林偉國(guó)， 吳石恩

(北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

壓力容器和管道廣泛應(yīng)用于石化企業(yè)中易燃易爆氣體、化工原料和危險(xiǎn)化學(xué)品的儲(chǔ)存和輸送，連接及控制這些物質(zhì)輸送的是各種各樣的閥門(mén)。由于腐蝕、老化、摩擦等原因造成閥門(mén)內(nèi)部密封面不嚴(yán)，引發(fā)內(nèi)部泄漏。閥門(mén)內(nèi)部泄漏不僅會(huì)造成能源的浪費(fèi)，還會(huì)造成環(huán)境污染和人員傷亡。因此，若能及時(shí)監(jiān)測(cè)到閥門(mén)的泄漏，并能及時(shí)修復(fù)，對(duì)于提高生產(chǎn)效率和節(jié)能減排具有重大的意義。

早期用于閥門(mén)泄漏檢測(cè)的方法主要有加壓檢測(cè)法、真空檢測(cè)法和氣泡法[1]。這些方法不僅要求閥門(mén)必須處于停用狀態(tài)，而且還需要將閥門(mén)從管件上卸下進(jìn)行檢測(cè)。閥門(mén)容易受到損傷、非在線檢測(cè)和效率低是這類(lèi)方法不適用于工業(yè)環(huán)境下在用閥門(mén)泄漏檢測(cè)的主要原因。

針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)內(nèi)漏的在線無(wú)損檢測(cè)，人們做了大量實(shí)驗(yàn)研究,提出了壓降法、振動(dòng)法、熱紅外法、超聲檢測(cè)法、光纖檢漏法和聲發(fā)射檢測(cè)法等技術(shù)。

壓降法在閥門(mén)泄漏檢測(cè)中應(yīng)用很多，通過(guò)在閥門(mén)上下游各安裝一只壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閥門(mén)上下游的壓力，若上游壓力顯著減小而下游壓力增加，則可以確定閥門(mén)的密封性不夠好[2-3]。壓降法對(duì)于快速突發(fā)性的大泄漏具有很好的檢測(cè)效果，但對(duì)微小泄漏檢測(cè)效果不理想[4]。此外，由于需要打孔安裝壓力傳感器，因此它不是一種嚴(yán)格意義上的無(wú)損檢測(cè)方法，在實(shí)際應(yīng)用中很難得到推廣應(yīng)用。

熱紅外法又稱(chēng)溫度記錄法，該方法對(duì)熱量損失和溫度超標(biāo)的情況具有很好的檢測(cè)靈敏度[5]，根據(jù)管道上下游表面溫度的差異變化來(lái)判斷閥門(mén)是否發(fā)生泄漏，此方法受環(huán)境溫度影響比較大，只適用于流體溫度與環(huán)境溫度有顯著差別的場(chǎng)合[6]。

振動(dòng)法是利用加速度傳感器檢測(cè)閥門(mén)內(nèi)漏時(shí)引起的管道振動(dòng)信號(hào)，Thompson等[7-8]做了大量實(shí)驗(yàn)，研究了氣體閥門(mén)內(nèi)漏時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻域特征，結(jié)果表明該方法具有較高的檢測(cè)靈敏度。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下能有效檢測(cè)出較低壓差(50 kPa)和微小泄漏率(0.5 l/min)的閥門(mén)內(nèi)漏，并且泄漏產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的中心頻率只與管道直徑有關(guān)，與泄漏率、上下游壓力差、閥門(mén)種類(lèi)和管道材質(zhì)、厚度無(wú)關(guān)。振動(dòng)檢測(cè)法的缺點(diǎn)是其對(duì)閥門(mén)內(nèi)漏和環(huán)境噪聲具有同等敏感度，在0～20 kHz的信號(hào)頻率范圍內(nèi)混疊了大量背景噪聲，抗干擾能力不強(qiáng)，在敲擊管道的情況下，系統(tǒng)也會(huì)判斷為閥門(mén)內(nèi)漏。Smith[9]在工業(yè)環(huán)境背景噪聲不可控的條件下做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明振動(dòng)法檢測(cè)閥門(mén)內(nèi)漏具有很高的不確定性。

超聲檢測(cè)法利用超聲傳感器檢測(cè)閥門(mén)泄漏產(chǎn)生的超過(guò)20 kHz的超聲信號(hào)，在40 kHz頻率附近超聲能量比較大，泄漏聲和本底噪聲能量差值也最大。以40 kHz作為中心頻率，通過(guò)分析中心頻率及附近的信號(hào)頻譜，可以有效地診斷出閥門(mén)運(yùn)行狀況。這種方法適用于泄壓閥和隔離閥的內(nèi)漏檢測(cè)，但超聲檢漏法只能用于流經(jīng)漏孔的氣體為湍流的場(chǎng)合，對(duì)于小漏孔、氣流為層流或分子流及液體閥門(mén)內(nèi)漏，該方法很難適用[10-11]。

聲發(fā)射是一種廣泛應(yīng)用于故障診斷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[12]。閥門(mén)內(nèi)漏時(shí)介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)為連續(xù)性的高頻信號(hào)(大于25 kHz)，隨著距離的增加，信號(hào)能量迅速衰減。將濾波器的頻帶范圍設(shè)置為100～400 kHz，可以有效的濾除較低頻段的環(huán)境和結(jié)構(gòu)背景噪聲，同時(shí)在一定程度上防止頻率過(guò)高信號(hào)衰減過(guò)快的現(xiàn)象[13]?；诼暟l(fā)射技術(shù)的閥門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)方法目前得到了廣泛的應(yīng)用。Sharif等[14]采用在閥門(mén)兩側(cè)法蘭上分別安裝聲發(fā)射傳感器的方法檢測(cè)氣體通過(guò)閥門(mén)的內(nèi)漏信號(hào)，在110.3 kPa壓差條件下最小可檢測(cè)泄漏量為0.2 l/min。Lee等[15]實(shí)驗(yàn)研究了在300 kPa、600 kPa、900 kPa壓差和不同泄漏孔徑(0.5 mm,1.0 mm,1.2 mm,1.5 mm和1.4 mm)條件下，水通過(guò)閥門(mén)內(nèi)漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻域特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明泄漏信號(hào)的均方根值與壓差和泄漏率相關(guān)，特征頻率與壓差和泄漏率無(wú)關(guān)，與故障模式相關(guān)。聲發(fā)射檢測(cè)法也有一定的局限性，由于其中心頻率普遍在150 kHz左右，且采樣頻率高達(dá)1 MHz以上。這個(gè)特性不僅要求硬件設(shè)備具有很高的處理速度和較大的存儲(chǔ)空間，而且對(duì)于信號(hào)的分析處理、特征提取和診斷建模也有較大的影響。

葉子等[16]提出了一種超高動(dòng)態(tài)范圍的全光纖超聲傳感系統(tǒng)，針對(duì)閥門(mén)發(fā)生泄漏時(shí)伴隨產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象，利用光纖的光彈效應(yīng)，將聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生的超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的相位變化，由光路干涉結(jié)構(gòu)將光信號(hào)的相位改變量轉(zhuǎn)換為兩路干涉輸出信號(hào)的幅度量，通過(guò)相位解調(diào)還原算法和功率譜分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲信號(hào)的探測(cè)和提取。經(jīng)過(guò)閥門(mén)泄漏實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證了全光纖超聲傳感系統(tǒng)的實(shí)用性和可行性,結(jié)果表明其超聲傳感系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)82.5 dB,對(duì)大信號(hào)和小信號(hào)情況均可實(shí)現(xiàn)靈敏監(jiān)測(cè)。因?yàn)榇朔椒z測(cè)的信號(hào)源為聲發(fā)射信號(hào)，光電探測(cè)器帶寬為200 M，數(shù)據(jù)采樣頻率高達(dá)10 GHz,具有與聲發(fā)射檢測(cè)法一樣的局限性，其硬件實(shí)現(xiàn)成本極高，工程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

針對(duì)上述方法中振動(dòng)法存在的抗干擾性不強(qiáng)和聲發(fā)射法要求采樣速率高、工程實(shí)現(xiàn)困難等缺點(diǎn)，本文提出一種基于雙聲波傳感器的液體閥門(mén)內(nèi)漏非介入式監(jiān)測(cè)方法，大量實(shí)驗(yàn)以及可重復(fù)性結(jié)果表明，該方法靈敏度高、信號(hào)有效頻率低(小于5 Hz)，不受環(huán)境噪聲和外部干擾的影響，同時(shí)對(duì)信號(hào)采樣和處理速度要求低，非常適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)閥門(mén)的集中、實(shí)時(shí)、在線泄漏監(jiān)測(cè)。

1 閥門(mén)內(nèi)漏聲波監(jiān)測(cè)原理

當(dāng)閥門(mén)由于磨損、腐蝕、變形等原因?qū)е麻y門(mén)密封面出現(xiàn)裂縫或漏孔，閥門(mén)上下游存在的壓差促使閥體內(nèi)介質(zhì)從密封面的裂縫或漏孔噴射到閥門(mén)下游一個(gè)相對(duì)足夠大的空間，噴射出來(lái)的介質(zhì)由于不再受邊壁的限制繼續(xù)擴(kuò)散流動(dòng)形成湍性射流。介質(zhì)噴射到閥門(mén)的下游，必然引起閥門(mén)下游壓強(qiáng)的擾動(dòng)，從而形成聲波；介質(zhì)由裂縫或漏孔噴射而出，必然造成閥門(mén)上游側(cè)介質(zhì)的流失，同樣會(huì)造成閥門(mén)上游側(cè)壓強(qiáng)的擾動(dòng)從而形成聲波。因此，在閥門(mén)的上下游兩側(cè)的管道外壁安裝聲波傳感器，接收閥門(mén)內(nèi)漏產(chǎn)生的聲波信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)采集到的聲波信號(hào)進(jìn)行特征分析，可以實(shí)現(xiàn)閥門(mén)內(nèi)漏的監(jiān)測(cè)。提取0～20 Hz內(nèi)的次聲波信號(hào)有助于有效濾除環(huán)境噪聲和外部干擾的影響,且在傳播過(guò)程中不易被水和空氣吸收而衰減。本文提出的閥門(mén)內(nèi)漏非介入式聲波監(jiān)測(cè)方法，采用在閥門(mén)上下游管道外壁分別非介入式安裝兩個(gè)聲波傳感器的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

理論上講，通過(guò)對(duì)上下游聲波傳感器采集到的異常信號(hào)的不同特征進(jìn)行分析，可以判斷異常信號(hào)是來(lái)自于管道輸送過(guò)程中上下游的擾動(dòng)還是閥門(mén)自身內(nèi)漏所產(chǎn)生的波動(dòng)信號(hào)。

如果閥門(mén)處于良好的關(guān)閉狀態(tài)，并且管道上下游沒(méi)有擾動(dòng)，上游和下游聲波傳感器都不應(yīng)該有異常信號(hào)輸出；如果管道上游產(chǎn)生擾動(dòng)，上游聲波傳感器能檢測(cè)到異常信號(hào)，下游聲波傳感器不應(yīng)該檢測(cè)到異常信號(hào)；如果管道下游產(chǎn)生擾動(dòng)也是同樣的道理。

圖1 閥門(mén)內(nèi)漏非介入式監(jiān)測(cè)傳感器安裝示意圖

如果閥門(mén)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生了變化(如發(fā)生內(nèi)漏)，閥門(mén)上下游存在的壓力差促使介質(zhì)從高壓側(cè)噴射至低壓側(cè)。如圖1中實(shí)線箭頭所示，介質(zhì)噴射到下游產(chǎn)生壓強(qiáng)擾動(dòng)形成聲波，下游聲波傳感器能檢測(cè)到明顯的異常信號(hào)；介質(zhì)由縫隙或漏孔噴射而出，造成閥門(mén)上游側(cè)介質(zhì)的流失，同樣會(huì)造成閥門(mén)上游側(cè)壓強(qiáng)的擾動(dòng)從而形成聲波，上游聲波傳感器同樣能檢測(cè)到明顯的異常信號(hào)。

采用雙聲波傳感器結(jié)構(gòu)可以有效排除閥門(mén)上下游管道產(chǎn)生的異常擾動(dòng)信號(hào)(調(diào)泵，調(diào)閥、敲擊管道等)對(duì)閥門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)的干擾。由于拾取的聲波信號(hào)的低頻特性(0～20 Hz內(nèi))，能夠有效消除環(huán)境噪聲和系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)噪聲的影響，且大大地降低了信號(hào)采樣頻率和對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的要求，使閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)具有更好的實(shí)時(shí)性，有利于工程實(shí)現(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與檢測(cè)系統(tǒng)

圖2為閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該裝置由兩部分組成，第一部分為閥門(mén)內(nèi)漏故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由穩(wěn)壓泵、壓力表、計(jì)量容器、管道和閥門(mén)等部件組成；第二部分為內(nèi)漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，包括兩個(gè)聲波傳感器、信號(hào)變送器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等，用來(lái)采集并顯示聲波信號(hào)和管道壓力信號(hào)。實(shí)驗(yàn)采用壓電式壓力傳感器,頻率響應(yīng)范圍為0～500 Hz,靈敏度分別為54 200 pC/105Pa和54 000 pC/105Pa,工作溫度范圍為-20～60 ℃，測(cè)量范圍為0～2 000 kPa。聲波信號(hào)經(jīng)截止頻率為20 Hz的二階切比雪夫低通濾波器濾波后，再經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換后遠(yuǎn)傳，系統(tǒng)采樣頻率為50 Hz。

圖2 閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3為實(shí)驗(yàn)用被測(cè)閥門(mén)及傳感裝置。閥門(mén)為J41W-16型截止閥，公稱(chēng)直徑為Φ20 mm，耐壓1.6 MPa。根據(jù)閥門(mén)的線性行程可以近似得到閥門(mén)開(kāi)度，閥桿擰出5個(gè)螺距對(duì)應(yīng)閥門(mén)全開(kāi)，一個(gè)螺距約對(duì)應(yīng)20%閥門(mén)開(kāi)度。

圖3 被測(cè)閥門(mén)及傳感裝置

基于非介入式監(jiān)測(cè)的目的，本文設(shè)計(jì)了圖4所示的傳感器裝置，包括兩個(gè)可開(kāi)關(guān)的磁力表座、嵌入于外螺紋套筒內(nèi)的聲波傳感器和聲波信號(hào)變送器。通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁力表座的開(kāi)關(guān)控制磁力表座有無(wú)磁性，方便傳感裝置的拆卸。磁力表座通過(guò)螺釘固定在連接鋁板兩端，鋁板中間為內(nèi)螺紋，套筒穿過(guò)鋁板中間內(nèi)螺紋后固定在變送器盒上。聲波傳感器通過(guò)螺紋旋入套筒內(nèi)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)外螺紋套筒上的六角螺母調(diào)節(jié)傳感器感測(cè)面與管道外壁接觸程度，由鎖緊螺母固定位置。傳感器輸出的聲波信號(hào)經(jīng)電荷放大、電壓放大、低通濾波后，V/I轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)遠(yuǎn)傳至數(shù)據(jù)采集RTU進(jìn)行信號(hào)采集及處理。

圖4 傳感裝置結(jié)構(gòu)

3 閥門(mén)內(nèi)漏聲波信號(hào)特征提取

3.1 閥門(mén)內(nèi)漏故障信號(hào)及時(shí)頻域特征分析

采用研究者普遍使用的手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)方式來(lái)模擬閥門(mén)內(nèi)漏故障[17-18]。實(shí)驗(yàn)條件如表1所示，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到閥門(mén)內(nèi)漏及閥門(mén)密閉良好條件的聲波信號(hào)如圖5所示，其對(duì)應(yīng)的功率譜圖如圖6所示。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

(a) 閥門(mén)泄漏

(b) 閥門(mén)正常

由時(shí)域波形(見(jiàn)圖5)可見(jiàn)，當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉且密封良好時(shí)，聲波信號(hào)呈隨機(jī)分布狀態(tài)；當(dāng)閥門(mén)發(fā)生內(nèi)漏時(shí)，聲波信號(hào)幅值發(fā)生了明顯的突變。由頻域功率譜(見(jiàn)圖6)可見(jiàn)，閥門(mén)內(nèi)漏的聲波信號(hào)能量主要集中在1.5 Hz以?xún)?nèi)，而閥門(mén)正常時(shí)的聲波信號(hào)能量分布相對(duì)較寬，在0～8 Hz內(nèi)都有分布。因此，從信號(hào)能量頻域分布的角度是完全可以分辨閥門(mén)內(nèi)漏和正常狀態(tài)的。

(a) 閥門(mén)泄漏

(b) 閥門(mén)正常

3.2 干擾信號(hào)的時(shí)域波形及時(shí)頻域特征分析

在閥門(mén)的工作環(huán)境中存在著各種外部干擾，如管道的敲擊、起泵、停泵等，這些干擾隨時(shí)發(fā)生，并對(duì)閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)聲波傳感器的信號(hào)輸出造成影響。圖7所示為外部敲擊管道、閥門(mén)在良好關(guān)閉狀態(tài)的啟泵和閥門(mén)在開(kāi)啟狀態(tài)(閥門(mén)開(kāi)度20%)的啟泵三種情況下上下游聲波傳感器的信號(hào)輸出，圖8為對(duì)應(yīng)信號(hào)的功率譜圖。

(a) 敲擊管道

(b) 閥門(mén)關(guān)閉

(c) 閥門(mén)開(kāi)啟

(a) 敲擊管道

(b) 閥門(mén)關(guān)閉

(c) 閥門(mén)開(kāi)啟

當(dāng)敲擊管道時(shí)，上下游聲波傳感器輸出聲波信號(hào)的幅值都比較突出，反映在頻域則是聲波能量分布較寬且功率譜幅值較大。當(dāng)閥門(mén)處于良好關(guān)閉狀態(tài)啟泵時(shí)，上游聲波傳感器輸出信號(hào)出現(xiàn)明顯大幅值的波動(dòng)，在頻域表現(xiàn)出與閥門(mén)泄漏聲波相似的特征；相比于上游聲波傳感器的輸出信號(hào)，下游聲波傳感器輸出信號(hào)很小且平穩(wěn)，頻域功率譜幅值很小。當(dāng)閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)啟泵時(shí)，上下游聲波傳感器輸出聲波信號(hào)的幅值都比較突出且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但上游聲波傳感器輸出信號(hào)超前于下游聲波傳感器的輸出，表現(xiàn)出介質(zhì)流動(dòng)的特性；在頻域表現(xiàn)與閥門(mén)泄漏類(lèi)似。

3.3 閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)聲波信號(hào)的特征提取

通過(guò)對(duì)閥門(mén)內(nèi)漏、閥門(mén)正常、管道敲擊、閥門(mén)在良好關(guān)閉狀態(tài)和開(kāi)啟狀態(tài)啟泵5種狀態(tài)下上下游聲波傳感器輸出信號(hào)的分析、比較，可以得到閥門(mén)內(nèi)漏與其它工況下聲波輸出信號(hào)的特征差別(見(jiàn)表2)。

表2閥門(mén)內(nèi)漏與其它工況下聲波輸出信號(hào)的特征差別

Tab.2Featuredifferenceofacousticsignalsbetweenvalveinternalleakandotherconditions

狀態(tài)閥門(mén)內(nèi)漏閥門(mén)正常信號(hào)能量在頻域分布帶寬明顯不同。敲擊管道信號(hào)能量在頻域分布帶寬明顯不同。閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)啟泵閥門(mén)內(nèi)漏上下游聲波信號(hào)的頻域分布和幅值幾乎相同,啟泵引起的上下游聲波信號(hào)頻域幅值完全不同。閥門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)啟泵信號(hào)能量在頻域分布帶寬相似,但閥門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)下啟泵引起的上下游聲波信號(hào)有明顯時(shí)間差,閥門(mén)內(nèi)漏時(shí)間差不明顯。

根據(jù)上述閥門(mén)內(nèi)漏與其它工況下聲波輸出信號(hào)的特征差別，提出相應(yīng)的閥門(mén)內(nèi)漏聲波信號(hào)特征提取方法。

(1) 對(duì)上述5種狀態(tài)下上下游聲波傳感器的輸出信號(hào)作尺度為L(zhǎng)的小波包分解，重構(gòu)得到2L個(gè)子頻帶的重構(gòu)信號(hào)F(j,i)，其中j為子頻帶序號(hào)，i為信號(hào)的序號(hào)，i=1～N，N為信號(hào)長(zhǎng)度。

(2) 對(duì)每個(gè)子頻帶重構(gòu)信號(hào)F(j,i)作功率譜分析，得到各個(gè)子頻帶信號(hào)的功率譜Pow(j,i)。利用式(1)計(jì)算每個(gè)子頻帶重構(gòu)信號(hào)的能量，并按式(2)將各子頻帶能量作歸一化處理，得到各子頻帶能量分率。

(1)

(2)

式中：M為對(duì)應(yīng)信號(hào)處理頻帶上限的子頻帶結(jié)束序號(hào)。

取小波包分解尺度L=8，采用小波基db9，N=4 096，根據(jù)有效信號(hào)頻率范圍(0～5 Hz)，取M=50。結(jié)果如圖9～圖13所示。

(1) 閥門(mén)正常和敲擊管道情況下聲波信號(hào)小波包能量分率分布都較分散(見(jiàn)圖9和圖10)，閥門(mén)正常時(shí)主要能量集中在中高頻子帶，敲擊管道時(shí)集中在中低頻子帶。

(2) 閥門(mén)內(nèi)漏狀態(tài)和閥門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)啟泵兩種聲波信號(hào)小波包能量分率分布非常相似(見(jiàn)圖11和圖12)，主要能量都集中在低頻段，兩者可以歸為同類(lèi)信號(hào)，即都為閥門(mén)密封面不嚴(yán)時(shí)的信號(hào)。

(a) 閥門(mén)正常-上游

(b) 閥門(mén)正常-下游

圖9 閥門(mén)正常狀態(tài)下聲波信號(hào)小波包能量分率

Fig.9 Wavelet packet energy ratio of acoustic signal under valve normal condition

(a) 敲擊管道-上游

(b) 敲擊管道-下游

圖10 敲擊管道時(shí)聲波信號(hào)小波包能量分率

Fig.10 Wavelet packet energy ratio of acoustic signal when pipe tapping occurred

(a) 閥門(mén)泄漏-上游

(b) 閥門(mén)泄漏-下游

圖11 閥門(mén)泄漏狀態(tài)下聲波信號(hào)小波包能量分率

Fig.11 Wavelet packet energy ratio of acoustic signal under valve leak condition

(a) 閥門(mén)開(kāi)啟-上游

(b) 閥門(mén)開(kāi)啟-下游

圖12 閥門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)下啟泵聲波信號(hào)小波包能量分率

Fig.12 Wavelet packet energy ratio of pump start acoustic signal under valve opened condition

(3) 閥門(mén)良好關(guān)閉狀態(tài)下啟泵上下游聲波信號(hào)小波包能量分率分布完全不同(見(jiàn)圖13)，其它4種情況上下游聲波信號(hào)小波包能量分率分布相似。

4 最小可檢測(cè)泄漏量實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

本文通過(guò)加工4種不同孔徑(0.8 mm、1 mm、2 mm、3 mm)的鋁薄片漏孔夾持在法蘭中間來(lái)在線模擬閥門(mén)的內(nèi)漏故障，對(duì)4種尺寸漏孔分別進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，借助計(jì)量容器通過(guò)計(jì)算5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均泄漏量得到4種泄漏孔徑的泄漏量，實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果如表3所示。

(a)閥門(mén)關(guān)閉-上游(b)閥門(mén)關(guān)閉-下游

圖13 閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下啟泵聲波信號(hào)小波包能量分率

Fig.13 Wavelet packet energy ratio of pump start acoustic signal under valve closed condition

表3 最小可檢測(cè)泄漏量實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果

由表3可見(jiàn)：在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用本文提出的方法和裝置可獲得5.5 ml/s的最小可檢測(cè)泄漏量 (泄漏孔徑0.8 mm，上游壓力210 kPa，下游壓力101 kPa條件下)。該結(jié)果具有和振動(dòng)分析檢測(cè)法相當(dāng)?shù)拈y門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)靈敏度。

采用本文提出的基于小波包能量分率的閥門(mén)內(nèi)漏聲波信號(hào)特征提取方法，得到4種泄漏孔徑條件下上下游聲波信號(hào)的小波包能量分率,結(jié)果如圖14和圖15所示。由圖可見(jiàn)：上、下游聲波信號(hào)能量均分布在低頻段，表現(xiàn)出相同的閥門(mén)內(nèi)漏聲波信號(hào)特性。

圖14 不同泄漏孔徑上游聲波信號(hào)小波包能量分率

Fig.14 Wavelet packet energy ratios of upstream acoustic signal under different leak hole sizes

計(jì)算上下游聲波信號(hào)前15個(gè)子帶(信號(hào)頻率小于1.5 Hz)的小波包能量分率之和，得到其與泄漏量之間的關(guān)系如圖16所示。在一定范圍內(nèi)，上游聲波信號(hào)前15個(gè)子帶小波包能量分率之和隨泄漏量增大而增大；下游聲波信號(hào)前15個(gè)子帶小波包能量分率之和與泄漏量大小基本無(wú)關(guān)。

圖15 不同泄漏孔徑下游聲波信號(hào)小波包能量分率

Fig.15 Wavelet packet energy ratios of downstream acoustic signal under different leak hole sizes

圖16 聲波信號(hào)小波包能量分率之和與泄漏量之間的關(guān)系

Fig.16 Relationship between the sum of wavelet packet energy ratios and the leakage rate

5 結(jié) 論

本文提出的基于雙聲波傳感器結(jié)構(gòu)的液體閥門(mén)內(nèi)漏非介入式監(jiān)測(cè)方法和裝置，能夠有效監(jiān)測(cè)閥門(mén)內(nèi)漏，并實(shí)現(xiàn)裝置的快速裝卸和移動(dòng)。

基于小波包能量分率的聲波信號(hào)特征提取方法，能夠有效區(qū)分閥門(mén)內(nèi)漏、背景噪聲和外部干擾，為后續(xù)的閥門(mén)內(nèi)漏診斷建模奠定了基礎(chǔ)，該方法具有較強(qiáng)的抗干擾能力和檢測(cè)靈敏度，大大降低了信號(hào)采樣頻率以及特征提取和診斷建模的難度，為液體閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)提供了一種新的技術(shù)手段。

參 考 文 獻(xiàn)

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