我国电子科技集团第38研究所 张宏财现在输油管道走漏监测定位的首要办法可分为两大类，一类是检测输油管线的管壁情况，如管内勘探球等，另一类则依靠于监测输油管内流体的情况，如压力、流量的改动，常用的办法有压力梯度法、负压力波法、流量平衡法、相关法等。跟着核算机、通讯和外表技能的快速开展，监测输油管道内流体的情况变得越来越简略完结，逐步成为输油管道监测的干流办法。因为这些依靠监测输油管内流体的情况的办法各有其优缺点，所以现在输油管道的走漏监测往往是选用多种办法联合判别。近几年来，跟着高功能、低功耗处理器ARM的呈现，信号收集存储体系的功耗和体积不断削减，满意了便携式的要求，使得掌上仪器的开发成为可能。本文使用ARM核微处理器LPC2214研发的相关检漏仪，选用了负压波法和声波法判别相结合的办法，依据相关函数检测原理，它不仅能够用于石油检漏，也能够用于煤气、城市自来水、天然气等管道的走漏检测。
相关检漏原理
1 负压波检测
当走漏发生时，走漏处因流体物质丢失而引起部分流体密度减小，发生瞬时压力下降和速度差，当以走漏前的压力作为参阅规范时，走漏时发生的减压波就称为负压波。该波以必定速度自走漏点向两头传达，经过若干时刻后别离传到上下流。上下流压力传感器捕捉到特定的瞬态压力降的波形就能够进行走漏判别，依据上下流压力传感器接纳到此压力信号的时刻差和负压波的传达速度就能够定出走漏点。
负压波法检测走漏依靠走漏点发生忽然的压力降，一般大的管道走漏都具有这一特征，但是关于缓慢发生的走漏或现已发生的走漏，负压波法一般不能检测出，这是其局限性。
2 声波检测
当管道内液体走漏时，因为管道表里的压力差，使得走漏的流体在经过走漏点抵达管道外部时构成涡流，这个涡流就发生了振荡改动的声波。这个声波能够传达分散回来走漏点并在管道内树立声场。声波法是将走漏时发生的噪声作为信号源。声波沿管道向两头传达，经过设置好的传感器拾取该声波，经处理后承认走漏是否发生并进行定位。能够有用的战胜负压法的缺点。
为了精确获得走漏引发的压力波和声波传到达上下流传感器的时刻差，需求精确地捕捉到走漏压力波信号序列的对应特征点。因为现场的搅扰、输油泵的振荡等要素，收集到的压力波信号序列附加了许多噪声，怎么从噪声中精确地提取出信号的特征点是定位的要害。本仪器选用相关函数剖析法，相关函数检漏法便是使用传感器拾取漏点宣布的负压波或声波，对负压波或声波信号进行互相关剖析。没有走漏时，相关函数的值在零邻近；发生走漏后，相关函数的值将发生明显改动；别的，当管道走漏点的方位不一起，两个信号的延迟时刻就有差异，信号的相关函数的值就会改动。因而，依据信号的相关函数信息，就能够对管道的走漏情况进行检测并进行定位。
漏点定位算法
图1 相关函数检漏法的作业原理
检测时，将传感器别离置于管道部位显露的管道两头。把埋于几米深的地下管道的弱小走漏引起的负压波信号、声波信号转化成电信号。经过电缆送到与传感器阻抗相匹配的扩大器输入级，经前置扩大，经过带通滤波器进行预处理，经过界说高通(或低通)频率值来约束记载噪声信号的频率规模，然后按捺搅扰信号。信号经过电压扩大，经数据收集板进行采样和量化，然后由ARM微处理器进行处理，得出时刻差，从而核算出走漏点。
假定管道在Q点发生走漏，发生一个以Q点为走漏源的负压波和声波信号，该负压波、声波信号将以必定的波速V向管道两头传达，安装在管道A、B两头的传感器别离在和(t+)到这个信号(这儿假定走漏点间隔两个传感器的间隔La>Lb)，因为一起也有外部噪声的影响，设A、B两头的传感器测得的信号样本函数别离为A（t），B（t）因而它们能够表明为:
A(t)=f(t)+NA(t)
B(t)=f(t+τ)+NB(t)
其间，f(t)和f(t+τ)是A、B两处的源信号，NA(t)和NB(t)别离为A、B两处的背景噪声。对A(t)和B(t)进行相关运算，即:
了处理数据便利，一般以为走漏信号与噪声信号彼此独立不相关，噪声信号NA(t)和NB(t)彻底不相关，则:
当相关函数RAB(τ)到达峰值时，所对应的τ值正好与两个传感器检测到的信号的时刻差相一致。由数学知识可知，相关函数R’AB(τ)=τ+τ0处获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践长度L和负压波、声波在该管道的传达速度V，走漏点Q的方位就能够承认，即：
LA=(L+S×V)/2
或
LB=(L-S×V)/2
ARM检测仪的构成
本文所研发的检漏仪是根据ARM核嵌入式微处理器的新一代嵌入式体系。ARM微处理器功耗低、成本低、功能强；支撑ARM/THUMB双指令集；配有丰厚的规范软件开发工具和调试环境。并且ARM核也以其高功能、小体积、低功耗、紧凑代码密度和多供给源的超卓结合而闻名，是现在公认的最抢先的32位嵌入式RISC微处理器核。体系结构如图2所示。
图2 ARM嵌入式体系框图
体系规划剖析如下:
①数据收集由一片CPLD(杂乱可编程逻辑器材)来发生操控时序，操控逻辑首要包含:多路挑选地址C0～C2、采样坚持S/H、发动A/D、双端口写入答应WR、写入地址以及一帧数据满后的中止请求IRQ等信号，首要时序联系如图3所示。
图3 数据收集时序图
②选用Philips公司的LPC2214的微处理器，用它来对收集到的数据进行处理、显现操作。LPC2214是根据ARM7 TDMI核的RISC微处理器，ARM7TDMI为低功耗、高功能的16/32位核，最适合对价格及功耗灵敏的场合。LPC2214在ARM7TDMI核的基础上扩展了一系列通用外围器材：112个通用I/O口，4个串行口，2个32位定时器，9个外部中止，经过片内PLL可完结高达60MHz的操作频率。
③收集电路与ARMCPU用8KB双端口RAM和中止办法交流收集数据，RAM内可设两个缓冲区替换作业，双端口RAM可直接与ARM嵌入式体系的扩展总线衔接。
④规划中挑选TI公司的TLC5540高速模数转化芯片，其具有8位分辨率，内置采样和坚持电路，该芯片选用一种改善的半闪结构、CMOS工艺制作，因而大大削减了器材中比较器的数量，并且在高速转化的一起，能够坚持低功耗，转化速率可达40MB/s。
⑤因为要移植嵌入式操作体系，所以要扩展2M的Flash(SST39VF160)和8M的RAM（IS61LV25616AL），嵌入式操作体系、使用程序的代码和文件体系均存储在Flash中。
⑥选用一般I/O口来扩展外部键盘，构成4×4的矩阵键盘。别离对应“0，1，2，3，4，5，6，7，8，9”、“.”、左移、右移、前翻页、后翻页和承认键。完结对各测控模块组态信息的设置以及显现画面的切换。
⑦选用操控器为SED1335的单色STN图形液晶，其点阵为320×240，考虑到LCD操控器的作业电压为5V，而主CPU的作业电压为3.3V，因而选用74HCT164245对数据总线进行电平转化。
软件规划
1 操作体系挑选
支撑32位ARM CPU的嵌入式操作体系有许多，现在市场上几个闻名的商业嵌入式操作体系首要有Vxwork、QNX、Windows CE等。Linux则以其免费的、源代码揭露的特别魅力，在嵌入式体系中得到广泛的使用，嵌入式Linux具有以下特色：
①Linux敞开的源码，丰厚的软件资源。
②功能强大的内核，功能高效、安稳，多使命易于削减。
③完善的网络通讯、图形、文件办理机制。
④支撑许多的周边硬件设备。
⑤杰出的开发环境，不断开展的开发工具集。
⑥价格低廉有用下降产品成本。
μClinux是一套十分优异的嵌入式自由软件，是Linux 2.0/Linux 2.4版别的一个分支，它被规划用来使用微处理器范畴。因为μClinux操作体系是源代码揭露的，其硬件相关部分能够经过界说一些函数移植到不同的硬件渠道，具有Linux的宿主机开发环境，有GNU的穿插编译器的支撑，有操作体系的源代码，因而开发根据嵌入式体系的使用程序将十分便利。
2 软件功能规划
软件首要包含体系软件和使用软件两部分，如图4所示。
图4 体系软件结构及组成图
ARM Bootloader完结ARM的初始化、存储器的设置以及嵌入式 μcLinux的加载，最终操控权交给 μcLinux操作体系，尔后体系在μcLinux的办理下运转使用程序；使用程序包含中止处理、数值核算、键盘处理、走漏点方位及参数显现，显现软件完结320×240点阵LCD模块的驱动、汉字及图表曲线的显现等功能。因为μcLinux是多使命体系，上面几个处理使命能够规划成独立进程，程序规划变得简略。
结束语
该外表规划首要选用了ARM微处理器、μcLinux操作体系以及数值信号处理办法，在嵌入式体系中完结了高精度的信号收集和快速的数值剖析算法。该便携式走漏检测定位仪在实践使用中获得了杰出作用，能够用于煤气、城市自来水、天然气等管道的走漏检测定位。
管道检漏技能的作业原理，如图1所示。
