基于聲發(fā)射與小波變換的閥門(mén)泄漏研究

劉 影，周 敏，鄧 昊，李卓航，趙康建

（西南石油大學(xué)，成都 610500）

0 引言

閥門(mén)是管道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它能夠?qū)崿F(xiàn)管道介質(zhì)的流量流向控制，同時(shí)也可以切斷流體，改變管道內(nèi)部的壓力，是管道結(jié)構(gòu)中的控制核心。由于它能夠起到這樣的控制和保護(hù)作用，所以閥門(mén)被廣泛地運(yùn)用在了石油石化、燃料運(yùn)輸、化學(xué)、造船業(yè)等眾多的產(chǎn)業(yè)當(dāng)中。但是，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，閥門(mén)會(huì)產(chǎn)生一定程度的破壞。在管道中的高壓和不同設(shè)備的溫度條件下，或者是石油化工等高腐蝕性的環(huán)境中，閥門(mén)的頻繁開(kāi)閉和長(zhǎng)期使用都會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)的磨損、變形，從而出現(xiàn)泄漏的情況，并且?guī)?lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。

圖1 無(wú)泄漏時(shí)域原始信號(hào)圖Fig.1 No-leak time domain original signal diagram

圖3 開(kāi)度0.01原始時(shí)域信號(hào)圖Fig.3 Opening degree 0.01 original time domain signal diagram

1 聲發(fā)射檢測(cè)原理

壓力管道泄漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)是廣義的聲發(fā)射信號(hào)，管壁本身不釋放能量而只是作為一種傳播介質(zhì)。泄漏過(guò)程中，在泄漏點(diǎn)處由于管內(nèi)外壓差，使管道中的流體在泄漏處形成多相湍射流，這一射流不但使流體的正常流動(dòng)發(fā)生紊亂，而且與管道及周圍介質(zhì)相互作用向外輔射能量[1]，在管壁上產(chǎn)生高頻應(yīng)力波。實(shí)驗(yàn)所使用的聲發(fā)射探頭是一種壓電晶體式，當(dāng)閥門(mén)泄漏時(shí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)傳遞到傳感器的接觸面的時(shí)候，帶動(dòng)壓電陶瓷上的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)壓電陶瓷產(chǎn)生壓縮和拉伸的效果，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，送入信號(hào)處理器，完成應(yīng)力波到電信號(hào)波的轉(zhuǎn)變過(guò)程[2]。

2 管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

圖2 無(wú)泄漏頻域原始信號(hào)圖Fig.2 No leakage frequency domain original signal diagram

圖4 開(kāi)度0.01原始頻域信號(hào)圖Fig.4 Opening degree 0.01 original frequency domain signal diagram

將聲發(fā)射探頭固定在閥門(mén)上，連接并調(diào)試聲發(fā)射ASYM-6 儀器，關(guān)閉閥門(mén)，打開(kāi)一階水箱循環(huán)系統(tǒng)控制臺(tái)和水泵，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。在相同壓力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在無(wú)泄漏的時(shí)候檢測(cè)一組信號(hào)，然后依次改變閥門(mén)開(kāi)度大小，檢測(cè)多組數(shù)據(jù)。閥門(mén)的聲信號(hào)頻帶范圍在0kHZ ～250kHZ，聲發(fā)射儀器采集信號(hào)頻率位2MHZ，每次采集數(shù)據(jù)點(diǎn)1024 個(gè)。

2.2 閥門(mén)泄漏信號(hào)頻段確定

聲發(fā)射探頭能夠檢測(cè)很微弱的信號(hào)，檢測(cè)的信號(hào)中包含大量的環(huán)境噪聲。首先在閥門(mén)無(wú)泄漏的情況下檢測(cè)一次信號(hào)，通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)為位頻域信號(hào)。在閥門(mén)開(kāi)度0.01 時(shí)檢測(cè)一組數(shù)據(jù)。閥門(mén)無(wú)泄漏時(shí)域原始信號(hào)如圖1 所示，無(wú)泄漏時(shí)域原始信號(hào)如圖2 所示。閥門(mén)開(kāi)度為0.01 原始時(shí)域信號(hào)如圖3 所示，原始頻域信號(hào)如圖4 所示。

對(duì)比可知，頻帶300kHZ ～400kHZ 的信號(hào)不是由閥門(mén)泄漏引起的，經(jīng)查閱資料，是由電磁閥噪聲引起的。

圖5 開(kāi)度0.01去噪后頻域信號(hào)圖Fig.5 Frequency domain signal diagram after 0.01 degree denoising

圖7 閥門(mén)開(kāi)度0.01去噪信號(hào)圖Fig.7 Valve opening degree 0.01 denoising signal diagram

如圖5、圖6 所示，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度為0.01 與0.03 時(shí)，在30kHz ～40kHz 之間有一個(gè)譜峰，隨著泄漏量的增加，頻譜幅值也在增加。在閥門(mén)泄漏不同開(kāi)度的頻域圖中，皆可找到如此的規(guī)律，由此可以判斷，閥門(mén)泄漏聲信號(hào)頻帶在30kHz ～40kHz。

2.3 聲發(fā)射信號(hào)處理

在實(shí)驗(yàn)中使用的小波去噪方法為小波閾值去噪，其基本思想是將小波信號(hào)與噪聲信號(hào)通過(guò)小波變換來(lái)進(jìn)行分離，它的信號(hào)模型可表示為：

s(t)為原始信號(hào)，n(t)為噪聲信號(hào)。

經(jīng)過(guò)小波分解后，有效信號(hào)的小波系數(shù)要大于噪聲信號(hào)的小波系數(shù)，可以找到一個(gè)λ 來(lái)作為閾值。當(dāng)分解系數(shù)小于閾值的時(shí)候，識(shí)別其為噪聲并將其剔除；大于閾值時(shí)，認(rèn)為其為有用信號(hào)，并將其保留[1]。閥門(mén)為開(kāi)度0.01 時(shí)，小波閾值去噪后的時(shí)域信號(hào)幅值為4mv 左右，閥門(mén)開(kāi)度為0.03 時(shí)，小波閾值去噪后的時(shí)域信號(hào)幅值為5mv 左右。去噪后時(shí)域圖如圖7、圖8 所示。

圖6 開(kāi)度0.03去噪后頻域信號(hào)圖Fig.6 Frequency domain signal diagram after 0.03 denoising

圖8 閥門(mén)開(kāi)度0.03去噪信號(hào)圖Fig.8 Valve opening degree 0.03 denoising signal diagram

時(shí)域分析只能觀察泄漏信號(hào)的電壓幅值，而不能明確地觀察出泄漏有效信號(hào)的其它特性，所以需要通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)。將泄漏聲信號(hào)處理到頻域進(jìn)行分析，可以得出泄漏有效信號(hào)的頻段分布和泄漏尖峰信號(hào)分布。從頻域圖9 分析，隨著泄漏的增大，頻譜幅值也相應(yīng)增加。紅色軌跡為閥門(mén)開(kāi)度為0.03 時(shí)的頻域圖，藍(lán)色為閥門(mén)開(kāi)度為0.01 的頻域圖。

2.4 聲發(fā)射信號(hào)小波包分析

與小波分析不同，小波包進(jìn)行分解和重構(gòu)能更好地處理信號(hào)中大量的細(xì)節(jié)和邊緣信息，并且對(duì)高頻信號(hào)的分解也毫無(wú)疏漏，能夠更好地進(jìn)行時(shí)頻的局部化分析[3]。對(duì)泄漏聲信號(hào)進(jìn)行小波包分解處理之后，可以計(jì)算每個(gè)頻段的能量值來(lái)得到聲信號(hào)的能量分布特征，從而觀察出泄漏量與能量之間的關(guān)系。系統(tǒng)采樣率為2MHz，奈奎斯特頻率為1MHz，根據(jù)小波包分解原理，選取db3 為小波基，將閥門(mén)泄漏信號(hào)分解為6 層，共64 個(gè)小波包，每個(gè)子頻段為15.625kHz。不同閥門(mén)開(kāi)度下，聲發(fā)射信號(hào)的能量特征圖如圖10 ～圖14 所示.

圖9 不同開(kāi)度信號(hào)頻域圖Fig.9 Spectral diagram of different opening signals

圖10 閥門(mén)開(kāi)度0.01的能量特征圖Fig.10 Energy characteristic diagram of valve opening degree 0.01

圖11 閥門(mén)開(kāi)度0.03的能量特征圖Fig.11 Energy characteristic diagram of valve opening 0.03

圖12 閥門(mén)開(kāi)度0.05的能量特征圖Fig.12 Energy characteristics of valve opening 0.05

圖13 閥門(mén)開(kāi)度0.07的能量特征圖Fig.13 Energy characteristic diagram of valve opening 0.07

圖14 閥門(mén)開(kāi)度0.15的能量特征圖Fig.14 Energy characteristics of valve opening 0.15

2.5 聲發(fā)射信號(hào)及其能量特征分析

小波包分解第一個(gè)子頻段為0kHz ～15.625kHz，第二個(gè)子頻段為15.625kHz ～31.25kHz，通過(guò)之前的分析得知，聲發(fā)射信號(hào)的有效頻段在30kHz ～40kHz。能量值在能量特征圖中分別對(duì)應(yīng)第二段能量柱所對(duì)應(yīng)的能量值。從聲發(fā)射信號(hào)的能量特征圖可得，隨著閥門(mén)開(kāi)度的增加，聲發(fā)射信號(hào)能量值逐漸增大，在閥門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，能量值最主要頻段為15kHz 左右，隨著閥門(mén)開(kāi)度逐漸增大，在聲發(fā)射有效頻段30kHz 左右的能量最為明顯。

3 結(jié)論

1）通過(guò)時(shí)域分析得知，閥門(mén)泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)幅值隨著閥門(mén)開(kāi)度（模擬泄漏率）的增大而增大；通過(guò)頻譜圖分析得知，閥門(mén)泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)頻段主要集中25kHz ～40kHz，隨著閥門(mén)開(kāi)度增大，頻譜幅值也隨之增大。

2）閥門(mén)聲信號(hào)在不同開(kāi)度下，同一頻段的能量值不同，隨著閥門(mén)開(kāi)度的增加能量值逐漸增大。