徐 源，邢蘭昌，張樹(shù)立

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引言

氣體運(yùn)輸管道由于材料質(zhì)量低下、老化未及時(shí)維修、化學(xué)腐蝕、人為破壞等原因常常會(huì)引起氣體泄漏[1]，對(duì)社會(huì)造成巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。為避免氣體泄漏所帶來(lái)的危害，需要對(duì)氣體運(yùn)輸管道進(jìn)行實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)。對(duì)于地下管道氣體發(fā)生泄漏時(shí)的情況，需要通過(guò)大規(guī)模挖掘作業(yè)找出具體泄漏位置，耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力[2]?；诼暟l(fā)射檢測(cè)原理的管道氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：聲發(fā)射檢測(cè)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，對(duì)突發(fā)型和連續(xù)型泄漏信號(hào)都具有良好的響應(yīng)[3]；聲發(fā)射信號(hào)攜帶大量與泄漏源相關(guān)的信息，如大小、位置，能夠?qū)π孤┝看笮∵M(jìn)行量化,且基于一定算法能夠?qū)π孤┪恢眠M(jìn)行精確定位。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，如楊哲[4]進(jìn)行了燃?xì)夤艿佬孤┞暟l(fā)射信號(hào)研究；H.Y.Sim等[5]進(jìn)行了基于聲發(fā)射技術(shù)的壓縮機(jī)氣門(mén)泄漏損失研究；鄭旭[6]探討了聲發(fā)射技術(shù)在管道泄漏中運(yùn)用的方案；李帥永等[7]研究了管道泄漏聲發(fā)射時(shí)頻定位技術(shù)；汪文有[8]對(duì)聲發(fā)射技術(shù)在實(shí)際管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用策略進(jìn)行了論述?，F(xiàn)有研究所采用的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)多為商用系統(tǒng)，雖然功能完備、性能優(yōu)越，但是存在檢測(cè)系統(tǒng)體積龐大、成本高、可擴(kuò)展性低，應(yīng)用領(lǐng)域受到了極大的限制。

本文將自主研發(fā)的基于虛擬儀器技術(shù)的四通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于管道氣體泄漏檢測(cè)中，通過(guò)對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行分析與處理，利用所提出的定位算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)泄漏位置的準(zhǔn)確定位。

1 多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)

自主研發(fā)的多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)四通道聲發(fā)射信號(hào)的同步實(shí)時(shí)采集，通過(guò)開(kāi)展斷鉛實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可用性，對(duì)斷鉛信號(hào)分析與處理，完成對(duì)斷鉛點(diǎn)的定位，系統(tǒng)的定位精度滿(mǎn)足國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由傳感器模塊、信號(hào)放大模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和測(cè)控軟件等構(gòu)成。

圖1 多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)原始聲發(fā)射信號(hào)的獲取并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出到下一級(jí)，所選用傳感器為PXR15高靈敏度諧振式聲發(fā)射傳感器，諧振頻率150 kHz，其10 dB帶寬為100～400 kHz，靈敏度可達(dá)67 dB，工作溫度范圍-20～+70 ℃。傳感器陣列的排布方式和安裝位置根據(jù)被測(cè)對(duì)象的形狀和大小來(lái)確定。

信號(hào)放大模塊的功能是放大微弱聲發(fā)射信號(hào)和抑制噪聲，從而提高信噪比。本系統(tǒng)采用雙端輸入、增益可調(diào)的PXPA6型放大器，提供可自由選擇的20 dB、40 dB、60 dB三種增益，其工作頻率范圍為4～3.4 MHz，能夠在-30～+70℃范圍內(nèi)正常工作。

數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)放大后聲發(fā)射信號(hào)的采集，本系統(tǒng)采用PCIE-1840通用高速數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)四通道聲發(fā)射信號(hào)的同步采集，采樣頻率可高達(dá)125 MS/s，具有16位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，輸入電平范圍可在±10 V，±5 V，±2 V，±1 V，±0.2 V，±0.1 V中選擇，數(shù)據(jù)采集卡的采樣模式、采樣頻率和長(zhǎng)度等參數(shù)通過(guò)測(cè)控軟件進(jìn)行配置。

聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)控軟件基于LabVIEW平臺(tái)自主開(kāi)發(fā)，采用模塊化和數(shù)據(jù)流思想[9]，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程的控制和數(shù)據(jù)處理、顯示及保存功能。軟件部分可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件、被測(cè)對(duì)象和信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

2 泄漏管道設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 泄漏管道設(shè)計(jì)

實(shí)際輸氣管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，考慮到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件和成本問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)加工了密閉的、但開(kāi)有注氣孔和泄漏孔的一段鋼管作為模擬氣體泄漏的管道，如圖2所示。

圖2 模擬氣體泄漏裝置圖

泄漏管段材質(zhì)為鋼，兩端密封，長(zhǎng)60 cm，外徑6 cm，壁厚2 mm；管壁上設(shè)計(jì)有注氣孔與泄漏孔，泄漏孔處裝有閥門(mén)，注氣孔距離右邊界5 cm且與泄漏孔沿管壁共線(xiàn)；采用普通注氣筒配合氣嘴對(duì)管段進(jìn)行注氣，注氣筒能夠?qū)崟r(shí)顯示注氣孔處壓力，在確保安全的情況下使注入充足的氣體量。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 沿管壁聲波傳播速度測(cè)量

在開(kāi)展管道泄漏實(shí)驗(yàn)前需要測(cè)量聲波沿管壁的傳播速度。對(duì)4個(gè)聲發(fā)射傳感器進(jìn)行編號(hào)：#1、#2、#3、#4。其中，#2用作接收傳感器直接與數(shù)據(jù)采集卡相連接，#1用作發(fā)射傳感器與超聲波脈沖發(fā)生接收器DPR300的發(fā)射端口連接，將兩個(gè)傳感器沿管道軸線(xiàn)方向固定安裝于同一直線(xiàn)，間距18 cm。為保證聲耦合效果則在傳感器匹配層與管壁之間涂抹黃油。配置DPR300的工作模式為脈沖發(fā)射模式，設(shè)置激勵(lì)電壓100 V。將DPR300的外部觸發(fā)端口與數(shù)據(jù)采集卡的外部觸發(fā)接口相連接，配置采集卡觸發(fā)采樣模式為外部觸發(fā)采樣，設(shè)置觸發(fā)電平閾值為±5 V，采樣頻率為100 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)為10 k。

2.2.2 模擬管道泄漏信號(hào)測(cè)量

將聲發(fā)射傳感器固定安裝在管壁上，注氣完成后打開(kāi)泄漏孔位置處的泄漏閥門(mén)，泄漏孔處壓力會(huì)驟降[10]，產(chǎn)生的聲波信號(hào)沿著管壁傳播。

如圖2所示，以泄漏點(diǎn)位置為坐標(biāo)零點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系，將#1與#2傳感器正對(duì)安裝在管壁上，#3與#4傳感器正對(duì)安裝在管壁上，保持#1、#2連線(xiàn)與#3、#4連線(xiàn)垂直，保證四個(gè)傳感器安裝位置不共面，傳感器匹配層與管壁接觸面上涂抹黃油作耦合劑并用絕緣膠帶將其固定。

由于泄漏點(diǎn)在管段上位置已經(jīng)固定無(wú)法移動(dòng)，所以實(shí)驗(yàn)中采用改變傳感器位置的方式來(lái)模擬泄漏點(diǎn)位置的變化，實(shí)驗(yàn)中改變了3次傳感器陣列在管壁上的位置坐標(biāo)并分別開(kāi)展泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，傳感器坐標(biāo)位置列于表1中，3種傳感器陣列中最大傳感器間距分別為25.4 cm、33.3 cm和30.3 cm。

表1 三次實(shí)驗(yàn)中各傳感器位置坐標(biāo)

將#1、#2、#3、#4傳感器分別與采集卡的0、1、2、3通道相連，配置采集卡的觸發(fā)采樣模式為內(nèi)部觸發(fā)采樣，設(shè)置采樣頻率1 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)800 k，啟動(dòng)軟件，初始化完成以后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，然后用注氣筒對(duì)實(shí)驗(yàn)管段進(jìn)行注氣(注氣過(guò)程中保持實(shí)驗(yàn)裝置穩(wěn)定，防止外界振動(dòng)等因素干擾檢測(cè)過(guò)程)，注氣筒壓力表盤(pán)顯示值為1.2 MPa時(shí)停止注氣，此時(shí)打開(kāi)閥門(mén)，控制閥門(mén)開(kāi)度在50%左右，對(duì)氣體泄漏信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)測(cè)控軟件的界面觀(guān)察信號(hào)并保存原始信號(hào)。后期通過(guò)對(duì)多通道泄漏信號(hào)進(jìn)行分析和處理，基于信號(hào)首波時(shí)間差和定位算法實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏位置的三維空間點(diǎn)定位。

3 泄漏信號(hào)處理方法

3.1 泄漏信號(hào)去噪

在未發(fā)生泄漏時(shí)，系統(tǒng)所采集到的信號(hào)為背景噪聲，表現(xiàn)為高頻特性[11]，鋼質(zhì)管道氣體泄漏信號(hào)的頻率主要集中在2～12 kHz[12]；如圖3原始泄漏信號(hào)時(shí)域圖中所示，噪聲遍歷整個(gè)信號(hào)時(shí)段。本文采用小波閾值去噪方法對(duì)泄露信號(hào)進(jìn)行處理以達(dá)到抑制噪聲的目的。小波閾值去噪的過(guò)程[13-14]如下：1)信號(hào)分解：選定合適的小波基，確定分解層數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波包分解；2)閾值設(shè)定：設(shè)定每一層系數(shù)的閾值，然后對(duì)細(xì)節(jié)系數(shù)作用軟閾值處理；3)信號(hào)重建：對(duì)降噪后的系數(shù)用小波包進(jìn)行信號(hào)的重構(gòu)。

選擇不同的小波基和分解層數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的處理結(jié)果，首先使用不同的小波基和分解層數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，然后對(duì)比分析處理效果來(lái)確定最佳方案。評(píng)價(jià)去噪效果所依據(jù)的指標(biāo)主要有信號(hào)光滑性、去噪后信號(hào)的均方差、信噪比等參數(shù)[15]。針對(duì)本文實(shí)驗(yàn)所獲取的管道泄漏信號(hào)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用Haar小波對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行5層分解能夠有效地抑制高頻噪聲。為進(jìn)一步提高信號(hào)的平滑程度和濾除噪聲，對(duì)經(jīng)過(guò)小波去噪處理后的信號(hào)進(jìn)行平滑濾波處理[16]，綜合考慮平滑處理的效果和信息損失程度，設(shè)置采樣步長(zhǎng)為0.1 k時(shí)效果最佳，原始信號(hào)和處理后信號(hào)的對(duì)比如圖3所示。

圖3 信號(hào)處理效果對(duì)比圖

3.2 信號(hào)時(shí)間差求取

管道泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域上不可分離[17]，為此本文基于信號(hào)時(shí)間差設(shè)計(jì)泄漏孔的三維空間定位算法。針對(duì)泄漏所產(chǎn)生的連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)，采用互相關(guān)分析法[18]求取兩個(gè)聲發(fā)射傳感器測(cè)得泄漏信號(hào)的時(shí)間差值，其基本原理是：設(shè)兩個(gè)聲發(fā)射傳感器#1、#2在同一時(shí)段內(nèi)在相同采樣頻率f和采樣點(diǎn)數(shù)N條件下獲取的信號(hào)分別為x1和x2，對(duì)兩信號(hào)作互相關(guān)，互相關(guān)函數(shù)的峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)即為兩傳感器檢測(cè)到的同一泄漏信號(hào)相差的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)[19]，根據(jù)采樣頻率將點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為兩信號(hào)的時(shí)間差。

本文選取#1與#2、#2與#3、#3與#4傳感器在三種傳感器陣列下獲得的泄漏信號(hào)進(jìn)行分析，得到各傳感器檢測(cè)到同一泄漏信號(hào)的時(shí)間差列于表2。

表2 延遲時(shí)間表

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

4.1 聲速測(cè)量結(jié)果分析

聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中采集到的信號(hào)受噪聲影響較大，為清楚判別首波時(shí)刻則需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行去噪處理。圖4給出了#2傳感器接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)去噪處理后所得到的典型波形。

圖4 #2傳感器接收信號(hào)圖

經(jīng)過(guò)標(biāo)定得到#1和#2探頭對(duì)之間的固有延遲時(shí)間為2.27 μs，信號(hào)首波到達(dá)時(shí)刻為38.61 μs，最終得到聲波在管壁實(shí)際傳播時(shí)間為36.34 μs，結(jié)合兩傳感器之間聲波的傳輸距離則可計(jì)算出聲波沿管壁的傳播速度為4 953 m/s。

4.2 泄漏點(diǎn)定位結(jié)果分析

基于時(shí)間差的管道泄漏孔三維定位模型如圖5所示，以泄漏點(diǎn)為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系如圖所示。假定管壁表面平整且材質(zhì)均勻，則泄漏點(diǎn)到傳感器之間聲波的最短傳播路徑為將管道沿軸向展開(kāi)后泄漏點(diǎn)與聲發(fā)射傳感器之間的線(xiàn)段。式(1)給出了傳感器與泄漏孔之間距離的計(jì)算方法，式(2)給出了管壁在所建立坐標(biāo)系下的空間方程，泄漏孔定位算法如式(3)所示。

圖5 泄漏孔定位模型

(1)

式(1)中，d1、d2、d3、d4分別表示#1、#2、#3、#4傳感器與泄漏孔之間的聲波最短傳播距離，(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)和(x4，y4，z4)分別表示4個(gè)傳感器和泄漏孔的空間坐標(biāo)，r表示泄漏管道的半徑。

y2+z2=r2,-30≤x≤30

(2)

(3)

式(3)中，V表示聲波沿管壁的傳播速度，t12、t23、t34分別表示#1與#2、#2與#3、#3與#4傳感器接收到同一泄漏信號(hào)的首波到達(dá)時(shí)間差。

利用上述泄漏孔與傳感器之間距離公式、管壁空間方程、管道泄漏孔定位算法，結(jié)合通過(guò)信號(hào)處理得到的各傳感器對(duì)之間的首波時(shí)間可以計(jì)算得到3種傳感器陣列下泄漏孔的空間坐標(biāo)。表3列出了泄漏孔的空間坐標(biāo)、實(shí)際泄漏孔坐標(biāo)以及定位誤差。其中相對(duì)誤差通過(guò)定位絕對(duì)誤差與各傳感器陣列中最大傳感器間距的比值計(jì)算得到。

表3 泄漏孔定位結(jié)果

4.3 討論

表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泄漏孔的定位結(jié)果相對(duì)誤差最大為4.0%。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10764-2007[20]和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33643-2017[21]規(guī)定聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的定位誤差不應(yīng)超過(guò)最大傳感器間距的5.0%，可見(jiàn)該系統(tǒng)對(duì)泄漏位置的定位精度滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的定位精度，對(duì)誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析如下：

1)采樣頻率。聲發(fā)射信號(hào)的采樣頻率決定了系統(tǒng)的時(shí)間分辨率，由此也決定了定位結(jié)果的分辨率，適當(dāng)提高信號(hào)采樣頻率能夠提高系統(tǒng)定位的分辨率。

2)管道材質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中所采用的泄漏管段材質(zhì)不均勻以及表面不平整，會(huì)導(dǎo)致聲波在管壁中傳輸時(shí)速度為非恒定值，而且造成聲波的最短傳播路徑發(fā)生變化；

3)管道壁厚。所設(shè)計(jì)和加工的模擬氣體泄漏管道壁厚2 mm，定位算法忽略了該因素對(duì)聲波的傳播路徑的影響。

4)傳感器端面與管壁壁面接觸面積。形狀的差別導(dǎo)致聲發(fā)射傳感器端面與管壁壁面無(wú)法完全契合，安裝傳感器時(shí)不可避免產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致接收的信號(hào)與實(shí)際信號(hào)之間存在誤差。傳感器端面直徑與管道外徑之比越小時(shí)，傳感器與管壁的接觸面積相對(duì)于傳感器端面面積的比例越大，接收到的信號(hào)越接近真實(shí)信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于四通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的管道氣體泄漏模擬實(shí)驗(yàn)裝置，在測(cè)定聲波沿管壁傳播速度基礎(chǔ)上開(kāi)展了管道氣體泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。首先利用小波去噪和滑動(dòng)平均濾波方法對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行了處理，然后利用互相關(guān)算法求取了各傳感器之間的延遲時(shí)間，進(jìn)而基于時(shí)間差提出了泄漏孔的定位算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泄漏孔的定位結(jié)果相對(duì)誤差最大為4.0%，該系統(tǒng)對(duì)泄漏位置的定位精度滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

為了進(jìn)一步提高基于聲發(fā)射檢測(cè)原理的管道氣體泄漏位置定位的準(zhǔn)確度，需要考慮從聲發(fā)射信號(hào)的采樣頻率、管道材質(zhì)、管道壁厚和傳感器端面面積等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。