基于動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的管道泄漏特征提取方法研究

張宇 靳世久 何靜菁 陳世利 李健

(天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)與儀器國家重點(diǎn)試驗(yàn)室天津300072)

摘要:：動(dòng)態(tài)壓力變送器能直接測(cè)量管道壓力的動(dòng)態(tài)變化,因而比基于普通壓力變送器的管道泄漏檢測(cè)具有更高的靈敏度。研制了一種應(yīng)用于長(zhǎng)輸油氣管道泄漏檢測(cè)的動(dòng)態(tài)壓力變送器,并介紹了其結(jié)構(gòu)組成和工作原理。用動(dòng)態(tài)壓力變送器獲取了管道的動(dòng)態(tài)壓 力信號(hào),利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解的方法將信號(hào)分解為多個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(IMF)之和,選擇主要的IMF分量進(jìn)行歸一化峭度分析,從而提取信號(hào)的特征向量。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例表明,該方法能夠有效地對(duì)管道泄漏和調(diào)泵調(diào)閥等事件進(jìn)行特征信號(hào)提取。

關(guān)鍵詞:管道泄漏;檢測(cè);動(dòng)態(tài)壓力變送器;動(dòng)態(tài)壓力信號(hào);特征向量提取;經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解

中圖分類號(hào):TE9736文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展對(duì)能源特別是油氣資源的需求越來越迫切。管道由于自身具備的諸多優(yōu)勢(shì),已成為主要的油氣資源運(yùn)輸手段。但由于種種自然或人為原因,管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生,有時(shí)會(huì)伴隨著巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染。

目前國內(nèi)外已有多種管道泄漏檢測(cè)方法[1],其中基于壓力信號(hào)的管道泄漏檢測(cè)方法,如負(fù)壓波法[2]不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,具有施工量小、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),是一種受到廣泛重視的泄漏檢測(cè)方法。負(fù)壓波法對(duì)較大的突發(fā)性泄漏事故十分有效,但由于其僅根據(jù)管道的壓力信號(hào)進(jìn)行泄漏的判斷識(shí)別,因此存在誤報(bào)警率高的缺點(diǎn)。

管道泄漏識(shí)別可以看作是對(duì)采集到的帶有泄漏或非泄漏信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的過程。天津大學(xué)的靳世久采用結(jié)構(gòu)模式識(shí)別的方法對(duì)泄漏引起的負(fù)壓波和調(diào)泵調(diào)閥引起的負(fù)壓波加以區(qū)分 [3] 。天津大學(xué)的王立坤 利用小波包分析的方法對(duì)管道泄漏的壓力信號(hào)進(jìn)行特征提取[4] 。北京化工大學(xué)的林偉國采用基于順序能量比例結(jié)合功率譜的3檢驗(yàn)法對(duì)管道動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行泄 漏判斷[5]。天津大學(xué)的曲志剛采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解和混沌特性分析相結(jié)合的方法對(duì)管道沿線的光纖振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行特征提取識(shí)別[6]。北京化工大學(xué)的林偉國結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)管道泄漏的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行識(shí)別[7] 。

針對(duì)普通壓力變送器在泄漏檢測(cè)靈敏度和泄漏分辨力上的不足,本課題組研制出一種新型的動(dòng)態(tài)壓力變送器[8],在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解(EmpiricalModeDecomposition,簡(jiǎn)稱EMD)[9]是一種新的非平穩(wěn)信號(hào)處理方法。管道的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)由于受到很多非線性因素的影響,其本質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的非平穩(wěn)非線性過程。筆者采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解的方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道泄漏信號(hào)特征的有效提取。

1動(dòng)態(tài)壓力變送器的設(shè)計(jì)

提高泄漏檢測(cè)信號(hào)的信噪比有助于提高泄漏檢測(cè)靈敏度并減少泄漏誤報(bào),其中傳感器是最根本的環(huán)節(jié)。動(dòng)態(tài)壓力變送器的作用就是將管道內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào),并經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘?hào)放大與濾波處理,最終轉(zhuǎn)換成4~20mA的兩線制輸出或者485五線制輸出,其結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

 

由圖1所示,動(dòng)態(tài)壓力變送器主要由壓電式傳感器、電荷放大器、信號(hào)調(diào)理模塊、微控制器模塊和電源模塊組成。該變送器使用壓電式傳感器完成壓力電 荷信號(hào)變換,根據(jù)壓電效應(yīng),動(dòng)態(tài)壓力作用到壓電元件上,使壓電元件產(chǎn)生形變,形變又使壓電元件表面產(chǎn)生電荷。該電信號(hào)經(jīng)適當(dāng)?shù)姆糯笈c濾波處理后,即可測(cè)得電荷(電壓)大小。電荷放大器主要用于實(shí)現(xiàn)電荷電壓轉(zhuǎn)換。信號(hào)調(diào)理模塊主要用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波,實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)、帶通濾波、電平平移和電壓電流轉(zhuǎn)換等功能。微控制器模塊一方面控制信號(hào)調(diào)理模塊的工作,另一方面將信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,用于RS-485輸出。

1.1電荷放大器的頻率范圍

電荷放大器的帶寬需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇,根據(jù)以往的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明,管道泄漏信號(hào)經(jīng)過管道長(zhǎng)距離傳播后能量主要集中在低頻段,該信號(hào)的自功率譜如圖2所示。

電荷放大器的低頻下限由反饋電容Cf和反饋電阻Rf決定,其值為

fL= 1/2πCfRf     (1)

要想提高低頻響應(yīng)特性,就要提高其時(shí)間常數(shù)T(CfRf)的值。但反饋電阻和反饋電容的選擇不能盲目,須遵循一定的原則。反饋電容不能過大,考慮到壓電式傳感器的輸出電荷量,反饋電容一般不超過104 pF。但反饋電容也不能太小,以免寄生電容影響運(yùn)算放大電路的工作,一般Cf不小于100pF。在設(shè)計(jì)過程中,電荷放大器的低頻下限設(shè)計(jì)為03Hz。電荷放大器的高頻上限,主要由后續(xù)的低通濾波器決定,本傳感器的通帶頻率可調(diào)。

 

1.2傳感器的性能指標(biāo)

 筆者所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)壓力變送器具有與普通壓力變送器一樣的結(jié)構(gòu)形式,安裝、維護(hù)方便,可以根據(jù)需要輸出4~20mA的兩線制輸出或者485五線制輸出。圖3是其相應(yīng)的外型特征圖。

 

該變送器的靜態(tài)壓力范圍為0~10MPa,動(dòng)態(tài)壓力靈敏度為12mA/105Pa,工作溫度范圍為-20~60,工作電壓為9~30V(DC),絕緣電阻大于1000M,傳感器的低頻下限為03Hz,高頻上限為1kHz。

2動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的管道泄漏檢測(cè)

目前負(fù)壓波法廣泛采用普通壓力變送器,利用其輸出的絕對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行泄漏檢測(cè),其反映的是管道的運(yùn)行壓力。通常泄漏引起的壓力變化僅占?jí)毫ψ兯推髁砍痰囊恍〔糠?/span>,信號(hào)微小、且信噪比低。本課題組研制的動(dòng)態(tài)壓力變送器,主要用于捕捉泄漏引起的壓力瞬變信號(hào)。由于它監(jiān)測(cè)的是管道內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào),消除了靜態(tài)壓力的影響,因而具有更高的靈敏度和泄漏分辨力。

圖4是一次成品油管道泄漏檢測(cè)數(shù)據(jù),圖4(a)為動(dòng)態(tài)壓力變送器檢測(cè)的壓力曲線,縱坐標(biāo)為電壓值,范圍1~5V(采樣電阻為250,傳感器輸出電流范圍為4~20mA,中心點(diǎn)為3V),從圖4(a)中可以看出,動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)具有較高的信噪比,壓力變化拐點(diǎn)相對(duì)更加精確。圖4(b)為普通壓力變送器檢測(cè)的壓力曲線,泄漏導(dǎo)致的變化小于002MPa,此時(shí)的壓力變化拐點(diǎn)很難確定。

 

管道的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)與普通壓力變送器所檢測(cè)的靜態(tài)壓力信號(hào)有著不同的特征。下面將提出利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解的信號(hào)處理方法對(duì)管道泄漏信號(hào)進(jìn)行特征提取。

3管道泄漏的信號(hào)特征提取

經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解是一種特別適于非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)頻分析方法,該方法從原始信號(hào)中提取有限個(gè)數(shù)目的固有模態(tài)函數(shù)分量(IMF),所分解出的IMF分量包含并突出了原始信號(hào)在不同時(shí)間尺度下的局部特征信息。

上述固有模態(tài)函數(shù)必須滿足兩個(gè)條件:曲線的極值點(diǎn)和零點(diǎn)的數(shù)目相等或至多相差1。在曲線的任意一點(diǎn),包絡(luò)的最大極值點(diǎn)和最小極值點(diǎn)的均值等于零。

EMD算法實(shí)際上是一個(gè)篩選的過程,首先將信號(hào)中頻率最高的成分篩選出來,而后從原信號(hào)中將該成分去除,再從新的信號(hào)中選出頻率最高的成分,依次類推,直到信號(hào)不可分解為止。對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行EMD 分解的步驟如下[10] :

1確定x(t)的所有極大值和極小值。

2根據(jù)極大值和極小值作三次樣條差值來構(gòu)造x(t)的上、下包絡(luò)線。

3上、下包絡(luò)線的均值函數(shù)定義為m1(t),計(jì)算h1(t)=x(t)-m1(t)。

4以h1(t)代替原始信號(hào)x(t),重復(fù)以上1~4步驟k次,直到計(jì)算

h1k(t)=h1(k-1)(t)-m1k(t) (2)

判斷h1k(t)滿足IMF條件為止。 當(dāng)h1k(t)滿足IMF條件時(shí),記c1(t)=h1k(t),則c1(t)為信號(hào)x(t)的第一個(gè)IMF分量。令殘差為

r1(t)=x(t)-c1(t) (3)

6將r1(t)作為原始數(shù)據(jù),重復(fù)以上5個(gè)步驟n次,得到n個(gè)IMF分量,

x(t)= n i=1 ci (t)+ rn(t)(4)

當(dāng)滿足

 

時(shí),循環(huán)結(jié)束。也被稱為篩分門限值,一般情況下取 02~03。

筆者引入基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解的方法提取管道的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)特征。選取各IMF分量的峭度作為動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的主要特征參數(shù),基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解的特征向量提取步驟如下:

(1)對(duì)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行EMD分解。

(2)求出各IMF分量的峭度并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理,即

 

其中,Ti為第i個(gè)IMF分量的峭度,Ti為第i個(gè)IMF分量的歸一化峭度。

(3)將上述歸一化峭度作為動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的特征向量,即 T=[T1,T2,, Tn] (8)

4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)在蘭-成-渝成品油管道的綿陽至彭州段進(jìn) 行,該段管道全長(zhǎng)9421km,管道直徑為457mm。分別在綿陽出站和彭州進(jìn)站同時(shí)安裝普通壓力變送器和本課題組自行研制的動(dòng)態(tài)壓力變送器,并在距離綿陽首站57km處的德陽站管道上安裝閥門模擬成品油管道的泄漏情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)綿陽輸量為755m3 /h,彭州輸量為665m3/h。安裝泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)示意圖如圖5所示。

 

本次實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集卡采用美國國家儀器公司的PCI-6132,該數(shù)據(jù)采集卡可同步采集4路模擬信號(hào),同步采集速度可達(dá)25Mbits/s。數(shù)據(jù)采集和處理通過與數(shù)據(jù)采集卡配套的圖形化編程語言LabVIEW實(shí)現(xiàn),可完成實(shí)時(shí)顯示波形變化、數(shù)據(jù)處理和在線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析功能。實(shí)驗(yàn)時(shí)中心站的計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接收來自各站數(shù)據(jù)采集卡所采集的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào),數(shù)據(jù)采集頻率為1000Hz。

為了驗(yàn)證筆者所提出的管道泄漏特征提取方法的可靠性,分別采集了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)管道正常運(yùn)行、管道泄漏和調(diào)泵調(diào)閥3種情況的普通壓力信號(hào)和動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)。首先采用EMD對(duì)上述3種情況的普通壓力變送器信號(hào)進(jìn)行特征提取,信號(hào)的特征向量為所有IMF分量的歸一化峭度。如圖6所示,可以看到管道泄漏信號(hào)和調(diào)泵調(diào)閥信號(hào)的歸一化峭度均主要分布在第3、第4、第5、第6這4個(gè)固有模態(tài),無法對(duì)二者進(jìn)行有效 區(qū)分。隨后采用EMD對(duì)上述3種情況的管道動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行特征提取,如圖7所示。圖7(a)管道正常

 

 

運(yùn)行信號(hào)共分解出7個(gè)IMF分量,其歸一化峭度主要 集中于第1個(gè)固有模態(tài);圖7(b)管道泄漏信號(hào)共分解出8個(gè)IMF分量,其歸一化峭度主要分布在第3、第4、第5、第6這4個(gè)固有模態(tài);圖7(c)調(diào)泵調(diào)閥信號(hào)共分解出10個(gè)IMF分量,其歸一化峭度主要分布在前8個(gè)固有模態(tài),且分布比較分散。如圖中所示,3種信號(hào)的前4個(gè)固有模態(tài)即可描述管道動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)特征,特征向量之間區(qū)別明顯。

5結(jié)論

研制了一種應(yīng)用于長(zhǎng)輸油氣管道泄漏檢測(cè)的動(dòng)態(tài)壓力變送器,與采用普通壓力變送器進(jìn)行泄漏檢測(cè)相比,具有更高的泄漏檢測(cè)靈敏度和泄漏分辨力。實(shí)際應(yīng)用表明利用該傳感器進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)的方法是穩(wěn)定可行的。針對(duì)管道動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的泄漏判斷,采用了經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解的信號(hào)特征提取方法�，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法分析效果良好,能夠明顯地提取出管道動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)特征,為后續(xù)的模式識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。