СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ
METHOD OF DETECTING DEFECTS OF MAIN PIPELINES BY THE METHOD OF ACOUSTIC TOMOGRAPHY

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к методам неразрушающего контроля и обнаружения дефектов магистральных трубопроводов при их сложнонапряженном состоянии.
Известен способ обнаружения дефектов в трубопроводах, согласно которому по концам исследуемого участка трубопровода устанавливают пары акустических датчиков, один из которых в каждой паре регистрирует продольные колебания, а другой - поперечные колебания. После обработки сигналов от датчиков определяют местоположение и характер обнаруженного дефекта [патент РФ №2138037].
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ по патенту РФ №1730917. Согласно этому способу на концах контролируемого участка трубопровода устанавливают пары акустических датчиков, которые фиксируют генерируемые дефектом колебания и по полученным результатам определяют его местоположение. Данный способ принят за прототип.
Недостатками данных способов является сложность процесса выявления дефекта, необходимость знать акустические свойства материала контролируемой трубы, что снижает функциональные возможности способа.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа обнаружения дефектов магистральных трубопроводов, лишенных недостатков наиболее близкого аналога.
Технический результат достигается тем, что осуществляют первичное преобразование акустических колебаний с применением бинарного знакового аналого-стохастического квантования, формируют цифровые коды отсчетов времени в моменты смены знака результата бинарного знакового аналого-стохастического квантования, определяют взаимную корреляционную функцию по цифровым кодам отсчетов времени для положительных и отрицательных значений задержки, фиксируют время задержки для максимального значения взаимной корреляционной функции, определяют местоположение дефекта на контролируемом участке трубопровода и регистрируют его.
Рассмотрим содержание предлагаемого способа.
Метод акустической томографии обнаружения дефектов трубопроводов основывается на физическом явлении эмиссии (излучении) акустических шумов в зонах (интервалах) повышенных напряжений. К таким зонам относятся также и интервалы, на которых имеется утончение стенки трубы за счет коррозии (внутренней и внешней). Акустические шумы, которые возникают непосредственно в результате дефектов трубопровода, являются его собственными шумами и рассматриваются как информативные сигналы. Внешние шумы являются результатом различного рода физических флюктуаций несвязанных с дефектами трубопровода.
В процессе диагностики трубопровода методом акустической томографии осуществляется регистрация и последующий корреляционный анализ собственных шумов трубопроводов в акустическом диапазоне частот на фоне внешних шумовых помех.
На фиг. 1 представлена схема проведения диагностики повреждения трубопровода методом акустической томографии.
x
a
b
Пусть в точке С трубопровод имеет повреждение (фиг. 1). Оно является источником акустического сигнала X(t). Скорость распространения этого сигнала равна V. На концах диагностируемого участка в точках А и В на расстоянии L находятся виброакустические датчики. Они регистрируют сигнал X(t). В точки А и В сигнал X(t) приходит соответственно с задержкой на время t и t. Поэтому в этих точках будем регистрировать сигналы:
Пусть начало отсчета координат находится в точке А. Тогда расстояние до места повреждения равно:
ba
b
a
где τ=t-t>0 - время разности прихода сигнала X(t) в точки А и В.
ba
ba
BA
1
2
A
B
Идентификация местоположения повреждения сводится к определению времени τ. Оно не может превышать . Время τ находится на основе оценивания взаимной корреляционной функции (ВКФ) R(t,t) центрированных реализаций  и  сигналов X(t) и X(t).
A
B
A
B
BA
1
2
2
1
ba
b
a
В условиях нормальной эксплуатации повреждение трубопровода развивается продолжительное время. Поэтому в процессе текущей диагностики сигнал X(t) можно рассматривать как стационарный. Сигналы X(t) и X(t) имеют одну физическую природу, так как они представляют собой один и тот же распространяющийся по трубопроводу сигнал X(t). Следовательно, сигналы X(t) и X(t) можно считать стационарными и стационарно связанными сигналами. Поэтому R(t,t) будет функцией только разности аргументов τ=t-t. Тогда с учетом (1) и τ=t-t будем иметь:
ХХ
где М[…] - оператор математического ожидания; R(τ) - корреляционная функция (КФ) сигнала X(t).
ХХ
XX
XX
XX
XX
КФ R(τ) является четной и симметричной относительно нулевого значения для любого τ из области ее определения, т.е. R(τ)=R(-τ). Для τ=0 она имеет максимальное значение , где D и σ - дисперсия и среднеквадратическое отклонение сигнала X(t).
XX
ba
bа
bа
BA
BA
ba
Из (3) следует, что R(τ-τ) имеет максимальное значение для τ=τ. Поэтому определение τ в ходе диагностики трубопровода сводится к оцениванию R(τ) и нахождению максимума R(τ).
A
B
A
B
Обработка непрерывных сигналов X(t) и X(t) связана со сложностями оценивания КФ  в аналоговом виде. Существующие цифровые алгоритмы позволяют эффективно организовать вычисление оценок . Однако в реальных условиях сигналы X(t) и X(t) приходится регистрировать при наличии внешних шумовых помех. При этом отношение сигнал/шум может иметь большое значение. Это приводит к следующим проблемам:
A
B
1) малое число разрядов АЦП оказывается недостаточным для точного представления сигналов X(t) и X(t);
2) увеличение числа разрядов АЦП ведет к усложнению устройств приема и передачи цифровых отсчетов;
A
B
3) выбор числа уровней квантования ограничен и зависит от разрешающей способности датчиков, регистрирующих сигналы X(t) и X(t);
4) при равномерном шаге квантования помехозащищенность от шумов и помех будет разной для сигналов с малой амплитудой и с большой.
А
B
A
B
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности обнаружения слабых информативных сигналов в аддитивной смеси с шумом и в одновременном упрощении цифровой обработки сигналов Х(t) и Х(t). Это достигается за счет использования в процессе регистрации сигналов X(t) и X(t) в качестве первичного преобразования в цифровую форму бинарного знакового аналого-стохастического квантования.
Бинарное знаковое аналого-стохастическое квантование представляет собой нелинейную операцию вероятностного округления реализации непрерывного сигнала. При этом в качестве меры квантования выступает вспомогательный равномерно распределенный случайный сигнал. Особенностями такого квантования являются:
1) оно позволяет осуществлять предельно грубое бинарное (двухуровневое) квантование без систематической погрешности независимо от статистических свойств преобразуемых сигналов;
2) результатом является ограниченный по уровню двухполярный знаковый сигнал, который обладает потенциальной помехоустойчивостью к внешним аддитивным шумовым флуктуациям.
В условиях современного роста производительности и степени интеграции вычислительной техники знаковое аналого-стохастическое квантование позволяет упростить технические средства диагностики. Это расширяет возможность обработки результатов квантования сигналов непосредственно в сложных условиях эксплуатации трубопроводных сетей.
Для вычисления оценок  формируются знаковые сигналы:
1
2
где ξ(t) и ξ(t) - вспомогательные сигналы, которые являются однородными и независимыми относительно друг друга.
1
2
max
max
Сигналы ξ(t) и ξ(t) принимают значения в пределах -ξ…+ξ. При этом должны выполняться условия  и .
Оценка  будет равна:
0
где t и Т - начальный момент и продолжительность времени анализа.
1
2
mах
Длительности сигналов z(t) и z(t) равны 2Т. Тогда задержка τ может изменяться от нуля до τ=Т.
1
2
0
1
1
0
2
2
0
0
Сигналы z(t) и z(t) ограниченны по уровню значениями -1 и +1. Поэтому динамику изменения этих сигналов во времени можно представить с помощью их мгновенных значений в начальный момент времени анализа t и отсчетов времени, в которые они пересекают нулевой уровень. Исходя из этого, для сигнала z(t) будем иметь z(t) и . Аналогично для сигнала z(t) будем иметь z(t) и . При этом ,  и . Всегда можно считать t=0. Тогда интеграл в (5) можно вычислить аналитически, и будем иметь:
и
a
b
a
b
bа
Соотношение (2) справедливо для L<L. Если L>L, то τ<0. Тогда:
При этом из (3) следует:
mах
bа
BA
bа
BA
AB
Из (9) видно, что для любого τ∈[0;t] имеем τ+τ ≠ 0, т.е. в этом случае R(τ) не достигает максимума. Он будет при τ=-τ. Для стационарных и стационарно связанных сигналов справедливо свойство R(-τ)=R(τ). Поэтому следует также вычислять оценку ВКФ:
1
2
a
Для вычисления  используются соотношения (6) и (7). При этом сигналы z(t) и z(t) меняются местами. Ниже представлена запись основных этапов вычисления L.
1
2
1. Формируются знаковые сигналы z(t) и z(t).
2. Определяются отсчеты времени: ,.
mах
3. Вычисляется , τ∈[-τ;0].
mах
4. Вычисляется , τ∈[0;+τ].
ba
mах
mах
5. Определяется τ∈[-τ; +τ], для которого будет иметь максимум среди всех значений  и .
bа
6. Для τ определяется местоположение повреждения:
,
Благодаря бинарному знаковому аналого-стохастическому квантованию, операции умножения, свойственные классическим цифровым алгоритмам, вырождаются в процедуры, которые в основном требуют выполнения логических операций и арифметических операций суммирования и вычитания значений отсчетов времени, формируемых в процессе данного вида квантования. Это исключает методическую погрешность, вызванную выполнением этих операций в цифровом виде, и снижает трудоемкость вычисления оценок ВКФ.