3.1 下位機硬件系統設計
??? 下位機硬件系統安放在管道上，對管道運行狀態進行實時檢測，并將檢測結果傳送給上位機。其系統框圖如圖3所示：
??? 下面分別說明下位機系統各組成部分的作用及設計。
??? 傳感器用來接收在管道內傳播的包括噪聲在內的負壓波信號。理想的傳感器應具有較高的靈敏度、寬而平直的頻率特性、足夠的動態范圍、良好的穩定性。根據輸氣管道的特殊環境，檢測系統的傳感器還需具有施工量小，成本低，安裝維護方便等優點園。通過研究相關資料和進行相關實驗，在本課題中選用浙江紅聲器材廠生產的HS14423駐極體電容測試傳聲器作為負壓波傳感器。
??? 前置放大器的作用是對傳感器采集到的負壓波信號進行放大。由于管道泄漏產生的負壓波信號是很微弱的信號，所以在使用這一信號進行檢測處理時，需要對信號進行前置放大。為了與本課題選用的傳感器匹配，選用與傳感器同廠生產的HSl46133前置放大器。
??? 模擬濾波電路的作用是提取有用信號的頻帶削減帶外噪聲，防止頻率混疊保證采樣順利進行。由于負壓波信號要用于對泄漏點定位的運算中，對濾波器的相頻特性十分敏感，所以選用具有最平群延時特性的貝塞爾濾波器作為濾波器選型。在具體實現上采用了MAXIM公司的MAX281模擬濾波芯片作為貝塞爾濾波器的實現方案。
??? 模數轉換電路將濾波后的模擬信號變為數字信號。由于傳感器采集到的負壓波信號要傳到上位機進行進一步的運算，而上位機只能對數字信號進行處理，所以必須要將采集到的負壓波信號轉變成數字信號后才能傳遞給上位機。具體實現上采用了MAXIM公司的MAXll66逐次逼近型數模轉換芯片。
??? 單片機控制電路的設計是下位機系統的核心，主要完成對整個下位機系統的控制，以及與上位棚系統進行數據交互。本文使用了ATMEL公司生產的Atmega128單片機進行電路設計，并編制了系統軟件控制整個下位機系統的運行。
??? 通信接口電路主要負責下位機系統與上位機系統通信中的電氣特性轉換。單片機串口不能直接用于較遠距離的信號傳輸，為了提高串行通訊的可靠性，增大通訊距離，在工程設計中一般采用標準串行接口。本課題選用RS485總線標準與上位機進行通信，所使用的電平轉換芯片為MAXIM公司生產的MAX485電平轉換芯片。
3.2 上位機軟件系統設計
??? 在整體檢測系統中上位機為放置在監控室的工控計算機，所以對上位機的設計主要為對運行于上位機平臺的軟件系統的設計。其整體結構框圖如圖4所示：
??? 上位機采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器技術實現，下面將介紹各個模塊的作用。
??? 下位機通信模塊主要負責上位機與下位機的數據交互。由于使用串口通信，所以本模塊的功能主要有通信參數的設置和字符數據轉換。通信參數的設置主要包括設置波特率、奇偶校驗、數據位數、同步異步、停止位、緩沖區容量等。
??? 單通道時頻域分析模塊，對輸入信號進行時域和頻域分析。時域分析主要是對波形的觀測，由于串口傳遞的數據不含有時間信息，所以在分析和處理前要加上采樣起始時間和采樣時間間隔。頻域分析主要是對信號的數字濾波，提取需要的頻率成分，提高相關定位算法的精度。
??? 雙通道相關定位模塊是系統設計的關鍵部分，本模塊主要負責相關定位算法的實現，以及根據相關算法計算出的延時求解泄漏點的位置。
??? 檢測結果存儲回放模塊作用是對檢測結果的存儲回放。由于本系統在檢測泄漏時為實時系統，而實時系統對時間的要求非常嚴格，一切的操作處理需要在規定的時間內完成，因此不能對信號進行復雜的處理。若將信號存儲起來，可以在日后對其做詳細的分析，這樣就彌補了實時系統對時間要求嚴格的不足。
4 充氣管道泄漏檢測實驗
??? 在實驗室搭建了充氣管道實驗模型，該實驗模型使用長3295cm、外徑為10cm、管壁厚為0.5cm的直管模擬燃氣管道，下位機1距離泄漏點718cm。使用氣泵對管道進行充氣，使管內壓力在0.2MPa-0.3MPa。
??? 發生泄漏時，從兩下位機采集到的泄漏信號如圖5所示：
采用相關分析對兩路傳感器信號進行處理后得到的相關波形如圖6所示：
??? 按照相關波形中，最大值對應的時間即負壓波傳到兩傳感器的延時為97.51ms，波速取經驗值175m/s。按照公式(1)計算出泄漏點到下位機1的距離為700cm，與實測值718cm相比，絕對誤差為18cm相對誤差為2.5%。
5 結論
??? 本文基于負壓波檢測定位原理，對充氣管道泄漏進行檢測與定位。設計了用于負壓波信號采集的下位機硬件系統和用于實現相關定位算法的上位機軟件系統。在實驗室進行了充氣管道泄漏實驗，結果表明本檢測系統具有方法簡便、檢測速度快和定位精度高等特點。對管道網絡的泄漏檢測與定位將是進一步要解決的問題。
參考文獻
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