基于新型陣列的儲罐底板聲發(fā)射定位方法

龍飛飛,鐘時達(dá),李 鐸

(1.大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,大連 116000;2.大連市裝備智能檢測與診斷技術(shù)重點(diǎn)實驗室,大連 116000)

聲發(fā)射檢測技術(shù)作為一種動態(tài)無損檢測技術(shù),可以在線對常壓立式儲罐進(jìn)行檢測且經(jīng)濟(jì)成本低、工作量小,故在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[1]。聲發(fā)射源定位作為聲發(fā)射檢測技術(shù)研究的重點(diǎn)難點(diǎn),旨在對損傷位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位,以進(jìn)一步分析缺陷或損傷的嚴(yán)重程度,對潛在的安全隱患做出明確預(yù)警[2]。傳統(tǒng)聲發(fā)射源定位方法是將傳感器直接均勻布置在儲罐外壁上,在檢測直徑較大的儲罐時,由于傳感器布置距離罐底中心位置較遠(yuǎn),對罐底中心位置附近聲發(fā)射信號接收不佳,影響附近損傷的定位效果,而且容易出現(xiàn)漏定位和偽定位等問題,在傳感器數(shù)量增多和陣列密度增加時缺點(diǎn)更加突出,這些問題嚴(yán)重影響了儲罐腐蝕評價的效果[3]。

針對儲罐底板中心區(qū)域信號接收效果不佳的問題,邱楓等[4]提出了在儲罐內(nèi)部介質(zhì)中放置短基線網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳感器陣列;李偉等[5]提出內(nèi)置傳感器陣列與罐壁外周傳感器陣列相關(guān)聯(lián)的檢測方法,提高了中心位置的定位準(zhǔn)確性。張穎等[6]運(yùn)用移動式五元十字基陣聲學(xué)定位方法,降低了檢測盲區(qū)。 SALAMONE等[7]提出一種花形擺放的傳感器陣列,能夠預(yù)測波的傳播方向,發(fā)現(xiàn)兩個傳播方向的交點(diǎn)就是聲發(fā)射源的所在位置。針對漏定位、偽定位問題,陳園園[8]重點(diǎn)分析了定位信號構(gòu)成及其影響因素,設(shè)計使用聚類算法來提高聲發(fā)射事件識別準(zhǔn)確率。ASAUE等[9]則利用深度學(xué)習(xí)和多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),自動提取特征數(shù)據(jù)來實現(xiàn)聲發(fā)射源位置的快速精準(zhǔn)計算?？梢钥闯?國內(nèi)外學(xué)者主要從定位陣列和定位算法兩個方面進(jìn)行研究,并在儲罐腐蝕狀態(tài)監(jiān)測上取得了一定成果,但由于使用的傳感器數(shù)量較多,存在的信息冗余會延長檢測周期。

筆者針對傳統(tǒng)聲發(fā)射源定位算法的信號接收問題設(shè)計新型陣列,通過設(shè)計合適的傳感器數(shù)量和間距,設(shè)計特殊的幾何關(guān)系,結(jié)合陣列的優(yōu)勢進(jìn)行定位算法研究,旨在相較傳統(tǒng)定位陣列提升定位精度和可靠性,相較復(fù)雜陣列提升計算速度,以滿足實際工程檢測的需要。

1 新型陣列設(shè)計

在實際工程檢測中,儲罐聲發(fā)射傳感器常布置在靠近罐底的罐壁上,傳感器的數(shù)量和布置方案是根據(jù)儲罐的尺寸、型號進(jìn)行確定的[10]。雖然這種陣列設(shè)計布置和程序設(shè)計都較為簡單,但應(yīng)用在大型儲罐上時,受聲發(fā)射信號幅值衰減等因素的影響,罐底中心位置的檢測效果不佳。而短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵欣碚撋峡梢越鉀Q部分罐底中心位置信號丟失的問題,增強(qiáng)對罐底中心位置的定位效果,但該陣列算法設(shè)計難度很大,且對陣列布置精密度的要求較高,罐內(nèi)的復(fù)雜情況也為預(yù)期信號增加了諸多不確定性。

筆者結(jié)合兩種陣列的分布特點(diǎn),從布置難度、信號接收覆蓋率、對應(yīng)定位算法的計算效率等方面綜合考慮,確定了新型傳感器的陣列構(gòu)型?？紤]到罐內(nèi)傳感器投放精度不高、檢測速度慢、成本高等因素,盡量選用罐壁傳感器。

首先設(shè)計出如圖1(a)所示的8-8型雙環(huán)形陣列,其能夠滿足對稱性,在算法設(shè)計上具備優(yōu)勢,能夠提升計算速度。但發(fā)現(xiàn)該陣列在罐底邊緣的傳感器密度小于罐底中心附近的,罐底邊緣附近檢測效果會受到影響,同時由于傳感器布置在罐底1/2直徑處,儲罐直徑較大時,可能造成中心位置信號接收效果不佳,影響定位效果。為了解決這一問題,筆者提出一種8-4-1型方形傳感器陣列[見圖1(b)],其在具備對稱性的同時,通過在罐底中心位置布置傳感器的方式來強(qiáng)化信號采集質(zhì)量,但該陣列存在罐底邊緣的傳感器密度低而可能導(dǎo)致罐底邊緣檢測效果不佳的問題。綜合上述分析,提出8-4-2-1型傘狀定位陣列,其設(shè)計構(gòu)型如圖2所示。

圖1 傳感器陣列設(shè)計構(gòu)型示意

圖2 8-4-2-1型傘狀定位陣列設(shè)計構(gòu)型示意

該方法通過在罐底外圓均勻布置8個傳感器,之后在2/3半徑處,相互呈90°角布置4個傳感器,再在1/3半徑處相對布置兩個傳感器,一定程度上保證了獲取信號的完整性,最后在中心位置布置1個傳感器,加強(qiáng)對罐底中心位置的檢測。該陣列的傳感器分布能夠在覆蓋罐底并加強(qiáng)對罐底中心區(qū)域檢測的同時,避免信號處理難度的增加,優(yōu)化了定位效果,提高了定位精度,解決了傳統(tǒng)陣列存在的問題。

2 新型陣列定位算法

2.1 定位算法研究

上文對傳感器陣列進(jìn)行了設(shè)計,因此最大事件定義時間的設(shè)置需要根據(jù)傳感器的間距和幾何布置進(jìn)行靈活調(diào)整。8-4-2-1型定位陣列線段b位置示意如圖3所示,當(dāng)采用新型定位陣列時如果繼續(xù)按照儲罐直徑進(jìn)行最大事件定義時間設(shè)置,將會喪失新型陣列定位的優(yōu)勢。故,為了充分發(fā)揮其優(yōu)勢,此時最大事件定義時間定義為

(1)

式中:Tmax為最大事件定義時間;lb為圖4中線段b的長度;v為聲速。

定位算法選擇常用的三角定位作為基礎(chǔ)算法進(jìn)行研究[11]。

圖3 8-4-2-1型定位陣列線段b位置示意

2.2 定位傳感器組合

在傳統(tǒng)定位算法中,罐體直徑較大,聲波在傳播過程中衰減較大,一般認(rèn)為任意3個或以上傳感器就能構(gòu)成定位陣列,若選擇的傳感器信號傳播受到較大干擾,定位精度則會受到影響,所以用于定位的傳感器組合的選擇也尤為重要。而聲發(fā)射特征參數(shù)中幅值、能量、事件數(shù)和持續(xù)時間是表征腐蝕嚴(yán)重程度的重要參數(shù)[12],其中幅值在時間和距離尺度上都呈現(xiàn)顯著的相關(guān)趨勢[13],所以筆者以幅值作為研究對象,選擇平均幅值最高的傳感器組合進(jìn)行定位。為了便于對比分析,將定位精度進(jìn)行量化,以斷鉛20次為對比對象,斷鉛位置為中心做圓,分別統(tǒng)計以10,20,30 cm為半徑的定位點(diǎn)個數(shù),得到加入與未加入數(shù)據(jù)融合條件下的定位結(jié)果如圖4所示,數(shù)據(jù)融合前后定位精度對比如圖5所示。

圖4 加入與未加入數(shù)據(jù)融合條件下的定位結(jié)果

圖5 數(shù)據(jù)融合前后定位精度對比

由圖4,5可以看出,數(shù)據(jù)融合后的定位算法在斷鉛位置半徑30 cm的范圍內(nèi),定位點(diǎn)個數(shù)由10個升至13個,同比增加30%。實際坐標(biāo)點(diǎn)與計算坐標(biāo)點(diǎn)的平均誤差如表1所示。

表1 實際坐標(biāo)點(diǎn)與計算坐標(biāo)點(diǎn)的平均誤差 cm

以上分析表明,加入數(shù)據(jù)融合后,平均定位精度提升了10.99%,有助于實現(xiàn)對嚴(yán)重度較高的聲發(fā)射源的定位,同時隨著范圍的增大其誤差也逐漸降低,因此該方法在大型儲罐中的應(yīng)用效果更好。雖然定位精度得到了提升,但該定位算法容易將多種信號判定為同一聲發(fā)射源,形成誤判,為解決這一問題,筆者將模式識別技術(shù)融入到定位算法中開展研究。

3 融入模式識別的定位算法及定位試驗

3.1 定位組信號模式識別方法

該識別方法中,通過聚類分析來計算信號之間的相似性,對波形信號的共性程度進(jìn)行定量評價,并對傳感器接收到的信號進(jìn)行分類,找出所有聲發(fā)射事件。在該聲發(fā)射波形互相關(guān)計算中,將不同通道的波形信號兩兩分組,每一組的信號互相關(guān)系數(shù)為測度,假設(shè)x=(x1,x2,x3,…,xn),y=(y1,y2,y3,…,yn)為被計算的數(shù)據(jù)組,此時簡單計算互相關(guān)系數(shù)為

(2)

式中:x和y為待測量的數(shù)據(jù);n的數(shù)值征參數(shù)個數(shù);N為數(shù)據(jù)組長度。

為了驗證聚類方法的合理性,筆者選擇斷鉛信號和摩擦信號進(jìn)行互相關(guān)計算,其相關(guān)性分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 斷鉛信號與摩擦信號的相關(guān)性分析結(jié)果

由圖6可知,斷鉛信號間的互相關(guān)系數(shù)要明顯高于斷鉛與摩擦信號之間的互相關(guān)系數(shù),這說明上述聚類方法能夠很好地區(qū)分出信號類別,其聚類結(jié)果匯總?cè)绫?所示。由表2可見,斷鉛信號的識別準(zhǔn)確率為92%,高于摩擦信號88%的識別準(zhǔn)確率。

表2 斷鉛信號與摩擦信號的聚類結(jié)果匯總

3.2 定位試驗

在直徑為3.6 m,高為0.6 m的室內(nèi)模擬儲罐上進(jìn)行斷鉛試驗。分別采用傳統(tǒng)陣列和8-4-2-1型陣列,以罐底中心為原點(diǎn),在邊長為1.8 m的正方形四個頂點(diǎn)處進(jìn)行斷鉛,共采集5次,10次,15次和20次斷鉛數(shù)據(jù),并通過AEwin軟件和新型算法進(jìn)行定位計算。傳統(tǒng)陣列和8-4-2-1型陣列定位統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可以看出,相同陣列下,新型算法相較于AEwin軟件的定位點(diǎn)個數(shù)平均降低了31.22%,很好地抑制了偽定位和重復(fù)定位問題。由圖7(b)可知,新型算法下,8-4-2-1型陣列定位點(diǎn)數(shù)相較于傳統(tǒng)陣列的點(diǎn)數(shù)平均提高了77.31%,說明8-4-2-1型陣列在一定程度上改善了漏定位問題對定位點(diǎn)的影響,結(jié)合前文研究推斷,在應(yīng)用于大型儲罐時,其改善效果會更加明顯。

圖7 傳統(tǒng)陣列和8-4-2-1型陣列定位統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)語

根據(jù)傳統(tǒng)定位方法中傳感器的分布位置設(shè)計出一種新型陣列(8-4-2-1型陣列),并對新型陣列的罐底定位方法進(jìn)行改進(jìn),提出了基于新型陣列和新型算法的儲罐底板缺陷聲發(fā)射定位方法,并進(jìn)行了對比試驗。試驗結(jié)果表明,相較于傳統(tǒng)方法,新方法對罐底中心位置附近損傷的定位精度提升了10.99%,重復(fù)定位與偽定位的影響降低了31.22%,應(yīng)用于大型儲罐時,漏定位現(xiàn)象也能夠得到較好改善。