CN108444653B - 一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法，属于气体泄漏检测技术领域。本发明的目的是为了解决现有气体泄漏检测技术中精度低、实时性差、对测量条件要求高、无法计算泄漏点三维坐标的问题，提出一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法。检测装置包括由中心对称的多元超声波平面阵列、超声波信号采集与演算设备。软件部分包括***基本处理模块和泄漏定位模块。基本处理模块通过数字滤波、波形甄选和三次样条插值运算实现干扰信号消除、异常数据去除和数据点增加；泄漏定位模块通过到达时间差计算、声压幅值比计算、数据融合和球面坐标方程计算以计算出泄漏点的空间位置。

Description

一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法，属于气体泄漏检测技术领域。
背景技术
近来，我国经济持续快速发展，工业生产规模不断扩大，压力容器的使用日益普及，数量也在不断增加。由压力容器存在泄漏导致的问题也越来越多。在今天不断注重环保与节能的大形势下，需要不断地提高压力容器管道的安全性与可靠性，这就对泄漏检测技术提出了更高的要求。而在很多行业的泄漏检测中，不仅要求判断被测器具是否存在泄漏与计算泄漏量，还需要给出泄漏点位置，方便后期对设备的维修等工作。
目前，超声波泄漏点定位技术尚不成熟，仅局限于二维平面上或对圆柱形容器或管道的泄漏定位。对定位算法的研究也不多，常用的定位算法中，到达时间差定位方法根据声波信号从声源处传播到空间中各传感器处的时间延迟来获取声源位置，其定位精度与时间延迟估计的精确度关系十分密切且精度不高。声压幅值比定位算法的依据是声音或者其他传播信号在介质中的衰减特性，根据传感器测得的信号强度或者信号能量计算声源位置。该方法适用于近场定位，易受到环境噪声的干扰。
发明内容
为了解决现有气体泄漏检测技术中精度低、实时性差、对测量条件要求高、无法计算泄漏点三维坐标的问题，提供一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法，本发明能够对三维空间中存在的泄漏点进行定位，可以检测任意形状的被测容器或管道，极大地拓宽了超声波泄漏检测定位***的适用范围。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法，包括如下步骤：
步骤一、利用多元超声波传感器平面阵列采集泄漏信号并将其转换为电信号，将放大滤波后的电信号进行模数转换后得到数字信号，将得到的数字信号传输给电脑并进行二次滤波。使用通频带为39～41kHz的带通数字滤波器对采集到的信号进行数字滤波，滤去冗余的高频噪声；
步骤二、对步骤一得到的数字信号进行甄选与插值运算；
步骤2.1、对该信号做快速傅氏变换，得到的信号频域中最大处的幅值对应的时域中的幅值即为甄选阈值，计算信号的极大值序列并根据信号极大值序列找出极值连续大于甄选阈值的数据段；
步骤2.2、在步骤2.1得到的每个数据段中的各相邻序列区间上定义一个三次多项式，要求该多项式在其所属区间起点的函数值等于该点处的信号幅值，且相邻多项式在各自所属序列区间起点上的一阶导数与二阶导数均相等。将得到的三次多项式进行插值运算，增加数据点。
步骤三、以多元超声波传感器平面阵列中心为原点，以该阵列所在平面为x，y轴平面，以起点为原点并垂直于该平面的直线为z轴，建立三维坐标系；
步骤四、计算泄漏点；
步骤4.1、对步骤二得到的数据段，即数字信号，进行互相关运算，计算相邻传感器的信号之间的相位差，通过相位差计算相邻超声波传感器的信号之间的到达时间差，进而计算出泄漏点到达相邻传感器的距离差；
步骤4.2、对步骤二得到的数据段，即数字信号，进行快速傅里叶变换得到超声波传感器信号的频谱，由40kHz频率点的频域幅值得到其对应时域信号的幅值，进而计算出时域信号幅值的比值，即得到声压比值。通过声压比值计算得到泄漏点到达相邻传感器的距离比；
步骤4.3、将步骤4.1得到的距离差和步骤4.2得到的距离比作为实际观测矩阵利用扩展kalman滤波进行的数据融合。
具体数据融合算法为：首先设置一随机矩阵为第一次迭代的泄漏点位置估计矩阵，该矩阵大小为1*n，n为超声波传感器的个数，矩阵的每一列为对泄漏点到各传感器的距离的估计。根据泄漏点位置估计矩阵计算估计矩阵的误差协方差矩阵，对到达相邻传感器的距离差和到达相邻传感器的距离比构成的观测矩阵局部线性化，利用估计矩阵的误差协方差矩阵与局部线性化的观测矩阵计算kalman增益。利用泄漏点位置估计矩阵计算出的观测矩阵与实际观测矩阵相减的差和kalman增益计算本次迭代的估计结果，该估计结果将作为下一次迭代的泄漏点位置估计矩阵。经过数次迭代，直至相邻的两次迭代结果之差小于设定阈值时迭代结束，输出融合结果，即泄漏点位置和与各个传感器之间的距离；
步骤4.4、根据步骤三的三维坐标系，以及步骤4.3融合得到的泄漏点位置和距离列写数个以各传感器为球心，泄漏点与各个传感器之间的距离为半径的球面方程，联立计算得到三维坐标，并在显示设备上显示出泄漏点的坐标。
一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置，包括中心对称的多元超声波传感器平面阵列、信号调理电路、数据采集卡、单板电脑与显示设备。
所述多元超声波传感器平面阵列包括4个及以上的中心频率为40kHz的传感器。
检测时，泄漏产生的超声波被多元超声波传感器平面阵列采集并转换为电信号，电信号经过信号调理电路放大和滤波后传输给数据采集卡，经模数转换后传输到单板电脑中，单板电脑进行基本处理后根据泄漏定位算法估计出泄漏点的位置，最终在显示设备上显示定位结果。
单板电脑中的软件部分包括***基本处理模块和泄漏定位模块。基本处理模块通过数字滤波、波形甄选和三次样条插值运算实现干扰信号消除、异常数据去除和数据点增加；泄漏定位模块通过到达时间差计算、声压幅值比计算、基于kalman滤波的数据融合和球面坐标方程计算以计算出泄漏点的空间位置。
有益效果
1、本发明公开的一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法，采用平面四元阵型的超声波阵列，能够对三维空间中存在的泄漏点进行定位，可以检测任意形状的被测容器或管道，极大地拓宽了超声波泄漏检测定位***的适用范围。
2、本发明公开的一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法，利用数字滤波、波形甄选和三次样条插值运算实现干扰信号消除、异常数据去除和数据点增加，提高了泄漏定位的准确性。
3、本发明公开的一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法，利用了基于kalman滤波的数据融合方法，将到达时间差算法和声压幅值比算法计算出的到达距离差和到达距离比进行结合，克服了到达时间差算法无法精确定位和声压幅值比算法对测量距离要求较高的缺点，提高了检测精度。
附图说明
图1为本发明的面阵型超声波气体泄漏点定位检测流程图；
图2为本发明软件部分的基本处理模块流程图；
图3为本发明软件部分的泄漏定位算法流程图；
图4为图3中数据融合模块的放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例公开的一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测装置及方法，具体实现步骤如下：
步骤一、建立一套由四个传感器组成的面阵和存在0.1mm直径小孔的尼龙罐构成的实验装置，尼龙罐内空气相对压力为100kPa。选取四个中心频率为40kHz的传感器按照正四边形的结构布置，四边形边长设为60mm。将该超声波传感器平面阵列放置于被测对象前300mm处，在显示设备上运行检测***，开始测量。
利用多元超声波传感器平面阵列采集泄漏信号并将其转换为电信号，将放大滤波后的电信号进行模数转换后得到数字信号，将得到的数字信号传输给电脑并进行二次滤波。使用通频带为39～41kHz的带通数字滤波器对采集到的信号进行数字滤波，滤去冗余的高频噪声；
步骤二、对步骤一的结果进行自适应波形甄选与插值运算；
步骤2.1、对该信号做快速傅氏变换，得到的信号频域中最大处的幅值为10.70mV，对应的时域中的幅值为0.01mV，所以波形选择的阈值为0.01mV，选取信号极大值序列中极值连续大于该阈值的三个数据段，由于接下来要进行插值运算，数据段的长度不宜过长，所以限定数据短的长度不超过500个点；
步骤2.2、在步骤2.1得到的每个数据段中的各相邻序列区间[xi,xi+1]上定义一个三次多项式:
Si(xi)＝ai+bi(x-xi)+ci(x-xi)+di(x-xi),i＝0,1,...n-1
要求该多项式在其所属区间起点的函数值等于该点处的信号幅值，且相邻多项式在各自所属序列区间起点上的一阶导数与二阶导数均相等。根据要求解得所求的多项式各参数为：
ai＝yi
其中hi＝xi+1-xi，mi＝Si″(xi)＝2ci。
将得到的三次多项式进行插值运算，增加数据点。
步骤三、以多元超声波传感器平面阵列中心为原点，以该阵列所在平面为x，y轴平面，以起点为原点并垂直于该平面的直线为z轴，建立三维坐标系。设四个传感器的坐标分别为A(-30,-30,0)、B(30,30,0)、C(30,-30,0)、D(-30,-30,0)(单位为mm)。将泄漏点固定在距离传感器面300mm的平面内，其坐标为(80,50,300)；
步骤四、计算泄漏点；
步骤4.1、对步骤二得到的数据段，即数字信号，进行互相关运算，计算相邻传感器的信号之间的相位差，通过相位差计算相邻超声波传感器的信号之间的到达时间差，进而计算出泄漏点到达相邻传感器的距离差；
步骤4.2、对步骤二得到的数据段，即数字信号，进行快速傅里叶变换得到超声波传感器信号的频谱，由40kHz频率点的频域幅值得到其对应时域信号的幅值，进而计算出时域信号幅值的比值，即得到声压比值。通过声压比值计算得到泄漏点到达相邻传感器的距离比；
步骤4.3、将步骤4.1得到的距离差和步骤4.2得到的距离比作为实际观测矩阵利用扩展kalman滤波进行的数据融合。
具体数据融合算法为：首先设置一随机矩阵为第一次迭代的泄漏点位置估计矩阵，该矩阵大小为1*4，矩阵的每一列为对泄漏点到各传感器的距离的估计。根据泄漏点位置估计矩阵计算估计矩阵的误差协方差矩阵，对到达相邻超声波传感器的距离差和到达相邻超声波传感器的距离比构成的观测矩阵局部线性化，利用估计矩阵的误差协方差矩阵与局部线性化的观测矩阵计算kalman增益。利用泄漏点位置估计矩阵计算出的观测矩阵与实际观测矩阵相减的差和kalman增益计算本次迭代的估计结果，该估计结果将作为下一次迭代的泄漏点位置估计矩阵。经过数次迭代，直至相邻的两次迭代结果之差小于设定阈值时迭代结束，输出融合结果。经200次迭代，得到泄漏点与四个传感器之间的距离矩阵s＝[320.16 304.80 314.48 329.39]T。
步骤4.4、根据步骤4.3融合得到的泄漏点与各个传感器之间的距离列写数个以各传感器为球心，泄漏点与各个传感器之间的距离为半径的球面方程，联立计算得到三维坐标，并在显示设备上显示计算出的坐标(82.9,53.2,298.9)。
检测装置包括由中心对称的多元超声波传感器平面阵列(包含4个中心频率为40kHz的超声波传感器)、信号调理电路、数据采集卡、单板电脑与显示设备。
检测时，泄漏产生的超声波被多元超声波传感器平面阵列采集并转换为电信号，电信号经过信号调理电路放大和滤波后传输给数据采集卡，经模数转换后传输到单板电脑中，单板电脑进行基本处理后根据泄漏定位算法估计出泄漏点的位置，最终在显示设备上显示定位结果。其工作流程如图1所示。
单板电脑中的软件部分包括***基本处理模块和泄漏定位模块。基本处理模块通过数字滤波、波形甄选和三次样条插值运算实现干扰信号消除、异常数据去除和数据点增加，其工作流程如图2所示；泄漏定位模块通过到达时间差计算、声压幅值比计算、基于kalman滤波的数据融合和球面坐标方程计算以计算出泄漏点的空间位置，其工作流程如图3所示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测方法，其特征在于,具体步骤为：
步骤一、利用多元超声波传感器平面阵列采集泄漏信号并将其转换为电信号，将放大滤波后的电信号进行模数转换后得到数字信号，将得到的数字信号传输给电脑并进行二次滤波；使用通频带为39~41kHz的带通数字滤波器对采集到的信号进行数字滤波，滤去冗余的高频噪声；
步骤二、对步骤一得到的数字信号进行甄选与插值运算；
步骤2.1、对该信号做快速傅氏变换，得到的信号频域中最大处的幅值对应的时域中的幅值即为甄选阈值，计算信号的极大值序列并根据信号极大值序列找出极值连续大于甄选阈值的数据段；
步骤2.2、在步骤2.1得到的每个数据段中的各相邻序列区间上定义一个三次多项式，要求该多项式在其所属区间起点的函数值等于该点处的信号幅值，且相邻多项式在各自所属序列区间起点上的一阶导数与二阶导数均相等；将得到的三次多项式进行插值运算，增加数据点；
步骤三、以多元超声波传感器平面阵列中心为原点，以该阵列所在平面为x，y轴平面，以起点为原点并垂直于该平面的直线为z轴，建立三维坐标系；
步骤四、计算泄漏点；
步骤4.1、对步骤二得到的数据段，即数字信号，进行互相关运算，计算相邻传感器的信号之间的相位差，通过相位差计算相邻超声波传感器的信号之间的到达时间差，进而计算出泄漏点到达相邻传感器的距离差；
步骤4.2、对步骤二得到的数据段，即数字信号，进行快速傅里叶变换得到超声波传感器信号的频谱，由40kHz频率点的频域幅值得到其对应时域信号的幅值，进而计算出时域信号幅值的比值，即得到声压比值；通过声压比值计算得到泄漏点到达相邻传感器的距离比；
步骤4.3、将步骤 4.1得到的距离差和步骤4.2得到的距离比作为实际观测矩阵利用扩展kalman滤波进行的数据融合；
具体数据融合算法为：首先设置一随机矩阵为第一次迭代的泄漏点位置估计矩阵，该矩阵大小为1*n，n为超声波传感器的个数，矩阵的每一列为对泄漏点到各传感器的距离的估计；根据泄漏点位置估计矩阵计算估计矩阵的误差协方差矩阵，对到达相邻传感器的距离差和到达相邻传感器的距离比构成的观测矩阵局部线性化，利用估计矩阵的误差协方差矩阵与局部线性化的观测矩阵计算kalman增益；利用泄漏点位置估计矩阵计算出的观测矩阵与实际观测矩阵相减的差和kalman增益计算本次迭代的估计结果，该估计结果将作为下一次迭代的泄漏点位置估计矩阵；经过数次迭代，直至相邻的两次迭代结果之差小于设定阈值时迭代结束，输出融合结果，即泄漏点位置和与各个传感器之间的距离；
步骤4.4、根据步骤三的三维坐标系，以及步骤4.3融合得到的泄漏点位置和距离列写数个以各传感器为球心，泄漏点与各个传感器之间的距离为半径的球面方程，联立计算得到三维坐标，并在显示设备上显示出泄漏点的坐标。
2.根据权利要求1所述的一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测方法，其特征在于：检测装置包括由中心对称的多元超声波传感器平面阵列、超声波信号采集与演算设备；所述多元超声波传感器平面阵列包含4个以上中心频率为40kHz的超声波传感器；
检测时，泄漏产生的超声波经过传感器被转换为电信号，超声波信号采集设备将传感器输出的微弱电荷信号放大、滤波，并进行模数转换后传输到演算设备中，演算设备进行基本处理后根据泄漏定位算法估计出泄漏点的位置，最终在显示设备上显示定位结果。
3.根据权利要求2所述的一种面阵型超声波气体泄漏点定位检测方法，其特征在于：超声波信号采集与演算设备中的软件部分包括***基本处理模块和泄漏定位模块；
基本处理模块通过数字滤波、波形甄选和三次样条插值运算实现干扰信号消除、异常数据去除和数据点增加；泄漏定位模块通过到达时间差计算、声压幅值比计算、基于kalman滤波的数据融合和球面坐标方程计算以计算出泄漏点的空间位置。
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