АКУСТИЧЕСКИЙ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ
ACOUSTIC LEAK DETECTOR

Изобретение относится к области испытаний и неразрушающего контроля с помощью ультразвука и может быть использовано для обнаружения утечек и протечек газов и жидкостей в газовых и гидравлических системах, а также других дефектов, появление которых также сопровождается ультразвуковым излучением, например, электрических разрядов различной физической природы (искровые, дуговые и коронные) в системах электроэнергетического, электронного и радиооборудования.
Известен индикатор ультразвуковых колебаний ИКУ-1, содержащий пьезоэлектрический преобразователь с волноводом, предварительный и основной усилитель с полосовым фильтром и устройство индикации с автоматическим аттенюатором (Индикатор ультразвуковых колебаний ИКУ-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. МГА, 1989).
Недостатками этого прибора является ограниченная область его применения, обусловленная тем, что он позволяет оценивать интенсивность ультразвуковых колебаний только на одной фиксированной частоте и только на поверхности твердых тел.
Известно также устройство для обнаружения течи, содержащее микрофон, усилитель, блок полосовых фильтров, ограничитель снизу с регулируемым порогом, фильтр низкой частоты, амплитудный детектор, селектор импульсов по длительности, частотно-импульсный детектор, пороговое устройство и индикатор (патент РФ 2117271, G01M 3/24, опубл. 10.08.1998).
Недостатками устройства является сложность его настройки и ограниченная область применения, поскольку контролируемый устройством диагностический признак эффективен только для обнаружения определенного вида газовых утечек.
Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение «Многопрофильный акустический течеискатель и способ его настройки» (патент РФ №2042123, G01M 3/24, опубл. 20.08.1995), которое и выбрано в качестве прототипа.
Устройство-прототип содержит керамический пьезопреобразователь, блоки предварительного и основного усилителей, блок выделения огибающей, блок визуальной и слуховой индикации, блок фильтрации сигналов в виде гребенки восьми перенастраиваемых полосовых фильтров, блок компрессии сигнала и блок гетеродинного преобразования высокочастотного сигнала.
Недостатком указанного технического решения является невозможность надежного обнаружения различных дефектов по создаваемому ультразвуковому излучению в условиях широкополосного шумового фона различной интенсивности на реальных объектах, маскирующего полезный сигнал и затрудняющего достоверное выявление и распознавание дефектов. Это объясняется тем, что реализуемый в известном устройстве алгоритм формирования контролируемых параметров обеспечивает выдачу оператору сигналов, пропорциональных усредненному значению уровней информативной спектральной составляющей и ее огибающей, то есть и определяемый на слух уровень сигнала, и визуально контролируемый по стрелочному индикатору блока выделения огибающей параметр по своей сути представляют обобщенные показатели, реагирующие на любые изменения интенсивности ультразвукового излучения, в том числе обусловленные внешним шумовым фоном, а не возникновением дефектов. При такой обработке невозможно обнаружить и оценить характерную для многих дефектов амплитудную модуляцию порождаемого ими ультразвукового сигнала, поскольку индицируется только уровень огибающей, т.е. усредненное значение ее амплитуды, а информация о форме сигнала огибающей (спектральном составе модулирующей функции) теряется. Это ограничивает возможности оператора в выявлении, сопоставлении и анализе различных диагностических признаков распознаваемых дефектов и, в конечном итоге, обуславливает низкую достоверность контроля с помощью известного устройства и ограниченную область его применения.
Предлагаемое изобретение решает задачу обеспечения эффективности работы акустического течеискателя за счет повышения достоверности контроля и расширения области применения.
Технический результат предлагаемого решения заключается в реализации возможности индикации формы сигнала огибающей информативной составляющей контролируемого ультразвукового излучения.
Поставленная задача решается тем, что акустический течеискатель, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, предварительный усилитель, блок гетеродинного преобразования, блок фильтрации, блок визуальной и слуховой индикации, снабжен блоком переключателей, содержащим два синхронно управляемых и один независимый переключатели, блоком согласующих усилителей, блок гетеродинного преобразования содержит двойной балансный смеситель и гетеродин с цепями управления частотой, блок фильтрации содержит полосовой фильтр и фильтр нижних частот, причем выход предварительного усилителя соединен с первым входом двойного балансного смесителя, выход двойного балансного смесителя соединен со входами полосового фильтра и фильтра нижних частот, выходы полосового фильтра и фильтра нижних частот соединены с входами первого переключателя, выход первого переключателя соединен с входом блока согласующих усилителей, выход последнего соединен со входом блока визуальной и слуховой индикации, а второй и третий переключатели соединены с цепями управления частотой гетеродина.
Введение дополнительного блока переключателей и блока согласующих усилителей, предложенное исполнение блоков гетеродинного преобразования, фильтрации и новые взаимосвязи элементов акустического течеискателя позволяет реализовать возможность работы двойного балансного смесителя как в режиме преобразователя частоты, так и в режиме демодулятора, что в конечном итоге обеспечивает достижение поставленной задачи.
На прилагаемой схеме изображено предлагаемое устройство с использованием следующих обозначений:
1 - пьезоэлектрический преобразователь;
2 - предварительный усилитель;
3 - зонд;
4 - двойной балансный смеситель;
5 - гетеродин с цепями управления частотой;
6 - блок гетеродинного преобразования;
7 - полосовой фильтр;
8 - фильтр нижних частот;
9 - блок фильтрации;
10 - первый переключатель;
11 - второй переключатель;
12 - третий переключатель;
13 - блок переключателей;
14 - блок согласующих усилителей;
15 - блок визуальной и слуховой индикации.
Устройство содержит последовательно соединенные пьезоэлектрический преобразователь 1 и предварительный усилитель 2, конструктивно объединенные в виде зонда 3, выход предварительного усилителя 2 соединен с первым входом двойного балансного смесителя 4, выход гетеродина 5 соединен со вторым входом двойного балансного смесителя 4, который с гетеродином 5 образуют блок гетеродинного преобразования 6, выход двойного балансного смесителя 4 соединен с входами полосового фильтра 7 и фильтра нижних частот 8, образующих блок фильтрации 9, выходы полосового фильтра 7 и фильтра нижних частот 8 соединены с входами первого переключателя 10, выход которого соединен с входом согласующих усилителей 14, выход последнего с блоком визуальной и слуховой индикации 15, цепи управления частотой гетеродина соединены со вторым 11 и третьим 12 переключателями, которые вместе с переключателем 10 образуют блок переключателей 13.
Функционирование устройства осуществляется следующим образом. Генерируемый дефектом, например, утечкой газа широкополосный акустический сигнал преобразуется пьезоэлектрическим преобразователем 1 в электрический, который после его усиления в предварительном усилителе 2 поступает на вход блока гетеродинного преобразования частоты 6. Блоки 1 и 2 выполняются в виде конструктивно законченного сменного модуля (зонда), подключаемого к остальной части электрической схемы акустического течеискателя с помощью электрического разъема.
В качестве пьезоэлектрических преобразователей сменных зондов используются контактные и бесконтактные (ультразвуковые микрофоны) пьезоэлектрические датчики, имеющие явно выраженный максимум амплитудно-частотной характеристики на фиксированной частоте приема ультразвукового излучения в диапазоне (20-200) кГц, обозначаемой как fи и используемой в качестве информативной составляющей спектра контролируемого ультразвукового излучения. Используемые акустическим течеискателем сменные контактные и бесконтактные зонды отличаются различными характеристиками, например, значениями частоты fи, конструктивным исполнением и т.д., но за счет выбора параметров предварительного усилителя имеют унифицированные выходные характеристики, обеспечивающие оптимальное сопряжение различных зондов с остальной частью электрической схемы устройства.
С выхода предварительного усилителя 2 сигнал информативной составляющей поступает на первый (сигнальный) вход смесителя 3, а на его второй вход поступает сигнал с выхода гетеродина 5 с частотой fг. В результате взаимодействия указанных сигналов с выхода смесителя 4, выполненного по схеме двойного балансного смесителя, на входы фильтров 7 и 8 будут поступать различные спектральные составляющие, являющиеся продуктами преобразования сигналов с частотами fи и fг в двойном балансном смесителе. Применение двойного балансного смесителя обеспечивает подавление в выходном сигнале некоторых побочных продуктов преобразования в широком динамическом диапазоне входных сигналов и при низком уровне собственных шумов. Основное подавление побочных продуктов преобразования реализуется с помощью высокодобротного полосового фильтра 7, настроенного на фиксированную частоту звукового диапазона, например 1 кГц, и фильтра нижних частот 8, частота среза и другие характеристики которого выбираются из условия надежного выделения сигнала огибающей. Необходимо отметить, что за счет рационального выбора характеристик фильтров 7 и 8 обеспечивается минимизация искажений контролируемых сигналов от воздействия помех. С выходов указанных фильтров сигналы поступают на входы первого переключателя 10.
Синхронно управляемые переключатели 10 и 11 имеют два фиксированных положения и, соответственно, обеспечивают работу устройства в двух режимах, а именно:
в первом положении - режим, при котором на вход блока согласующих усилителей 14 и далее на блок индикации 15 поступает сигнал с выхода полосового фильтра 7, а частота гетеродина fг с помощью переключателя 11 устанавливается меньше частоты fи на фиксированную величину, например 1 кГц. В этом случае блок 6 осуществляет преобразование поступившего на первый вход смесителя 4 сигнала ультразвукового диапазона в пропорциональный по уровню сигнал звукового диапазона, т.к. на выходе смесителя 4 образуется спектральная составляющая с частотой Δf, равной разности частот fи и fг, которая затем выделяется настроенным на нее полосовым фильтром 7, и через первый переключающий элемент 10 и блок согласующих усилителей 14 поступает на вход блока индикации 15 для визуального и звукового воспроизведения сигнала, характеризующего уровень информативной составляющей контролируемого ультразвукового излучения;
во втором положении - режим, при котором на вход согласующих усилителей 14 и затем на блок индикации 15 поступает сигнал с выхода фильтра нижних частот 8, а частота гетеродина fг, посредством соответствующей коммутации переключателем 11 цепи управления частотой гетеродина, устанавливается равной частоте fи. В этом случае блок 6 выполняет функцию демодулятора и на выходе смесителя образуется сигнал огибающей входного сигнала смесителя. С выхода смесителя сигнал огибающей через фильтр нижних частот 8, переключатель 10 и блок согласующих усилителей 14 поступает на вход блока индикации 15 для визуального и звукового воспроизведения сигнала, характеризующего огибающую информативной составляющей контролируемого ультразвукового излучения.
Следовательно, при выборе первого режима с помощью синхронно управляемых переключателей 10 и 11 рассматриваемое устройство обеспечивает индикацию уровня информативной составляющей спектра, а при выборе второго режима - индикацию формы сигнала огибающей указанной информативной составляющей. Независимо управляемый переключатель 12 представляет собой многопозиционный (по числу используемых зондов) переключатель, который выполняет функцию задатчика типа (кода) используемого зонда и обеспечивает реализацию двух вышеуказанных режимов применительно к различным зондам, отличающихся значением частоты fи, путем воздействия на соответствующие элементы цепи управления частотой гетеродина, например, путем переключения элементов частотозадающей цепи гетеродина.
Блок согласующих усилителей 14 обеспечивает согласование выходных сигналов фильтров 7 и 8 с элементами визуальной и слуховой сигнализации блока 15, например, светодиодными индикаторами уровня сигнала и головными телефонами, а также с подключаемыми при необходимости внешними приборами, например, осциллографом или анализатором спектра. Количество и характеристики согласующих усилителей блока 14 определяются количеством и типом используемых в блоке 15 элементов и устройств визуальной и слуховой индикации.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает индикацию и уровня информативной составляющей спектра, и формы сигнала ее огибающей, что расширяет возможности оператора в обнаружении и распознавании источников ультразвука, а в конечном итоге обеспечивает повышение достоверности контроля при идентификации различных дефектов.
В частности, при использовании предлагаемого устройства оператор, производящий диагностирование, имеет возможность поиск и обнаружение источников ультразвукового излучения производить, контролируя уровень их информативной составляющей, а идентификацию обнаруженных источников выполнять на основе индикации формы сигнала огибающей, например, путем прослушивания звукового воспроизведения сигнала в головных телефонах, а при необходимости и визуального контроля осциллограммы или спектра указанного сигнала.
Для реализации процедур диагностирования возможны три варианта практического применения устройства на различных объектах.
Первый вариант - работа в режиме пассивного бесконтактного индикатора ультразвука, при котором ультразвуковое излучение обследуемых объектов воспринимается с помощью бесконтактного пьезоэлектрического преобразователя (ультразвукового микрофона) и реализуется функция приемника ультразвуковых колебаний воздушной среды. В таком варианте дистанционно выявляются дефекты, возникновение которых сопровождается ультразвуковым излучением в окружающее воздушное пространство. Это, например, утечки любых газов из находящихся под давлением резервуаров, агрегатов и других элементов газовых систем, а также электрические разряды различной физической природы (искровые, дуговые и коронные) в системах электроэнергетического, электронного и радиооборудования.
Второй вариант - работа в режиме активного бесконтактного индикатора ультразвука, при котором контролируемое ультразвуковое излучение также воспринимается с помощью бесконтактного пьезоэлектрического преобразователя, но это излучение создается на частоте приема индикатора специальным генератором ультразвукового излучения, размещаемым внутри проверяемого на герметичность замкнутого объема. В таком варианте выявляются дефекты, приводящие к нарушению герметичности люков, кабин, салонов, отсеков различных транспортных средств, а также безнапорных резервуаров.
Третий вариант - работа в режиме пассивного контактного индикатора ультразвука, при котором ультразвуковое излучение воспринимается с помощью контактного пьезоэлектрического преобразователя, имеющего механический контакт с корпусом обследуемых объектов. В таком варианте выявляются дефекты, возникновение которых сопровождается распространяющимся по элементам конструкции ультразвуковым излучением. Это, например, протечки (внутренние утечки) любых газов и жидкостей в запорной арматуре, износы и ухудшение смазки подшипниковых узлов и редукторов, засорение фильтров и форсунок.
Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими средствами индикации ультразвука аналогичного назначения обеспечивает повышение достоверности контроля и расширение области применения, поскольку при любом варианте его практического использования с целью обнаружения и распознавания источников ультразвукового излучения, наряду с индикацией уровня информативной составляющей реализуется возможность индикации формы сигнала ее огибающей.