流体管道泄漏状态辨识方法
【专利摘要】一种流体管道泄漏状态辨识方法，在管道的外壁上布设三轴加速度传感器，三轴加速度传感器的三个感应方向互相垂直，三轴加速度传感器分别对管道轴向振动信号、径向振动信号和周向振动信号进行拾取；根据三轴加速度传感器拾取到的信号进行互相关处理，并将互相关处理结果代入泄漏状态判断公式，当成立时，则管道上有泄漏情况发生，否则，管道未泄漏。本发明的有益技术效果是：可将噪声振动与泄漏振动有效分离开来，提高泄漏识别的准确性，算法简单，响应快。
【专利说明】流体管道泄漏状态辨识方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种管道泄漏辨识技术，尤其涉及一种流体管道泄漏状态辨识方法。
【背景技术】
[0002] 漏点发现是管道泄漏处治的先决条件，现有技术在进行漏点发现时，所采用的基 本原理为：在被测流体管道的外壁上安装加速度传感器来拾取泄漏声信号，通过对拾取到 的信号进行分析，从而判断出流体管道是否发生泄漏；基于前述基本原理的几种典型泄漏 辨识方法如下：
[0003] Wan等提出首先对泄漏声信号进行自适应滤波处理，然后通过谱分析来判断流体 管道是否泄漏（Q Wan，D B Koch，K Morris. Multichannel spectral analysis for tube leak detection. Southeastcon, 93, Proceedings. IEEE,1993 ：1~4.)；
[0004] 李光海等从泄漏声发射特征出发，在泄漏信号频率范围内选取某个频段，然后利 用信号的功率谱密度与频率之间存在的幂指数关系来辨识管道泄漏（李光海，刘时风.声 发射源特征识别的最新方法.无损检测，2002, 24 (12) :534-538.);
[0005] 中国专利（CN101196872A)以泄漏声信号经过带通和中值滤波处理后的信号的均 值、标准差、最小值、功率谱密度最大对应的频率等构建特征向量，结合支持向量机来辨识 管道泄漏。
[0006] 上述几种泄漏辨识方法以信号的频谱特性、均值、标准差等作为泄漏辨识特征量， 但由于管道泄漏声信号的频谱特性随着管道泄漏形式、管道条件等不同而存在差异性，并 且管道内外存在各种噪声干扰，使得基于泄漏声信号频谱特性和统计量分析的泄漏辨识方 法具有局限性；为了解决固有噪声源对泄漏辨识的影响，现有技术中还存在如下几种辨识 方法：
[0007] Ai等结合泄漏声信号线性预测编码倒谱系数和隐马尔可夫模型，Sato等提出以 泄漏信号功率谱密度、基于AR模型的破坏因子等作为泄漏声信号特征，并结合支持向量机 来区别传感信号中的相关成分来自于泄漏还是各种非泄漏声源，但这两类方法易将管内 非泄漏噪声误判为泄漏声信号（C H Ai，H H Zhao，R J Ma，et al. Pipeline damage and leak detection based on sound spectrum LPCC and HMM. Proceeding of the Sixth International Conference on Intelligent System Design and Applications. 2006 ： 829-833. T Sato. A Mita. Leak detection using the pattern of sound signals in water supply systems. Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical，and Aerospace Systems. Proc. of SPIE. 2007.);杨进等从管道泄漏声信号产 生机理出发，指出流体管道泄漏引起的声振动信号是由泄漏流体形成湍流以及空化效应共 同作用的结果，湍流与空化效应的共同作用导致流体管道泄漏声信号具有"不可重复"的 特征；由于相关函数具有分析时间序列相干结构的能力，且近似熵从统计角度区别时间过 程的复杂度，提出将信号相关长度后的自相关函数序列作为特征提取对象，以该序列的近 似熵值来量化泄漏声信号的复杂度，并将该值作为神经网络输入来辨识泄漏的发生，从而 减少误判或漏判（J. Yang, Y. Wen, P. Li, Study on an improved acoustic leak detection method for water distribution systems Urban Water Journal 10 (2) (2013)71-84.)； 中国专利（CN101592288A)将两邻近传感器的观测信号作为自适应滤波器的输入信号和参 考信号，利用自适应滤波器收敛时的权向量包络峰值邻域之外的权向量的复杂度作为泄漏 特征量，将权向量复杂度输入决策算法来判断管道是否泄漏，前述两种方法分别采用不同 的信号处理方法来提取流体管道泄漏声信号的复杂度，并将其作为泄漏特征来判断管道是 否泄漏，但是，管道内部流动的流体介质在遇到管道中的法兰、阀门、弯管时也会形成湍流 及空化效应并产生与流体泄漏信号相似的复杂度，于是采用泄漏声信号的复杂度作为特征 量来辨识泄漏声信号与管内流体流动噪声存在局限性。
【发明内容】
[0008] 针对【背景技术】中的问题，本发明提出了一种流体管道泄漏状态辨识方法，包括用 于传输压力流体的管道，其创新在于：在所述管道的外壁上布设三轴加速度传感器，所述三 轴加速度传感器的三个感应方向互相垂直，其中，第一感应方向与管道轴向平行，第二感应 方向与管道径向平行，第三感应方向与管道周向的切向方向平行；三轴加速度传感器的输 出量中，对应第一感应方向的信号即为轴向振动信号，对应第二感应方向的信号即为径向 振动信号，对应第三感应方向的信号即为周向振动信号；对轴向振动信号、径向振动信号 和周向振动信号进行互相关处理，并将互相关处理结果代入泄漏状态判断公式R( T )，当 R( T ) I T = ^ > 〇成立时，则管道上有泄漏情况发生，否则，管道未泄漏；
[0009] 所述泄漏状态判断公式R( T )的表达式如下：
[0010] R ( T ) = R (z e (t- X ), Zr (t)) - a R (z e (t- X ), Zx (t))
[0011] 其中，R(ze (t-T)，％(t))为周向振动信号和径向振动信号的互相关函数； R(z e (t-T )，Zx (t))为周向振动信号和轴向振动信号的互相关函数；a为位移分量比；T 为互相关函数的自变量一时间延迟；a的值由管道外径、厚度以及流体类型决定，具体应 用时，a值需根据不同的管道类型和传输的流体类型分别单独计算，其计算方式可参见 文献(D. C. Gazis, Three-Dimensional Investigation of the Propagation of Waves in Hollow Circular Cylinders. I. Analytical Foundation, J. Acoust. Soc. Am. 31(5) (1959)568-573) 〇
[0012] 例如，当管道中的压力流体为液体时，几种典型管道的a值计算结果如下表所 示：
[0013]
【权利要求】
1. 一种流体管道泄漏状态辨识方法，包括用于传输压力流体的管道，其特征在于：在 所述管道的外壁上布设三轴加速度传感器，所述三轴加速度传感器的三个感应方向互相垂 直，其中，第一感应方向与管道轴向平行，第二感应方向与管道径向平行，第三感应方向与 管道周向的切向方向平行；三轴加速度传感器的输出量中，对应第一感应方向的信号即为 轴向振动信号，对应第二感应方向的信号即为径向振动信号，对应第三感应方向的信号即 为周向振动信号；对轴向振动信号、径向振动信号和周向振动信号进行互相关处理，并将互 相关处理结果代入泄漏状态判断公式R( τ )，当R( τ ) | τ 4 > 〇成立时，则管道上有泄漏情 况发生，否则，管道未泄漏； 所述泄漏状态判断公式R( τ )的表达式如下： R ( τ ) = R (z e (t- τ ), zr (t)) - a R (z e (t- τ ), Ζχ (t)) 其中，R(ze(t-T)，％(t))为周向振动信号和径向振动信号的互相关函数； R(z θ (t_ τ )，Ζχ (t))为周向振动信号和轴向振动信号的互相关函数；α为位移分量比；τ 为互相关函数的时间延迟。
【文档编号】F17D5/06GK104235619SQ201410401105
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】文玉梅, 李帅永, 李平, 文静, 邱景, 杨进, 朱永, 王宁, 浮洁 申请人:重庆大学