CN219367442U - 地下供水管道泄漏检测*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了地下供水管道泄漏检测***，地下供水管道泄漏检测***包括数据采集部分、数据传输部分、数据处理部分和电源，其中，数据采集部分主要完成管道内压力与流量、管道振动以及土壤湿度等数据的采集；数据传输部分主要完成采集数据的传输；数据处理部分主要对接收到的数据进行处理、分析和三维显示。本实用新型基于管道内压力和振动、液体流量以及土壤湿度四个关键参数，对管道泄漏进行检测，有效提升了检测的准确性和灵活性。

Description

地下供水管道泄漏检测***

技术领域

本实用新型属于油气装备移运设备技术领域，具体涉及地下供水管道泄漏检测***。

背景技术

供水管道往往因受到地下土壤和内部水介质的腐蚀、管道本身防护层的自然老化、以及受到自然或人为的破坏等因素导致供水管道泄漏频繁发生。供水管道泄漏不仅浪费我国宝贵的淡水资源，而且还会对地上的建筑物及公共设施带来严重危害。因此，及时发现管道泄漏对保障工业生产、安全运行和人类生活具有重要的实际意义。

早期的管道泄漏检测主要依赖人工巡检，由于管路多、空间狭窄，巡检效率低且容易发生漏检。目前，常见的地下管网漏水检测主要有相关分析法、示踪气体检测法、地表雷达检漏法、被动检测法、传统手持式听漏棒技术、电子放大听漏仪和瞬变流检测法七种方法。其中，相关分析法是利用漏水声时间延迟确定漏点位置，定位较为精准。但这种方法对于非金属管往往不太有效，同时由于管网拓扑结构误差、支管存在、声速计算等，相关分析法在进行管道泄漏定位时存在定位误差。示踪气体检测法是通过检测示踪气体的浓度沿管道的变化来寻找漏水点，具有灵敏度较高的特点。但其使用条件较为苛刻，要求必须知道水流方向。同时，支管的存在会造成气体泄漏，致使检测失效。地表雷达检漏法通过对所发射电磁波的反向收集来定位管道漏失点。这种方法特别适用于大直径或非金属管道的检测。缺点是在漏损的初期难以准确判定；同时图像的解析难度大，数据处理慢。被动检测法必须依靠专门人员目力巡查和他人报漏来发现漏水点，而且需要漏损发展到一定程度，并在地面形成一定积水的明漏点。传统手持式听漏棒技术是在管道的外在暴露点处进行漏水声的听测。其效果受背景噪音、管内压力和检漏人员经验的影响。在检测建筑物低下或埋深较大管道时，无法实现漏水点的准确检测。电子放大听漏仪是指沿着疑似存在泄漏的管道逐点比较音强的一种检测方法。但是，该方法难以在高噪声环境和繁忙的城市环境中应用，同时易受到土壤性能的影响。瞬变流检测法是通过对管道压力信号的辨识来进行泄漏定位。但是当存在较大的噪声干扰时，整个***的可靠性会受到较大影响，从而导致其检测误差较大。综上所述，虽然这七种方法较好的实现了供水管道的泄漏监测与定位。但是，在供水管道泄漏检测与定位过程中，上述几种方法形式较为单一，且均易受到噪声的影响。导致检测结果的准确性大大降低，无法高效地实现供水管道的泄漏检测与定位。

近年来，随着传感技术、信号处理、计算机等技术的快速发展和成功应用，为提高管道泄漏检测与定位精度提供了新的解决思路。因此，本实用新型研制了一种新型供水管道泄漏检测装置。

基于当前技术背景，本实用新型通过实时监测管道内压力与流量、土壤湿度以及管道振动设计了一种管道泄漏检测与定位装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供地下供水管道泄漏检测***，解决了现有供水管道泄漏监测与定位装置易受到噪声的影响，导致检测结果的准确性大大降低的问题。

本实用新型所采用的技术方案是：地下供水管道泄漏检测***基于实时监测管道内压力与流量、管道振动以及土壤湿度，包括数据采集部分、数据传输部分、数据处理部分和电源模块，其中，数据采集部分主要完成管道内压力与流量、管道振动以及土壤湿度等数据的采集；数据传输部分主要完成采集数据的传输；数据处理部分主要对接收到的数据进行处理、分析和三维显示。

本实用新型的特点还在于，

数据采集部分主要由采集芯片、压力传感器、流量传感器、振动传感器、土壤湿度传感器组成；其中，采集芯片选用STMF107CET6型芯片，主要负责对各传感器的控制和数据采集；压力传感器采用PY210型系列负压传感器，主要完成对管道泄漏点处压力大小的监测；流量传感器选用涡轮流量计，主要完成管道出口处液体流量数据的采集；振动传感器选用XZD-YB一体化振动传感器，主要完成管道泄漏点处管道泄漏状态数据的采集；土壤湿度传感器选用TDR-30土壤温湿度传感器，主要完成管道周边环境数据的采集；压力传感器、流量传感器、振动传感器和土壤湿度传感器通过RS232总线分别与采集芯片连接。

数据传输部分主要由控制芯片、ZigBee发送模块、ZigBee接收模块和TTL转USB模块组成；其中，ZigBee发送模块和ZigBee接收模块均采用2.4GHz低成本NCS36510芯片，其供电电压为3.3V；控制芯片也选用STMF107CET6型芯片，主要实现对数据传输的控制；采集芯片与控制芯片之间通过SPI方式进行数据传输与指令交换。

电源模块由电源、稳压模块a和稳压模块b组成；其中，电源采用锂电池组，可提供24V的电压；稳压模块a选用LM1117低压差电压调节器，可提供3.3V～5V的电压；稳压模块b选用NCV317线性电压稳压器，可提供24V的电压；采集芯片、土壤湿度传感器与控制芯片均使用稳压模块a供电，其余传感器均由稳压电源模块b供电。

控制芯片依次与ZigBee发送模块、ZigBee接收模块以及TTL转USB模块连接，TTL转USB模块连接到服务端。除了通过SPI收集监测数据之外，控制芯片还可以与上位机直接进行通信。此外，也可通过与声光报警器连接，对管道异常状态进行报警，进一步弥补***的不足。

由于本方案模块较多且分散，而STM32F107CET6单片机程序都是模块化的，接口相对比较简单。此外，STM32的运算速度是传统51单片机的几十倍，可以很好地解决采集端数据量庞大这一问题。同时，STM32F107CET6芯片集高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、高集成度于一身，可以很好地契合我们所提出的***。综上所述，本文采用ARM V7架构的STM32F107CET6芯片作为主控和采集芯片。

本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型基于管道压力、土壤湿度、振动和液体流量四个关键参数，对管道泄漏进行检测，有效提升了检测的准确性和灵活性。

2)采用BIM技术建立了管道泄漏监测过程的三维可视化显示模型，用户可通过终端实时查看管道运输过程中压力、周围土壤湿度、振动、液体流量观测值等变化情况，极大提升了管道泄漏检测的直观性及可控性。

附图说明：

图1是本实用新型地下供水管道泄漏检测***结构示意图；

图2是本实用新型地下供水管道泄漏检测***的工作原理图。

图中，1.数据采集部分，2.数据传输部分，3.数据处理部分，4.电源模块，1-1.采集芯片，1-2.压力传感器，1-3.流量传感器，1-4.振动传感器，1-5.土壤湿度传感器，2-1.控制芯片，2-2.ZigBee发送模块，2-3.ZigBee接收模块，2-4.TTL转USB模块；3-1.服务器，3-2.显示终端，3-3.ZigBee接收模块；4-1.电源，4-2.稳压模块a，4-3.稳压模块b。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的地下供水管道泄漏检测***结构，如图1-2所示，主要包括数据采集1、数据传输2和数据处理3，其组成如图1所示。其中，数据采集部分采用各类传感器完成管道内压力与流量、管道振动以及土壤环境温湿度数据的采集，之后通过数据传输部分将其传送至数据处理部分。数据处理部分对接收数据进行去噪后，并采用卷积神经网络对管道的状态进行识别和预测。最终将结果显示在由BIM技术实现的可视化显示界面上。

地下给水管道泄漏检测***的工作原理如图2所示。由图2可见，数据采集部分1主要由采集芯片1-1、压力传感器1-2、流量传感器1-3、振动传感器1-4、土壤湿度传感器1-5组成。它主要完成管道内压力与流量、管道振动以及土壤湿度等数据的采集。其中，采集芯片1-1主要负责对各传感器的控制和数据采集，选用STM32F107CET6型芯片。这是因为该芯片具有高性能、低成本和低功耗的特点。PY210型系列负压传感器采用进口高精度感应芯体，同时，配套带有零点、满量程补偿、温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路。可将被测量介质的压力转换成标准的电信号。具有体积小、性价比高、抗干扰能力强、灵敏度高和优异的介质兼容性等优点，可以最大限度的满足客户的需求。因此，在本实用新型中，压力传感器1-2采用PY210型系列负压传感器，主要完成对管道泄漏点出压力大小的监测。流量传感器1-3主要完成管道出口处液体流量数据的采集，我们选用涡轮流量计。这是因为此流量计具有检测瞬时流量和总的积算流量的功能。除此之外，由于涡轮流量计的输出是频率信号，这不仅提高了检测电路的抗干扰性，而且简化了流量检测***。振动传感器1-4主要完成管道泄漏点处管道泄漏状态数据的采集，选用XZD-YB一体化振动传感器。XZD-YB一体化振动传感器具有功耗低，体积小，重量轻等优点。同时由于传感器和处理电路集成一体，避免了贪吃的长距离传输，从而提高了抗干扰能力。土壤湿度传感器1-5主要实现管道周边环境数据的采集，选用TDR-30土壤温湿度传感器。该产品是一款高精度、高灵敏度的土壤水份、温度测量仪器。其主要采用电磁脉冲原理测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤的真实水分含量，具有快速准确、稳定可靠、不受土壤中化肥和金属离子的影响等特点。压力传感器1-2、流量传感器1-3、振动传感器1-4和土壤湿度传感器1-5通过RS232总线与采集芯片1-1STM32F107CET6连接，采集到的各类数据信号最终统一汇聚在采集芯片1-1当中。

其中，压力传感器、流量传感器、振动传感器和土壤湿度传感器的电源引脚VCC、GND分别与稳压模块的OUT+、OUT-引脚连接。压力传感器的V_out、串口Tx和串口Rx分别与STM32的PA1、PA9和PA10相连。流量传感器的信号线与STM32的PB3引脚进行相连。振动传感器的数字量输出接口D0与ST M32的PB2引脚连接，土壤湿度传感器的采集口A0与STM32的AD口进行连接，可以准确检测土壤湿度精确数值。

数据传输2主要完成采集端数据的汇聚和传输，由控制芯片2-1、ZigBee发送模块2-2、ZigBee接收模块2-3和TTL转USB模块2-4组成。NCS36510芯片有低耗电、低成本、支持大量网上节点和多种网上拓扑、安全可靠等优点，因此，本实用新型采用2.4GHz低成本NCS36510芯片作为ZigBee数据收发模块。在使用ZigBee模块进行收发数据时，首先需要按照说明书设置好接收模块和发送模块。在发送端，主要使用到STM32模块的3个USART串口。其中，串口1通过串口助手通信检验单独节点传感器数据是否采集成功；串口2用于采集传感器数据；串口3用来连接Zigbee模块。在接收端，用到2个USART串口，串口1用于与串口助手通信，串口2用于连接Zigbee模块。其中，两种模式对应的引脚分别是：串口1：PA9和PA10；串口2：PA2和PA3；串口3：PB10和PB11。采集芯片1-1与控制芯片2-1之间通过SPI方式进行数据传输与指令交换。采集数据被汇聚于控制芯片2-1之后，由ZigBee发送模块2-2发送至ZigBee接收模块2-3，再经过TTL转USB模块2-4连接到服务端。

数据处理部分3主要由服务器3-1、显示终端3-2组成，它主要对接收到的数据进行分析和处理，并将检测结果显示在用户界面上。其中，服务器端3-1主要用于数据的存储、分析和处理，显示终端3-2主要完成数据的三维可视化显示。服务器端，由于Linux是一种嵌入式操作***，性能稳定，可以同时独立地运行多个程序，并且支持多种硬件平台，因此选用Linux操作***作为服务器的处理***。数据处理部分，首先对采集到的各模块数据建立本地数据库，然后使用DTS命令将本地数据导入服务器。数据导入完成之后，使用Python语言对接收数据进行小波包分解与重构，旨在降低噪声对各传感器采集数据的影响。之后，用基于深度可分离卷积神经对压力、流量和管道振动等数据进行分析、处理。通过这些数据的变化进行泄漏检测，最终将结果显示在由BIM技术实现的可视化显示终端3-2上。用户与管理者等可以根据终端软件实时查看各检测模块数据曲线动态图，以及是否有泄漏情况发生。

电源模块4由电源4-1、稳压模块a4-2和4-3组成。其中，电源4-1采用锂电池组，可提供24V的电压。稳压模块a4-2选用LM1117低压差电压调节器，可提供3.3V～5V的电压。稳压模块b4-3选用NCV317线性电压稳压器，可提供24V的电压。除了采集芯片1-1、土壤湿度传感器1-5与控制芯片2-1均使用稳压模块LM11174-2供电之外，其余传感器均由稳压电源模块NCV3174-3供电。

①本实用新型工作过程：

地下供水管道泄漏检测***主要由数据采集***、数据传输***和分析处理***三大部分组成。

1)数据采集部分

在首(输入)、末(接收输出)站安装采集***，分别对首站入口、末站出口的压力、流量、振动情况以及土壤湿度数据进行高速采集及预处理。对预处理之后的数据压缩、打包，再由ZigBee模块发送给数据处理***进行进一步的分析、处理。当安放多个检测传感器时，该***也可以对多组数据进行打包处理，但要保证首末站数据的同步性，必要时可采取GPS校时并添加数据时间标记。

2)数据传输部分

在首、末站两端安装通讯设备，使两站之间可以交换数据。***采用ZigB ee通讯方式。当对单条管线进行检测时，可采取将末站采集数据传送到首站终端，之后再进行分析与处理。当对多条管线进行检测时，可采取将末站采集数据传送到首站终端后，由数据采集***对多组数据进行打包处理。之后，由Zi gBee传送模块发送至服务器。通常传输***应保证较小延时，一般应小于50ms。

3)数据处理部分

采集信号中通常含有噪声，噪声信号的存在会严重影响信号的识别结果。为了消除噪声对检测结果的影响，提高检测与识别精度。***对接收到的压力信号、流量信号、土壤湿度信号、振动信号等首先选用sym小波基进行小波包分解，提取各个频带信号的归一化有效值构造特征向量。同时，保留有效信号成分集中的子频带，对噪声成分集中的频带加以降噪或者抛弃处理，之后重构处理后的信号。除此之外，考虑管道泄漏***误报警情况时有发生，本实用新型采用可分离卷积神经网络来完成管道的泄漏识别与定位，从而在保证网络轻量化和数据处理能力的同时，有效地避免供水管道泄漏误报、漏报事件的发生。

②***工作流程：

本实用新型的地下供水管道泄漏检测***工作流程如下：

首先对***进行初始化，完成初始化后，设备进入工作状态，由数据采集部分对数据进行采集。同时将采集的各项数据整体打包后通过ZigBee收发模块传送至服务器，经数据处理部分进行降噪等处理后送入服务器进行实时在线监测，并对供水管道的运行状态做出判断与估计。最后，将分析结果呈现在可视化显示终端上。当检测参数异常时，***发出告警。

Claims (4)

1.地下供水管道泄漏检测***，其特征在于，包括数据采集部分(1)、数据传输部分(2)、数据处理部分(3)和电源模块(4)，其中，数据采集部分(1)主要完成管道内压力与流量、管道振动以及土壤湿度等数据的采集；数据传输部分(2)主要完成采集数据的传输；数据处理部分(3)主要对接收到的数据进行处理、分析和三维显示；

所述数据采集部分(1)主要由采集芯片(1-1)、压力传感器(1-2)、流量传感器(1-3)、振动传感器(1-4)、土壤湿度传感器(1-5)组成；其中，采集芯片(1-1)选用STM32F107CET6型芯片，主要负责对各传感器的控制和数据采集；所述压力传感器(1-2)采用PY210型系列负压传感器，主要完成对管道泄漏点处压力大小的监测；所述流量传感器(1-3)选用涡轮流量计，主要完成管道出口处液体流量数据的采集；所述振动传感器(1-4)选用XZD-YB一体化振动传感器，主要完成管道泄漏点处管道泄漏状态数据的采集；所述土壤湿度传感器(1-5)选用TDR-30土壤温湿度传感器，主要完成管道周边环境数据的采集；所述压力传感器(1-2)、流量传感器(1-3)、振动传感器(1-4)和土壤湿度传感器(1-5)通过RS232总线分别与采集芯片(1-1)连接。

2.根据权利要求1所述的地下供水管道泄漏检测***，其特征在于，所述数据传输部分(2)主要由控制芯片(2-1)、ZigBee发送模块(2-2)、ZigBee接收模块(2-3)和TTL转USB模块(2-4)组成；其中，Z ZigBee发送模块(2-2)和ZigBee接收模块(2-3)均采用2.4GHz低成本NCS36510芯片，其供电电压为3.3V；所述控制芯片(2-1)也选用STM32F107CET6型芯片，主要实现对数据传输的控制；所述采集芯片(1-1)与控制芯片(2-1)之间通过SPI方式进行数据传输与指令交换。

3.根据权利要求1所述的地下供水管道泄漏检测***，其特征在于，所述电源模块(4)由电源(4-1)、稳压模块a(4-2)和稳压模块b(4-3)组成；其中，电源(4-1)采用锂电池组，可提供24V的电压；稳压模块a(4-2)选用LM1117低压差电压调节器，可提供3.3V～5V的电压；稳压模块b(4-3)选用NCV317线性电压稳压器，可提供24V的电压；所述采集芯片(1-1)、土壤湿度传感器(1-5)与控制芯片(2-1)均使用稳压模块a(4-2)供电，其余传感器均由稳压模块b(4-3)供电。

4.根据权利要求2所述的地下供水管道泄漏检测***，其特征在于，所述控制芯片(2-1)之后依次与ZigBee发送模块(2-2)、ZigBee接收模块(2-3)以及TTL转USB模块(2-4)连接，所述TTL转USB模块(2-4)连接到服务端。