城市地下供水管道的定期检测与维护是供水公司一项系统性工程。目前, 管道漏点检测的主要方法是听音法。听音法是利用听音设备拾取泄漏时发出的水流声, 然后对泄漏信号进行放大, 通过耳机进行人工听漏。该方法主要依靠工作人员经验判断, 受环境影响较大, 存在无法克服的缺陷。

　　 目前科研工作者提出使用互相关分析法对输水管道进行探漏研究, 该方法主要通过数学方法对泄漏信号进行运算处理^[1], 直接计算出漏点的具体位置, 具有很强的实用性。本文主要分析了泄漏信号的信号特征, 为设计更加合理的定位算法奠定理论基础。

　　 相关研究表明, 管道泄漏信号属于非平稳的随机信号, 对于2个随机信号x (t) 和y (t) 的互相关函数R_xy (τ) 定义为:

　　 时移为τ的两信号x (t) 和y (t) 的互相关系数为:

　　 当随机信号x (t) 和y (t) 存在内在联系时, 互相关函数R_xy (τ) 将在τ时刻出现峰值^[2]。由此可见, R_xy (τ) 反映了x (t) 和y (t) 2个时间函数的相关性。因此, 采用互相关法对信号进行时延估计, 实现管道泄漏点定位。

　　 当供水管道发生泄漏时, 由于管道内外存在巨大压力差, 喷射出来的水流与管壁摩擦产生振动以及与周围土壤冲击产生声波, 称为泄漏信号^[3,4]。泄漏信号沿管道向两端传播, 被安放在管道两端的压电式加速度传感器采集, 经过无线通讯系统, 上传至上位机。

　　 如图1, 被测管道长度L_AB, A、B两端放置传感器, O点为泄漏点, 漏点距2个传感器的距离分别为L_OA、L_OB (设L_OA>L_OB) , 泄漏信号在管道上传播速度为V, 则漏水信号从O点传播到A点所用的时间为:

　　 漏水信号从O点传播到B点所用的时间为:

　　 漏水信号从O传到两端的时间差为:

　　 再结合式 (5) 、式 (6) 可得:

　　 已知被测管道长度L_AB, 泄漏信号的传播速度V。由式 (7) 、式 (8) 可知, 计算出泄漏信号从O到达A、B两端的时间差Δt就可以判断出漏水点的具体位置^[5]。因此漏点定位就是求时间差Δt, Δt可通过互相关分析法来求得。

　　 国家标准供水管道的直径在[100 1 000]mm之间^[6]。相关研究资料表明PE、PVC等塑料供水管道泄漏信号的频率成分主要集中在低频段, 铸铁管道泄漏信号的主要频率成分集中在高频段^[7~9]。本文选用频率响应范围较宽的IEPE型压电式加速度传感器, 本传感器内部集成运放电路, 降低后续电路引入的误差, 提高信号的信噪比。

　　 目前, 我国的供水管网主要由铸铁管道组成, 腐蚀和断裂是引起管道泄漏的主要原因, 本文主要对铸铁管道泄漏信号特征进行了分析。采集泄漏信号时, 将传感器安装于消防栓上, 通过调节消防栓开度的大小模拟泄漏信号, 为了更加准确反映泄漏量的大小对泄漏信号的影响, 传感器安装离漏点为20cm的管道上。

　　 图2分别是铸铁管道的背景噪声和不同开度下的功率谱。

　　 通过分析铸铁管道的背景噪声和不同开度下的功率谱, 可以得出:

　　 (1) 背景噪声的功率相对较低, 不是集中在某个频率范围内, 而是充满整个频带;

　　 (2) 从铸铁管道不同开度下的功率谱分析得出, 泄漏信号频率成分主要分布在1.7kHz的高频段;

　　 (3) 通过对不同开度下功率谱的比较, 泄漏量大小除了影响功率谱的幅度值外, 对泄漏信号频率成分分布影响较小。

　　 本文通过带通滤波器把测量信号分成不同的频带, 用相关法来计算出泄漏点位置, 与实际漏点位置进行比较, 从而确定泄漏信号所在主要频率区间, 为提高定位精度提供可靠的理论依据。

　　 直径D=100mm的铸铁管道漏点检测如图3。

　　 设传感器1采集的信号为x (t) , 传感器2采集的信号为y (t) , 则x (t) 和y (t) 的互相关函数R_xy (τ) 定义为:

　　 数据长度N要能够包含所有泄漏信息。计算出相关函数峰值对应的横坐标即为泄漏信号的时延时间。

　　 通过对上述铸铁管道的功率谱分析得出, 铸铁管道泄漏信号频率成分主要分布在高频段。因此, 通过设置不同的频段, 对信号进行相关处理。

　　 从以上3个相关图 (见图4) 可以看出, 信号经过不同的带通滤波器, 得出的延时值不同 (相关图中峰值对应的横坐标) 。

　　 表1分别列出经过不同带通滤波器以及检测距离的不同对定位精度的影响, 已知铸铁管道管径100mm, 信号在管道中传播速度v=1 220m/s。

　　 通过表1的数据处理结果, 可以看出:

　　 (1) 铸铁管道泄漏信号的主要频率成分集中在[1 400 2 000]H_Z之间, 定位误差较小, 与前面的结论相一致;

　　 (2) 当信号经过[1 000 2 000]H_Z和[1 0001 400]H_Z不同的带通滤波器时, 信号在[1 0001 400]H_Z频带内的误差明显大于在[1 000 2 000]H_Z频带内的误差, 说明在[1 000 1 400]H_Z频带内具有很大的噪声, 含有少量的泄漏信号;

　　 (3) 当检测距离OB增大时, 信号的定位误差也随之增大, 说明随着检测距离的增大, 信号可能被衰减或发生畸形。

　　 如图3, 传感器可能放置在弯头、接口、阀门等上面, 表2给出当信号经过阀门或接口时的定位误差, 信号分别经过[1 400 2 000]H_Z带通滤波器处理后进行相关分析。

　　 从表2可以看出:当泄漏信号经过阀门或接口时, 由于阀门或接口上存在橡胶垫或石棉等密封材料, 对泄漏信号的主要频率成分产生衰减, 引起定位精度的降低。因此, 在进行管道探漏时, 建议传感器直接安装于管道的正上方。

　　 根据以上管道漏点定位研究, 得出如下结论: (1) 泄漏量除了影响功率谱的幅度值外, 对泄漏信号频率分布影响较小; (2) 对信号滤波处理时应根据所检测的管道类型设置合理的频带范围; (3) 在检测过程中, 检测距离应控制在合理的范围内, 不宜过长; (4) 安传感器时应避开阀门或接口, 直接安装于管道的正上方。