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硕 ：学位论文压力管道港漏拴测。i 漏点定位算法研究鸟实现 摘要 本谍题的目的在于开发一套成本较低的压力管道检测与定位系统。本文选择管 道泄漏时产生的，在管道中传播的应力波为研究对象，重点分析了该应力波中低频 段的耐环振动成份( 瑞雷波) 。 通过对信号韵时域分析发现，当管道有泄漏发生时，信号的均疽同没有发生泄 漏时比较明显减小，而信号的方羞则增大：在频域中，通过信号的功率谱可以看出， 在有泄漏发生时，信号的频谱变为集中在i k h z 一3 k t t z 之间的宽带信号。信号的功 率谤中出现多个交锗的峰值，倩号能量在箨频段的分布有较明显的不同。 在对信号的时、颁域分帮千的基础上，利用小波包分解的方法，提取了信号的能 量特征。将信号的能量特征及统计特征作为特钲向量分别输入到人工亭申经嘲络中进 行识别。可以以8 0 以上白皇概率弘确识别管道是否有泄潺发生。 率文提g l 了新的基于三传感器的漏点定位算法，由于这种算法中利用实时铡得 的信号在管道中的传播速度，提赢了相关算法的定位精度。 本文实现了从数据采集到漏点定位各功能模块的模块化编稃。 关键词：瑞雷波，功率谱，小波包，特征提取，相关，a 工神经网绍 颁t 学位论文 压力管道泄漏检测与漏点定位算法研究崎实现 a b s t r a c t t h et h e s i s si n t e n t i o ni st od e v e l o pac h e a pp i p e l i n el e a k i n gd e t e c t i o na n dl o c a t i o n s y s t e m i nt h i sp a p e r , 0 - 3 k i t zr a y l e i 曲w a v e i ss t u d i e d w h e nap i p ei sl e a k i n g ，t h es i g n a l sa v e r a g ei sl e s st h a nt h a tw h e nt h ep i p ei s n t l e a k i n g ，a n dt h es i g n a l s s t a n d a r dd e v i a t i o ni s g r e a t e r m e a n w h i l e ，t h es i g n a l sp o w e r s p e c t r u md e n s i t yi sd i s t r i b u t e df r o mi k h z t o3 k h za n dm o r et h a no n ep e a k - v a l u ea r e f o u n d s o ，t h es i g n a l s c h a r a c t e r i s t i c sb o t hi nt i m ea n di n f r e q u e n c yd o m a i n sa r e e x t r a c t e d ，a n dt h e na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki su s e dt od i s t i n g u i s hal e a k i n gp i p e l i n e f r o ma n o n l e a k i n go n e an e wl e a kl o c a t i o na l g o r i t h m ，w h i c hb a s e do nt h r e es e n s o r s ，i sa d v a n c e di nt h i s p a p e r t h e n e wa l g o r i t h mi m p r o v e st h el e a kl o c a t i o n a c c u r a c y a c c o r d i n g t o p r e v i o u sw o r k ，t h e l e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o n a l g o r i t h m i s p r o g r a m m e du s i n gv c a n dm a t c o m k e y w o r d s ：r a y l e i g hw a v e ，p o w e rs p e c t r u m ，w a v e l e tp a c k a g e ，c o r r e l a t i o n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k i i 堡主兰垡笙塞 垦垄笪望堂塑丝型兰塑皇星竺苎鲨堡壅皇塑一 1 绪论 1 。1 课题背景 管道运输是与铁路、公路、空运、水运同样重要的运输方式之一，在运送液体、 气体、浆液方面具有特殊的优势，因此在世界各国的经济和社会发展中发挥着越来 越重要的作用。据统计，目前世界上主要干路管线已超过2 3 0 多万千米，并以每年 4 万千米的速度在增长。我国油气管道干线已超过一万八千千米，城市供水系统更 是极为庞大的管道网络。随着西部沙漠油田的建设和东海、南海油田的开发以及城 市成品油、供水、煤气、天然气等的扩展，我国管道网络还会以更快的速度发展。 但是，随着管线的增多、管龄的增长，以及不可避免的腐蚀、磨损等自然或人 为损坏的原因，使管道泄漏以及由此导致的事故频频发生。据统计，美国浊气长输 管道每年每1 0 0 0 千米就可能发生一次泄漏事故，我国管道的泄漏率还要远高于此； 同样，对于城市供水管网来说，美国的管道漏失率在8 以下，而我国在2 0 以上。 管道的泄漏不仅仅会带来重大的经济损失，造成资源的浪费，而且根据管道里 所运送物质的不同，还会对环境造成严重的危害，甚至会危及到人们的生命。因此， 各国都十分重视有效地预防管道的泄漏，在预防的同时，如何及时有效地探测到管 道的泄漏，准确地定位漏点，成为各国一直以来研究的重点。 实质上，管道泄漏检测是故障诊断技术的一个分支。故障诊断技术发展至今已 经历了三个阶段。第一阶段，诊断结果在很大程度上取决于该领域专家的感官和专 业经验，对诊断信息只作简单的数据处理。第二阶段是以传感器技术和动态测试技 术为手段，以信号处理和建模处理为基础的现代诊断技术，在工程中已经得到了广 泛的应用。近年来为了满足复杂系统的诊断要求，随着计算机及人工智能的发展， 诊断技术进入以知识处理为核心，以信号处理、建模处理与知识处理相融合的第三 个发展阶段一智能诊断技术阶段。管道泄漏检测技术的发展，大致也经历了上述的 三个阶段。下面简单的介绍一下管道检测技术的发展及其主要方法。 1 2 管道泄漏检测技术的发展及方法概述 最早对泄漏检测问题的探索和研究可以追溯到1 9 2 8 年，美国马萨诸塞州的 c a l d w e l l 等在他们1 9 2 9 年申请的专利( n o 1 7 3 8 0 9 4 ) 中，讨论的就是关于泄漏探 测的问题n1 9 5 5 年，美国利用“放射物检测法”对输油管道的泄漏进行检测，一 次检测的长度在2 0 千米以上。接着，前苏联、法国、丹麦、印度、日本等国也相 继采用了该技术，检测范围涉及到水管道、油管道、气管道等几乎所有类型的管道。 泄漏发生时，放入其中的放射性物质就会渗入到周围的土壤中，探测到它们的存在， 也就可以确定管道发生了泄漏及漏点的大致位置。后来，这种方法得到扩展，有时 在管道中不是加入放射性物质，而是加入其它类型的具有易挥发性的示踪剂，故又 称为“示踪剂检测法”。上述两种方法操作周期长，不适用于在线实时检测管道运 行状态，所以现在已经很少用了。 但是，这种检测方法的思想却随着科学技术的发展得到了发展，在人们发现了 有一些材料的某些特性会随它所接触物质的不同而不同后，就将这些材料做成检测 元件，这样就出现了“检测元件法”。例如：加拿大在输油管道建设时，将一种能 与油气进行某种反应的电缆沿管道铺设，泄漏发生时泄漏油气使电缆的阻抗特性发 生改变，并将此信号传回检测中心。该电缆即是传感器又是信号传输设备，利用阻 抗、电阻率和长度的关系确定泄漏的程度和泄漏的位置。又如：日本在8 0 年代开 发的“同轴电缆法”是用非透水而透油性好的绝缘材料( 多孔p t f e 树脂) 做电缆的 保护层，将这种电缆靠近输油管道铺设，当管道有泄漏发生时，油质通过多孔p t f e 树脂( 聚四氟乙烯) 电缆，使得该部分的阻抗降低，表明泄漏的发生。目前，还可以 利用一些特性光纤作为感应和传输信号的媒介，来达到检测泄漏的目的。但是“元 件检测法”存在的弱点是它不适用于己建管道系统的泄漏检测，并且相对来说建设 成本较高。 与上述方法同时发展的还有一类方法，称为“质量平衡法”，其原理是根据质 量守恒定律，在管道无泄漏的情况下进入管道的物质质量应等于流出管道物质质 量。当泄漏程度达到一定量时，入口与出口就形成明显的流量差。检测管道多点位 的输入和输出流量，或检测管道两端泵站的流量并将信号汇总构成质量流量平衡图 像，根据图像的变化特征就可确定泄漏的程度和大致的位置。但是无论是输送何种 物质的管道，都会有很多的支线，因此管道流体状态及参数较为复杂，影响管道计 量的瞬时流量因素也很多，因此该方法需要采取时间累计平均估计，这使得检测时 间较长，检测精度很低。检测流入、流出物质的质量，多采用流量计进行，因此， 流量计的精度也直接影响泄漏诊断的准确性。当管道运行时。其中物质的压力、温 度和密度都可能发生变化，这就意味着“进多少，出多少”的简单系统在某些应用 中是不够完善的，所以，这种方法要与“分段测试法”等方法配合使用。 到了7 0 年代，人们开始进行管道泄漏机理及其产生信号特性的研究，在此基 础上提出了一类新的基于泄漏时产生信号特征的泄漏检测及漏点定位方法。 我们知道，当管道内液体或气体泄漏时，由于管道内外的压力差，使得泄漏的 物质在通过漏点到达管外部时形成涡流，从而产生了振荡变化的声波。通过在漏点 两端放置传感器或其它装置接收沿管壁或管内物质传过来的声波，分析其特征可以 确定是否有泄漏发生，同时根据到达两传感器的时间差( 时延) ，结合已知的两传感 器问的距离及声波传播的速度即可定位漏点。 法”，这种方法是通过一根与管壁靠近或接触的“昕音棒”来拾取泄漏时噪声，然 后直接通过入耳或借助耳机来识别是否有泄漏发生，并根据泄漏噪声强度的不同来 确定漏点的位置。这种方法不仅受外界的影响较大，而且依赖于人的经验，一般只 能在深夜时靠有经验的人来进行检测，即使这样，对泄漏的检测及对漏点定位的效 果也并不是很理想。 另一种依靠声波检测的方法是在漏点的两侧分别放置声传感器，监测管道发出 的噪声，然后将采来的信号传到计算机中对其进行处理，提取噪声信号的特征，对 所提取的特征进行识别，以确定泄漏的发生。这种方法同样也是受外界的干扰很大， 一般来说检测及定位效果也不是很理想。 还有一种根据声波检测的方法是借用“无损检测”中的主动声发射法原理来检 测泄漏。 在泄漏发生时，漏点处除了会发出声波外，同样也会产生压力波。即在泄漏发 生时，泄漏处产生因流体物质损失丽弓1 起局部流体密度减小出现的瓣时压力降低和 速度差，这个瞬时的压力下降作用在流体介质上就作为减压波源通过管道和流体介 质向泄漏点的上、下游传播。当以泄漏前的压力作为参考标准时，泄漏时产生的减 压波就称为负压波。 利用放在漏点两端的压力传感器拾取压力波信号，根据两端拾取压力波的梯度 特征和压力变化率的时间差，利用信号相关处理方法就可确定泄漏程度和泄漏位 置。这种方法称为“负压波检测法”。它是目前国际上应用较多的管道泄漏检测和 漏点定位方法。清华大学与中国石油天然气东北输油管理局在铁秦管道新民黑山 站间及天津大学和新乡输油公司在中洛管道濮阳滑县站间均采用了负压波法的 泄漏实时监测系统。但是，由于管道吸收能量使锝负压波振荡的物理参量特征减弱； 周围环境的干扰及支路阀门的状态等因素给泄漏的检测和漏点的定位会带来很多 的困难。 与“负压波检测法”相似，加利福尼亚州的h l l e d e e na s s o c i a t i o no f s u nv a l l e 公司与n n k 和d i g i t a l d y n a m i c s l n c 公司研制出负压波阵面检测系统，该系统也是 利用负压波进行检测，但是它所拾取的是负压波相位差，处理时主要幂用相敏检波 技术。资料表明，它可以在1 0 0 千米处检 ；奥6 出管道设计流量1 的泄漏。 近年来，还出现了一种新的检测方法，即“瞬态模型法”。基于此方法的瞬时 模拟系统主要针对动态检狈0 泄漏，由于静态检测泄漏在管道压力及温度的变化期间 有一定的局限性，因此在由于压缩机或泵失灵、干线截断阉关闭和管道支线进出口 阀门的形状等引起状态变化期间，瞬时模拟系统可以提供确定管道的存量的方法， 以作为系统流量平衡的参考量。同时，瞬时模拟系统还具有一些其它能力，期中包 括天然气管道充填量分析、传递效率分析、压缩机或泵的优化运行。其应用的优越 性可说明建立一套瞬时模拟系统是可行的技术，在经济合理性方面也令人满意。 硕士学位论文 压力管道泄漏检测与漏点定位算法研究与实现 的参数作为边界条件，对管道内的压力和流量参数进行估计。当计算结果偏差超过 给定值时，即发出泄漏报警。由于影响管道动态仿真计算精度的因素众多，因此采 用该方法迸彳亍检测泄漏及定位的难度很大。实肘模型法是近年来国际上着力研究的 检测泄漏的方法。自8 0 年代中后期以来，我国也对实时模型法进行了研究，但研 究结果都是在实验室的模拟管道上得出的，并未在实际管道上进行验证。 1 3 国内外相关产品 到了上世纪八十年代，根据各种方法开发出来的泄漏检测及漏点定位设备才进 入商品化阶段，德国s e b a 公司、英国雷迪公司、美国f l o w m e t r i x 公司及日本富 士株式会社等多家公司都开发出了自己的检测仪器。近年来，在国内也有几家从事 泄漏检测仪器生产的公司，如扬纠的西蜀仪器公司、捷逶供水技术设备有限公司等。 这些仪器有一个共同的特点，就是基于管道泄漏时产生的声音或振动信号特征 为检测依据。现以德国s e b a 国际集团的产品为例简单说明一下各类仪器的组成及 特点： 1 、电子耳听漏仪： 如图1 ，3 1 所示该仪器主要由话机式放大接收 机、连接线及探棒拾音器组成。在使用时将探棒拾音 器的前端直接与管道接触或管道相关联部分接触以 接收泄漏噪音，然后通过听者的经验来区分流体流动 噪声泄漏噪声，并且可以对不同昕测点进行泄漏声强 比较，从而确定漏点所在的区间。其特点是使用时拾 音器必须与管道直接接触。 2 、无噪型检漏仪： 如图1 3 2 所示该仪器主要由接收机、拾音器及 专用耳机组成。在使用时将拾音器放在管道的上方， 以1 米为间隔来比较泄漏噪声的强弱，通常情况下， 听测到最大泄漏噪声的地方就是漏点的位置。与电子 耳相比，该仪器在使用时不必与管道直接接触，但判 断是否有泄漏发生仍然是依靠人的经验。 3 、新型微处理器系统型检漏仪： 图1 3 1 测搞用听音捧 图13 2 漏水探测仪 该仪器主要是在第二种检漏仪的基础上，在其接收机中加入了由微处理器构成 的数字滤波及信号处理电路。它可以记忆存储2 0 个测试点的噪声强度信号，并实 时绘出噪声曲线使检测者可以通过图形来判断是否有泄漏发生，由于加入了滤波 电路，使得检测结果的准确性更高些。 坝i 学位论文 压力管道泄漏榆测与漏点定位算法研究与实现 4 、相关仪： 如图1 3 3 所示，该仪器主要由相关仪主机、无线发射机及振动传感器组成。 其工作时将压力传感器置于管壁或管道相连接的部位。由于漏点产生的压力波沿管 道从泄漏点向远方传播，其传播速度取决于 管道的材质，两个压力传感器可拾到传播的 压力波信号，并传送到内置放大器的发射机， 然后发射机将压力信号转换成电信号。该信 号通过无线发射机或通过电缆传送给相关仪 主机，相关仪主机根据接收信号的不同时间 利用相关原理来计算漏点位置。并以图形及 数据给出测试结果。 图l33 测漏系统图 1 4 管道检测的主流技术及发展趋势 从上述的管道检测的主流产品可以看出，目前检测泄漏的主流技术仍以泄漏时 产生的压力波为研究对象：在漏点定位中，主要采用相关原理，通过分析信号到达 两个传感器的时延，并结合预先给定的信号传播速度来确定漏点的位置。 近几年，现代控制技术和数据处理技术正迅速应用到管道的故障诊断系统中。 将管道泄漏检测及定位系统与管网s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统融为一体，是管道检测技术发展的趋势。这样，就可以最大限度地 利用现代计算机技术预报和诊断管道泄漏事故。 1 5 本文的主要工作 目前国外虽然有许多成型的泄漏检测及漏点定位装置，但是它们的价格较为昂 贵，而且，由于国内外管道材料及铺设工艺上的差异，使锝这些仪器在实际检测的 过程中效果不是很理想。另外，由于我国对于管道泄漏检测的研究起步较晚，基础 研究投入较少，一般来说是针对特定的一段管线开发的监测系统，在成型的产品中， 相对国外的产品来说，技术相对落后。 针对这种情况和当前管道检测的主流技术及其发展趋势，本文主要做了如下几 个方面的工作： ( 1 ) 本文主要对泄漏信号的低频段进行了分析研究，并提取该频段信号的能 量特征和统计特征作为泄漏检测的特征向量； ( 2 ) 在泄漏检测中利用神经网络技术，并以( 1 ) 中所提取的特征向量作为其 输入参量检测是否发生了泄漏； ( 3 ) 提出了基于三传感器的漏点定位算法，通过对信号传播速度及两传感器 硕j 学位论文 压力管道泄漏检测与漏点定位算法研究与实现 之间距离的实时测定，提高了定位的精度； ( 4 ) 基于对程序自身的可扩展性、开发周期及未来与s c a d a 系统的接v i 采用了面向对象语言c + + 并结合m a t c o m ，实现了算法程序的模块化设计。 硕 j 学位论文 压力管道泄漏检测与漏点定位算法研究与实现 2 泄漏信号的采集 2 1 泄漏信号产生的机理 根据文献3 ，流体输送管道( 如铁管、塑料管等) 管壁般都是弹性体，当泄漏 发生时，管道中的流体泄漏时会在泄漏处形成多相湍射流，它不仅使流体的正常流 动紊乱，而且与管道相互作用诱发应力波并在管壁内传播。实验结果表明，这种应 力波的频谱很宽，既包含声频成份，也包含超声成份。但是由于管壁的阻尼作用。 只有某些频率的波才能传播较远距离，这与管道的振型有关。 泄漏引发的管道振动可以分为纵振、横振和圆环振动。管道的振动模型可以采 用薄壁理论、无限长理论、圆环理论等描述。以薄壁理论为例，视管道为自由支撑， 同时假设管壁为弹性体，在理想的中空的管道上，其振动模型可以用三次方程的三 个根代表三个方向的振动频率： _ 1 一2 2 + 膏，一= 0 ( 2 1 ) 其中： k o = 1 2 ( 1 一万2 ) ( 1 + 8 ) t 4 + 1 2 ( 1 8 ) b q 2 + 月2 ) 4 2 ( 4 巧2 ) ，4 n 2 8 1 2 , 4 2 n 6 + 4 ( 1 一万2 ) f 4 + 4 1 2 n 2 + n 4 】 k = 1 2 ( 1 一j ) ( ，2 + 2 ) 2 + 1 2 ( 3 一j 一2 5 2 ) ，1 + 1 2 ( 1 8 ) n2 + b 1 2 ( 3 一j ) ( f2 + n 2 ) 3 + 2 0 8 ) t 4 一( 2 一占2 ) ，2 n 2 1 2 ( 3 + 8 ) n 4 + 2 ( 1 一占) ，2 + 甩2 】 k 2 = 1 + l 2 ( 3 一占) ( ，2 + 刀2 ) + 6 ( ，2 + , 12 ) 2 + 2 ( 1 一占) ，2 + 盯2 b ：旦 1 2 a 2 在上述各式中，a 为管道的平均直径；，为管道的长度；行为横振动的波数；j 为泊 松系数。 这一模型是针对理想的中空管道推导出来的，对于气体管道具有指导意义，可 以看出管道的振动是与管道本身的结构和管道材料密切相关的。对于实际管道中包 含有一定流速和一定压力的流体，情况更为复杂。包含水的管道的圆环振动可用下 式估计： 工= 去警志赤+ t n 4 ( 2 矿_ i ) 2z 一掣列” ( 22 ) 硕j 二学位论文 压力管道泄漏检测- 与1 i i 点定位算法研究崎实现 式中：k = 筹，x = 第， = 1 ( 1 - 矿8 2 ) q r ，e 专鲁而n 2 “，口为管壁上法线 方向平均压力：y 。为水的比重；a 根据k ，n 估算；r 为管道半径；h 。为管壁厚度的 二分之一：，为管的长度；万为泊松比；g 为重力加速度；e 为杨氏模量：y 为管 材料的比重；n 为确定的整数( 2 ，3 ，4 ，) 。 需要说明的是，以上方程对于自由支撑管道是适用的，但通常工业现场的管道 都有很多刚性或非刚性束缚结构，很难直接从方程分析出准确的管道振动描述。特 别是大量使用的地下埋设管道情况更为复杂。理论研究和实践检验都表明管道泄漏 引发的应力波与泄漏源有关，波动的传播则与管道本身特性有关。但是理论分析同 时表明，试图建立管道泄漏引发扰动的数学解析准确模型是困难的，因为实际管道 许多因素都不相同。 通过上面叙述可知，管道泄漏时会引发纵振、横扳和圆环振动，并且通过管壁 的压缩、膨胀和剪切来传播，实际在管道中传播的波可以分为横波、纵波及面波( 瑞 雷波) 。计算结果表明，管壁的横振动和纵振动的频率很低，与泄漏不存在直接关 系，而管壁的圆环振动则与泄漏密切相关【9 】。同时，由文献“引可知，波动在介质 中传播过程中，瑞雷波的能量约占全部能量的2 3 ，在均匀的介质中无频散性，而 在非均匀介质中存在频散特性：并且在传播的过程中，瑞雷波衰减的最慢。因此， 为我们在实际中测量的是由于泄漏引发在管道中传播的瑞雷波。 2 2 泄漏信号的传播速度 文献n 2 1 中给出了泄漏时信号在管道中传播速度的计算公式： 对于壁厚大于管径的铅管： c = 4 e v l p i l + 2 e v ( 弓一r i 2 ) e ( 芎一2 ) ( 2 3 ) 对于管壁厚度小于管径的铸铁管及钢管： c = 4 e v l p l 1 + ( e v e ) ( d h ) ( 2 4 ) 以上公式中： c ：泄漏时信号管内的传播速度 西：水的体积弹性系数 e ：管道材料的弹性系数 p ：水的密度 d ：管的内径 h ：管壁厚度 塑主堂堡堡；! 三： ：管的内半径 压力管道泄漏检测与漏点定位算法研究与实现 ，2 ：管的外半径 在复合管内漏点噪声的传播方式，用铅管和塑料管组合后的实验表明在接头点 处，因材料不同，其噪声传播速度也发生种种变化。 此外，如管内存在水锈等使流量受阻的情况下，噪声传播速度会降低很多。 2 3 实验模型的建立 本课题所研究的压力管道是供水管道，为获得实验数据建立了实验模型，该 试验模型建在一块呈长方形的场地上，场地长为5 4 米，宽为9 3 0 米，在其中埋设 了长为4 7 米、管径为2 5 毫米、管壁厚为2 毫米的直管，埋设深度为0 5 米，与当 地供水管道埋设深度相同。 管道铺设情况如图2 3 1 所示： 4 7 m a倒23 1 买验模型吓恿图 a 点为水的入口，由校内的主供水管道接入，其正常水压为3 4 公斤力：在 图2 3 1 中所示的0 米、2 5 米及4 7 米处，各放置一个阀门井，用来控制管内水的 动及安放传感器：在图中6 米、1 8 5 米及3 7 米处，各设置了直径为3 毫米和5 毫 米的两个漏点。除了在三个阀门井处可放置传感器外，还在管道的其它位置预留了 放置传感器的位置，以便能测出当有泄漏发生时不同位置的信号，获得距漏点不同 距离处的信号特征，并能通过相关算法计算出漏点的位置。 2 4 管道状态信号的采集 任何一个物理系统的状态或行为都可以被称为信息，而表示这些物理系统状态 和行为信息的函数。就是信号。检测的过程实际上就是获取一个物理系统的在某一 时刻的信号。对该信号进行滤波、变换等处理后提取能反映信号本质的特征，将这 一时刻的信号特征与不同状态下信号特征通过某种手段进行对比，可以确定此时刻 系统处于哪种状态。 但是，我们知道，一个物理系统在任何一种状态下的特征都是多种多样的，具 硕： ：学位论文压力管道泄漏检测与漏点定位算法研究与实现 体以哪种特征为判断依据，这就需要我们首先对代表系统状态信息的信号进行分 析，找出其本质特征，即进行信号分析。 因此，在上述意义上，基于现代信号处理的检测系统一般由下述三大部分组成： 信号采集模块、信号处理模块及结果显示控制模块组成，可由图2 4 1 表示： 图241 基于现代信思检测技术的检测系统的组成 信号分析模块，一般来说是独立于检测系统而存在的。 为了能够检测管道是否有泄漏发生，进一步定位漏点的位置，首先要有效而准 确的获取表示管道物理状态信息的函数，即管道状态信号。然后，分析泄漏发生与 没有发生时的信号特征，在此基础之上决定选取哪些特征为判断的依据。接下来， 是提取所选择的特征，即进行信号处理。最后，借助于模式识别的方法来判断泄漏 的发生。 在一个检测系统中，信号采集模块起着重要的作用，它决定了获取信号的类型 及质量，直接影响到检测结果的精度，甚至导致错误的检测结果。由于本课题是由 我与另一个合作者共同完成的，我所承担的任务主要是在上位机中对信号的接收及 后续处理工作，所以这里对信号采集模块进行一下简要的描述。 2 4 1 信号采集模块的组成 如图2 4 1 1 所示，本文的信号采集模块由传感器、信号预处理电路及信号传 图2 4 1i 信号采集模块的组成 输三部分，它的作用是将某种物理特性经传感器转化为电信号后，经过放大、滤波， 并通过某种手段传送给计算机或专用的信号处理系统( d s p ) ，以进行进一步的处理。 l 、传感器： 传感器是一种将振动、声音、温度等各种非电物理信号转换为电信号的装置。 其工作机理基于各种物理、化学和生物效应，并受相应的定律和法则所支配。 通常选择传感器的原则有以下几点： 1 ) 、足够的频响范围，即传感器的工作范围足够大，且具有一定的过载能力。 2 ) 、与检测、控制系统的匹配性好，转换灵敏度高，其输出信号与被测输入信 号成确定关系( 通常为线性) ，且比值较大。 颁l 学位论文压力管道泄漏检测与漏点定位算法研究，实现 3 ) 、精度适当，且稳定性高，即传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足 要求，并能长期稳定地工作。 4 ) 、响应速度快，工作可靠性好。 5 ) 、成本低，寿命长，且易于使用、维修和校准。 针对本课题中所要采集的是管道泄漏时的较低频段的振动信号，结合上述原 则，我们选择了一种压电晶体加速度传感器，其性能指标如下： 电荷灵敏度：2 9 7 5 p c m * s 2 横向灵敏度比： 1 0 0 0 m r 2 采样保持时间：5 p s a d 转换部分： 分辩率：1 2 b i t 精度：优于o 0 3 ( 满量程) a d 转换时间：2 5 伊( 典型值) 通过率：1 2 k h z 堡兰些堡苎 垦塑笪堕鲨塑丝型兰塑生塞垡竺姿堕窒皇壅型 2 4 2 信号的采集 因为本课题中所选传感器的频响范围为0 3 k h z ，即传感器的频响线性段在 0 3 k h z 之间，故在实验中，在传感器和放大电路之间加入一个上限频率为3 k h z 的抗混叠滤波器，然后，利用单片机或安装在p c 机上的数据采集卡对信号进行采 样。 依据采样定理，为了避免发生混叠现象，采样频率必须大于原模拟信号频谱中 最高频率的两倍。但是，由于前置的抗混叠滤波器的截止特性不可能非常锐陡，总 会有一个过渡带存在，这样就使得通过滤波器的信号中仍有小部分高于截止频率的 信号分量，经过取样所产生的副瓣频谱就将有- d , 部分和有用信号频带重叠引起失 真。为了避免这种失真，采样频率必须稍大于理想的最小值，即信号中最高频率成 份的两倍，一般可取采样频率为信号中最高频率成份的2 5 3 倍，当然在技术实 现起来没有困难的情况下，可尽量将采样频率取的高些。在本课题中，将采样频率 设置为1 0 k h z 。 在实验中采集了如下几种情况的实验数据： 1 、管道中水不流动，无泄漏时； 2 、管道中水流动，无泄漏时； 3 、管道中水不流动，有泄漏时； 4 、管道中水流动，有泄漏时； 在以上各种情况下，分别将两个传感器放在漏点的同侧或两侧进行了测量，并 不断调整传感器的位置以改变其距漏点的距离。 硕f 二学位论文 鹾力管道泄漏检测与漏点定位算法研究与实现 3 管道状态信号的分析和特征提取 工程中遇到的信号就其变化规律的特性来划分，粗略地可归结为确定信号和随 机信号两类。如果信号的未来值可以用某个函数准确地描述，则这类时间信号称为 确定信号。如币弦信号，它可以用正弦函数描述，对给定的某一时刻就可确定相应 的函数值，所以在相同条件下能够准确地重现。反之，如果给定任一时刻，信号的 值是随机的，换句话说，信号的未来值不能用精确的时间函数来描述，无法准确地 预测，在相同条件下也不能准确的重现，则称该信号为不确定信号或随机信号。由 于这类信号的未来值随时间推移随机地变化，因此，只能用概率分布来描述，或用 统计平均值来表征，所以又通称为统计时间信号。 严格说来客观存在的信号基本上是随机信号，只有那些供分析和测试用的基 本信号，如正弦信号，方波信号和三角波信号等周期信号才是确定信号。在课题中 研究的管道状态信号也是一种随机信号。 3 1 管道状态信号的分析 3 2 1 管道状态信号分析的理论基础 由前面的讨论可知，管道的泄漏信号是一种随机信号，因此，随机信号分析理 论则是泄漏信号分析的理论基础。 对于随机信号来说，我们无法确定它在下时刻的取值，因此随机信号不能用 确定的时间函数来描述只能研究它在某种概率范围内的统计特性，不仅需要知道它 的可能性还必须找出与其相应概率之间的对应关系。随机信号的统计特性虽然从理 论上来说可以利用概率分布函数给以完整的描述，但是，在许多工程实际中要确定 一个概率分布函数往往困难很大，需要通过大量的实验才能求出近似的表达式，而 且计算复杂使用不便。因此在工程问题中，通常是找出信号的某些能够反映其中心 趋势或散布情况等的一些数字特征。下面我们从数学的角度来说明一下如何找出这 些数字特征。 依据数学的知识，能够完全刻画分布函数的是它的特征函数。参照文献m ，给 出特征函数的定义： 定义1 ：设随机变量x 的概率密度函数为，( 善) ， 随机变量爿的特征函数，记为m 。 ) ，即： m j ( u ) = e e7 “】，一0 0 1 ”i m i n 一1 ( 3 1 7 ) m j m 由上式可以看出，直接法是间接法的一个特例，即当间接法中所使用的自相关函数 的最大延迟胙一1 时，二者是相同的。 对其改进的另外一种方法是平均法，它的指导思想是把一长度为| v 的数据 x n o ) 分成l 段，分别求每一段的功率谱，然后加以平均，以达到所希望的目的。 在实际应用时，有时还把平均与平滑结合起来使用。常用的改进方法有b a r t l e t t 法、 w e l c h 法、n u t t a u 法。详细说明可参考相关文献【3 2 】。本论文中采用的为w e l c h 法。w e l c h 法是对b a r t l e t t 法的改进。改进之一，是在对h o ) 分段时，可允许每一 段的数据有部分的交叠。例如，若每一段数据重合一半时，这时的段数 n 一心 扛希 2 式中m 仍然是每段的长度。改进之二是每一段的数据窗口可以不是矩形窗i s i ，例 如使用汉宁窗或海明窗，记之为d ：g ) 。这样可以改善由于矩形窗边瓣较大所产生 的谱失真。然后按b a r t l e t t 法求每一段的功率谱，记之为p 。) ，即 p 一b ) = 面1 l m 刍- i z j 。p ：。弦一“i 2 ( 3 1 8 ) 堡! ：兰些堡墨 式中 u 萎d 2 2 ( m ”) 怎 压力管道泄漏检测与漏点定位算法研究与实现 f 3 1 9 ) 是归一化因子，使用它是为了保证所得到的谱是渐进无偏估计。如果d z ( n ) 是一矩 形窗i z l ，平均后的功率谱是 声一如) = 圭妻白) = 丽1 缶ll i u 刍- 1 | 帕p ：渺，”1 2 其均值为 e ) ； 窆e ) = e ) 记d ：b ) 是d2 b ) 的频谱，即 d ：0 ) = d ：( n ) e 。” 记如) 2 面1 u l d ：如】2 则白) = 尸0 ) 面1 万i d ：0 】2 = p ) t b ) 经典谱估计的算法有如下特点： 1经典谱估计，不论是直接法还是间接法 念明确，因而仍是目前较常用的谱估计；h - 法。 r 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) f 3 2 2 ) 都可用f f t 快速计算，且物理概 2 谱的分辨率较低，它正比于2 石，n ，n 是所使用的数据长度： 3由于不可避免的窗函数的影响，使得真正谱p ( ) 在窗口主瓣内的功率向旁 瓣部分“泄漏”，降低了分辨率。较大的旁瓣有可能掩盖p ) 中较弱的成分，或是 产生假的峰值。当分析的数据较短时，这些影响更为突出。 4 方差性能不好，不是p ) 的一致估计，且增大时谱曲线起伏加剧。 5周期图的平滑和平均是和窗函数的使用紧密相关的。平滑和平均主要是用 堡主堂堡堡苎 堡塑笪望型塑堂堕坚掣壁曼善兰荽兰翌堕娄塑i ! ；： 来改善周期图法的方差性能，但往往又减小了分辨率和增大了偏差。没有一个窗函 数能使估计的谱在方差、偏差和分辨率各个方面都得到改善。因此，使用窗函数只 是改进估计质量的一个技巧问题，而不是根本的解决办法。 3 2 3 5 管道状态信号的功率谱分析 在本文中，利用改进的周期图法估计管道信号的功率谱，下面分别作出不同情 况下的功率谱图： ， b 机枷从枷彩 f t 神- n c y o 田 圈3 235i 管道中水不漉，无泄漏囤3 2352 管道中水流动无泄漏 ” ：黑。，器“”u c y t h 圈3 2353 管道中水刁；流t 丈孔漏( 5 6 8 米) 图3 2354 管道中水不流，丈孔漏( 1 2 4 米) 。卜矗p 亩1 蕊磊旷嵛 | 塾i3 2355 管道中水小流，小孔漏( 56 8 米)图3 2356 管道中水不流，小扎漏( 1 2 4 米) 2 4 预f j 学位论文 压力管道泄漏检测与漏点定位算法研究与实现 图3 2357 管道中水流动大孔漏( 56 8 米) i 。“舢捻；h 山。； “黑。y 翟” r m q u e n c y 【r 1 日 图3 2358 管道中水流动大孔漏( 1 2 4 米) 1 一一。，血删 il 目3 23 5 9 管道中水流葫，小孔漏( s 6 8 米) 图3 2 3 5 ，1 0 管遭中水流功，小孔灞( 2 4 米) 对于以上几种情况下的功率谱图，我们可以得到如下结论： 1 、当管道没有泄漏发生时，信号频率较为集中，有单一的最大峰值，且带宽 较窄； 2 、当管道有泄漏发生时。信号频率出现多个峰值，在1 k t t z 3 k 1 - - i z 之间呈宽 带分布； 3 、当管道有泄漏发生时，在相同的条件( 泄漏点孔径相同、管道内水的流动状 态相同1 下，距离漏点较远处，信号的低频成份逐渐减弱，高频成份逐渐增强；这 实际上也说明了，前面通过理论所得的在实验中实际分析的是管道发生泄漏时所产 生的瑞雷波的结论是正确的。 3 3 管道状态信号的特征提取 3 3 1 管道状态信号的统计特征 这里所说的统计特征是指在对采集并处理后的时域信号进行统计计算而获得 5 2 5 ap4三 硕上学位论文 一 些垄篁望型塑丝型兰塑皇塞竺簦鲨型塑! 篓茎型一一 而砸孺研曛菊丽添葡藕雨面藤。 由图3 2 2 5 、图3 2 2 6 、图3 2 2 7 及图3