WO2014053432A1 - Procede de detection de front d'onde de signal recu par un capteur - Google Patents

Procede de detection de front d'onde de signal recu par un capteur Download PDF

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WO2014053432A1
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signal
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frequency
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Raphaël LEBRETON
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Alstom Technology Ltd
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • G01R31/088—Aspects of digital computing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
    • G01R31/14—Circuits therefor, e.g. for generating test voltages, sensing circuits

Definitions

  • the invention relates to a signal wavefront detection method received by a sensor.
  • the received signal may be, for example, an acoustic signal or an electromagnetic signal.
  • the technical problem to be solved is the automatic detection of the appearance of the wavefront of the signal received by a sensor.
  • the invention may for example apply to the detection and location of partial discharge sources in electrical appliances such as, for example, power transformers.
  • the wavefront is the set of points reached by the wave at the same time t.
  • a known method of wavefront detection is disclosed in the French patent application published under the number FR 2 883 979 and which was filed under No. 05 50799, in the name of AREVA T & D, on September 29th. 2006.
  • This method comprises a step of sampling the signal and an analysis of the signal thus sampled.
  • the analysis of the sampled signal uses many arbitrary coefficients to be modified, in whole or in part, depending on the type of signal and the frequency at which the signal was sampled.
  • the coefficients used for a signal sampled at a few MHz can not be used for a signal sampled at a few GHz.
  • the user is then forced to modify the coefficients by hand, in order to allow the detection of the wavefront. This represents a disadvantage.
  • this method uses a measure of the standard deviation of the signal energy to calculate a threshold value which, when exceeded, validates that a wavefront has been detected.
  • the standard deviation is, by definition, the dispersion around the mean value of the signal.
  • the standard deviation is therefore very influenced by this average value.
  • This is also a disadvantage, since the wave fronts to be detected are not at all dependent on the average value of the signal. They can indeed have an amplitude very slightly higher than the average value or very much higher than the average value.
  • the detection threshold calculation coefficient varies linearly with the average of the signal.
  • the signals which one wishes to detect do not have a linear behavior with the average of the signal, being sometimes of very high amplitude compared to the average of the signal and other times of amplitude hardly higher than this one. average. This represents yet another disadvantage.
  • the invention does not have these disadvantages.
  • the invention relates to a signal wavefront detection method received by a sensor, the method comprising the following steps: - signal acquisition, sampling of the signal in the form of samples and centering of the samples around zero;
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a wavefront detection method of the invention
  • FIG. 2 represents a block diagram of a device that implements the method of the invention.
  • FIG. 1 represents a schematic diagram of a wavefront detection method of the invention.
  • the method firstly comprises a step
  • a sensor for example an acoustic sensor (ultrasound) or a UHF sensor (UHF for "Ultra High Frequencies").
  • a sensor for example an acoustic sensor (ultrasound) or a UHF sensor (UHF for "Ultra High Frequencies").
  • the signal detected by the sensor is then sampled at a step E2.
  • Signal sampling is performed at the same sampling rate or at different sampling rates.
  • the sampling rate (s) are not known in advance and depend on the devices that process the signal.
  • the step E2 also comprises a centering step around zero of the sampled signal.
  • the sampling frequency or frequencies which were used to sample the signal are determined in step E3 and one of the sampling frequencies, preferably the highest sampling frequency f s , is chosen for calculate a reference time period T s such that:
  • step E4 of calculating the Fourier transform of the sampled centered signal is performed. It is then possible to determine, in a step E6 which follows step E4, the frequency f A for which the amplitude of the centered sampled signal is maximum and the width A of a sliding window associated with the frequency f A , to know :
  • the centered sampled signal is preferentially filtered during a step E5.
  • This filtering step advantageously makes it possible to eliminate the very low and very high frequency noise that the signal may contain.
  • the terminals F1, F2 of the filter which is applied to the signal are calculated from the knowledge of the maximum frequency MAX contained in the signal, which is known by the Fourier transform.
  • the terminals Fl, F2 of the frequency interval are for example:
  • N T A / T s
  • step E7 it is verified that the number N is within a predetermined interval [N min , N max ]. Indeed, the number N of samples included in the sliding window must be sufficient, without being too important.
  • the number N min may be, for example, 5 and the number N max , for example, equal to 20. If the number N is within the predetermined range, the process continues to step E8. Otherwise, the step E7 comprises an additional elementary step which, depending on the case, widens or decreases the width of the window from the width T A until the number N is included in the predetermined interval.
  • Step E8 which follows step E7, is a step of calculating the variance V of the energy of the absolute value of the signal in successive time intervals that have the width of the sliding window as width. Variance values V calculated over the entire duration of the signal are then extracted: the maximum variance V max and the minimum variance V m i n . In addition, the average variance V moy is calculated.
  • V max , V m i n and V moy are used in step E9 to calculate the detection threshold S.
  • the threshold S is written:
  • the coefficient k is equal to -0.4. This value of -0.4 was chosen following a very large number of tests, relating to a great variety of signals.
  • the values of the variance V calculated in step E8 are then compared to the threshold S during a step E10.
  • the first value of the variance V which exceeds the threshold S corresponds to a moment of appearance of the signal which is a moment of beginning of sliding window.
  • this instant o corresponds to the detection time T d of the wavefront.
  • ⁇ 1 is a duration equal to half the duration of the sliding window. The moment of detection of the wavefront is then centered on the sliding window which is associated with the exceeding of the threshold value. The determination of the instant T d is made during a step Eli which follows the comparison step E10.
  • FIG. 2 represents a block diagram of a device that implements the method of the invention.
  • the device comprises a sensor C and a computer recorder Q.
  • An undulatory signal A (acoustic wave or electromagnetic wave) is detected by a sensor C which delivers an electrical signal B.
  • the electrical signal B is transmitted to a computer recorder Q which comprises means capable of implementing all the steps El-Ell mentioned above.

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Abstract

L' invention concerne un procédé de détection de front d'onde de signal reçu par un capteur, le procédé comprenant : - le calcul de la variance V de l'énergie de la valeur absolue du signal reçu dans des intervalles de temps successifs de largeur égale à l'inverse de la fréquence d'amplitude maximale du signal filtré, - une détermination d'une valeur maximale Vmax, d'une valeur minimale Vmin et d'une valeur moyenne Vmoy de ladite variance sur l'ensemble desdits intervalles de temps, - le calcul d'un seuil de détection S sur la base de l'équation : S = Wk x Vmax + Vmoy, avec W = Vmax / Vmin et k < 0 - la comparaison des valeurs de variance V avec le seuil S, et la détermination d'un instant To de détection du front d' onde dès lors que la valeur de la variance dépasse pour la première fois la valeur de seuil.

Description

PROCEDE DE DETECTION DE FRONT D ' ONDE
DE SIGNAL REÇU PAR UN CAPTEUR DESCRIPTION
Domaine technique et art antérieur
L' invention concerne un procédé de détection de front d'onde de signal reçu par un capteur. Le signal reçu peut être, par exemple, un signal acoustique ou un signal électromagnétique.
Le problème technique à résoudre est la détection automatique de l'apparition du front d'onde du signal reçu par un capteur. L'invention peut par exemple s'appliquer à la détection et à la localisation de sources de décharges partielles dans les appareils électriques tels que, par exemple, les transformateurs de puissance. Le front d'onde est l'ensemble des points atteints par l'onde à un même instant t.
Un procédé connu de détection de front d'onde est divulgué dans la demande de brevet Français publiée sous le numéro FR 2 883 979 et qui a été déposée sous le N°05 50799, au nom de AREVA T&D, à la date du 29 Septembre 2006. Ce procédé comprend une étape d'échantillonnage du signal et une analyse du signal ainsi échantillonné. L'analyse du signal échantillonné utilise beaucoup de coefficients arbitraires qu'il faut modifier, en tout ou en partie, en fonction du type de signal et de la fréquence à laquelle le signal a été échantillonné. Ainsi, les coefficients utilisés pour un signal échantillonné à quelques MHz ne peuvent être utilisés pour un signal échantillonné à quelques GHz. L'utilisateur est alors obligé de modifier les coefficients à la main, afin de permettre la détection du front d'onde. Ceci représente un inconvénient.
Par ailleurs, ce procédé utilise une mesure de l'écart-type de l'énergie du signal pour calculer une valeur de seuil qui, lorsqu'elle est dépassé, valide qu'un front d'onde a été détecté. Or, l'écart- type est, par définition, la dispersion autour de la valeur moyenne du signal. L'écart-type est en conséquence très influencé par cette valeur moyenne. Ceci est également un inconvénient, puisque les fronts d' onde à détecter ne sont pas du tout dépendant de la valeur moyenne du signal. Ils peuvent en effet avoir une amplitude très faiblement supérieure à la valeur moyenne ou très fortement supérieure à la valeur moyenne .
De plus, le coefficient de calcul de seuil de détection varie linéairement avec la moyenne du signal. Or, les signaux que l'on souhaite détecter n'ont pas un comportement linéaire avec la moyenne du signal, étant parfois d'amplitude très élevée par rapport à la moyenne du signal et d'autres fois d'amplitude à peine supérieure à cette moyenne. Ceci représente encore un autre inconvénient.
L' invention ne présente pas ces inconvénients .
Exposé de l'invention
En effet, l'invention concerne un procédé de détection de front d'onde de signal reçu par un capteur, le procédé comprenant les étapes suivantes : - acquisition du signal, échantillonnage du signal sous la forme d'échantillons et centrage des échantillons autour de zéro;
détermination d'une fréquence fs d'échantillonnage du signal et calcul d'une période temporelle de référence Ts telle que Ts=l/fs;
transformation de Fourier du signal échantillonné centré et filtrage du signal issu de la transformation de Fourier dans une bande de fréquences Af;
- détermination d'une fréquence fA du signal issu du filtrage passe bande pour laquelle le signal échantillonné centré a une amplitude maximale et calcul d'une largeur de fenêtre glissante TA telle que TA=l/fA;
- calcul d'une variance V de l'énergie de la valeur absolue du signal sur la fenêtre glissante de largeur TA et détermination d'une valeur maximale Vmax, d'une valeur minimale Vmin et d'une valeur moyenne Vmoy de la variance sur la durée du signal,
- calcul d'un seuil de détection S sur la base de l'équation :
S = Wk x Vmax + Vmoy, avec
W = Vmax / Vmin et k < 0
comparaison des valeurs de variance V avec le seuil S, et
- détermination d'un instant To de détection de front d'onde du signal dès lors que la valeur de la variance dépasse pour la première fois la valeur de seuil . Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre faite en référence aux figures jointes, parmi lesquelles :
La figure 1 représente un schéma de principe de procédé de détection de front d' onde de 1 ' invention ;
La figure 2 représente un schéma de principe d'un dispositif qui met en œuvre le procédé de 1 ' invention .
Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Exposé détaillé d'un mode de réalisation préférentiel de 1 ' invention
La figure 1 représente un schéma de principe de procédé de détection de front d' onde de 1 ' invention .
Le procédé comprend tout d'abord une étape
1 d'acquisition d'un signal analogique par un capteur, par exemple un capteur acoustique (ultrasons) ou un capteur UHF (UHF pour « Ultra Hautes Fréquences ») .
Le signal détecté par le capteur est ensuite échantillonné à une étape E2. L'échantillonnage du signal est effectué à une même fréquence d'échantillonnage ou à plusieurs fréquences d'échantillonnage différentes. La ou les fréquences d'échantillonnage ne sont pas connues à l'avance et dépendent des appareils qui traitent le signal. De façon préférentielle, l'étape E2 comprend également une étape de centrage autour de zéro du signal échantillonné .
Une fois le signal échantillonné, la ou les fréquences d'échantillonnage qui ont servi à échantillonner le signal sont déterminées à l'étape E3 et une des fréquences d'échantillonnage, préférentiellement la fréquence d'échantillonnage la plus élevée fs, est choisie pour calculer une période temporelle de référence Ts telle que :
Ts = l/fs
Parallèlement à cela, une étape E4 de calcul de la transformée de Fourier du signal échantillonné centré est effectuée. Il est alors possible de déterminer, à une étape E6 qui succède à l'étape E4, la fréquence fA pour laquelle l'amplitude du signal échantillonné centré est maximale et la largeur A d'une fenêtre glissante associée a la fréquence fA, à savoir :
TA = 1 / fA
Préalablement à l'étape E6, le signal échantillonné centré est préférentiellement filtré lors d'une étape E5. Cette étape de filtrage permet avantageusement de supprimer les bruits de très basses et de très hautes fréquences que peut contenir le signal. Les bornes Fl, F2 du filtre qui est appliqué au signal sont calculées à partir de la connaissance de la fréquence maximale ÎMAX que contient le signal, laquelle est connue de par la transformation de Fourier. Les bornes Fl, F2 de l'intervalle de fréquences sont par exemple :
Figure imgf000008_0001
D'autres valeurs sont toutefois possibles pour déterminer ces bornes, selon que l'on désire supprimer plus ou moins de fréquences aux extrémités de la bande passante.
De la connaissance de la période temporelle de référence Ts et de la largeur TA de la fenêtre glissante, il est déduit, lors d'une étape E7, le nombre N d'échantillons de signal que contient la fenêtre glissante. En effet, ce nombre N s'écrit :
N = TA / Ts
Lors de l'étape E7, il est vérifié que le nombre N est compris dans un intervalle [Nmin, Nmax] préalablement défini. En effet, le nombre N d'échantillons compris dans la fenêtre glissante doit être suffisant, sans toutefois être trop important. Le nombre Nmin peut être, par exemple, égal à 5 et le nombre Nmax, par exemple, égal à 20. Si le nombre N est compris dans l'intervalle prédéterminé, le procédé continue vers l'étape E8. Sinon, l'étape E7 comprend une étape élémentaire supplémentaire qui, selon le cas, élargit ou diminue la largeur de la fenêtre à partir de la largeur TA jusqu'à temps que le nombre N soit compris dans l'intevalle prédéterminé.
L'étape E8 qui succède à l'étape E7 est une étape de calcul de la variance V de l'énergie de la valeur absolue du signal dans des intervalles de temps successifs qui ont pour largeur la largeur de la fenêtre glissante. Des valeurs de variance V calculées sur toute la durée du signal sont alors extraites : la variance maximale Vmax et la variance minimale Vmin . Par ailleurs, la variance moyenne Vmoy est calculée.
Les valeurs Vmax, Vmin et Vmoy sont utilisées à l'étape E9 pour calculer le seuil de détection S. Le seuil S s'écrit :
S = Wk x Vmax + Vmoy, avec
W = Vmax / Vmin et k < 0
De façon préférentielle, le coefficient k est égal à -0,4. Cette valeur de -0,4 a été choisie suite à de très nombreux tests, relatifs à une grande variété de signaux.
Les valeurs de la variance V calculées à l'étape E8 sont alors comparées au seuil S lors d'une étape E10.
La première valeur de la variance V qui dépasse le seuil S correspond à un instant To d'apparition du signal qui est un instant de début de fenêtre glissante. Dans une première variante du procédé de l'invention cet instant o correspond à l'instant de détection Td du front d'onde.
Dans une deuxième variante du procédé de l'invention, l'instant de détection du front d'onde est donnée par l'équation :
Td=T0+ATl, où
ΔΤ1 est une durée égale à la moitié de la durée de la fenêtre glissante. L'instant de détection du front d' onde est alors centré sur la fenêtre glissante qui est associée au dépassement de la valeur de seuil. La détermination de l'instant Td est faite lors d'une étape Eli qui succède à l'étape de comparaison E10.
La figure 2 représente un schéma de principe d'un dispositif qui met en œuvre le procédé de 1 ' invention .
Le dispositif comprend un capteur C et un enregistreur calculateur Q. Un signal ondulatoire A (onde acoustique ou onde électromagnétique) est détectée par un capteur C qui délivre un signal électrique B. Le signal électrique B est transmis à un enregistreur calculateur Q qui comprend des moyens aptes à mettre en œuvre l'ensemble des étapes El-Ell mentionnées précédemment.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection de front d'onde de signal reçu par un capteur, le procédé comprenant les étapes suivantes :
acquisition du signal (El), échantillonnage du signal sous la forme d'échantillons et centrage des échantillons autour de zéro (E2) ;
détermination d'une fréquence fs d'échantillonnage du signal et calcul d'une période temporelle de référence Ts telle que Ts=l/fs (E3) ;
- transformation de Fourier (E4) du signal échantillonné centré et filtrage du signal issu de la transformation de Fourier (E5) dans une bande de fréquences Af ;
- détermination d'une fréquence fA du signal issu du filtrage pour laquelle le signal échantillonné centré a une amplitude maximale et calcul d'une largeur de fenêtre glissante TA telle que TA=l/fA (E6) ;
- calcul d'une variance V de l'énergie de la valeur absolue du signal sur la fenêtre glissante de largeur TA et détermination d'une valeur maximale Vmax, d'une valeur minimale Vmin et d'une valeur moyenne Vmoy de la variance sur la durée du signal,
- calcul d'un seuil de détection S sur la base de l'équation :
S = Wk x Vmax + Vmoy, avec
W = Vmax / Vmin et k < 0
comparaison des valeurs de variance V avec le seuil S, et - détermination d'un instant To de détection de front d'onde du signal dès lors que la valeur de la variance dépasse pour la première fois la valeur de seuil .
2. Procédé selon la revendication 1 et qui comprend, en outre, une étape de calcul du nombre N d'échantillons de signal contenus dans la fenêtre glissante et une étape de vérification que le nombre N est compris entre une valeur minimale Nmin et une valeur maximale Nmax.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, si le nombre N est inférieur à Nmin ou supérieur à Nmax, la largeur TA de la fenêtre glissante est modifiée jusqu'à temps que le nombre N soit compris entre Nmin et Nmax.
4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel Nmin est égal à 5 et Nmax est égal à
20.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de filtrage comprend :
une détermination d'une première fréquence fl telle que
Figure imgf000012_0001
une détermination d'une deuxième fréquence f2 telle que
Figure imgf000012_0002
9/10,
la bande de fréquences Af étant la bande
[fl, f2] comprise entre les fréquences f1 et f 2.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'instant To est un instant de début de la fenêtre glissante qui est associée au dépassement de seuil.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'instant o est un instant médian de la fenêtre glissante qui est associée au dépassement de seuil.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel k est égal à - 0,4.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fréquence fs d'échantillonnage est la fréquence maximale à laquelle le signal a été échantillonné.
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