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基于HHT 的管道阀门内漏声发射检测研讨

宣布日期:2017-05-05 16:30    阅读次数:次

择要:针对管道阀门内漏声发射旌旗灯号的非安稳特点,提出将全体均匀经历情势分化( EEMD) 和希尔伯特变更相连系的希尔伯特黄变更(HHT) 体例操纵于管道阀门内漏声发射检测中。操纵EEMD 体例将间门内漏声发射旌旗灯号自顺应分化为一簇本征模态、函数(IMF) ,并对分化后的旌旗灯号停止Hilbelt 谱和HHT 边沿谱阐发,可以或许提取到阀门内漏声发射旌旗灯号的实质特点,冲破惯例时频阐发的非线性旌旗灯号规模性和经历情势分化(EMD) 构成的模态混叠景象;非目比于ST盯频谱,Hilbert 谱具备较高的时频分辩率,最初对旌旗灯号的Hilbert 边沿谱阐发肯定了内漏旌旗灯号的首要感化频次。该体例可以或许有用地操纵于阀门内漏声发射检测中。

阀门是一种用处很是普遍的机器产物,首要用于各类流体工程体系的管道上。间门的周密性是一个很是首要的机能方针,在现实操纵中,时有产生的介质净化、火警爆炸、中毒变乱多数是由阀门内漏构成的。因

此研讨管道阀门内漏的在声发射检测现实、体例,完成对管道阀门内漏的有用监测,对保护管网的宁静运转,防止资本的华侈,有着首要的现实意思和现实操纵代价。

声发射手艺作为一种静态元损检测体例,可以或许在不停产的状况下对压力管道的活性缺点和泄露环境停止疾速检测及鉴定,合用于庞杂环境下管道和阀门的在线监测[1] 。国际外学者对声发射手艺在阀门泄露检测和尝试的操纵做了大批的研讨。文献[2 -4 ]研讨了声发射旌旗灯号在阅门内漏中的丈量、特点参数提取等题目。Kaewwaewnoi 等[5] 经由进程大批尝试研讨了液体和蔼体介质在差别阀门巨细、范例和入口压力品级下的声发射旌旗灯号特点,摸索了阀门泄露率与声发射旌旗灯号功率谱之间的对应干系。Lee 等[6] 对核电站止回阀的磨损和泄露状况停止了持久的声发射监测,经由进程小波阐发的体例,操纵声发射旌旗灯号均方根值表征阀门泄露状况。石志标等[7] 经由进程尝试和现实查验考证了声发射检测在阀门内漏检测中的可行性,并先容了在严峻噪声环境下接纳旌旗灯号差值法停止检测。孙立瑛等[ 8] 操纵EMD体例将声发射旌旗灯号停止分化,并对特点份量重构停止彼此关阐发计较以到达对管道泄露的精准定位。松散等[9] 针对公开管道漏损的准肯定位题目,将管道四周泥土做弹性体斟酌,对弹性介质中充液管道的声传布特点停止领会析研讨。因为阀门内漏产生的声发射旌旗灯号具备非安稳的特点,以上研讨操纵的Fourier 体例、小波体例、双线性时频散布、Gabor 变更等体例或具备非线性旌旗灯号阐发规模性或有赖于基函数的挑选,并且遭到测不准道理的限定,不能给出精确公道的旌旗灯号特点诠释。EMD[ 叫作为一种新型的旌旗灯号处置体例合适处置非线性非安稳旌旗灯号,但EMD 体例存在模态混叠景象,使得其操纵成果下降。EEMD[ll] 是EMD 体例的改良,该体例操纵高斯白噪声具备频次均匀散布的统计特J性,使加人高斯白噪声后的旌旗灯号在差别规范上具备延续性,从而有用地处置了情势夹杂题目。本文将基于EEMD 分化的HHT体例操纵于阅门差别内漏量状况下的声发射旌旗灯号特点提取,阐发成果标明该体例对管道阅门内漏检测辨认是精确有用的。

1 现实根本

1. 1 阀门内漏声发射检测道理

声发射是资料中局域源能量疾速开释而产生瞬态弹性波的景象,也称为应力波发射,简称AE 。阅门检测中,阀门内漏可看做一个喷流进程,当因阅门密封机能不好而泄露时,阀体内介质会从密封面的裂缝放射

而出,构成紊流,紊流对密封外表产生打击而激起弹性波,流体内漏所激起的弹性波旌旗灯号为延续旌旗灯号且有较宽的频次规模,用声发射传感器打仗阀体外壁,领受泄露产生的在阀体中传布的弹性波,转换成电旌旗灯号,对收罗到的声发射旌旗灯号停止特点阐发,从而到达检测阀门泄露的方针。

假定内漏模子为充实的泄露放射,将其分红3 个地区:夹杂区、过渡区和充实成长区,见图1 。夹杂区的延长间隔约莫是阅门直径D 的4.0 -4. 5 倍,过渡区间隔大抵扩大到D 的10 倍。沿泄露外表,漏口四周声压

较低,在3 至4 倍直径的间隔内敏捷增添到极大值,今后又渐渐下降,泄露声响大部分来之夹杂区和过渡区的揣流活动,高频噪声首要产生在喷口四周,低频噪声产生鄙人流,频谱峰在夹杂区的尖端四周。离喷口稍远的地区为过渡区,在过渡区中到处布满揣流,均匀速率随放射间隔的增添而渐减,射流宽度逐步扩大。离喷口更远的处所,流体成为完整揣流活动,即充实成长区。在这个地区里流速逐步下降以致完整消逝变小,产生的声旌旗灯号为低频性。

 

1. 2 基于EEMD 分化的HHT 体例

1998 年Norden 提出了希尔伯特黄变更这一全新的时频阐发明实。在这一现实中,经由进程EMD 体例,将旌旗灯号表现成无限个IMF 份量和一个剩余份量之和的情势,并且提出了经由进程Hilbe11 变更对各个IMF 停止时频

阐发和求解刹时频次。HHT 在对非线性非安稳旌旗灯号的阐发处置方面表现出了有用性和自顺应特点,而当旌旗灯号不是纯噪声时,会缺失一些规范,这时候候混叠景象就会产生。由此接纳EEMD 体例给旌旗灯号加进高斯白噪声成为由旌旗灯号和噪声构成一个"全体操纵高斯白噪声具备频次均匀散布的统计特点,当向旌旗灯号中插手高斯白噪声后,旌旗灯号将在差别规范上具备延续性,如许可以或许增进抗泪分化,防止了EMD 体例中因为IMF 的不延续性而构成的模态混叠景象[11] 。EEMD 的分化进程可以或许归结以下:动,即充实成长区。在这个地区里流速逐步下降以致完整消逝变小,产生的声旌旗灯号为低频性。

1. 2 基于EEMD 分化的HHT 体例

1998 年Norden 提出了希尔伯特黄变更这一全新的时频阐发明实。在这一现实中,经由进程EMD 体例,将旌旗灯号表现成无限个IMF 份量和一个剩余份量之和的情势,并且提出了经由进程Hilbe11 变更对各个IMF 停止时频阐发和求解刹时频次。HHT 在对非线性非安稳旌旗灯号的阐发处置方面表现出了有用性和自顺应特点,而当旌旗灯号不是纯噪声时,会缺失一些规范,这时候候混叠景象就会产生。由此接纳EEMD 体例给旌旗灯号加进高斯白噪声成为由旌旗灯号和噪声构成一个"全体操纵高斯白噪声具备频次均匀散布的统计特点,当向旌旗灯号中插手高斯白噪声后,旌旗灯号将在差别规范上具备延续性,如许可以或许增进抗泪分化,防止了EMD 体例中因为IMF 的不延续性而构成的模态混叠景象[11] 。EEMD 的分化进程可以或许归结以下:

(1)给方针旌旗灯号x( t) 加上一组白噪声m( t) , 取得→个全体X(t) :

按照式(1 0) 可以或许将幅度时频立体中可以或许将振幅表现成时候和频次的二元函数,幅度的这类时频散布被称为希尔伯特谱( Hilbert 谱)。比拟于传统的频谱阐发(如STFT谱) , Hilbert 谱具备较高的时频分辩率。管道阀门内漏产生的声发射旌旗灯号具备的非安稳特点很是较着,是以,接纳基于EEMD 分化的HHT 时频阐发体例可以或许对声发射旌旗灯号的成分停止实质阐发。
2  管道阀门内漏摹拟尝试
2.1 尝试平台的搭建
图2 为搭建的管道阅门内漏摹拟尝试台,包含:
( 1 )阀门内漏管道:接纳直径为50 mm 的UPVC管道搭建轮回管道,最大耐压10 MPa 。挑选船用DN50闸阀作为摹拟内漏阀门,泄露介质为水。
(2) 声发射检测装备:尝试接纳PXWAE 全波形
声发射检测仪及时收罗旌旗灯号。首要仪器及参数如表l
所示。
2.2 阀门内漏声发射旌旗灯号收罗
将PRX15 声发射传感器用搞合剂粘贴在DN50 阀
门中心地位,用以拾取阀门内漏时产生的AE 旌旗灯号;设
定发射检测仪采样频次为1 024 kHz ,单波形采样时候
为16 ms ,触发体例为回升沿软件触发。
开开口轮泵对管道停止灌水冲压,使阀门入水口
处具备必然的压力,管道压力保持在1. 5 Mpa。经由进程调
节阅门差别开启度来摹拟阀门内漏,别离收罗阀门在
未产生内漏状况、内漏量为12.5 mm3 /s 、50 mm3 /s 状
态下阀门内漏产生的声发射旌旗灯号。
图3 -图5 别离为阀门为泄露状况下、内漏量为
12.5 mm3 /s 、50 mm3 /s 状况下声发射旌旗灯号时域图和频
谱图。由图可知声发射旌旗灯号首要集合在0-20 kHz ,内
漏量为12.5 mm3 /s 状况下,在50 kHz 摆布呈现较低能
量的频次动摇,未内漏状况与内漏量50 mm3 /8 状况下
频次散布差别不大。Fourier 频谱图谱线麋集,高频特
征旌旗灯号辨认不较着,不能有用地反应阀门内漏的声发
射旌旗灯号实质特点。
3 阀门内漏旌旗灯号的HHT 阐发
本证模态函数代表了旌旗灯号的内涵动摇情势,对分
解后的IMF 份量停止阐发可取得旌旗灯号中更丰硕的时频
能量信。是以对收罗到的差别内漏量状况下的声发射
旌旗灯号时域抽区间停止EEMD 分化,并对分化后的旌旗灯号
停止Hilbert 谱阐发和边沿谱阐发。
按照文献[11 ],停止EEMD 分化时加人的自噪声
幅值为原始旌旗灯号幅值规范差的0.2 倍。未内漏时原数
据幅值规范差为O. 065 6 ,所加人白噪声幅值为
0.013 10 设定集总均匀次数为100 次,原旌旗灯号自造应
分化为12 个IMF 份量,并对分化后的旌旗灯号停止Hilbert
谱阐发。图6 是阀门未泄露时声发射旌旗灯号EEMD 分化
IMF 份量时频谱和Hilbert 谱。由图, EEMD 分化后的
IMF 份量较好地表现了各频段的幅值、频次特点,未泄
漏时旌旗灯号首要频次集合在0-15 kHz ,在全部时候域,
旌旗灯号频次、能量散布均匀。
内漏量为12. 5 mm3 /s 时原始数据规范差为
0.0935 ,则插手的白噪声幅值为0.018 7 。设定集总平
均次数为100 ,旌旗灯号自顺应分化出12 个IMF 份量,分化
后的IMF 份量时域图如图7 所示。
图8 为能量较大的前4 个IMF 份量功率谱图,由
图可以或许看出IMFl - IMF4 对应的频次顺次减小,这说
明EEMD 有用地防止了阀门内漏旌旗灯号EMD 分化构成
的模态混叠景象。
图9 为内漏量为12.5 mm3 /s 状况下声发射旌旗灯号的
Hilbert 谱图,由图可以或许得出, 12 ms 时旌旗灯号频次及能量
产生渐变,首要频段集合在20 -80 kHz ,高频段能量集
中在60 - 80 kHz ,全部频次渐变延续时候10 ms ,随后旌旗灯号频次回归到低频状况,对下临时候窗旌旗灯号停止阐发获得近似的频谱散布,该旌旗灯号具备必然的周期性,由此可以或许鉴定,此时产生了内漏,且内漏产生的声发射旌旗灯号频次较高。因为内漏时,泄露处构成的射流与泄露孔壁彼此感化及液体高速流出泄露孔打击到阅下内壁城市产生差别频次的声发射旌旗灯号,是以构成了频次内漏旌旗灯号频带较宽(如图9 中的频带散布)。阅门内漏量为50 mm3 /s 时原始数据规范差为0.0857 ,以是加人的白噪声幅值为0.017 1 。设定集总均匀次数为100 ,旌旗灯号自造应分化出12 个IMF 份量,分化后的IMF 份量时域图及Hilbert 谱如图10 所示,由图可知在16 ms 处旌旗灯号频次、能量产生渐变,首要频段集为50 - 90 kHz ,但能量值较内漏量为12.5 mm3 /s 较低,延续时候3 ms ,随后旌旗灯号回归到低频状况,并鄙人临时候域呈现周期性渐变。
因为Fourier 频谱的幅值只能反应频次在旌旗灯号中现实存在的可以或许性巨细,而边沿谱的幅值能实在反应频次在旌旗灯号中是不是存在。边沿谱是Hilbert 谱对时候轴的积分,它是对旌旗灯号中各个频次成分的幅(或能量)的全体测度,它表现了旌旗灯号在几率意思上的积累幅值,反应了旌旗灯号的幅值在全部频次段上随频次的变更环境,当某一频次的能量呈现时,就表现必然有该频次的振动波呈现[山]。对旌旗灯号停止HHT 边沿谱阐发,以期找出主
要的内漏旌旗灯号频次。图11- 图13 是三种内漏状况AE旌旗灯号HHT 边沿谱。对照图3 -图5 中的Fourier 频谱,不难发明,边沿谱对首要感化频次的分辩率要比Fourier频谱超出跨越良多。阅门未内漏时旌旗灯号频次散布在5 kHz
-15 kHz 之间,即尝试背景噪声频次散布规模;内漏量为12.5 mm3 /s 时内漏旌旗灯号首要感化频次为50 kHz 和80 kHz; 内漏量为50 mm3 /s 时首要感化频次为70 kHz 。
4 论断
(1)阀门内漏的声发射旌旗灯号为庞杂的非安稳旌旗灯号,接纳EEMD 体例将其分化为多少个IMF 份量,对前4 个份量停止Fourier 频谱阐发,考证了EEMD 体例可以或许有用防止阅门内漏声发射旌旗灯号频谱模态混叠景象。
(2) Hilbert 谱在对阀门内漏声发射旌旗灯号阐发上具备更高的时频分辩率,对旌旗灯号时域抽区间停止Hilbert 边沿谱阐发,可以或许加倍精确地肯定内漏旌旗灯号的感化频次。
(3) 摹拟管道阅门内漏尝试阐发成果标明基于EEMD 和HHT 体例的阀门内漏声发射检测辨认是精确有用的。

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