An investigation into some signal processing techniques for the development of a low-cost acoustic correlator to detect and locate leaks in buried water pipes

Abstract

O principal problema em companhias de água são os vazamentos em tubulações subterrâneas, devido a sua limitada fonte de recursos hídricos. Correlacionadores de ruídos de vazamentos são usados frequentemente para localizar vazamentos. A detecção de sinais de ruídos de vazamentos ocorre por meio da coleta de dados por sensores, aos quais estão inseridos em lugares extremos ao da localização de um suposto vazamento. Estes dados são correlacionados, obtendo o atraso do tempo entre estes sinais de vazamento. Para converter o atraso do tempo em distância, a velocidade de onda do ruído de vazamento necessita ser conhecida, frequentemente, este tempo é estimado por meio de dados históricos de velocidade ou por tabelas. Usualmente a velocidade não é medida diretamente pelo tempo, sendo uma potencial fonte de erro. Esta tese estuda os fatores que afetam a velocidade de propagação do ruído de vazamento em tubulações de água subterrâneas. Eles envolvem as caraterísticas do filtrado do sistema sensor-tubulação e a potencial faixa de frequência onde o ruído de vazamento possa estar presente, e o efeito da banda de frequência na estimação do atraso do tempo. Os efeitos de distorção na precisão da estimativa do atraso do tempo, são também estudados com foco na quantização e corte dos sinais de vazamento. O efeito de quantização é devido a um convertedor analógico digital. O corte dos sinais de vazamento acontece quando a amplitude do sinal excede os limites do intervalo dinâmico da instrumentação. A combinação de ambos os casos é também estudada, ao qual, pode acontecer quando o vazamento está perto de um ponto de medição, tal que o nível do sinal é grande e tem uma tendência a ser cortada, e no outro ponto de medição o nível do sinal pode ser pequeno tendo uma tendência a uma menor resolução. Este estudo mostra que, estes problemas tem um efeito negligenciável para a estimativa do atraso do tempo. Estudar a resposta destes efeitos poderiam ter como principal vantagem um hardware simples e, portanto, barato podendo ser usado em vez de sistemas complexos e caros, que estão geralmente em uso hoje. Uma tentativa é logo feita para esclarecer a qualidade da função de correlação cruzada e, em seguida, a estimativa do atraso de tempo. Cinco índices são propostos, cada um com características diferentes. Eles são então integrados em uma única quantidade chamada índice de qualidade. Finalmente, dois protótipos de correlacionadores são apresentados, no qual o autor contribuiu para o desenvolvimento. Para o primeiro protótipo, os dados são coletados usando cabos e os parâmetros são inseridos manualmente. Para o segundo protótipo, os dados são coletados usando um sistema sem fio. Também é necessário inserir dados do material, o tamanho do tubo, o tipo de solo, o local onde o tubo está instalado e o momento da aquisição. As interfaces foram projetadas para inserir os parâmetros com facilidade e mostrar as informações necessárias, para uma melhor análise do comportamento do vazamento no sistema. A largura de banda é mostrada graficamente, podendo ajustá-lo manualmente. A localização do vazamento é mostrada de forma interativa.