專利名稱：密間隔腐蝕檢測中檢測信號的相關分析識別方法
密間隔腐蝕檢測中檢測信號的相關分OT^J，^Tlt領域本發(fā)明屬于皿管直陰極，技術領域，屬于腐蝕探測、陰極，、模式識別、 ^A^統(tǒng)多^fi]^X的目技術領域。背景^密間隔檢測(Close Interval Potential Survey, CIPS)技術是當今埋地鋼MtWt4檢測的^HS術方法之一。密間隔腐蝕檢測儀;！M:在埋地鋼質tili珞由上方的地面測量，的陰極w^電位與距離的詳細^情況，^,陰極，有效性的檢測及im。CIPS檢測儀由一個高靈敏的毫伏表、陰極做電流斷流器、CIPS的靜^[^記錄儀、Cu/CuS04 半電池探杖和自，設備鄉(xiāng)賊。，CIPS法檢測時，在陰極旨電源輸出線串接上電流斷流器， 它以特定的周斯'^ffl'或'斷開"(ON/OFF)陰極做電流為t^^^一個檢測電流信號。檢測者 利用探tt^髓離的陰保電腿行準確測試。具體的操f^"法是，毫伏表的輸入一^iM— 條足夠長的導線與管體,電氣連接，另一端連接檢測探杖，在,沿線ife^h的任意位置進行 檢測。 法會,不受常規(guī)測量方法對測微的 ，更重要的是，肚壤電阻報高的地區(qū)， 艦CP電流的斷開時亥啲陰極做電位，可以有效地消除IR降對微電位測量準確性的影響。 3tii^l^斷電位的對比分析可以得至瞎關防腐層、雜散電流等有用信息，使檢測結果更為全cips靜^m^記錄儀是在密間隔檢測時，用于監(jiān)測并記錄管線路由上、固定健(測微) 上的陰極 電位變化情況。檢測人員fflii記錄器以一定的時間間隔記錄檢測時段內保護電流的 通斷電位，^!tb^t觀蹈果中的她電流和雜散電流干鄉(xiāng)響進行修正。在^t檢測系統(tǒng)中，CIPS檢測儀、靜^^記錄儀與電流斷流器必須鵬嚴格的檢測同步。 傳統(tǒng)的娜記錄^M頁絲GPS引擎，來實現記錄周期與做電、繊斷的嚴格同妒。這種方法 要求記錄^1、須在倉辦良好地接收GPS信號的條件下工作，而對于某些城市環(huán)境，筑物內實施 記錄的斜牛下，難以滿^用現場接MM信號的^f牛。財卜，檢測ia^的ON/OFF電位^!31電流中斷器對1^旨電 行嚴格的周期中斷來產 生的，測得的電位信號艦也應該是具有嚴格周期性。但是，由于^tm統(tǒng)中管體的電抗和極化 作用，以及受她電流驗散電流的干J體因素，可能破壞記錄條樣娜的明顯周斯性。由于 記錄儀與中斷器^用不同的系統(tǒng)時鐘，盡管當前的系統(tǒng)時鐘精度艦艮高，但由ffi差積累 的原因，長時間記錄的過程勢必會產生無法接受的定時誤差。這傾差M為檢測周期與CP電流 通斷周期的偏移，從而導娜己錄魏ON/OFF電位的測量觀。檢測信號的相效析方法在埋地魏漏水測i妨法中常用的是信號分析方法。漏7W目關儀是 fflii在tmi:可能漏水點的兩側，安裝兩個漏水噪音傳繊來接收漏水點發(fā)出的振動噪音信號，ilii兩個信號的相關性分tH十算，得出漏7k噪音信號傳導到^傳S^置時的時間延遲(時間 差)。在巳知兩個傳 之間的精確距離和振動波在皿上的傳播速度，就可以計算出漏水點的距離值。f^的公式為漏水點距離傳 的距離=(傳 間距離-時間延遲*,) /2 。在埋地tirt方的地面上，應用相M析方法M:波形相^^析，得出地面上電位信號 與tm端陰極W"電流的電流斷流器發(fā)出的陰極做電流波形的相關性，進而計算出檢測im 記錄儀與斷流器中斷周期之間的時間差，需要解決埋地髓由于分布電感和電容對波形產生的畸 變、以及^ti^):多可能干擾因素離測信號鄉(xiāng)產生的干臘問題。財卜，對地面電位信號，進行波形i朋ij，對于單一波形5￡法進行相關分析。必須M:—個 與電流中斷器發(fā)出信號的標準波形有高度一致性的波形娜庫，鵬波形庫內的適合波形與檢測 信號波形進行相M析，才育激可以有效識別出陰極 電位的真實模式，達到提高設備的抗干 擾能力、M^檢測設備的fi^禾，的目的。
發(fā)明內容本發(fā)明目的，決在1^檢測系統(tǒng)的信號采 :程中不同檢測設備?！姥胫g的信號 精確同步及時粥票移的問題，鄉(xiāng)一種密間隔腐蝕檢測中檢測信號的相關分析識別方法。該方法 集相M析的數學方法、微弱電位信號采集、模式識別、^A式系統(tǒng)等技術為一體。使檢測更為 簡單、有效。本發(fā)明應用相關性分析的數學方法處理和識別檢觀瞻號的原理和實現的技術手段，可以有效 地解決遠程信號的同步問題，而取代當前檢測設備中gps衛(wèi)星信號的同步方法。本發(fā)明所依據的相^h析的數學方法船胃相關是指事物、現象(變量)之間存在著一定的相互關系。相關^m又稱為統(tǒng)計關系， 是指 C)之間在客ail^的相互依存關系。它與數學上的嚴格函數關系不同，其本身 沒有嚴格的——對應性。斷胃的統(tǒng)計相關也就^^一定數量1^辨本中概括出來的一種統(tǒng)計結論。 相M析是研究變量之間相互關系和相關密切程度的數學方、法。統(tǒng)計學中的相M析則是要從數量方面來研究兩種或兩種以上^i之間的關K^。對于確定性信號來說，兩個變量之間可以用函數M來描述，兩者之間——對應并為確定的 數值。然麗個隨機體之間就不倉調函數ss^ii，也不具有確定的數學關系。但如果兩個隨 機變量之間具有某種內在的物理^^。那么，艦大量的統(tǒng)i報是可以發(fā)現它們之間雜著某種 雖然不精確、但卻具有相應的、表征辦性的近似絲(如圖2)。數學上，對于兩錢x、 y之間的相關禾iSffl相絲數Pxy標，其定義為=五[(x一fe)(少一 )] P砂— c^ (1)式中，E為數學期望；A, My分別為隨機體x(t)和y(t)的均值，Mx-E[x徹，My = E[y(t)]; ax, Oy分別為隨機^Sx(t)和y(t)的標,，且CTX2 ,[X(,)卞]" CT〗 6]2}根據麗-許瓦茲不等式E{[x(t)-〃r〗[:K0-a^]}2 s五([4,)-〃,]2〉五([:K,) —a^]2}，故知1 |2。當|Pxy| = l時，所有的娜^1^[少(/)-^] = ^(/) —A]的直線上，說明x(t)、 y(t)兩變量是理想的線性^^。 Pxy= —l時也是理想的線性相關，只不體線的斜率為負。 當lPxy卜0時，貝敝明兩個體之間完好關。為了魏隨機體x (t)和y (t)之間是否有一定的線性^^，還可以采用體x (t)和y (t)在不同時刻的乘積平均來描述，稱為相關函數，用Rxy②^^。對于周期函數，艮P:0) = )1^|>旨+一 (2)式中，TE(-oo， oo)，是與時間變量t無效量，稱為"時間蹈g"。所以，相關函數是時間艦 T的函數。設y(t+T)是y(t)時延T后的樣本，對于X(t)和y(t4T)的相^^數Px(t)y(一，簡寫為Pxy(T)， 由式(1)和式(2)得相絲數和相關函數的絲為/^Xy"/ CT乂CT少 (3)計,關系數通常有積差相關法、等級相關法、點雙列相關騰三種方法。積差相關法對于 信號處理更為適用，本發(fā)明中應用的就是積差相關法，具#^法如下。積^相關又稱為積矩相關，它是由統(tǒng)計學家^/爾鵬出的，稱為皮爾遜相關。它是求直線相關的最基本:^法，通常以g^^。計算的公式為g:Exy線Sy (4) g是X和Y兩數列之間的相關系數， x = X-X糊。即X數列中各識與其平均lfctM y = Y-Y平均。即Y數列中各皿與其平均lfct^X翻的標縫， Sy= Y翻的標縫， Ixy=各對離^m積的總和， N=數列的個數C的總對數)在密間隔 記錄儀中采集的電位信號呈周期變化，處艦程中i頓的是同一錢的樣本，屬于典型的自相M析，自相關函數的數學處理;^法是由式(2)，若<formula>formula see original document page 6</formula>貝U得到JC(r)的自相關函數及x(T)為及<formula>formula see original document page 6</formula>(5)對于有限時間序列的自相關函數，用下式(6)進行估計。L(t) = ff:c(Ox(f+ (6) 自相關函數的'M:當信號動為周期函數時，自相關函數似T)也是同頻率的周期函數。若周 期函數為x(O = 貝U其自相關函數為i^(t + nT) = + f x(f + nT)x(f + nT + t)雄+ nT) (7)傳統(tǒng)的信號,處理方法沒有很好利用娜之間的相互信息，所得到的處理結mx隹免會出現 失真、不能準確反映,之間的更多信息。本發(fā)明中將標準波形與采樣波形的一個周期內 ,aa—系列不同起始點的相^^數求值運算，找出相關系數最大自I^始點的數值，它代表的是該吋刻采樣時鐘與陰極 電流斷流時鐘之間的時嫩票移。應用該數值fe下I樣時鐘就可以保 踐樣時鐘與斷流器時鐘的嚴格同步。就可以很好鵬 ^記超程的時鄉(xiāng)票移、以及環(huán)境中的交流信針擾問題。財卜，由于電流中斷器的時鐘與采樣時鐘產生漂移需要一個較長的誤差積 累過程，在實際應用中，不需要在^h采樣過程都進行時，正，完全可以用采樣周期的N倍數 的時間間隔進行采樣時f嫩正，這也為允許相關分析^E而不影響系統(tǒng)的正常工作，提供了現實 的時間寬容度，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。本發(fā)明鄉(xiāng)的密間隔腐蝕檢觀仲檢測信號的相關分附只別方法，包括第一、構對示準波形信號t^庫由一系列標準信號模式下，按照不同的中斷模式、不同的通斷比例采集的一組標準周期信號纟滅；構建方法為，以16^W^:度，128個采樣波形數值構 成一個標準 ,以及該波形的ON電位時間長度、OFF電位時間長度(mS)、數字搶波的帶通起始、iM率值,第二待分析波形信號的采樣輸入用戶根據現場的精度要求，設置信號采樣的頻率，Sil 16位高精度A/D豐微轉化器電路，將最大5V最小O.lmV的^E信號，以系統(tǒng)設置的采樣頻, 采樣周期進行采樣，并輸入到記錄儀的采樣i^存儲器中；第三、波形信號相效析采用相同周期、不同標準波形下，對采樣繊存儲器中的信號與標準波形信號 庫中匹配的 進行相關分析，求出一^樣周期內，不同起始點的一系列相 絲數g， i憤公式為- g-Ixy/NSxSy,最大相絲|^應的起始點貝提相^#下的時鐘延遲 因子T;其中g是X和Y兩數列之間的相絲數，x = x-x糊，即x,忡各Mm與其平均lfctM，y = Y-Y平均，即Y默U中各m與其平均數^，X數列的標轄， Sy= Y數列的標縫， Sxy=各對離魏積的總和，N=數列中的M個數，即總對數；第四、波形信號識別和濾波根據上步相關分析ri十算得出的不同標準波形對應的時鐘鵬因 子，識別出最為合理的標準 下信號延遲的延遲因子；判斷合理波形的方法是，根據采樣周期 和頻率計算出^^采樣點對應的采樣時間間隔，計算出^時鐘延遲因子對應的時鐘漂移時間， 將其與上次時鐘校正的時刻與本次采樣的時間間隔乘以采樣時鐘的誤差系數，得出的可能漂移時 間，最為艦的為合理。當延遲因子超出可能漂移數值的50%時，判定本次相效析失??；第五、時粥票移艦在成功相關分析的割牛下，應用該延遲因子艦 采據模塊內的系 統(tǒng)時粥票移， 存本次校正的系統(tǒng)時間；第六、滄波參數設默波形信號輸出當相關分析成功時，根據標準波形信號 庫中的標 準波形對應的數字1^波 參數，設置數字i^波mS的參數值；輸出濾波后的信號波形，用于顯 示檢測的陰極微信號波形，^^給檢測的專業(yè)人員分析髓陰極微系統(tǒng)的工作狀態(tài)；相^析 ，不改 字'2^波參數，不進行延遲因子的時鐘校正，OT原l^波參數^fr波并 輸出消除干瓶的信號波形。本發(fā)明的M和積極鄉(xiāng)1 )應用相關分析法識別密間隔檢測設備的陰極做信號的中斷周期，可以有效地保證檢測,的準確性。不4頓傳統(tǒng)的GPs:as同步方式，j)g^了密間隔檢測儀的部件，斷氏系統(tǒng)的構成 成本。2 )檢測系鵬用相效析法，可以有效地減輕4頓設備的復雜性，降低檢測人員的勞動強 度，提高了檢測琉的虹效率。3)細基于相效析的信號處理和識別數學方法，由于不^柳gps:rm^，可以拓展密 間隔檢測系統(tǒng)的應用場合，比如在高大戯物pf逝檢測，或在陰極保護站內使用中斷器，避免因G P S信號質量不佳，而無法實施檢測的情況發(fā)生。4)本發(fā)明有^ilkM^了傳統(tǒng)密間隔檢測儀器的部件，減低了設備#。
圖1是本發(fā)明方法的，圖；圖2圖3是本發(fā)明頓的數學方法原理圖，其中圖2 ^遞x與錢y的相關性示意圖，a為線性絲，b為某種禾號的相^^， c無關；圖3是X(t)和X(t+T)的波形圖；圖4是密間隔檢測M記錄條統(tǒng)DPS t激構成圖；圖5相^析;^法實5見^a圖。 例1:密間隔靜^l^ia^儀CIPS-Logger靜態(tài)M記錄儀是應用在密間隔檢湖仲，以固定健記錄tmi:陰極做電流變化情況的專用設備。儀器功能是在錢的工礦^#下，M^陰樹W 媒檢測期間，誠CIPS靜態(tài)檢 測,的采集，以實現了) t^也電流、雜散電流干擾的TO工作。1. 硬件的實恥細80C52單片機構成系統(tǒng)，醒z主頻； 夕hT32MB辦/繊存儲器；系統(tǒng)實時鐘芯片DS1307，時鐘精度為月誤差< 10秒； 中斷模式4種0.45秒ON, 0.8秒OFF; 1.65秒ON, 0.9秒OFF; 3秒ON, 2秒OFF ; 4秒ON, 1秒OFF。兩路陰極做電位信號采集； 陰極W電位的16位A/D 'I^I徵數轉換； 管-地電位信號^fJf率為5mV。2. 雄的實恥1) 標準娜m 儲32個16位精度的波形，敏中斷模式8個波形。出于節(jié)省存儲容量考慮減，儲，^h波形由64個采樣點皿；2) 對待分析的陰樹驟電位信號，支持以64、 128點的采樣率進行信號采樣；在128點采樣時，謝示準波形Mi微艦128個點。3) 允許最大時粥票移為10niS。4) g是標準娜Xi和帶分析波形Yi兩個樣本之間的相^^數，計算公式為g-^xy風Sy其中X = X-X糊。即標準，X中各個點數值與其平均il^差y = Y-Y糊。即待分析^^Y中^T^樣數值與其平均lfctMs^標準跡x的標縫，乞x2—(j]z)2S^待分析娜Y的標轄，乞Y2一(乞y)2 Zxy =各對離，積的總和，N =翻的娜個數，繼是娜的采樣個數，取值64、 128或256。5) 進行相效析法，艦時粥票移的周期倍數為P=10。6) 判定相關分析規(guī)時艦因子的漂移數值計算，以4秒ON，1秒OFF的申試為例 中斷周期5秒針周期的可能漂移數值為 5X(10+30+24+3600)-1.9Xl(^秒=19微秒每次時牽t^IE的可能漂移數歡19X10 = 190微秒 相效析 的數働 190X( 1 + 50%) = 285微秒。7)，因子的計算及相，功判別在3.954.05秒之間(ON電位到OFF電位的轉換可能時刻)的100毫秒內采集128個 繊點。每個點對應的時間間隔為100+128 = 0.78毫秒； 當相，析計算得到的最大相^^,應的起始點差5時， 對應的艦因子為0.78 X5 = 3.9毫秒；當上 城功艦時刻距當前周期的為M。當M >13時為成功相關，當M《13時為不 成功相關，無需時鐘艦。 3.方法實現流程圖(圖5)實施例2:密間隔i^DSPi5^儀羅DSP記錄fcKffl在密間隔檢測中，沿t^由i戰(zhàn)tmt也面上陰極做電流變化情況 的專用設備。1.硬件的實恥 采用IT TMS320~2812 DSP芯片構成系統(tǒng)，主頻150 MHz; 夕hT64MB辦存儲器，畫娜存儲器； 系統(tǒng)實時鐘芯片DS1307，時鐘精度為月誤差〈10秒； 陰極旨電位的16位A/D十腿,數轉換； 中斷模式4種0.45秒ON, 0.8秒OFF、 1.65秒ON, 0.9秒OFF、 3秒ON, 2秒OFF 、 4秒ON, 1秒OFF。管-地電位信號微率為lmV。2. 施的實恥1) 標^ 庫存儲32個16位精度的波形，每種中斷模式8個 。出于節(jié)省存儲容》% 慮減^ 儲，^t波形由128^^樣點纟fl^;2) 對待分析的陰極做電位信號，支持以128、 256點的采樣率進行信號采樣；在256點采樣時，x^示mwf^sm^a^256個點。3) 允許最大時鐘偏差為lOmS;4) 同實例l，5) 進行相M析法，^!E時粥票移的周期《織為P-5;即每隔5個周期^a行一次校 正嘗試。6) 判定相M析，時5^因子的漂移數值計算同實例1;7) ISE因子的計算及相，功判別在3.954.05秒之間(ON電位到OFF電位的轉換可能時刻)的100毫秒內采集256個 娜點。每個點對應的時間間隔為100+256 = 0.39毫秒； 當相效附十算得到的最大相絲艦應的起始點差5時， 對應的延遲因子為0.78 X5-1.95毫秒；當上次成功^IE時刻距當前周期的為M時，當M〉6時為成功相關，當M《6時為不 成功相關。3. 方、法實現^f呈圖，同實例l。1. Operation Manual of Smart Logger with GPS. Cathodic Technology Limited2. SPECIFICATION FOR THE METHOD OF INSPECTION OF THE COATING QUALITY AND LEVEL OF PROTECTION ON BURIEDPIPELINES USING THE ANALOGUE DC VOLTAGE GRADIENT TECHNI鵬COIBINED町TH A CLOSE INTERVAL POTENTIAL SURVEY OPERATED AT THE DCVG PULSE Fl EQUENCY. DC Voltage Gradient Technology & Supply Ltd, 20063. 耿秋林,、鄉(xiāng)與麟 條科學出版社2006年版4. W.V貝克曼等陰極旨手冊 ；l諒化學!Dlk出IS豐土 2003 ^^版
權利要求
1. 一種密間隔腐蝕檢測中檢測信號的相關分析識別方法，其特征在于該方法包括第一、標準波形信號數據庫由一系列典型信號模式下，按照每一個中斷模式中的電流通斷比例對電壓信號采集的每個標準波形信號組成；每個標準波形的構建方法為，以16位數據長度，128個采樣波形數值構成一個標準波形，以及該波形的ON電位時間長度、OFF電位時間長度mS、數字濾波的帶通起始、截止頻率值Hz；第二、待分析波形信號的采樣輸入用戶根據現場的精度要求，設置信號采樣的頻率，通過16位高精度A/D模數轉化器電路，將最大5V最小0.1mV的電壓信號，以系統(tǒng)設置的采樣頻率和采樣周期進行采樣，并輸入到記錄儀的采樣數據存儲器中；第三、波形信號相關分析采用相同周期、不同標準波形下，對采樣數據存儲器中的信號與標準波形信號數據庫中匹配的波形進行相關分析，求出一個采樣周期內，不同起始點的一系列相關系數g，計算公式為g＝∑xy/NSxSy，最大相關系數對應的起始點則是相關條件下的時鐘延遲因子；其中g是X和Y兩數列之間的相關系數，x＝X-X平均，即X數列中各量數與其平均數之差，y＝Y-Y平均，即Y數列中各量數與其平均數之差，Sx＝X數列的標準差，Sy＝Y數列的標準差，∑xy＝各對離差乘積的總和，N＝數列中的數據個數，即采樣和標準波形的數據點數；第四、波形信號識別和濾波根據上步相關分析計算得出的延遲因子，以及應用不同標準波形的最大相關值，識別出最為合理的標準波形下信號延遲的延遲因子；當延遲因子超出可能漂移數值范圍的50％時，判定本次相關分析失??；第五、時鐘漂移校正在成功相關分析的條件下，應用該延遲因子校正數據采據模塊內的系統(tǒng)時鐘漂移，并保存本次校正的系統(tǒng)時間。
全文摘要
一種密間隔腐蝕檢測中檢測信號的相關分析識別方法。本發(fā)明應用相關性分析的數學方法處理和識別密間隔檢測設備陰極保護信號的中斷周期，有效地解決了遠程信號的同步問題。本發(fā)明方法包括構建標準波形信號數據庫、待分析波形信號的采樣輸入、波形信號的相關分析、波形信號識別和濾波、時鐘漂移校正、濾波參數設置及波形信號輸出。本發(fā)明應用相關分析法識別，可以有效地保證檢測數據的準確性。不使用傳統(tǒng)的GPS衛(wèi)星同步方式，減少了密間隔檢測儀的部件，降低了系統(tǒng)的構成成本，同時拓展了密間隔檢測系統(tǒng)的應用場合，比如在高大建筑物附近檢測，或在陰極保護站內使用中斷器，避免因GPS信號質量不佳，而無法實施檢測的情況發(fā)生。
文檔編號G06F17/15GK101281115SQ200810100410
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月14日 優(yōu)先權日2008年4月15日
發(fā)明者林守江 申請人:天津市嘉信技術工程公司