输油管道泄漏检测仪设计毕业设计

XX 大 学 毕业设计（论文）
题 目 输油管道泄漏检测仪设计 学 院 计算机与控制工程学院 专业班级 电气 学生姓名 指导教师 成 绩 2013年X月X日 摘 要 管道运输已经成为我国输油事业的主要运输方式，主要是因为这种运输方式廉价的原因。但是，由于人为或者管道自身材料而被腐蚀的原因，管道泄漏时有发生。目前，检测输油管道的方法多钟多样，而负压波泄漏检测和定位方法无需建立管道模型，只需对输油管道压力信号进行检测，因而得到了较为广泛的应用。但是由于往往有大量的噪声附带在采集的信号中以及被测管道和现场环境情况复杂，因而严重影响了结果的正确性。

为此，我们设计了这一套系统，该系统将流量平衡法、音波测漏法和负压波法结合起来，适用于原油集输管线及原油长输管线的泄漏检测。这种方法可以实现对输油管道压力、流量、温度等数据的检测。本设计首先分析了负压波的产生以及传播，然后分析了负压波的计算以及温度等因数对负压波波速的影响。本设计主要研究了通过采集管道泄漏的信息实现泄漏点定位以及管道数据采集的硬件方面的研究。

关键词：定位；
泄漏检测；
负压波法；
输油管道 Abstract Pipeline transportation of oil for it’s cheap and convenient has been the main form of oil transport in China. However，because corrosion, as well as vandalism and other factors, the pipeline leakages occurred frequently．At present，there are so many means of localization of leakage．The negative pressure wave method of leak detection and location can work with out establishing a pipeline model，so it has been more widely used．However，the scene environment is complex，and signal acquisition is often attached to a large number of noises．The accuracy of the results is seriously affected by them． Thus.It is devised a system which combines with Flow balance method sonic leak detection method and negative pressure wave method and is available for the Crude oil gathering pipeline and long distance crude oil pipeline leak detection.it also makes the detection of Crude Oil Pipeline of running parameters of temperature, flow, pressure, sound waves come into reality. Thesis analyzes the laws of negative pressure wave propagation，methods of calculating wave velocity and the impacts of temperature on velocity．This design is mainly studied how to extract the pipeline leakage signal，and achieve to put forward the signal in drawing the systematic software and hardware. Key words: Locate; Pipeline; Negative pressure wave; Leak detection 目 录 摘要 I ABSTRACT II 第1章 绪论 1 1.1 选题的意义及实际应用方面的价值 1 1.2 本课题在国内外的研究现状 1 1.3 课题研究的内容及拟采取的方法 1 第2章 输油管道泄漏检测方法 3 2.1 负压波的产生与特点 3 2.2 输油管道模型 4 2.3 负压波泄漏检测定位原理 6 第3章 管道泄漏检测系统硬件设计 11 3.1 系统硬件总体设计 11 3.2 系统硬件各功能模块构建 11 3.2.1 主控单元 11 3.2.2 信号采集模块 13 3.2.3 无限通信GPRS模块 15 3.2.4 电源模块 16 第4章 管道泄漏检测系统软件设计 17 4.1 系统软件总体介绍 17 4.2 系统软件各功能模块设计 17 4.2.1 数据读取及处理中A/D转换的软件设计 17 4.2.2 实时时钟的软件设计 18 第5章 噪声对音波信号的影响及解决方法 19 5.1 噪声信号对音波信号的影响 19 5.2 小波变换理论 19 5.3 基于小波变换的滤波方法 20 5.3.1 小波变换消噪理论 20 5.3.2 基于小波变换的滤波方法 21 结论 24 参考文献 25 附录 26 致谢 27 第1章 绪 论 1.1 选题的意义及实际应用方面的价值 输油管道检测对于保障输油管道正常运行具有十分重要的意义。输油管道停输的主要原因就是管道泄漏。在当今社会，由于罪犯打孔盗油和管道腐蚀穿孔的原因，输油管道泄漏事故经常发生，输油事业因此受到了巨大的损失，社会环境也因此受到污染。因此，设计一套对石油管道进行实时监测的系统十分必要。不仅可以挽回国家财产损失还可以及时发现并采取有效措施最大限度的保护生态环境不受污染。

本设计在分析现有管道测量方法的基础上不破坏管道的完整性，不增加系统复杂性的前提下，通过非接触式对系统的多个临时部位的压力检测，设计出一套输油管道泄漏检测仪。用这种仪器可实现管道压力的无损检测，具有不破坏管道内流体流场、无压力损失、测量能力强等优点，具有十分重要的应用价值和广阔的应用前景。

1.2 本课题在国内外的研究现状 本设计研究的内容已经普片应用在国外。美国等发达国家立法要求管道运输必须有相关的泄漏监测系统进行监测。输油管道检漏方法主要有：硬件方法和软件方法。硬件方法主要包括气体、直观、压力和声学传感器。携带气体采样器沿着管道进行检测是气体采样的方法。使用温度传感器对泄漏处的温度进行采样，分析温度的变化是直观检测的方法，将多传感器电缆沿着管道进行铺设就是采用了直观传感器进行检测的一种方法。当泄漏发生时，会有液体从管道流出，这时会有声音发出，液体的物理性质决定了声波在管道中的传播速度。检测这种波的波速就是利用了声波传感器。由SCADA系统提供的温度，流量等数据，然后在通过其变化以及压力点的分析和动力模型的方法进行检测便是软件方法。管道运输的安全在国外已得到了重视，而且，泄漏技术已经相对成熟。应用范围也比较广[1]。

目前，我国油田大多是长距离输油管道。而且，大多没有安装泄漏自动检测系统，主要的检测方式是人工沿管道巡视，人工读取管道中的数据。在这种情况下，管道的运行安全得不到保障。从九几年开始我国长距离的输油管道检测系统的研究已经有一定的发展，在最近几年有了突破性的进展。

1.3 课题研究的内容及拟采取的方法 本设计主要采用的是负压波法。当长输管道发生泄漏时，管道的泄漏会导致管道内外的压差，使得泄漏处的压力突降，由于压差的存在，泄漏处周围的液体会向泄漏处补充，负压波因此产生。这个波动会从泄漏点向上、下游传播，并以指数律衰减，逐渐归于平静，这种压降波动是几乎垂直的前缘，与一般的波动不太一样。这种瞬变的压力信息通过管道两端的压力传感器进行接收，从而判断泄漏的发生。测量泄漏点产生的负压波到达上、下游的时间差以及此波动的传播速度可以有效的计算出泄漏点的位置，在下一章中将具体的进行研究。较快的响应速度和较高的定位精度便是选择研究负压波的原因。本课题着重进行了以下几方面的研究工作：
1．提出了输油管道非接触式压力测量的思想，并合理的采用了利用负压波法测量管道泄漏的方法。

2．使用负压波泄漏检测与定位方法，研究通过负压波定位泄漏点，以及影响负压波传播的原因。

3．研究压力变送器，温度变送器，流量传感器等设备对信号的采集，传送。

4．根据系统功能要求，设计了输油管道泄漏检测的硬件系统，包括传感器、主控单元和GPRS等。

第2章 输油管道泄漏检测方法 2.1 负压波的产生与特点 输油管道因为多方面的原因引发泄漏，立刻会有流体从泄漏部分流出，这种反应会将渗漏地方的压强大小，从而油密立即引起改变。输油管道里的原油因为不间断性不可能马上变化速度大小，因为原油在渗漏处与邻近的周围方位的压强不同引起原油自上游地区把渗漏区域补充上，因此又该导致和渗漏地方毗邻的地方的油密和压强的下降。该问题导致渗漏地方发生大面积蔓延，该现象在水利工程学上别叫做负压波，该波的传递速率别定义为在输油管道中的传递速率。

管道的泄漏指标，在外因的影响下，运行速度快，运行时间长，运行距离远。但是在传感器的感知下，还是可以被捕捉发现的。通过传感器的感知只可知道可以测出指标的速率和位置。但指标的速率在不同的环境下运行是不同的。在一些油中传播的速率可达1100-1300m/s。由于传播速率超强，因此在管道漏油时可以迅速被发现，并迅速得到处理。保障了人身和财产损失[2]。鉴别漏油指标的大小范围，就显得尤为重要。如果对漏油指标处理得好，也会获得很好的经济利益，在发生漏油事故时要正确恰当处理。并且还应该提高检测技术，减少漏油事故的发生[4]。针对泄漏时压力传播现象的某些特征，可以采取适当的处理方法。如果知道输油管线的一些具体物理参数，就可以通过这些物理参数再加上压力的速度和波形就能找出哪里出现漏油。由于漏油时管道压力和压强的变化剧烈，与普通认为无操作引起的压力和压强相差甚大，所以认为操作失误还是管道本身泄露是能被鉴别出来的。

当输油管线在距首端x处发生泄漏时，由于压力差的原因，该点的压力会降低从而产生压力波动，这个压力降Δp以负压波的形式向管道两端传播，Δp向首端的传播速度为v-u，向末端的传播速度为v+u。

管道泄漏产生的压力波水击压力波u类似，压力值也会随着液体流速的瞬时变化而变化，流速和压力降的关系见式(2-1)：
Δp= (2-1) 式中：
——由于液体流速瞬时变化引起的压力变化 v——负压波在该管路中的传播速度(m/s) r——液体的重度（kgf/m3）;g—重力加速度(m/s2) u——突然改变后的液体流速(m/s) u——正常输油时液体的流速(m/s) 2.2 输油管道模型 在输送高凝点、高黏度和高含蜡原油时，一般都需要加热输送；
而当管道输送成品油和低凝点、低黏度原油时，则一般采用常温输送的方式进行。管道输送的总流程可以大致分为油田内部或油田之间相互输送、各个储油、加工油工厂之间相互输送、加油站各个用油厂之间的相互输送、各个学校、工厂政府、企业之间的相互输送，输送管道四通八达，为成品油输送渠道提供便利。通常是加油站之间或者各个加油站之间进行油的调度运输。加油站的输送设备对输油的速度有很大影响。输油管道的开头是第一站，在第一站输油管道需要经历一系列程序才能进入下一站，在这一站中对输油设备进行一些预处理，该加热就加热，该输送就输送，把初级品质的油送到下一站。除去管道的开头和结尾就是第二站，第二站是第一站的深加工，将第一站运来的油进行加压、加温处理，这一站对输油的设备有很高要求，需要经常对设备进行检查维护避免发生事故影响油的运输，也可以避免造成人身和财产损失。最后一站是第三站，在管道的结尾处或者说是管道的末梢处。第三站是输油管道最重要的一站，如果在这个环节出现事故，后果不堪设想。这一站也是油、管道、运输的节点。在这一站中，如果有要求有的各个品质，就需要对油进行各种预处理包括对油进行加温、加压后再根据要求，往各有需求的地方运送。输油管道模型图如图1-1所示。对于用油最多的地方，比如加油站，在加油站用管道的第一站响应对应仿效加油站的输入口。在加油站有管道的第三站也就是末梢位置的那一环节作为加油站输出油的输出口。管道的第二站也就相应的和加油站的中间环节相对应。不同加油站，由于各个影响因素不同所以运来的油的气温，气压也不一样，根据实际情况各个加油站可以进行微调。在选择在哪里建造管道，也就是运油管道选址时，不用地方不同地形，不同资源都会对管道选址有影响。因此管道位置选址是要具体问题具体分析。如果管道选址选的好，不仅有利于油的输送，也有利于油的生产配送安全。因此在管道生产、加工、输送还有管道安全维护方面选址的好坏至关重要[5][6]。

图1-1输油管道系统流程图 输油管道中油体的流动可以当做为一元流体流动，而流体的流动也要满足能量守恒、质量守恒和动量守恒等基本规律。因此，液体在输油管道中流动的模型可以根据流体力学来建立，其中包括动量方程、连续性方程和能量方程，流体中的温度、压力流量等量之间的关系可以通过方程来表述出来，这些方程如下述公式(2-2)，(2-3)，(2-4)所示：
(2-2) (2-3) (2-4) 式中 ρ——介质密度，单位kg/m ——管道与水平面问的倾角 p——管内压力，单位pa C——油品比热容，单位J/(kg·K) T——油品温度，单位K g——重力加速度，单位m/s D——管道内径，单位m t——时间变量，单位s K——热油管道的总热传递系数，单位W/(mk) V——介质流速，单位m/s T——地温，单位K x——管道位置变量，单位m ——管道水力摩阻系数 2.3 负压波泄漏检测定位原理 负压波定位原理示意图2-2如下，设发生泄漏时刻为t(s)，t(s)，即负压波传播到管道上、下游传感器时，传感器捕捉到负压波到达时的时间；
设管道上下游之间的距离为L(m)；
泄漏点到管道上游的距离X(m)；
负压波传播速度为v(m/s)。

图2-2管线泄漏示意图 可以看出：
t+t= (2-5) t-t=Δt (2-6) X=tv。

(2-7) 整理后得到传统定位公式：
X= (2-8) 由上式可以看出，利用负压波法定位主要是获取负压波传播到上下游的时间t以及负压波的波速v。由于输油管道内液体的流速对负压波的波速有一定的影响，修正上面的公式，将管道液体流速u引入公式。有以下方程：
(2-9) 将上式代入式(2-8)，得到了修正之后的负压波定位公式：
X= (2-10) 通过对负压波定位公式(2-10)的分析和对管道的分析可知，负压波法检测定位的关键在于以下几点：
(1)负压波在管道中转播的速度的确定。

(2)负压波产生后会沿着管道向管道上下游传播，确定负压波传播到管道上下游的时间差是负压波检测的关键。

(3)输油管道进行越站、调阀、调泵、反输等操作时，也会有负压波产生，这种负压波会对管道泄漏引起的负压波产生影响。如何消除这种负压波的影响也是负压波检测的关键。

在一般的负压波检测定位的方法中，负压波在输油管道中传播的速度v一般被定为常值。但是，实际上，负压波的传播速度并不是常数，而是由以下式子所决定：
v(x)= (2-11) 公式(2-11)中 v——管内负压力波的传播速度，单位m/s E——管材的弹性模量，单位pa K——液体的体积弹性系数，单位pa e——管壁厚度，单位m ——液体的密度，单位kg/m C——与管道约束条件有关的修正系数 D——管道直径，单位m 实际中，上式(2-11)中的液体密度以及弹性系数K等参数还受到油体温度的影响。因此，加入温度这个参数，波速的公式可以表示为形式。如式：
v(x)= (2-12) 上述公式(2-12)表明液体的密度、液体的弹性系数以及管材的弹性变形影响着负压波在管道中的传播速度。即负压波的传播速度与液体的类型和管道的性质有关，而管道壁的材料变形特性以及管道壁的弹性决定了管道的性质。而管道管道的约束条件、管道的一个无因次比值以及管道横截面形状决定了管道壁的材料变形特性。对于圆形管道而言，无因次比值为管道的直径与管道壁的厚度之比(D/e)。而管道的体积弹性系数又随着流体的压力、温度、品种的不同而不同。一下是对上述提到的各个参数进行研究：
1． 液体的体积弹.性系数K 液体随着外界压力的变化，液体的体积也发生变化即为液体的体积弹性系数。在下表2-l为几种液体的体积弹性系数随着温度的变化而变化的数据。由下表可以看出烃类液体的体积弹性系数随着温度的变化而变化。温度越高，其体积弹性系数越小，温度越低，其体积弹性系数越大。而原油的主要成分就是烃类液体。

以下是压缩系数的计算公式，压缩系数的倒数等于液体的体积弹性系数K的值：
1n(F×10)=0．51992+0.0023662T+846596/+2366.7T/ (2-13) 公式(2-13)中：
T——温度，单位℃ ——标准密度，=，单位kg/m F——压缩系数，单位pa 表2-1 几种液体的体积弹性系数 液体名称 体积弹性系数105 20℃ 30℃ 40℃ 50℃ 90℃ 水 23500 — 22100 — 21800 24400 — 22300 — 22350 丙烷 1750(1800) 1370(1400) 1050(1060) 750(730) — 丁烷 3560(3650) 3020(3080) 2510(2560) 2130(2170) — 汽油 9060(9530) — — 7600(7750) — 煤油 13650 — 12020 — — 13950 — 12050 — — 润滑油 15650 — — 13070 — 15930 — — 14050 — 2．原油密度 原油密度与压力和温度有关，但是由于原油是液体，压力对其影响不是很大，温度对其影响却刚好相反。其密度随温度变化的公式如下：
（T）=-(T-20) (2-14) 式中：
(T) ——T是原油密度，单位kg/m ——原油的体积膨胀系数(=1.825-0．001315)，单位kg/(m℃) ——20℃时原油的密度，单位kg/m 由式(2-14)可见，原油温度越低，原油密度越大；
原油温度越高，原油密度越小。

按照wylie的观点，管道的约束条件可以分为以下三类：
(1)管道只固定在管道的上游；

(2)直接将管道固定住，使管道不能移动；

(3)全部采用膨胀接头连接管道；

对应地修正系数C，可取为下列值：
(1)C=1- (2) C=1- (3) C=1 (为管材的泊松系数) 对于厚壁弹性管来说按照wylie的观点，当厚壁管情况时，即D/e>25。管壁内、外侧应力明显不同的管道即是厚壁管，由于管壁应力分布不均的原因，管道的变形特性也随之改变，波速方程也因此而变得复杂。分析研究表明，基本波速方程可以对管道壁进行使用，但是需要对系数C进行修正。

以下公式分别对应上面的三种情况：
(1) C=+ (2-15) (2) C=+ (2-16) (3) C=+ (2-17) 地下输油管道.属于式(2-16)所示情况，这里取0．30。

表2-2 常用材料弹性模量和泊松系数 名称 弹性模量E 泊松系数 钢 206.8 ≈0.30 球墨铸铁 165.4 ≈0.27 铜 110.2 ≈0.36 铝 72.5 ≈0.34 石棉水泥 ≈23.2 ≈0.30 混凝土 30~106 0.08~0.18 橡胶 ≈0.07 ≈0.45 考虑到温度对波速的影响，泄漏点x处的负压波传播到管道首末端的时间分别如下所示：
t=，t= (2-18) 由于负压波在管道中的传播速度与管道距离变化的函数表达式v(x)比较复杂，因此，很难得到负压波波速的解。而差值是可检测到的值，为了确定泄漏点的位置x，可采用细分的搜索方法。考虑到v(x)是连续变化的；
如果速度v为常数，对于测得的时间差t，将负压波到达管道上游的速度代入定位公式可以得到一个泄漏点x，将负压波下游的速度代入得到泄漏点位置可以得到x，那么负压波的泄漏地点必然在x 与x之间。利用细分搜索算法计算出，然后计算出y=|-|(为实测到的时间差)，逐次计算的值，负压波泄漏点x即为最小的值所对应的点所指出的位置。

第3章 管道泄漏检测系统硬件设计 3.1 系统硬件总体设计 管道泄漏检测系统是将采集的数据通过主控单元，再通过GPRS传送到工控机中进行分析处理，从而实现对泄漏点的定位。本设计主要研究的是数据的采集以及传送阶段。通过GPRS将管道两侧信号传入上位机的时间t，t，我们可以确定差值。由于负压波的传播速度与液体内型和管道性质有关，因此通过对管壁材料的弹性系数和变形特征、液体的弹性系数、原油密度以及温度的分析能够确定某一时刻负压波的传播速度，这一点在上一章中已做了详细的介绍。

系统硬件电路部分主要包括主控单元、信号采集模块、电源模块和无线通信GPRS模块。信号采集模块又包括压力采集模块，流量采集模块和温度采集模块。系统的总体框图如图3-1所示：
图3-1 系统硬件总体框图 3.2 系统硬件各功能模块构建 3.2.1 主控单元 主控单元采用51系列单片机AT89C51。AT89C51单片机内ROM是FLASH存储器，以获得广泛的应用80C51兼容，采用静态逻辑设计，操作频率范围宽，具有两个软件选择的节能模式。

AT89C51单片机具有极为很高的使用属性。可闪存，可更改内容，而且使用的是36V以内的电压，使用时安全系数很高。而且功能强大，实用性很好，被广为使用。还有一种单片机是89C2051性能也很好，但是比AT89C51性能要弱，实用性也较差。单片机的优点是体积小，价格低廉，易储存，制造技术简单，而且与别程序或原件容错率也很好。可以说AT89C51在一定程度上加快了微型计算机的进程。

1、主要性能指标：
(1)它和MCS-51单片机相容 (2)4KB的可控制逻辑闪存 (3)使用限度：一千写每擦来转换 (4)信息存根时限：十年 (5)完全静止状态工作周期：0~24Hz (6)四级系统闪存锁紧 (7)有128*8位的内部随机存储器 (8)32可控制输入/输出总线 (9)有2个十六位的内部中断计时器 (10)5个内部中断电源源 (11)可控制串行通讯 (12)小功率的摆置与去电方式 AT89C51的最小系统如图3-2：
图 3-2 AT89C51的最小系统图 3.2.2 信号采集模块 1.传感器的选用原则 传感器的作用是将声音，温度等非电物理信号转换为电信号的装置。它主要通过各种物理、化学和生物效应来实现它的作用，并且有相关的定律来约束它。传感器的选择有以下几点原则[9]：
(1)传感器具有足够的容量，这样使得传感器的工作范围变宽，并且当传感器过载时不会被损坏。

(2)传感器要与需要检测、控制的系统良好的匹配，转换的速度快，输出的信号要与输入的信号相对应。

(3)传感器要在保证其稳定性的前提下保证其精度，使其能正常的工作，静态响应与动态响应的准确度能满足要求。

(4)传感器要有较快的反应速度，使其在工作时不会出偏差。

(5)在使用技巧，经济成本等方面全面分析传感器的性价比，看看是否合适。

2.压力信号采集模块 压力传感器采用DJ20B型压力传感器。DJ20B型压力传感器采用进口不锈钢隔离膜片的高精度、高稳定性的芯片组装，产品经过精密的结构设计对不锈钢壳体的全密封焊接工艺制造，输出信号为0~5VCD。适用于气体、液体、蒸汽压力的测量及具有腐蚀性介质的压力测量。

此模块中压力信号来源于压力传感器。其输入信号为4~20mA电流。传感器输入的信号为电流信号，在对此信号进行采集时，需要将此信号转化为电压信号。然后采用外部AD转换器件对转换的电压信号进行采集。电路系统分两部分组成：信号处理电路及电压信号采集电路。电路图如图3-3所示：
图3-3 压力采集模块电路图 其中，在电路的缓冲部分，为了减少“自动”启动误触发的可能性，提高系统的输入阻抗，减少对被测信号的衰减影响等诸方面考虑，采用电压跟随器。

而在电压信号AD电路中采用AD7684芯片。AD7684是一个16位差分输入的AD转换器件。当为低电平时AD7684将采用差压的方式在两输入端进行采样。此时，当DK不断的得到脉冲信号时，Vo将不断的输出数据。而且此芯片所需的电源范围为2.7V到5.5V。主控单元通过PF1控制对AD7684进行选择；
通过PF3向AD7684提供串行数据发送脉冲；
通过PF2读取AD7684的串行数据。

3.流量信号采集模块 在此模块中，流量传感器采用CMZ1-GF100-80。该传感器有以下特点：
(1)没有可动部件，构造简单而牢固，长期运行可靠，使用寿命长。

(2)压力损失较小，测量范围宽、测量精度较高。

(3)适用范围广，可用于液体、气体、蒸汽的流量测量，气液通用。

(4)输出脉冲信号，便于同计算机等数字系统配套使用。

(5)结构简单牢固、维护方便、安装费用较低。

流量信号为脉冲信号。对流量信号进行采集时，首先对此信号进行处理，使其转化为规则的脉冲信号，以防止发生电平抖动，影响采集结果。随后将经处理后的脉冲信号接入单片机中。此模块的电路图如图3-4所示：
图3-4 流量信号采集模块电路图 4．温度信号采集模块 在此模块中，温度传感器采用YY-W200一体化温度变送器，该传感器具有集温度检测与信号处于一体，标准接插件出线，体积小巧，线性化输出1~5V标准信号。此传感器在电力、橡胶、石油、化工、医药、食品、纺织、建材、冶金等自动化检测与控制领域有广泛的应用。该传感器具有以下特点：
(1)抗干扰能力强 (2)结构简单，安装方便 (3)小型化，使用寿命长 温度信号为4~20mA的电流信号。对温度信号采集时，首先将传感器的电流信号转化为电压信号，然后通过外部AD转换器件对转化的电压信号进行采集。此模块的电路图如图3-5所示：
图3-5 温度信号采集模块电路图 3.2.3 无限通信GPRS模块 GPRS是分组交换技术，具有“高速”和“永久在线”的优点。GPRS允许用户端在端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无限分组数据业务。随着无限数据传输技术的迅速发展，GPRS已经成为实现无限数据业务的最佳承载方式。本课题GPRS模块采用西门子的MC52i芯片。

1.GPRS模块芯片MC52i 本课题选用的GPRS模块是西门子的MC52i。

GPRS模块MC52i的特性：
(1)体积小、重量轻、低功耗 (2)支持数据、语音、短消息和传真 (3)SIM应用数据包 (4)音频：最高速率，升级最高速率和半速率 (5)带TCP/IP协议栈 (6)便于集成 (7)支持电压范围：3.3至4.8V (8)环境温度：-20℃~+55℃ (9)数据特征：CSD最大达到14.4kbps、USSD、不透明模式 2. GPRS模块电路图 GPRS模块和单片机之间的数据通信主要是通过端口TXD0与TXD之间。RXD0与RXD之间的数据传输完成。其中GPRS模块上的TXD0口是用于接收从单片机上传来的数据，而单片机上的TXD端口是用于向GPRS模块传送数据的。GPRS上的RXD0口是用来向单片机发送数据的，单片机上的RXD口用来接收从GPRS模块传来的数据。GPRS模块电路图如图3-6：
图3-6 GPRS模块连接图 3.2.4 电源模块 此模块向系统提供5V的电压，采用LM2593HVS来实现这一功能。LM2593HVS的输入电压为+12V。此模块的电路图如图3-7所示：
图3-7 电源模块电路图 第4章 管道泄漏检测系统软件设计 4.1 系统软件总体介绍 在进行系统总体设计时，软件设计和硬件设计应该结合在一起考虑。当硬件部分明确后，软件部分以硬件部分为基础，软件部分的具体内容也就随着产生。

系统的软件通常可以分为内部系统软件和外部系统软件两大类。其中外部系统软件可以对文件进行模拟、复印、输出。而内部系统软件的作用就是用来对文件进行检索、复制、协调各种程序之间的联系，也可以对文件进行检查，预处理文件等作用。

本设计的数据采集系统的软件包括：系统初始化、信号读取及处理、实时时钟及数据发送。系统的总体框图如图4-1所示：
图4-1 系统软件总体框图 4.2 系统软件各功能模块设计 4.2.1 数据读取及处理中A/D转换的软件设计 A/D转换的软件流程图，如图4-2所示：
4-2 A/D转换软件流程图 4.2.2 实时时钟的软件设计 实时时钟的的软件流程图，如图4-3所示：
图4-3 实时时钟软件流程图 第5章 噪声对音波信号的影响及解决方法 5.1 噪声信号对音波信号的影响 当输油管道发生泄漏时，我们可以在输油管道的首尾端采集到与泄漏有关的音波信号。准确的定位泄漏点的关键在于负压波波速的确定以及准确提取负压波到达管道两端接收器的时间差。而准确确定音波传播到管道两端的时间差的关键是能够及时捕捉到负压波的到达时刻。但是，由于在管道处于运行的过程中有着许多的问题，其中包括大量的干扰信号，在采集着音波信号的同时还会采集到大量的噪声信号。在本次设计中，我将会使用小波滤波技术来解决噪声信号干扰的问题 [10]，通过这种技术，可以将正确的音波信号从采集到的混有噪声信号的信号中采集出来。

5.2 小波变换理论 小波分析是一种数学工具，它是对时间和频率局网域变换的关系的确定和处理方法。与Fourier变换、视窗傅立叶变换比较而言，小波变换分析在信号处理上具有明显的优越性。在时域，频域对信号进行多层分解和多尺度分析使用小波分析是再合适不过的了。

设f(t)是平方可积的函数，(t)是被称为基本小波或母小波的函数。连续小波变换(CWT)的定义为：
CWT（a,b）=()dt a≠0 (5-1) (t)=是基本小波的位移和尺度伸缩；
在公式(5-1)中t和a还有b都是连续性变量，因此又称为连续小波变换。

如果要对信号重构，则必须满足允许条件 C= (5-2) 在满足允许条件时反变换存在 s(t)= (5-3) 小波函数的时域分辩率为at，频域分辩率为，其乘积与a无关，这说明也遵循不确定原理。但是，其特点是品质因数为常数Q=，即虽然不能同时获得高的时域或频域分辨率，但分辨率是随尺度a变化的，即能够实现高频的频率分辨率低，低频的频率分辨率高，这是做信号处理所希望的。仔细点说，时间轴上的考查范围是随着a值的变化而变化的。当a值增大时，观察范围也扩大，这样在频域上我们就是用低频率小波做大致观察，也就是低分辨率观察频域波形，而当a值减小时，观察范围就随之减小，这时我们在频域上以高分辨率观察频域波形，使获得的波形更加细致清晰 [11]。

5.3 基于小波变换的滤波方法 5.3.1 小波变换消噪理论 低通滤波的算法有很多种有对RC的差分方程，还有加权平均滤波法，常用的就是卷积法，公式如下：
X(n)h(n)= (5-4) x(n) 为数字信号，其中h(n)为数字低通滤波器，n为正整数。低通滤波对于信号中高于截止频率的信号进行去除，将低于截止频率的信号进行保留。例如，设定的信号频率最高为1000Hz，在信号通过低通滤波以后，高于500 Hz的信号将被去除，而低于500 Hz的信号将进行保留，用于数据处理和测量。总的来说，低通滤波就是将信号分成两部分，高的去除，低的保留。根据奈奎斯特准则，最高频率为1000Hz的信号在低通滤波后信号的最高频率降低为500Hz，而不是1000Hz。这样，信号经过简单的低通滤波后将违反奈奎斯特准则[16]。信号的尺度因子会因此而加倍。采样频率将会随之降低，这种情况下，需要通过在信号中增加新的采样点，否则采样频率将不符合标准，为了提高采样频率，我们在信号中添加的采样点为0或者是一个中间值，虽然此时高频信号会通过低通滤波后被消掉，但是仍然能保持可恢复的低频采样。此时，对频域的时间轴的观察范围与信号的信息总能量将会联系在一起，所以，信号的滤波操作受到尺度因子的影响。综上所述，信号中的高频信号虽然通过简单的低通滤波后在对得到的采样信号的影响去除了，但是信号中所包含的信息量也只剩下一半，因此，信号的分辨率也降低了，只有原来分辨率的一半。在这种情况下，在子采样后将尺度因子加倍，仍旧可以使小波变换可逆，所以对该信号的低通滤波将由等式(5-5)完成[12][13]。

y(n)= (5-5) 此处的小波变换消噪是基于多尺度小波变换的分解和重构。L(R)多尺度分析空间序列{V}∈z, 当m充分大时V∈L（R），这时对任意f∈L，有f≈f, f为f在V上的投影。h(2x-n)中，是{V}生成元，是的标准正交基。其中：
（x）= (5-6) V=VW (5-7) 取：m=0,f=f,则有：
V= (5-8) f= (5-9) 对f V,存在{C}I，则有：
f= (5-10) C=<f,> (5-11) 由式（5-9）有：
f=f+g (5-12) f=f+g (5-13) … f=f+g (5-14) 且f=,g=。可推导出多尺一维小波分解公式: C= d= (5-15) k=1,2,…N 即：
… (5-16) C,C,…，C表示信号f分解后的低频部分，,,…，表示高频部分。可用,,…，及C重构C，从而得到f=f。

5.3.2 基于小波变换的滤波方法 通过对小波变换的理论分析后，我们可以得到下面的方法进行滤波，小波变换可以进行带通滤波，我们将信号分为不同的频带，也就是将信号的大小范围划分成三个或更多的范围，而不像低通滤波那样仅仅将信号分成两个不同的大小范围，通过设定不同的尺度参数来确定小波空间的大小或滤波频带的带宽，各小波空间的大小经正交小波变换后无交集存在，因此，当采集的音波信号中含有噪声时，信号中的有用的音波成分和噪声在频域上会呈现分离特性，采集到整体信号通过小波变换后将信号分到不同的频带，这样处理信号以后，有用的音波信号和噪声信号将被分离，将带有噪声的频带信号置零。通过重构算法重构除噪后的信号，小波变换在频率分辨率要求较高的情况下，将采集到的频率信号分成多个部分，然后逐个分离，从而更好的取的了滤波的效果 [14]。小波变换程序流程图如图5-1所示：
图5-1 小波变换仿真流程图 在实际应用中，噪声的频带范围很宽，发生时间也是随机性的，这样我们采用传统的方法是很难将其和有用的信号分离开来的。例如，在本设计中，噪声的信号受外界环境的影响随时都可能混杂在有用的音波信号中，而且所采集的音波信号频带范围较窄。这种情况下我们可以通过信号的小波包分解，就是将噪声部分的频带删除，保留所需的频带信号，我们通过更细致地将频带划分，这样去除的噪声中含有的音波信号更少，从而使保留下来的频带信号中噪声的成分也更少。在分解去除以后，还要对信号使用重构算法进行重构，通过重构将信号的信息量恢复成和最初的信号波的信息量一致，采样频率也和原来一致，这样信号的完整性和滤波效果都比较好。

在信号分析处理的过程中可能会出现问题。由于在设备发生问题的前期，发生故障的主要信息可能会被噪声或者其他信号淹没，工作因此会变得非常困难。而传统的方法很难提取这种比较弱的信号，但是小波分析采用分频的方法对这种信号处理有非常好的效果。

结 论 本设计通过对管道泄漏检测系统的研究，设计了一套管道泄漏检测系统。取得了如下的主要研究成果：
(1)本设计提出了利用负压波法检测管道泄漏的方法，同时研究了温度、管道材料、流体密度等对波速的影响。

(2)设计了压力，温度，流量传感器对管道系统进行检测；
同时也设计出了软件部分，组成了设计的主要部分。

(3)在对硬件电路进行设计时，要考虑的TTL或CMOS的逻辑电平。在对流量信号的处理电路中，所产生的规则脉冲信号的高低电压为符合TTL或CMOS的逻辑电平标准。

(4)设计考虑小波的多分辨率特性对音波信号进行滤波。

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最后，衷心地感谢在百忙之中评阅设计和参加答辩的各位专家、教授！