基于傅里葉帶通濾波閥門內(nèi)漏信號處理研究

王 瓊

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

閥門在工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛，尤其在石油石化行業(yè)，能源領(lǐng)域的不斷發(fā)展促進閥門的應用和需求不斷增長[1-5]。閥門發(fā)生泄漏，不僅會帶來經(jīng)濟和環(huán)境的惡劣影響，嚴重的還可能造成重大安全事故。閥門泄漏分為內(nèi)漏和外漏，外漏很容易被檢測出來，內(nèi)漏則不容易被發(fā)現(xiàn)和檢測，但是閥門內(nèi)漏同樣會對安全運行帶來嚴重威脅。在石油石化生產(chǎn)中，運用聲發(fā)射檢測法可以在不影響正常生產(chǎn)情況下簡單快速檢測閥門內(nèi)漏。聲發(fā)射信號是聲發(fā)射源的信息載體，檢測聲發(fā)射信號的目的，就是希望通過聲發(fā)射信號這個橋梁，來推斷聲發(fā)射源的部位、性質(zhì)及其嚴重程度等方面的信息；另一方面，傳感器所接收到的信號并不是最初的原始信號，而是原始信號從聲源到傳感器過程中會發(fā)生畸變、反射、折射、衰減等變化，最終形成復雜信號，用何種方法能將采集到的復雜信號進行有效的分析和處理，減少漏檢誤檢，從而獲取足夠多反映真實情況的信息是一個重要難點。針對以上問題，本文應用傅里葉頻譜分析，研究閥門內(nèi)漏信號提取方法，有效濾除環(huán)境噪聲影響[6-8]。

1 閥門內(nèi)漏聲學數(shù)據(jù)采集

1.1 閥門內(nèi)漏聲學監(jiān)測實驗系統(tǒng)

為采集閥門內(nèi)漏聲學信號，設(shè)計了如圖 1 所示的閥門內(nèi)漏聲學監(jiān)測實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由2部分組成，包括內(nèi)漏模擬裝置部分和內(nèi)漏檢測部分。內(nèi)漏模擬試驗裝置由壓縮機、儲氣罐、出入口閥門、壓力表、安全閥、連接件、測試閥門、流量計、消音器以及輸氣管路組成，壓縮機輸出的空氣存入儲氣罐，通過儲氣罐出入口的閥門調(diào)節(jié)儲氣罐充放氣過程以穩(wěn)定在所需壓力，測試閥門通過變徑連接件與輸氣管路相連，下游端連接流量計精確檢測內(nèi)漏率，末端連接消音器減小噪聲，儲氣罐內(nèi)壓縮空氣壓力調(diào)節(jié)到預設(shè)壓力后，關(guān)閉入口閥門，完全打開出口閥門，氣流沿著箭頭所示方向前進進入測試閥門，進流量計檢測計量后排出。通過調(diào)節(jié)儲氣罐出入口閥門開關(guān)及壓縮機出口壓力實現(xiàn)不同壓差工況，調(diào)節(jié)測試閥門手輪開關(guān)，實時觀察流量計讀數(shù)到預期內(nèi)漏率數(shù)值實現(xiàn)不同內(nèi)漏率工況，可更換不同壓差、內(nèi)漏率或者不同壓差不同工況相互組合，以便開展更多種閥門內(nèi)漏工況實驗。

內(nèi)漏檢測部分包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機數(shù)據(jù)分析軟件組成。聲發(fā)射傳感器通過耦合劑附著于測試閥門閥體上下游，將內(nèi)漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，該信號經(jīng)過前置放大器放大后遠距離傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡。

圖1 閥門內(nèi)漏聲學監(jiān)測實驗系統(tǒng)

2 模擬實驗聲學數(shù)據(jù)采集

基于以上閥門內(nèi)漏聲學監(jiān)測實驗系統(tǒng)，分別開展了閘閥、球閥內(nèi)漏模擬實驗。利用DN25、DN32、DN40、DN50、DN65球閥測試0.4 MPa下氣體內(nèi)漏率分別為4,8,12,16,20,24 L/min時的聲發(fā)射信號；利用DN65、DN80、DN150閘閥測試0.1 MPa下氣體內(nèi)漏率分別為10，20，30，40，50 L/min時的聲發(fā)射信號。以上實驗數(shù)據(jù)作為信號處理分析樣本。

3 傅里葉帶通濾波方法

對模擬實驗獲得的閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測數(shù)據(jù)，提取波形文件后進行傅里葉變換，得到閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號頻譜并確定峰值頻率，進而確定不同尺寸、不同類型閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號頻帶分布?；诼曅盘栴l帶分布規(guī)律，確定理想帶通濾波器以實現(xiàn)對閥門內(nèi)漏聲信號波形特征的提取以及信號的重構(gòu)。

3.1 閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號頻帶分布

對DN25、DN32、DN40、DN50、DN65球閥在氣壓為0.4 MPa、內(nèi)漏流量分別為4,8,12,16,20,24 L/min條件下檢測數(shù)據(jù)進行波形文件提取，執(zhí)行傅里葉變換得到其峰值頻率，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，不同公稱直徑球閥峰值頻率分布范圍十分接近，即不同尺寸球閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號具有相似頻率特性。DN25、DN32、DN40、DN50、DN65球閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號頻譜峰值頻率主要分布于20～30 kHz范圍內(nèi)。

根據(jù)DN65閘閥在實驗壓力和不同流量下的實驗數(shù)據(jù)及DN80、DN150閘閥在氣壓為0.1 MPa、內(nèi)漏流量分別為10,20,30,40,50 L/min的內(nèi)漏聲發(fā)射數(shù)據(jù)，利用同球閥分析方法得到峰值頻率分布如表2、表3所示。

表1 球閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號頻譜峰值頻率 kHz

由表2和表3可知，同尺寸閘閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號峰值頻率相近，DN65閘閥峰值頻率主要分布于30～40 kHz范圍內(nèi)；DN80閘閥峰值頻率主要位于15～20 kHz范圍內(nèi)；DN150閘閥峰值頻率主要位于20～30 kHz范圍內(nèi)。觀察閘閥的峰值頻率分布可以發(fā)現(xiàn)，相同公稱直徑閘閥在不同內(nèi)漏流量條件下的峰值頻率近似相等，而不同公稱直徑閘閥峰值頻率相差較大。由此可知，不同尺寸閘閥，要選擇不同頻帶進行分析。

表2 DN65閘閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號頻譜峰值頻率 kHz

表3 DN80、DN150閘閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號頻譜峰值頻率 kHz

3.2 理想帶通濾波器處理

根據(jù)聲信號頻帶分布可知，球閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號頻譜峰值頻率分布于20～30 kHz范圍內(nèi)。為確定該頻帶內(nèi)信號是否為閥門內(nèi)漏產(chǎn)生，本文采用基于傅里葉變換的理想帶通濾波器，對聲發(fā)射信號進行濾波，濾波器通帶設(shè)置為20～30 kHz。

對DN25球閥在氣壓0.4 MPa、內(nèi)漏流量分別為4 L/min條件下進行閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號進行濾波，并進行信號重構(gòu)，重構(gòu)信號波形如圖2所示。

圖2 DN25球閥原始信號、重構(gòu)信號波形

取DN80閘閥在氣壓0.1 MPa、內(nèi)漏流量分別為40 L/min的內(nèi)漏聲發(fā)射信號進行濾波，進行信號重構(gòu)，重構(gòu)信號波形如圖3所示。

比較DN25球閥、DN80閘閥濾波前后波形幅值，信號重構(gòu)后波形信號發(fā)生明顯變化，且幅值與原始波形信號差別不大，說明通過傅里葉變換帶通濾波對閥門內(nèi)漏信號處理效果良好。

圖3 DN80閘閥原始信號、重構(gòu)信號波形

分別對DN25球閥在氣壓0.4 MPa、不同流量的內(nèi)漏聲發(fā)射信號和DN80閘閥0.1 MPa、不同流量的內(nèi)漏聲發(fā)射信號及其濾波后信號進行傅里葉變換，得到信號頻率，如圖4、圖5所示。

圖4 DN25球閥原始信號、重構(gòu)信號頻譜

圖5 DN80閘閥原始信號、重構(gòu)信號頻譜

如圖4、圖5所示，經(jīng)過濾波，濾波器通帶以外頻率的信號濾除，原始信號中DN25球閥峰值頻率主要分布在15～20 kHz，重構(gòu)信號保留高能量峰值頻率分布信號，如表4所示，DN25球閥在不同內(nèi)漏流量條件下，重構(gòu)信號與原始信號峰值能量偏差最大值為7%，最小值為6%；重構(gòu)信號與信號峰值頻率偏差最大值為7%，最小值為0.4%，偏差均小于10%，良好地保存了內(nèi)漏信號的完整性。

表4 DN25球閥重構(gòu)信號偏差

4 結(jié)論

a) 針對化工裝置常見閥門內(nèi)漏工況，設(shè)計了閥門內(nèi)漏模擬實驗裝置，通過手動控制被測閥門開度模擬閥門內(nèi)漏，獲得閥門內(nèi)漏信號，信號與化工閥門內(nèi)漏場景相似度高。

b) 利用傅里葉變換對閥門內(nèi)漏信號進行帶寬分布分析，發(fā)現(xiàn)閘閥頻率范圍主要分布于15～40 kHz，相同公稱直徑閘閥在不同內(nèi)漏流量條件下的峰值頻率近似相等，而不同公稱直徑閘閥峰值頻率相差較大。

c) 對閥門內(nèi)漏進行理想帶通濾波器處理，對原始信號進行重構(gòu)，閥門內(nèi)漏信號保存完整性良好，傅里葉帶通濾波針對閥門內(nèi)漏信號處理效果良好，可作為聲學檢測閥門內(nèi)漏信號處理手段。