Application development on embedded systems: localization and size estimation of leaks in metallic pipelines

Abstract

This doctoral thesis deals with the design and implementation of certain applications on embedded systems, concerning the localization and size estimation of leakages in metallic pipelines. The occurrence of leaks in pipeline networks is a serious issue both in the industrial world and in urban applications. For this reason, many researchers over the years have designed monitoring systems for the timely and reliable detection and localization of leaks in pipeline systems. So, a detailed study of the related literature was performed. Since the non-invasive localization and size estimation methods designed in this thesis rely on the vibroacoustic signals appearing in a pipeline when a leak is present, a study of the physical mechanisms along with the mathematical description of the vibroacoustic waves was conducted and the types of sensors that can be employed for their detection were examined. Moreover, the mathematical tools and the signal processing techniques utilized in the developed methods in this thesis are presented. At first, based on the related literature and experimental data from actual leak measurements, several acoustic leak localization methods were designed. The identification of the leak position in these methods relies on either the Time-Difference-Of-Arrival (TDOA) of the leak acoustic signals reaching the sensors, which are mounted on the pipe, or the attenuation that a vibroacoustic wave undergoes during its propagation. Moreover, for the development of the methods, the stochastic (non-deterministic) nature of the leak signals was studied, along with some physical phenomena related to the acoustic wave propagation, such as the dispersion, the frequency-dependent attenuation and the resonance. On the other hand, the acoustic method for the estimation of the leak size that was developed combines the information about the leak location with the multiple linear regression technique and it classifies a leak into one of the three available categories (i.e. “small”, “medium” and “large” leaks) according to its size, thus providing an idea about the severity of the situation. The leak localization and size estimation methods designed in the present thesis were developed in LabVIEW and Matlab software, as well as in the C++ programming language. Finally, some of the developed methods in this thesis were implemented (in C++) on a low-cost embedded system. This system consists of two nodes, each containing an acoustic sensor, an A/D converter, a GPS module and the Raspberry Pi 4B hardware platform. On this platform, the accuracy of the developed methods, the execution time and the memory consumption were examined and certain trade-offs were studied based on the configuration of the main parameters of the employed embedded system.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διαπραγματεύεται την σχεδίαση και υλοποίηση μεθόδων σε ενσωματωμένα συστήματα, οι οποίες αφορούν την εκτίμηση της θέσης και του μεγέθους διαρροών σε μεταλλικούς σωλήνες. Η εμφάνιση διαρροών σε δίκτυα σωληνώσεων αποτελεί σοβαρό πρόβλημα τόσο στη βιομηχανία, όσο και σε αστικές εφαρμογές. Για το λόγο αυτό, μία πληθώρα ερευνητών έχει ασχοληθεί με την σχεδίαση συστημάτων επίβλεψης σωληνώσεων για τον έγκαιρο και αξιόπιστο εντοπισμό διαρροών. Έτσι, πραγματοποιήθηκε μία λεπτομερής μελέτη της σχετικής βιβλιογραφίας. Καθώς οι μη παρεμβατικές μέθοδοι εκτίμησης θέσης και μεγέθους διαρροής που αναπτύχθηκαν στη συγκεκριμένη διατριβή στηρίζονται στα ακουστικά σήματα τα οποία εμφανίζονται σε έναν σωλήνα λόγω διαρροής, εξετάζονται οι φυσικοί μηχανισμοί και η μαθηματική περιγραφή των ακουστικών κυμάτων, όπως επίσης και οι τύποι αισθητήρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευσή τους. Επιπλέον, γίνεται παρουσίαση των μαθηματικών εργαλείων και των τεχνικών επεξεργασίας σήματος που χρησιμοποιήθηκαν κατά την σχεδίαση των μεθόδων. Αρχικά, με βάση τη σχετική βιβλιογραφία καθώς και πειραματικά δεδομένα από πραγματικές μετρήσεις διαρροών, σχεδιάστηκε ένας αριθμός ακουστικών μεθόδων εντοπισμού θέσης διαρροής. Στις μεθόδους αυτές η εύρεση του σημείου διαρροής επιτυγχάνεται είτε μέσω υπολογισμού χρονικών διαφορών άφιξης των ακουστικών σημάτων διαρροής στους αισθητήρες που είναι τοποθετημένοι στο σωλήνα, είτε μέσω του φαινομένου της απόσβεσης την οποία υφίστανται τα ακουστικά κύματα κατά την διάρκεια της διάδοσής τους. Επιπλέον, για την ανάπτυξη των μεθόδων ελήφθη υπόψη η στοχαστική (μη αιτιοκρατική) φύση των σημάτων διαρροής, καθώς επίσης και κάποια φυσικά φαινόμενα σχετιζόμενα με τη διάδοση των ακουστικών κυμάτων, όπως η διασπορά, η φασματικά εξαρτώμενη απόσβεση και ο συντονισμός. Από την άλλη πλευρά, η ακουστική μέθοδος εκτίμησης μεγέθους διαρροής η οποία αναπτύχθηκε στην παρούσα διατριβή συνδυάζει την πληροφορία σχετικά με τη θέση του σημείου διαρροής με την τεχνική της πολλαπλής γραμμικής προσαρμογής ώστε να επιτύχει την ταξινόμηση μίας διαρροής σε κάποια από τις τρεις διαθέσιμες κατηγορίες (δηλ. «μικρή», «μεσαία» ή «μεγάλη» διαρροή) με βάση το μέγεθός της, παρέχοντας έτσι μία εικόνα σχετικά με την σοβαρότητα της κατάστασης. Οι μέθοδοι εκτίμησης θέσης και μεγέθους διαρροής στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν με την βοήθεια των λογισμικών LabVIEW και Matlab, όπως επίσης και με τη χρήση της γλώσσας προγραμματισμού C++. Τέλος, κάποιες επιλεγμένες από τις αναπτυχθείσες μεθόδους της παρούσας διατριβής υλοποιήθηκαν (σε C++) πάνω σε ένα ενσωματωμένο σύστημα χαμηλού κόστους. Το σύστημα αυτό αποτελείται από δύο κόμβους, καθένας από τους οποίους περιλαμβάνει έναν ακουστικό αισθητήρα, έναν μετατροπέα A/D, μία μονάδα GPS και την πλατφόρμα υλικού Raspberry Pi 4B. Πάνω στη συγκεκριμένη πλατφόρμα εξετάστηκαν η ακρίβεια των μεθόδων, ο χρόνος εκτέλεσης και η κατανάλωση μνήμης και πραγματοποιήθηκε μελέτη της επίδρασης των τιμών των βασικών παραμέτρων του συστήματος στην απόδοσή του.