换热设备污垢超声检测及信号处理方法研究

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1、博士学位论文换热设备污垢超声检测及信号处理方法研究RESEARCHONTHEULTRASONICDETECTIONANDITSSIGNALPROCESSINGOFHEATEXCHANGERFOULING李霞哈尔滨工业大学2015年4月国内图书分类号：TP274.53,TN911.72,TK124学校代码：10213国际图书分类号：620，621.1密级：公开工学博士学位论文换热设备污垢超声检测及信号处理方法研究博士研究生：李霞导师：杨明教授申请学位：工学博士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2015年4月授予学位单位：哈尔滨工业大学

2、ClassifiedIndex:TP274.53,TN911.72,TK124U.D.C:620，621.1DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEULTRASONICDETECTIONANDITSSIGNALPROCESSINGOFHEATEXCHANGERFOULINGCandidate：XiaLiSupervisor：Prof.MingYangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：Control

3、ScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：April,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要换热设备的结垢问题在冶金、电力、化工、航空等工业生产领域中均普遍存在。目前对换热设备污垢进行直接检测的方法多存在实现困难、无法在线进行等问题，而较为常用、可在线进行的热学检测方法也具有可靠性不足等缺点。因此，寻找一种可靠性高、简单易行、可在线进行的换热设备污垢检测方法，一直是

4、污垢研究领域的热点之一。针对此问题，本文拟采用超声时域反射法进行换热设备污垢的检测，并对其检测信号中的噪声消除、渡越时间获取等问题进行了一系列研究。主要开展研究工作如下：在对换热污垢相关理论及超声检测方法进行研究的基础上，构建换热设备污垢超声检测实验系统，并完成换热污垢声速标定、平板及管道类换热设备污垢超声检测等实验，以实验结果表明采用超声时域反射方法进行换热设备污垢检测具有较高可行性。由于检测中的干扰及换热污垢本身的质地疏松、表面粗糙等特点，其超声检测回波信号中往往含有较多噪声，影响着对检测信号的后续处理。本文根据检测信号的特点，提出基于波原子

5、变换理论的换热污垢超声检测信号降噪方法，并结合非局部均值滤波以抑制硬阈值降噪带来的伪吉布斯振荡问题。实验分析表明，此方法具有较好的降噪效果和对信号细节信息的保留能力。对渡越时间的准确获取是超声时域反射法可靠性的前提。本文对波形时域混叠度较低情况下的换热污垢超声检测信号渡越时间获取方法进行了研究，提出以果蝇优化匹配追踪方法进行回波信号稀疏分解从而实现渡越时间的获取，并对其中果蝇优化算法进行了适当改进和分析。经实验验证，该算法具有较为准确高效的稀疏分解效果，此方法对波至时间、渡越时间读取的准确性也较高。由于换热污垢厚度过小或超声高次回波干扰等原因，换

6、热设备污垢超声检测信号中可能出现波形的时域高度混叠现象。鉴于匹配追踪方法不适用于此情况下的信号处理，本文对存在高度混叠情况下的换热污垢超声检测信号渡越时间获取方法进行了研究，提出维纳反卷积与高阶累积MUSIC谱估计相结合的渡越时间获取方法，并针对实际应用中可能存在的参考信号不易准确获取问题，提出以增量维纳迭代方式对此方法加以修正。相应实验表明，此方法具有较好的抗噪能力和渡越时间获取的准确性，方法的实用性较强。在上述研究基础上，将本文提出的超声检测信号处理方法应用于已获取的换热设备污垢超声检测实验信号处理中，对其处理效果进行分析，并结合污垢-I-哈

7、尔滨工业大学工学博士学位论文相关理论对实验结果进行总结和研究。信号处理效果及实验结果表明，换热设备污垢超声检测方式及相关信号处理方法具有较高准确性与实用价值。关键词：换热污垢；超声检测；波原子变换；渡越时间；果蝇优化；MUSIC谱估计-II-AbstractAbstractHeatexchangerfoulingproblemsgenerallyexistinelectricpower,chemical,metallurgical,aviationandotherindustrialproductionfields.Manydirectdetec

8、tionmethodsofheatexchangerfoulinghavebeenapplied,butmostofthemcannot