【正文】 在此設(shè)計(jì)完成之際謹(jǐn)向趙老師至以衷心的感謝！同時(shí)也要感謝我的朋友和同學(xué)，他們?cè)谖以O(shè)計(jì)的過(guò)程中給予我了很多素材，還在設(shè)計(jì)的撰寫(xiě)和排版過(guò)程中提供熱情的幫助。從設(shè)計(jì)的選題，發(fā)展到撰寫(xiě)，趙老師都給了我精心的指導(dǎo)。 Pipelines International，1993，26(8)：2629.[13] 方志豪．晶體管低噪聲電路[M]．第四版．北京：科學(xué)出版社，2022：5969.[14] Brian Wray, Chuck Leary．Leak Detection System Upgrades Cochin Pipeline，Pipeline amp。(4)設(shè)計(jì)考慮小波的多分辨率特性對(duì)音波信號(hào)進(jìn)行濾波。(3)在對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮的 TTL 或 CMOS 的邏輯電平。取得了如下的主要研究成果：(1)本設(shè)計(jì)提出了利用負(fù)壓波法檢測(cè)管道泄漏的方法，同時(shí)研究了溫度、管道材料、流體密度等對(duì)波速的影響。而傳統(tǒng)的方法很難提取這種比較弱的信號(hào)，但是小波分析采用分頻的方法對(duì)這種信號(hào)處理有非常好的效果。在信號(hào)分析處理的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。這種情況下我們可以通過(guò)信號(hào)的小波包分解，就是將噪聲部分的頻帶刪除，保留所需的頻帶信號(hào)，我們通過(guò)更細(xì)致地將頻帶劃分，這樣去除的噪聲中含有的音波信號(hào)更少，從而使保留下來(lái)的頻帶信號(hào)中噪聲的成分也更少。小波變換程序流程圖如圖 51 所示：齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24開(kāi)始輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型正確 ？尺度選擇信號(hào)分解需要重構(gòu)否閥值處理信號(hào)重構(gòu)輸出波形結(jié)束否是是否圖 51 小波變換仿真流程圖在實(shí)際應(yīng)用中，噪聲的頻帶范圍很寬，發(fā)生時(shí)間也是隨機(jī)性的，這樣我們采用傳統(tǒng)的方法是很難將其和有用的信號(hào)分離開(kāi)來(lái)的。d2 00 基于小波變換的濾波方法通過(guò)對(duì)小波變換的理論分析后，我們可以得到下面的方法進(jìn)行濾波，小波變換可以進(jìn)行帶通濾波，我們將信號(hào)分為不同的頻帶，也就是將信號(hào)的大小范圍劃分成三個(gè)或更多的范圍，而不像低通濾波那樣僅僅將信號(hào)分成兩個(gè)不同的大小范圍，通過(guò)設(shè)定不同的尺度參數(shù)來(lái)確定小波空間的大小或?yàn)V波頻帶的帶寬，各小波空間的大小經(jīng)正交小波變換后無(wú)交集存在，因此，當(dāng)采集的音波信號(hào)中含有噪聲時(shí)，信號(hào)中的有用的音波成分和噪聲在頻域上會(huì)呈現(xiàn)分離特性，采集到整體信號(hào)通過(guò)小波變換后將信號(hào)分到不同的頻帶，這樣處理信號(hào)以后，有用的音波信號(hào)和噪聲信號(hào)將被分離，將帶有噪聲的頻帶信號(hào)置零?？赏茖?dǎo)出多尺一維小波分解公式:k???xnC0nk,???xnd,? C = d = (515)njxjkh21?kn???xjnjkgC21 k=1,2,…N即：齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23NCC??3210 … (516)?? 1d23NdC ,C ,…，C 表示信號(hào) f 分解后的低頻部分， , ,…， 表示高頻部分。h (2xn) 中， 是{V }生成元， 是 的標(biāo)準(zhǔn)正交基。齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22y(n)= (55)????kknxh)2()此處的小波變換消噪是基于多尺度小波變換的分解和重構(gòu)。綜上所述，信號(hào)中的高頻信號(hào)雖然通過(guò)簡(jiǎn)單的低通濾波后在對(duì)得到的采樣信號(hào)的影響去除了，但是信號(hào)中所包含的信息量也只剩下一半，因此，信號(hào)的分辨率也降低了，只有原來(lái)分辨率的一半。采樣頻率將會(huì)隨之降低，這種情況下，需要通過(guò)在信號(hào)中增加新的采樣點(diǎn)，否則采樣頻率將不符合標(biāo)準(zhǔn)，為了提高采樣頻率，我們?cè)谛盘?hào)中添加的采樣點(diǎn)為 0 或者是一個(gè)中間值，雖然此時(shí)高頻信號(hào)會(huì)通過(guò)低通濾波后被消掉，但是仍然能保持可恢復(fù)的低頻采樣。這樣，信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的低通濾波后將違反奈奎斯特準(zhǔn)則 [16]?？偟膩?lái)說(shuō)，低通濾波就是將信號(hào)分成兩部分，高的去除，低的保留。低通濾波對(duì)于信號(hào)中高于截止頻率的信號(hào)進(jìn)行去除，將低于截止頻率的信號(hào)進(jìn)行保留。當(dāng) a 值增大時(shí)，觀察范圍也擴(kuò)大，這樣在頻域上我們就是用低頻率小波做大致觀察，也就是低分辨率觀察頻域波形，而當(dāng) a 值減小時(shí)，觀察范圍就隨之減小，這時(shí)我們?cè)陬l域上以高分辨率觀察頻域波形，使獲得的波形更加細(xì)致清晰 [11]。但是，其特點(diǎn)是品質(zhì)因數(shù)為常數(shù) Q= ，即雖然不)( 02能同時(shí)獲得高的時(shí)域或頻域分辨率，但分辨率是隨尺度 a 變化的，即能夠?qū)崿F(xiàn)高頻的頻率分辨率低，低頻的頻率分辨率高，這是做信號(hào)處理所希望的。連續(xù)小波變換?(CWT)的定義為：CWT（a,b）= ( )dt a≠0 (51)?*)|1?tfaab?(t)= 是基本小波的位移和尺度伸縮；在公式(51)中 t 和 a 還有 b 都ba,?)(|1abt?是連續(xù)性變量，因此又稱(chēng)為連續(xù)小波變換。在時(shí)域，頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行多層分解和多尺度分析使用小波分析是再合適不過(guò)的了。 小波變換理論小波分析是一種數(shù)學(xué)工具，它是對(duì)時(shí)間和頻率局網(wǎng)域變換的關(guān)系的確定和處理方法。但是，由于在管道處于運(yùn)行的過(guò)程中有著許多的問(wèn)題，其中包括大量的干擾信號(hào)，在采集著音波信號(hào)的同時(shí)還會(huì)采集到大量的噪聲信號(hào)。準(zhǔn)確的定位泄漏點(diǎn)的關(guān)鍵在于負(fù)壓波波速的確定以及準(zhǔn)確提取負(fù)壓波到達(dá)管道兩端接收器的時(shí)間差。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件包括：系統(tǒng)初始化、信號(hào)讀取及處理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及數(shù)據(jù)發(fā)送。其中外部系統(tǒng)軟件可以對(duì)文件進(jìn)行模擬、復(fù)印、輸出。當(dāng)硬件部分明確后，軟件部分以硬件部分為基礎(chǔ)，軟件部分的具體內(nèi)容也就隨著產(chǎn)生。LM2593HVS的輸入電壓為+12V。GPRS上的RXD0口是用來(lái)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的，單片機(jī)上的RXD口用來(lái)接收從GPRS模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)。RXD0與RXD之間的數(shù)據(jù)傳輸完成。 MC52i本課題選用的GPRS模塊是西門(mén)子的MC52i。隨著無(wú)限數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的迅速發(fā)展，GPRS已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)無(wú)限數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最佳承載方式。此模塊的電路圖如圖35 所示：32 1411U3AVCC R210k12PT2REF1VDD2+IN3IN4GND 8DK 7VO 6/CS 5AD7684VCC圖35 溫度信號(hào)采集模塊電路圖 無(wú)限通信GPRS模塊GPRS是分組交換技術(shù)，具有“高速”和“永久在線(xiàn)”的優(yōu)點(diǎn)。該傳感器具有以下特點(diǎn)：(1)抗干擾能力強(qiáng)(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便(3)小型化，使用壽命長(zhǎng)溫度信號(hào)為4~20mA 的電流信號(hào)。此模塊的電路圖如圖34所示：齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15THR 7DIS 6Q 5R3TRIG2Cvolt1 GND8VCC4NE555NC1IN+2IN3NC4 VCC 5EN 6OUT 7GND 8VCCR4C10VCCR32FT圖34 流量信號(hào)采集模塊電路圖4．溫度信號(hào)采集模塊在此模塊中，溫度傳感器采用YYW200一體化溫度變送器，該傳感器具有集溫度檢測(cè)與信號(hào)處于一體，標(biāo)準(zhǔn)接插件出線(xiàn)，體積小巧，線(xiàn)性化輸出1~5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，首先對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理，使其轉(zhuǎn)化為規(guī)則的脈沖信號(hào)，以防止發(fā)生電平抖動(dòng)，影響采集結(jié)果。(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、維護(hù)方便、安裝費(fèi)用較低。(3)適用范圍廣，可用于液體、氣體、蒸汽的流量測(cè)量，氣液通用。該傳感器有以下特點(diǎn)：(1)沒(méi)有可動(dòng)部件，構(gòu)造簡(jiǎn)單而牢固，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠，使用壽命長(zhǎng)。主控單元通過(guò)PF1控制 對(duì)AD7684 進(jìn)行選擇；通過(guò) PF3向AD7684提供串行數(shù)據(jù)CS發(fā)送脈沖；通過(guò)PF2讀取AD7684 的串行數(shù)據(jù)。此時(shí)，當(dāng)DKCS不斷的得到脈沖信號(hào)時(shí)，Vo 將不斷的輸出數(shù)據(jù)。AD7684是一個(gè)16位差分輸入的AD轉(zhuǎn)換器件。電路圖如圖33所示：齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1432 184U1A32 184U2A12PT1PF3PF2PF1VCCVCCVCCR110KC1REF1VDD2+IN3IN4GND 8DK 7VO 6/CS 5AD7684圖33 壓力采集模塊電路圖其中，在電路的緩沖部分，為了減少“自動(dòng)”啟動(dòng)誤觸發(fā)的可能性，提高系統(tǒng)的輸入阻抗，減少對(duì)被測(cè)信號(hào)的衰減影響等諸方面考慮，采用電壓跟隨器。然后采用外部AD轉(zhuǎn)換器件對(duì)轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)進(jìn)行采集。其輸入信號(hào)為4~20mA電流。適用于氣體、液體、蒸汽壓力的測(cè)量及具有腐蝕性介質(zhì)的壓力測(cè)量。壓力傳感器采用DJ20B型壓力傳感器。(4)傳感器要有較快的反應(yīng)速度，使其在工作時(shí)不會(huì)出偏差。(2)傳感器要與需要檢測(cè)、控制的系統(tǒng)良好的匹配，轉(zhuǎn)換的速度快，輸出的信號(hào)要與輸入的信號(hào)相對(duì)應(yīng)。它主要通過(guò)各種物理、化學(xué)和生物效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)它的作用，并且有相關(guān)的定律來(lái)約束它?？梢哉f(shuō) AT89C51 在一定程度上加快了微型計(jì)算機(jī)的進(jìn)程。還有一種單片機(jī)是 89C2051 性能也很好，但是比 AT89C51 性能要弱，實(shí)用性也較差?？砷W存，可更改內(nèi)容，而且使用的是36V 以?xún)?nèi)的電壓，使用時(shí)安全系數(shù)很高。AT89C51 單片機(jī)內(nèi) ROM 是 FLASH 存儲(chǔ)器，以獲得廣泛的應(yīng)用 80C51 兼容，采用靜態(tài)邏輯設(shè)計(jì)，操作頻率范圍寬，具有兩個(gè)軟件選擇的節(jié)能模式。信號(hào)采集模塊又包括壓力采集模塊，流量采集模塊和溫度采集模塊。由12 t?于負(fù)壓波的傳播速度與液體內(nèi)型和管道性質(zhì)有關(guān)，因此通過(guò)對(duì)管壁材料的彈性系數(shù)和變形特征、液體的彈性系數(shù)、原油密度以及溫度的分析能夠確定某一時(shí)刻負(fù)壓波的傳播速度，這一點(diǎn)在上一章中已做了詳細(xì)的介紹。本設(shè)計(jì)主要研究的是數(shù)據(jù)的采集以及傳送階段。利用細(xì)分搜索算法計(jì)算出 ，然后計(jì)算出 y =| |( 為實(shí)測(cè)到1v2v nit?init?t的時(shí)間差)，逐次計(jì)算 的值，負(fù)壓波泄漏點(diǎn) x 即為最小的 值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)所指出的位iy0i置。而差值 是可檢測(cè)到的值，為了確定泄漏點(diǎn)的位置21t???x ，可采用細(xì)分的搜索方法。1以下公式分別對(duì)應(yīng)上面的三種情況：(1) C = + (215)1)(/2??eD)21(/??De(2) C = + (216)(3) C = + (217)1)(/ee/1?(216)所示情況，這里 取 0．30。管壁內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力明顯不同的管道即是厚壁管，由于管壁應(yīng)力分布不均的原因，管道的變形特性也隨之改變，波速方程也因此而變得復(fù)雜。其密度隨溫度變化的公式如下：（T）= (T20) (2?20?14)式中：(T) ——T 是原油密度，單位 kg/m?3——原油的體積膨脹系數(shù)( =．001