技术中对于管道堵塞位置的检测主要有以下几种方法：钻孔法、敲击法、以及应力应变测试法。但是，这些方法都需要将地面开挖后露出管道，然后通过不断测试管道的变形程度来确定堵塞位置。存在工作量大，操作费用高的缺点。如格拉输油管道在1982年发生了严重的冻堵事故，采用钻孔法寻找冻堵位置，共开挖深坑86个，钻孔77个，排堵时间长达5个月，严重地影响了输油任务的完成。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种管道堵塞的定位方法以及装置，本发明能精确定位堵塞位置，有效地提高检测效率。

本发明的技术方案是：该种管道堵塞的定位方法，该方法由如下步骤组成：

在待测管道上安装由核心控制板、压缩气泵、次声波传感器、压力传感器、温度传感器、控制声波释放的电磁阀、管口阀、排气阀以及连接管道组成的检测装置；

使用压力传感器采集待测管道内以及连接管道内的压力值，如果压力值大于0.2Mpa，控制检测装置内的排气阀打开释放管道内的气体；

在压力满足要求的条件下，控制所述检测装置的压缩气泵自动打气，每次打气气压为0.7MPa，气量每分钟35L，气体经过所述压缩气泵前孔的次声波发生装置，产生次声波；

检测装置控制电磁阀打开，将产生的次声波释放，控制声波释放的电磁阀处于常闭状态，以防止管道中油气倒流进入压缩气泵；

检测装置控制管口阀始终处于打开状态，使得产生的次声波直接进入到待测管道中，直至当待测管道中发生油气倒流现象时，检测装置控制管口阀关闭；

检测装置控制排气阀处于常闭状态，当压力传感器检测到装置或管道中的压力值大于0.2Mpa时，控制排气阀打开以排放气体；

当次声波信号在管道中传播时，由检测装置的次声波传感器检测发出的声波信号和声波的回值信号；

检测装置将所获得的次声波信号通过滤波、放大电路后进入DSP微控制器，选用自适应滤波器进行对消噪声处理，采用短时幅度-过零率函数方法识别堵塞回波，通过阈值方法确定堵塞回波到达时刻，结合所计算出的声波速度计算出堵塞位置；

检测装置通过显示模块实时显示声波曲线，显示计算出的管道堵塞位置与管道口之间的距离。

为了实施以上方法，本发明给出了以下一种管道堵塞定位装置，该装置由核心控制板和机械单元两部分组成。所述机械单元包括压缩气泵、次声波传感器、压力传感器、温度传感器、控制声波释放的电磁阀、管口阀、排气阀以及连接管道，在管口阀下端的测试管口连接端上开有用于和管口连接的外螺纹。其中，压缩气泵位于连接管道的始端，压缩气泵的气体出口端通过电磁阀连接在连接管道上；次声波传感器、压力传感器以及温度传感器依次连接在电磁阀之后的连接管道上；排气阀固定在连接管道的末端，管口阀位于连接管道和测试管口连接端之间。

以上各组件的功能如下：

压缩气泵用于自动打气，每次打气气压为0.7mPa，气量每分钟35L，核心控制板上有开关控制声波释放电磁阀开关一次，把气体放到封闭管道容器中；次声波传感器用来检测压缩气泵发出声波和声波回值；压力传感器用于实时监测封闭管道的压力值，确保管道内的压力值小于0.2Mpa；温度传感器用于实时监测封闭管道的温度值。

当压缩气泵产生气体，核心控制板控制控制声波释放的电磁阀打开，将产生的声波释放出，控制声波释放的电磁阀处于常闭状态，以防止管道中油气倒流进入压缩气泵；管口阀处于常开状态，使装置和管道保持联通状态，当有管道中发生油气倒流现象时，核心控制板控制管口阀关闭；排气阀用于排出装置中的气体，排气阀处于常闭状态，压力传感器检测到装置和管道中的压力值大于0.2Mpa时，核心控制板控制打开排气阀，排放气体。

所述核心控制板，包括温度采集模块、与温度采集相对应的滤波电路以及放大电路；压力采集模块、与压力采集相对应的滤波电路以及放大电路；次声波采集模块、与次声波采集相对应的滤波电路以及放大电路；TMS320F2812核心处理器、显示模块、供电模块以及外部电路；温度采集模块接收来自于温度传感器的信号，用于采集管道内部的温度，将采集到的温度信息模拟量，经过滤波电路、放大电路放大后，传给TMS320F2812核心处理器。

压力采集模块接收来自于压力传感器的信号，用于采集管道内部的压力，将采集到的压力信息模拟量，经过滤波电路滤波、放大电路放大后，传给TMS320F2812核心处理器。

次声波采集模块用于接收来自于次声波传感器的信号，用于采集管道内的次声波；滤波电路对次声波采集模块采集的声波信号进行滤波，实现滤除噪声、杂音；放大电路对滤波电路输出的信号进行放大处理，放大电路输出的信号输入到TMS320F2812核心处理器。

TMS320F2812核心处理器通过核心控制板分别向压缩气泵输出打气、向控制声波释放的电磁阀输出放气的控制信号，以实现把存储在密封容器内的气体放出；电磁阀、管口导通电磁阀和排气阀的控制信号输入端分别直接连接到TMS320F2812核心处理器的一位I/O引脚上，TMS320F2812核心处理器通过控制I/O引脚的高低电平，控制上述电磁阀的开关。

TMS320F2812核心处理器采用STM320F2812芯片，对温度传感器、压力传感器、次声波传感器采集到的温度信号、压力信号、声波信号进分析、处理、用于反馈调节和智能控制。

显示模块用于显示TMS320F2812核心处理器输出的信息、检测到的压力、温度、声波释放和回值的波形，以及TMS320F2812核心处理器计算出的管道堵塞位置到管口的距离值。

外围电路包括基本电路、晶振电路、复位电路等，为管道堵塞定位装置系统提供系统时钟，来完成STM320F2812的系统定时；

供电模块为TMS320F2812核心处理器供电，为外围电路、显示模块供电。

所述TMS320F2812核心处理器采用STM320F2812芯片，包括：次声波传感器A/D采集控制模块、温度传感器A/D采集控制模块、压力传感器A/D采集控制模块、核心微控制处理器、4个I/O引脚、系统时钟、、RAM存储、、电源、、定时模块、、数据总线、2个SRAM接口模块、SRAM接口模块以及存储于存储器内的通过程序构建的自适应滤波处理算法模块、频减法分析处理算法模块、声速计算模块和管道堵塞定位计算模块。

A/D声波采集模块是TMS320F2812核心处理器采集引脚，用于和外部声波放大电路输出信号的连接，将放大的声波模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器，TMS320F2812核心处理器将模拟信号转换成数字信号，TMS320F2812核心处理器中有16路12位高速A/D转换器，速度可达到12.5MHZ。

温度传感器A/D采集控制模块是TMS320F2812核心处理器采集引脚，用于和外部温度放大电路的输出信号的连接，将放大的温度模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器，TMS320F2812核心处理器将模拟信号转换成数字信号。

压力传感器A/D采集控制模块是TMS320F2812核心处理器采集引脚，用于和外部压力放大电路的输出信号的连接，将放大的压力模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器，TMS320F2812核心处理器将模拟信号转换成数字信号；

核心微处理器在TMS320F2812核心处理器中负责各种信息处理，包括压力、温度、声波信号的分析、信号处理、算法处理。

1号I/O引脚和气泵相连，是TMS320F2812核心处理器用于控制气泵的引脚，TMS320F2812核心处理器定时给1号I/O引脚输出低高电平，用于控制气泵的开关；2号I/O引脚和电磁阀相连，是TMS320F2812核心处理器用于控制电磁阀开关的引脚，TMS320F2812核心处理器定时给I/O引脚低高电平，用于控制电磁阀开关。

3号I/O引脚和排气阀7相连，TMS320F2812核心处理器采集到放大的压力信号之后，对压力信号进行分析，当压力信号大于0.2Mpa时，TMS320F2812核心处理器控制排气阀打开，释放管道内部气体，避免压力过大损坏检测装置。

4号I/O引脚和管口阀相连，是TMS320F2812核心处理器用于控制采集结束的引脚，TMS320F2812核心处理器定时给I/O引脚低高电平，用于控制管口阀开关。

系统时钟是CPU的各工作时序的驱动源，频率为160MHz，系统时钟和外围电路连接；RAM和外部的液晶显示模块相连，将TMS320F2812核心处理器采集到的压力值、温度值、声波曲线及计算出的最终管道堵塞位置和管口之间的距离L，显示在液晶显示模块上；电源为TMS320F2812核心处理器提供电源；数据存储模块负责次声波传感器A/D采集控制模块、温度传感器A/D采集控制模块、压力传感器AD采集控制模块的信息存放。

SRAM接口模块和数据总线相连，SRAM接口模块和自适应滤波处理算法模块的输入连接，将次声波传感器A/D采集控制模块的数据传到自适应滤波处理算法模块中；SRAM接口模块和数据总线相连，SRAM接口模块和声速计算模块的输入连接，将温度传感器A/D采集控制模块的数据传到声速计算模块中；另一个SRAM接口模块和数据总线相连，SRAM接口模块和声速计算模块的输入连接，将压力传感器A/D采集控制模块的数据传到声速计算模块中。

自适应滤波处理算法模块按照以下方式完成滤波处理：即以均方误差最小为准则，自动调节权重系数,以达到最优滤波的时变最佳DF；也即，参数会变，随着外界参数变化自动调节，使滤波器效果最佳；所谓时变最佳DF，即利用前一时刻已获得的滤波器参数，自动地调节当前时刻的滤波器参数，以适应信号与噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。

频减法分析处理算法模块采用短时幅度-过零率函数方法识别堵塞回波，即将短时过零率和短时幅度函数结合应用在堵塞回波识别中。

声速计算模块按照以下方式完成对声速的计算，计算公式为：；式中为介质的密度；，称为体积弹性模量，、分别为压强和密度的微小变化；将测量得到的温度值和压力值传到声速计算模块，根据具体的数值计算出次声波在管道中的传播速度。

管道堵塞定位计算模块按照以下方式完成对堵塞位置的确定，计算公式为，应用次声波传感器采集到的声波发生时刻和声波返回采集时刻，声波在管道内传播的时间为；通过过压力传感器和温度传感器可以测出管道内的压力和温度，TMS320F2812核心处理器计算出声波在相应条件下的传播速度，声波经过的路程则表示为：，管道堵塞的位置与管口之间的距离为：。

本发明具有如下有益效果：利用本发明进行管道堵塞定位检测时，只需要将携带次声波发生器的检测装置组装连接在待测管道口，采用声波传感器采集声波信号，然后利用声速关系就可计算出管道的堵塞位置。本发明将机械、控制等领域的技术相结合，对提高管道堵塞检测工作的效率具有重要的意义，能精确定位堵塞位置，有效地提高检测效率，解决了对管道堵塞检测难的问题。

附图说明：

图1是发明所使用的检测装置安装在待测管道上后的结构示意图。

图2是发明所使用的检测装置的核心控制板的系统组成框图。

图3是本发明所使用的STM320F2812核心处理器的管脚图；

图4是本发明所使用的STM320F2812核心处理器的内部结构框图。

图5是具体实施时，本发明所使用的次声波采集模块的电路图。

图6是具体实施时，本发明所使用的INA122放大电路的电路图。

图7是具体实施时，本发明所使用的两级带通滤波器的电路图。

图8是具体实施时，本发明所使用的正负电源电路图。

图9是具体实施时，本发明所使用的温度采集系统框图。

图10是具体实施时，本发明所使用的压力采集系统框图。

图11是具体实施时，本发明自适应滤波处理算法模块中构造的自适应滤波器框图。

图12是具体实施时，本发明所述核心控制板的电路图。

图13是利用本发明对管道堵塞进行检测的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：该种对管道堵塞的定位方法，由如下步骤组成：

在待测管道上安装由核心控制板、压缩气泵、次声波传感器、压力传感器、温度传感器、控制声波释放的电磁阀、管口阀、排气阀以及连接管道组成的检测装置；

使用压力传感器采集待测管道内以及连接管道内的压力值，如果压力值大于0.2Mpa，控制检测装置内的排气阀打开释放管道内的气体；

在压力满足要求的条件下，控制所述检测装置的压缩气泵自动打气，每次打气气压为0.7MPa，气量每分钟35L，气体经过所述压缩气泵前孔的次声波发生装置，产生次声波；

检测装置控制电磁阀打开，将产生的次声波释放，控制声波释放的电磁阀处于常闭状态，以防止管道中油气倒流进入压缩气泵；

检测装置控制管口阀始终处于打开状态，使得产生的次声波直接进入到待测管道中，直至当待测管道中发生油气倒流现象时，检测装置控制管口阀关闭；

检测装置控制排气阀处于常闭状态，当压力传感器检测到装置或管道中的压力值大于0.2Mpa时，控制排气阀打开以排放气体；

当次声波信号在管道中传播时，由检测装置的次声波传感器检测发出的声波信号和声波的回值信号；

检测装置将所获得的次声波信号通过滤波、放大电路后进入DSP微控制器，选用自适应滤波器进行对消噪声处理，采用短时幅度-过零率函数方法识别堵塞回波，通过阈值方法确定堵塞回波到达时刻，结合所计算出的声波速度计算出堵塞位置；

检测装置通过显示模块实时显示声波曲线，显示计算出的管道堵塞位置与管道口之间的距离。

为了实施前述方法，本发明给出如下管道堵塞定位装置。该装置由核心控制板和机械单元两部分组成，所述机械单元如图1所示，包括压缩气泵1、次声波传感器2、压力传感器3、温度传感器4、控制声波释放的电磁阀5、管口阀6、排气阀7以及连接管道9。上述组件的具体连接关系为：在管口阀6下端的测试管口连接端8上开有用于和管口连接的外螺纹；其中，压缩气泵1位于连接管道9的始端，压缩气泵1的气体出口端通过电磁阀5连接在连接管道9上；次声波传感器2、压力传感器3以及温度传感器4依次连接在电磁阀5之后的连接管道9上；排气阀7固定在连接管道9的末端，管口阀6位于连接管道9和测试管口连接端8之间。

压缩气泵1用于自动打气，每次打气气压为0.7mPa，气量每分钟35L，核心控制板上有开关控制声波释放电磁阀5开关一次，把气体放到封闭管道容器中；次声波传感器2用来检测压缩气泵发出声波和声波回值；压力传感器3用于实时监测封闭管道的压力值，确保管道内的压力值小于0.2Mpa；温度传感器4用于实时监测封闭管道的温度值。

当压缩气泵产生气体，核心控制板控制控制声波释放的电磁阀5打开，将产生的声波释放出，控制声波释放的电磁阀5处于常闭状态，以防止管道中油气倒流进入压缩气泵；管口阀6处于常开状态，使装置和管道保持联通状态，当有管道中发生油气倒流现象时，核心控制板控制管口阀6关闭；排气阀7用于排出装置中的气体，排气电磁阀7处于常闭状态，压力传感器检测到装置和管道中的压力值大于0.2Mpa时，，核心控制板控制打开排气阀7排放气体。

所述核心控制板如图2所示，包括:温度采集模块9、与温度采集相对应的滤波电路10以及放大电路11；压力采集模块12、与压力采集相对应的滤波电路13以及放大电路14；次声波采集模块15、与次声波采集相对应的滤波电路16以及放大电路17；TMS320F2812核心处理器20、显示模块22、供电模块23以及外部电路24。

其中，温度采集模块9接收来自于温度传感器4的信号，用于采集管道内部的温度，将采集到的温度信息模拟量，经过滤波电路10、放大电路11放大后，传给TMS320F2812核心处理器20；

压力采集模块12接收来自于压力传感器3的信号，用于采集管道内部的压力，将采集到的压力信息模拟量，经过滤波电路13滤波、放大电路14放大后，传给TMS320F2812核心处理器20。

次声波采集模块15用于接收来自于次声波传感器2的信号，用于采集管道内的次声波；在电磁阀5放气的时候，次声波采集模块15采集到声波信号，DSP记录下信号采集的时刻，声波经过管道抵达管道堵塞位置返回，此时，次声波采集模块15再次采集到声波信号，DSP再次记录下声波信号采集时刻，声波在管道内传输，从管道口到堵塞位置，后又返回到管道口所经历的时间为。

滤波电路16对次声波采集模块15采集的声波信号进行滤波，实现滤除噪声、杂音；放大电路17对滤波电路16输出的信号进行放大处理，放大电路17输出的信号输入到TMS320F2812核心处理器20。

TMS320F2812核心处理器20通过核心控制板分别向压缩气泵1输出打气、向控制声波释放的电磁阀5输出放气的控制信号，以实现把存储在密封容器内的气体放出；电磁阀5、管口阀6和排气阀7的控制信号输入端分别直接连接到TMS320F2812核心处理器20的一位I/O引脚上，TMS320F2812核心处理器20通过控制I/O引脚的高低电平，控制上述电磁阀的开关；

TMS320F2812核心处理器20采用STM320F2812芯片，对温度传感器9、压力传感器12、次声波传感器15采集到的温度信号、压力信号、声波信号进分析、处理、用于反馈调节和智能控制。

显示模块22用于显示TMS320F2812核心处理器20输出的信息、检测到的压力、温度、声波释放和回值的波形，以及TMS320F2812核心处理器20计算出的管道堵塞位置到管口的距离值。

外围电路24包括基本电路、晶振电路、复位电路等，为管道堵塞定位装置系统提供系统时钟，来完成STM320F2812的系统定时；

供电模块23为TMS320F2812核心处理器20供电，为外围电路、显示模块供电。

如图4所示，所述TMS320F2812核心处理器（20）采用STM320F2812芯片，包括：次声波传感器A/D采集控制模块20-1、温度传感器A/D采集控制模块20-2、压力传感器A/D采集控制模块20-3、核心微控制处理器20-4、1号I/O引脚20-5、2号I/O引脚20-6、3号I/O引脚20-7、4号I/O引脚20-8、系统时钟20-9、RAM存储20-10、电源20-11、定时模块20-12、数据总线20-13、SRAM接口模块20-14、SRAM接口模块20-15、SRAM接口模块20-16以及存储于存储器内的通过程序构建的自适应滤波处理算法模块20-17、频减法分析处理算法模块20-18、声速计算模块20-19、管道堵塞定位计算模块20-20。

其中，A/D声波采集模块20-1是TMS320F2812核心处理器20采集引脚，用于和外部声波放大电路输出信号的连接，将放大的声波模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器20，TMS320F2812核心处理器将模拟信号转换成数字信号，TMS320F2812核心处理器中有16路12位高速A/D转换器，速度可达到12.5MHZ；TMS320F2812核心处理器的管脚图如图3所示。

温度传感器A/D采集控制模块20-2是TMS320F2812核心处理器采集引脚，用于和外部温度放大电路的输出信号的连接，将放大的温度模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器，TMS320F2812核心处理器将模拟信号转换成数字信号。

压力传感器A/D采集控制模块20-3是TMS320F2812核心处理器采集引脚，用于和外部压力放大电路的输出信号的连接，将放大的压力模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器，TMS320F2812核心处理器将模拟信号转换成数字信号。

核心微处理器20-4在TMS320F2812核心处理器中负责各种信息处理，包括压力、温度、声波信号的分析、信号处理、算法处理。

1号I/O引脚20-5和气泵1相连，是TMS320F2812核心处理器用于控制气泵1的引脚，TMS320F2812核心处理器定时给I/O引脚20-5输出低高电平，用于控制气泵1的开关。

2号I/O引脚20-6和电磁阀5相连，是TMS320F2812核心处理器20用于控制电磁阀开关的引脚，TMS320F2812核心处理器20定时给I/O引脚20-6低高电平，用于控制电磁阀开关。

3号I/O引脚20-7和排气阀7相连，TMS320F2812核心处理器采集到放大的压力信号之后，对压力信号进行分析，当压力信号大于0.2Mpa时，TMS320F2812核心处理器控制排气阀7打开，释放管道内部气体，避免压力过大损坏检测装置。

4号I/O引脚20-8和管口阀6相连，是TMS320F2812核心处理器用于控制采集结束的引脚，TMS320F2812核心处理器定时给I/O引脚20-8低高电平，用于控制管口阀开关。

系统时钟20-9是CPU的各工作时序的驱动源，频率为160MHz，系统时钟20-9和外围电路24连接；RAM和外部的液晶显示模块22相连，将TMS320F2812核心处理器20采集到的压力值、温度值、声波曲线及计算出的最终管道堵塞位置和管口之间的距离L，显示在液晶显示模块22上；电源20-11为TMS320F2812核心处理器提供电源。

数据存储模块20-13负责次声波传感器A/D采集控制模块20-1、温度传感器A/D采集控制模块20-2、压力传感器AD采集控制模块20-3的信息存放。SRAM接口模块20-14和数据总线相连，SRAM接口模块20-14和自适应滤波处理算法模块20-17的输入连接，将次声波传感器A/D采集控制模块20-1的数据传到自适应滤波处理算法模块20-17中。

SRAM接口模块20-15和数据总线相连，SRAM接口模块20-15和声速计算模块20-19的输入连接，将温度传感器A/D采集控制模块20-2的数据传到声速计算模块20-19中。

SRAM接口模块20-16和数据总线相连，SRAM接口模块20-16和声速计算模块20-19的输入连接，将压力传感器A/D采集控制模块20-3的数据传到声速计算模块20-19中。

自适应滤波处理算法模块20-17按照以下方式完成滤波处理：即以均方误差最小为准则，自动调节权重系数,以达到最优滤波的时变最佳DF；也即，参数会变，随着外界参数变化自动调节，使滤波器效果最佳；所谓时变最佳DF，即利用前一时刻已获得的滤波器参数，自动地调节当前时刻的滤波器参数，以适应信号与噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。

频减法分析处理算法模块20-18采用短时幅度-过零率函数方法识别堵塞回波，即将短时过零率和短时幅度函数结合应用在堵塞回波识别中。

声速计算模块20-19按照以下方式完成对声速的计算，计算公式为：；式中为介质的密度；，称为体积弹性模量，、分别为压强和密度的微小变化；将测量得到的温度值和压力值传到声速计算模块，根据具体的数值计算出次声波在管道中的传播速度。

管道堵塞定位计算模块20-20按照以下方式完成对堵塞位置的确定，计算公式为，应用次声波传感器采集到的声波发生时刻和声波返回采集时刻，声波在管道内传播的时间为；通过压力传感器和温度传感器可以测出管道内的压力和温度，TMS320F2812核心处理器计算出声波在相应条件下的传播速度，声波经过的路程则表示为：，管道堵塞的位置与管口之间的距离为：。

具体实施时，次声波传感器用来检测压缩气泵发出声波和声波回值。具体实施时，如图5所示，采用的是压电陶瓷次声波传感器，某些晶体因受到外力作用而发生形变时,在它的某些表面上会出现电荷，这种效应称为压电效应，压电陶瓷即为具有压电效应的多晶材料。压电陶瓷，具有较强的压电性能和较高的机电耦合系数，与稀土磁致伸缩材料相近。

压力传感器3用于实时监测封闭管道的压力值，确保管道内的压力值小于0.2Mpa。具体实施时，采用单晶硅材料利用压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。温度传感器为热电偶传感器，其测温原理是基于热电效应，将温度量转换为热电势，通过测量热电势的大小，实现温度的测量。

下面对四个重要模块做出详细说明：

自适应滤波器处理模块20-17以均方误差最小为准则，能自动调节权重系数,以达到最优滤波的时变最佳DF，也即：参数会变，随着外界参数变化自动调节，使滤波器效果最佳。所谓自适应DF：利用前一时刻已获得的滤波器参数等结果，自动地调节当前时刻的滤波器参数，以适应信号与噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。

频减法分析处理算法模块20-18也可以称为短时幅度-过零率函数处理模块。该模块存在的主要原因为：低频信号一般具有较低的短时过零率，在堵塞回波中总混有较高频率的背景噪声，也更多的是使堵塞回波形成“毛刺”，而经过自适应滤波器后，仍不会使液面回波段的短时过零率显著增加。对于较远的管道堵塞来讲，与堵塞回波段前后紧邻的信号段主要是围绕零电平上下波动的背景噪声，具有较高的短时过零率。这一特征成为识别堵塞回波的主要特征。所以，将短时过零率和短时幅度函数结合应用在堵塞回波识别中，可提高对堵塞回波的识别能力。适当选择幅度敏感因子可削弱某些干扰峰值的影响，同时又能保留堵塞回波段的整体幅度优势，从而可在一定程度上提高识别能力和降低误判。

声速计算模块20-19从本质上讲，声速是介质中微弱压强扰动的传播速度，计算公式为：；式中为介质的密度；，称为体积弹性模量，、分别为压强和密度的微小变化。对于液体和固体，K和随温度和压强的变化而变化很小，主要是随介质不同而异，所以在同一介质中，声速基本上是一个常数，对于气体，和随压强和温度的变化而变化很大。所以，将测量得到的温度值和压力值传到声速计算模块，根据具体的数值计算出，次声波在管道中的传播速度。

管道堵塞定位计算模块20-20：应用的声波传感器采集到的声波发生时刻和声波返回采集时刻，声波在管道内传播的时间为。声速，又称音速，指声波在介质中的传播速度，通常用符号c表示。过压力传感器和温度传感器可以测出管道内的压力和温度，TMS320F2812核心处理器可以计算出声波在相应条件下的传播速度，声波经过的路程可以表示为：，管道堵塞的位置与管口之间的距离为：。

本发明在具体实施时，由位于管道口的压缩气泵产生波脉冲，通过管道传播到堵塞位置，反射回来的回波由管道口的声波传感器接收，最后送给滤波器、放大器和数据采集与处理系统DSP进行处理。在管道堵塞定位检测中，声波在管道中传播，由于受长距离衰减和复杂背景噪声的影响，堵塞回波经常会淹没在噪声之中而误判，甚至无法识别。为了减少错判、误判的情况发生，本发明给出了一个自适应滤波器。然后，提出将短时幅度-过零率函数应用在滤波后的信号上，逐帧地对回波信号进行处理，以使回波凸显，通过阈值方法确定堵塞回波到达时刻。

下面首先对所采用的自适应滤波器，即自适应滤波器处理模块20-17做出说明：

高频信号由于衰减较快而无法从堵塞位置返回，因此所能接收到的一段堵塞回波主要集中在低频。自适应谱线增强是利用信号和噪声的相关事件不同，设置一个合适的延迟，使宽带信号去相关，而使窄带信号相关，再经延迟叠加，从而达到滤波和增强信号的目的。输入为原信号采集的信号，另一路参考信号经延迟得到，自适应滤波器调整自己的权系数，使输入与延迟信号中某些相关的分量对消，由于信号中的窄带信号与宽带信号的相关时间不同，可以利用这种差异将窄带信号增强而使宽带干扰减小，由自适应滤波器原理框图如图11所示。图11中，自适应滤波器：为输入信号，为权重系数，为某一时刻的误差，为输出结果。

其次，对频减法分析处理算法模块中的短时幅度-过零率函数做出说明：低频信号一般具有较低的短时过零率，在堵塞回波中总混有较高频率的背景噪声，也更多的是使堵塞回波形成“毛刺”，而经过自适应滤波器后，仍不会使液面回波段的短时过零率显著增加。对于较远的管道堵塞来讲，与堵塞回波段前后紧邻的信号段主要是围绕零电平上下波动的背景噪声，具有较高的短时过零率。这一特征成为识别堵塞回波的主要特征。将短时过零率和短时幅度函数结合应用在堵塞回波识别中，可提高对堵塞回波的识别能力。适当选择幅度敏感因子可削弱某些干扰峰值的影响，同时又能保留堵塞回波段的整体幅度优势，从而可在一定程度上提高识别能力和降低误判。将短时幅度函数和短时过零函数相结合定义一个新函数，在此，称之为短时幅度-过零率函数。

①短时幅度函数：

设经自适应滤波处理后的回波时域采样值为，帧移为，帧长为，窗函数为，加窗分帧处理后得到的第帧信号为：

；式中：；；

-方窗，即：；

为表示一帧信号的幅度水平，新定义了一个函数，称之为短时幅度函数。设第帧信号的短时幅度函数用表示，其计算公式：

；称为幅度敏感因子，表示短时幅度函数对一帧信号中高幅度值的敏感程度。

②短时过零率函数：

第帧信号的短时过零率表示该帧信号波形穿过横轴（零电平）的次数，它可以用取样符号改变的次数来计算：

式中：符号函数

③将短时幅度函数和短时过零率函数相结合定义一个新函数，在此，称之为短时幅度-过零率函数：

式中：-帧数；-的函数；-的函数，且

为拉大堵塞回波帧与管壁回波帧的计算差值，选择如下函数形式：

式中：-凸现过零率特性，，选择；，用以确保，同时又能最大程度地降低对过零率特性的影响。

当采用上述方法识别出堵塞回波时，堵塞回波段所对应的与前后相邻段具有显著的数值优势，通过阈值方法或其他方法可确定堵塞回波到达时刻。

之后，结合所计算出的声波速度可计算出堵塞位置。声波经过的路程可以表示为：，管道堵塞的位置与管口之间的距离为：。

如图13所示，本发明按照如下步骤实施：

步骤一：启动系统工作按钮，根据压力传感器采集到的压力值，如果压力值大于0.2Mpa，DSP微控制器控制排气阀释放内部气体。在压力满足要求的条件下DSP核心为控制器控制气泵和电磁阀，核心控制板中有按键，可以手动控制气泵产生气体、电磁阀开释放气体，气体经过压缩气泵前孔的次声波发生装置，产生次声波。管口阀始终处于开状态，使得产生的次声波直接进入到管道中。

步骤二：次声波信号在管道中传播，声波采集传感器为高精度次声波传感器，检测发出的声波信号和声波的回值信号。

步骤三：次声波信号通过滤波、放大电路后进入DSP微控制器，处理、运算，根据采集数据的特点，选用自适应滤波器进行对消噪声处理，采用短时幅度-过零率函数方法识别堵塞回波，通过阈值方法可确定堵塞回波到达时刻，结合所计算出的声波速度可计算出堵塞位置。

步骤四：通过显示模块实时显示声波曲线，显示TMS320F2812核心处理器计算出的管道堵塞位置与管道口之间的距离s。

Claims (2)

1.一种管道堵塞的定位方法，该方法由如下步骤组成：

在待测管道上安装由核心控制板、压缩气泵、次声波传感器、压力传感器、温度传感器、控制声波释放的电磁阀、管口阀、排气阀以及连接管道组成的检测装置；

使用压力传感器采集待测管道内以及连接管道内的压力值，如果压力值大于0.2Mpa，控制检测装置内的排气阀打开释放管道内的气体；

在压力满足要求的条件下，控制所述检测装置的压缩气泵自动打气，每次打气气压为0.7MPa，气量每分钟35L，气体经过所述压缩气泵前孔的次声波发生装置，产生次声波；

检测装置控制电磁阀打开，将产生的次声波释放，控制声波释放的电磁阀处于常闭状态，以防止管道中油气倒流进入压缩气泵；

检测装置控制管口阀始终处于打开状态，使得产生的次声波直接进入到待测管道中，直至当待测管道中发生油气倒流现象时，检测装置控制管口阀关闭；

检测装置控制排气阀处于常闭状态，当压力传感器检测到装置或管道中的压力值大于0.2Mpa时，控制排气阀打开以排放气体；

当次声波信号在管道中传播时，由检测装置的次声波传感器检测发出的声波信号和声波的回值信号；

检测装置将所获得的次声波信号通过滤波、放大电路后进入DSP微控制器，选用自适应滤波器进行对消噪声处理，采用短时幅度-过零率函数方法识别堵塞回波，通过阈值方法确定堵塞回波到达时刻，结合所计算出的声波速度计算出堵塞位置；

检测装置通过显示模块实时显示声波曲线，显示计算出的管道堵塞位置与管道口之间的距离。

2.一种用于实施权利要求1中所述方法的管道堵塞定位装置，该装置由核心控制板和机械单元两部分组成，所述机械单元包括压缩气泵（1）、次声波传感器（2）、压力传感器（3）、温度传感器（4）、控制声波释放的电磁阀（5）、管口阀（6）、排气阀（7）以及连接管道（9），在管口阀（6）下端的测试管口连接端（8）上开有用于和管口连接的外螺纹；其中，压缩气泵（1）位于连接管道（9）的始端，压缩气泵（1）的气体出口端通过电磁阀（5）连接在连接管道（9）上；次声波传感器（2）、压力传感器（3）以及温度传感器（4）依次连接在电磁阀（5）之后的连接管道（9）上；排气阀（7）固定在连接管道（9）的末端，管口阀（6）位于连接管道（9）和测试管口连接端（8）之间；

压缩气泵（1）用于自动打气，每次打气气压为0.7mPa，气量每分钟35L，核心控制板上有开关控制声波释放电磁阀（5）开关一次，把气体放到封闭管道容器中；次声波传感器（2）用来检测压缩气泵发出声波和声波回值；压力传感器（3）用于实时监测封闭管道的压力值，确保管道内的压力值小于0.2Mpa；温度传感器（4）用于实时监测封闭管道的温度值；

当压缩气泵产生气体，核心控制板控制控制声波释放的电磁阀（5）打开，将产生的声波释放出，控制声波释放的电磁阀（5）处于常闭状态，以防止管道中油气倒流进入压缩气泵；管口阀（6）处于常开状态，使装置和管道保持联通状态，当有管道中发生油气倒流现象时，核心控制板控制管口阀（6）关闭；排气阀（7）用于排出装置中的气体，排气电磁阀（7）处于常闭状态，压力传感器检测到装置和管道中的压力值大于0.2Mpa时，核心控制板控制打开排气阀（7），排放气体；

所述核心控制板，包括:温度采集模块（9）、与温度采集相对应的滤波电路（10）以及放大电路（11）；压力采集模块（12）、与压力采集相对应的滤波电路（13）以及放大电路（14）；次声波采集模块（15）、与次声波采集相对应的滤波电路（16）以及放大电路（17）；TMS320F2812核心处理器（20）、显示模块（22）、供电模块（23）以及外部电路（24）；

温度采集模块（9）接收来自于温度传感器（4）的信号，用于采集管道内部的温度，将采集到的温度信息模拟量，经过滤波电路（10）、放大电路（11）放大后，传给TMS320F2812核心处理器(20)；

压力采集模块（12）接收来自于压力传感器（3）的信号，用于采集管道内部的压力，将采集到的压力信息模拟量，经过滤波电路（13）滤波、放大电路（14）放大后，传给TMS320F2812核心处理器（20）；

次声波采集模块（15）用于接收来自于次声波传感器（2）的信号，用于采集管道内的次声波；在电磁阀（5）放气的时候，次声波采集模块（15）采集到声波信号，DSP记录下信号采集的时刻，声波经过管道抵达管道堵塞位置返回，此时，次声波采集模块（15）再次采集到声波信号，DSP再次记录下声波信号采集时刻，声波在管道内传输，从管道口到堵塞位置，后又返回到管道口所经历的时间为；

滤波电路（16）对次声波采集模块（15）采集的声波信号进行滤波，实现滤除噪声、杂音；放大电路（17）对滤波电路（16）输出的信号进行放大处理，放大电路（17）输出的信号输入到TMS320F2812核心处理器（20）；

TMS320F2812核心处理器（20）通过核心控制板分别向压缩气泵（1）输出打气、向控制声波释放的电磁阀（5）输出放气的控制信号，以实现把存储在密封容器内的气体放出；电磁阀（5）、管口阀（6）和排气阀（7）的控制信号输入端分别直接连接到TMS320F2812核心处理器（20）的一位I/O引脚上，TMS320F2812核心处理器（20）通过控制I/O引脚的高低电平，控制上述电磁阀的开关；

TMS320F2812核心处理器（20）采用STM320F2812芯片，对温度传感器（9）、压力传感器（12）、次声波传感器（15）采集到的温度信号、压力信号、声波信号进分析、处理、用于反馈调节和智能控制；

显示模块（22）用于显示TMS320F2812核心处理器（20）输出的信息、检测到的压力、温度、声波释放和回值的波形，以及TMS320F2812核心处理器（20）计算出的管道堵塞位置到管口的距离值；

外围电路（24）包括基本电路、晶振电路、复位电路，为管道堵塞定位装置系统提供系统时钟，来完成STM320F2812的系统定时；

供电模块（23）为TMS320F2812核心处理器（20）供电，为外围电路、显示模块供电；

所述TMS320F2812核心处理器（20）采用STM320F2812芯片，包括：次声波传感器A/D采集控制模块（20-1）、温度传感器A/D采集控制模块（20-2）、压力传感器A/D采集控制模块（20-3）、核心微控制处理器（20-4）、第一I/O引脚（20-5）、第二I/O引脚（20-6）、第三I/O引脚（20-7）、第四I/O引脚（20-8）、系统时钟（20-9）、RAM存储（20-10）、电源（20-11）、定时模块（20-12）、数据总线（20-13）、第一SRAM接口模块（20-14）、第二SRAM接口模块（20-15）、第三SRAM接口模块（20-16）以及存储于存储器内的通过程序构建的自适应滤波处理算法模块（20-17）、频减法分析处理算法模块（20-18）、声速计算模块（20-19）、管道堵塞定位计算模块（20-20）；

A/D声波采集模块（20-1）是TMS320F2812核心处理器（20）采集引脚，用于和外部声波放大电路输出信号的连接，将放大的声波模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器（20），TMS320F2812核心处理器（20）将模拟信号转换成数字信号，TMS320F2812核心处理器（20）中有16路12位高速A/D转换器，速度可达到12.5MHZ；

温度传感器A/D采集控制模块（20-2）是TMS320F2812核心处理器（20）采集引脚，用于和外部温度放大电路的输出信号的连接，将放大的温度模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器（20），TMS320F2812核心处理器（20）将模拟信号转换成数字信号；

压力传感器A/D采集控制模块（20-3）是TMS320F2812核心处理器（20）采集引脚，用于和外部压力放大电路的输出信号的连接，将放大的压力模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器（20），TMS320F2812核心处理器（20）将模拟信号转换成数字信号；

核心微处理器（20-4）在TMS320F2812核心处理器（20）中负责各种信息处理，包括压力、温度、声波信号的分析、信号处理、算法处理；

第一I/O引脚（20-5）和气泵（1）相连，是TMS320F2812核心处理器（20）用于控制气泵（1）的引脚，TMS320F2812核心处理器（20）定时给第一I/O引脚（20-5）输出低高电平，用于控制气泵（1）的开关；

第二I/O引脚（20-6）和电磁阀（5）相连，是TMS320F2812核心处理器（20）用于控制电磁阀开关的引脚，TMS320F2812核心处理器（20）定时给第二I/O引脚（20-6）低高电平，用于控制电磁阀开关；

第三I/O引脚（20-7）和排气阀（7）相连，TMS320F2812核心处理器（20）采集到放大的压力信号之后，对压力信号进行分析，当压力信号大于0.2Mpa时，TMS320F2812核心处理器（20）控制排气阀（7）打开，释放管道内部气体，避免压力过大损坏检测装置；

第四I/O引脚（20-8）和管口阀（6）相连，是TMS320F2812核心处理器（20）用于控制采集结束的引脚，TMS320F2812核心处理器（20）定时给第四I/O引脚（20-8）低高电平，用于控制管口阀开关；

系统时钟（20-9）是CPU的各工作时序的驱动源，频率为160MHz，系统时钟（20-9）和外围电路（24）连接；

RAM（20-10）和外部的液晶显示模块（22）相连，将TMS320F2812核心处理器（20）采集到的压力值、温度值、声波曲线及计算出的最终管道堵塞位置和管口之间的距离L，显示在液晶显示模块（22）上；

电源（20-11）为TMS320F2812核心处理器（20）提供电源；

数据存储模块（20-13）负责次声波传感器A/D采集控制模块（20-1）、温度传感器A/D采集控制模块（20-2）、压力传感器AD采集控制模块（20-3）的信息存放；

第一SRAM接口模块（20-14）和数据总线相连，第一SRAM接口模块（20-14）和自适应滤波处理算法模块（20-17）的输入连接，将次声波传感器A/D采集控制模块（20-1）的数据传到自适应滤波处理算法模块（20-17）中；

第二SRAM接口模块（20-15）和数据总线相连，第二SRAM接口模块（20-15）和声速计算模块（20-19）的输入连接，将温度传感器A/D采集控制模块（20-2）的数据传到声速计算模块（20-19）中；

第三SRAM接口模块（20-16）和数据总线相连，第三SRAM接口模块（20-16）和声速计算模块（20-19）的输入连接，将压力传感器A/D采集控制模块（20-3）的数据传到声速计算模块（20-19）中；

自适应滤波处理算法模块（20-17）按照以下方式完成滤波处理：即以均方误差最小为准则，自动调节权重系数,以达到最优滤波的时变最佳DF；也即，参数会变，随着外界参数变化自动调节，使滤波器效果最佳；所谓时变最佳DF，即利用前一时刻已获得的滤波器参数，自动地调节当前时刻的滤波器参数，以适应信号与噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波；

频减法分析处理算法模块（20-18）采用短时幅度-过零率函数方法识别堵塞回波，即将短时过零率和短时幅度函数结合应用在堵塞回波识别中；

声速计算模块（20-19）按照以下方式完成对声速的计算，计算公式为：；式中为介质的密度；，称为体积弹性模量，、分别为压强和密度的微小变化；将测量得到的温度值和压力值传到声速计算模块，根据具体的数值计算出次声波在管道中的传播速度；

管道堵塞定位计算模块（20-20）按照以下方式完成对堵塞位置的确定，计算公式为，应用次声波传感器采集到的声波发生时刻和声波返回采集时刻，声波在管道内传播的时间为；通过过压力传感器和温度传感器可以测出管道内的压力和温度，TMS320F2812核心处理器计算出声波在相应条件下的传播速度，声波经过的路程则表示为：，管道堵塞的位置与管口之间的距离为：。