一种气体管道泄漏声发射定位方法 |
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| 申请号 | CN201710257257.9 | 申请日 | 2017-04-19 | 公开(公告)号 | CN106907577A | 公开(公告)日 | 2017-06-30 |
| 申请人 | 广西壮族自治区气象技术装备中心; | 发明人 | 杨丽丽; 李帅永; 李伟雄; 何明峰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种气体管道 泄漏 声发射 定位 方法，涉及输气管道故障诊断技术领域。所述的气体管道泄漏声发射定位方法，通过检测气体管道泄漏声发射，对泄漏点进行定位，对 传感器 采集到的检测 信号 互谱加高斯窗，提取泄漏源信号中单一且频散小的模态成分，通过传感器的互相关函数来定位泄漏源的 位置 ，该定位方法减少了多模态导波的干扰，降低了泄漏源定位的误差，提高了泄漏源定位 精度 ，提高了气体管道检修的工作效率；所述定位方法采用LabVIEW开发平台设计气体管道泄漏声发射检测定位虚拟系统，通过选择窗参数，即可提取出 选定 的单一模态成分，操作简单，适用性强。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种气体管道泄漏声发射定位方法，其特征在于：包括以下几个步骤，步骤1：建立气体管道泄漏源信号和检测信号模型，检测信号通过气体管道泄漏声发射检测定位系统中泄漏源两端的第一传感器和第二传感器进行采集，所述检测信号包括泄漏源信号和噪声信号； |
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| 说明书全文 | 一种气体管道泄漏声发射定位方法技术领域[0001] 本发明属于输气管道故障诊断技术领域，尤其涉及一种气体管道泄漏声发射定位方法。 背景技术[0002] 天然气作为燃料因热值高、清洁，受到世界各国青睐。我国“十二五”规划指出要增加天然气消费，加快全国天然气管道建设，到2015年95％以上城市用上天然气。天然气是易燃易爆有毒气体，一旦发生管道泄漏，将威胁人们的生命财产安全。因此及时发现和定位天然气管道泄漏，对社会可持续发展具有重要意义。 [0003] 目前天然气管道泄漏检测方法主要有管内探测球法、光纤传感器检测法、声学检测法等。管内探测球法利用检测球获得管线内壁缺陷的详细信息来检测定位。但这种检测方法一般适用于大口径管道，对分支多，管径多变的城市天然气管道并不适合。光纤检测法能快速检测微小泄漏，定位精度高。但需要沿管线铺设光纤，对已建管道须重新铺设，成本较高。声学检测方法包括管内音波法和管外声发射检测法。管内音波法，将传感器置于管道气体内，通过检测沿气体传播的泄漏声信号来定位，检测的信号形式简单，声速稳定，通过相关时延定位准确。但这种方法须对管道进行打孔安装传感器，传感器与管内气体接触要求传感器耐高压耐腐蚀。管外声发射检测方法通过采集管壁声信号进行定位，传感器安装方便，泄漏信号易获取，检测成本低。气体管道泄漏声发射信号沿管道传播能量主要集中在管壁。因此，管外声发射检测法对气体管道泄漏检测具有独特的优势。 [0004] 导波在管道内外两边界面的反射和折射会产生模态转换，使导波有多种模态，泄漏信号组成形式复杂。导波在传播过程中存在频散，不同频率的导波波速不同。导波的多模态特性和频散特性使声发射的传播速度随模态成分和频率的不同而不同。对未经分解的泄漏声发射信号进行相关时延分析，并根据泄漏信号能量中起主要作用的模态导波波速计算定位，会产生较大的泄漏定位误差。因此，提取泄漏信号中频散小的单一模态导波进行相关定位非常重要。吴银锋、裴丽莹等人提出利用小波变换提取气体管道泄漏的高能量模态来进行相关时延定位，该方法通过实测声速进行定位，需要3只以上传感器检测泄漏信号；Rewerts等分析充液管道中波传播的频散特性，解析泄漏信号由多种模态导波组成，通过对泄漏源两端检测的声发射信号进行时间-频率变换和时间-空间变换来提取信号的单一模态，对两单一模态信号进行相关分析理论上实现泄漏声发射源的准确定位，但该模态提取方法需要获得两检测点附近±Δ范围内的声发射信号，即实际定位中泄漏源两端的每个检测点附近至少需要两只传感器同时采集信号；焦敬品、何存富等在Rewerts等人模态提取算法的基础上，根据某处传感器接收的导波波形可确定任意位置处的传播波形的原理，利用两只传感器拾取泄漏信号实现声发射单一模态定位，但实验结果显示对于充液管道泄漏， 40m以内不同检测距离下，定位相对误差大多在4％以上，最高达13％，其定位误差较大。 发明内容[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供一种气体管道泄漏声发射定位方法，根据导波理论，对检测信号互谱加窗，提取泄漏源声发射信号(简称泄漏源信号)中单一的且频散小的模态的互谱；对单一模态导波的互谱进行傅立叶反变换，得到互相关函数，从而估计距离差，实现泄漏源定位；通过互谱加高斯窗提取单一模态成分进行定位，减少多模态导波干扰，降低泄漏源定位的误差。 [0006] 本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种气体管道泄漏声发射定位方法，包括以下几个步骤： [0007] 1、建立气体管道泄漏源信号和检测信号模型，检测信号通过气体管道泄漏声发射检测定位系统中泄漏源两端的第一传感器和第二传感器进行采集，所述检测信号包括泄漏源信号和噪声信号； [0008] 2、对第一传感器和第二传感器采集到的检测信号进行相关性分析，即互谱分析； [0009] 3、对检测信号的互谱加高斯窗，提取泄漏源信号中单一模态导波成分的互谱，即获得气体管道泄漏源信号频带范围内第i种模态导波成分的互谱； [0010] 4、泄漏源的定位：通过对第i种模态导波成分的互谱进行傅立叶反变换，获得第一传感器和第二传感器检测信号的互相关函数，从而计算第一传感器和第二传感器到泄漏源的距离，定位计算泄漏源的位置。 [0011] 进一步的，所述气体管道泄漏声发射检测定位系统包括输气管网系统和声发射检测系统。 [0013] 进一步的，声发射检测系统包括依次连接的传感器、前置放大器、数据采集卡以及信息处理中心，所述传感器包括第一传感器和第二传感器，所述传感器均安装在气体管道外壁上，用于采集沿气体管壁传播的泄漏源声发射信号；所述前置放大器，用于放大传感器的输出信号；所述信息处理中心控制数据采集卡进行数据采集，并对采集到的信号进行分析处理、显示和保存。 [0014] 进一步的，所述检测信号与气体管内压力、泄漏源孔径、泄漏源到传感器的传播距离等因素有关。 [0015] 与现有技术相比，本发明所提供的气体管道泄漏声发射定位方法，通过检测气体管道泄漏声发射，对泄漏点进行定位，对传感器采集到的检测信号互谱加高斯窗，提取泄漏源信号中单一且频散小的模态成分，通过传感器的互相关函数来定位泄漏源的位置，该定位方法减少了多模态导波的干扰，降低了泄漏源定位的误差，提高了泄漏源定位精度，提高了气体管道检修的工作效率；所述定位方法采用LabVIEW开发平台设计气体管道泄漏声发射检测定位虚拟系统，通过选择窗参数，即可提取出选定的单一模态成分，操作简单，适用性强。附图说明 [0016] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0017] 图1是本发明的声发射检测系统的结构示意图； [0018] 图2是本发明不同气体管内压力下泄漏源信号频谱图； [0019] 图3是本发明不同泄漏源孔径下泄漏源信号频谱图； [0020] 图4是本发明不同传播距离下泄漏源信号频谱图； [0021] 图5是本发明Φ26.9×2.8mm气体管道频散曲线图； [0022] 图6是本发明未经分解的泄漏源信号定位估计的距离差图； [0023] 图7是本发明提取泄漏源信号中L(0,1)模态定位估计的距离差图； [0024] 其中：1-第一传感器，2-第二传感器，3-泄漏源，4-气体管道。 具体实施方式[0025] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0026] 如图1所示，本发明所提供的一种气体管道泄漏声发射定位方法，包括以下几个步骤： [0027] 1、建立气体管道泄漏源信号和检测信号模型 [0028] 气体管道泄漏产生的声发射信号由多模态导波组成，假设泄漏源信号含有n种模态导波，则泄漏源信号x(t)表示为： [0029] [0030] 其中，su(t)是泄漏源的第u种模态导波，泄漏源信号通过气体管道外壁设置的多个传感器来检测，设泄漏源与其一侧的第一传感器的传播距离为z1，与其另一侧的第二传感器的传播距离为z2，则第一传感器的检测信号由泄漏源信号和噪声组成，根据导波理论，泄漏源信号各种模态导波沿气体管壁传播会产生衰减和时间延迟；泄漏声发射沿管道传播，各模态导波波速不同，泄漏源信号到达检测点的时间延迟也不同，因此，第一传感器的检测信号表示为： [0031] [0032] 其中，α1u、τ1u为泄漏源第u种模态导波传播到第一传感器时的衰减因子和时间延迟，n1(t)是第一传感器检测到的噪声； [0033] 2、检测信号的互谱分析 [0034] 假设第一传感器和第二传感器检测的噪声以及噪声与泄漏源信号互不相关，即互谱为零，对式(2)进行傅立叶变换，得到检测信号的频谱： [0035] [0036] 其中，Su(ω)为泄漏源处导波su(t)的频谱，X1(ω)、N1(ω)分别为第一传感器检测信号x1(t)和噪声n1(t)的频谱，时间延迟与传播距离、导波的传播速度存在下列函数关系： [0037] τ1u＝z1/cpu (4) [0038] 其中，cpu是第u种模态导波的相速度，导波的相速度与波数存在下列函数关系： [0039] Cpu＝ω/ku(ω) (5) [0040] 其中，ku(ω)是第u种模态导波的波数，由此得出时间延迟τ1u＝ku(ω)z1/ω，因此，第一传感器1检测信号的频谱X1(ω)为： [0041] [0042] 同理，第二传感器2检测信号x2(t)的频谱X2(ω)为： [0043] [0044] 根据式(6)(7)对第一传感器1和第二传感器2的检测信号进行互谱分析，由于噪声与噪声、噪声与泄漏源信号不相关，检测信号相关性主要由泄漏源信号中的各模态导波的相关性决定。根据模态导波理论：当u≠v时，Su，Sv是两种不同的模态波，两种波的振动形式不同波形不同，两种导波的相关性弱；当u＝v时，Su，Sv是同一种模态导波，若该模态导波频散较大，导波波形在传播过程中发生畸变，随传播距离差增大，两导波的相关性越差；当u＝v时，Su，Sv是同一种模态波，若该模态导波频散较小，随传播距离差增大，两导波波形几乎不变，其相关性较好；根据三种情况导波的相关性分析可知，互相关时延主要由检测信号中同一种模态波的相关值决定；当泄漏源信号由多种模态导波组成时，由于模态不同和各模态频散不同，泄漏源信号的传播速度是各模态导波叠加的平均速度；平均速度近似为能量最大的模态导波波速；若直接用检测信号互相关时延和泄漏源信号能量中起主要作用的模态导波波速来计算定位，定位误差将会比较大。 [0045] 3、单一模态导波成分的互谱提取 [0046] 对泄漏源信号的互谱进行加窗，获得泄漏源声发射信号单一模态互谱，在气体管道泄漏源声发射信号频带范围内，任意频率ω0处构造互谱加高斯窗分析表达式： [0047] [0048] 其中，*表示复共轭，β＞0为常数，γ是波数和第一传感器1和第二传感器信号2时延的函数，exp(-βγ2(ω-ω0)2)为高斯窗函数，βγ2控制窗宽；考虑到不同采集点的噪声以及噪声与泄漏源信号互不相关，即噪声与噪声、噪声与泄漏源信号互谱为零，则： [0049] [0050] 当窗口足够小，ω≈ω0，则Su(ω)≈Su(ω0)，Sv(ω)≈Sv(ω0)，对波数用泰勒级数展开得ku(ω)≈ku(ω0)+(ω-ω0)ku'(ω0)，kv(ω)≈kv(ω0)+(ω-ω0)kv'(ω0)，则[0051] [0052] 令βγ2＝A，j(k′v(ω0)z2-k′u(ω0)z1-γ)＝B，(ω-ω0)＝x，则式(10)中的积分式表示为： [0053] [0054] 令 式(11)进一步变换为： [0055] [0056] 式(12)中积分的指数项为高斯函数，式(12)积分式 由此得到： [0057] [0058] 将式(13)还原A、B变量得： [0059] [0060] 式(14)的指数项是有关γ的高斯窗函数，4β决定窗宽，β越小，窗越窄；令γ＝k′i(ω0)z，u、v有不同的组合，当k′u(ω0)＝k′v(ω0)＝k′i(ω0)，z＝zB-zA时，在信号频率范围内，无论ω0取何值，指数项取得最大值1，同时积分式erf(x)值的虚部为0；此时，若ω0不变，分式erf(x)值的实部也不变，即ω＝ω0时式(14)取得实部的最大值，式(14)的指数项可近似成实采样函数δuvi，式(14)改写为： [0061] [0062] 令 其大小只与ω0有关，与模态组合无关，则 [0063] [0064] 当u＝v＝i,z＝z2-z1时，经过采样提取第i种模态导波成分，即： [0065] [0066] 由式(17)可知， 是第i种模态导波互谱在ω0的值， 大小是第i种模态导波互谱在ω0的值的C倍， 包含了第一传感器1和第 二传感器2的距离差信息，因此，用来定位管道泄漏。 [0067] 为了计算 需要已知窗参数γ和β，γ由γ＝ki'(ω0)z确定，一旦选定模态，就能计算出波数ki(ω0)以及ki'(ω0)。但在定位分析中，第一传感器1和第二传感器2两导波的传播距离差未知，因此选取可能的z值，逐个定出γ，并根据式(17)计算出对应其中的最大值，就是要提取的第i种模态成分。由于β取值受两个条件限制：a)式(9)变换到式(10)时，要求窗宽要足够小即βγ2要足够大；b)式(14)中指数项是有关γ的高斯窗函数，窗宽4β，β越小，窗宽越小，指数项可近似成实采样函数δuvi，从而提取出单一模态互谱；综合a)和b)，当γ确定时，β不宜过大或过小，否则条件不满足，不能有效提取出单一模态互谱。 [0068] 4、气体管道泄漏源的定位 [0069] 互谱反映信号在频域的相关性，互谱的傅立叶反变换——互相关函数描述了信号在时域的相关性，通过泄漏点两端第一传感器1和第二传感器2采集的检测信号x1(t)和x2(t)的互相关函数 估计检测信号的时延，来定位泄漏点，对式(17)第i种模态导波的互谱求傅立叶反变换，得到根据第i种模态导波互相关定位的表达式： [0070] [0071] 当jki(ω)(z+Δz)＝0时，即Δz＝-z＝zA-zB时，互相关函数Ri，AB(x)取得最大值，设最大值对应第一传感器1和第二传感器2距离差为Δz0，第一传感器1和第二传感器2间距为L，则泄漏源到管道第一传感器1的距离： [0072] z1＝(L+Δz0)/2 (19) [0073] 为了评定检测信号的相关性，计算相关系数 相关系数越大，相关性就越高，第i种模态导波的相关系数为： [0074] [0075] 如图1所示，声发射检测系统包括依次连接的传感器、前置放大器、数据采集卡以及信息处理中心，所述传感器包括第一传感器1和第二传感器2，所述传感器均安装在气体管道4外壁上。 [0076] 对泄漏源信号进行频谱分析，在无泄漏时，采集到的噪声主要集中在低频3kHz以内，中低压泄漏源信号主要集中在低频3-8kHz内，选择频率在3kHz以上的检测信号用于定位，有效避免低频噪声的干扰。如图2-4所示，所述检测信号与气体管内压力、泄漏源孔径、泄漏源到传感器的传播距离等因素有关；由图2可知管内压力越大，检测信号能量越大，同时激发出更多高频成分，信号主要能量频带向高频转移；图3反映了泄漏孔径增大，信号能量变大，但对信号频率分布影响较小，能量主要集中在低频部分；图4显示当传播距离增加时，信号衰减，且高频部分衰减比低频部分更快，使信号能量集中频率向低频转移；综合可知，在不同泄漏条件下，特别在管内压力小、泄漏孔径小、传播距离长时，信号能量主要集中在低频3-8kHz，因此，选择该频带模态信号更有利于实际泄漏定位。 [0077] 如图5所示，本实施例以气体管道Φ26.9×2.8mm为例进行导波模态分析，采用L(n,m)，F(n,m)表示气体管道中的纵向模态和弯曲模态，n表示周向阶次，m表示模数，n，m都为整数；中低压泄漏源信号主要集中在低频3-8kHz内，由图5知，该段频段范围内，管道内传播的模态数最少，只有纵向模态L(0,1)和弯曲模态F(1,1)两种模态，为了避免多模态叠加，降低信号复杂程度，选择对该频段的信号进行分析；由图5可知在低频L(0,1)模态几乎无频散，信号传播过程波形不畸变，信号更稳定，信号相关性更强；同时考虑到纵向模态比弯曲模态的径向位移更小，轴向位移更大，纵向模态导波沿管道传播的衰减更小，在远距离传播中更容易检测；因此，远距离泄漏检测定位中选择L(0,1)模态更合适。 [0078] 根据泄漏源信号频谱分析及管道导波模态分析，选择泄漏源信号3-8kHz频带内的L(0,1)模态进行定位，即式(18)中第i种模态选择为L(0,1)，并以L(0,1)的波数来确定窗参数γ，另一个窗参数β取0.001时效果较好。如图6所示，远距离泄漏检测时，信号能量主要集中在L(0,1)模态，因此，定位时以信号频带内L(0,1)模态的平均波速计算；如图7所示，对泄漏源信号的互谱加高斯窗提取L(0,1)模态进行定位；对比图5和6的相关系数可知，未经分解的泄漏信号的相关系数为0.1653，提取L(0,1)模态定位的相关系数为0.3569，模态提取使相关系数提高了一倍；对比两种定位方法得到的距离差，发现两种结果相差较大。已知第一传感器和第二传感器的间距为78.03m，利用式(19)分别计算两种定位方法估计的z1：用未经分解的泄漏源信号进行定位的结果为56.09m，提取泄漏源信号中L(0,1)模态定位的结果为58.83m，而实际距离为58.09m；两种方法估计z1的绝对误差分别为2m和0.74m，相对误差为3.44％和1.27％，即采用模态提取定位算法降低了气体管道泄漏定位的误差，提高了定位的准确度。 [0079] 根据单一模态定位方法，采用LabVIEW开发平台设计气体管道泄漏声发射检测定位虚拟系统，将该系统应用于气体管道泄漏定位中，并与互相关定位方法做比较，并将结果列于表1。分析表1中两种定位方法的结果：用未经分解的泄漏信号进行定位时，由于多模态导波叠加，检测信号的相关系数较小，相关性较差，估计的时延(距离差)误差大；实际声速是多种模态导波叠加的平均速度，而定位时以恒定的高能量模态导波波度计算，这两方面造成用未经分解的泄漏信号进行定位，误差较大，表1显示用未经分解泄漏信号进行定位，大部分定位相对误差在10％以上；而通过提取频散小的L(0,1)模态进行定位，减少其它模态干扰，提高信号的相关性，同时选择更准确的声速，使定位相对误差稳定在1.38％左右；相比用未经分解的泄漏信号进行定位，定位相对误差平均降低7％以上，李帅永、王鹏飞等人采用F(1,1)弯曲模态进行互相关定位实验，结果表明采用弯曲模态进行定位的相对误差为12.56％。因此，提取单一非频散模态进行互相关定位的相对误差比采用弯曲模态互相关定位的相对误差减少了8倍，由此可知，提取单一非频散模态进行气体管道泄漏源声发射定位的精确度更高，提高了气体管道检修的工作效率。 [0080] 表1气体管道泄漏源定位结果 [0081] |
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