[发明专利]一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法

摘要

本发明涉及一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法，属于气体泄漏检测技术领域。本发明的目的是为了解决现有气体泄漏检测技术中精度低、实时性差、对测量条件要求高、无法计算泄漏点三维坐标的问题，提出一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法。检测装置包括由中心对称的多元超声波平面阵列、超声波信号采集与演算设备。软件部分包括系统基本处理模块和泄漏定位模块。基本处理模块通过数字滤波、波形甄选和三次样条插值运算实现干扰信号消除、异常数据去除和数据点增加；泄漏定位模块通过到达时间差计算、声压幅值比计算、数据融合和球面坐标方程计算以计算出泄漏点的空间位置。

主权项

1.一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测方法，其特征在于,具体步骤为：步骤一、利用多元超声波传感器平面阵列采集泄漏信号并将其转换为电信号，将放大滤波后的电信号进行模数转换后得到数字信号，将得到的数字信号传输给电脑并进行二次滤波；使用通频带为39~41kHz的带通数字滤波器对采集到的信号进行数字滤波，滤去冗余的高频噪声；步骤二、对步骤一得到的数字信号进行甄选与插值运算；步骤2.1、对该信号做快速傅氏变换，得到的信号频域中最大处的幅值对应的时域中的幅值即为甄选阈值，计算信号的极大值序列并根据信号极大值序列找出极值连续大于甄选阈值的数据段；步骤2.2、在步骤2.1得到的每个数据段中的各相邻序列区间上定义一个三次多项式，要求该多项式在其所属区间起点的函数值等于该点处的信号幅值，且相邻多项式在各自所属序列区间起点上的一阶导数与二阶导数均相等；将得到的三次多项式进行插值运算，增加数据点；步骤三、以多元超声波传感器平面阵列中心为原点，以该阵列所在平面为x，y轴平面，以起点为原点并垂直于该平面的直线为z轴，建立三维坐标系；步骤四、计算泄漏点；步骤4.1、对步骤二得到的数据段，即数字信号，进行互相关运算，计算相邻传感器的信号之间的相位差，通过相位差计算相邻超声波传感器的信号之间的到达时间差，进而计算出泄漏点到达相邻传感器的距离差；步骤4.2、对步骤二得到的数据段，即数字信号，进行快速傅里叶变换得到超声波传感器信号的频谱，由40kHz频率点的频域幅值得到其对应时域信号的幅值，进而计算出时域信号幅值的比值，即得到声压比值；通过声压比值计算得到泄漏点到达相邻传感器的距离比；步骤4.3、将步骤 4.1得到的距离差和步骤4.2得到的距离比作为实际观测矩阵利用扩展kalman滤波进行的数据融合；具体数据融合算法为：首先设置一随机矩阵为第一次迭代的泄漏点位置估计矩阵，该矩阵大小为1*n，n为超声波传感器的个数，矩阵的每一列为对泄漏点到各传感器的距离的估计；根据泄漏点位置估计矩阵计算估计矩阵的误差协方差矩阵，对到达相邻传感器的距离差和到达相邻传感器的距离比构成的观测矩阵局部线性化，利用估计矩阵的误差协方差矩阵与局部线性化的观测矩阵计算kalman增益；利用泄漏点位置估计矩阵计算出的观测矩阵与实际观测矩阵相减的差和kalman增益计算本次迭代的估计结果，该估计结果将作为下一次迭代的泄漏点位置估计矩阵；经过数次迭代，直至相邻的两次迭代结果之差小于设定阈值时迭代结束，输出融合结果，即泄漏点位置和与各个传感器之间的距离；步骤4.4、根据步骤三的三维坐标系，以及步骤4.3融合得到的泄漏点位置和距离列写数个以各传感器为球心，泄漏点与各个传感器之间的距离为半径的球面方程，联立计算得到三维坐标，并在显示设备上显示出泄漏点的坐标。