CN108036200B - 基于重心频率衰减特性的单声发射传感器泄漏源定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于重心频率衰减特性的单声发射传感器泄漏源定位方法，步骤如下：一：沿轴向绘制传感器采样位置示意图；二：将管道内工作压力调节至需要的水平；三：在第1个坐标点处安装声发射传感器，然后将声发射传感器与声发射检测仪相连；四：采集实验台激发的泄漏声发射信号；五：重复步骤三和步骤四的过程进行采样；六：统计n组采样信号的重心频率；七：继续采样，其采样点附近即为泄漏源位置；通过以上步骤，就可根据传感器在不同位置采集到的声发射信号的重心频率变化规律，实现对封闭管道结构的泄漏源定位，解决了工作环境十分复杂的管道类结构发生泄漏故障时检测人员与设备无法进入且无法对泄漏源实时定位的问题。
Description
技术领域
本发明提供一种基于重心频率衰减特性的单声发射传感器泄漏源定位方法，它是一种基于重心频率衰减特性的单声发射传感器泄漏源定位方法，它涉及一种沿管道轴线布置声发射传感器进行管道泄漏源定位的方法，尤其涉及一种仅采用单传感器进行多次采样的泄漏源定位方法，属于声发射无损检测技术领域。
背景技术
管道类结构的工作环境十分复杂，经常会出现管道内部发生泄漏故障，而检测人员和设备无法进入的情况。目前，缺少针对此类故障进行泄漏源实时定位的有效方法。声发射检测具有非接触、检测灵敏度高、定位准确等优点，在管道泄漏故障的在线检测中有良好的应用价值和发展前景。常见的声发射检测方法如互相关时差定位方法要求声发射传感器必须安装在泄漏源两端，当检测到泄漏等故障发生时，需要通过两个或多个传感器检测信号的互相关波形，选择对应最大互相关系数的信号时延进行互相关时差定位。但是，此类方法会带来布置不便、定位误差较大等问题，并且由于需要至少两个以上的传感器，极大地限制了声发射泄漏检测方法的应用。为了提升管道泄漏故障的声发射定位技术的能力，本专利提出一种利用声信号重心频率变化规律进行泄漏源定位的方法，根据声发射信号在传播过程中其重心频率特性会发生变化这一特点，在待测对象的不同位置处安装声信号检测仪进行检测，通过观察采集到的声信号重心频率的变化规律确定泄漏源的位置，实现管道泄漏故障定位。
重心频率指信号频谱图中频率重心所在位置的频率，是声发射信号的特征参数之一，可根据重心频率的数值判断信号频率成分的变化。为确定重心频率，首先需要将采集到的原始信号根据快速傅里叶变换转换为频域信号，之后根据频域信号即可计算信号的重心频率，计算公式为：
其中fg是重心频率，fi是频谱中第i个点的频率，Pi是频谱中第i个点对应的幅值。泄漏声发射信号在管道中传播时，由于高频成分衰减一般比低频成分快，因此测试到的信号重心频率会有规律的变化。如图1所示，1#到5#位置以10cm的间距沿管道轴线方向均匀排列，其中5#位置为泄漏孔正上方的管壁处。图2为泄漏孔径0.8mm、管道内压力250KPa时，单个传感器在1#到5#位置检测到的泄漏声发射信号重心频率数值的变化曲线。如图所示，随着布置的传感器与泄漏声源位置逐渐接近，接收信号的重心频率逐步增大；当所布置的传感器开始远离泄漏声源时，信号重心频率下降。泄漏声发射信号在整个传播过程中，这种重心频率随着与泄漏源的距离接近而逐渐升高的规律可以作为判断泄漏源所在位置的依据。
鉴于此，本专利提出一种声发射重心频率衰减规律进行定位的方法,根据传感器在不同位置采集到的声发射信号的重心频率变化规律，从而实现对封闭管道结构的泄漏源定位。
发明内容
1、本发明的目的
本发明提出了一种基于重心频率衰减特性的单一声发射传感器泄漏源定位方法，即一种基于单传感器且能从一端进行管道泄漏声发射源定位方法。首先采用一个传感器沿管道轴线以相同的轴向距离进行多次采样，根据采集到的泄漏声发射信号重心频率的衰减情况确定泄漏源所在的方向；然后在管道中沿重心频率上升的方向移动传感器进行采样，当观察到重心频率上升到某处然后突然降低时，即可确定泄漏源在此位置附近，从而实现了泄漏源定位。
2、技术方案
本发明提出了一种基于重心频率衰减特性的单一声发射传感器泄漏源定位方法，包括下列步骤：
步骤一：在待检测的管道上沿轴向绘制传感器采样位置示意图，以直线方式均匀绘制n个坐标点作为传感器的n个采样位置，对每个采样位置进行编号并记录其坐标；
步骤二：使管道处于正常运行状态，通过控制管道泄漏实验台中的阀门开度，将管道内工作压力调节至需要的水平；
步骤三：按照采样位置示意图，在第1个坐标点处安装声发射传感器，然后将声发射传感器与声发射检测仪相连；
步骤四：打开声发射信号采集仪，采集实验台激发的泄漏声发射信号，计算该信号的重心频率，对应采样位置记录为f1；
步骤五：重复步骤三和步骤四的过程进行采样，每次采样仅按顺序改变声发射传感器的采样位置，计算每组采样信号的重心频率，根据采样位置分别记录为f2，f3，...，fn；
步骤六：统计n组采样信号的重心频率，重心频率上升的方向指向泄漏源所在方向；
步骤七：沿泄漏源所在方向继续采样，当采集信号重心频率出现异常变化，呈现明显下降趋势时，则该次采样的采样点附近即为泄漏源位置。
其中，在步骤一中所述的“以直线方式均匀绘制n个坐标点作为传感器的n个采样位置”，其“均匀”是指相邻的两个采样位置之间的距离相同；
其中，在步骤二中所述的“管道泄漏实验台”是指用于测试管道泄漏位置的实验平台，其中潜水泵为管道压力源；3D打印机喷嘴用于模拟泄漏，通过阀门开度控制管道内实际工作压力；
其中，在步骤三中所述的“声发射传感器”是压电谐振传感器；所述的“声发射检测仪”是由前置放大器、声发射信号采集仪、计算机组成，前端放大器功能是对声发射传感器阵列测试到的声发射信号进行功率放大；
其中，在步骤四中所述的“声发射信号采集仪”是常规用的声发射测试仪器；所述的“泄漏声发射信号”是指管道内工作流体在穿过泄漏孔的过程中，与管道相互作用所激发的声发射信号；所述的“重心频率”是一种可以表现泄漏特征的声发射特征参数，其计算方法在背景技术中有详细介绍；
其中，在步骤六中所述的“重心频率上升”是指在采样位置逐渐靠近泄漏源的过程中，泄漏声发射信号的重心频率数值逐渐升高；
其中，在步骤七中所述的“异常变化”是指泄漏声发射信号重心频率下降，且与前一次采样的信号重心频率在数值上有较大差距。
通过以上步骤，就可根据传感器在不同位置采集到的声发射信号的重心频率变化规律，实现对封闭管道结构的泄漏源定位，解决了工作环境十分复杂的管道类结构发生泄漏故障时检测人员与设备无法进入且无法对泄漏源实时定位的问题。
本发明的基本原理是：泄漏声发射信号的高频成分在管道结构中传播会迅速衰减，其重心频率在传播开始阶段下降较快，然后趋于平缓。本发明提出了一种单传感器多次采样的方式，以泄漏声发射信号重心频率的变化趋势和突变来实现泄漏源定位，在减少传感器的同时解决了封闭管道故障检测的问题。通过本发明的应用，在对设备完成采样位置设计和坐标记录后，后续的检测过程将十分简单，极大地提高了检测效率，减少了人为因素对检测结果的影响。
3、本发明的有益效果在于：
(1)在较小的检测空间下，本方法能很好的满足埋入式管道泄漏故障的定位需求；
(2)本发明实现方法简单，仅需在管道表面均匀布置采样位置，然后在每个采样位置处逐次进行采样即可实现对泄漏源的定位；
(3)本发明进行定位只需一个声发射传感器，减少了对声发射采集仪的硬件要求。
附图说明
通过阅读下面对本发明的示例性实施例的详细描述，同时结合附图考虑，可更好地理解本发明的上述实施例和其它实施例、目的、特性、优点、技术上和工业上的意义，各附图中：
图1为管道泄漏实验台的示意图，其中1#至6#位置指声发射传感器的安装位置。
图2为图1中6个传感器采集到的泄漏声发射信号经计算得到的重心频率数值的折线图。
图3为管道中泄漏声发射源重心频率衰减定位的示意图。
图4本发明所述方法流程图。
图中序号说明如下：
1-管道，2-泄漏源(3D打印机喷嘴模拟)，3-声发射传感器采样位置(根据定位需求和管道条件确定，每次采样仅安装一个传感器)，4-前端放大器，5-声发射信号采集仪，6-计算机。
具体实施方式
在以下的描述中，将根据示例性实施例详细地描述本发明。
管道中泄漏声发射源重心频率衰减定位示意图如图3所示，其中待检测结构为20#钢材的DN80无缝钢管，外径89mm、壁厚4.5mm，利用3D打印机喷嘴模拟泄漏源。
本发明的一种基于重心频率衰减的管道泄漏声发射源定位方法，如图4所示，它包括以下步骤：
步骤一：在待检测的管道1上沿轴向绘制声发射传感器采样位置，以直线方式均匀绘制10个坐标点作为声发射传感器的6个采样位置，两两之间间隔10cm；
步骤二：记录6个采样位置的坐标，并对每个采样位置沿轴向位置依次进行编号，分别标记为1#到6#；
步骤三：首先在1#采样位置安装声发射传感器，然后将声发射传感器通过前端放大器与声发射信号采集仪相连，并将采集仪与计算机相连；
步骤四：接通电源，打开采集软件，采集实验台中激发的泄漏声发射信号，并计算该信号的重心频率，对应采样位置记录为f1；
步骤五：将传感器从1#采样位置移动到2#采样位置，之后按照步骤四的流程再次进行检测，获得重心频率f2；
步骤六：因为f2＞f1，说明泄漏源更为靠近2#采样位置，则继续按照从1#采样位置到2#采样位置的方向在3#、4#、5#位置依次进行采样；
步骤七：当传感器安装到6#采样位置时，采集到的泄漏声发射信号的重心频率突然出现了与之前相反的规律，且在数值上有较大差距，说明泄漏源就在5#采样位置的附近，即可实现泄漏源的定位。
其中，在步骤一中所述的“声发射传感器”是压电谐振传感器；
其中，在步骤三中所述的“声发射检测仪”是由前端放大器、声发射信号采集仪、计算机组成；
其中，在步骤四中所述的“泄漏声发射信号”是指管道内工作流体在穿过泄漏孔的过程中，与管道相互作用所激发的声发射信号；“重心频率”是指泄漏声发射信号的一种主要特征参数；
其中，在步骤七中所述的“相反的规律”是指从5#采样位置到6#采样位置，泄漏声发射信号的重心频率出现了明显下降。
Claims (7)
1.一种基于重心频率衰减特性的单声发射传感器泄漏源定位方法，其特征在于：它包括下列步骤：
步骤一：在待检测的管道上沿轴向绘制传感器采样位置示意图，以直线方式均匀绘制n个坐标点作为传感器的n个采样位置，对每个采样位置进行编号并记录其坐标；
步骤二：使管道处于正常运行状态，通过控制管道泄漏实验台中的阀门开度，将管道内工作压力调节至需要的水平；
步骤三：按照采样位置示意图，在第1个坐标点处安装声发射传感器，然后将声发射传感器与声发射检测仪相连；
步骤四：打开声发射信号采集仪，采集实验台激发的泄漏声发射信号，计算该信号的重心频率，对应采样位置记录为f1；
步骤五：重复步骤三和步骤四的过程进行采样，每次采样仅按顺序改变声发射传感器的采样位置，计算每组采样信号的重心频率，根据采样位置分别记录为f2，f3，...，fn；
步骤六：统计n组采样信号的重心频率，重心频率上升的方向指向泄漏源所在方向；
步骤七：沿泄漏源所在方向继续采样，当采集信号重心频率出现异常变化，呈现明显下降趋势时，则该次采样的采样点附近即为泄漏源位置。
2.根据权利要求1所述的基于重心频率衰减特性的单声发射传感器泄漏源定位方法，其特征在于：在步骤一中所述的“以直线方式均匀绘制n个坐标点作为传感器的n个采样位置”，其“均匀”是指相邻的两个采样位置之间的距离相同。
3.根据权利要求1所述的基于重心频率衰减特性的单声发射传感器泄漏源定位方法，其特征在于：在步骤二中所述的“管道泄漏实验台”是指用于测试管道泄漏位置的实验平台，其中潜水泵为管道压力源；3D打印机喷嘴用于模拟泄漏，通过阀门开度控制管道内实际工作压力。
4.根据权利要求1所述的基于重心频率衰减特性的单声发射传感器泄漏源定位方法，其特征在于：在步骤三中所述的“声发射传感器”是压电谐振传感器；所述的“声发射检测仪”是由前置放大器、声发射信号采集仪、计算机组成；前端放大器功能是对声发射传感器阵列测试到的声发射信号进行功率放大。
5.根据权利要求1所述的基于重心频率衰减特性的单声发射传感器泄漏源定位方法，其特征在于：在步骤四中所述的“声发射信号采集仪”是常规用的声发射测试仪器；所述的“泄漏声发射信号”是指管道内工作流体在穿过泄漏孔的过程中，与管道相互作用所激发的声发射信号；所述的“重心频率”是一种能表现泄漏特征的声发射特征参数。
6.根据权利要求1所述的基于重心频率衰减特性的单声发射传感器泄漏源定位方法，其特征在于：在步骤六中所述的“重心频率上升”是指在采样位置逐渐靠近泄漏源的过程中，泄漏声发射信号的重心频率数值逐渐升高。
7.根据权利要求1所述的基于重心频率衰减特性的单声发射传感器泄漏源定位方法，其特征在于：在步骤七中所述的“异常变化”是指泄漏声发射信号重心频率下降，且与前一次采样的信号重心频率在数值上有大的差距。
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