流體管道單一傳感器模態(tài)聲發(fā)射時(shí)頻定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于管道泄漏檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種流體管道單一傳感器模態(tài)聲發(fā)射時(shí) 頻定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 管道作為一種高效便捷的流體輸送方式已在天然氣、石油等流體輸運(yùn)中廣泛采 用。由于自然或人為原因：管道老化、腐蝕，地質(zhì)沉降，不規(guī)范施工等，管道泄漏時(shí)有發(fā)生。氣 體管道泄漏引起資源浪費(fèi)、環(huán)境污染，甚至爆炸、中毒等惡性事故，給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成 嚴(yán)重的威脅。因此，流體管道泄漏檢測(cè)定位技術(shù)對(duì)于減小管道泄漏造成的危害是十分必要 的。
[0003] 聲發(fā)射技術(shù)作為一種實(shí)時(shí)在役的無(wú)損檢測(cè)方法在流體管道泄漏檢測(cè)中日益受到 人們的關(guān)注。通常，聲發(fā)射管道泄漏檢測(cè)需要在管壁的至少兩個(gè)接觸點(diǎn)安裝兩只聲發(fā)射傳 感器獲取泄漏引起的連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)管道的泄漏檢測(cè)。中國(guó)專(zhuān)利 (CN103062628A)公開(kāi)了一種基于聲發(fā)射技術(shù)的埋地管道泄漏檢測(cè)定位方法，克服現(xiàn)有泄漏 檢測(cè)技術(shù)的不足，結(jié)合小波變換消噪和相關(guān)分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)埋地管道實(shí)時(shí)在役無(wú)損檢測(cè)。該 方法應(yīng)用于長(zhǎng)度為6米的試驗(yàn)管道，利用兩只聲發(fā)射傳感器在泄漏點(diǎn)兩端管壁上同時(shí)獲取 兩路聲發(fā)射信號(hào)，利用互相關(guān)對(duì)兩路聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)來(lái)確定泄漏位置，定位誤差 為15.2%。采用小波變換消噪可以在檢測(cè)管道長(zhǎng)度較小時(shí)降低互相關(guān)定位誤差，但定位誤 差仍在5%以上。這主要是因?yàn)榛ハ嚓P(guān)定位方法是建立在泄漏聲發(fā)射信號(hào)沿管道以恒定不 變的聲速傳輸?shù)那疤嵯?，但?shí)際上管道泄漏聲發(fā)射信號(hào)具有寬頻帶、頻散、多模態(tài)等特性， 不同的模態(tài)具有不同程度的頻散和不同的傳輸速度，即泄漏聲發(fā)射在管道中的傳播速度與 頻率和模態(tài)類(lèi)型密切相關(guān)，恒定不變的聲度難以獲得。如果直接對(duì)采集的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行 相關(guān)分析并定位泄漏，信號(hào)的相關(guān)性弱，時(shí)延估計(jì)誤差大;另一方面聲速只能取頻率范圍內(nèi) 某一模態(tài)導(dǎo)波速度的平均值，這兩點(diǎn)會(huì)造成較大泄漏定位誤差。因此基于互相關(guān)的聲發(fā)射 管道泄漏檢測(cè)方法定位誤差大，不適合用于頻散嚴(yán)重而恒定聲速難以確定的情況。于是，中 國(guó)專(zhuān)利(CN104747912A)公開(kāi)了一種流體輸送管道泄漏聲發(fā)射時(shí)頻定位方法，首先對(duì)泄漏兩 端采集的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，然后對(duì)互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行時(shí)頻分析來(lái)確定時(shí)間延遲和 對(duì)應(yīng)的頻率信息，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)頻定位。該方法克服了因泄漏聲發(fā)射信號(hào)頻散而導(dǎo)致的定位 誤差大的問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)采用的是一種單一主導(dǎo)模態(tài)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)的時(shí)頻定位方法，但 實(shí)際泄漏聲發(fā)射信號(hào)是多模態(tài)信號(hào)(彎曲模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)、縱向模態(tài)和流體主導(dǎo)模態(tài)），從而 會(huì)導(dǎo)致泄漏兩端采集的泄漏信號(hào)在進(jìn)行互相關(guān)分析時(shí)相關(guān)程度弱，使得互時(shí)頻定位誤差較 大。另外，該方法仍然需要兩只傳感器才能實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的定位，這樣會(huì)在工程應(yīng)用中造成一 定程度的不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種流體管道單一傳感器模態(tài)聲發(fā)射時(shí)頻定位方 法。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一種流體管道單一傳感器模態(tài)聲發(fā) 射時(shí)頻定位方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟1)采用單一聲發(fā)射傳感器在泄漏管道任意可接觸端點(diǎn)拾取管道泄漏聲發(fā)射 信號(hào)；
[0007] 步驟2)對(duì)泄漏聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析獲得時(shí)頻譜；
[0008] 步驟3)提取泄漏信號(hào)的三個(gè)時(shí)頻譜峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息和頻率信息，所述的三個(gè) 時(shí)頻譜峰值分別對(duì)應(yīng)彎曲模態(tài)、縱向模態(tài)和流體主導(dǎo)模態(tài)；
[0009] 步驟4)利用三個(gè)峰值時(shí)間求取任意兩種模態(tài)信號(hào)的時(shí)間差，利用三種峰值頻率代 入對(duì)應(yīng)的三種模態(tài)的頻散曲線(xiàn)獲得三種模態(tài)信號(hào)的聲速；
[0010] 步驟5)根據(jù)所求三種時(shí)間差和聲速得到三種泄漏點(diǎn)位置，并對(duì)其求平均來(lái)獲得更 加準(zhǔn)確的泄漏位置。
[0011] 進(jìn)一步，所述任意兩種模態(tài)信號(hào)時(shí)間差為任意兩個(gè)時(shí)頻譜峰值的時(shí)間差。
[0012] 進(jìn)一步，所述模態(tài)信號(hào)的聲速通過(guò)將對(duì)應(yīng)模態(tài)時(shí)頻譜的峰值對(duì)應(yīng)的頻率信息代入 對(duì)應(yīng)模態(tài)的頻散曲線(xiàn)獲得。
[0013] 進(jìn)一步，所述定位方法具體為：
[0014]所述聲發(fā)射傳感器在管壁拾取的泄漏聲發(fā)射信號(hào)表不為：
[0015] X(t)=F(t)+L(t)+f(t) (1)
[0016]其中，X(t)表不泄漏聲發(fā)射信號(hào)，F(xiàn)(t)表不彎曲模態(tài)信號(hào)，L(t)表不縱向模態(tài)信 號(hào)，f(t)為流體主導(dǎo)模態(tài)信號(hào)；
[0017]對(duì)泄漏聲發(fā)射信號(hào)X(t)進(jìn)行時(shí)頻分析為：
[0019] 其中，TF為時(shí)頻分析算子，Cx、CF、Cl和Cf分別表示泄漏信號(hào)、彎曲模態(tài)、縱向模態(tài)和 流體主導(dǎo)模態(tài)的時(shí)頻譜，t、t F、tL、tf分別表示泄漏信號(hào)、彎曲模態(tài)、縱向模態(tài)和流體主導(dǎo)模 態(tài)時(shí)頻譜的時(shí)間信息，ω、co F、oh和cof分別表示泄漏信號(hào)、彎曲模態(tài)、縱向模態(tài)和流體主導(dǎo) 模態(tài)時(shí)頻譜的頻率信息；
[0020] 則三個(gè)峰值的對(duì)應(yīng)的時(shí)間和頻率可表示為：
[0024] 其中，ωΡ〇、ωcofQ分別是彎曲模態(tài)、縱向模態(tài)和流體主導(dǎo)模態(tài)信號(hào)的時(shí)頻譜的 峰值對(duì)應(yīng)的頻率信息，t FQ、tu)和tfQ分別是彎曲模態(tài)、縱向模態(tài)和流體主導(dǎo)模態(tài)信號(hào)的時(shí)頻 譜的峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息。
[0025] 進(jìn)一步，將coFQ、ω?()、cofQ分別代入彎曲模態(tài)、縱向模態(tài)和流體主導(dǎo)模態(tài)的頻散曲 線(xiàn)即可確定對(duì)應(yīng)的聲速為C F、CL和Cf;
[0026] 任意兩種模態(tài)彳目號(hào)因速度差異導(dǎo)致的時(shí)間差為：
[0027] TFL = tF0_tL0 (6)
[0028] TfL = tf〇_tL〇 (7)
[0029] TfF = tf〇-tF〇 (8)
[0030] 其中，TFL、TfL和TfF分別為彎曲模態(tài)和縱向模態(tài)、流體主導(dǎo)模態(tài)和縱向模態(tài)、流體主 導(dǎo)模態(tài)和彎曲模態(tài)之前的到達(dá)時(shí)間差。
[0031]進(jìn)一步，泄漏點(diǎn)到傳感器的距離為
[0035]其中，Lo1，Lo2，Lo3分別為采用彎曲模態(tài)和縱向模態(tài)、流體主導(dǎo)模態(tài)和縱向模態(tài)、流 體縱向模態(tài)和彎曲模態(tài)之間的速度差異得到的泄漏點(diǎn)的位置;則
[0037] 其中，?表示采用三種不同的模態(tài)組合計(jì)算的泄漏點(diǎn)到傳感器之間距離的平均 值。
[0038] 由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：與傳統(tǒng)雙傳感器泄漏定位方 法相比，本發(fā)明僅需要一只聲發(fā)射傳感器即可確定泄漏點(diǎn)的位置，操作簡(jiǎn)便，便于工程應(yīng) 用；同時(shí)本發(fā)明提出了一種模態(tài)聲發(fā)射時(shí)頻定位方法，可以在多模態(tài)、頻散特性導(dǎo)致泄漏無(wú) 法定位的情況下對(duì)管道泄漏進(jìn)行準(zhǔn)確定位。
【附圖說(shuō)明】
[0039]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn) 一步的詳細(xì)描述，其中：
[0040] 圖1為管道三維坐標(biāo)圖；
[0041] 圖2為單一傳感器泄漏定位原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述;應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例 僅為了說(shuō)明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0043] 管道泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)沿著管道傳輸時(shí)被分解為多種不同類(lèi)型的模態(tài)信號(hào)。 隨著傳輸距離的增加模態(tài)聲發(fā)射信號(hào)隨之衰減，且頻率越高信號(hào)衰減越大，因此采用低頻 信號(hào)(〈100kHz)進(jìn)行管道泄漏聲發(fā)射檢測(cè)。流體管道可以看作由管內(nèi)流體、管壁及管道外部 介質(zhì)三層不同屬性的介質(zhì)構(gòu)成的圓柱形殼體復(fù)合結(jié)構(gòu)，低頻泄漏聲發(fā)射信號(hào)在這種圓柱形 殼體復(fù)合結(jié)構(gòu)中傳輸時(shí)只激勵(lì)四種基本的模態(tài)類(lèi)型:彎曲模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)、縱向模態(tài)和流體 主導(dǎo)模態(tài)，其中彎曲模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)和縱向模態(tài)主要在管壁中傳輸，而流體主導(dǎo)模態(tài)則為流 體中傳輸?shù)目v波。流體管道的三維坐標(biāo)如圖1所示，彎曲模態(tài)只產(chǎn)生徑向位移和周向位移， 扭轉(zhuǎn)模態(tài)只產(chǎn)生周向位移，縱向模態(tài)主要產(chǎn)生軸向位移和徑向位移，流體主導(dǎo)模態(tài)為流體 縱波主要引起管壁的徑向位移和軸向位移。聲發(fā)射傳感器垂直管壁安裝在管道上，其采用 的壓電敏感元件只對(duì)管壁的軸向位移和