Спосіб визначення місцезнаходження течі в трубопроводі

1 Спосіб визначення місцезнаходження течі в трубопроводі, що включає приймання акустичних сигналів в кінцевих точках обстежуваної ділянки трубопроводу, визначення їх кореляційної функції, виявлення її піку, що відповідає кореляційній затримці сигналу течі і визначення відстані до місця течі по цій затримці, швидкості сигналу в трубопроводі І ВІДОМІЙ ДОВЖИНІ ДІЛЯНКИ, ЯКИЙ ю о ю ю 55025 швидкості сигналу в трубопроводі і ВІДОМІЙ ДОВЖИНІ ДІЛЯНКИ (пат ФРГ № 3607913, кл G 01 М 3/24, опубл 3 08 87) В цьому способі визначення корреляційної функції виконують з допомогою обчислення взаємного спектру потужності сигналів, що поступають з двох датчиків і його зворотнього перетворення Фур'є Для зменшення дії завад в спектрі потужності послаблюють частоти з більшою амплітудою і підсилюють частоти з меньшою амплітудою Але в цьому способі припускають, що сигнал в трубопроводі розповсюджується ЛІНІЙНО з постійною швидкістю С Реальний трубопровід являє собою акустичний хвилевід, в якому виникають складні коливаня мод різних порядків При цьому сигнал з коливаннями однієї моди розповсюджується по трубопроводу від місця течі до датчиків з груповою швидкістю С-і, величина якої залежить від частоти сигналу, тобто має місце його дисперсне розповсюдження В межах діапазону, що використовуються для локалізації течі частот (0,5 - 3 кГц) групова швидкість сигналу може змінюватись на 40% Дисперсність розповсюдження сигналу приводить до того, що частотні складові сигналу приходять до датчиків з різною затримкою і корреляційний пік стає розмитим або виникають кілька корреляційних ПІКІВ, а одержання висоти корреляційного піку, достатньої для його визначення і прийняття рішення про наявність течі, потребує значно більшого часу накопичення корреляційної функції Таким чином, недолік способу полягає в великій КІЛЬКОСТІ часу виявлення течі та великій похибці и локалізації В основу винаходу поставлено задачу удосконалити спосіб визначення місцезнаходження течі в трубопроводі, в якому при введенні операцій визначення часткових корреляційних функцій в декількох діапазонах частот і їх додавання з врахуванням середніх швидкостей сигналу в цих діапазонах частот, забезпечується більш висока чутливість, завадостійкість і зменшується ширина кореляциійного піку і за рахунок цього зменшується час виявлення течі і підвищується точність їх локалізації Вказана задача вирішується тим, що в способі визначення місцезнаходження течі в трубопроводі, що включає приймання акустичних сигналів в кінцевих точках ділянки трубопроводу, що обстежується, визначення їх корреляційної функції, виявлення її піку, що відповідає корреляційній затримці сигналу течі і обчислення відстані до місця течі по цій затримці, швидкості сигналу в трубопроводі та ВІДОМІЙ довжині ділянки, згідно з винаходом, визначають середні швидкості сигналів в трубопроводі в М пошукових діапазонах частот, а корреляційну функцію визначають формуванням М часткових корреляційних функцій, для яких вирівнюють часовий масштаб в ВІДПОВІДНОСТІ З середньою швидкістю сигналу в кожному з діапазонів частот і додаванням цих часткових корреляційних функцій Крім того, в запропонованому способі знаходять взаємний спектр потужності сигналів, що отримані в кінцевих точках ділянки трубопроводу, що обстежується, формують М спектрів потужності сигналів в М пошукових діапазонах частот, встановлюючи в нуль ВІДЛІКИ взаємного спектру потужності сигналів в смугах частот, що не входять в пошуковий діапазон частот і виконують зворотнє перетворення Фур'є М спектрів потужності з отриманням ВІДПОВІДНИХ їм М часткових корреляційних функцій Таке виконання способу не вимагає обчислення смугової фільтрації обох вхідних сигналів в М діапазонах частот і формування М корреляційних функцій, наприклад, 2М смуговими фільтрами і М корреляторами Для цього досить одного визначення взаємного спектру потужності і обчислення М зворотніх перетворень Фур'є, реалізація яких, наприклад, методом швидкого перетворення Фур'є має в десятки разів меншу обчислювальну складність, ніж визначення корреляцм за допомогою коррелятора Вказана задача вирішується також тим, що в запропонованому способі встановлюють в нуль ВІДЛІКИ взаємного спектру потужності сигналів, які відповідають частотам завад сигналів, що одержані в кінцевих точках ділянки трубопроводу При цьому досягається такий же ефект, якби виконувалась операція фільтрації вхідних сигналів з допомогою високодобротних режекторних фільтрів, настроєних на частоти завад Вказана задача вирішується також тим, що в запропонованому способі визначають автоспектри потужності сигналів, одержаних в кінцевих точках ділянки трубопроводу, що обстежується, та взаємний спектр потужності цих сигналів нормірують шляхом ділення його ВІДЛІКІВ на середнє квадратичне з одноіменних ВІДЛІКІВ автоспектрів потужності сигналів Як правило, спектральні складові завад в сигналі течі мають багато більшу амплітуду, ніж спектральні складові сигналу Це, наприклад, імпульсні завади, завади від вібрації середовища, що обмежує трубопровід, фон електричної мережі, наведений на датчики, та ІНШІ Додавання до способу операцій одержання автоспектрів потужності і нормірування взаємного спектру призводить до того, що спектральні складові завад послаблюються, а спектральні складові сигналу підсилюються і тим самим покращується відношення сигнал-шум Ця операція відома в галузі обробки сигналів як "відбілювання" спектру Вказана задача вирішується також тим, що в запропонованому способі середні швидкості акустичного сигналу в кожному з М діапазонів частот, що досліджуються, приймають рівними швидкостям сигналу в цих діапазонах, що відповідають модам, які мають мінімальне згасання в трубопроводі що обстежується РІЗНІ МОДИ сигналу в трубопроводі, число яких росте зі збільшенням діаметра трубопровода, мають різні групові швидкості розповсюдження Це еквівалентно тому, що сигнал від місця течі розповсюджується кількома напрямками В результаті на коррелограмі спостерігається декілька ПІКІВ різної висоти, що відповідають кожній із мод При цьому в діапазоні спектра сигналу є одна з мод, яка розповсюджується в трубопроводі з меншим згасанням, ніж решта мод Якщо в способі задати, середні швидкості С, сигналу, що відповідають цій моді, то збільшення відношення сигнал-шум в підсумковій коррелограмі буде максимальним порівняно з іншими варіантами вибору значень швидкостей С, коррелящйний пік, що відповідає цій моді, буде виділятися серед решти ПІКІВ своєю висотою та гостротою 55025 В кожному діапазоні частот положення піку часткової корреляційної функції буде відповідати затримці т,=2Х/С,, де С, - середня швидкість сигналу в і-му діапазоні частот, X - відстань до місця течі від середини ділянки трубопроводу що обстежується, тобто це положення буде різним, в залежності від С, Після масштабування по осі часу часткових корреляційних функцій в кожному з М діапазонів виникне зміщення корреляційних ПІКІВ в одне і те саме положення, наприклад, т-і=2Х/Сі, що відповідає шуканій затримці Це масштабування виконується таким чином, що [кСі/С,+0,5]-і ВІДЛІКИ її часткової корреляційної функції переставляються на місце к-х ВІДЛІКІВ Так як часове положення піку у всіх М часткових корреляційних функцій після вирівнювання часового масштабу одне і те саме, то їх додавання приблизно в М раз збільшує висоту основного корреляційного піку порівняно з рівнем шумів, тобто збільшується вихідне відношення сигнал-шум і зменшується необхідний час для знаходження піка На фіг 1 показані графіки залежностей швидкості сигналу від частоти для трьох мод що одержані для стального напорного трубопровода діаметром 100 мм На фіг 2 показані графіки залежностей інтенсивності сигналу від частоти для трьох мод цього ж самого трубоповода На фіг 3 представлена функціональна схема прикладу реалізації способу з допомогою процесора швидкого перетворення Фур'є Згідно З запропонованим способом, для даного трубопроводу в М досліджуваних діапазонах частот, що не перекриваються, визначають М середніх швидкостей С, сигналу, наприклад, по одному з графіків 1, 2, 3, приведених на фіг 1, по ВІДПОВІДНИМ таблицям, одержаним шляхом попереднього моделювання проходження сигналу в трубопроводі, або вимірюванням швидкостей в лабораторних умовах, або умовах, приближених до реальних Акустичні сигнали Ui(t) та Ibft), джерелом яких є місце течі, приймають в двох кінцевих точках обстежуємої ділянки трубопроводу Потім В М пошукових діапазонах частот, що не перекриваються, для вхідних сигналів Ui(t) і U2(t) визначають М часткових корреляційних функцій R,(k) (і = 1, , М), після чого вирівнюють часовий масштаб одержаних функцій R,(k) в ВІДПОВІДНОСТІ З середньою швидкістю С, сигналу в кожному з М діапазонів частот шляхом перестановки ВІДЛІКІВ функцій R,(k) При цьому в новій і-й частотній корелограмі R'i(k) k-й ВІДЛІК ВІДНОСЯТЬ до ]кСі/С,+0,5[го відліку начальної і-й корелограми Ri(k), де дужки ][ означають взяття цілої частини числа Результуюча корелограма дорівнює сумі часткових корелограм М Далі виявляють корреляційний пік функції R(k), який відповідає корреляційній затримці х сигналу течі і обчислюють відстань до місця течі від середини обстежуємої ділянки трубопроводу Х=хСі/2, де Сі - середня швидкість сигналу в першому частотному діапазоні, відносно якої вирівнюють часовий масштаб в часткових корелограмах По ВІДОМІЙ відстані d між датчиками обчислюють відстань L до місця течі від одного з датчиків L = d/2-X Згідно ЗІ способом, який заявляється, визначення М корреляційних функцій виконують наступним чином Обчислюють взаємний спектр GAe(f) сигналів Ui(t) і Ibft) GAB(f) = F(U1(t))F*(U2(t)), де F - символ перетворення Фур'є, * - символ комплексно-спорідненого Далі формують М СПеКТріВ ПОТУЖНОСТІ GABiff) сигналів в М діапазонах частот установкою в нуль ВІДЛІКІВ взаємного спектру потужності GABI (f) сигналів з частотою, що не входить в ВІДПОВІДНИЙ діапазон частот (f, f,+i) M часткових корреляційних функцій R,(k) одержують за допомогою зворотнього перетворення Фур'є R,(k)=F 1 (G ABl (f)), де F 1 - символ зворотнього перетворення Фур'є Згідно ЗІ способом, що пропонується, для зменшення дії завад також у взаємних спектрах сигналів GABi(f), встановлюють в нуль ВІДЛІКИ З частотою, що відповідає частотам завад сигналів Згідно ЗІ способом, що пропонується, додатково визначають автоспектри потужності сигналів, що одержують в кінцевих точках обстежуємої ділянки трубопроводу GA(f)=FCU1Ct))lGBCf)=FCU2Ct)) Потім взаємний спектр потужності нормують діленням його ВІДЛІКІВ на середнє квадратичне з ВІДЛІКІВ автоспектрів потужності сигналів і подальше виконання способу продовжують аналогічно, виконуючи решту операцій над нормованим взаємним спектром потужності Також згідно зі способом, що пропонується, при виконанні операції визначення середньої швидкості сигналу в М діапазонах частот визначають моду сигналу, яка має мінімальне згасання в трубопроводі, наприклад, по графіках залежності інтенсивності сигналу від моди та частоти 4, 5, 6, приведених на фіг 2 Для цієї моди вибирають М діапазонів частот (f,, f,+i) і визначають середні групові швидкості С,, що відповідають цим діапазонам, наприклад, по відповідному графіку групової швидкості 1, 2, або 3 на фіг 1 Як приклад реалізації способу, пропонується пристрій для визначення течі (фіг 3), який складається з двох акустичних датчиків 7, 8, установлених на кінцях обстежуємої ділянки трубоповоду 9, виходи яких підключені до входів аналогоцифрових перетворювачів 10, 11, виходи яких підключені до процесору швидкого перетворення Фур'є 12, вихід якого підключено до індикатору 13 В якості процесора швидкого перетворення Фур'є 12 з індикатором 13 і аналого-цифровими перетворювачами 10, 11 може бути застосований аналізатор спектру, наприклад СК4 - 71, СК4 - 91, НР3562 Спосіб виявлення течі в трубопроводі, що 55025 8 реляцшних функціях з вирівняним часовим масшвключає операцію знаходження піку корреляцшної табом одне і те ж, то після їх додавання приблизно функції сигналів з кінцевих точок обстежуємої дів М разів збільшується висота основного коррелялянки трубопроводу, дозволяє підвищити відноціиного піку порівняно з рівнем шумів, тобто в зашення сигнал-шум приблизно в пропонованому способі параметр qM збільшення q = fgT/(2+K/n) разів, відношення сигнал-шум рівний де q - параметр збільшення відношення сигq H = Mq M нал-шум, яке забезбечує корреляційний метод, Оскільки покращення відношення сигнал-шум fg - частота дискретизації сигналів від датчиків, прямо пропорцюнально терміну Т накопичення і Т - інтервал часу виявлення сигналу течі, виявлення сигналу, то в запропонованому способі Ri - відношення сигнал-шум вхідних сигналів, термін виявлення сигналу зменшено в К - відошення ширини відфільтрованої (не перетвореної в нуль) і спектру вхідного сигналу до YKfqXAC^ всього діапазону частот fg/2 (див Макс Ж Методы q I 2C A 2C и техника обработки сигналов при физических разів измерениях - М Мир, -1983, Т I) При цьому трохи зменшується і ширина Дхн Ширина основного піку корреляцшної функції зони ПІКІВ корреляцшної функції, внаслідок зменДх, що шукається, зворотньо пропорційна ширині шення в М разів ширини основного піку коррелясмуги спектру сигналів і дорівнює Дх = 4/(Kfq) При цшної функції Дх', так як в и формувані беруть припущені, що групова швидкість сигналу ЛІНІЙНО участь всі спектральні складові сигналу, тобто залежить від частоти, а спектр сигналу рівномірДхн= 2ХДС/(С2М)+ Дх = 2XAC/(C2M)+4M/(Kfq) ний, корреляційні затримки х сигналів від течі, яка Тоді похибка Дхн локалізації течі стає рівною знаходиться від середини обстежуємої ділянки на ДІн= ДхнС/4 = 0,5XAC/(CM)+C/(Kfq), відстані X, з мінімальною Стщ та максимальною тобто приблизно в М раз менше Стах швидкостями, дорівнюють ВІДПОВІДНО 2Х/Стщ і Розглянемо приклад реалізації способу для 2Х/Стах Тоді ширина зони можливого положення виявлення течі в стальному трубопроводі діаметкорреляційних ПІКІВ Дхд для випадку дисперсного ром 100 мм і товщиною стінок 10 мм, по якому розповсюдження сигналу буде дорівнювати протікає вода, при вибраних М = 4 досліджуємих 2 2 Дх= 2Х(Стах-Ст,п)/С +Дх = 2XAC/C +4/(Kfq), діапазонах частот Приймемо також умови, коли де С - середня групова ШВИДКІСТЬ сигналу, відношення сигнал-шум п = 0,01 і q = 1600, тобто ДС - різниця групових швидкостей сигналу в сигнал на 20 дБ нижче рівня шумів, а для прийнятдіапазоні частот, що обробляються тя рішення про наявність течі необхідно, щоб ріЗавдяки тому, що енергія сигналу в цьому вивень корреляціиного піку на 12 дБ був більше рівпадку не концентрується в одному корреляційному ня шумів, частота дискретизації fq = 10 кГц піку, а розподіляється в п разів більш широкій зоні, Сигнал в трубопроводі склададається з нульото в стільки ж разів погіршується параметр q збівої першої та другої моди з частотними характельшення відношення сигнал-шум п вхідних сигнаристиками групової швидкості 1, 2, 3 на фіг 1 і лів або збільшується час Т, необхідний для виявзалежностями інтенсивності проходження сигналу лення сигналу течі при заданих параметрах q та п від частоти 4, 5, 6 на фіг 2 ВІДПОВІДНО ЦІ характеПохибка Дід визначення відстані до місця течі з ристики одержані в результаті моделювання вкадопомогою корелятора при дисперсному розпозаного трубопроводу шляхом рішення його хвивсюдженні сигналу дорівнює льового рівняння і тотожні характеристикам реаДІд=Дх g/4 = 0,5AC/C+C/(Kfq) льного сигналу Таким чином, параметр збільшення q q відноЗгідно З пропонуємим способом, в М = 4 дошення сигнал-шум при дисперсному розповсюсліджуємих діапазонах частот, що не перекривадженні сигналу дорівнює ються, для цього трубопроводу визначають М середніх швидкостей С, по графіках 1, 2 або 3 СигKfqXAC нали і Щт) знімають + 1 2 + К/г, : 2С З двох акустичних датчиків 7, 8, які встановлені на обстежуємш ДІЛЯНЦІ трубопроводу 9 Ці сигПри зменшенні в М разів смуги частот сигналів нали квантують аналого-цифровими перетворювачами 10, 11 і подають в процесор швидкого пев корреляційній функції в М разів зменшується ретворення Фур'є 12 Процесор 12 обчислює в М розкид ДС значень групової швидкості в кожнім з М 4 діапазонах частот, що не перекриваються, М досліджуваних діапазонів частот і в М раз збільчасткових корреляційних функцій Ri(k) (і = 1, ,4) шується ширина основного піка корреляцшної фуПотім ПО ВІДПОВІДНІЙ програмі в процесорі 12 в цих нкції до значення Дх' = МДх Тоді параметр qM збікорреляційних функціях вирівнюють часовий масльшення відношення сигнал-шум для кожного часштаб в ВІДПОВІДНОСТІ до середньої групової швидтотного діапазону в М разів меншого, ніж весь діакості Сі сигналу в кожному з діапазонів частот пазон частот сигналу, складе шляхом перестановки ВІДЛІКІВ При цьому в масшKfqXAC табованш і-й корелограмі R,'(k) k-й ВІДЛІК прирів2 + К/г, нюють [кСі/С,+0,5]-му відліку початкової І-І корело2С2М грами Ri(k) Результуюча корелограма дорівнює При цьому ширина зонаї Дхм положення ПІКІВ сумі коррелограмм корреляційної функції буде рівна Дхм= 2ХДС/(С2М)+МДх = 2XAC/(C2M)+4M/(Kfq) Так як положення піку у всіх М часткових кор2 H 2 55025 R(k)=£R'i(k) 1=1 і и відображають на екрані індикатора 13 Дальше визначають корреляціинии пік функції R(k), який відповідає корреляційній затримці х сигналу течі і обчислюють відстань до місця течі 14 від середини обстежуємої ділянки трубопроводу X = тС-і/2 По ВІДОМІЙ відстані d між датчиками обчислюють відстань b до місця течі 14 від одного з датчиків L = d/2-X Визначення М корреляційних функцій виконують наступним чином За допомогою швидкого перетворення Фур'є в процесорі 12 обчислюють автоспектри Si(f) і S2(f) сигналів Ui(t) і Ui(t) S 1 (t) = F(U 1 (t)),S 2 (f) = F(U 2 (t)) I по яких обчислюють взаємний спектр цих сигналів G A B (f) = S1Ct)S*2Cf) Під час цього з ВІДЛІКІВ ВХІДНИХ сигналів U-i(t) і Ibff), що поступають з аналого-цифрових перетворювачів 10, 1 1 , формують масиви розміром N ВІДЛІКІВ Ui,(t), L)2j(f), які з метою виключення ефекту накладання частот доповнюють N нульовими відліками, що еквівалентно множенню на прямокутне часове вікно Потім з допомогою алгоритму швидкого перетворення Фур'є для 2N ВІДЛІКІВ обчислюють автоспектри сигналів SuC^^FCUuCt)), S 2 j (f)=F(U 2 j (t)), по яких обчислюють взаємний спектр сигналів GABj(f) = ST j(f)S* 2 j(f) Взаємні спектри сигналів, число яких дорівнює m = Tfq/N, осереднюють з одержанням більш точної оцінки взаємного спектру J=1 Далі формують М спектрів потужності GAB, сигналів в М=4 діапазонах частот шляхом встановлення в нуль ВІДЛІКІВ взаємного спектру потужності GABi(f) сигналів з частотою, що не входить в ВІДПОВІДНИЙ діапазон частот М=4 часткових корреляційних функцій Ri(k) одержують шляхом зворотнього швидкого перетворення Фур'є R,(k)=F 1 (G A B l (f)) По виду спектрограм Si,(f) і S2j(f))> які виводять на екран індикатора 13, визначають частоти завад сигналів і для зменшення їх дм у взаємних спектрах сигналів GABi(f) встановлюють в нуль ВІДЛІКИ з частотою, що відповідає частотам завад сигналів з датчиків Під час осереднення взаєного спектру сигналів GAe(f) також в процесорі 12 виконують осереднення автоспектрів потужності сигналів від двох датчиків 10 G(f)=1/m2S2A,(f),GB=(f)=1/m2S2B,(f) J=1 J=1 Потім взаємний спектр потужності нормують шляхом ділення його ВІДЛІКІВ на середнє квадратичне з ВІДЛІКІВ автоспектрів потужності сигналів і подальше виконання способу продовжують аналогічно З аналізу графіків 4, 5, 6 на рис 2 витікає, що максимальну амплітуду у вказаному трубопроводі має друга мода 6 Тому на початку способу для цієї моди вибирають 4 діапазони частот 1,5-2 кГц, 2 - 2,5 кГц, 2,5 - 3 кГц і 3 - 3,5 кГц і по графіку З на рис 1 вибирають групові швидкості, що відповідають цим діапазонам Сі = 970 м/с, C-z = 1030 м/с, Сз = 1070 м/с і С 4 = 1100 м/с Тоді при вирівнювані часового масштабу в 2, З і 4-й частковій коррелограмі К-й ВІДЛІК приймають рівним [1.07К +0,5], [1.10К+0.5] і [1,12К+0,5]-му відліку у ВІДПОВІДНІЙ початковій коррелограмі Наприклад, R'4(100) = R 4 (112), R'4(101) = R 4 (113) I T IH Для цього прикладу по способу - прототипу час знаходження сигналу при умові обробки даних в реальному мастабі часу дорівнює fq і при К = 2(3,5 кГц - 1,5 кГц)/Гд = 0,4, С = 1050 м/с, ДС = 180 м/с, X = 100 м складе Т в = 1600(36+1)(2+40)/10 4 = 240 с При цьому похибка визначення відстані до місця течі складає ДІ_ В = (2 AC/C 2 +4/(Kf q ))C/4 (0,036+0,0016)1050/4 « 9 , 6 м Час виявлення сигналу по новому способу при тих же початкових умовах дорівнює і при М = 4 складає Т н = 1600(9+4)(2+40)/(4х 10 4 ) « 23 с Похибка визначення відстані до місця течі при цьому складе ДІ_ Н = (2Х AC/C 2 M+4/(Kf q ))C/4 (0,009+0,0016)1050/4 « 2 , 8 м Таким чином, для дистанції від середини обстежуємої ділянки до місця ймовірної течі X = 100 м новим способом можна локалізувати течу в Ут = ТвЛ~н и 10,5 разів скоріше і в У|_ = ДІ_в/ЛІ_н =3,4 разів точніше, ніж відомим способом При цьому параметри покращення способу Ут і Уі_ приблизно пропорційні М 2 і М, ВІДПОВІДНО і це покращення особливо чітко проявляється для дистанції X більше 50 м 11 55025 12 F, кГц 1 1,5 2 2,5 3 3,5 ФІГ. 1 F, к Г ц 9\ і. 10 12 ІЗ Фіг. З Підписано до друку 03 04 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24