ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ СИЛЬФОННЫЙ ДАТЧИК ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА

Полезная модель относится к трубопроводному транспорту и предназначена для диагностики состояния трубопровода. Расширяет арсенал технических средств.
Известен датчик дефекта подземных коммуникаций, содержащий обечайку, в нижней части которой имеется мембрана, на которой расположен прижимаемый к ней пьезоэлектрический элемент, и крышку, соединенную с обечайкой, при этом в крышку встроен держатель в виде трубки, на концах которой укреплены электромагнитные антенны, разнесенные на базовое расстояние друг от друга, а выводы от электромагнитных антенн и пьезоэлементов подключены к вычислителю [Патент RU №2408859, МПК G01M 3/24. Датчик для поиска дефекта подземной коммуникации / С.С. Сергеев (RU). - 2009106367; Заявлено 24.02.2009; Опубл. 10.01.2011; Бюл. №1], обладающий низкой чувствительностью, связанную с тем, что прием сигналов производится через слой грунта, в котором происходит затухание сигнала; невозможность мониторинга состояния трубопровода в автоматическом режиме.
В настоящее время место повреждения трубопровода в виде утечки определяют, в основном, по измеренному падению давления техническими (электроконтактными) манометрами, установленными по трассе трубопровода и имеющими, в связи с высоким рабочим давлением перекачки углеводородов, высокую приведенную погрешность, в результате чего не представляется возможным определить место средних или малых утечек, а также образовавшихся на значительном удалении от места установки манометров; требует весьма частой установки манометров по трассе трубопроводов, что снижает эффективность систем обнаружения утечек [Кутуков С.Е. Проблема повышения чувствительности, надежности и быстродействия систем обнаружения утечек в трубопроводах // Нефтегазовое дело. - 2004. - Т. 2. - С. 29-45; Dughman J.S. Acoustic used to inspect 36-inch natural gas line. Pipe Line Industry. - 1984, 61, №2, P. 46-50].
Известен также датчик повреждения трубопровода, содержащий мембрану с закрепленным на ней пьезоэлементом, причем мембрана размещена в глухом патрубке за запорным органом, образующую герметичную камеру, присоединяемым к контролируемому трубопроводу, и образует две полости, сообщающиеся между собой регулируемым дросселем [Патент RU №114365 G01M 3/00 // Датчик повреждения трубопроводов // Р.Г. Султанов, Ч.А. Яруллин и др., опубл. 20.03.2012; Бюл. №8], взятый за прототип.
Известно, что для повышения эффективности использования трубопроводного транспорта повышают давление перекачки, это приводит к увеличению не только амплитуды колебаний рабочего давления при технологических переключениях, но и амплитуды флюктуаций давления (шумов), что приводит к значительному снижению достоверности диагностирования возникновения незначительных повреждений из-за невозможности выделения полезного сигнала существующими интеллектуальными датчиками давления (Метран, Сапфир и пр.), тем самым снижая или сводя па нет эффект применения интеллектуальных систем диагностики и существующих датчиков диагностики состояния трубопровода (ДДСТ).
Кроме того, данный подход к диагностике повреждений не полностью учитывает колебания давления в трубопроводе, возникающие при технологических переключениях (пуск-останов насосов, резкое увеличение - снижение отбора транспортируемого продукта), особенно когда эти возмущения возникают вблизи установленных датчиков, где амплитуда импульса возмущения еще достаточно велика. Чем ближе датчик находится к месту возникновения возмущения, тем больше амплитуда импульса возмущения, а также круче фронт импульса возмущения, причем по мере удаления места установки датчика от места возникновения возмущения из-за гидравлического трения как амплитуда импульса, так и крутизна фронта импульса снижаются, что затрудняет дифференцировать повреждение от возмущения.
Данное затруднение можно устранить, используя в качестве контролируемого параметра скорость изменения импульса или тренд изменения давления, т.е. фронты импульса и сравнение их с заданными.
Кроме того, существующим методом диагностируются только утечки, в то же время в трубопроводном транспорте зачастую возникают и другие нарушении режима эксплуатации, такие как полная или неполная закупорка рабочего сечения трубопровода, которые также необходимо диагностировать, желательно одними и теми же техническими средствами.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей, повышение чувствительности и надежности датчика, возможность непрерывного мониторинга состояния трубопровода, повышение достоверности диагностики состояния трубопроводов.
Задача решается тензорезисторным сильфонным датчиком диагностики состояния трубопровода, состоящего из герметичной камеры, отличающегося тем, что в герметичном корпусе вертикально размещен сильфон, к глухому верхнему основанию которого с внешней и внутренней сторон прикреплены одни концы тензорезисторов (TP), вторые концы через лубрикаторы герметичной камеры выведены на натяжные устройства, сильфон нижним открытым основанием герметично соединен с нижним основанием герметичной камеры, полости герметичного камеры и сильфона соединены штуцерами с контролируемым трубопроводом, причем на штуцере, соединенном с сильфоном, установлен регулируемый дроссель.
Предлагается датчик диагностики состояния трубопровода, поясняемый чертежом 1.
ДДСТ состоит из герметичного корпуса 3, внутри герметичной камеры вертикально размещен сильфон 2. К глухому верхнему основанию сильфона 3 с внешней и внутренней сторон прикреплены одни концы тензорезисторов 4 и 5, вторые концы тензорезисторов через лубрикаторы (не показаны) герметичной камеры выведены на натяжные устройства (не показаны), сильфон нижним открытым основанием герметично соединен с нижним основанием герметичного корпуса, полости герметичного корпуса и сильфона соединены штуцерами с контролируемым трубопроводом, причем на штуцере, соединенном с сильфоном, установлен регулируемый дроссель 1.
Будем считать, что при резком изменении давления в трубопроводе, характерном при повреждении трубопровода, датчик не успевает обмениваться теплом с внешней средой. Поэтому тепловые процессы в датчике можно считать квазистационарными и используя уравнение состояния газа для датчика внутри сильфона, получим
р
где  - давление в трубопроводе в следующий момент времени;
V0
- начальный объем сильфона;
V
- объем сильфона в следующий момент времени.
Причем
V
где Δ - изменение объема сильфона.
R
Изменение высоты сильфона характеризуется изменением значения электрического сопротивления тензорезистора Δ
где α - линейный коэффициент пропорциональности,
S
- площадь сильфона.
р
t
В датчике при изменении давления в трубопроводе на величину Δ по изменению импульса  за время Δ можно судить о величине тренда (крутизны фронта импульса) и о возможных неисправностях. Подставляя (2), (3) в (1), получим выражение для определения давления в трубопроводе
или
Таким образом, изменение импульса давления
Смена знака импульса говорит о виде повреждения (закупорка - утечка). Предлагается сравнивать крутизну фронта импульса давления с заданным, представляющим собой стохастическое изменение давления в трубопроводе, а также с изменением давления, связанным с изменением режима работы трубопровода, и при превышении крутизны фронта импульса давления над заданной крутизной фронта изменения давления, говорят о повреждении, а по знаку превышения говорят - о виде неисправности (утечка или закупорка).
Тензодатчики, особенно полупроводниковые, имеют высокую температурную зависимость, значительно влияющую на:
ρ
1) удельное сопротивление материала тензорезистора (Т);
2) продольную деформацию, аппроксимируемой линейной функцией
b(Т)=β(Т-Т0)
;
3) разность температурных расширений датчика и подложки.
Кроме того, тензодатчики обладают различиями передаточных характеристик каждого TP одной партии.
(T-T0)
b(l)=b(Т)/KT
KT
В результате, даже при отсутствии механического воздействия на тензорезистор, сопротивление его изменяется при изменении температуры  и возникает эффект кажущейся деформации , где - коэффициент тензочувствительности.
Для увеличения точности измерения давления в трубопроводной системе и исключения систематической составляющей погрешности, влияния температурных и механических факторов (вибраций, смещений трубопровода и датчика) необходимо включать тензорезисторы в смежные плечи измерительного моста, что позволит компенсировать указанные возмущения.
Для обеспечения дифференциального принципа измерений проволочки тензорезисторов должны быть предварительно напряжены (растянуты) натяжными устройствами, что позволит измерять изменение давления с любым знаком. Перед началом измерений измерительный мост должен быть уравновешен, а сигнал с измерительной диагонали подан на вход АЦП микроконтроллера, имеющий большое входное сопротивление.
При увеличении объема сильфона тензорезистор 4 сжимается, а 5 растягивается. В этом случае сопротивления тензорезисторов определяются как
R
где ,  - сопротивление тензорезисторов перед началом измерений, Δ - изменение сопротивления.
Изменение сопротивления определяется измерительным мостом
R
R
1
2
где ,  - известные сопротивления плеч измерительного моста;
U
- напряжение на измерительной диагонали;
U
пит
- напряжение питания
Формулу (9) можно представить упрощенно в виде линейной зависимости
где
t
t
В координатах  и  заданные тренды изменения давления при утечках и закупорках будут заданы горизонтальными линиями (фигура 2), т.е. , а сигнал, снимаемый с датчика при нормальном режиме работы трубопровода, будет находиться в коридоре между этими горизонтальными линиями. При выходе сигнала из этого коридора сверху или снизу (участок Δ) можно говорить об утечке или закупорке. Причем эти горизонтальные линии располагаются по обе стороны от оси абсцисс, т.к. производная может поменять знак, но на разном расстоянии в зависимости от уставки.
Для повышения надежности, учитывая, что сигнал изменения давления в трубопроводах имеет стохастическую природу, принимать решение о появлении повреждения необходимо при превышении заданной продолжительности аварийного сигнала.
Если в какой-то наперед заданный промежуток времени появляется сигнал и пропадает, то этот случай не должен диагностироваться как аварийный, и система вновь начинает сравнение текущего сигнала с заданным.
Таким образом, сравнивая изменение импульса давления (крутизну фронта импульса давления) с заданным можно судить о наличии повреждения, а по знаку изменения импульса можно судить о том какое повреждение произошло (утечка или закупорка).