УСТРОЙСТВО КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА Российский патент 2008 года по МПК G01N29/04 F17D5/06 

Изобретение относится к области приборов диагностики методами неразрушающего контроля состояния трубопроводов, по которым транспортируются жидкости или газ.

На существующем уровне техники аналогами изобретения являются широко известные корреляционные течеискатели LC-2000 (Япония), «Коршун» [1], устройство для диагностики трубопроводов [2]. Недостаток их заключается в том, что они работают только с сигналами, амплитуда которых превышает уровень шума. Прототипом является корреляционный анализатор, способный работать с сигналами, амплитуда которых меньше уровня шума, состоящий из двух датчиков акустических сигналов, соединенных один с входом «старт», а другой с входом «стоп» одного из электронно-вычислительных устройств корреляционного спектра и соответственно, входом «стоп» и входом «старт» другого аналогичного устройства, а выходы обоих электронно-вычислительных устройств корреляционного спектра присоединены к блоку вычитания сигналов [3]. Недостатком прототипа является малая разрешающая способность. Это обусловлено тем, что подавление шума в прототипе достигается путем взаимного вычитания результатов корреляции мгновенных значений шума, поступающих от различных акустических датчиков, установленных на противоположных участках трубопровода. В такой конструкции коррелируемые функции отдельных мгновенных значений шума могут существенно отличаться по фазе и амплитуде, что приводит к наличию высокого остаточного амплитудного фона на выходе блока вычитания сигналов, ухудшая отношение сигнал-шум и понижая разрешающую способность корреляционного анализатора.

Целью изобретения является увеличение разрешающей способности устройства корреляционного анализа.

Для достижения поставленной цели используется тот фактор, что плотность спектральных составляющих белого шума равномерна во всем частотном диапазоне [4].

Сущность изобретение заключается в том, что в предлагаемом устройстве из шумового спектра датчика акустических сигналов вычитается в реальном времени шум, регистрируемый этим же датчиком. Таким путем устраняется амплитудно-частотное и фазовое различие между суммируемыми мгновенными значениями шума, свойственное прототипу. Достигается более высокая степень подавления шума, улучшается соотношение сигнал-шум и повышается разрешающая способность устройства корреляционного анализа.

Устройство корреляционного анализа состоит из датчиков акустических сигналов, размещенных в различных точках диагностируемого участка трубопровода, на выходе каждого датчика акустических сигналов установлены частотные фильтры таким образом, что они разбивают весь частотный диапазон акустических сигналов датчика на несколько поддиапазонов так, что верхняя граничная частота каждого предыдущего поддиапазона является нижней частотой последующего поддиапазона, выходы частотных фильтров каждого датчика акустических сигналов соединены с сумматором таким образом, что в нем производится вычитание сигнала, поступающего от частотного фильтра наиболее высокого частотного поддиапазона, из сигналов остальных частотных фильтров, а выходы сумматоров соединены с электронно-вычислительным устройством корреляционного спектра.

Амплитуда полезного сигнала, приходящего на акустический датчик из области повреждения трубопровода распределена в частотном спектре датчика неравномерно и вычитание из ее значений в различных частотных поддиапазонах амплитуды полезного сигнала наивысшего частотного поддиапазона приводит к формированию на выходе сумматора некоторой вторичной функции полезного сигнала. Ее начало соответствует времени прихода звукового сигнала к этому акустического датчику от зоны повреждения трубопровода. Результирующая амплитуда такой функции будет превышать амплитуду фона, оставшегося после вычитания. Это позволяет более надежно, чем в прототипе, определять местоположение повреждений трубопровода даже в тех случаях, когда амплитуда полезных акустических сигналов меньше уровня шумов.

В результате предложенных конструктивных изменений, установки на выходах датчиков акустических сигналов устройства корреляционного анализа предложенных частотных фильтров, выходы которых соединены с сумматорами именно предложенным способом, а выходы сумматоров соединены с электронно-вычислительными устройством корреляционного спектра, возникает новое физическое свойство. А именно, становится возможным выделить мгновенные значения сигналов белого шума акустического датчика и вычесть их в реальном времени из общего спектра акустических сигналов, регистрируемых этим же акустическим датчиком. Что повышает точность обнаружения и анализа при помощи предлагаемого изобретения источников акустических сигналов даже в тех случаях, когда амплитуда этих сигналов меньше уровня шумов.

Известны методы математической обработки спектров, позволяющие выделять из шума сигналы с заранее известными характеристиками. Применяется на практике способ отсечки от спектра анализируемых сигналов частотных областей с высоким уровнем шума. Известен корреляционный анализатор, в котором из акустического фона, регистрируемого исходным датчиком вычитается шум, регистрируемый другим датчиком, который только приближен по своим параметрам к шуму на выходе исходного датчика. Но устройств корреляционного анализа, в которых можно выделить шум на выходе датчика и вычесть его в реальном времени из общего акустического сигнала этого же датчика, сохранив необходимые для корреляционного анализа параметры полезного сигнала, не обнаружено.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного технического результата, а именно наличие конструктивных изменений, вызвавших возникновение нового физического свойства, приведшего к положительному эффекту, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.

Принцип работы

Рассмотрим работу устройства корреляционного анализа на примере диагностики состояния трубопроводов, по которым транспортируется вода, нефть, газ и т.п. носители. Известно, что в местах повреждения стенок трубопровода увеличивается турбулентность потока носителя, и эти зоны являются источниками акустических сигналов, распространяющихся в трубопроводе. Широко применяется способ определения положения источника акустических сигналов методом корреляции, рождаемых им звуковых функций. Хорошо разработаны математические методы корреляции таких сигналов [5]. При поиске места разрыва стенки трубопровода с помощью промышленных корреляционных течеискателей «Коршун», электронно-вычислительное устройство корреляционного спектра этих приборов рассчитывает местоположение повреждения, проявляющееся в виде пика на координатной оси двухмерного графика корреляционного спектра. Положение пика на графике соответствует пересчитанному в метры реальному расстоянию до зоны повреждения от места установки акустических датчиков на трубопроводе [1]. В изобретении используется широко известное электронно-вычислительное устройство корреляционного спектра, работающее на базе типового компьютера с типовым алгоритмом построения корреляционной функции, аналогично применяемому в течеискателях серии «Коршун».

Устройство корреляционного анализа, используемое для диагностики трубопроводов, показано на фиг.1. На концах исследуемого участка трубопровода 1, на его внешней поверхности, установлены акустические датчики 2 промышленного типа, которые преобразуют звуковые колебания протекающей в трубопроводе жидкости (газа) в электрические сигналы. На выходе каждого акустического датчика установлены стандартные частотные фильтры 3 и 4, разбивающие весь частотный диапазон акустического спектра этих сигналов на несколько «n» поддиапазонов. Выходы частотных фильтров каждого акустического датчика соединены с входами соответствующих сумматоров 5 широко известной конструкции. Сумматор вычитает сигналы частотного фильтра 3 наиболее высокочастотного поддиапазона из сигналов частотных фильтров 4 более низких частотных поддиапазонов. На выходах сумматоров 5 возникают электрические сигналы, амплитуда которых описывается некоторой вторичной функцией (результат математического суммирования), но временная задержка между этими сигналами соответствует времени задержки между звуковыми сигналами, приходящими на входы акустических датчиков 2 из области повреждения трубопровода. Именно этот фактор важен для определения местоположения дефекта трубопровода путем корреляционного анализа. Выходы сумматоров 5 соединены с электронно-вычислительным устройством корреляционного спектра 6, созданного на базе типового компьютера и строящего график корреляционной функции сигналов, поступающих от сумматоров 5. При помощи этой функции определяется местоположение области повреждения трубопровода 7 относительно места установки акустических датчиков 2.

Акустический портрет любого трубопровода характеризуется наличием шума, амплитуда которого может оказаться больше амплитуды акустических сигналов приходящих из области повреждения трубы, особенно если это повреждение невелико (течь малой интенсивности). В таких случаях определить ее местоположение невозможно.

На фиг.2. показан спектр сигналов устройства корреляционного анализа, поясняющий, как в предлагаемом изобретении производится выделение из общего спектра сигналов, необходимых для проведения корреляционного анализа. Известно, что в трубопроводах основную долю шума составляет так называемый белый шум, время корреляции которого много меньше характерных времен самой физической системы. Согласно [6], математической моделью белого шума служит случайный процесс с корреляционной функцией вида

Г(t, τ)=σ²(t)·δ(τ),

где δ(τ) - дельта функции. σ²(t) - интенсивность белого шума. Для стационарных и квазистационарных процессов σ²(t)=const, причем корреляционной функции отвечают равномерный спектр равное нулю время корреляции τ_k и в соответствии с соотношением неопределенности τ_k·Δω>1 бесконечная ширина спектра частот Δω. Из приведенных выше формул видно, что амплитуда белого шума для каждого единичного момента времени неизменна во всем частотном диапазоне.

На фиг.2 показан датчик акустических сигналов 2 с частотными фильтрами 3 и 4, разбивающими весь частотный диапазон датчика на несколько поддиапазонов частот, 0-f₁, f₁-f₂...f_n-1-f_n. Выходы этих частотных фильтров соединены с сумматором 5. Частотный фильтр 3 соответствует наиболее высокому частотному поддиапазону (f_n-1-f_n). На верхних диаграммах 1 в стилизованном варианте показаны возможные параметры акустического спектра сигналов на выходе частотных фильтров. По оси ординат отложена амплитуда «А» сигнала, по оси абсцисс - его частота «f». Амплитуда белого шума А_ш постоянна во всем частотном диапазоне сигнала, а величина полезного сигнала может различным образом изменяться в этом диапазоне от A_cn до А_со в зависимости от частоты, см. первую и вторую диаграммы 1. На фиг.2 рассмотрены случаи, когда амплитуда полезного сигнала меньше уровня шума. Противный вариант типичен и интереса не представляет. После вычитания в сумматоре из каждого сигнала частотных фильтров более низких частотных поддиапазонов сигнала частотного фильтра наивысшего частотного поддиапазона (f_n-f_n-1), на выходе сумматора появятся сигналы производного вида 6, фиг.2. В спектре этих сигналов будет подавлена амплитуда белого шума, т.к. практически одни и те же мгновенные значения его шумовой функции будут суммированы в реальном времени друг с другом в противофазе, обеспечивая высокий уровень подавления шума. Форма сигналов 6 на выходе сумматора 5 будет отличаться от вида первообразных функций на диаграммах 1, но временные параметры начала и конца этих сигналов будут совпадать с соответствующими характеристиками первоначального звукового сигнала акустического датчика 2. Таким образом, становится возможным выделение из шума импульсов, производных от первичных звуковых сигналов акустических датчиков, и точная идентификация положения их источника в виде пика на временной оси графика корреляционной функции, строимой электронно-вычислительным устройством корреляционного спектра 6. Зная скорость распространения звука в носителе, расстояние между акустическими датчиками и время задержки прихода сигналов из области повреждения трубы на эти датчики, можно рассчитать точное положение дефекта относительно места установки акустических датчиков.

Предлагаемое устройство корреляционного анализа позволяет повысить разрешающую способность аппаратуры поиска дефектов методом корреляции ковариационных функций акустического портрета исследуемого объекта, расширяет диапазон применения такой аппаратуры, позволяет работать в условиях сильного шума, увеличить пролетную базу постановки акустических датчиков на трубе, отличается сравнительной простотой изготовления, удобством эксплуатации и малой себестоимостью.

Литература

1. Инструкция. Корреляционный течеискатель «Коршун-7Р». МП ДИСИТ Национальной Академии наук Украины. Киев, 1996 г.

2. Патент на полезную модель № 33231. Устройство для диагностики трубопроводов // Быков Ю.П., Турчин В.И., Турчин А.В.

3. Патент на изобретение № 2200273. Корреляционный анализатор // Суворов А.Л., Быков Ю.П., Гургенидзе Д.Р. и др.

4. Прохоров A.M. Большой энциклопедический словарь, М.,Советская энциклопедия, 1991 г., том.1, с.124.

5. Методика применения корреляционного течеискателя «Коршун». А.Н. Украины,, институт проблем моделирования в энергетике, г.Киев, 1992 г.

6. Прохоров A.M. Физическая энциклопедия, М., Советская энциклопедия, 1988 г., том 1, с.186.

Использование: для неразрушающего контроля состояния трубопроводов. Сущность заключается в том, что устройство корреляционного анализа состоит из датчиков акустических сигналов, размещенных в различных точках диагностируемого участка трубопровода, при этом на выходе каждого датчика акустических сигналов установлены частотные фильтры таким образом, что они разбивают весь частотный диапазон акустических сигналов датчика на несколько поддиапазонов так, что верхняя граничная частота каждого предыдущего поддиапазона является нижней частотой последующего поддиапазона, выходы частотных фильтров каждого датчика акустических сигналов соединены с сумматором таким образом, что в нем производится вычитание сигнала, поступающего от частотного фильтра наиболее высокого частотного поддиапазона, из сигналов остальных частотных фильтров, а выходы сумматоров соединены с электронно-вычислительным устройством корреляционного спектра. Технический результат: увеличение разрешающей способности устройства. 2 ил.

Устройство корреляционного анализа, состоящее из датчиков акустических сигналов, размещенных в различных точках диагностируемого участка трубопровода, отличающееся тем, что в нем на выходе каждого датчика акустических сигналов установлены частотные фильтры таким образом, что они разбивают весь частотный диапазон акустических сигналов датчика на несколько поддиапазонов так, что верхняя граничная частота каждого предыдущего поддиапазона является нижней частотой последующего поддиапазона, выходы частотных фильтров каждого датчика акустических сигналов соединены с сумматором таким образом, что в нем производится вычитание сигнала, поступающего от частотного фильтра наиболее высокого частотного поддиапазона, из сигналов остальных частотных фильтров, а выходы сумматоров соединены с электронно-вычислительным устройством корреляционного спектра.