CN109340587B - 基于经验模态分解的流体管道泄漏声发射相干定位方法 - Google Patents

基于经验模态分解的流体管道泄漏声发射相干定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于经验模态分解的流体管道泄漏声发射相干定位方法，属于管道检测领域。该方法采用经验模态分解对泄漏声发射信号进行本征模态分解，对两路泄漏信号进行相干分析提取泄漏信号的相干频带，同时对本征模态进行相干分析，采用泄漏信号的相干频带来选取本征模态：即本征模态相干频带在泄漏信号相干频带范围内的可作为有效本征模态，将有效本征模态重构形成新的泄漏信号进行相关时延估计估计，同时根据相干频带确定泄漏信号的传播速度，从而根据时间延迟估计、传播速度及两传感器的距离即可确定泄漏点位置。本发明可提高泄漏信号的相关性和信噪比，减少时延估计误差，从而减少泄漏定位误差。

Description

基于经验模态分解的流体管道泄漏声发射相干定位方法
技术领域
本发明属于管道检测领域，涉及基于经验模态分解的流体管道泄漏声发射相干定位方法。
背景技术
管道作为一种高效便捷的流体输送方式已在天然气、石油等流体输运中广泛采用。由于自然或人为原因：管道老化、腐蚀，地质沉降，第三方破坏等，管道泄漏时有发生。流体管道泄漏引起资源浪费、环境污染，甚至爆炸、中毒等恶性事故，给人们的生命财产造成严重的威胁。因此，流体管道泄漏检测定位技术对于有效减小或避免管道泄漏造成的危害是十分必要的。
声发射技术作为一种实时在线的无损检测方法在流体管道泄漏检测中日益受到人们的关注。中国专利(CN103062628A)公开了一种基于声发射技术的埋地管道泄漏检测定位方法，克服现有泄漏检测技术的不足，结合小波变换消噪和相关分析，实现了对埋地管道实时在线无损检测。该方法应用于长度为6米的试验管道，利用两只声发射传感器在泄漏点两端管壁上同时获取两路声发射信号，利用互相关对两路声发射信号进行时延估计来确定泄漏位置，定位误差为15.2％。采用小波变换消噪可以在检测管道长度较小时降低互相关定位误差，但定位误差仍然较大。这主要是因为互相关定位方法是建立在泄漏声发射信号沿管道以恒定不变的声速传输的前提下，但实际上管道泄漏声发射信号具有宽频带、频散、多模态等特性，不同的模态具有不同程度的频散和不同的传输速度，即泄漏声发射信号在管道中的传播速度与频率和模态类型密切相关，恒定不变的声度难以获得。如果直接对采集的声发射信号进行相关分析并定位泄漏，信号的相关性弱，时延估计误差大；另一方面声速只能取频率范围内某一模态导波速度的平均值，这两点会造成较大泄漏定位误差。因此基于互相关的声发射管道泄漏检测方法定位误差大，不适合用于频散严重而恒定声速难以确定的情况。于是，中国专利(CN104747912A)公开了一种流体输送管道泄漏声发射时频定位方法，首先对泄漏两端采集的声发射信号进行互相关分析，然后对互相关函数进行时频分析来确定时间延迟和对应的频率信息，从而实现时频定位。该方法克服了因泄漏声发射信号频散而导致的定位误差大的问题，其实质采用的是一种单一主导模态信号的互相关函数的时频定位方法，但实际泄漏声发射信号是多模态信号(弯曲模态、扭转模态、纵向模态和流体主导模态)，从而会导致泄漏两端采集的泄漏信号在进行互相关分析时相关程度弱，使得互时频定位误差较大。中国专利(CN105627107A)公开了一种流体管道泄漏单一传感器模态声发射定位方法，该方法采用时频分析来提取管道泄漏声发射多模态信号的到达时间差，根据同一频率成分的不同模态信号的速度差异和到达时间差来确定泄漏点的位置，可有效解决泄漏信号多模态、频散特性导致定位误差大的问题，但该方法对信噪比要求较高，管道泄漏检测距离有限。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于经验模态分解的流体管道泄漏声发射相干定位方法；采用经验模态分解对泄漏声发射信号进行本征模态分解，对两路泄漏信号进行相干分析提取泄漏信号的相干频带，同时对本征模态进行相干分析，采用泄漏信号的相干频带来选取本征模态：即本征模态相干频带在泄漏信号相干频带范围内的可作为有效本征模态，将有效本征模态重构形成新的泄漏信号进行相关时延估计估计，同时根据相干频带确定泄漏信号的传播速度，从而根据时间延迟估计、传播速度及两传感器的距离即可确定泄漏点位置。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于经验模态分解的流体管道泄漏声发射相干定位方法，包括以下步骤：
管道泄漏产生的声发射信号沿着管道传输时，被分解为多种不同类型的模态信号；
将流体管道看作由管内流体、管壁及管道外部介质三层不同属性的介质构成的圆柱形壳体复合结构，低频泄漏声发射信号在这种圆柱形壳体复合结构中传输时，只激励两种基本的模态类型：管壁主导模态和流体主导模态；
其中，管壁主导模态波在管壁中传输，而流体主导模态波为流体中传输的纵波；
当流体管道泄漏时产生声发射信号沿着管道向两端传输，被两端加速度传感器拾取后形成两路泄漏信号分别为X1(t)和X2(t)，对两泄漏信号进行处理来确定泄漏位置。
进一步，所述对两泄漏信号进行处理来确定泄漏位置具体为：
对两路信号X1(t)和X2(t)进行傅里叶变换得两信号的频谱函数为：
Figure GDA0002289516050000021
Figure GDA0002289516050000022
从而确定泄漏信号的互功率谱
Figure GDA0002289516050000023
和自功率谱
Figure GDA0002289516050000024
为：
Figure GDA0002289516050000025
Figure GDA0002289516050000031
Figure GDA0002289516050000032
其中
Figure GDA0002289516050000033
分别表示泄漏信号的功率谱的共轭；
从而泄漏信号的相干函数为
Figure GDA0002289516050000034
Figure GDA0002289516050000035
取相干函数峰值的3dB带宽作为泄漏信号的相干频带，为BW；
然后再对两泄漏信号进行经验模态分解(EMD)，获得本征模态函数为：
对于泄漏信号X1(t)被分解为：IMF1 x1,IMF2 x1…IMFn x1；
对于泄漏信号X2(t)被分解为：IMF1 x2,IMF2 x2…IMFn x2；
然后对两路信号的本征模态分解对应进行相干分析，提取本征模态对应的相干函数峰值3dB带宽作为相干频带，将相干频带在泄漏信号相干频带BW范围内的本征模态进行筛选，并分别重构形成新的泄漏信号
Figure GDA0002289516050000036
和
Figure GDA0002289516050000037
并对重构的两路泄漏信号进行相关时延估计如下：
Figure GDA0002289516050000038
则两泄漏信号的时间延迟D为
Figure GDA0002289516050000039
泄漏声发射信号两模态声速模型分别为：
流体主导模态声速为
Figure GDA00022895160500000310
管壁主导模态声速为
Figure GDA00022895160500000311
其中，cf为声波在流体介质中的传播速度，cL为声波在管壁材料中的传播速度，二者均根据材料特性查表获得；B为流体介质的体积弹性模量，a为管壁半径，h为管壁厚度，δ＝ω2ρha2，ρ为管壁材料的密度，ν为管壁材料的泊松比，E为管壁材料的弹性模量，上述参数均通过查阅材料数据手册获得；
然后，将重构后的泄漏信号相干函数的峰值频率作为中心频率，代入速度公式(9)(10)即确定管壁主导波和流体主导波的传播速度；
流体管道泄漏流体主导波和管壁主导波在管壁径向引起的位移为W1和W2，其中二者之间的比例关系为
Figure GDA0002289516050000041
其中，β＝(2Bfa/Eh)(1-ν2)，将速度公式(9)(10)确定的流体主导波和管壁主导波传播速度和材料参数代入公式(11)确定二者引起的管壁径向位移的比例，从而判断泄漏主导模态类型，将主导模态的传播速度作为管道泄漏信号的传播速度c，将该速度代入泄漏定位公式(12)即确定泄漏点位置；
Figure GDA0002289516050000042
其中l1为传感器1距离泄漏点的位置，L为两传感器之间的距离，该距离通过现场测量直接获得。
本发明的有益效果在于：该方法通过经验模态分解将不同模态类型的泄漏信号在不同频带内进行分解，同时采用泄漏信号相干频带选取本征模态，并利用选取的本征模态重构泄漏信号，同时利用相干频带确定泄漏信号传播速度，可提高泄漏信号的相关性和信噪比，减少时延估计误差，从而减少泄漏定位误差。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为泄漏定位实施路径。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
管道泄漏产生的声发射信号沿着管道传输时被分解为多种不同类型的模态信号。流体管道可以看作由管内流体、管壁及管道外部介质三层不同属性的介质构成的圆柱形壳体复合结构，低频泄漏声发射信号在这种圆柱形壳体复合结构中传输时只激励两种基本的模态类型：管壁主导模态和流体主导模态，其中管壁主导模态波主要在管壁中传输，而流体主导模态波则为流体中传输的纵波。当流体管道泄漏时产生声发射信号沿着管道向两端传输，被两端加速度传感器拾取后形成两路泄漏信号分别为X1(t)和X2(t)，对两泄漏信号进行如图1所示处理过程来确定泄漏位置。
对两路信号X1(t)和X2(t)进行傅里叶变换得两信号的频谱函数为：
Figure GDA0002289516050000051
Figure GDA0002289516050000052
从而可确定泄漏信号的互功率谱
Figure GDA0002289516050000053
和自功率谱
Figure GDA0002289516050000054
如下
Figure GDA0002289516050000055
Figure GDA0002289516050000056
Figure GDA0002289516050000057
其中
Figure GDA0002289516050000058
分别表示泄漏信号的功率谱的共轭。
从而泄漏信号的相干函数为
Figure GDA0002289516050000059
Figure GDA00022895160500000510
取相干函数峰值的3dB带宽作为泄漏信号的相干频带，分别为BW。
然后再对两泄漏信号进行经验模态分解(EMD)，获得本征模态函数如下：
对于泄漏信号X1(t)被分解为：IMF1 x1,IMF2 x1…IMFn x1；
对于泄漏信号X2(t)被分解为：IMF1 x2,IMF2 x2…IMFn x2；
然后对两路信号的本征模态分解对应进行相干分析(方法同上)，提取本征模态对应的相干函数峰值3dB带宽作为相干频带，将相干频带在泄漏信号相干频带BW范围内的本征模态进行筛选，并分别重构形成新的泄漏信号
Figure GDA00022895160500000511
和
Figure GDA00022895160500000512
并对重构的两路泄漏信号进行相关时延估计如下：
Figure GDA00022895160500000513
则两泄漏信号的时间延迟D为
Figure GDA00022895160500000514
泄漏声发射信号两模态声速模型分别为：
流体主导模态声速为
Figure GDA0002289516050000061
管壁主导模态声速为
Figure GDA0002289516050000062
其中，cf为声波在流体介质中的传播速度，cL为声波在管壁材料中的传播速度，二者均可根据材料特性查表获得。B为流体介质的体积弹性模量，a为管壁半径，h为管壁厚度，δ＝ω2ρha2，ρ为管壁材料的密度，ν为管壁材料的泊松比，E为管壁材料的弹性模量，以上材料参数均可通过查阅材料数据手册获得。
然后，将重构后的泄漏信号相干函数的峰值频率作为中心频率，代入速度公式(9)(10)即可确定管壁主导波和流体主导波的传播速度。
流体管道泄漏流体主导波和管壁主导波在管壁径向引起的位移为W1和W2，其中二者之间的比例关系为
Figure GDA0002289516050000063
其中，
Figure GDA0002289516050000064
将速度公式(9)(10)确定的流体主导波和管壁主导波传播速度和材料参数代入公式(11)可确定二者引起的管壁径向位移的比例，从而判断泄漏主导模态类型，从将主导模态的传播速度作为管道泄漏信号的传播速度c，将该速度代入泄漏定位公式(12)即可确定泄漏点位置。
Figure GDA0002289516050000065
其中l1为传感器1距离泄漏点的位置，L为两传感器之间的距离，该距离可通过现场测量直接获得。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.基于经验模态分解的流体管道泄漏声发射相干定位方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
管道泄漏产生的声发射信号沿着管道传输时，被分解为多种不同类型的模态信号；
将流体管道看作由管内流体、管壁及管道外部介质三层不同属性的介质构成的圆柱形壳体复合结构，低频泄漏声发射信号在这种圆柱形壳体复合结构中传输时，只激励两种基本的模态类型：管壁主导模态和流体主导模态；
其中，管壁主导模态波在管壁中传输，而流体主导模态波为流体中传输的纵波；
当流体管道泄漏时产生声发射信号沿着管道向两端传输，被两端加速度传感器拾取后形成两路泄漏信号分别为X1(t)和X2(t)，对两泄漏信号进行处理来确定泄漏位置；
所述对两泄漏信号进行处理来确定泄漏位置具体为：
对两路信号X1(t)和X2(t)进行傅里叶变换得两信号的频谱函数为：
Figure FDA0002289516040000011
Figure FDA0002289516040000012
从而确定泄漏信号的互功率谱
Figure FDA0002289516040000013
和自功率谱
Figure FDA0002289516040000014
为：
Figure FDA0002289516040000015
Figure FDA0002289516040000016
Figure FDA0002289516040000017
其中
Figure FDA0002289516040000018
分别表示泄漏信号的功率谱的共轭；
从而泄漏信号的相干函数为
Figure FDA0002289516040000019
Figure FDA00022895160400000110
取相干函数峰值的3dB带宽作为泄漏信号的相干频带，为BW；
然后再对两泄漏信号进行经验模态分解(EMD)，获得本征模态函数为：
对于泄漏信号X1(t)被分解为：
Figure FDA00022895160400000111
对于泄漏信号X2(t)被分解为：
Figure FDA00022895160400000112
然后对两路信号的本征模态分解对应进行相干分析，提取本征模态对应的相干函数峰值3dB带宽作为相干频带，将相干频带在泄漏信号相干频带BW范围内的本征模态进行筛选，并分别重构形成新的泄漏信号
Figure FDA0002289516040000021
和
Figure FDA0002289516040000022
并对重构的两路泄漏信号进行相关时延估计如下：
Figure FDA0002289516040000023
则两泄漏信号的时间延迟D为
Figure FDA0002289516040000024
泄漏声发射信号两模态声速模型分别为：
流体主导模态声速为
Figure FDA0002289516040000025
管壁主导模态声速为
Figure FDA0002289516040000026
其中，cf为声波在流体介质中的传播速度，cL为声波在管壁材料中的传播速度，二者均根据材料特性查表获得；B为流体介质的体积弹性模量，a为管壁半径，h为管壁厚度，δ＝ω2ρha2，ρ为管壁材料的密度，ν为管壁材料的泊松比，E为管壁材料的弹性模量，上述参数均通过查阅材料数据手册获得；
然后，将重构后的泄漏信号相干函数的峰值频率作为中心频率，代入速度公式(9)(10)即确定管壁主导波和流体主导波的传播速度；
流体管道泄漏流体主导波和管壁主导波在管壁径向引起的位移为W1和W2，其中二者之间的比例关系为
Figure FDA0002289516040000027
其中，
Figure FDA0002289516040000028
将速度公式(9)(10)确定的流体主导波和管壁主导波传播速度和材料参数代入公式(11)确定二者引起的管壁径向位移的比例，从而判断泄漏主导模态类型，将主导模态的传播速度作为管道泄漏信号的传播速度c，将该速度代入泄漏定位公式(12)即确定泄漏点位置；
Figure FDA0002289516040000029
其中l1为传感器1距离泄漏点的位置，L为两传感器之间的距离，该距离通过现场测量直接获得。
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