RU2326379C1

RU2326379C1 - Correlation analysis device

Info

Publication number: RU2326379C1
Application number: RU2006141209/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Николаевич Балабаев (RU); Алексей Николаевич Балабаев; ев Григорий Евгеньевич Бел (RU); Григорий Евгеньевич Беляев; Юрий Петрович Быков (RU); Юрий Петрович Быков; Сергей Михайлович Савин (RU); Сергей Михайлович Савин; Антон Владимирович Турчин (RU); Антон Владимирович Турчин; Владимир Иванович Турчин (RU); Владимир Иванович Турчин; Александр Викторович Шумшуров (RU); Александр Викторович Шумшуров
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-06-10

Abstract

FIELD: non-destructive testing.

SUBSTANCE: correlation analysis device comprises the acoustic signal transducers positioned in different points of pipe-line troubleshooted section.

EFFECT: At the outlet of every transducer the frequency filters are installed which divide all acoustic frequency range of the transducer at several subranges in such a way that the upper frequency limit of every subrange is the lower frequency limit of the next subrange All transducer's frequency filter outlets are connected with the summer in such a way that the signal incoming from the frequency filter of the highest subrange is subtracted in the summer from signals of other frequency filters; summers outlets are connected with electronic computer of the .

EFFECT: increasing of the device resolution power

2 dwg

Description

Изобретение относится к области приборов диагностики методами неразрушающего контроля состояния трубопроводов, по которым транспортируются жидкости или газ.The invention relates to the field of diagnostic devices by the methods of non-destructive testing of the state of pipelines through which liquids or gas are transported.

На существующем уровне техники аналогами изобретения являются широко известные корреляционные течеискатели LC-2000 (Япония), «Коршун» [1], устройство для диагностики трубопроводов [2]. Недостаток их заключается в том, что они работают только с сигналами, амплитуда которых превышает уровень шума. Прототипом является корреляционный анализатор, способный работать с сигналами, амплитуда которых меньше уровня шума, состоящий из двух датчиков акустических сигналов, соединенных один с входом «старт», а другой с входом «стоп» одного из электронно-вычислительных устройств корреляционного спектра и соответственно, входом «стоп» и входом «старт» другого аналогичного устройства, а выходы обоих электронно-вычислительных устройств корреляционного спектра присоединены к блоку вычитания сигналов [3]. Недостатком прототипа является малая разрешающая способность. Это обусловлено тем, что подавление шума в прототипе достигается путем взаимного вычитания результатов корреляции мгновенных значений шума, поступающих от различных акустических датчиков, установленных на противоположных участках трубопровода. В такой конструкции коррелируемые функции отдельных мгновенных значений шума могут существенно отличаться по фазе и амплитуде, что приводит к наличию высокого остаточного амплитудного фона на выходе блока вычитания сигналов, ухудшая отношение сигнал-шум и понижая разрешающую способность корреляционного анализатора.At the current level of technology, analogues of the invention are the well-known correlation leak detectors LC-2000 (Japan), "Kite" [1], a device for diagnosing pipelines [2]. Their disadvantage is that they work only with signals whose amplitude exceeds the noise level. The prototype is a correlation analyzer capable of working with signals whose amplitude is less than the noise level, consisting of two acoustic signal sensors connected one to the start input and the other to the stop input of one of the electronic computing devices of the correlation spectrum and, respectively, the input “Stop” and “start” input of another similar device, and the outputs of both electronic computing devices of the correlation spectrum are connected to the signal subtraction unit [3]. The disadvantage of the prototype is the low resolution. This is because the noise suppression in the prototype is achieved by mutually subtracting the results of the correlation of the instantaneous noise values from various acoustic sensors installed on opposite sections of the pipeline. In this design, the correlated functions of individual instantaneous noise values can significantly differ in phase and amplitude, which leads to the presence of a high residual amplitude background at the output of the signal subtraction unit, worsening the signal-to-noise ratio and lowering the resolution of the correlation analyzer.

Целью изобретения является увеличение разрешающей способности устройства корреляционного анализа.The aim of the invention is to increase the resolution of the device correlation analysis.

Для достижения поставленной цели используется тот фактор, что плотность спектральных составляющих белого шума равномерна во всем частотном диапазоне [4].To achieve this goal, the factor is used that the density of the spectral components of white noise is uniform in the entire frequency range [4].

Сущность изобретение заключается в том, что в предлагаемом устройстве из шумового спектра датчика акустических сигналов вычитается в реальном времени шум, регистрируемый этим же датчиком. Таким путем устраняется амплитудно-частотное и фазовое различие между суммируемыми мгновенными значениями шума, свойственное прототипу. Достигается более высокая степень подавления шума, улучшается соотношение сигнал-шум и повышается разрешающая способность устройства корреляционного анализа.The essence of the invention lies in the fact that in the proposed device from the noise spectrum of the sensor of acoustic signals is subtracted in real time the noise recorded by the same sensor. In this way, the amplitude-frequency and phase difference between the cumulative instantaneous noise values inherent in the prototype is eliminated. A higher degree of noise reduction is achieved, the signal-to-noise ratio is improved, and the resolution of the correlation analysis device is increased.

Устройство корреляционного анализа состоит из датчиков акустических сигналов, размещенных в различных точках диагностируемого участка трубопровода, на выходе каждого датчика акустических сигналов установлены частотные фильтры таким образом, что они разбивают весь частотный диапазон акустических сигналов датчика на несколько поддиапазонов так, что верхняя граничная частота каждого предыдущего поддиапазона является нижней частотой последующего поддиапазона, выходы частотных фильтров каждого датчика акустических сигналов соединены с сумматором таким образом, что в нем производится вычитание сигнала, поступающего от частотного фильтра наиболее высокого частотного поддиапазона, из сигналов остальных частотных фильтров, а выходы сумматоров соединены с электронно-вычислительным устройством корреляционного спектра.The correlation analysis device consists of acoustic signal sensors located at different points of the diagnosed section of the pipeline, frequency filters are installed at the output of each acoustic signal sensor so that they divide the entire frequency range of the sensor’s acoustic signals into several subbands so that the upper cutoff frequency of each previous subband is the lower frequency of the subsequent subband, the outputs of the frequency filters of each sensor of acoustic signals connected s to an adder such that it is subtracted signal outputted from the filter frequency of the highest frequency subband signals from other frequency filters, and the outputs of adders coupled to the computing device electron correlation spectrum.

Амплитуда полезного сигнала, приходящего на акустический датчик из области повреждения трубопровода распределена в частотном спектре датчика неравномерно и вычитание из ее значений в различных частотных поддиапазонах амплитуды полезного сигнала наивысшего частотного поддиапазона приводит к формированию на выходе сумматора некоторой вторичной функции полезного сигнала. Ее начало соответствует времени прихода звукового сигнала к этому акустического датчику от зоны повреждения трубопровода. Результирующая амплитуда такой функции будет превышать амплитуду фона, оставшегося после вычитания. Это позволяет более надежно, чем в прототипе, определять местоположение повреждений трубопровода даже в тех случаях, когда амплитуда полезных акустических сигналов меньше уровня шумов.The amplitude of the useful signal arriving at the acoustic sensor from the area of damage to the pipeline is unevenly distributed in the frequency spectrum of the sensor and subtracting from its values in different frequency sub-ranges the amplitude of the useful signal of the highest frequency sub-range leads to the formation of some secondary useful signal function at the output of the adder. Its beginning corresponds to the time of arrival of the sound signal to this acoustic sensor from the zone of damage to the pipeline. The resulting amplitude of such a function will exceed the amplitude of the background remaining after subtraction. This allows you to more reliably than in the prototype, to determine the location of damage to the pipeline, even in cases where the amplitude of the useful acoustic signals is less than the noise level.

В результате предложенных конструктивных изменений, установки на выходах датчиков акустических сигналов устройства корреляционного анализа предложенных частотных фильтров, выходы которых соединены с сумматорами именно предложенным способом, а выходы сумматоров соединены с электронно-вычислительными устройством корреляционного спектра, возникает новое физическое свойство. А именно, становится возможным выделить мгновенные значения сигналов белого шума акустического датчика и вычесть их в реальном времени из общего спектра акустических сигналов, регистрируемых этим же акустическим датчиком. Что повышает точность обнаружения и анализа при помощи предлагаемого изобретения источников акустических сигналов даже в тех случаях, когда амплитуда этих сигналов меньше уровня шумов.As a result of the proposed design changes, installation of the correlation analysis device of the proposed frequency filters at the sensor outputs of the acoustic signals, the outputs of which are connected to the adders by the proposed method, and the outputs of the adders are connected to the electronic computing device of the correlation spectrum, a new physical property arises. Namely, it becomes possible to extract the instantaneous values of the white noise signals of the acoustic sensor and subtract them in real time from the total spectrum of acoustic signals recorded by the same acoustic sensor. What increases the accuracy of detection and analysis using the present invention, sources of acoustic signals even in cases where the amplitude of these signals is less than the noise level.

Известны методы математической обработки спектров, позволяющие выделять из шума сигналы с заранее известными характеристиками. Применяется на практике способ отсечки от спектра анализируемых сигналов частотных областей с высоким уровнем шума. Известен корреляционный анализатор, в котором из акустического фона, регистрируемого исходным датчиком вычитается шум, регистрируемый другим датчиком, который только приближен по своим параметрам к шуму на выходе исходного датчика. Но устройств корреляционного анализа, в которых можно выделить шум на выходе датчика и вычесть его в реальном времени из общего акустического сигнала этого же датчика, сохранив необходимые для корреляционного анализа параметры полезного сигнала, не обнаружено.Known methods of mathematical processing of spectra, allowing to extract signals from noise with previously known characteristics. A method is used in practice for cutting off the spectrum of the analyzed signals from frequency regions with a high noise level. A correlation analyzer is known in which the noise detected by the other sensor, which is only close in its parameters to the noise at the output of the original sensor, is subtracted from the acoustic background recorded by the source sensor. But correlation analysis devices in which noise at the output of the sensor can be distinguished and subtracted in real time from the general acoustic signal of the same sensor, while retaining the useful signal parameters necessary for correlation analysis, were not found.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного технического результата, а именно наличие конструктивных изменений, вызвавших возникновение нового физического свойства, приведшего к положительному эффекту, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.Analysis of the distinctive essential features and the properties manifested due to them, associated with the achievement of a positive technical result, namely the presence of structural changes that caused the emergence of a new physical property that led to a positive effect, allows us to assume that the claimed technical solution meets the criteria of the invention.

Принцип работыPrinciple of operation

Рассмотрим работу устройства корреляционного анализа на примере диагностики состояния трубопроводов, по которым транспортируется вода, нефть, газ и т.п. носители. Известно, что в местах повреждения стенок трубопровода увеличивается турбулентность потока носителя, и эти зоны являются источниками акустических сигналов, распространяющихся в трубопроводе. Широко применяется способ определения положения источника акустических сигналов методом корреляции, рождаемых им звуковых функций. Хорошо разработаны математические методы корреляции таких сигналов [5]. При поиске места разрыва стенки трубопровода с помощью промышленных корреляционных течеискателей «Коршун», электронно-вычислительное устройство корреляционного спектра этих приборов рассчитывает местоположение повреждения, проявляющееся в виде пика на координатной оси двухмерного графика корреляционного спектра. Положение пика на графике соответствует пересчитанному в метры реальному расстоянию до зоны повреждения от места установки акустических датчиков на трубопроводе [1]. В изобретении используется широко известное электронно-вычислительное устройство корреляционного спектра, работающее на базе типового компьютера с типовым алгоритмом построения корреляционной функции, аналогично применяемому в течеискателях серии «Коршун».Consider the operation of the correlation analysis device using the example of diagnostics of the state of pipelines through which water, oil, gas, etc. are transported. carriers. It is known that in places of damage to the walls of the pipeline increases the turbulence of the carrier stream, and these zones are sources of acoustic signals propagating in the pipeline. A widely used method for determining the position of the source of acoustic signals by the method of correlation, the sound functions generated by it. Well-developed mathematical methods for correlation of such signals [5]. When searching for the place of rupture of the pipeline wall using industrial correlation leak detectors “Korshun”, the electronic computing device of the correlation spectrum of these devices calculates the location of the damage, which manifests itself as a peak on the coordinate axis of the two-dimensional graph of the correlation spectrum. The peak position on the graph corresponds to the actual distance calculated in meters to the damage zone from the place of installation of acoustic sensors in the pipeline [1]. The invention uses a well-known electronic computing device of the correlation spectrum, operating on the basis of a typical computer with a typical algorithm for constructing a correlation function, similar to that used in leak detector series "Kite".

Устройство корреляционного анализа, используемое для диагностики трубопроводов, показано на фиг.1. На концах исследуемого участка трубопровода 1, на его внешней поверхности, установлены акустические датчики 2 промышленного типа, которые преобразуют звуковые колебания протекающей в трубопроводе жидкости (газа) в электрические сигналы. На выходе каждого акустического датчика установлены стандартные частотные фильтры 3 и 4, разбивающие весь частотный диапазон акустического спектра этих сигналов на несколько «n» поддиапазонов. Выходы частотных фильтров каждого акустического датчика соединены с входами соответствующих сумматоров 5 широко известной конструкции. Сумматор вычитает сигналы частотного фильтра 3 наиболее высокочастотного поддиапазона из сигналов частотных фильтров 4 более низких частотных поддиапазонов. На выходах сумматоров 5 возникают электрические сигналы, амплитуда которых описывается некоторой вторичной функцией (результат математического суммирования), но временная задержка между этими сигналами соответствует времени задержки между звуковыми сигналами, приходящими на входы акустических датчиков 2 из области повреждения трубопровода. Именно этот фактор важен для определения местоположения дефекта трубопровода путем корреляционного анализа. Выходы сумматоров 5 соединены с электронно-вычислительным устройством корреляционного спектра 6, созданного на базе типового компьютера и строящего график корреляционной функции сигналов, поступающих от сумматоров 5. При помощи этой функции определяется местоположение области повреждения трубопровода 7 относительно места установки акустических датчиков 2.The correlation analysis device used for piping diagnostics is shown in FIG. At the ends of the investigated section of the pipeline 1, on its outer surface, industrial-type acoustic sensors 2 are installed that convert the sound vibrations of the fluid (gas) flowing in the pipeline into electrical signals. At the output of each acoustic sensor, standard frequency filters 3 and 4 are installed, dividing the entire frequency range of the acoustic spectrum of these signals into several “n” subbands. The outputs of the frequency filters of each acoustic sensor are connected to the inputs of the respective adders 5 of a well-known design. An adder subtracts the signals of the frequency filter 3 of the highest frequency subband from the signals of the frequency filters 4 of the lower frequency subbands. At the outputs of adders 5, electrical signals arise whose amplitude is described by some secondary function (the result of mathematical summation), but the time delay between these signals corresponds to the delay time between the audio signals arriving at the inputs of acoustic sensors 2 from the area of damage to the pipeline. It is this factor that is important for determining the location of a pipeline defect by correlation analysis. The outputs of the adders 5 are connected to the electronic computing device of the correlation spectrum 6, created on the basis of a typical computer and plotting the correlation function of the signals coming from the adders 5. Using this function, the location of the damage region of the pipeline 7 relative to the installation location of the acoustic sensors 2 is determined.

Акустический портрет любого трубопровода характеризуется наличием шума, амплитуда которого может оказаться больше амплитуды акустических сигналов приходящих из области повреждения трубы, особенно если это повреждение невелико (течь малой интенсивности). В таких случаях определить ее местоположение невозможно.An acoustic portrait of any pipeline is characterized by the presence of noise, the amplitude of which may turn out to be greater than the amplitude of the acoustic signals coming from the area of damage to the pipe, especially if this damage is small (leak of low intensity). In such cases, it is impossible to determine its location.

На фиг.2. показан спектр сигналов устройства корреляционного анализа, поясняющий, как в предлагаемом изобретении производится выделение из общего спектра сигналов, необходимых для проведения корреляционного анализа. Известно, что в трубопроводах основную долю шума составляет так называемый белый шум, время корреляции которого много меньше характерных времен самой физической системы. Согласно [6], математической моделью белого шума служит случайный процесс с корреляционной функцией видаIn figure 2. shows the signal spectrum of the correlation analysis device, explaining how in the present invention is the selection of the total spectrum of signals necessary for the correlation analysis. It is known that the main part of noise in pipelines is the so-called white noise, whose correlation time is much shorter than the characteristic times of the physical system itself. According to [6], a random process with a correlation function of the form serves as a mathematical model of white noise

Г(t, τ)=σ²(t)·δ(τ),G (t, τ) = σ ² (t) δ (τ),

где δ(τ) - дельта функции. σ²(t) - интенсивность белого шума. Для стационарных и квазистационарных процессов σ²(t)=const, причем корреляционной функции отвечают равномерный спектр

равное нулю время корреляции τ_k и в соответствии с соотношением неопределенности τ_k·Δω>1 бесконечная ширина спектра частот Δω. Из приведенных выше формул видно, что амплитуда белого шума для каждого единичного момента времени неизменна во всем частотном диапазоне.where δ (τ) is the delta of the function. σ ² (t) is the intensity of white noise. For stationary and quasistationary processes, σ ² (t) = const, and the uniform spectrum corresponds to the correlation function

zero correlation time τ _k and, in accordance with the uncertainty relation τ _k · Δω> 1, the infinite frequency spectrum Δω. From the above formulas it is seen that the amplitude of white noise for each unit time is unchanged in the entire frequency range.

На фиг.2 показан датчик акустических сигналов 2 с частотными фильтрами 3 и 4, разбивающими весь частотный диапазон датчика на несколько поддиапазонов частот, 0-f₁, f₁-f₂...f_n-1-f_n. Выходы этих частотных фильтров соединены с сумматором 5. Частотный фильтр 3 соответствует наиболее высокому частотному поддиапазону (f_n-1-f_n). На верхних диаграммах 1 в стилизованном варианте показаны возможные параметры акустического спектра сигналов на выходе частотных фильтров. По оси ординат отложена амплитуда «А» сигнала, по оси абсцисс - его частота «f». Амплитуда белого шума А_ш постоянна во всем частотном диапазоне сигнала, а величина полезного сигнала может различным образом изменяться в этом диапазоне от A_cn до А_со в зависимости от частоты, см. первую и вторую диаграммы 1. На фиг.2 рассмотрены случаи, когда амплитуда полезного сигнала меньше уровня шума. Противный вариант типичен и интереса не представляет. После вычитания в сумматоре из каждого сигнала частотных фильтров более низких частотных поддиапазонов сигнала частотного фильтра наивысшего частотного поддиапазона (f_n-f_n-1), на выходе сумматора появятся сигналы производного вида 6, фиг.2. В спектре этих сигналов будет подавлена амплитуда белого шума, т.к. практически одни и те же мгновенные значения его шумовой функции будут суммированы в реальном времени друг с другом в противофазе, обеспечивая высокий уровень подавления шума. Форма сигналов 6 на выходе сумматора 5 будет отличаться от вида первообразных функций на диаграммах 1, но временные параметры начала и конца этих сигналов будут совпадать с соответствующими характеристиками первоначального звукового сигнала акустического датчика 2. Таким образом, становится возможным выделение из шума импульсов, производных от первичных звуковых сигналов акустических датчиков, и точная идентификация положения их источника в виде пика на временной оси графика корреляционной функции, строимой электронно-вычислительным устройством корреляционного спектра 6. Зная скорость распространения звука в носителе, расстояние между акустическими датчиками и время задержки прихода сигналов из области повреждения трубы на эти датчики, можно рассчитать точное положение дефекта относительно места установки акустических датчиков.Figure 2 shows the sensor of acoustic signals 2 with frequency filters 3 and 4, dividing the entire frequency range of the sensor into several sub-frequency bands, 0-f ₁ , f ₁ -f ₂ ... f _n-1 -f _n . The outputs of these frequency filters are connected to the adder 5. The frequency filter 3 corresponds to the highest frequency sub-band (f _n-1 -f _n ). The upper diagrams 1 in a stylized version show the possible parameters of the acoustic spectrum of the signals at the output of the frequency filters. The amplitude “A” of the signal is plotted along the ordinate axis, and its frequency “f” along the abscissa axis. The amplitude A white noise _w is constant over the entire frequency range of the signal and the desired signal value can variously be changed within the range from A to A _cn _with a function of frequency, see. The first and second chart 1. Figure 2 considers the cases where the amplitude of the useful signal is less than the noise level. The opposite version is typical and is not of interest. After subtracting in the adder from each signal of the frequency filters the lower frequency subbands of the frequency filter signal of the highest frequency sub-band (f _n -f _n-1 ), the signals of the derivative form 6 will appear at the output of the adder, Fig.2. The amplitude of white noise will be suppressed in the spectrum of these signals, since almost the same instantaneous values of its noise function will be summed in real time with each other in antiphase, providing a high level of noise reduction. The shape of the signals 6 at the output of the adder 5 will differ from the form of the antiderivative functions in diagrams 1, but the time parameters of the beginning and end of these signals will coincide with the corresponding characteristics of the initial sound signal of the acoustic sensor 2. Thus, it becomes possible to extract pulses from the primary ones from the noise sound signals of acoustic sensors, and the exact identification of the position of their source in the form of a peak on the time axis of the graph of the correlation function constructed by electronic computing device of the correlation spectrum 6. Knowing the speed of sound propagation in the medium, the distance between the acoustic sensors and the delay time of the arrival of signals from the pipe damage region to these sensors, it is possible to calculate the exact position of the defect relative to the installation location of the acoustic sensors.

Предлагаемое устройство корреляционного анализа позволяет повысить разрешающую способность аппаратуры поиска дефектов методом корреляции ковариационных функций акустического портрета исследуемого объекта, расширяет диапазон применения такой аппаратуры, позволяет работать в условиях сильного шума, увеличить пролетную базу постановки акустических датчиков на трубе, отличается сравнительной простотой изготовления, удобством эксплуатации и малой себестоимостью.The proposed device for correlation analysis allows to increase the resolution of the equipment for searching for defects by correlating the covariance functions of the acoustic portrait of the studied object, extends the range of application of such equipment, allows you to work in conditions of strong noise, increase the span base of the installation of acoustic sensors on the pipe, is characterized by comparative simplicity of manufacture, ease of use and low cost.

ЛитератураLiterature

1. Инструкция. Корреляционный течеискатель «Коршун-7Р». МП ДИСИТ Национальной Академии наук Украины. Киев, 1996 г.1. Instruction. Correlation leak detector "Korshun-7R". MP DISIT National Academy of Sciences of Ukraine. Kiev, 1996

2. Патент на полезную модель № 33231. Устройство для диагностики трубопроводов // Быков Ю.П., Турчин В.И., Турчин А.В.2. Utility model patent No. 33231. Device for piping diagnostics // Bykov Yu.P., Turchin V.I., Turchin A.V.

3. Патент на изобретение № 2200273. Корреляционный анализатор // Суворов А.Л., Быков Ю.П., Гургенидзе Д.Р. и др.3. Patent for invention No. 2200273. Correlation analyzer // Suvorov A.L., Bykov Yu.P., Gurgenidze DR and etc.

4. Прохоров A.M. Большой энциклопедический словарь, М.,Советская энциклопедия, 1991 г., том.1, с.124.4. Prokhorov A.M. Big Encyclopedic Dictionary, M., Soviet Encyclopedia, 1991, vol. 1, p. 124.

5. Методика применения корреляционного течеискателя «Коршун». А.Н. Украины,, институт проблем моделирования в энергетике, г.Киев, 1992 г.5. The method of applying the correlation leak detector "Kite". A.N. Ukraine ,, Institute for Modeling Problems in the Energy Sector, Kiev, 1992

6. Прохоров A.M. Физическая энциклопедия, М., Советская энциклопедия, 1988 г., том 1, с.186.6. Prokhorov A.M. Physical Encyclopedia, M., Soviet Encyclopedia, 1988, Volume 1, p.186.

Claims

A correlation analysis device, consisting of acoustic signal sensors located at different points of the diagnosed pipeline section, characterized in that frequency filters are installed at the output of each acoustic signal sensor in such a way that they divide the entire frequency range of the sensor’s acoustic signals into several subbands so that the upper cutoff frequency of each previous subband is the lower frequency of the subsequent subband, the outputs of the frequency filters of each sensor a Hub signals are connected to the adder in such a way that it subtracts the signal from the frequency filter of the highest frequency subband from the signals of the remaining frequency filters, and the outputs of the adders are connected to the electronic computing device of the correlation spectrum.