[发明专利]一种流体管道泄漏单一传感器模态声发射时频定位方法

说明书

技术领域

本发明属于管道泄漏检测领域，具体涉及一种流体管道泄漏单一传感器模态声发射时频定位方法。

背景技术

管道作为一种高效便捷的流体输送方式已在天然气、石油等流体输运中广泛采用。由于自然或人为原因：管道老化、腐蚀，地质沉降，不规范施工等，管道泄漏时有发生。气体管道泄漏引起资源浪费、环境污染，甚至爆炸、中毒等恶性事故，给人们的生命财产造成严重的威胁。因此，流体管道泄漏检测定位技术对于减小管道泄漏造成的危害是十分必要的。

声发射技术作为一种实时在役的无损检测方法在流体管道泄漏检测中日益受到人们的关注。通常，声发射管道泄漏检测需要在管壁的至少两个接触点安装两只声发射传感器获取泄漏引起的连续声发射信号来实现对整个管道的泄漏检测。中国专利(CN103062628A)公开了一种基于声发射技术的埋地管道泄漏检测定位方法，克服现有泄漏检测技术的不足，结合小波变换消噪和相关分析，实现了对埋地管道实时在役无损检测。该方法应用于长度为6米的试验管道，利用两只声发射传感器在泄漏点两端管壁上同时获取两路声发射信号，利用互相关对两路声发射信号进行时延估计来确定泄漏位置，定位误差为15.2%。采用小波变换消噪可以在检测管道长度较小时降低互相关定位误差，但定位误差仍在5%以上。这主要是因为互相关定位方法是建立在泄漏声发射信号沿管道以恒定不变的声速传输的前提下，但实际上管道泄漏声发射信号具有宽频带、频散、多模态等特性，不同的模态具有不同程度的频散和不同的传输速度，即泄漏声发射在管道中的传播速度与频率和模态类型密切相关，恒定不变的声度难以获得。如果直接对采集的声发射信号进行相关分析并定位泄漏，信号的相关性弱，时延估计误差大；另一方面声速只能取频率范围内某一模态导波速度的平均值，这两点会造成较大泄漏定位误差。因此基于互相关的声发射管道泄漏检测方法定位误差大，不适合用于频散严重而恒定声速难以确定的情况。于是，中国专利（CN104747912A）公开了一种流体输送管道泄漏声发射时频定位方法，首先对泄漏两端采集的声发射信号进行互相关分析，然后对互相关函数进行时频分析来确定时间延迟和对应的频率信息，从而实现时频定位。该方法克服了因泄漏声发射信号频散而导致的定位误差大的问题，其实质采用的是一种单一主导模态信号的互相关函数的时频定位方法，但实际泄漏声发射信号是多模态信号（弯曲模态、扭转模态、纵向模态和流体主导模态），从而会导致泄漏两端采集的泄漏信号在进行互相关分析时相关程度弱，使得互时频定位误差较大。另外，该方法仍然需要两只传感器才能实现泄漏点的定位，这样会在工程应用中造成一定程度的不便。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种流体管道泄漏单一传感器模态声发射时频定位方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种流体管道泄漏单一传感器模态声发射时频定位方法，包括以下步骤：

步骤1）采用单一声发射传感器在泄漏管道任意可接触端点拾取管道泄漏声发射信号；

步骤2）对泄漏声发射信号进行时频分析获得时频谱；

步骤3）提取泄漏信号的三个时频谱峰值对应的时间信息和频率信息，所述的三个时频谱峰值分别对应弯曲模态、纵向模态和流体主导模态；

步骤4）利用三个峰值时间求取任意两种模态信号的时间差，利用三种峰值频率代入对应的三种模态的频散曲线获得三种模态信号的声速；

步骤5）根据所求三种时间差和声速得到三种泄漏点位置，并对其求平均来获得更加准确的泄漏位置。

进一步，所述任意两种模态信号时间差为任意两个时频谱峰值的时间差。

进一步，所述模态信号的声速通过将对应模态时频谱的峰值对应的频率信息代入对应模态的频散曲线获得。

进一步，所述定位方法具体为：

所述声发射传感器在管壁拾取的泄漏声发射信号表示为：

（1）

其中，表示泄漏声发射信号，表示弯曲模态信号，表示纵向模态信号，为流体主导模态信号；

对泄漏声发射信号进行时频分析为：

（2）

其中，TF为时频分析算子，、、和分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态的时频谱，、、、分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态时频谱的时间信息，、、和分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态时频谱的频率信息；

则三个峰值的对应的时间和频率可表示为：

（3）

（4）

（5）