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(duì)鍋爐管泄漏點(diǎn)的定位都是區(qū)域性，不能給出泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，這給停爐修復(fù)泄漏點(diǎn)造成了一定的難度；同時(shí)檢漏裝置采用四個(gè)傳感器組成平面方陣進(jìn)行定位的方法雖然簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但傳感器的組數(shù)少，方程求解時(shí)的約束也變少了，進(jìn)而導(dǎo)致在某些特殊聲源位置出現(xiàn)定位誤差大或錯(cuò)誤定位的情況(坐標(biāo)軸、或遠(yuǎn)點(diǎn)處是特殊位置)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)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(diǎn)。

本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)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(gè)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(gè)傳感器采集鍋爐管聲音信號(hào)后的模數(shù)轉(zhuǎn)換；

2)每隔1萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣一次，并將此采樣點(diǎn)設(shè)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到二次離散信號(hào)；

3)對(duì)二次離散信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變化，得到每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)頻率值；

4)設(shè)定報(bào)警頻率閾值為10khz，將步驟3)中每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)頻率值與報(bào)警頻率閾值進(jìn)行比對(duì)，若監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)頻率值小于報(bào)警頻率閾值，返回至步驟1)，繼續(xù)進(jìn)行采樣；若監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)頻率值大于報(bào)警頻率閾值，則進(jìn)一步計(jì)算聲壓級(jí)，進(jìn)行頻譜分析，發(fā)出警報(bào)，報(bào)警燈亮；

5)將步驟4)中異常數(shù)據(jù)寫入臨時(shí)excel表格；

6)通過(guò)matlab讀取臨時(shí)excel表格中數(shù)據(jù)；

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

采用基于時(shí)延的定位算法對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行精確定位，以改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品的技術(shù)缺陷，基于時(shí)延的定位原理是：在同一時(shí)刻、同一聲源發(fā)出的信號(hào)到達(dá)不同傳感器的距離不同，故傳感器接收該時(shí)刻的信號(hào)將有不同程度的時(shí)間延遲(即相位差)，通過(guò)互相關(guān)算法可計(jì)算出此時(shí)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(biāo)，實(shí)現(xiàn)定位；

8)將時(shí)延值代入定位算法，計(jì)算漏點(diǎn)位置坐標(biāo)值，并在顯示屏上顯示泄露點(diǎn)坐標(biāo)，即可準(zhǔn)確判定鍋爐管聲源位置，進(jìn)而確定鍋爐管泄露點(diǎn)。

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(duì)標(biāo)準(zhǔn)，將其余三個(gè)分別與標(biāo)準(zhǔn)傳感器組成兩兩組合，對(duì)同一聲音進(jìn)行采集，計(jì)算出其余三路信號(hào)的系統(tǒng)誤差，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)分別對(duì)三路信號(hào)進(jìn)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(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣一次，通過(guò)matlab調(diào)用采樣函數(shù)decimate對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行整數(shù)倍采樣處理，使得時(shí)間序列的長(zhǎng)度降低，當(dāng)對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行整數(shù)倍抽取時(shí)，采用n點(diǎn)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(hào)，以減少數(shù)據(jù)總量與計(jì)算機(jī)運(yùn)算量、降低對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存及運(yùn)算能力的要求；同時(shí)將聲音信號(hào)頻率作為特征值判斷泄漏與否，便于判斷，不易誤報(bào)，準(zhǔn)確率高；且泄漏判別與報(bào)警自動(dòng)化，無(wú)人為誤差與延遲；通過(guò)臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存信息，有效提升系統(tǒng)信息處理效率，精確定位，實(shí)用性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的較佳實(shí)施例的流程圖。

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

圖5為本發(fā)明的較佳實(shí)施例中的定位結(jié)果示意圖。

圖6為鍋爐正常運(yùn)行頻譜特性圖。

圖7為鍋爐泄漏時(shí)頻譜特性圖。

圖8為本發(fā)明的較佳實(shí)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(shí)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(shí)施例中的單組傳感器數(shù)學(xué)模型。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)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(gè)傳感器采集鍋爐管聲音信號(hào)后的模數(shù)轉(zhuǎn)換；

傳感器四個(gè)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(wèn)題：設(shè)定某一傳感器為比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，將其余三個(gè)分別與標(biāo)準(zhǔn)傳感器組成兩兩的組合，對(duì)同一聲音進(jìn)行采集，計(jì)算出其余三路信號(hào)的系統(tǒng)誤差，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)分別對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行誤差修正；

傳感器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(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(shí)注意：一同步問(wèn)題，各麥克風(fēng)可能由獨(dú)立的時(shí)鐘控制，需要對(duì)時(shí)鐘校準(zhǔn)，以解決時(shí)間同步和頻率同步問(wèn)題；二是數(shù)據(jù)融合問(wèn)題，需將在各個(gè)陣元處處理完畢的初步結(jié)果通過(guò)合適的方式傳輸至一中心節(jié)點(diǎn)處進(jìn)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(shí)避免信息超載；

聲音采樣有兩個(gè)重要指標(biāo)，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(hào)的最高頻率為f1,那么，要不失真采樣，采樣時(shí)的頻率需滿足f>2f1的條件，在對(duì)鍋爐聲音信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，泄漏信號(hào)最高頻率可達(dá)10khz，故聲音采樣頻率可取20khz，考慮對(duì)樣本精度的實(shí)際需求以及工控機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的大小采樣深度取16bit；

2)每隔1萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣一次，并將此采樣點(diǎn)設(shè)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到二次離散信號(hào)；

20khz的采樣頻率下每秒鐘可采集2萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為16位精度，每隔1萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣一次；matlab中調(diào)用采樣函數(shù)decimate對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行整數(shù)倍采樣處理，使得時(shí)間序列的長(zhǎng)度降低，y＝decimate(x,r，n,‘fir’)其中x為時(shí)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(dāng)對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行整數(shù)倍抽取時(shí)，采用n點(diǎn)fir型低通濾波器壓縮頻帶，對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行整數(shù)倍抽?。?/p>

3)對(duì)二次離散信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變化(dft)，得到每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)頻率值，同時(shí)設(shè)定報(bào)警頻率閾值為10khz，將每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)頻率值與報(bào)警頻率閾值進(jìn)行比對(duì)；通過(guò)對(duì)某電站的2300mw機(jī)組鍋爐的聲音頻譜進(jìn)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(jí)在0-80db之間，且泄漏時(shí)聲聲功率無(wú)明顯變化，正常運(yùn)行時(shí)鍋爐背景噪聲頻率集中在0-5000hz的低頻范圍，而泄漏信號(hào)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(yùn)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(jī)械噪聲5種成分構(gòu)成：

故設(shè)定報(bào)警頻率閾值為10khz，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)頻率值超過(guò)報(bào)警頻率閾值，必是產(chǎn)生了非常規(guī)狀況；

4)若監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)頻率值小于報(bào)警頻率閾值，返回至步驟1)，繼續(xù)進(jìn)行采樣；若監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)頻率值大于報(bào)警頻率閾值，則進(jìn)一步計(jì)算聲壓級(jí)，進(jìn)行頻譜分析，發(fā)出警報(bào)，報(bào)警燈亮；

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)頻率值大于報(bào)警頻率閾值這一異常點(diǎn)出現(xiàn)后運(yùn)行數(shù)據(jù)提取程序，分別保存泄漏時(shí)四個(gè)傳感器通道的4萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成4個(gè)窗口以進(jìn)行頻譜分析，并發(fā)出警報(bào)；

4.1數(shù)據(jù)提取程序

4.2頻譜分析程序

在matlab中進(jìn)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(hào)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(hào)是沒(méi)必要保留的，頻域信號(hào)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(diǎn)數(shù)

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

(3)調(diào)用fft函數(shù)進(jìn)行變換

調(diào)用格式為：

y＝fft(x)；

其中，x是加窗后的語(yǔ)音信號(hào)，y是經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換后的信號(hào)，變換長(zhǎng)度與x一致；

y＝fft(x,n)；

其中，x是加窗后的語(yǔ)音信號(hào)，n代表變換的點(diǎn)數(shù)，若x的長(zhǎng)度小于n，x不足的位數(shù)進(jìn)行補(bǔ)零處理，反之，x不能全部進(jìn)行變換；y是經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換后的信號(hào)，變換長(zhǎng)度與n一致；

(4)繪制信號(hào)頻譜圖

頻譜圖橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是信號(hào)幅值；得到頻譜圖可清晰看出信號(hào)的組成和各個(gè)頻率下信號(hào)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(bào)的程序

在matlab中調(diào)用beep函數(shù)，使得計(jì)算機(jī)揚(yáng)聲器發(fā)出“嘟嘟”聲以報(bào)警；

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

5)將步驟4)中異常數(shù)據(jù)寫入臨時(shí)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(guò)matlab讀取臨時(shí)excel表格中數(shù)據(jù)；

excel文件后綴為.xls.，本質(zhì)是一個(gè)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(shí)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(shí)excel表格中數(shù)據(jù)，利用互相關(guān)算法求時(shí)延值τ；

采用基于時(shí)延的定位算法對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行精確定位，以改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品的技術(shù)缺陷，基于時(shí)延的定位原理是：在同一時(shí)刻、同一聲源發(fā)出的信號(hào)到達(dá)不同傳感器的距離不同，故傳感器接收該時(shí)刻的信號(hào)將有不同程度的時(shí)間延遲(即相位差)，通過(guò)互相關(guān)算法可計(jì)算出此時(shí)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(biāo)，實(shí)現(xiàn)定位；

基于時(shí)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(jì)技術(shù)計(jì)算量小、效率高、定位精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)；

廣義互相關(guān)理論是對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，算法是對(duì)接收到的含噪信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波處理，以降低各個(gè)信號(hào)間的相關(guān)性、增強(qiáng)信號(hào)抑制噪聲，從而檢測(cè)出相關(guān)函數(shù)的峰值，這個(gè)峰值就是時(shí)延值，下面以兩路信號(hào)為例進(jìn)行闡述：設(shè)兩個(gè)傳感器接收到的聲音信號(hào)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(gè)傳感器處的衰減因子，τ1、τ2分別為聲音從聲源傳播到兩個(gè)傳感器的延遲時(shí)間，v1(t)、v2(t)分別為兩個(gè)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(hào)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(hào)右邊的后三項(xiàng)均為零，即

r12(τ)＝α1α2e[s(t-τ1)s(t-τ2-τ)](4)

當(dāng)τ＝τ1-τ2時(shí)，s(t-τ1)與s(t-τ2-τ)對(duì)齊，式(4)中r12(τ)可取得最大值，故對(duì)每一個(gè)可能的τ計(jì)算r12(τ)，搜索最大值，即可得到信號(hào)到達(dá)兩個(gè)麥克風(fēng)的延遲時(shí)間，即τ1-τ2＝argmaxr12(τ).；

8)將時(shí)延值τ代入定位算法，計(jì)算漏點(diǎn)位置坐標(biāo)值，并在顯示屏上顯示泄露點(diǎn)坐標(biāo)，即可準(zhǔn)確判定鍋爐管聲源位置，進(jìn)而確定鍋爐管泄露點(diǎn)。

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(gè)傳感器固定于鍋爐不同爐壁側(cè)面，一層四個(gè)傳感器即可實(shí)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(diǎn)，s表示布置在爐壁上的傳感器，坐標(biāo)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(diǎn)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(shí)延值(s)；c為聲速340(m/s)；r1為t與s1的距離，t1為t到達(dá)s1的時(shí)間；

聯(lián)立可得聲源坐標(biāo)：

在本實(shí)施例中，對(duì)時(shí)延值τ求取與定位結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，假設(shè)四個(gè)傳感器接收到的信號(hào)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(jì)算三次互相關(guān)系數(shù)，自動(dòng)得到函數(shù)峰值，即時(shí)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(gè)傳感器通道(ad1～ad4)之間信號(hào)的相關(guān)函數(shù)，函數(shù)出現(xiàn)峰值的點(diǎn)與原點(diǎn)在x軸上的距離就是時(shí)延值，ad1與ad2的時(shí)延是1，ad1與ad3的時(shí)延是4，ad1與ad4的時(shí)延是3；

ad1＝[132621-201532-3012031]；

ad2＝[0132621-201532-3012031]；

ad3＝[0000132621-201532-3012031]；

ad4＝[000132621-201532-3012031]；

與原始信號(hào)的設(shè)定相比，顯然此方法正確地求出了時(shí)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(shí)際發(fā)聲點(diǎn)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(biāo),以修正計(jì)算結(jié)果,避免特殊點(diǎn)定位錯(cuò)誤：

將移動(dòng)陣列以圖9～圖10方式移動(dòng)，每一個(gè)位置計(jì)算出一個(gè)聲源角度，如移動(dòng)四次陣列，聲源就在四條由陣列中心引出的射線的焦點(diǎn)處，

求解算法：

mj1/mj2/mj3/mj4分別是四個(gè)呈垂直且聯(lián)線平分?jǐn)[放的傳感器，原點(diǎn)為mj，是聲源到傳感器mj1，mj2的距離差(即時(shí)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(diǎn)就是聲源的位置，這是定位的理論模型，但在實(shí)際情況下，時(shí)延值必然會(huì)引入誤差，將導(dǎo)致直線不能相交于一點(diǎn)；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(gè)點(diǎn)使兩點(diǎn)之間的距離最短，這兩點(diǎn)記為sij、sji,根據(jù)時(shí)延估計(jì)的方差設(shè)sij、sji的權(quán)值為ωji、ωji，通過(guò)線性插值公式求出此時(shí)聲源坐標(biāo)，以此方式得出的聲源坐標(biāo)作為比對(duì)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(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)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(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。