薄层污垢超声检测信号处理方法

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1、第33卷第6期振动、测试与诊断Vo1．33No．62013年12月JournalofVibration，Measurement&DiagnosisDec．2O13薄层污垢超声检测信号处理方法李霞，孙灵芳，杨明，赵鑫(1．哈尔滨工业大学控制与仿真中心哈尔滨，150001)(2．东北电力大学自动化工程学院吉林，132012)摘要采用超声时域反射法进行直接污垢检测，针对实际检测中污垢层较薄、杂波噪声较多、参考信号获取存在不准确匹配等问题，提出采用频域反卷积与高阶累积MUSIC谱估计相结合方式进行混叠信号分析，并在频域引入迭代方式对信道模型进行修正，

2、增加了参数提取的准确性和实用性。文中分别对仿真信号与实际实验测量信号进行处理与结果分析，验证了此方法的可行性。关键词超声检测；维纳逆滤波；MUSIC谱估计；信号混叠中图分类号TN911．72；TB52；TK39种较为传统和简便的无损检测方法，因其具有直观、引言方便、影响因素少等特点，在工业生产中较为常用[5]。该方法使用收发一体的超声探头，以水作耦工业生产中在输送流体的管道或者容器内壁，合剂向结垢设备发射脉冲。超声波在到达水、器壁由于换热等原因容易造成有机物或无机物的积聚，与污垢的交界面时发生反射并由探头接收到回波信在器壁上形成污垢[1]。结

3、垢作为换热设备中一种极号。通过提取回波时间差△丁，可结合污垢中的声为普遍的现象，广泛存在于化工、石油、制药、电力等速C确定污垢的厚度△，如式(1)所示行业的生产中，给生产效率和安全性造成负面影响，并且增大了维护与检修的投入。对污垢的监测、预Ad=-~CAT(1)测与消除的研究正日益受到各国研究人员的重由于污垢材料非已知致密均匀物质，实际测量视l2]。对污垢的有损检测方式比较直接有效，但是前需要对其中声速进行有针对性的测定。可在已测需要对生产设备进行改动，并且可能影响生产，并不定水中超声声速的前提下，在水中分别采集与探头适合高温换热设备的长期实

4、时污垢监测。目前，较距离固定的洁净无垢平板试件与覆盖待测质地污垢为普遍的换热污垢无损检测方式是利用热力学方层平板试件的超声回波信号。根据水与无垢平板界法，采用热阻作为污垢量的间接衡量指标进行检测。面回波可计算探头与平板界面距离d；根据水与有而这种方法受多参数测量准确性影响，可信度有待垢试件回波中的污垢界面回波可计算探头与污垢界提高。目前对换热污垢监测的研究中，直接、定量、面距离d。。二者之差可计算出污垢厚度△，并结实时监测的研究还比较少。合可读取超声回波时间△T，可得出污垢中超声纵本课题组采用超声时域反射法(ultrasonic波声速[7]C

5、。time—domainreflectometry，简称UTDR)在不损害在测定声速基础上，如果污垢层的厚度足够厚、生产设备、不影响生产正常运行的前提下直接进行污垢检测，并对回波信号参数提取中存在问题加以噪声干扰较小，可以通过小波分析等方式进行时间研究，为实现污垢精确定量检测、污垢特性分析和除差的提取，实现厚度的计算方法较多。垢处理打下一定基础。在实际生产中，由于污垢垢质一般较薄且表面并不均匀平整，在回波信号中往往存在较多杂波与1超声检测基本原理噪声，并且器壁回波与污垢回波常有较严重混叠，这对超声污垢检测信号中回波时间的提取造成了较大超声时域

6、反射法(UTDR)是超声检测技术中一困难。由于回波信号混叠严重且非平稳，小波模极*国家自然科学基金资助项目(51176028)；吉林省自然科学基金资助项目(201115181)收稿日期：20l2一O4—01；修改稿收到日期：2013—02—17第6期l李霞，等：薄层污垢超声检测信号处理方法961大值、熵值检测法等常用突变点检测方式对此类信混叠较为严重的超声回波信号时延信息提取。但为号处理效果不理想。因垢层的非均匀，用于薄层检较精确实现污垢回波信号的处理，还需要考虑相应测的基于幅度谱与相位谱的检测方式也不适用。实际影响因素。笔者尝试对回波信号进

7、行频域分析，结合频域首先，实际估计中的噪声大小对频域反卷积结反卷积与高精度谱估计方式进行时域波至时间差的果的精确度存在影响。而换热设备污垢本身可能由读取，并考虑了实际回波信号存在的问题，对方法加化学物质与部分杂质等层叠产生，本身表面并不平以修正，以达到较精确的污垢厚度测量的目的。整，因此超声回波不可避免地存在杂波与噪声干扰，直接应用该方法对数据的提取可能造成误差。2方法分析其次，参考信号选取的准确度对该方法的实际应用效果也有较大影响。实际超声检测中，可采用2．1频域方法时延估计基本原理无污垢器壁回波做为参考信号。但由于污垢本身界面不光滑、结构

8、较松散，污垢界面回波与器壁回波可由于超声信号具有同源性，不同界面的超声反能存在一定差距。而实际测量点器壁与参考器壁的射回波信号往往相似，可近似认为超声回波信号主误差