Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Задача-обнаружения утечек на трубопроводных системах водоснабжения и теплоснабжения 101
Актуальность задачюбнаруженйя утечек на трубопроводных системах .10
Методы обнаружения утечек на трубопроводных системах
Метод понижения давления:.. 12
Методютрицательных ударных волн 13
Метод сравнения расходов
Методосравнения изменения.скоростирасходов.
Акустический метод Корреляционно-акустический метод: 16
Лазернышгазоаналитический метод
Корреляционно-акустический методвшриложенишкзадачамюбнаружения у течек, наорубопроводных системах
Природа акустической эмиссии
Определение координат источникаішумовікорреляционньїмїметодом: 24"
Преобразование Фурье 26;
Приборнотаппаратные:комплексы дляюбнаружения утечекна основе1
Частотно-временнойкорреляционнышанализ 44:
Корреляционнышакустическишметод поискаутечек: достоинства; ограничения; недостатки Алгоритм частотно-временного корреляционного анализа 47
Пример применения частотно-временного корреляционного анализа в задачах поискаутечек...
Выводы;к-главе 2 57
Глава 3: Апаратно-программная реализация прибора для поиска утечки .
Вариант с беспроводной связью — передача информации по радиоканалу 601
3.1.1 Аппаратная часть прибора 60
3.1.2 Программнаяреализация .62
3.2 Вариант с проводной связью и с внешним звуковым интерфейсом ЭВМ ;. 80
3.2:1 Аппаратная реализация. 80?
3.2:2 Программная реализация 82
3:ЗВыводы кглаве.З .; 89;
Глава 4. Экспериментальные исследование частотно-временного корреляционного метода;.алгоритмов и аппаратно-программных средств ... 90
4.1 Определение рабочего частотногодиапазона .91
4.2 Исследование влияния различных факторов на расчетную величину скорости распространения звукашо трубопроводу.
Влияние давления;транспортируемого вещества на расчетную величину, скорости распространения звука по трубопроводу
Влияние типа транспортируемого веществанафасчетную величину скорости распространения звукапо трубопроводу
Исследованиезависимости.скорости распространения-звука от
частотного спектраісигналов; ;..:... 109
4.3 Экспериментальная проверка работы:прибора...
Эксперименты«с:воздушно
Эксперименты,с.трубопроводом предназначенным для; перекачивания воды...:. : 120?
Выводы к главе 4...:... 127
Заключение
Литература
- Методютрицательных ударных волн
- Алгоритм частотно-временного корреляционного анализа
- Вариант с проводной связью и с внешним звуковым интерфейсом ЭВМ
- Влияние давления;транспортируемого вещества на расчетную величину, скорости распространения звука по трубопроводу
Методютрицательных ударных волн
Масштаб систем трубопроводов в России огромный, но их состояние тревожное. По официальной информации Минэнерго РФ в России в 2000-м. году суммарная протяженность только тепловых сетей в двухтрубном исчислении составляла около 183 300 км, средний, процент износа оценивался в 60-70%. Прямые потери в изношенных трубопроводах тепла доходили до 15% [35]. Потери в системах водопроводов составляют в отдельных регионах до 40% от 25 млрд. кубм: поданных в сеть [8]. Все эти потери обусловлены высоким уровнем изношенности трубопроводов, часть которых необходимо заменить, а остальные - обследовать и вовремя. устранить,возникшие на них утечки.
Утечки5 из систем; водопроводов также- приводят к множественным негативным.последствиям: отключение подачи тепла или воды, разрушению дорожного полотна и зданий, потопы, размораживание трубопроводов и т.д. Своевременная диагностика, состояние трубопроводові позволяет снизить затраты на ремонтные и восстановительные работы, а также избежать более серьёзных последствий. В, связи с этим актуальность темы исследований очевидна. Столь неблагополучное состояние трубопроводных систем заставляет разрабатывать методы и средства, позволяющие обнаруживать утечки и определять их координаты.
Существует множество подходов и методов обнаружения-утечек на трубопроводах. Каждый из них обладает определенными достоинствами, особенностями и недостатками. Применение тех или иных методов ограничено параметрами трубопровода, свойствами- транспортируемой среды, зависит от природно-климатических условий. Среди значительного числа методов выделим характерные, наиболее заметные и перспективные, которые обладают несомненными достоинствами и в то же время являются представителями технических направлений в задачах обнаружения утечек.
Метод основан на контроле давления в определенных точках трубопровода через заданные промежутки времени. Сопоставляя тренды измеренных значений давления с расчетным величинами с учетом расхода жидкости, можно выявить расхождения, выходящие за допустимые.пределы, определяемые погрешностями измерений и расчета: Достоинства метода:
Метод достаточно широко применяется для защиты магистральных трубопроводов, которые могут иметь длину контролируемых участков в несколько десятков километров, а сами трубопроводы могут находиться в труднодоступных, безлюдных местах. В условиях городов и населенных пунктов такой метод обычно не применятся из-за наличия более эффективных методов и средств.
Метод основан на регистрации волн понижения давления (отрицательных ударных волн) [12], возникающих в момент появления утечки и распространяющихся в обе стороны по трубопроводу. Система измерительных точек в сети трубопроводов передает сигналы о возникновении отрицательных ударных волн в центральную ЭВМ, которая обрабатывает результаты поступающей информации с учетом последовательности поступления сигналов, скорости распространения волн, эксплуатационных параметров перекачки, и вычисляет место утечки.
Метод основан на постоянстве мгновенного расхода нефти или нефтепродукта в начале и конце участка трубопровода при отсутствии утечки и установившемся режиме перекачки. На входе и выходе каждого участка трубопровода устанавливаются расходомеры, дистанционно связанные с центральной ЭВМ, которая непрерывно производит сравнение расходов в начале и конце каждого участка. Если разность расходов превышает допустимый предел, автоматически срабатывает аварийная сигнализация о появлении утечки.
Алгоритм частотно-временного корреляционного анализа
Корреляционно-акустический метод поиска .утечек основан на» определенииї. разницы времени! прихода? сигналов» пьезоэлектрических-датчиков; базирующейся на построении взаимной корреляционной функции»-по:- данными этих датчиков: Известет способ определения; таких. корреляционных функций; по- двум цифровым сигналам Xf щ у І с; помощью; -БПФ: Необходимые сведения о нем; былш приведены в-: разделе E3!5t: Основной недостаток подхода № решения наего: основе: состоит в том, что полученнышрезультатне; позволяет оценить, взаимосвязь сигналов шаразньгх-частотах щ, следовательно, невозможно- определить, параметры частотных . фильтровгДляшояснения-сказанного: обратимся к численному примеру.
В ходе: эксперимента были.записанььзвуковыесигналытрубопроводас утечкой;, координаты которой известны;. Расстояние между установленными! датчиками ; — 55м,! расстояние от утечки: до первого1 датчика- — 3 метра.. Взаимная, корреляционная! функция,, представленная на рис. 2.1:, показывает четкий максимум, соответствующий нулевой; разницы- времени; прихода сигналов. Эту ситуацию можно интерпретировать, как. факт того что утечка существует и она расположена точно в1 середине исследуемого участка 0.01 300 200 100 3 100 200 300 0.0075 0.005 0.0025 0 і м Ф с)
График взаимной корреляционной функции трубопровода. Однако из исходных данных следует, что этот результат ошибочен. Источником неточности являются помехи, спектр которых экспериментатору неизвестен. Проблема, как и всегда в таких случаях, разрешилась применением частотной фильтрации входных данных. После множественных попыток подбора параметров фильтрации положительный результат был получен при применении полосовой фильтрации с частотами 19,5 - 20,5 кГц. Конечный результат представлен на рис. 2.2 в форме графика взаимной корреляционной функции в условиях применения частотных полосовых фильтров. Теперь полученные результаты можно трактовать следующим образом. В записанных шумах трубопровода присутствовали широкополосные помехи, которые были хорошо коррелированы, т.е. схожие помехи присутствовали одновремено в двух каналах, при этом уровень помех значительно превысил уровень сигналов утечки. Такие помехи обычно обусловлены взаимным проникновением сигналов в каналах используемой аппаратуры.
График взаимной корреляционной функции с полосовой фильтрацией 19,5 - 20,5 кГц На этом же примере можно представить трудности и объем работы при поиске подходящих частотных фильтров. Поэтому понятно желание избавиться от вспомогательной по своей сути процедуры. Ясны положительные результаты в случае успешного решения этой задачи, но столь же очевидны и трудности ее решения. Общее направление поиска1 понятно - привлечение дополнительной информации об объекте. Источником- ее может быть только сигнал утечки, который фиксируется двумя датчиками: Временные свойства сигнала уже использованы при построении» взаимной корреляционной функции. Остаются частотные свойства сигнала, которые также характеризуют сигнал утечки, но лишь в другой форме.
С позиций математики временные представления можно рассматривать как оригиналы, а частотные - как изображения по Фурье этих же сигналов. Рассмотрение одного и того же объекта - акустического сигнала утечки - с двух сторон, в двух проекциях, позволяет получить о нем более- полную» Иі точную информацию, что создает предпосылки для достижения интересующих результатов.
Данный алгоритм является одним из основных результатов исслеводаний [36]. Новизна подхода, как уже было отмечено, состоит в том, что в процессе расчетов взаимной корреляционной функции мы используем дополнительное представление входных сигналов — в частотной области. Обратное преобразование Фурье применяется для частотных диапазонов. В результате получаем также взаимную связь между входными сигналами не только в области времени, но. и в области частот. Для пояснения подхода воспользуемся формульным представлением алгоритма, а также его блок 48 схемой, которая позволяет вычислить временную корреляционную функцию для различных частотных диапазонов.
Положим, имеются дискретные вещественные сигналы Xt И УІ (г =0,1,..., 2" -1, п - положительное целое число), в отношении которых следует выявить взаимную связь, если она существует. Выше упомянутая взаимная корреляционная функция гЛ2 для на практике рассчитывается по формуле Гф = F Fix F (y;)j, где F — прямое дискретное преобразование Фурье первого сигнала, F - комплексно-сопряженное значение результатов прямого дискретного преобразования Фурье второго сигнала, F-1 - обратное дискретное преобразование Фурье [47]. Идея предлагаемого способа состоит в следующем. Вместо простой взаимосвязи сигналов для всего частотного диапазона, как показано на рис 2.1, нужно одновременно получить множество таких взаимосвязей для всех отдельных частотных диапазонов.
Вариант с проводной связью и с внешним звуковым интерфейсом ЭВМ
Дальше рассмотрим пример анализа более сложных сигналов. Исходные сигналы представляет собой оцифрованные звуковые сигналы с частотой дискретизации fd равной 44,1 кГц. Имеется 2 записи, каждая из которых содержит 2 канала. Исследуемые сигналы х, и j,- получают путем суммирования отсчетов исходных сигналов следующим образом: щ = Ц + Ц + 0,3 Ri+fdAt, у і = Rt + R; + 0,3L i+fdAt , где Ц,Ц,Щ,Щ - соответственно левые и правые каналы исходных записей. Сигнал JCj представляет собой сумму отсчетов левых каналов и части правого канала первого записи с разницей по времени А? = 0,07 с. Сигнал yt представляет собой сумму отсчетов правых каналов и части левого канала второй записи с разницей по времени At = 0,03 с. В результате анализа предложенным способом на графике частотно-временной корреляционной функции получим отображение заданных задержек (рис. 2.7 и 2.8).
Анализ был осуществлен со следующими параметрами: размер выборки 214= 16384 отсчетов, количество формируемых копий т=53. Рис. 2.7 был построен с помощью ПО MathCAD Professional 2001 [15]. На рис. 2.7 присутствуют 2 максимума вблизи отметки -4096 в частотном диапазоне до 6 кГц и прямая линия на частотном диапазоне от 7-20 кГц. При изучении выходных данных в среде MathCAD, было установлено, что центры 2-х упомянутых максимумов располагаются на 3087 отсчете от нулевой отметки,. а прямая линия - на 1323 отсчетах. С учетом того, что частота дискретизации fj= 44U кіщ, получим значения задержек 0,07 и 0 03 с: Этот пример демонстрирует способность частотно-временной1 корреляционной функции; разлагать, взаимной; зависимости двух сигналов одновремено; наі разных" частотных диапазонах.; 2.4 Пример применения частотно-временного корреляционного анализа в задачах поискаїутечек
Возможность использования разработанного способа расчета частотно-временношкорреляционной функции; в задачах обнаружения утечек,покажем» на рассмотренном ранее; в разделе 2.1: примере сигнала утечки: реального? трубопровода. Входные сигналы представляют собой! оцифрованные: звуковые сигналы трубопровода- с утечкой; координаты которой? известны: Расстояние: между установленными датчиками - 55м расстояние; от утечки? до первого,датчика - 3 метра: Размер выборки сигналов?- 214 отсчета,.число? промежуточных векторов М m - 220: Ранее было;-установлено; что два сигнала хорошо? коррелированьїі при нулевой; задержке и ві частотном; диапазоне 19,а5;—20,5:кЕц;проявляется более слабая связь между сигналами с ненулевои задержкой: , Дляї более точного; анализа результатов графике; частотно-временной; корреляционной; функции; (рис. 2.9) был построен? по? другому. Вместо трехмерного вида используем двумерное представление; а-. величину коэффициента корреляции отображаем в виде градаций серого цвета. Все расчеты, алгоритмы построения графика и вспомогательные; функции для- анализа были осуществлены в» разработанном программном продукте, описание которого будет приведено в третьей главе. На рис. 2.9 можно выделить две вертикальных полосы.. «кГц) 20
Из этих двух полос, левая соответствует разности времени прихода, равной 33,8 мс изходя из формулы 2.4. При значении скорости звука по трубопроводу равной 1450 м/с по формулам 1.4, 1.5 получаем координаты утечки на расстоянии 3,02 м от первого датчика. Этот результат соответствует действительности (Зм). Вторая вертикальная полоса на рис 2.9 предположительно является проявлением электрических наводок в используемой аппаратуре. Поэтому акцентируем внимание на выборе оборудования для регистрации АЭ утечек: крайне важно, чтобы уровень взаимного проникновения сигналов между каналами был низким во избежание ложных результатов.
Этот пример демонстрировал высокую эффективность применения частотно-временного корреляционного анализа в поиске утечек. Благодаря данному методу анализа можно одновремено выявить утечку на фоне шумов и/или других постороних сигналов без применения частотной фильтрации входных сигналов.
Для решения проблем частотной фильтрации входных сигналов корреляционных течеискателей был предложен частотно-временной корреляционный способ анализа цифровых сигналов. Преимущество данного метода перед классическим корреляционным методом заключается в отсутствии необходимости применения частотных фильтров, а взаимосвязь входных сигналов разлагается одновременно во временной и частотной областях, что дает возможность дополнительно исследовать свойства АЭ утечек в трубопроводах. Такая способность также будет иметь большое значение при экспериментальном исследовании скорости распространения АЭ по трубопроводу.
Влияние давления;транспортируемого вещества на расчетную величину, скорости распространения звука по трубопроводу
Модуль загрузки и сохранения анализируемых данных из файла в файл предназначен для загрузки анализируемых данных из звуковых файлов формата WAV. В модуле обработки данных реализованы фильтрация, корреляционный и частотно-временный корреляционный анализ данных. Программа состоит из одного исполняемого файла Leakdetector2.exe, после его запуска появляется главная форма программы (рис. 3.13). Форма для настройки программы вызывается нажатием кнопки «Параметры» на главной форме. Здесь можно задать следующие параметры:
Чтобы загрузить сигналы, сохраненные в WAV-файлах, нужно нажать кнопку «Загрузка WAV файла».Нажатие кнопки «Звуковая карта» на главной форме вызывает форму для записи (рис. 3.15). После выбора нужного устройства дла записи и частоты дискретизации нужно нажать кнопку «Старт». В процессе записи на главной форме отображаются результаты временного анализа (рис. 3.16). Для остановки записи нужно нажать на кнопку «Стоп», после чего можно сохранить записанные данные в виде WAV-файла (нажав на кнопке «Сохранить как...»), сбросить их и начать заново процесс записи или закрыть форму для дальнейщего анализа.
«Сигнал»: здесь отображаются сигналы двух датчиков. Оператор должен выделять мышкой нужную часть во Бременом; домене для анализа. Двойное; нажатие мышки переключает размер этой области на? всю форму или обратно. Данное действие также применимо для двух других областей;
«Спектры»: здесь отображаются графики функций распределения мощности сигналов и функции когерентности для выбранной части сигналов. Оператор может выделять любой частотный диапазон на графике для фильтрации. Диапазон, выделенный левой кнопкой мышки, отфильтруется, и наоборот, диапазон, выделенный правой кнопкой мышки, исключается из фильтра. Одинарное нажатие на графике правой кнопкой мышки отключает частотную фильтрацию.
«Коррелятор»: в зависимости от настроки программы здесь отображается график взаимной корреляционной функции (рис 3.17) илш результат частотно-временного анализа?(рис 3.18). Оператор может выделять мышкой" нужную область; графика с предлагемым; максимумом для автоматического определеия максимума коэффициента. Координаты найденного, максимума (временное отклонение от; центра1 ш частотный диапазон) служат, для определения: координат утечек в форме «Расчет» которая появляется после выделения мышкой-1(рис. 3.19). датчик датчик Рис. 3.19. Форма для расчета координат утечек Значением временного отклонения выделенного максимума из графика взаимной корреляционной функции или частотно-временной корреляционной автоматически заполняется поле «время задержки». Значение скорости звука определяется эксперементальным путем или вычисляется через,параметры трубы, среды и т.д. Оператор должен указать расстояние между датчиками.. Координаты утечки вычисляютсяпо формулам 1.4 и 1:5; В: нижней части данной формы условно изображаются труба датчики и относительная позиции утечки:
В; главе были рассмотрены аппаратная и программная реализация течеискателя на основе частотно-временного корреляционного» анализа; В ходе разработки было реализовано два; основных варианта аппаратной части: с беспровоной; связьюг (передача информации по радиоканалу, через СОМ порты) и с проводной связью и внешним звуковым интерфейсом ЭВМ Результаты практических испытаний показали преимущеста второго варианта- аппаратной! части над первым, поэтому второй вариант для дальнейшего исследования: Программное обеспечение было разработано; на, основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований; частотно-временного г корреляционного/анализа в соответствии с выбранной5 элементной базой: В результате работы: над прогаммным обеспечением для устройтсва: было получено 2 свидетельства о государственной регистрации. программы для ЭВМ [33\ 34]
В главе приводится описание и результаты экспериментов, проведенных в различных форматах с целью проверки как самого частотно-временного корреляционного метода анализа данных в , целом, так и, созданных на его основе инфраструктурных составляющих - алгоритмов, программ, аппаратной части. Напомним, что в процессе работы по теме появлялись новые данные, которые позволяли совершенствовать указанные составляющие. Наиболее заметно такое влияние проявилось в? аппаратной реализации. Первый вариант, как показали испытания, обладал определенными недостатками в отношении каналов передачи информации. Они» были уже отмечены в третьей главе, были определены направления и способы улучшения аппаратно-программной среды. По; этой причине при проведении, экспериментов были использованы новые технические решения, которые относятся ко второму варианту аппаратно-программной среды.
Задачи эксперимента - определить частотный диапазон звуковых сигналов, которые способны регистрировать имеющиеся вибродатчики. В качестве источника звуковых сигналов был использован вибродинамик Masterkit МТ6030 [30] (рис. 4.1). Этот динамик является генераторм звуковых сигналов, которые он передает на твердую поверхность, к которой он прикасается. Производитель заявляет его рабочий частотный диапазон - от 150 Гц до 18 кГц. Внешний вид датчика и частотный диапазон подаваемого на динамик сигнала приведены на рис. 4.1 и 4.2.
