本發(fā)明涉及信息處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鍋爐管泄漏判別與定位方法。

背景技術(shù)：

目前電廠安裝的檢漏裝置對鍋爐管泄漏點的定位都是區(qū)域性，不能給出泄漏點的準確位置，這給停爐修復(fù)泄漏點造成了一定的難度；同時檢漏裝置采用四個傳感器組成平面方陣進行定位的方法雖然簡單、經(jīng)濟，但傳感器的組數(shù)少，方程求解時的約束也變少了，進而導(dǎo)致在某些特殊聲源位置出現(xiàn)定位誤差大或錯誤定位的情況(坐標軸、或遠點處是特殊位置)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種鍋爐管泄漏判別與定位方法，以解決上述背景技術(shù)中的缺點。

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種鍋爐管泄漏判別與定位方法，具體步驟如下：

1)傳感器四個為一組，呈正方形布置，貼附于爐墻外側(cè)，采用數(shù)據(jù)采集卡完成經(jīng)相位一致的四個傳感器采集鍋爐管聲音信號后的模數(shù)轉(zhuǎn)換；

2)每隔1萬個數(shù)據(jù)點采樣一次，并將此采樣點設(shè)為監(jiān)測點，得到二次離散信號；

3)對二次離散信號進行離散傅里葉變化，得到每個監(jiān)測點的信號頻率值；

4)設(shè)定報警頻率閾值為10khz，將步驟3)中每一個監(jiān)測點的信號頻率值與報警頻率閾值進行比對，若監(jiān)測點的信號頻率值小于報警頻率閾值，返回至步驟1)，繼續(xù)進行采樣；若監(jiān)測點的信號頻率值大于報警頻率閾值，則進一步計算聲壓級，進行頻譜分析，發(fā)出警報，報警燈亮；

5)將步驟4)中異常數(shù)據(jù)寫入臨時excel表格；

6)通過matlab讀取臨時excel表格中數(shù)據(jù)；

7)調(diào)用臨時excel表格中數(shù)據(jù)，利用互相關(guān)算法求時延值；

采用基于時延的定位算法對泄漏點進行精確定位，以改進現(xiàn)有產(chǎn)品的技術(shù)缺陷，基于時延的定位原理是：在同一時刻、同一聲源發(fā)出的信號到達不同傳感器的距離不同，故傳感器接收該時刻的信號將有不同程度的時間延遲(即相位差)，通過互相關(guān)算法可計算出此時間差，而后建立傳感器位置與聲速的幾何模型即可確定聲源坐標，實現(xiàn)定位；

8)將時延值代入定位算法，計算漏點位置坐標值，并在顯示屏上顯示泄露點坐標，即可準確判定鍋爐管聲源位置，進而確定鍋爐管泄露點。

在本發(fā)明中，相位校正具體步驟為：設(shè)定某一傳感器為比對標準，將其余三個分別與標準傳感器組成兩兩組合，對同一聲音進行采集，計算出其余三路信號的系統(tǒng)誤差，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)分別對三路信號進行誤差修正。

在本發(fā)明中，聲音采樣的采樣頻率為20khz，采樣深度為16bit。

在本發(fā)明中，每隔1萬個數(shù)據(jù)點采樣一次，通過matlab調(diào)用采樣函數(shù)decimate對時間序列進行整數(shù)倍采樣處理，使得時間序列的長度降低，當對時間序列進行整數(shù)倍抽取時，采用n點fir型低通濾波器壓縮頻帶。

有益效果：本發(fā)明采用二次抽樣提取待分析信號，以減少數(shù)據(jù)總量與計算機運算量、降低對計算機內(nèi)存及運算能力的要求；同時將聲音信號頻率作為特征值判斷泄漏與否，便于判斷，不易誤報，準確率高；且泄漏判別與報警自動化，無人為誤差與延遲；通過臨時數(shù)據(jù)庫儲存信息，有效提升系統(tǒng)信息處理效率，精確定位，實用性強。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的較佳實施例的流程圖。

圖2～圖4為本發(fā)明的較佳實施例中的四個傳感器之間信號的互相關(guān)示意圖。

圖5為本發(fā)明的較佳實施例中的定位結(jié)果示意圖。

圖6為鍋爐正常運行頻譜特性圖。

圖7為鍋爐泄漏時頻譜特性圖。

圖8為本發(fā)明的較佳實施例中的一組傳感器幾何模型圖。

圖9為本發(fā)明的較佳實施例中的線性插值法定位原理圖。

圖10為本發(fā)明的較佳實施例中的單組傳感器數(shù)學(xué)模型。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。

參見圖1的一種鍋爐管泄漏判別與定位方法，具體步驟如下：

1)采用數(shù)據(jù)采集卡完成經(jīng)相位一致的四個傳感器采集鍋爐管聲音信號后的模數(shù)轉(zhuǎn)換；

傳感器四個為一組，呈正方形布置，貼附于爐墻外側(cè)，傳感器需一致的相位(傳感器的相位特性是指作用在傳感器受聲面上的聲壓的相位與傳感器輸出端的電壓之間的相位之間的關(guān)系)，否則將引入極大的系統(tǒng)誤差；也可采用相位校正的辦法解決此問題：設(shè)定某一傳感器為比對標準，將其余三個分別與標準傳感器組成兩兩的組合，對同一聲音進行采集，計算出其余三路信號的系統(tǒng)誤差，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)分別對三路信號進行誤差修正；

傳感器將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號(電流或電壓)，需經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集卡需保證多路同步采樣，此時注意：一同步問題，各麥克風(fēng)可能由獨立的時鐘控制，需要對時鐘校準，以解決時間同步和頻率同步問題；二是數(shù)據(jù)融合問題，需將在各個陣元處處理完畢的初步結(jié)果通過合適的方式傳輸至一中心節(jié)點處進行融合處理，以得到最終的結(jié)果，數(shù)據(jù)融合需要迅速處理大量數(shù)據(jù)，同時避免信息超載；

聲音采樣有兩個重要指標，一是采樣頻率，二是采樣深度，根據(jù)香農(nóng)采樣定律如果被采樣信號的最高頻率為f1,那么，要不失真采樣，采樣時的頻率需滿足f>2f1的條件，在對鍋爐聲音信號進行采樣時，泄漏信號最高頻率可達10khz，故聲音采樣頻率可取20khz，考慮對樣本精度的實際需求以及工控機數(shù)據(jù)存儲能力的大小采樣深度取16bit；

2)每隔1萬個數(shù)據(jù)點采樣一次，并將此采樣點設(shè)為監(jiān)測點，得到二次離散信號；

20khz的采樣頻率下每秒鐘可采集2萬個數(shù)據(jù)點，每個數(shù)據(jù)點為16位精度，每隔1萬個數(shù)據(jù)點采樣一次；matlab中調(diào)用采樣函數(shù)decimate對時間序列進行整數(shù)倍采樣處理，使得時間序列的長度降低，y＝decimate(x,r，n,‘fir’)其中x為時間序列,r為采樣要降低的倍數(shù),n為指定所采用的chebyshevi型低通濾波器的階數(shù)，‘fir’表示fir濾波器；

當對時間序列進行整數(shù)倍抽取時，采用n點fir型低通濾波器壓縮頻帶，對時間序列進行整數(shù)倍抽??；

3)對二次離散信號進行離散傅里葉變化(dft)，得到每個監(jiān)測點的信號頻率值，同時設(shè)定報警頻率閾值為10khz，將每一個監(jiān)測點的信號頻率值與報警頻率閾值進行比對；通過對某電站的2300mw機組鍋爐的聲音頻譜進行記錄，得到圖6～圖7圖像，從圖6～圖7可知，該電站2300mw容量的鍋爐背景噪聲的聲功率級在0-80db之間，且泄漏時聲聲功率無明顯變化，正常運行時鍋爐背景噪聲頻率集中在0-5000hz的低頻范圍，而泄漏信號頻率分布很寬，從0-20khz，都有分布，屬于寬頻帶的高頻噪聲；因此，可依靠聲音的頻率特性(即聲音的頻率高低)辨別爐管是否泄漏，正常運行的鍋爐收集到的聲音由爐膛內(nèi)燃燒噪聲，燃燒器射流噪聲，煙氣橫掠管束風(fēng)吹聲，吹灰器噪聲和其他機械噪聲5種成分構(gòu)成：

故設(shè)定報警頻率閾值為10khz，當監(jiān)測點的信號頻率值超過報警頻率閾值，必是產(chǎn)生了非常規(guī)狀況；

4)若監(jiān)測點的信號頻率值小于報警頻率閾值，返回至步驟1)，繼續(xù)進行采樣；若監(jiān)測點的信號頻率值大于報警頻率閾值，則進一步計算聲壓級，進行頻譜分析，發(fā)出警報，報警燈亮；

在監(jiān)測點的信號頻率值大于報警頻率閾值這一異常點出現(xiàn)后運行數(shù)據(jù)提取程序，分別保存泄漏時四個傳感器通道的4萬個數(shù)據(jù)點，形成4個窗口以進行頻譜分析，并發(fā)出警報；

4.1數(shù)據(jù)提取程序

4.2頻譜分析程序

在matlab中進行頻譜分析分四步：

(1)確定采樣頻率

根據(jù)采樣定理，采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍，采樣頻率要結(jié)合允許的最大分析周期和硬件采樣速度設(shè)定；因此頻譜落在fs/2-fs范圍內(nèi)的信號是沒必要保留的，頻域信號的定義域向量與值域向量都應(yīng)該做減半處理，即：f＝f(1,n/2)；

y＝abs(fft(x))；

y＝y(tǒng)(1.n/2)；

(2)確定采樣點數(shù)

采樣點數(shù)與頻率分辨率有關(guān)，采樣點數(shù)＝采樣頻率/頻率分辨率，n越大，頻譜曲線越精細但計算量也隨之變大；

(3)調(diào)用fft函數(shù)進行變換

調(diào)用格式為：

y＝fft(x)；

其中，x是加窗后的語音信號，y是經(jīng)過快速傅里葉變換后的信號，變換長度與x一致；

y＝fft(x,n)；

其中，x是加窗后的語音信號，n代表變換的點數(shù)，若x的長度小于n，x不足的位數(shù)進行補零處理，反之，x不能全部進行變換；y是經(jīng)過快速傅里葉變換后的信號，變換長度與n一致；

(4)繪制信號頻譜圖

頻譜圖橫坐標是頻率，縱坐標是信號幅值；得到頻譜圖可清晰看出信號的組成和各個頻率下信號的能量大?。?/p>

f＝x(1:n/2+1)；％f(k)＝x(k)(k＝1:n/2+1)

f＝f*(0:n/2)/n；％使頻率軸f從零開始

figure(2)，plot(f,abs(f),'-*')％繪制振幅-頻率圖

4.3發(fā)出警報的程序

在matlab中調(diào)用beep函數(shù)，使得計算機揚聲器發(fā)出“嘟嘟”聲以報警；

調(diào)用格式：beep(a，b)式中，a：聲音頻率b：聲音持續(xù)時間/毫秒

5)將步驟4)中異常數(shù)據(jù)寫入臨時excel表格；

xlswrite('a.xlsx',y1(:,1),'sheet1')；

此行代碼將存放聲音數(shù)據(jù)的矩陣寫入了命名為”a.xlsx”的表格中；

6)通過matlab讀取臨時excel表格中數(shù)據(jù)；

excel文件后綴為.xls.，本質(zhì)是一個二維矩陣，使用matlab中提供的系統(tǒng)函數(shù)xlsread函數(shù)讀取excel表格中數(shù)據(jù)：

調(diào)用形式為：b＝xlsread('a.xlsx')；其中b表示讀入文件所保存的臨時變量名稱，a.xlsx(或者filename.xlsx)表示讀取的是命名為”a.xlsx”的表格中的數(shù)據(jù)；

7)調(diào)用臨時excel表格中數(shù)據(jù)，利用互相關(guān)算法求時延值τ；

采用基于時延的定位算法對泄漏點進行精確定位，以改進現(xiàn)有產(chǎn)品的技術(shù)缺陷，基于時延的定位原理是：在同一時刻、同一聲源發(fā)出的信號到達不同傳感器的距離不同，故傳感器接收該時刻的信號將有不同程度的時間延遲(即相位差)，通過互相關(guān)算法可計算出此時間差，而后建立傳感器位置與聲速的幾何模型即可確定聲源坐標，實現(xiàn)定位；

基于時延的聲源定位方法(tdoa)，有著相較于基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù)、基于高分辨率譜估計技術(shù)計算量小、效率高、定位精準的優(yōu)點；

廣義互相關(guān)理論是對信號進行加權(quán)處理，算法是對接收到的含噪信號進行預(yù)濾波處理，以降低各個信號間的相關(guān)性、增強信號抑制噪聲，從而檢測出相關(guān)函數(shù)的峰值，這個峰值就是時延值，下面以兩路信號為例進行闡述：設(shè)兩個傳感器接收到的聲音信號分別為y1(t)、y2(t)

y1(t)＝α1s(t-τ1)+v1(t)(1)

y2(t)＝α2s(t-τ2)+v2(t)(2)

式(1)～(2)中，α1、α2分別為聲音從聲源傳播到兩個傳感器處的衰減因子，τ1、τ2分別為聲音從聲源傳播到兩個傳感器的延遲時間，v1(t)、v2(t)分別為兩個傳感器處的背景噪聲，y1(t)、y2(t)的互相關(guān)函數(shù)可寫為：

r12(τ)＝e[y1(t)y2(t-τ)]

＝α1α2e[s(t-τ1)s(t-τ2-τ)]+α1e[s(t-τ1)v2(t-τ)]

+α2e[s(t-τ2-τ)v1(t)]+e[v1(t)v2(t-τ)]

(3)

通常，假設(shè)背景噪聲是均值為0的平穩(wěn)噪聲，且與信號互不相關(guān)，不同麥克風(fēng)處背景噪聲也互不相關(guān)，那么式(3)等號右邊的后三項均為零，即

r12(τ)＝α1α2e[s(t-τ1)s(t-τ2-τ)](4)

當τ＝τ1-τ2時，s(t-τ1)與s(t-τ2-τ)對齊，式(4)中r12(τ)可取得最大值，故對每一個可能的τ計算r12(τ)，搜索最大值，即可得到信號到達兩個麥克風(fēng)的延遲時間，即τ1-τ2＝argmaxr12(τ).；

8)將時延值τ代入定位算法，計算漏點位置坐標值，并在顯示屏上顯示泄露點坐標，即可準確判定鍋爐管聲源位置，進而確定鍋爐管泄露點。

結(jié)合電站鍋爐本體形式與定位要求，四元矩形平面陣列是一種比較理想的排列方式，故將位于同一截面上的四個傳感器固定于鍋爐不同爐壁側(cè)面，一層四個傳感器即可實現(xiàn)三維定位；

圖8是傳感器的基本四元矩形陣列幾何模型，其中t表示泄漏點，s表示布置在爐壁上的傳感器，坐標分別為:s1(d/2，0，0)，s2(0，d/2，0)，s3(-d/2，0，0)，s4(0，-d/2，0)，t(x,y,z)；

由各點位置與聲音傳播基本規(guī)律列出方程組：

其中，d12，d13，d14為聲程差(m)；τ12，τ13，τ14為時延值(s)；c為聲速340(m/s)；r1為t與s1的距離，t1為t到達s1的時間；

聯(lián)立可得聲源坐標：

在本實施例中，對時延值τ求取與定位結(jié)果進行驗證，假設(shè)四個傳感器接收到的信號如下：

ad1＝[132621-201532-3012031]；

ad2＝[0132621-201532-3012031]；

ad3＝[0000132621-201532-3012031]；

ad4＝[000132621-201532-3012031]；

在matlab編寫代碼，計算三次互相關(guān)系數(shù)，自動得到函數(shù)峰值，即時延值τ，詳見圖2～圖4，代入定位算法，即可得定位結(jié)果，詳見圖5；由圖2～圖4可知，四個傳感器通道(ad1～ad4)之間信號的相關(guān)函數(shù)，函數(shù)出現(xiàn)峰值的點與原點在x軸上的距離就是時延值，ad1與ad2的時延是1，ad1與ad3的時延是4，ad1與ad4的時延是3；

ad1＝[132621-201532-3012031]；

ad2＝[0132621-201532-3012031]；

ad3＝[0000132621-201532-3012031]；

ad4＝[000132621-201532-3012031]；

與原始信號的設(shè)定相比，顯然此方法正確地求出了時延值，具有可行性；接著定位算法定位出聲源在三維空間的圓圈位置，與實際發(fā)聲點十分接近。

為提高定位精度，采用線性插值法再次求解聲源坐標,以修正計算結(jié)果,避免特殊點定位錯誤：

將移動陣列以圖9～圖10方式移動，每一個位置計算出一個聲源角度，如移動四次陣列，聲源就在四條由陣列中心引出的射線的焦點處，

求解算法：

mj1/mj2/mj3/mj4分別是四個呈垂直且聯(lián)線平分擺放的傳感器，原點為mj，是聲源到傳感器mj1，mj2的距離差(即時延與聲速之積)，是傳感器mj1、mj2間的距離；

由空間解析幾何可知，聲源在角αj，βj確定的唯一一條直線上，而多組傳感器陣列所確定的直線交點就是聲源的位置，這是定位的理論模型，但在實際情況下，時延值必然會引入誤差，將導(dǎo)致直線不能相交于一點；假設(shè)有兩條這樣不相交的方向線li、lj,在這兩條線上分別找到兩個點使兩點之間的距離最短，這兩點記為sij、sji,根據(jù)時延估計的方差設(shè)sij、sji的權(quán)值為ωji、ωji，通過線性插值公式求出此時聲源坐標，以此方式得出的聲源坐標作為比對和修正:

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。