基于EMD和小波变换的热网管道泄漏检测与定位方法.pdf

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1、５６２化工自动化及仪表第４１卷基于EMD和小波变换的热网管道泄漏检测与定位方法李宏申瑞琦（东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆１６３３１８）摘要对基于声波检测的热网管道泄漏与定位方法进行研究，介绍了基于声波法的热网泄漏检测的实验设计方案与定位原理。利用基于ＭＡＴＬＡＢ的小波函数和ＥＭＤ分解对原始数据频率进行逐级分离，直至分离能够提取奇异点信息，以达到去噪和判定管道泄漏的目的。并将两种方法进行对比，得到优解。关键词泄漏检测小波变换经验模态分解本征模态函数中图分类号ＴＨ８６５　　　文献标识码Ａ文章编号　１０００-３

2、９３２（２０１４）０６-０６５２-０４管道泄漏检测技术是保障管道安全生产的重E１VＴ＝V要手段。进入２１世纪以来，管道运输和管道安全ρ２（１＋σ）已经成为社会和经济的发展命脉。因此也对管道V＝E（１－σ）VＬρ（１＋σ）（１－２σ）泄漏检测提出了提高定位精度、检测小泄漏信号０．８７＋１．１２σ及降低误报警率等新的更高的要求，也出现了多VＳ＝１＋σVＴ［１，２］种检测方法。式中V———振动方向波速，ｍ／ｓ；［３］声波检测法与传统的负压波法、质量／体积VＬ———纵波波速，ｍ／ｓ；平衡法及瞬态模型法等相比具有灵敏度高、定

3、位VＳ———表面波波速，ｍ／ｓ；精度高、误报率低、维护费用低及适应性强等优VＴ———横波波速，ｍ／ｓ；点。供热管道发生泄漏时，管内热水与管壁进行３　　　ρ———管道材料密度，ｇ／ｃｍ。大幅摩擦从而使管壁发生振动，这就为声波检测由以上各式可知，横波一般比纵波传播速度［４］法提供了应用环境。慢，而表面波与横、纵波不同，它是一种椭圆偏振，①1次声波检测与泄漏点定位原理是由相位相差为９０°的横向振动与纵向振动合成次声波又称亚声波，具有能量大、不易损失及的。管壁的横、纵向振动频率较低，并且在传播过易于接收等优点，传播距离也比

4、一般的声波、光波程中衰减较大。同时，波动在介质中传播时表面和无线电波远。当管道发生泄漏时，管内流体在波的能量占全部能量的７０％左右，而且衰减最压力作用下喷射而出，并与弹性体管壁摩擦进而慢。因此在管道泄漏检测中实际测量到的是表面［５］产生振动。这种振动作用包括３种振动作用，波。即横、纵和环振动，继而产生３种振动波———横在管道两端安装次声波传感器，若管道发生泄波、纵波和表面波。漏即可检测到泄漏产生的次声波，并及时将异常数当管道发生泄漏时会产生次声波信号，由于据通过ＧＰＳ传给监控主机，监控主机对信号进行质点振动方向不同

5、，产生的次声波信号也不同。降噪处理，然后进行相关性和神经网络模型分析，横波质点的振动方向垂直于其传播方向；纵波质以确定是否为误报信号，若管道两端传来的信号相点的振动方向平行于传播方向；表面波存在于固关，则报警并利用经验模态分解法对信号进行分析［６］体的自由界面上。依据Ｆｌｕｇｇｌｅ原理、无限长圆环薄壁管道横振、纵振和圆环振动的频率传播方①收稿日期：２０１３-１１-２０（修改稿）程可得到横波、纵波和表面波的传播速度：基金项目：黑龙江省自然科学基金资助项目（Ｅ２０１３３２）第６期李宏等．基于ＥＭＤ和小波变换的热网管道泄

6、漏检测与定位方法６３５进而精确确定信号突变拐点位置，最后根据管道两号，原信号及其小波分解结果分别如图２、３所示。端接收到泄漏信号的时间差和波信号的传递速度［７］精确定位泄漏点，其原理如图１所示。图２　原始信号图１　基于声波的管道泄漏定点原理图３　小波重构信号泄漏点定位公式为：L＋v·Δt3基于EMD分解的信号分析方法X＝（１）２ＥＭＤ（经验模态分解）是一种经验筛选法，是式中L———两个传感器之间的距离，ｍ；将现有信号分解为若干固有模态信号的方法，可［１０］v———声波传播的速度，ｍ／ｓ；将其看作是一组动态的滤波器簇

7、。该方法假X———泄漏点距参考传感器Ａ的距离，ｍ；设原始信号至少含有两个极值点，一个极大值点　　Δt———ＧＰＳ时间差，ｓ。和一个极小值点；其特性时间失独时连续极点间由式（１）可以看出，泄漏点的定位与声波传的时间范围是确定的。假设任意一个信号都是由播速度v和泄漏信号到达传感器的时间差Δt密若干个满足以下条件的固有模态信号组成的：切相关。a．数据中零点数与极点数相等或至多相差在实验室模拟运行管道泄漏时，如果有两个１；客户端系统（０１号站和０２号站）检测到泄漏值，b．数据信号关于时间轴局部对称，即数据中将两个客户端检测

8、到的泄漏时间分别记录下来，任意一点由局部极大值点确定的包络线和由局部通过计算即可得到两个站点检测到泄漏的时间极小值点确定的包络线的均值为０。差。结合两个站点之间的距离和声波在热网中的具体筛选方法为：对于任一信号s（t），首先找传播速度（设置为３４０ｍ／ｓ），将各数据代入式（１）出信号所有的极大值点，采用三次样条函数拟合得到泄漏点到０１号站、０２号站的距离。成