О помехоустойчивости активного виброакустического способа контроля состояния магистрального трубопровода Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 620.179.1

РО!: 10.25206/1813-8225-2018-158-116-120

Л. Л. ФЕДОТОВ Р. Л. ЛХМЕДЖЛНОВ

Омский государственный технический университет, г. Омск

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск

О ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ АКТИВНОГО ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО СПОСОБЛ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА

Повышение помехоустойчивости является одной из основных задач при разработке методов и систем виброакустического контроля. В работе реализовано моделирование функционирования активного способа контроля состояния магистрального трубопровода с использованием аналитической модели поперечных колебаний стержня с добавлением помехи, полученной на действующем трубопроводе. Сделан вывод о перспективности использования когерентного накопления сигнала в активных системах контроля состояния трубопроводов.

Ключевые слова: накопление сигнала, трубопровод, модель колебания стержня, поперечные колебания, отношение сигнал/шум.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №17-08-01560].

Актуальность проблемы обеспечения безопасности транспортировки нефтепродуктов приводит к появлению новых подходов, используемых в технических решениях обнаружения несанкционированных воздействий на трубопровод [1, 2]. Одним из способов мониторинга трубопровода предложено обнаруживать отклонение его состояния от штатного посредством периодической генера-

ции импульсов упругих колебаний на поверхности трубопровода, их накоплении на удаленном конце для формирования сигнала в виде импульса и сравнении с образцовым [3, 4]. Основу помехоустойчивости обеспечивает алгоритм когерентного накопления сигнала [5].

Накопление необходимо для повышения отношения сигнал/шум, так как окружающая среда

Рис. 1. Алгоритм работы системы

и особенности функционирования трубопровода вносят значительные искажения в переданный сигнал. Алгоритм работы системы контроля трубопровода изображен на рис. 1.

Эффективность способа требует уточнения, так как не приведены результаты оценки повышения отношения сигнал/шум с использованием естественной помехи, характеристики которой могут отличаться от теоретических. Реализация когерентного накопления требует высокоточного оборудования для генерации импульсов. Точную оценку эффективности подавления помехи можно осуществить с помощью добавления помехи получен -ной на действующем трубопроводе, к дискретному сигналу, сгенерированному на основе математиче-ской модели [6]:

2о • Н " 1 . ] • с • чн )=) = —— Х — ЯШ-—нх

о

] • С • ч2

о

ЕХ д 4.

ми ].

ЯШ м- • ла(м]г+к) я Н(К);

а = - Р3 Л;

М = рсРЛ,

Когерентное накмпление с усреднением позволяет уменьшить диспе рсию шума, сохраняя сигнал неизм еннь1М.

Условиями для п ооышенмя отнош ения сигнал/ шум данным методом яваяется синхронизация моменте времеми взятич отссетов импрльсов, меиз-менность характеристик поредаваемого ио трубе сигнала и некоррелсрованность отсчетов шумов. Общая форммла когерннтного нам(Кпления с ун-ед-нением имеет вид МО

— )

Хь—=мр--

N

где ча1^(к) — амплртмда усредненного отсчета; к — номер усредняемого отсчета; п — номер импульса из серии; N — чи=ло начоплений.

Если п]р=чять, зн су^х стоедартное отклонение шума, то стандартняе отклонеоие шума при накоплении N отсчетьобудее з=висеаь от числа накоплений [х]:

оакопн

где о — начальнаа скорость движения частиц трубы при ударном воздействии; 5 — диаметр штока ударнике М — даша трубопровода; м>. — собственные частоты колебаний тду(5ы; х1, х2 — к о Nрдината источника и приемника; I — дискретизированные отсчеты времени; z — амплптудсо-частотныс коэф-фициенч мчтухания; О — ампмпудно-временной коэффициент затухания; Е — модуN Юнга материала стенки трубы; к — моменк ин=рции стенки трубы; М — погонная масса трубы; К. — корди частотного уравнения для мосы с номером г; Л — диаметр тру-бопроводо; 0 — тоооиномтенки трубы; р — плотность материала стенки трубы.

Анализируемым ом=уч==ы в виД=оаоустическом сигналесосдоят из поодзногс сикнала, представляющего собой собствеомые колобанис таубы, и шума, создаваечятр окруооающей средой и транспортируемой жидкостью. Тогда отношени е сигнал/шум (обозначсм как =NNC аля исмодн= го и накопленного сигналов:

нщм

л

оакопн

оакопн

где А

нолмзная =оставляющая сигнада.

Мараменры модели макета трубопровода

Таблица 1

Длина ь^нНы!^!, 01 Оод Число мод п = 70

Координата источника, м х1 = 2,5 Скорость штока генератора колебаний, м/с и=1,43

Координата приемниьо, м х2 = 0,53 Частота дискретизации сигнала, Гц 44100

Толщина стенки трубы, м Ь = 0,003 Коэффициенты затухания 7 = 0,0013, к=1,5

Модуль Юнга для стали, Па Е = 200 109 Плотность стали, кг/м3 Р0 = 7800

Диаметр трубы, м а = 0,038 Диаметр штока, м 0,001

Время, с

Рис. 2. Форма моделируемого сигнала при S(t)=0

Рис. 3. образец накладываемой помехи S(t)

с .. =

В

с

НОМдта =

Время,

Рис. 4. Спектрограмма модели (а) и накладываемой помехи (б)

а 0,1

< -0 .1

-0.2

-0.3

0,5 1 1,5 Время, С

0,5 1 1,5 Время, с

£ 0.1

< -0.1

-о.г

0.5 1 1.5 Время, с

0.5 1 15 Время, с

Рис. 5. Модель когерентного накопления сигнала: а ) без накопления, без помехи; б) без накопления, с помехой; в) при накоплении 30 импульсов; г) при накоплении 1000 импульсов

Коэффициент повышения отношения сигнал/ шум для получаемого сигнала будет равен:

аакопл

= л/нн .

БНТисх н аакопл

Для оценки работоспособности метода в задаче повышения отношения сигнал/шум реализовано моделирование в среде МаНаЪ процесса подачи импульсов упругих колебаний в трубу, используя модель на основе поперечных колебаний стержня [6, 8, 9]. Параметры модели приведены в табл. 1.

Для оценки результата накопления N импульсов к модели импульса (рис. 2) с экстремумом нормированной амплитуды 0,2 добавлена помеха превышающая максимум сигнала по амплитуде в 4 раза (0,8), чтобы сигнал на фоне шума не фиксировался ни по амплитудно-временному представлению, ни по спектральному.

Образец накладываемой помехи изображен на рис. 3, он был получен на действующем трубопроводе с последующим умножением всех отсчетов шумового сигнала на константу для имитации интенсивного шумового фона.

и

Рис. 6. Спектрограмма модели когерентного накопления сигнала: а) без накопления, без помехи; б) без накопления, с помехой; в) при накоплении 30 импульсов; г) при накоплении 1000 импульсов

Рис. 7. SNR и R в зависимости от числа накоплений N

Алгоритм когерентного накопления позволяет повышать SNR в том случае, если отсчеты шума случайны [10]. Помеха, формируемая потоком жидкости и оборудованием, является гауссовским случайным процессом, так как для любого набора фиксированных моментов времени амплитуды сигнала подчиняются нормальному распределению.

Спектрограмма сигнала и помехи изображена на рис. 4.

Результат наложения помехи а также сигнал при отсутствии накопления (N=1), при N=30 и N=1000 изображен на рис. 5.

Отношение сигнал/шум при добавлении помехи к модели сигнала составило SNR =0,03. Ввиду низ-

кого значения данного параметра, сигналы на фоне помехи по рис. 5б и 6б не обнаруживаются, корреляция для сигналов без помехи и с помехой Я = 0,13.

Значение SNR повышается с ростом числа накоплений. При накоплении 1000 изначально зашум-ленных импульсов отношение сигнал/шум повысилось более чем в 30 раз. По амплитудно-временному представлению на рис 5г и по спектральному на рис. 6г сигнал стал обнаруживаться на фоне сниженной амплитуды помехи с коэффициентом корреляции для исходного незашумленного и накопленного сигнала, равным Я = 0,98. Для других значений N отношение сигнал/шум и корреляция отражены на рис. 7.

Результаты моделирования работы алгоритма когерентного накопления сигнала

Таблица 2

N 1 10 25 50 100 200 600 1000

Р. 0,130 0,390 0,560 0,690 0,800 0,880 0,962 0,978

Р 0,0061

аш 0,224 0,072 0,0459 0,0326 0,0231 0,0161 0,0092 0,0073

накопл 0,0272 0,0847 0,1328 0,1871 0,2640 0,3788 0,6630 0,8356

8^ / 8^ накопл исх 3,1111 4,8801 6,8711 9,6969 13,9130 24,3478 30,6849 -

3,1622 5 7,0710 10 14,1421 24,4948 31,6227 -

Значение коэффициента уовышения отношенин сигнал/шум (Ном^^^/Ном^) согласуется с теоретическим и близко к зависимости от л/о [10]. Со всеми результатами моделирования работы алгоритма когерентного накопления сигнала с использованием помехи, полученной на действующем трубопроводе, можно ознакомиться в табл. 2.

Результаты моделирования показали высокую эффективность алгоритма когерентного накопления сигнала с усреднением в задаче повышения отношения сигнал/шум при использовании помехи, полученной на действующем трубопроводе. Коэффициент повышения помехоустойчивости согласуется с теоретическим и дает основание для формирования выводов о перспективности внедрения когерентного накопления в разрабатываемых системах контроля состояния трубопроводов.

Библиографический список

1. Супрунчик В. В. Безопасность трубопроводного транспорта углеводородов // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. 2007. № 6. С. 51 — 54.

2. Копейкин С. А., Федотов А. А. Подход к нейтрализации угроз безопасности трубопроводного транспорта // Динамика систем, механизмов и машин: материалы IX Междунар. науч.-техн. конф., г. Омск. 2014. № 4. С. 231-234.

3. Пат. 2463590 Российская Федерация, МПК С 01 N 29/04 (2006.01). Способ обнаружения изменений параметров среды в окружении заглубленного магистрального продуктопрово-да / Епифанцев Б. Н., Федотов А. А. № 2011121858/28; заявл. 30.05.2011; опубл. 10.10.2012, Бюл. № 28.

4. Пат. 2626853 Российская Федерация, МПК С0Ш 29/04. Способ обнаружения и классификации изменений параметров оболочки трубопровода и окружающей его среды / Нигрей Н. Н., Епифанцев Б. Н., Комаров В. А., Ищак Е. Р. № 2016135127; заявл. 29.08.2016; опубл. 28.07.2017, Бюл. № 22.

5. Рогожников Е. В., Великанова Е. П., Шибельгут А. А. [и др.]. Повышение дальности действия пассивных радиолокационных систем, использующих сигналы телекоммуникационных источников // Известия МГТУ. 2014. № 3 (21). С. 80-84.

6. Федотов А. А. Математическая модель упругих колебаний трубопровода при ударном воздействии / А. А. Федотов //

Международный научно-технический журнал. 2017. № 5-3. С. 128-132.

7. Бабанов Н. Ю. О когерентном накоплении ответных сигналов от параметрических рассеивателей // Вестник ННГУ. 2011. № 6-1. С. 82-92.

8. Тимошенко С. П., Янг Д. Х., Уквер У. Колебания в инженерном деле / пер. с англ. Л. Г. Корнейчука; под ред. Э. И. Григолюка. М.: Машиностроение, 1985. 472 с.

9. Миронов М. А., Пятаков П. А., Андреев А. А. Вынужденные изгибные колебания трубы с потоком жидкости // Акустический журнал. 2010. Т. 56, № 5. С. 684-692.

10. Попов Дмитрий Иванович. Оптимизация цифровых систем обработки сигналов // Известия вузов. Поволжский регион. Технические науки. 2017. № 1 (41). С. 96-105.

ФЕДОТОВ Александр Анатольевич, соискатель, младший научный сотрудник кафедры «Комплексная защита информации» Омского государственного технического университета. 8РШ-код: 2511-2353 ЛиШотГО (РИНЦ): 686080.

Адрес для переписки: [email protected] АХМЕДЖАНОВ Равиль Абдрахманович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Омского государственного университета путей сообщения. ЛиШогГО (РИНЦ): 533818

Адрес для переписки: ahmedjanov_ra@gmail. соттаШо^ераплт@таП.га

Для цитирования

Федотов А. А., Ахмеджанов Р. А. О помехоустойчивости активного виброакустического способа контроля состояния магистрального трубопровода // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 116-120. Б01: 10.25206/1813-8225-2018-158-116-120.

Статья поступила в редакцию 29.12.2017 г. © А. А. Федотов, Р. А. Ахмеджанов