بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله روش محاسبه مکان نشت در لوله انتقال به کمک محاسبه روش جدیدي در تاخیر زمانی، دو سیگنال آکوستیکی ارائه میشود. مکانیابی بهموقع نشتی در لولههاي انتقال نفت و گاز در حین کار، در حفظ منابع و ایمنی ابزار و محیط زیست، اهمیت بسیار بالایی را دارست. محل نشت، منبع تولید مداوم امواج اکوستیکی است و ارتعاشات و سیگنالهاي آکوستیکی در دو نقطه مختلف خط انتقال، توسط دو میکروفن ثبت میشود. با تجزیه و تحلیل این امواج آکوستیکی، بهروشهاي مختلفی میتوان مکان نشت را آشکار نمود. مثلا محاسبه زمان تاخیر1 موج اکوستیکی حاصل از نشت در لوله، نسبت به دو میکروفون نصب شده در دو مکان متفاوت، می باشد.
بدین منظور ابتدا در آزمایشگاه به طراحی سیستم نشتی، پرداخته شد و با ایجاد روزنه در مکانهاي مختلف لوله پر شده از گازهاي متفاوت در فشارهاي مختلف، آزمایش بهعمل آمد. که در نتیجه برهمکنش امواج منتشر شده از محل نشت با دو میکروفن، دو سري زمانی که یکی تاخیر یافته دیگري است، آشکار شد. براي محاسبه تاخیر زمانی علاوه بر روش همستگی، از چندین روش دیگر نیز استفاده و نتایج مقایسه گردید. افزایش دقت مکانیابی، به میزان حذف نویزهاي محیطی و تقویت سیگنال نشتی و نوع روش محاسبه تاخیر زمانی بستگی زیادي دارد. در این مقاله، با تجزیه و تحلیل امواج و ارائه رویکرد جدیدي در محاسبه تاخیر زمانی ارائه شده است.
مقدمه
افزایش دقت محاسبه تاخیر زمانی دو موج کاربردهاي فراوانی درمکان یابی دقیق منبع موج دارد که درتشخیص بیماریهاي مغزي گرفته تا ردیابی شیئ متحرك نقش دارد. که از جمله کاربردهاي
این تکنیک در نشتیابی به موقع لولههاي نفت و آب و گاز است.امروزه میلیاردها کیلومتر خط انتقال لوله نقش انتقال منابع ضروريآب، نفت و گاز را به عهده دارند که با گذر زمانپدیدهبخاطر فرسودگی و توسط مواد خورنده یا سیالات ساپدینده یاخوردگی ، سرما و گرما نشتی خواهند یافت. سیستم هاي نشتیابی امروزي شامل: -1مشاهده ي اثرات شیمیایی -2سیستم هاي
موازنه ي جریان-3 سیستم هاي صوتی با نصب سنسورهاي پیزوالکتریک یا میکروفن، -4سیستم هاي نمایش بخار که عموما بر پایهمیرایی و تضعیف فشار است یا-5 سیستم هاي نمایش کابلیهستند که برخی از مشخصات فیزیکی که با روشهایی نظیر عکس برداري با لیزر و روش شار مغناطیسی و روش تحلیل موجآلتراسونیک و روش تابع پاسخ مشخصه و شار مغناطیسی و ..آشکار میشوند.
اخیرا سنسورهاي فیبر نوري نیز وارد کاربرددراین حیطه شدهاند.اهمیت روشهاي نشتیابی به روش آکوستیکیاز آنجایی که امواج تولید شده از نشتی براحتی منتقل شده وبه آسانی آشکار میشوند وآشکارسازها نیز بیرون لوله نصب شده و عملیات شناسایی در حین کار صورت میگیرد و قطع عملیاتانتقال ضروري نیست و نیاز نیست تمام نقاط بررسی شود فقطنقاط خاصی به فاصله صد تا هزار متر کافیست که بررسی شود. واز همه مهمتر به نشت هاي بسیار کوچکمیکه مقدمه خرابی تواند باشد بسیار به موقع حساس است3 ]و.[1مدل مکانیابی نشتی از طریق محاسبه تاخیر زمانیاساس سیستمهاي نشتیابی آکوستیکی، بر انتشار امواج آکوستیکی از محل نشت، طبق حرکت موج در محیطهاي خطی میباشد.
از آنجایی که سیگنال نشتی تک فرکانس نیست بلکه شامل پهناي باند وسیعی است - که بیشتر انرژي آن در فرکانسهاي پایین از تر دو کیلو هرتز توزیع شده است - باید هرگز در اثر نشر فرکانسی به فرکانسهاي دیگر تبدیل نشود. و از آنجایی که در محدوده این کار سرعت نشر، مستقل از بسامد میباشد، میتوانیم فرض نماییم که موج رسیده به دو سنسور آکوستیکی - میکروفن-هاي - A,B تاخیر یافته موج نشتی تولید شده در محل نشت بوده ومقدار این تاخیر فقط متناسب با فاصله نشتی تا آشکارسازهاستسطح لوله و هم سیال داخل لوله میتواند نقش موجبر را ایفانماید. که البته سرعت صوت در جامدات چندین برابر سرعتصوت در مایعات بوده واز طرفی بهعلت میرایی کمتر، برد آن نیز بیشتر میباشد.
l1 فاصله ي محل نشتی تا سنسور1 وفاصله ي بین دوسنسور l میباشد براي محاسبهl1 طبق فرمول زیر رفتار مینماییم.در رابطه داده شده Fs نرخ نمونه برداري است و V سرعت انتشار امواج است.
روشهاي محاسبه تاخیر زمانی.عموما از روش همبستگی که بر مبناي ضرب دادههاست استفاده و البته این روش به مرور اصلاح شده است. [2]X - t - و Y t اطلاعات زمانی دو میکروفن می باشد و تاخیرمختص میکروفن دورتر است. با تقسیم ماکزیمم تابع همبستگیبر نرخ نمونهبرداري، تاخیر زمانی بر حسب ثانیه بدست میآید. که با ضرب نمودن آن در سرعت ا نتشار به محاسبه مکان نشت قادر خواهیم شد.
توابع ریاضی بسیاري هستند که به ازاي شیفت خاصی که دقیقا برابر اختلاف زمان رسیدن امواج به دو میکروفن است، بهازاي آن بیشینه میشوند. مثلاو هچنین روش اطلاعات متقابلکه با مینیم کردن انتروپی داده ها ویا به عبارتی عدم قطعیت داده ها، میزان تاخیري را محاسبه می-نماید که به ازاي آن احتمال شرطی - Y - t که به شرطدانستن X - t - با عدم قطعیت کمتري محاسبه شود. [6] - 5 - .از آنجایی که اساس روش مکانیابی با محاسبه تاخیر زمانی،بر نشر اطلاعات از چشمه موج بنا شده است، هر نوع عامل دیگرتحریک که ناشی از نویزهاي محیطی بوده، میتواند باعث خطا درمحل ماکزیمم تابع همبستگی شود و به همین دلیلمکانیابی دقیق وابسته به میزان حذف نویزهاي محیطی و حفظ سیگنالهاي نشتی میباشد.
آزمایشها و نتایج
کل دستگاه شامل یک لوله فلزي به طول 3 متر و قطر 2.5سانتی متر، دو سنسور آکوستیکی - میکروفن عدسی - و کپسول گازاست. شکل - 1-3 - در انتهاي لوله به همراه عایق هاي صوتی نصب
می شود، تا در حد امکان و قسمت اعظمی از موج آکوستیکی دیواره لوله حذف و موج سیال داخل لوله آشکار شود. گاز داخللوله نقش یک موجبر را ایفا می کند که در شکل 2 به تصویرده است کشیده کپسول گاز به لوله متصل است و دو سر لوله کاملا بسته شده اند و سنسورها در دو سر لوله قرارکردندارند. با باز و بسته شیر کپسول، مقداري گاز در فشار 3.5 اتمسفر محبوس می شود. در این زمان با ایجاد نشتی در یک نقطه از لوله،نشتیسیگنال توسط سنسورها آشکار میشود. در شکل3 تبدیل فوریه اطلاعاتمشاهده میشود، شدت نویز یکدهم سیگنال است اما سیستم مانند یک لوله صوتی عمل نموده و باعث شده است که طیف نویز سفید نباشد و فرکانسهاي خاصی شدت بالاتري داشته باشندو در این سیستم نویز همبسته وجود دارد که در تصویر تابع همبستگی نویزها قابل مشاهده هستند. در اطراف تابع2253همبستگی پیک واضح نمی هد که براي مشاهده بهتر نمودار دومدر دامنه محدودتر رسم نموده ایم.
روش جدید محاسبه تاخیر زمان
اساس روشهاي موجود بر محاسبه کمیتبرحسبجدیدي تابعی از یکی از سريهاي زمانی و تاخیر دیگري بنا شده است. در روش پیشنهاد شده ما ابتدا توسط دو سیگنال داده شده، و بر اساستاخیرهاي مختلف یک موج ثانویه - X y - t , ، مانند ذیل ساخته میشود.
