CN106969270B - 一种基于声波探测的检测管道泄漏的采集装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

提供一种基于声波探测的管道泄漏检测采集装置及使用方法，在所述管道泄漏检测采集装置中两个拾音探头分别固定在管道两端用于探测管道泄漏，该采集装置置包含单片机、GPS模块、拾音器、多路选择器、录音存储模块、SD卡、蓝牙模块和锂电池供电电路；通过分时采集GPS的秒脉冲输出与拾音信号输出，采集装置能够将准确的时间信息标记在采集到的声音数据中。该采集装置采用低功耗芯片与模块，程序控制相应工作模式下的各模块供电，使得整机功耗大大降低；采用锂电池供电，体积小巧轻便；使用蓝牙模块与上位机控制端进行交互，操作简单方便，工作稳定可靠，为后续泄漏点位置的确定提供了高时间准确度的数据基础。

Description

一种基于声波探测的检测管道泄漏的采集装置及使用方法

技术领域

本发明属于管道泄漏监测技术领域，涉及一种基于声波探测的检测管道泄漏的采集装置及使用方法。

背景技术

管道是作为液体运输，如油气、水等的一种最有效、最方便的手段。但随着时间发展，管道中的腐蚀也越来越严重，造成管道中的泄漏，对工业、生活造成极大的影响。随着工业的发展，对泄漏检测的要求提高与重视，为解决此类问题，针对不同的管道，如输气、输油、海底等，以及管网，人们提出了不同的方法来检测泄漏。

管道泄漏探测的方法可以分成两大类：一类是基于外部硬件探测，而没有配套软件或系统，这一类包括管道勘察，碳氢化合物分布式传感电缆，光纤探测器，蒸汽传感器，液体传感线缆，声波传感器、红外探测仪等。硬件探测需要高昂的硬件及其安装费用。这类检测方法精度很高，可以检测出很小的泄漏。但这类方法的局限性也很大。它只能在已安装了相应硬件的地方工作，一般用于周期性的检测。如果某个泄漏没有检测到，只有等到下次例行检查时才有可能被发现。但是硬件检测方中得到的数据往往可以成为第二类方法的输入，进行进一步的处理。

第二类探测方法，即基于软件或系统的探测方法可以在不对运输做干扰的情况时，对管道进行实时或有目的性的探测。这类方法利用各类传感器所获取的数据，包括压力、温度、粘度、密度、流速、声波等，配以相应的算法，来计算出泄漏位置与泄漏程度。这类方法中有，基于体积平衡，通过检测压力或温度的变化，实时瞬态模型法，数据分析法，负压波等。它对于瞬时泄漏信号或缓慢流动的情况下很有效。但这类检测方法的精度不如外部硬件检测方法，而且检测的精度与有效性与使用的算法、仪器和相应的检测对象有极大的关系。

发明内容

基于现实和生产实践的需要，本申请人投入大量资金及长期研究，提供一种基于声波探测的管道泄漏检测采集装置及使用方法。

依据本发明的第一方面，提供一种基于声波探测的管道泄漏检测采集装置，其中两个拾音探头分别固定在管道两端，用于探测管道泄漏。

进一步地，所述的基于声波探测的管道泄漏检测采集装置由单片机、GPS模块、拾音器、多路选择器、录音存储模块、SD卡、蓝牙模块和锂电池供电电路组成，所述GPS模块与多路选择器通过PPS信号相连，所述拾音器与所述多路选择器相连，所述多路选择器与所述单片机通过IO口相连，所述多路选择器的输出与所述录音存储模块的输入相连，SD卡固定在录音存储模块的卡座上，所述录音存储模块通过串口与所述单片机相连，所述蓝牙模块与所述单片机模块通过串口相连，所述GPS模块与所述单片机模块通过串口和PPS信号相连，所述锂电池供电电路与所述的单片机、GPS模块、拾音器、多路选择器、录音存储模块、SD卡、蓝牙模块相连接，所述锂电池供电电路与所述的单片机还通过IO口相连。

优选地，所述的基于声波探测的管道泄漏检测采集装置利用GPS得到准确的时间信息，所述采集装置通过二选一多路选择器选择拾音信号输出或GPS的秒脉冲信号输出，从而将GPS的准确的时间信息记录到采集数据的起始和结尾中，再通过后期的线性插值算法处理，能够修正录音模块采集时钟的频率，从而将采集到的声音信号的每个采集样点校正回准确的采集时刻。

优选地，基于声波探测的管道泄漏检测采集装置通过蓝牙模块与上位机控制端进行交互，得到采集时刻列表，再通过GPS的串口信息得到当前实际时间，所述采集装置的单片机比较采集时刻与当先时间是否一致，如果一致则采用上述具有GPS秒脉冲时间标志的拾音信号采集方法，以实现高时间精度的定时采集功能。所述单片机可以通过IO口控制锂电池供电电路。

依据本发明的第二方面，提供一种使用上述基于声波探测的管道泄漏检测采集装置的方法，其包括以下步骤：

第一步，打开保护盖1，并打开采集装置的电源开关3，随后关闭保护盖1，以防止雨水或灰尘进入采集装置；然后将采集装置固定在管道上，拾音器4一端紧靠管道，拾音器将管道中的机械震动信号转化为微弱电信号；

第二步，使用带有蓝牙设备的上位机(手机或电脑)下发采集时刻列表，格式为“年月日时分秒采集时长”；上位机发送最多16组采集时刻与时长，并以两个回车作为列表的结束；

第三步，采集装置的单片机通过蓝牙模块收到采集时刻列表后，即进入准备采集模式；单片机通过IO口控制供电电路，以开启GPS模块和录音存储模块的供电，并切断蓝牙模块的供电；单片机解析GPS模块发送的串口数据，并得到当前时间信息；如果当前时刻出现在上位机下发的采集时刻列表中，则单片机立即向录音存储模块发送串口命令以启动采集；录音存储模块将多路选择器输出的模拟信号转化为数字信号，并写入SD卡；当达到采集列表中相应的采集时长后，单片机再向录音存储模块发送串口命令以停止采集；

第四步，当采集列表中全部采集任务完成后，采集装置自动进入休眠，即切断录音存储模块和GPS模块的供电，以使休眠功耗达到最低；此时，操作人员即可打开保护盖1，关闭采集装置电源，取出SD卡槽2中的SD卡，在电脑上进行后期数据处理。

相比于现有技术，本发明的优点和有益效果为：

1)本发明采集装置采用GPS模块的秒脉冲进行精确的时间标记，采集时刻的准确度高，计算出的到时差更准确，泄漏点定位精度高。

2)本发明采集装置使用嵌入式技术，在不同的工作状态切断相应模块的供电，使得整机功耗降低，采集装置采用锂电池供电，整机体积减小，携带轻便。

3)本发明采集装置通过蓝牙无线连接上位机控制端，无需线缆连接操作，使用简单、方便、可靠。

附图说明

附图1是依据本发明的利用声波探测管道泄漏位置的基本原理示意图。

附图2是依据本发明的管道泄漏检测采集装置的结构框图。

附图3是依据本发明的管道泄漏检测采集装置的外观示意图。

附图4是依据本发明的管道泄漏检测采集装置的使用方法流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

当液体或气体在管道中泄漏时，泄漏点处会产生某些频段的声波，在管道中传播的声波速度，会随着声波的频率或管道的材质不同而发生变化。利用声波探测管道泄漏位置的基本原理如附图1所示，两个声波探头分别固定在管道的两处A和B，泄漏点在C处，则泄漏点C与声波探头A的距离x可由下述公式算出：

其中，L为两个声波探头A与B之间的距离，c(ω)为管道中某一频率声波对应的传播速度；Δt为泄漏点处的声波传播到两个声波探头A与B的到时差，它可由A、B两处声波探头采集到的震动数据x(t)和y(t)做互相关运算得到：

Δt＝arg max∫x(t)y^*(t+τ)dt

由此可见，准确计算出到时差对泄漏位置的确定至关重要，这就要求采集装置的采集时刻的准确性一定要高。声波探测的方法要求有两个拾音探头分别固定在水管两端探测，而如何同步采集两路拾音信号，是本发明要解决的主要问题。

本发明的基于声波探测的管道泄漏检测采集装置由单片机、GPS模块、拾音器、多路选择器、录音存储模块、SD卡、蓝牙模块和锂电池供电电路组成，GPS模块与多路选择器通过PPS信号相连，拾音器与多路选择器相连，多路选择器与单片机通过IO口相连，多路选择器的输出与录音存储模块的输入相连，SD卡固定在录音存储模块的卡座上，录音存储模块通过串口与单片机相连，蓝牙模块与单片机模块通过串口相连，GPS模块与单片机模块通过串口和PPS信号相连，锂电池供电电路与的单片机、GPS模块、拾音器、多路选择器、录音存储模块、SD卡、蓝牙模块相连接，锂电池供电电路与的单片机还通过IO口相连。优选地，采集装置的单片机采用恩智浦公司的CORTEX-M0系列低成本、低功耗单片机。GPS模块采用瑞士U-blox公司的NEO系列低功耗模块，既可外接有源天线，也可外接无源天线。

利用GPS得到准确的时间信息，采集装置通过二选一多路选择器选择拾音信号输出或GPS的秒脉冲信号输出，从而将GPS的准确的时间信息记录到采集数据的起始和结尾中，再通过后期的线性插值算法处理，能够修正录音模块采集时钟的频率，从而将采集到的声音信号的每个采集样点校正回准确的采集时刻。由于不同GPS模块的秒脉冲输出的误差在纳秒级别，所以使用GPS分别同步采集两路拾音信号完全满足时间准确性的要求，而不采用同一主控线同步两个采集单元，是为了方便操作，使用采集装置时不需要再手工连线。

采集装置通过蓝牙模块与上位机控制端进行交互，得到采集时刻列表，再通过GPS的串口信息得到当前实际时间，采集装置的单片机比较采集时刻与当先时间是否一致，如果一致则采用上述具有GPS秒脉冲时间标志的拾音信号采集方法，以实现高时间精度的定时采集功能。通过使用嵌入式技术以及现代数字信号处理技术，采集装置的整体功耗不大，使用锂电池供电即可。单片机可以通过IO口控制锂电池供电电路，从而能够在交互或采集时，通过分别切断录音存储模块或蓝牙模块的供电，来降低整机平均功耗。

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行进一步的详细描述。

如图2所示的结构框图，一种基于声波探测的管道泄漏检测采集装置包括单片机1、GPS模块2、拾音器3、多路选择器4、录音存储模块5、SD卡6、蓝牙模块7和锂电池供电电路8；其中：

单片机1，其用于录音存储模块的开始采集与停止采集，还通过GPS模块获得当前时间，通过蓝牙模块得到上位机发送的采集时刻与采集时长等信息，还可以控制GPS模块、录音存储模块、蓝牙模块的供电开启或切断；

GPS模块2，其用于得到当前时间信息，并比较采集时刻与当先时间是否一致，以实现定时采集功能；当多个采集装置同时采集时，可以将各个采集装置设置为同一时刻开始采集，以准确计算漏水点的到时信息；

拾音器3，其用于前端震动信号传感器，耦合固定在管道上，将管道中的机械震动信号转化为微弱电信号；

多路选择器4，其用于选择切换录音存储模块的输入信号源，即在采集时刻开始的一秒内，以及采集结束之前的一秒内，选择GPS模块的秒脉冲作为输出，其他时间段内选择将拾音器的输出信号送给录音存储模块，这样采集到的波形内部就具有准确的秒脉冲时间标志，以方便后期数据的插值处理并得到准确采样时刻的声音震动幅度；

录音存储模块5，其用于将多路选择器4输出的模拟信号转化为数字信号，并写入SD卡中，录音模块的采样率为32kHz，位长16位，满足泄漏位置计算的精度要求；

SD卡6，其用于存储录音模块转化的数字信号，SD卡内存储的文件以开始采集时刻的年月日时分秒作为文件名，以区分不同采集时刻的文件；

蓝牙模块7，其用于与上位机进行交互，得到用户所需采集时刻与采集时长等信息；

锂电池供电电路8，其用于给采集装置各部分提供稳定电压，包含单片机、GPS模块、录音存储模块、蓝牙模块。另外，GPS模块、录音存储模块、蓝牙模块的供电可以通过单片机控制开启或切断，以降低平均功耗。

GPS模块与多路选择器通过PPS信号相连，拾音器与多路选择器相连，多路选择器与单片机通过IO口相连，多路选择器的输出与录音存储模块的输入相连，SD卡固定在录音存储模块的卡座上，录音存储模块通过串口与单片机相连，蓝牙模块与单片机模块通过串口相连，GPS模块与单片机模块通过串口和PPS信号相连，锂电池供电电路与的单片机、GPS模块、拾音器、多路选择器、录音存储模块、SD卡、蓝牙模块相连接，锂电池供电电路与的单片机还通过IO口相连。

基于声波探测的管道泄漏检测采集装置的外观如附图3所示，采集装置整体封装在圆柱形外壳内，拾音器4固定在圆柱形壳体底部，保护盖1通过螺纹与圆柱形壳体相连，保护盖内有SD卡槽2和电源开关3。

基于声波探测的管道泄漏检测采集装置使用方法如附图4所示，包括以下步骤：

第一步，打开保护盖1，并打开采集装置的电源开关3，随后关闭保护盖1，以防止雨水或灰尘进入采集装置；然后将采集装置固定在管道上，拾音器4一端紧靠管道，拾音器将管道中的机械震动信号转化为微弱电信号；

第二步，使用带有蓝牙设备的上位机(手机或电脑)下发采集时刻列表，格式为“年月日时分秒采集时长”，如“20160808 111213 60”表示在2016年8月8号的11时12分13秒开始采集，共采集60秒。上位机可以发送最多16组采集时刻与时长，并以两个回车作为列表的结束；

第三步，采集装置的单片机通过蓝牙模块收到采集时刻列表后，即进入准备采集模式。单片机通过IO口控制供电电路，以开启GPS模块和录音存储模块的供电，并切断蓝牙模块的供电。单片机解析GPS模块发送的串口数据，并得到当前时间信息。如果当前时刻出现在上位机下发的采集时刻列表中，则单片机立即向录音存储模块发送串口命令以启动采集。录音存储模块将多路选择器输出的模拟信号转化为数字信号，并写入SD卡。当达到采集列表中相应的采集时长后，单片机再向录音存储模块发送串口命令以停止采集；

第四步，当采集列表中全部采集任务完成后，采集装置自动进入休眠，即切断录音存储模块和GPS模块的供电，以使休眠功耗达到最低；此时，操作人员即可打开保护盖1，关闭采集装置电源，取出SD卡槽2中的SD卡，在电脑上进行后期数据处理。

本发明中单片机的软件流程描述如下：

第一步，程序运行后，首先进行软件和硬件的初始化工作，比如变量的初值设置、时钟的初始化等；关闭GPS模块的供电，关闭录音存储模块的供电，打开蓝牙模块的供电；多路选择器切换到GPS秒脉冲输出；

第二步，用串口接收蓝牙设备发送来的采集时刻列表，一旦接收到两个回车即代表接收完成；

第三步，接收完采集列表即开始采集任务。首先要打开GPS模块和录音存储模块的供电，并通过串口接收GPS发来的当前时间信息。如果当前时间在采集时刻列表中，立刻通过串口发送存储文件名以及开始采集命令给录音存储模块，录音存储模块收到开始采集命令后即开始采集；

第四步，为保证至少有一个秒脉冲信号被录音存储模块采集到，单片机要在开始采集一秒后，再将多路选择器切换到拾音器输出，并等待相应的采集时长。拾音信号采集结束后，再将多路选择器切换回GPS秒脉冲输出；

第五步，同样为保证在采集文件结尾处至少有一个秒脉冲信号被录音存储模块采集到，单片机要等待一秒，然后通过串口给录音存储模块发送停止采集命令，这样就完成一次采集；

第六步，重复上述第三步到第五步，直到完成采集时刻列表中的全部采集任务；

第七步，切断GPS模块和录音存储模块的供电，采集装置进入休眠模式。

本发明经过多次试验，工作稳定可靠，能够准确采集到指定采集时刻的管道声音信号以及各时刻前后的GPS秒脉冲信号，采集的时间准确度满足要求，使用简单方便，实现了可靠、实用的泄漏管道声音采集，为后续泄漏点位置的确定提供了高时间准确度的数据基础。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种使用基于声波探测的管道泄漏检测采集装置的方法，其包括以下步骤：

第一步，打开保护盖(1)，并打开采集装置的电源开关(3)，随后关闭保护盖(1)，以防止雨水或灰尘进入采集装置；然后将采集装置固定在管道上，拾音器(4)一端紧靠管道，拾音器将管道中的机械震动信号转化为微弱电信号；

第二步，使用带有蓝牙设备的上位机下发采集时刻列表，格式为“年月日时分秒采集时长”；上位机发送最多16组采集时刻与时长，并以两个回车作为列表的结束；

第三步，采集装置的单片机通过蓝牙模块收到采集时刻列表后，即进入准备采集模式；单片机通过IO口控制供电电路，以开启GPS模块和录音存储模块的供电，并切断蓝牙模块的供电；单片机解析GPS模块发送的串口数据，并得到当前时间信息；如果当前时刻出现在上位机下发的采集时刻列表中，则单片机立即向录音存储模块发送串口命令以启动采集；录音存储模块将多路选择器输出的模拟信号转化为数字信号，并写入SD卡；当达到采集列表中相应的采集时长后，单片机再向录音存储模块发送串口命令以停止采集；

第四步，当采集列表中全部采集任务完成后，采集装置自动进入休眠，即切断录音存储模块和GPS模块的供电，以使休眠功耗达到最低；此时操作人员即可打开保护盖(1)，关闭采集装置电源，取出SD卡槽(2)中的SD卡，在电脑上进行后期数据处理；

在所述基于声波探测的管道泄漏检测采集装置中，两个拾音探头分别固定在管道两端，用于探测管道泄漏，所述基于声波探测的管道泄漏检测采集装置由单片机、GPS模块、拾音器、多路选择器、录音存储模块、SD卡、蓝牙模块和锂电池供电电路组成，所述GPS模块与多路选择器通过PPS信号相连，所述拾音器与所述多路选择器相连，所述多路选择器与所述单片机通过IO口相连，所述多路选择器的输出与所述录音存储模块的输入相连，SD卡固定在录音存储模块的卡座上，所述录音存储模块通过串口与所述单片机相连，所述蓝牙模块与所述单片机模块通过串口相连，所述GPS模块与所述单片机模块通过串口和PPS信号相连，所述锂电池供电电路与所述的单片机、GPS模块、拾音器、多路选择器、录音存储模块、SD卡、蓝牙模块相连接，所述锂电池供电电路与所述的单片机还通过IO口相连；多路选择器用于选择切换录音存储模块的输入信号源，即在采集时刻开始的一秒内，以及采集结束之前的一秒内，选择GPS模块的秒脉冲作为输出，其他时间段内选择将拾音器的输出信号送给录音存储模块，这样采集到的波形内部就具有准确的秒脉冲时间标志，以方便后期数据的插值处理并得到准确采样时刻的声音震动幅度；

其中，利用GPS得到准确的时间信息，所述采集装置通过二选一多路选择器选择拾音信号输出或GPS的秒脉冲信号输出，从而将GPS的准确的时间信息记录到采集数据的起始和结尾中，再通过后期的线性插值算法处理，能够修正录音模块采集时钟的频率，从而将采集到的声音信号的每个采集样点校正回准确的采集时刻；所述基于声波探测的管道泄漏检测采集装置通过蓝牙模块与上位机控制端进行交互，得到采集时刻列表，再通过GPS的串口信息得到当前实际时间，所述采集装置的单片机比较采集时刻与当先时间是否一致，如果一致则采用上述具有GPS秒脉冲时间标志的拾音信号采集方法，以实现高时间精度的定时采集功能；所述单片机可以通过IO口控制锂电池供电电路。

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