Структурный мониторинг водопроводных сетей на основе пьезокерамических датчиков

Структурный мониторинг водопроводных сетей на основе пьезокерамических датчиков

О.В. Соколовская, В.А. Зибров, В.А. Курнаков

В России большая сеть стареющих водопроводных сетей, средний возраст которых составляет более чем 45-55 лет (рис. 1). Размер, стоимость и сложность современных систем водоснабжения накладывают определенные ограничения на их быструю замену. Многофазные процессы, вызванные статическими факторами (транспортируемая вода, вид прокладки водопровода и т.п.) и динамическими факторами (климатические условия, зоны повышенного давления и т.д.) приводят к ухудшению структуры водопроводных сетей и соответственно возрастающим количеством отказов.

до 10 лет от 10 до 20 лет от 20 до 40 лет свыше 40 лет

Рис. 1. - Возраст водопроводных сетей

Серьезной проблемой, в водопроводных сетях, является медленное накопление органических и неорганических веществ внутри трубы в течение длительного времени. Такое накопление нежелательного материала появляется одновременно с коррозией трубы. Отсутствие надежной наружной и внутренней гидроизоляции, агрессивность грунтовых вод, грунта и транспортируемой воды, наличие блуждающих токов, приводит к значительной коррозии металлических труб, и к снижению фактического срока их службы. Продукты коррозии металлических водопроводов,

состоящие, в основном, из окислов железа, отлагаются на внутренней поверхности труб магистральной водопроводной сети. Слой отложений в трубах достигает порядка 15мм. В результате сечение трубы уменьшается до 50% [1,4,5,6]. Интенсивная коррозия металлических водопроводов в результате появления в воде растворенных окислов железа приводит к ухудшению качества воды в системе.

Целью статьи является определение соотношений и зависимостей между параметрами ультразвукового импульса и структурой водопроводной трубы.

Устройства структурного мониторинга водопроводных сетей, на основе пьезокерамических датчиков [7,8,9,10], могут быть размещены как внутри трубы (а), так и на внешней оболочке (б) трубы (рис.2).

Пьезокерамический датчик

Пьезокерамический Пьезокерамический

Пьезокерамический датчик Фокусирующая датчик

датчик

а) б)

Рис. 2. - Устройства структурного мониторинга На рис. 3 приведены виды поперечного сечения водопроводной трубы при накоплении органических и неорганических веществ и коррозии.

а)

б)

в)

Рис. 3. - Виды поперечного сечения трубы: накопление органических и неорганических веществ

Для оценки степени коррозии и накопления органических и неорганических веществ внутри трубы рассмотрим ультразвуковой метод (прошедшего и отраженного излучения). Сигнальные параметры распространения акустической волны чувствительны к среде распространения, внутренней структуре материала трубы, что выражается разбросом частот, сдвигом фаз, коэффициентом ослабления исходного импульса, дифракцией и т.п. В работах [2,3] рассмотрены методы, основанные на оценке времени прихода отраженного импульса, времени прихода прямого импульса или разницы во времени прихода прямого и отраженного импульсов. Приведенные методы основаны на применении положительной корреляции. Она оптимальна при следующих условиях: помехи в полученном импульсе, обусловленные множественным доступом, моделируются в пространстве и времени как белый Гауссов шум (БГШ); принятый импульс, сдвинутый во временной области, является копией исходного импульса.

Очевидно, что любое нарушение приведенных условий приводит к ограничению возможностей применения положительной корреляции. С другой стороны отраженный (или прямой) ультразвуковой импульс подвергается искажению формы в виде частотного рассеяния, сдвига фаз, искажения огибающей.

Частотное рассеяние ультразвукового импульса характеризует поглощающую способность, макро и микроструктуру материала трубы, а ультразвуковой коэффициент затухания характеризует частотно-зависимую поглощающую способность материала трубы.

Рассмотрим ультразвуковой импульс в виде:

s(S; t) = A sin(2nfct + ф42'N)4 + rj(t) ,

где А - амплитуда импульса; /с - частота; г - длительность импульса; N - число периодов; П) - аддитивный гауссовский шум.

Применяем интерактивную систему МайаЬ 7.11.0.584. для вычисления фрактального преобразования Фурье (ФрПФ) заданного порядка а.

На рис. 4 приведен исходный зондирующий сигнал и его спектр.

Сигнал

20 10

С

: 0 : -10 -20

I

40 а 20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Время (с) Сигнал+шум

х 10

,-3

-20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Время

х 10-3

10000

5000 -

2г

1.5-

I—

1-

< 0.50-

х 10

0

Спектр сигнала

2 3 4

Частота (Гц) Спектр сигнала+шум

234 Частота

х 10

х 10

Рис. 4. - Вид зондирующего сигнала и его спектр На рис. 5 и 6 приведены результаты вычисления фрактального преобразования Фурье (ФрПФ) заданного порядка а для зондирующего сигнала на выходе передающего устройства и на приёмной стороне.

Спектр: ФрПФ для а=0.1

6000

га

3 4000

2000

2

4

Частота (Гц) х 10~ Спектр: ФрПФ для а=0.5

1500

а

Я 1000

500

24 Частота (Гц) х 10

Спектр: ФрПФ для а=0.3

1500

а

3 1000

500

6

5

2

4

6

5

Частота (Гц) х 10 Спектр: ФрПФ для а=0.7

1500

а

Я 1000

24 Частота (Гц) х 10

0

0

5

6

0

5

6

0

0

0

0

0

0

0

0

Рис. 5. - Результаты вычисления фрактального преобразования Фурье для зондирующего сигнала на выходе передающего устройства

6000

л

¡5 4000

0

3000

§ 2000

1000

Спектр: ФрПФ для а=0.1

246 Частота (Гц) х 105 Спектр: ФрПФ для а=0.2

3000

а

ад 2000

Спектр: ФрПФ для а=0.15

246 Частота (Гц) х 105 Спектр: ФрПФ для а=0.8

24 Частота

1500 р

а д 1000

* 500

0 и ' Щ!С"' 1

х 10

24 Частота

х 10

5

Рис. 6. - Результаты вычисления фрактального преобразования Фурье для зондирующего сигнала на входе приёмного устройства Отметим, что лучшая концентрация спектральной энергии получена для порядка а = 0,1. Полученное значение соответствует модуляционному разряду 1,37, которое близко к теоретическому значению 1,42.

Таким образом, полученные результаты вычисления фрактального преобразования Фурье для зондирующего сигнала позволят оценить состояние водопроводных сетей на основе зависимости вида 8 = / [А, /с, г ,ф, N ].

0

0

0

0

6

Литература:

1. Проблемы промышленной безопасности в системе магистрального трубопроводного транспорта [Текст] // Материалы IX Всероссийского семинара-совещания руководителей по надзору за магистральными трубопроводами территориальных органов Госгортехнадзора России, руководителей и специалистов предприятий магистрального транспорта «Совершенствование государственного надзора за безопасностью

эксплуатации магистральных трубопроводов» 4-8 июня 2001г./ Редкол.: Р.И. Габдюшев и др. - Уфа: ГУП Уфимский полиграфкомбинат, 2001. - 281 с.

2. Dermile, R. Model-based estimation of ultrasonics echoes part I: Analysis and algorithms. / R. Dermile, J. Saniie. // IEEE Transactions on ultrasonics, ferroeletrics and frequency control. 2001. - pp. 787-802.

3. Dermile, R. Model-based estimation of ultrasonics echoes part II: Nondestructive evaluation applications. / R. Dermile, J. Saniie. // IEEE Transactions on ultrasonics, ferroeletrics and frequency control. 2001. - pp. 803811.

4. Shin, H.J. Defect Detection and Characterization in Power Plant Tubing Using Ultrasonic Guided Waves / H.J. Shin, R. Yi, J.L. Rose // 14th WCNDT, New Delhi, India, December 8-13, 1996.

5. Сапронов, А.А., Зибров, В.А., Тряпичкин, С.А. Использование пьезоэлектрических датчиков в системе мониторинга магистральных водопроводных сетей [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, - №4 (часть 2). - Режим доступа:, http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1432 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

6. Сапронов, А.А., Зибров, В.А., Тряпичкин, С.А. Распределение акустической волны в подземном трубопроводе [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, - №4 (часть 2). - Режим доступа:, http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1458 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

7. Зибров, В.А. Ультразвуковая технология мониторинга продуктопровода [Текст] / В.А. Зибров // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011». - Одесса: Черноморье, 2011. - Вып. 4. -т.9. - С.61-65.

8. Зибров, В.А., Мальцева, Д.А. Организация акустического канала передачи данных в распределительных магистральных сетях малого диаметра [Текст] // Актуальные вопросы современной техники и технологии: Сборник докладов УШ-й Международной научной конференции. - Липецк: Издательский центр «Гравис», 2012. - С.33-37.

9. Сапронов, А.А., Зибров, В.А., Занина, И.А., Соколовская, О.В. Исследование процесса передачи информации по акустическому каналу в водопроводе [Текст] // Энергосбережение и водоподготовка. - М.: Издательский дом «Граница», 2012. - №4. - С.52-54.

10. Справочник по акустике [Текст] / под ред. М.А. Сапожкова. - М.: Связь, 1979. - 312с.