（机械电子工程专业论文）管道震击破坏检测与定位系统.pdf

济南大学硕十学位论文 摘要 管道作为五大运输工具之一，在运输液体、气体和浆液等方面具有独特的优势。 随着国家能源战略的调整和西部开发战略的实施，我国管道运输业随之快速发展，管 道数量与日剧增，在国民经济中起着越来越重大的作用。管道的泄漏会造成巨大的经 济损失和环境污染，引起其泄漏的原因包括自然腐蚀和第三方破坏，管道的第三方破 坏已经成为目前造成管道泄漏的最主要因素。因此对管道进行主动防护及快速准确地 判定事发地点具有极为重要的现实意义。 本文对气体架空管道破坏点检测与定位进行了深入研究，主要进行了以下工作： ( 1 ) 对声波在管道传播的特性进行研究，理论和实验表明，声横波、纵波在金属 管道以不同的速度传播。提出了横波纵波协同检测破坏点的方法，引入了基于实验统 计的声速差系数k 的概念，声速差系数的引入，解决了传统方法速度难以确定的问题， 均化了定位误差，在破坏点定位上取得良好效果。 ( 2 ) 对震击信号的功率密度谱进行分析用；小波变换的方法，对信号进行了各个 频带的分解，对信号低频特性和高频细节进行了分析。分析结果表明震击信号频率在 2 0 0 - - 6 0 0 h z 之间。 ( 3 ) 设计了基于仪表运放a d 6 2 0 的可变增益放大器和八阶b u t t e r w o r t h 带通滤波 器，滤去低频干扰和高频噪声。经放大滤波后的信号，信噪比有了明显的提高，为后 续的信号处理奠定了良好的基础。 ( 4 ) 运用短时能量和短时过零率法检测横波、纵波波达时刻，在分析研究短时能 量和短时过零率方法的基础上，提出了短时能量差分法，提高了端点检测的精度。 ( 5 ) 在满足检测算法处理要求的基础上，选择基于a r m 7 核的l p c 2 1 3 8 微处理器， 对外围电路进行了设计，开发了相应的数据采集程序。 关键词：管道；第三方破坏；定位；声速差系数；端点检测； a bs t r a c t p i p e o n eo ft h ef i v em a j o rt r a n s p o r t a t i o nt o o l s ，h a s i t su n i q u ea d v a n t a g e si nt h e t r a n s p o r t a t i o no fl i q u i d g a sa n ds e r o s i t y w i t ht h ea d j u s t m e n t o ft h en a t i o n a le n e r g y s t r a t e g ya n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ew e s t e r nd e v e l o p m e n ts t r a t e g y , c h i n a sp i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r yi sr a p i dd e v e l o p m e n t ， a n dt h en u m b e ri so nt h es h a r pr i s e i tp l a y s a ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m y t h ep i p e l i n el e a k a g ew o u l d c a u s e h u g ee c o n o m i cl o s s e sa n ds e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n p i p e l i n el e a kh a st w o f o r m so f n a t u r a ld a m a g ea n dt h i r dp a r t yd a m a g ea n dt h el a s tf o r mh a sb e c o m et h em a i nf a c t o r s o q u i c k l ya n da c c u r a t e l yd e t e c t i n gt h el o c a t i o nh a s av e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , o v e r h e a dg a sp i p e l i n ed a m a g ed e t e c t i o na n dl o c a t i o nh a v eb e e ns t u d i e d m a i n l y , p r i m a r i l yf o rt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) s t u d yt h em e c h a n i s mo ft h ea c o u s t i cw a v ep r o p a g a t i n ga l o n gt h em e t a lo v e r h e a d p i p e l i n e a n dt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wi tc a l lp r o p a g a t ei nf o r mo f t r a n s v e r s ew a v ea n dl o n g i t u d i n a lw a v e p u tf o r w a r dam e t h o dt od e t e c ta n dl o c a t ed a m a g e p o i n t b a s e do nt h es o u n dp r o p a g a t i o nv e l o c i t y d i f f e r e n c eb e t w e e nt r a n s v e r s ea n d l o n g i t u d i n a lw a v e ，a n dg i v ekt oe x p r e s sa c o u s t i cv e l o c i t yd i f f e r e n c ec o e f f i c i e n tt h a ti s s t a t i s t i c a lf r o me x p e r i e n c ed a t a t l l en e wm e t h o dn e e dn o ts t u d yt h ea c o u s t i cs p e e dw h a t i s v u l n e r a b l et oi n t e r f e r ew i t hv a r i o u sf a c t o r si nt r a d i t i o n a lm e t h o d s ，a v e r a g ep o s i t i o n i n g e r r o ri nt h ed a m a g el o c a t i o na n da c h i e v eg o o dr e s u l t s ( 2 ) a n a l y z e db yp o w e rd e n s i t ys p e c t r u ma n a l y s i s a n du s i n gw a v e l e tt r a n s f o r m d e c o m p o s es i g n a lt ov a r i o u sb a n d ，w h i c hs h o wt h a tf r e q u e n c yb a n do ft h eh i t t i n gs i g n a l m a i n l yb e t w e e n2 0 0 h za n d6 0 0 h z ( 3 ) d e s i g nav a r i a b l eg a i na m p l i f i e rb a s e do nt h ei n s t r u m e n to p e r a t i o n a la m p l i f i e r a d 6 2 0a n de i g h tb a n d sb u t t e r w o r t hb a n d - p a s sf i l t e r , w h i c hc a nf i l t e rl o w f r e q u e n c ya n d h i g h f r e q u e n c yn o i s ei n t e r f e r e n c e a f t e rf i l t e ra n da m p l i f i c a t i o n ，t h es i g n a lt on o i s er a t i o h a sb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d ，l a yag o o df o u n d a t i o nf o rl a t e rs i g n a lp r o c e s s i n g 似1a d o p ts h o r t t i m ee n e r g ya n dc r o s sz e r or a t e t od e t e c tt h ee n d p o i n to ft h e t r a n s v e r s ew a v ea n dl o n g i t u d i n a lw a v e ，o i lt h i sb a s i s ，p u tf o r w a r de n e r g y d i f f e r e n c e m e t h o d ，g r e a t l yi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ee n d p o i n t d e t e c t i o n 佑) t h i sp a p e rs e l e c t e dl p c 2 1 3 8b a s e d o na r m 7a st h ec p uo fm o n i t o r i n gs y s t e mt o s a t i s f yt h en e e do fr e c o g n i z e da r i t h m e t i ca n dc o m p l e t e dt h ep e r i p h e r a l e l e c t r oc i r c u i t d e s i g n a tl a s td a t ac o l l e c t i o np r o g r a m h a v eb e e nc o m p i l e d k e yw o r d s ：p i p e l i n e ；t h i r dp a r t yd a m a g e ；l o c a t i o n ；a c o u s t i cv e l o c i t yd i f f e r e n c e c o e f f i c i e n t ；e n d p i o n td e t e c t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：缸导师签名：缸日期：! 型詹 济南人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 管道运输的特点与检测的意义 由于管道在输送液体，气体，浆体等方面具有独特的优势，目前已成为继铁路， 公路，水路，航空运输以后的第五大运输工具【。管道运输大大减少转运换装环节， 实现连续运输，可避免空车返回的运力浪费并且易于实现自动化管理；运输过程可实 现完全密闭化、效率高、损耗低，燃料消耗是铁路的1 2 ，是公路的1 9 ，运输损耗 是铁路的1 3 ，是公路的1 2 ；可适应各种复杂地形、地貌和气候条件；管道建设投 资省、见效快、占地少，与建设同样长度的铁路相比，管道建设的周期和费用均不到 铁路的1 2 ，占地只有铁路1 9 ，并且管道建成投产后9 0 的土地可恢复使用。到1 9 9 4 年末，我国输油和输气管道总长度已达到1 7 3 7 8 公里，其中原油管道9 4 4 3 公里，天 然气管道7 9 3 5 公里，全年输送原油1 3 亿吨，天然气1 0 2 亿立方米【2 1 。随着国家能 源战略的调整和西部开发战略的实施，特别是西气东输工程的建立，我国管道运输也 随之快速发展，我国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中也明确提出，“十 一五”期间，我国将加快油气干线管网和配套设施的规划建设，逐步完善全国油气管 线网络，适时建设第二条西气东输管道及陆路进口油气管道。 世界上管道工业史大量的数据表明，管道同世界上其他事物一样，其事故率会遵 循一个浴盆曲线如图1 1 所示【3 j ： 失 效 数 时日j 图1 1 事故率的一般规律 图1 1 的浴盆曲线表明，在整个管道寿命期内都有事故发生，事故发生的概率可 分为三个阶段：管道在运行第一阶段( 初生期) 和第三阶段( 衰老期) 事故概率较高，第 二阶段( 稳定期) 概率较低。据统计，目前世界上总管网的5 0 已经使用了3 0 年甚至 更长时间，我国大庆、胜利、大港、辽河、华北、中原等油田，很多管线也已达到使 管道震击破坏检测j 定位系统 用期限，正处于超龄服役阶段【4 1 ，管道事故发生的概率日趋增大。石油和天然气管道 一旦发生事故将会造成巨大的生命财产损失和环境污染。2 0 0 0 年8 月1 9 日美国新墨 西哥州东南部城镇卡尔斯巴德以南约四十公里，主要向德州、新墨西哥州和加州输送 的天然气管道大爆炸，引起连天大火，爆炸后地面留下一道2 5 米长、6 米深的土坑， 事故最少造成1 0 人死亡，2 人严重烧伤；2 0 0 4 年1 0 月6 日下午6 时2 0 分左右，陕 西省榆林市神木县境内的天然气管道被一装载机挖裂，发生天然气泄漏事故，据估计， 约有2 0 0 万立方米的天然气泄漏，造成经济损失6 0 0 余万元。 管道泄漏的原因主要有自然因素和人为破坏两种。人为破坏又叫做第三方破坏 ( t h et h i r dp a r t yd a m a g e ) ，它包括使用铁制或钢制工具在管道附近进行活动，如人 为钻孔、打孔等，在管道附近采用重型机器挖掘，如挖掘机、轮式重型机械作业等， 管道附近的汽车、载重汽车的冲击等，还有表面或半表面的爆炸、冲击等，甚至农业 犁作等。目前第三方破坏引起的管道泄漏已超过自然腐蚀因素而位居第一1 8 l 。因此， 对传输管线的运行状态进行实时地自动监测，特别是对于第三方破坏的预警检测，及 时发现泄漏事故和破坏活动，从而大大减少盗油、偷气案件的发生，具有明显的经济 效益和社会效益。 1 2 国内外管道检测与定位的主要方法 由于管道输送有其他运输方式无法比拟的优越性，并且在运输行业应用越来越广 泛，国内外的一些专家学者很早就展开了广泛的研究，并且取得了许多重要成果。根 据管道检测的特征量的特点，可以把管道检测的方法分为两类：一类为管道泄漏检测 法，即以管道泄漏后某些特征量的变化为检测目标的方法；一类为管道泄漏预警检测 法，即在管道泄漏之前对管道的破坏行为进行检测。 1 2 1 管道泄漏检测与定位方法 ( 1 ) 温度测试法 该方法是通过测试紧邻管道的环境温度的变化来进行泄漏检测和定位。基于此原 理的红外温度记录仪已经成功地应用在热水管道的检漏中。另外，传感技术的进步使 得温度曲线在实际测试中变得方便实用，尤其是温度感应电缆和光纤电缆的使用，大 大改进了数据的可靠性【5 1 。和这种方法类似的方法还有检漏电缆系统法和导电高聚物 2 济南大学颂十学位论文 检漏法f 6 】。其基本原理都是通过检测泄漏介质引起埋设在管道周围检测器件物理和化 学特性的变化定位泄漏点。 ( 2 ) 涡流检测器法 涡流检测器采用在一对一次线圈中通以高频电流，使管道内壁面因电磁感应产生 涡流，再以安放在一次线圈之间的二次线圈进行检测，检测出管壁情况吲。 ( 3 ) 照像检测法和录像检测法 此种方法直接将整套照像或录像设备安装在管内探测球内，利用流体压力使检测 器一边在管子内行走，一边拍摄内壁图像或进行录像，这种方法要求输送流体透明， 或者将管道停输并抽空，不适用于原油管道和天然气管道的在线检测。 ( 4 ) 超声波检测法 超声波技术在管道检测方面也有应用，国外一些著名公司如n k k - p i p e t o n i x ， t d - w i l l i a n s o n 等有着丰富的研究成果。国外主要采用多元蜂窝式检测头，可载有多 个超声探头，各个超声探头直接向管壁发射宽频超声波，又直接接收反射波。当管道 中的流体被扰动，接收换能器上的电压将发生明显变化的现象，根据接收换能器上检 测电压的变化来发现泄漏，但实验模态和现场仍差别较大【8 1 。 国外在厚壁管道超声波自动化检测领域的研究也比较活跃。该系统一般包括爬 行器、换能器、驱动器、计算机控制系统和信号处理系统等。日本九州电力公司研制 出管道内孔自动检测系统，该系统由超声、光学检测装置和驱动器三部分组成，超声 波检测器将超声波向管壁定向发射，测量探头和管道内外壁间的距离可测定管壁的厚 度，从而检测出管壁的腐蚀和穿孔，但是管壁上若有污泥，结蜡稠油等附着物，将使 声波衰减，容易导致误判。 ( 5 ) 负压力波法 当管道上某一点发生泄漏时，该点压力突降，形成的负压力波将会以一定波速向 上、下游传播。负压力波的传播速度大致与声速相等【9 。1 3 1 。在上、下游分别安装压力 传感器，检测压力梯度或压力波的变化可判断泄漏是否发生，通过负压力波传到上、 下游的时间差进行泄漏定位。该方法对负荷扰动具有较强的抗干扰能力。张连文运用 负压波和质量平衡原理，采用负压波定位算法和逻辑判断法，利用压力、流量和输差 三重机制实现了对原油管道的泄漏监测及定位、原油渗漏监测和报警。定位精度达到 2 ，检测时间在一分钟以内，泄漏量占管道瞬时流量的1 ，系统可以安全稳定地 运行。 3 7 旨道震击破坏俭测与定位系统 ( 6 ) 质量平衡法 理论上，管道容量= 管道流进量一管道流出量= 常量。所以，测试上、下游的 流量差，当其值超过某一阈值( 常量+ bv ) 时，应立即报警【1 5 耵】。 此方法分为两种：一种仅测试上、下游的流量差：另一种则是在测试上、下游流量 差的基础上，引入补偿变量，包括压力、温度的变化、管道容量的波动等。 该方法的优点是：在管道的压力以及流速变化不大的情况下，可以检测出泄漏的 存在。但是，它需要测量流量信号，而流量计的安装和维修都很困难。另外，该法无 法对泄漏点进行定位。 1 2 2 管道预警检测的主要方法 国内外关于管道运行安全监测的方法研究多以泄漏检测为主，然而管道泄漏检测 具有明显的滞后性。管道预警检测能够在管道安全受到威胁或刚遭受破坏时，就发出 警报，大大降低泄漏事故的发生。美国、日本、英国、加拿大等发达国家非常重视管 道预警检测技术的研究，起步较早，发展很快，一些研究成果已经在国内应用。 鉴于对管道t p d 预警检测的重视，中国石油股份公司于2 0 0 3 年1 1 月在杭州召开了 关于油气管道防盗、打孔、钻孔等人为破坏活动和泄漏检测技术成果交流大会，与会 的国内外众多科研单位和公司展示了最新的技术成果和商业应用系统，如英国的e s i 、 s h e l l 石油公司，澳大利亚的f u t u r ef i b r et e c h n o l o g i e s ( f f t ) ，美国能源部的g a s t e c h n o l o g y i n s t i t u t e ( g t i ) ，天津大学，石油大学等。其中采用声检测方法有1 5 ， 统计检漏法有3 家，质量流量平衡法1 0 ，光纤检测法2 家等【1 8 】。大量的资料表明，以 下三种方法是最有发展前景的预警检测法。 ( 1 ) 阴极保护监测法1 1 9 侧：当管道遭受破坏时，首先是管道的防腐绝缘层破损， 管道阴保电流泄漏量将发生改变，这是判断管道破坏的一种新的有效方法。 阴极保护c p ( c a t h o d i cp r o t e c t i o n ) 的原理是基于腐蚀电化学理论，它能充分利用现 有条件，投资小见效快，适合于防腐层不破损或者破损较少的管道。阴极保护成立的 基木要素：阳极体；相对存在的阴极；它们之间的导电的电介质( 通常是水或土 壤) ；阳阴极之间有导电通路。阴极保护技术有三种：牺牲阳极法；外加电流法； 排流保护，包括针对交( 直) 流干扰的直接排流、极性排流和强制排流三种。 4 济南人学硕士学位论文 e u p e cr m s ( w w w e u p e e r m s c o m ) 论证了通过检测管道阴极保护系统的阴极保护 电压变化来监测管道第三方接触t p c ( t h i r d p a r t yc o m a 破坏的方案，并进行了现场 挖掘试验，该方法能够监测农机具的冲击也能检测钻孔破坏，并无需挖开已有管道就 可以在现有的阴极保护系统中增加监测功能。日本已将这种方法用于管线t p d 的在 线监测。当t d p ( 建筑设备) 打破管道防护层的时候，管道与管道电路系统接地端短路， 监测系统通过检测破损点与参考点的电阻大小，进而通过电阻分布参数求出破损点的 具体位置。其原理图如图1 2 所示。 图1 2 阴极保护监测法示意图 图中r 为经过测定的单位距离的管道等效电阻，其可检测距离主要取决于防腐层 对地的绝缘电阻和信号检测的灵敏度及处理方法。日本和美国率先研究和开发了这一 检测技术，在一正常的直流保护电流上叠加一2 2 0 h z 的交流电，监测管道与大地间的 电压和交流电流。这一监测系统安装在2 8 3 k m 的运输管道上，在这部分管道上进行 的模拟破坏试验取得了成功。但是由于管道需要完全被防护层覆盖或者有很小的裸露 部分，对于那些早期投入运行的管道不适合。 ( 2 ) 光纤法：光纤不仅仅用于信号传输，还可作为传感器应用于在感测领域。当 外界干扰影响传到光纤时，光纤传输光的部分特性就会改变，将光纤与管道一起埋入 地下，通过对光纤附近或与光纤连接的结构和材料的状态监控，可对输送管道泄漏、 附近的机械施工和人为破坏等事件进行迅速判断，是种有应用前景预警防护方法。 光纤检测主要有两种方法。第一种是基于干涉测量法的分布式光纤监测【2 卜2 4 1 ，这种检 测法的优点是可连续监测；光纤传感器与管道具有相似的形状( 便于安装) ，检测的精 度高( 可以检测到光纤附近的脚步声) 。缺点是需沿管线铺设大量的电缆；不能对检测 信号进行定位：不能区分同时发生的信号。第二种方法是光时域反射法( 0 t d r ) ， 光 源按脉冲方式工作，每一个传感光栅都有不同的时延。光源发出一个短脉冲后，波长 检测系统能收到多个光脉冲，每个都对应不同的时延和不同的传感光栅。根据时延值 就可以区分不同的光栅。这种方法能够区分同时发生的多个事件，却仍然无法区别良 性信号和存在严重后果的危险信号。光时域反射法( 0 t d r ) 的检测原理如图1 3 所示。 5 管道震击破坏检测o j 定位系统 图1 3 光时域反射法示意图 ( 3 ) 声波法： 管道第三方破坏t p d ( t h i r dp a r t yd a m a g e ) 的概念是由美国能源部于二十世纪九 十年代提出的【舀2 7 1 。与此同时，东京天然气公司( t g ) 、英国天然气公司( b g ) 和其他天 然气公司对管道震击产生的声波进行了研究，将其作为监测管道震击的手段。b g 的方 法依赖于对管壁直接的机械作用引起的振动波，研究这种波在管壁传播的特性。用加 速度计采集这种振动信号，这种振动由于周围土壤的耦合衰减很快。在早期的测试中， 为了使这种方法有效，传感器的安装间距为3 3 0 英尺( 1 0 0 m ) 。t g 所采用的方法不同之 处是传感器安装在介质里，实验的管道是气体管道，可以检测更远的距离。 美国能源部的天然气技术研究所( g a st e c h n o l o g yi s t i t u t e ) 的b a t t e ll e 实验室 以这两家天然气公司的应用成果为研究基础，综合了b g 和t g 公司所采用的方法，提出 了管道声传播的理论，即机械振动产生的声信号由于管壁的振动引起周围输送介质的 振动，可以通过管内介质传播很远，最终由安装在管壁上的传感器检测到。但是由于 当时传感器技术和信号处理技术比较落后，声波检测法并没有得到很好的应用。 b a t t e l l e 对监控技术发展的早期贡献是他合理预见了导致破坏的机械作用将会产生足 够强的声信号，最后被安装在管壁上的加速度计检测到。 随着压电陶瓷、压电薄膜、硅膜片等新材料的出现，小波变换、模式识别、神经 网络等先进的信号处理方法的应用，声波法在定位和识别方面的优势凸现【2 s - 3 0 ，目前 研究基于声波法的管道t p d 破坏又一次成为管道监测领域的热点。 针对于埋地传输管线周围的阻尼大、声音在管壁中传播能量衰减快的特点，济南 大学赵洪华对敲击、钻、锯、电弧焊等信号特征进行研究，对充液刚性管道中的声场 特点和声传播效应进行了分析，证明对于埋地传输管道中利用管道内的流体介质传播 声波要比管壁导播更加有利，低频声信号能够在管道内介质中远距离传播；利用驻极 体电容设计了声压传感器，在监测管道两端各安装一个声压传感器，检测发生在两传 感器之间的泄漏、破坏信号。图1 4 和图1 5 分别是上述定位方法传感器安装示意图和 6 济南大学硕士学位论文 定位原理示意图。位于两传感器中间为模拟破坏点，当破坏产生的特征信号到达声压 传感器时，立即记下特征波到达的时刻，两测量站点贴有时间标签的特征波信号再分 别传送到数据中心，数据中心的计算机根据站点间距d 、波速y 和时差缸计算出破 坏点的位置s 。 雨 ：= ：挈l s = ( d 一似f ) 2 一一。t：z一一一，一 图1 4 两点定位法传感器安装示意图 ( 1 1 ) 女 图1 5 两点定位法定位原理示意图 根据这一原理，运用g p s 技术来统一监控站点的系统时间，采集贴有时间标签 的特征声波信号，精确地捕获声波信号到达首末两站点的时刻，通过d t u 利用g p r s 无线网络和i n t e r n e t 网更加快速、实时地与数据服务中心实现信息交互【3 1 】。 由于我国石油管线管内压力较高，输送介质一般为油、水、气混合输送，管道破 坏声波信号经远距离传播后变的非常微弱，因此提取微弱的声振动信号成为石油管道 声波法检测的难点。济南大学艾长胜教授研发了高耐静压高精度传感器，解决了传统 差压传感器耐压值与灵敏度的矛盾，该传感器技术已经在国内申请发明专利。传感器 外形如图1 6 所示。 7 管道震击破坏检测与定位系统 图1 6 高耐静压高精度传感器 在信号处理方法上，选取线性预测倒谱系数( l p c c ) 作为声信号的特征参数，利 用d u r b i n 算法进行线性预测倒谱分析，有效的提取能准确表征声信号所携带重要信 息的特征参数l p c c ；利用b a u m w e l c h 训练算法得到h m m 参数，t e r b i 解码运算 实现最佳状态转移路径的搜索，并得到该路径所对应的输出概率，建立了能够有效识 别破坏方式的声信号识别模型隐马尔可夫模型( h m m ) 【1 引。 总之，各种检测方法都具有其特点，应当根据实际情况采取经济有效的技术方法， 还应与现有泄漏检测方法相结合，以取得较好的应用效果。 1 3 研究的内容及工作安排 管道运输方便灵活，形式多种多样。在输送介质方面可以运输液体、气体介质， 在铺设方式上可以架空，埋地等。管道材料可以是金属、木头、水泥等。另外破坏的 方式也是多种多样，盗油盗气分子挖空心思，花招百出，锯、铁锤、电钻、电弧焊无 所不用。因此不可能研究一种通用的方法对所有种类的管道、所有形式的破坏活动进 行监测。随着世界对天然气这种优质清洁能源和燃料需求量的不断增长和大批边远气 田的开发，天然气管道系统也日趋庞大和复杂。天然气输气管道一般都有“先漏后破” 现象，即先发生天然气泄漏，随后发生爆炸，一旦爆炸会引起极大的破坏和伤亡事故。 因此及时发现输气管道发生的泄漏显得尤为重要。为保障管道安全运行和将泄漏事故 造成的危害减少到最小，需要研究泄漏检测技术以获得更高的泄漏检测灵敏度和更准 确的泄漏点定位精度。 经调查发现，所有破坏活动都离不开敲击环节，一般最后在管道打孔安装阀门， 需要用铁锤将管道击穿，另外无意破坏也是一种最一般的震击形式。因此研究对管道 8 济南大学硕士学位论文 的震击破坏很有实际意义。本文深入分析了声信号在管壁传播的特点，对“金属架空 天然气管道”的震击破坏现象进行了现场实验，对信号和破坏点定位方法进行研究。 并采用a r m 7 核进行了硬件系统的构建，编写了震击信号采集处理程序。主要章节 内容安排如下： 第一章提出了对管线运行状态进行监控的意义及必要性，总结并分析了常用泄漏 检测方法和预警检测方法，提出了本课题的研究内容，最后给出了本文的章节安排。 第二章对声波在管壁传声特性和机理进行系统地研究，提出了横波纵波协同检测 单点定位的方法和速度差系数的概念。根据检测方法选择了检测声横波、纵波信号的 加速度传感器，并对横波、纵波的传播速度进行了实验验证。 第三章通过功率谱密度法对横波、纵波的频谱特征进行了分析。针对于频谱分析 的局限性，运用小波分析对信号进行了时频联合分析，功率密度谱和小波变换表明， 横波、纵波的频谱在2 0 0 - 6 0 0 h z 之间。 第四章对声横波、纵波信号进行预处理，包括微弱声信号的放大，带通滤波，详 细介绍了预处理环节的电路设计方法。 第五章以横波纵波协同检测单点定位的方法为理论基础，进行了现场实验，采集 现场敲击信号，运用短时能量、短时过零率、能量差分方程的方法对信号进行了端点 检测，取得了理想的效果。 第六章进行了系统的方案设计和硬件电路构建，包括微处理器的选择，各个功能 模块的电路设计，并开发了数据采集部份软件。 第七章对本论文的主要内容进行了总结，并给出了本课题的创新点，最后对后续 工作做了展望。 9 济南大学硕十学位论文 第二章横波纵波协同检测方法的提出 本章研究了架空管道的管壁传声特性，提取了横波纵波协同检测单点定位的方法 和声速差系数的概念。声速差系数是针对于特定的管线基于实验统计方法得到的，理 论上解决了传统的两点定位法存在的声波速度难以确定的问题。 2 1 管道传声研究 长距离架空管道既是输送物质的通道，又是管道震击信号传播的媒介，因此可以 作为遥测和实时故障监测系统中的信息通道。管道震击信号本质上是一种在固体介质 中传播的声波。为了研究声波在管壁的传播机理与特性，需要了解声音的产生与传播 原理。 2 1 1 声学概述 声学是研究媒质中机械振动及声波的产生、传播、接收及其效应的学科【3 2 羽】。通 常的声音是指人耳能听到的空气中传播的振动现象，频率在2 0 h z 到1 0 k h z 之间，人 们所听到的声音只是实际声音的一部分，即可听声部分：而不可听声包括了频率在 2 0 h zw - f ( 次声) ，2 0 k h z 以上( 超声) ，介质也可为气体、液体、固体。 人类对声学的研究历史较长，1 9 世纪末r a y l e i g h 所写的声之理论和1 9 3 6 年 莫尔斯写的振动和声成为声学的经典参考书，反映了声学基础理论的发展状况。 2 0 世纪后，声学不断向外延伸，形成了许多边缘学科，如水声学、超声学、电声学 等，这些分支学科都解决了新的科学问题，提出了新的理论，大大丰富了声学的内容。 弹性媒质中传播的应力、质点位移、质点速度等量的变化称为声波。连续弹性媒 质可以看作是由许多彼此紧密相连的质点组成，当弹性媒质中的质点受到某种扰动 时，此质点便产生偏离其平衡位置的运动，这一运动势必推动其相邻质点也开始运动， 随后，由于媒质的反弹作用，该质点及相邻质点又相继返回其平衡位置，但因质点运 动的惯性，它们又在相反方向上产生上述过程。如此，媒质中质点相继在各自的平衡 位置附近往返运动，便将扰动以波动的形式传播到周围更远的媒质中去，形成声波。 为了表征声振动及传播的特性，人们建立了一系列声学物理量，如声压、声速、 声阻抗、声功率等。借助于它们可以对声振动特性、声场特性、声传播规律以及声的 管道震击破坏榆测j 定位系统 各种效应，进行完整的描述。有声扰动时，媒质中的压力与静压力的差值称为声压； 在一定时间间隔中，瞬时声压对时间取均方根值称为“有效声压”；声速( s p e e do f s o u n d ) 为声波在媒质中传播的速度；声阻抗( a c o u s t i ci m p e d a n c e ) 媒质在波阵面的一定 面积上的声压与通过这个面积的体积速度的复数比值。 2 1 2 声波在管壁中传声特性分析 在一切介质中声波都能引起介质的体积形变，这种体积形变质点的振动方向与声 波的传播方向一致，称为纵波( l o n g i t u d i n a lw a v e ) 。在管壁中传播的声波除了能产生 体积形变外，还会产生切形变，这种切变波的质点振动方向与波的传播方向垂直，称 为横波( t r a n s v e r s ew a v e ) 。除此之外，在固体的自由表面还会产生振幅随离表面深度 而衰减的表面波( s u r f a c ew a v e ) 。 纵波波速气= - 百，横波波速c ，= i r 乞万，声表面波波速 c ，一g c ，其中，p 为固体媒质的密度，e 为固体媒质的杨氏模量，仃为媒质的泊松 比， g 与仃有关。因为在一般固体媒质中有0s 盯s0 5 ，因此有 c 工c ，= 4 2 ( 1 一o r ) ( 1 2 仃， 1 ，也就是说纵波的波速大于横波的波速；由于g c a + c c + c g 时，上式可简化为 虬一一号 ( 2 1 0 ) l ， 可见，在一定条件下，电荷放大器的输出电压仅取决于输入电荷与反馈电容 q ，与电缆电容c c 无关，且与电荷q 成正比，这是电荷放大器的最大特点。为了得 到必要的测量精度，要求反馈电容q 的温度和时间稳定性都很好。在实际电路中， 考虑到不同的量程等因素，q 的容量做成可选择的，范围一般为1 0 2 p f - 1 0 4 p f 。如果 将g 选择为一个高精度和高稳定性的电容，则输出电压将仅仅取决于电荷量g 的大 管道震击破坏检测j 定位系统 小。 2 3 3 压电加速度传感器选择标准 压电式加速度传感器常见的结构形式有基于压电元件厚度变形的压缩型和基于 剪切变形的剪切型。常用的三向加速度传感器有三组压电元件组成，它们互相叠合在 一起。这三组压电元件分别感受三个方向的加速度。其中一组为压缩型，感受z 轴方 向的加速度；另外两组为剪切型，分别感受x 轴和y 轴方向的加速度。这三组压电元 件的灵敏轴线必须严格互相垂直，这种加速度传感器常用来检测机床等大型物体的振 一i 动。 长距离管道呈线性，一般只产生两方向的振动，即垂直于管线的z 轴和平行于管 线的x 轴振动。当声波在管道传播时，横波作用于管道的径向，使用压缩式的压电陶 瓷片可以检测到，纵波是引起管道延伸方向形变的波，使用剪切型压电陶瓷片检测。 因此二轴加速度传感器即可满足管道检测的需要。 通常，选择压电加速度传感器最主要的权衡因素是重量，频率响应和灵敏度。 ( 1 ) 重量 传感器作为被测物体的附加质量，必然会影响其运动状态。要求传感器的质量 m 4 远小于被测物体传感器安装点的动态质量m 。由于传感器质量的影响，会使被测 构件的振动加速度口降低，其降低的加速度血可用下式估算：血= a 【1 一历( m 。+ m ) 】。 ( 2 ) 频率响应特性 低频响应特性：内装i c 压电加速度传感器的低频响应特性主要由内装i c 电路芯 片和传感器的基座应变、热释电效应等环境特性决定。应变加速度传感器具有响应静 态信号的特性。 高频响应特性：传感器用户手册给出的上限频率为+ 1 0 频响，大约为安装谐振频 率的1 3 。如果要求上限频率误差为+ 5 ，大约为安装谐振频率的i 5 。如果采用适当 的校正系数，在更高的频率范围也能得到可靠的测试数据。 ( 3 ) 灵敏度 灵敏度越高，系统的信噪比越大，而抗干扰能力和分辨率也越强。但是就特定结 构的传感器来讲，灵敏度越高，传感器的重量越大，量程和谐振频率也越低。因此灵 济南大学坝上学位论义 敏度的选择受到重量、频率响应和量程的制约。一般来讲，在满足频响、重量和量程 要求下，应尽量选择高灵敏度的传感器，这样可降低信号调理器的增益( 采用1 即 可) ，提高系统的信噪比。 在对各种加速度计性能全面比较的基础上，最后选择l c 0 1 2 1 内装i c 压电加速 度传感器。它集横波传感器、与纵波传感器于一身，也就是说有x 轴、z 轴协同检测 的能力。主要性能如表2 1 所示。 表2 1l c 0 1 2 1 性能指标 灵敏度谐振频率 几何尺寸m m 重量安装螺纹 型号 量程g分辨率g抗冲击g 特点、用途 心| k h z 横截面高度h g j l l m m l c 0 1 2 11 0 0 1 0 1 0o 52o o o 0 0 0 25 03 5 x 3 02 51 9 5m 5双轴，高灵敏度 它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接与记录、显示和采 集仪器连接，简化了测试系统，提高了测试精度和可靠性。内装i c 压电加速度传感 器与外接信号调理器原理简图如图2 8 所示。 压电 微型i c 加速度传感器放大器 k婴8 l 囟陟 一 王 i多卜 一r v o 图2 8l c 0 1 2 1 调理电路 在现场应用中，为了阻抗匹配的需要，一般在输出端v o 并接一个小电阻，这个 电阻的值一般为5 0 0 q 。 经管道远传的信号很微弱，在采集时，自然界的各种声音和人的生产活动的声音 对泄漏信号的干扰很大，在实验中我们就要想办法屏蔽掉这些干扰。l a n c e 传感器带 有磁力安装座，可以直接吸附在管壁上，在吸附前可以在官道上涂一层硅胶，提高传 感器与管道的接触面积。另外用金属外壳将传感器封装起来，使传感器不于外界直接 接触，在采集电路上也加上金属屏蔽膜。这样就会大大减少噪声的干扰。 2 4 管道传声特性实验研究 为研究管道的传声特性，根据实际问题的特点，实验室内建立简化实验模型。实 2 1 管道震击破坏检测j 定位系统 验系统主要包括：t e k t r o n i x 数字实时示波器、笔记本电脑、l a n c e 压电式加速度传感 器、钢管、击震锤以及读取示波器内存数据软件w a v e f o r m 等。 l a n c e 加速度传感器安装在济南大学南院西北角的一根长7 8 m 的金属架空管道 上，管道外径3 寸，内径7 6 m m ，传感器纵波和横波输出信号通过导线接示波器通道 1 和通道2 ，图2 9 为现场管道安装图，图2 1 0 为实验系统结构简图。 测 鬻黼 魁 1 激振锤2 - 管道3 - 加速度传感器4 - 示波器 图2 1 0 横波纵波单点定位图 在管道上不同点敲击，通过l a n c e 加速度传感器采集的横波、纵波如图2 1 1 所 示，其中图形上部波形为从通道1 输入的纵波，下部为从通道2 输入的横波。从采集 波形图中可明显看出，纵波和横波到达传感器有一个明显的时问差。 2 2 露毽藿鬟譬毛疆鼍霪鹫鬟鬻缀孵骚耱蕤蘸 愿滋趱唆 氍一 嘱戮一襟。 二鲤聪慧舔 骅 l 蠊麓增 济南大学硕十学位论文 ( a ) 9 m 处敲击波形图( b ) 1 8 m 处敲击波形图 伊。 。l ( c ) 2 1 m 处敲击波形图( d ) 7 8 m 处敲击波形图 图2 1 1l a n c e 传感器采集横波纵波图 2 5 本章小结 本章通过对横波、纵波传播速度进行理论分析，得到了横波、纵波在管壁传播速 度不同的结论。在此基础上提出了横波、纵波协同检测单点定位的方法，并引入声速 差系数的概念。声速差系数通过实验统计的方法计算得到，理论上解决了管道声波传 播速度确定难的问题。选择了l a n c e 双通道加速度传感器，能够检测横波、纵波信号， 通过现场实验，证明了理论分析的正确性。 济南大学硕上学位论文 第三章震击声信号分析处理 管道震击破坏的声信号可以沿架空管道传播，为了准确检测声信号，必须了解声 振动信号的特征，作为判断震击信号的依据。信号的特征一般表现为时域特征和频域 特征，时域特征表现为幅值的包络特征，而频域特征包含更丰富的信息。功率密度谱 分析法和小波变换法是频域特征分析的一种有效方法。 3 1 功率谱密度分析法 傅立叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ) 是信号处理的一个重要的方法，它架起了时间域 与频率域之间的桥梁。傅立叶变换一直统治着线性时不变信号处理，最主要的原因是 傅立叶变换所有的正弦波e m 是所有线性时不变算子的特征向量。假设厂是系统的输 入，触( r ) ，函数m 的连续傅立叶变换为