CN103363880B - 一种管道环焊缝识别定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道环焊缝识别定位方法，上位机计算每个焊缝出现的位置序列{s_b}，并获取焊缝位置归一化序列{s_c}；获取磁场小波序列、加速度小波序列和声音小波序列；对加速度小波序列和声音小波序列进行降采样，并计算总小波序列；计算两个焊缝之间的平均采样点数E以及低通滤波器的截止频率；将总小波序列通过截止频率为f_bs的β阶低通滤波器滤波，得到平滑的小波序列，将峰值出现的时刻作为焊缝出现的时刻；将所有焊缝出现的时刻按先后顺序排列获取焊缝定位时刻序列，并作归一化处理得到归一化焊缝定位时刻序列。本方法提高了对管道环焊缝的识别率和定位精度，降低了功耗和定位成本，扩大了实际应用中的范围。

Description

一种管道环焊缝识别定位方法

技术领域

本发明涉及管道信号处理领域，特别涉及一种管道环焊缝识别定位方法。

背景技术

管道内检测器能够在管道运行的状态下检测出管道缺陷并对缺陷进行定位，对保证管道安全运行具有重要作用。由于管道内检测器测量的管道缺陷同管道（内检测器）位置一一对应，必须准确知道每一时刻管道内检测器的位置。目前管道内检测器常用的定位方法，如里程轮法和捷联惯导方法等，都需要地面标记装置进行辅助定位以消除累计误差，使用不便。

由于管道环焊缝处的表面形状和内部晶相结构的特殊性，声阻抗和电磁阻抗与管道其余位置存在很大不同，理论上可以采用涡流、超声等主动式无损检测设备来识别和定位焊缝。但是，这两种主动式方法均需要激励装置，功耗比较大，通常需要与管壁特殊配合，结构也比较复杂，使用起来十分不便。此外，对于气体或成品油输运管道，还可考虑使用光学传感器检测焊缝，但价格比较昂贵，且对油品的透明度有很高的要求，很不实用。

单纯依靠管道内磁场去识别焊缝，识别率有限，需要采用新的方法降低错误识别和遗漏识别的概率。

发明内容

本发明提供了一种管道环焊缝识别定位方法，本发明不需要激励装置，降低了功耗和定位成本，扩大了应用范围，详见下文描述：

一种管道环焊缝识别定位方法，所述方法包括以下步骤：

将三分量磁传感器、三分量加速度计、声音传感器固定在管道内检测器里的任意位置，获取管道中的内磁场信号、加速度信号和声音信号，并将3种信号传输至上位机；

所述上位机计算每个焊缝出现的位置序列{s_b}，并获取焊缝位置归一化序列{s_c}；

获取磁场小波序列{DB_j}、加速度小波序列{DA_j}和声音小波序列{DV_j}；

对所述加速度小波序列{DA_j}和所述声音小波序列{DV_j}进行降采样，并计算总小波序列{D_k}；

计算两个焊缝之间的平均采样点数E以及低通滤波器的截止频率；

将总小波序列{D_k}通过截止频率为f_bs的β阶低通滤波器滤波，得到平滑的小波序列，将峰值出现的时刻作为焊缝出现的时刻；

将所有焊缝出现的时刻按先后顺序排列获取焊缝定位时刻序列，并作归一化处理得到归一化焊缝定位时刻序列。

所述上位机计算每个焊缝出现的位置序列{s_b}，并获取焊缝位置归一化序列{s_c}的步骤具体为：

1）从施工资料里读取焊缝编号和每节管道长度，得每节管道长度序列；

2）计算每个焊缝出现的位置{s_a}，补充s₀=0至{s_a}得焊缝位置序列{s_b|b=0,1,2,…,A}，A为管道个数；

3）将焊缝位置序列{s_b}中的每一元素除以最后一个焊缝出现位置s_A，得焊缝位置归一化序列{s_c|c=0,1,2,…,A}。

所述获取磁场小波序列{DB_j}的步骤具体为：

计算每一点磁场总量序列其中B_jx，B_jy，B_jz为磁传感器测量的每一点的磁场三分量；

对磁场总量序列{B_j}进行M层连续小波变换，得每层磁场小波分解系数{CB_ij}；

其中为第i层第j个位置的磁场B的小波，为所用的母小波，τ为小波的自变量；

对不同层的磁场小波分解系数{CB_ij}做如下运算，得磁场小波序列{DB_j}：

${\mathrm{DB}}_j=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}}{C}_{\mathrm{Bij}.}^2$

所述对对所述加速度小波序列{DA_j}和所述声音小波序列{DV_j}进行降采样，并计算总小波序列{D_j}的步骤具体为：

NB表示磁场序列元素个数；NV表示声音序列元素个数；NA表示加速度总量序列的元素个数；声传感器和加速度传感器的降采样系数分别为：

N_S=NV/NB，Na=NA/NB

降采样后的声音信号和加速度信号的小波序列分别为：

DV_k=DV_j|j=k*Ns,k=1,2,3,...,NV/Ns

DA_k=DA_j|j=k*Na,k=1,2,3,...,NA/Na

DB_k=DB_j|j=k,k=1,2,3,...,NB；

总小波序列为：

$D_k=\sqrt{{{\mathrm{DB}}_k}^2+{{\mathrm{DA}}_k}^2+{{\mathrm{DV}}_k}^2}$

所述计算两个焊缝之间的平均采样点数E以及低通滤波器的截止频率的步骤具体为：

$E=\frac{f\·l}{v}$

$l=\frac{1}{A}\underset{i=1}{\overset{A}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i$

其中，l为管道的平均长度；v为内检测器的平均前进速度；低通滤波器的截止频率为：f_bs=pf/E，f为磁传感器的采样频率，p为设定值。

本发明提供的技术方案的有益效果是：通过对管道内磁场信号、加速度信号和声音信号进行数据处理，选择合适的小波进行连续小波变换，对环焊缝处磁场断点、声音断点、加速度断点进行增强并采用低通滤波的方法对焊缝处突变信号进行识别和定位，从而提高对管道环焊缝的识别率和定位精度，降低了功耗和定位成本，扩大了实际应用中的范围。

附图说明

图1为一种管道环焊缝识别定位方法的流程图；

图2为磁信号实际测量值及小波序列；

图3为降采样后的加速度信号小波序列；

图4为降采样后的声音信号小波序列；

图5为总的小波序列。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了降低功耗和定位成本，扩大应用范围，本发明实施例提供了一种管道环焊缝识别定位方法，参见图1，详见下文描述：

101：将传感器固定在管道内检测器里的任意位置，获取管道中的信号，并将信号传输至上位机；

该步骤的详细操作为：将三分量磁传感器、三分量加速度计、声音传感器固定在管道内检测器里的任意位置，将内检测器投管巡检，测量管道内磁场信号、加速度信号和声音信号，巡检完毕，将内检测器记录的上述信号下载到上位机，进行数据处理。

其中，本发明实施例对传感器（即三分量磁传感器、三分量加速度计、声音传感器）和管道内检测器的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可，例如：管道内检测器可以为柱形内检测器或球形内检测器等。

102：上位机计算每个焊缝出现的位置序列{s_b}，并获取焊缝位置归一化序列{s_c}；

该步骤的详细操作为：

1）从施工资料里读取焊缝编号和每节管道长度，得每节管道长度序列{l_i|i=1,2,…,A}，A为管道个数；

2）计算每个焊缝出现的位置补充s₀=0至{s_a}得焊缝位置序列{s_b|b=0,1,2,…,A}，A为管道个数；

3）将焊缝位置序列{s_b}中的每一元素除以最后一个焊缝出现位置s_A，得焊缝位置归一化序列{s_c|c=0,1,2,…,A}。

103：计算每一点磁场总量序列{B_j}并进行M层连续小波变换，获取每层磁场小波分解系数{CB_ij}，对每层磁场小波分解系数取平方做和，得磁场小波序列{DB_j}；

该步骤的详细操作为：

计算每一点磁场总量序列其中B_jx，B_jy，B_jz为磁传感器测量的每一点的磁场三分量。

对磁场总量序列{B_j}进行M层连续小波变换，即将磁场信号分解为不同缩放系数和不同平移系数的小波加权之和，得每层磁场小波分解系数{CB_ij}，不同缩放系数和不同平移系数的小波对应不同层和不同位置的小波。

其中为第i层第j个位置的磁场B的小波，为所用的母小波，τ为小波的自变量。

对不同层的磁场小波分解系数{CB_ij}做如下运算，得磁场小波序列{DB_j}：

${\mathrm{DB}}_j=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}}{\mathrm{CB}}_{\mathrm{ij}}^2$

104：同理采用步骤103中的方法获取加速度小波序列{DA_j}和声音小波序列{DV_j}；

即，计算每一点加速度总量序列其中A_jx，A_jy，A_jz为每一点的加速度三分量。对加速度总量序列{A_j}进行连续小波变换：

其中为加速度总量第i层第j个位置加速度A的小波；对不同层的加速度小波分解系数{CA_ij}做如下运算，得加速度小波序列{DA_j}：

${\mathrm{DA}}_j=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}}{\mathrm{CA}}_{\mathrm{ij}}^2$

将步骤101中获取到的声音信号作为声音总量序列{V_j}，对声音总量序列{V_j}进行连续小波变换：

其中为声音总量第i层第j个位置声音V的小波；对不同层的声音小波分解系数{CV_ij}做如下运算，得声音小波序列{DV_j}：

${\mathrm{DV}}_j=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}}{\mathrm{CV}}_{\mathrm{iy}}^2$

其中，当求解磁场小波序列时，为磁场所用的母小波，τ为磁场小波的自变量；相应的在求解加速度小波序列时，为加速度所用的母小波，τ为加速度小波的自变量；或，在求解声音小波序列时，为声音所用的母小波，τ为声音小波的自变量。

105：对加速度小波序列{DA_j}和声音小波序列{DV_j}进行降采样，并计算总小波序列{D_j}；

NB表示磁场序列元素个数，即{Bj}序列中j的最大值；NV表示声音序列元素个数，即{Vj}序列中j的最大值；NA表示加速度总量序列的元素个数，即{Aj}序列中j的最大值。则声传感器和加速度传感器的降采样系数分别为：

N_S=NV/NB，Na=NA/NB

则降采样后的声音信号和加速度信号的小波序列分别为：

DV_k=DV_j|j=k*Ns,k=1,2,3,...,NV/Ns

DA_k=DA_j|j=k*Na,k=1,2,3,...,NA/Na

并且为了方便计算和表示，将DB_j序列进行如下变换：

DB_k=DB_j|j=k,k=1,2,3,...,NB。

通过上述的计算可以得知三个序列中k的取值都是NB,

则总的小波序列为：

$D_k=\sqrt{{{\mathrm{DB}}_k}^2+{{\mathrm{DA}}_k}^2+{{\mathrm{DV}}_k}^2}$

106：计算两个焊缝之间的平均采样点数E以及Butterworth巴特沃斯低通滤波器的截止频率；

$E=\frac{f\·l}{v}$

$l=\frac{1}{A}\underset{i=1}{\overset{A}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i$

其中，l为管道的平均长度，即每相邻两个焊缝之间的平均距离l；v为内检测器的平均前进速度。

取Butterworth低通滤波器的截止频率为：f_bs=pf/E，其中f为磁传感器的采样频率，p可取0.5，可根据实际情况调整。

107：将总小波序列{D_j}通过截止频率为f_bs的β阶Butterworth低通滤波器滤波，得到相对平滑的小波序列，对其进行峰值检测，将峰值出现的时刻作为焊缝出现的时刻，即识别了焊缝；

其中，β的取值可以取4，还可以根据实际应用中的情况进行调整，但为了获取到较好的滤波效果，β的取值优选为4至8，超过8滤波效果不明显。

108：将所有焊缝出现的时刻按先后顺序排列获取焊缝定位时刻序列，并作归一化处理得到归一化焊缝定位时刻序列。

下面以具体的试验来验证本发明实施例提供的一种管道环焊缝识别定位方法的可行性，详见下文描述：

采用现有技术中的方法可以得到图2的结果，从图中可以看出磁信号可以分辨出一定数量的焊缝，但存在漏检的情况。如果结合图3中降采样后的加速度信号小波序列和图4中降采样后的声音信号小波序列进行计算，可以得到图5中总的小波序列。由图5可以分辨出所有的焊缝。相比于仅依靠磁信号检测，此方法降低了漏检情况，提高了焊缝识别率。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种管道环焊缝识别定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将三分量磁传感器、三分量加速度计、声音传感器固定在管道内检测器里的任意位置，获取管道中的内磁场信号、加速度信号和声音信号，并将3种信号传输至上位机；

所述上位机计算每个焊缝出现的位置序列{s_b}，并获取焊缝位置归一化序列{s_c}；

获取磁场小波序列{DB_j}、加速度小波序列{DA_j}和声音小波序列{DV_j}；

对所述加速度小波序列{DA_j}和所述声音小波序列{DV_j}进行降采样，并计算总小波序列{D_k}；

计算两个焊缝之间的平均采样点数E以及低通滤波器的截止频率；

将总小波序列{D_k}通过截止频率为f_bs的β阶低通滤波器滤波，得到平滑的小波序列，将峰值出现的时刻作为焊缝出现的时刻；

将所有焊缝出现的时刻按先后顺序排列获取焊缝定位时刻序列，并作归一化处理得到归一化焊缝定位时刻序列；

其中，所述上位机计算每个焊缝出现的位置序列{s_b}，并获取焊缝位置归一化序列{s_c}的步骤具体为：

1)从施工资料里读取焊缝编号和每节管道长度，得每节管道长度序列；

2)计算每个焊缝出现的位置{s_a}，补充s₀＝0至{s_a}得焊缝位置序列{s_b|b＝0,1,2,…,A}，A为管道个数；

3)将焊缝位置序列{s_b}中的每一元素除以最后一个焊缝出现位置s_A，得焊缝位置归一化序列{s_c|c＝0,1,2,…,A}；

其中，所述获取磁场小波序列{DB_j}的步骤具体为：

计算每一点磁场总量序列其中B_jx，B_jy，B_jz为磁传感器测量的每一点的磁场三分量；

对磁场总量序列{B_j}进行M层连续小波变换，得每层磁场小波分解系数{CB_ij}；

其中为第i层第j个位置的磁场B的小波，为所用的母小波，τ为小波的自变量；

对不同层的磁场小波分解系数{CB_ij}做如下运算，得磁场小波序列{DB_j}：

${\mathrm{DB}}_j=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{C}_{Bij}^2};$

其中，所述对所述加速度小波序列{DA_j}和所述声音小波序列{DV_j}进行降采样，并计算总小波序列{D_k}的步骤具体为：

NB表示磁场序列元素个数；NV表示声音序列元素个数；NA表示加速度总量序列的元素个数；声传感器和加速度传感器的降采样系数分别为：

N_S＝NV/NB，Na＝NA/NB

降采样后的声音信号和加速度信号的小波序列分别为：

DV_k＝DV_j|j＝k*Ns,k＝1,2,3,...,NV/Ns

DA_k＝DA_j|j＝k*Na,k＝1,2,3,...,NA/Na

DB_k＝DB_j|j＝k,k＝1,2,3,...,NB；

总小波序列为：

$D_k=\sqrt{{{\mathrm{DB}}_k}^2+{{\mathrm{DA}}_k}^2+{{\mathrm{DV}}_k}^2}.$

2.根据权利要求1所述的一种管道环焊缝识别定位方法，其特征在于，所述计算两个焊缝之间的平均采样点数E以及低通滤波器的截止频率的步骤具体为：

$E=\frac{f\·l}{v}$

$l=\frac{1}{A}\underset{i=1}{\overset{A}{\Σ}}{l}_i$

其中，l为管道的平均长度；l_i为每节管道长度序列；v为内检测器的平均前进速度；低通滤波器的截止频率为：f_bs＝pf/E，f为磁传感器的采样频率，p为设定值。