УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДЕ

Полезная модель относится к области физических измерений, а именно к средствам измерения величины давления жидкостей и газов, и может быть использована для автоматического контроля давления и его изменений, в частности, гидроударов, в трубопроводах.
Изменения давления в трубопроводах возможны как при авариях, связанных с нарушением его целостности, так и в процессе его эксплуатации. Например, регулирование количества отпускаемой потребителю воды, осуществляется посредством частичного открытия или закрытия задвижек. При этом данная операция независимо от режима, в котором осуществляется, всегда ведет к изменению давления в трубопроводе, а при ее нештатном осуществлении - к возникновению гидроудара (резкого скачка давления).
Известны различные конструкции манометров, которые предназначены для измерения давления в перемещаемых по трубопроводам средах. В основном это деформационные манометры пружинного или мембранного типа [1].
В последние годы разработаны датчики давления, предназначенные для непрерывного пропорционального преобразования давления жидкостей и газов в унифицированный токовый выходной сигнал. Такими являются, например, однопредельные датчики давления MT100, выпускаемые Московским приборостроительным заводом «Манометр» [2] и датчики давления 409-ДИ различных моделей. Чувствительным элементом этих датчиков является тензопреобразователь давления. Измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент датчика. К достоинствам этих датчиков следует отнести высокую точность измерений, которая составляет для отдельных моделей 0,15%. Однако, поскольку данные датчики предназначены для измерения величины абсолютного или относительного давления, то его кратковременные изменения являются скорее помехами при измерениях и для достижения заявляемой точности устраняются механическими или электрическим способами. Использование электрического сигнала с выхода приемника давления для выявления именно изменений давления требует использования специальных преобразований, обычно осуществляемых с помощью соответствующих интегрирующих и дифференцирующих схем, что неизбежно приводит к снижению точности результатов измерений и заставляет искать датчики, позволяющие проводить прямые измерения изменения давления.
Наиболее близкими к предлагаемому устройству являются пьезоэлектрические датчики давления 014МТ, 018MT и 019MT [3]. Они имеют чувствительный элемент из пьезоэлектрического материала и предназначены для преобразования быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал. Данные датчики используются в первичных преобразователях скорости потока вихревых счетчиков воды и других однородных сред. С помощью таких датчиков (точнее, устройств, включающих сам датчик, усилитель сигнала с выхода датчика и регистрирующий прибор) регистрируют импульсы давления, генерируемые вихрями, образующимися в потоке за помещенным в него телом обтекания. Датчики работают в широком температурном диапазоне (от - 60 до 250 град.С). К недостаткам данных датчиков следует отнести ограниченность их рабочего диапазона давлений и частотного рабочего диапазона снизу. Датчики работают при давлениях выше 1 кгс/см и на частотах не ниже 300 Гц (наименьшая резонансная частота составляет 30 кГц). Поэтому применение таких датчиков для регистрации амплитуды, например, гидроударов, затруднено, поскольку временные параметры гидроударов, например, длительность импульса давления, заведомо больше 0,003 сек. Кроме этого, при гидроударе возможно возникновение импульсов не только увеличения давления в трубопроводе, но и разрежения до значений значительно более низких, чем 1 атм.
Целью изобретения является создание автоматического устройства для контроля за изменениями давления в трубопроводе, позволяющего в режиме реального времени фиксировать эти изменения и классифицировать их.
Поставленная цель достигается за счет того, что устройство, содержащее пьезоэлектрический датчик давления, предназначенный для пропорционального преобразования изменений давления в электрический сигнал, усилитель и регистрирующий прибор, снабжено камерой, в которой размещается пьезоэлектрический датчик давления, размещенным в той же камере дополнительным датчиком давления и вторым усилителем, вход которого соединен со выходом дополнительного датчика, блоками обработки сигналов, к входам которых подключены выходы усилителей, а к выходам - входы блока регистрации текущего значения давления и его изменений и пороговых устройств, выходы которых соединены со входами блока аварийной сигнализации. Камера снабжена двумя быстродействующими перепускными устройствами, выполненных с возможностью регулирования времени срабатывания в соответствии со временем установления контролируемых изменений давления в трубопроводе. С помощью одного из перепускных устройств камера крепится к трубопроводу, а второе, соединяющее камеру с внешней средой, снабжено дросселем, выполненным с возможностью регулирования параметров в зависимости от физических свойств транспортируемого по трубопроводу вещества. При этом усилители выполнены полосовыми с изменяемыми коэффициентами усиления, а их полосы пропускания соответствует спектрам контролируемых изменений давления.
Существенными и отличными от наиболее близкого аналога признаками заявляемого устройства являются следующие:
1. Дополнительный датчик, предназначенным для измерения среднего значения давления за определенный период времени, является новым по отношению к прототипу. Он известен из других технических решений, например, может использоваться как обычный манометр. В данном случае этот датчик в совокупности с пьезоэлектрическим датчиком давления позволяет проявить свойство, новое для устройств, предназначенных для измерения давления, и заключающееся в том, что оказывается возможным проводить одновременно измерение быстрых и медленных изменений давления в одной точке трубопровода.Это позволяет не только осуществлять мониторинг изменения давления в трубопроводе и определять форму, амплитуду и временные параметры его изменений, но и в режиме реального времени автоматически диагностировать наступление аварийной ситуации, отличая при этом гидроудар от подъема или падения статического давления в трубопроводе.
2. Использование полосовых усилителей известно из других технических решений, но в заявляемом устройстве позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности разделения измерений быстро и медленно протекающих изменений давления.
1
2
Полоса пропускания усилителя, на вход которого подается сигнал с выхода пьезоэлектрического датчика давления, предназначенного для пропорционального преобразования в электрический сигнал переменного давления, ΔF, и полоса пропускания усилителя, на вход которого подается сигнал с выхода дополнительного датчика давления, предназначенного для пропорционального преобразования в электрический сигнал установившегося давления, ΔF, определяются независимо друг от друга следующим образом:
1
4
3
2
2
1
ΔF=f-f, ΔF=f-f,
1
2
y
Где f=0, f определяется временем t установления давления при включении насосов, срабатывания запорной арматуры и других устройств регулирования на трубопроводе:
2
y
f=1/t,
3
4
г
a
f и f могут быть определены через параметры контролируемой части трубопровода, такие как расстояние L между сечениями, в которых происходит существенное изменение гидравлического сопротивления, диаметр трубы D, и скорости v и v распространения в трубопроводе акустических волн и гидроударов:
3
г
4
a
f=v/2L, f=v/(π×D)
Ограничение частотного диапазона сверху позволяет исключить влияние на результаты измерений шумов, возникающих при нарушении ламинарности потока среды в трубопроводе.
Расширение частотного диапазона приемника изменения давления в сторону низких частот может быть достигнуто за счет его конструктивного решения, например, путем увеличения площади пьезоэлектрического элемента и входной емкости усилителя.
Использование усилителей с изменяемыми коэффициентами усиления позволяет менять диапазоны измерений амплитуды давления и его изменений в соответствии с условиями эксплуатации конкретного трубопровода с сохранением относительной погрешности измерений. При этом при измерении изменений давления с помощью пьезоэлектрического датчика возможно измерение импульсов давления любого знака и амплитуды.
3. Использование быстродействующего перепускного устройства, например, шарового крана, для крепления камеры с расположенными в ней датчиками к контролируемому трубопроводу известно из других технических решений. В сочетании со вторым перепускным устройством (которое тоже может быть шаровым краном) и дросселем оно позволяет получить новое свойство, заключающееся в том, что в данном устройстве возможно проведение калибровки датчика изменения давления и последующая проверка его работоспособности в условиях эксплуатации путем сравнения результатов его измерений с результатами измерений давления вторым датчиком. При изменении давления с помощью последовательно используемых двух перепускных устройств данный узел позволяет реализовать импульсы давления заданной формы, знака, амплитуды и длительности посредством регулирования скорости открывания перепускных устройств и выбора параметров дросселя.
Функциональная схема устройства приведена на фиг.1. Устройство содержит размещенные в камере 1 датчик изменения давления 2 и датчик давления 3, выполненные с возможностью пропорционального преобразования, соответственно, изменения давления и давления в электрические сигналы, и подключенные к их выходам соответствующие полосовые усилители 4, 5 с изменяемыми коэффициентами усиления. Выходы усилителей 4, 5 соединены со входами блоков обработки сигналов 6, 7, к выходам которых подключены входы блока 8 регистрации давления и его изменений и пороговых устройств 9, 10, к выходам которых подключен вход блока аварийной сигнализации 11. Камера 1, в которой размещены датчики, снабжена двумя быстродействующими перепускными устройствами 12, 13, посредством первого из которых она крепится к трубопроводу 14, а второе соединяет камеру с внешней средой и снабжено дросселем 15, параметры которого определяются свойствами вещества в трубопроводе.
Конструктивное выполнение датчика изменения давления 2 приведено на фиг.2. Датчик состоит из корпуса 16 и опирающегося на него пьезокерамического чувствительного элемента 17, выполненного в виде кольца с торцевыми электродами. Электроды соединены с помощью провода 18, выведенного через залитый компаундом 19 канал в корпусе, и непосредственно через корпус датчика с разъемом 20, электрический сигнал с которого поступает на вход усилителя 4. Внешний диаметр пьезокерамического чувствительного элемента составляет 14 мм. Величина электрической емкости используемого в датчике 2 пьезоэлемента такова, что совместно с изменяемой входной электрической емкостью усилителя 4 они позволяют снизить рабочую частоту канала измерения изменения давления до 0,1 Гц.
Устройство работает следующим образом.
0
4
После установки камеры 1 на трубопровод 14 и открытия перепускного устройства 12 она заполняется веществом, транспортируемым по трубопроводу. Давление в камере и трубопроводе выравнивается. После включения питания сигналы с выходов датчиков изменения давления 2 и давления 3 начинают через соответствующие полосовые усилители 4, 5 поступать в блоки обработки информации 6, 7, где оцифровываются с частотой f=2×f.
После установления давления производится его измерение с помощью датчиков 2 и 3 и корректировка шкалы давления блока 8 на основании полученных данных и сведений о максимальных возможных значениях давлений, на которые рассчитан трубопровод, а в соответствующем пороговом устройстве 10 устанавливается величина порога, при которой пороговое устройство 10 должно посылать сигнал на вход блока аварийной сигнализации 11 для включения сигнала о превышении статическим давлением установленного порога. Порог может быть один (по избыточному постоянному давлению), их может быть два (по избыточному постоянному давлению (верхний порог) и по недостаточному давлению (нижний порог)).
На шкале изменения давления блока 8 отмечается значение, соответствующие положению «нуля», соответствующее постоянному давлению и не зависящее от его значения.
Затем перепускное устройство 12 закрывается, а перепускное устройство 13, снабженное дросселем 15, открывается. При этом формируется скачек давления, амплитуда которого равна разности давлений внутри трубопровода и вне его. Скорость изменения давления при этом выбирается в соответствии с имеющимися сведениями о форме импульсов давления в данном трубопроводе и устанавливается с помощью регулировки проходного отверстия дросселя. В случае необходимости форма переднего фронта импульса давления может корректироваться путем изменения скорости открывания перепускного устройства 13. Производится измерение с помощью датчиков 2 и 3 изменения давления в процессе его уменьшения. После установления постоянного значения давления проводится проверка положения нуля на шкале изменений давления, а в пороговом устройстве 9 устанавливается величина порога, при которой пороговое устройство 9 должно посылать сигнал на вход блока аварийной сигнализации 11 для включения сигнала об аварийном скачкообразном снижении давления.
Далее производится закрывание перепускного устройства 13, открывание перепускного устройства 12, и повторяется калибровка шкалы изменений давления блока 8, но уже по скачку давления в сторону его увеличения. И в пороговом устройстве 9 устанавливается величина порога, при которой это пороговое устройство должно посылать сигнал на вход блока аварийной сигнализации 11 для включения сигнала о превышении скачком давления установленного порога.
Таким образом, с учетом проведенных калибровок, в соответствующих пороговых устройствах 9, 10 оказываются выставленными пороги, по которым должна срабатывать аварийная сигнализация в блоке 11. Пороги по статическому давлению и динамическому (гидроудар) могут существенно различаться по величине, поскольку для материалов, из которых сделаны трубопроводы, пределы динамических и статических нагрузок обычно неодинаковы.
После проведения калибровок и установки порогов устройство включается в работу. Сигналы с датчиков давления 2, 3 поступают через полосовые усилители 4, 5 в соответствующие блоки обработки сигналов 6, 7, где оцифровываются с заданной частотой. Полученные значения запоминаются в блоке регистрации 8 и сравниваются с установленными порогами в пороговых устройствах 9 и 10. В случае превышения сигналами соответствующих им порогов включается соответствующая данному порогу аварийная сигнализация в блоке 11.
Предлагаемое изобретение позволяет автоматизировать процесс контроля за давлением и его изменениями в трубопроводах, повышая надежность и эффективность их эксплуатации.
Литература.
1. Жоховский М.К. Техника измерения давления и разрежения. М.: 1952 г.
2. Однопредельные датчики давления МТ100. М.: МПЗ «Манометр», 2006 г.
3. Пьезоэлектрические датчики давления 014МТ, 018, 019. Ростов: ООО «Пьезоэлектрик», 2009 г., www.piezoelectric.ru.