УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА И РАЗМЕРОВ ТЕЧИ ТРУБОПРОВОДА

Полезная модель относится к технике контроля трубопроводных систем и предназначена для определения места повреждения и оценок размера повреждения в труднодоступных или недоступных техническому надзору напорных трубопроводах, в частности, в подводных трубопроводах и в дюкерах.
Известно устройство для обнаружения отверстий в трубе из патента Японии №4-184133 , содержащее параллельно соединенные два акустических датчика, два дисплея и блок сравнения, к которому подсоединены выходы дисплеев. При наличии в трубе небольшого отверстия сжатый газ выходит из него, создающийся при этом шум достигает обоих концов трубы, где принимается акустическими датчиками, сигналы от которых визуализируются с целью сравнения. Если величины сигналов одинаковы, то отверстие находится в средней точке, относительно положений датчиков, а если величина сигнала на одном из изображений значительно больше другого, то отверстие расположено вблизи соответствующего датчика. Положение отверстия рассчитывается по отношению величин сигналов датчиков при распространении на различные расстояния.
Недостатками устройства аналога являются малая точность и низкая помехоустойчивость, а также невозможность оценки размеров отверстия.
Известно устройство по авторскому свидетельству СССР № 1610351. Устройство-аналог содержит акустические преобразователи, блок коммутации, блок управления, первый блок усиления, фильтрации и формирования высокочастотной составляющей сигнала, блок определения корреляционной функции и связанного с ней информационного параметра, второй блок усиления, фильтрации и формирования низкочастотной составляющей сигнала, интегратор формирующий опорные сигналы, компаратор, элемент «И. Акустические сигналы от течи преобразуют в электрические сигналы. С помощью фильтрации разделяют высокочастотную и низкочастотную части спектра сигналов. Вычисляют корреляционную функцию от высокочастотной части спектра сигнала. Из корреляционной функции выделяют информационный параметр для формирования сигнала тревоги. Низкочастотную составляющую сигнала фильтруют и интегрируют для формирования опорных сигналов. При превышении амплитуды сигнала над амплитудой опорного сигнала осуществляют формирование сигнала тревоги. Положение течи определяют по положению преобразователя от которого поступил сигнал тревоги.
Недостатком устройства-налога являются недостаточно эффективное выделение сигнала от течи, неточность определения координат течи и отсутствие определения размеров повреждения.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения местоположения течи как источника акустического излучения по патенту США № 4858462. Устройство-прототип содержит два разнесенных акустических датчика, два блока усиления и фильтрации, два аналогоцифровых преобразователя, процессор плавающего порога и разностного сигнала, компьютер, выполняющий функции блока управления, со средствами отображения.
Устройство позволяет осуществлять наблюдение акустического излучения источника с помощью двух разнесенных датчиков. Предполагается, что акустическое излучение в месте течи представляет собой шумовой фон с выбросами. Разность
времен прибытия акустических сигналов от места течи к каждому из датчиков регистрируется как смещение сигналов во времени. Путем измерения смещения между выбросами в акустических сигналах определяется относительное положение источника и датчиков. Для облегчения отделения выбросов от шумового фона применяется обнаружение с плавающим порогом.
Недостатком устройства-прототипа является низкая помехоустойчивость и отсутствие возможности оценки размеров повреждения.
Задачей полезной модели является обеспечение помехоустойчивости, высокой точности определения места течи и оценки размеров повреждения трубопровода.
Для решения поставлепной задачи в устройство для определения места и размеров течи в трубопроводе содержащее п измерительных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных блока акустических преобразователей, блока усиления, выход которого соединен с первым входом блока фильтрации и блока аналого-цифрового преобразования дополнительно, для определения места течи на трубопроводах больщой протяженности, введены: последовательно соединенные п-канальный блок уплотнения информации, мультиплексный канал передачи информации и блок разуплотнения информации, при этом п входов п-канального блока уплотнения информации соединены с соответствующими выходами п блоков аналого-цифрового преобразования, также введен п-1 канальный блок накопления и анализа взаимных спектров, имеющий п входов и п-1 выходов, при этом каждый из п физических каналов выхода блока разуплотнения информации соединен с соответствующим входом п-1 канального блока накопления и анализа взаимных спектров, также введены п-1 канальный блок обнаружения течи, п-1 канальный блок определения места течи, п-1 канальный блок определения размеров течи, п-1 канальный блок определения полосы фильтрации, входы которых параллельно соединены с соответствующими выходами п-1 канального блока накопления и анализа взаимных спектров, а выход п-1 канального блока определения полосы фильтрации соединен со вторыми входами блоков фильтрации, также введен блок формирования сигнала тревоги, вход которого соединен с выходом п-1 канального блока обнаружения течи, с выходом п-1 канального блока определения места течи и с выходом п-1 канального блока определения размеров течи, также введен индикатор места и размера течи, вход которого подсоединен к выходу блока формирования сигнала тревоги. Блок управления своими управляющими выходами и информационными входами присоединен к п-канальному блоку уплотнения информации, блоку разуплотнения информации, п-1 канальному блоку накопления и анализа взаимных спектров, п-1 канальному блоку обнаружения течи, п-1 канальному блоку определения места течи, п-1 канальному блоку определения размеров течи, п-1 канальному блоку определения полосы фильтрации, блоку формирования сигнала тревоги и индикатору места и размера течи.
Достижение технического результата от использования полезной модели состоящего в повышении надежности обнаружения течи на фоне акустических помех от шума трубопровода и щумов окружающей среды, определении места течи с повышенной точностью, получении оценки размеров повреждения трубопровода
стало возможным в результате применения технологий выделения сигналов из шума на длительных интервалах времени путем накопления, фильтрации и взаимноспектрального анализа.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 приведена блок-схема устройства. На фиг.2 представлен график безразмерной спектральной плотности мощности  затопленной дозвуковой струи в функции от числа Струхаля для всей струи. (Заимствовано из работы А.Г.Лукин, М.А. Щепочкин. .Спектр звуковой мощности дозвуковой струи - Акустический журнал, T.XVIII, вып.2, 1972. - с.282-299)
Устройство для определения места и размеров течи в трубопроводе содержит параллельно-последовательно соединенные акустические датчики l..n (АД), усилители 2..п (УС), фильтры З.КЗ.п (ФИ), аналого-цифровые преобразователи 4..п (АЦП), последовательно соединенные: п-канальный блок 5 уплотнения информации, мультиплексный канал 6 передачи информации, блок 7
разуплотнения информации, П - 1 - канальный блок 8 накопления и анализа
взаимных спектров, П - 1 - канальный блок 9 обнаружения течи, блок 10 формирования сигнала тревоги, индикатор 11 мест и размеров течи, также содержит
параллельно соединенные П - 1 - канальный блок 12 определения мест течи, П - 1 канальный блок 13 определения размеров течи, П -1- канальный блок 14
определения полосы фильтрации, входы которых соединены с выходом П - 1 канального блока 8 накопления и анализа взаимных спектров, а выходы блока 12 определения места течи и блока 13 определения размеров течи соответственно со
вторым и третьим входами блока 10 формирования сигнала тревоги, выход П - 1 канального блока 14 определения полосы фильтрации соединен со вторыми входами фильтров 3..п, также содержит блок 15 управления, управляющие выходы и информационные входы которого соединены с блоками 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14.
Прием акустических сигналов от течи происходит с помощью акустических датчиков 1.К1.П. (Здесь п равно или больше двух). В качестве этих датчиков для трубопровода, проходящего по дну реки, озера, или моря используются гидрофоны, для дюкера - сейсмоприемники. Датчики 1..п располагаются параллельно трубопроводу на дистанциях друг от друга d, согласно формуле (1). Коэффициент
распознавания О может быть определен, например, при вероятности ложных тревог Рлт  10 и вероятности правильного обнаружения .98 примерно как О дБ, то есть
О  А.П. Евтютов, В.Б. Митько. Инженерные расчеты в гидроакустике. -Л.: Судостроение, 1988. - с.139, рис.2.29, если использовались в качестве акустических
датчиков ненаправленные гидрофоны, то есть Л    Например, для подводного
трубопровода уровень помех составил  .-  а уровень шума
вьггекающей струи с   г  . Поэтому для данного примера была выбрана
Сигналы с каждого из датчиков усиливаются в усилителях 2..п. После этого сигналы фильтруются в полосовых фильтрах З.НЗ.п и преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей 4..п для дальнейшей обработки. Фильтры обеспечивают оптимизацию приема сигнала в фоновом режиме и при появлении сигнала течи от струи. Экспериментальное изучение виброакустических характеристик магистрального трубопровода М.М. Сулейманов, Л.И. Верхайзер. Шум и вибрация в нефтяной промышленности. Справочное пособие. -М.: Наука, 1990. -160с показало, что спектры вибраций компрессора и его элементов, а также начального участка трубопровода имеют выраженные дискретные составляющие. Скорости смещений максимальны на низких (17 и 65 Гц) и средних (1700, 2550, 3375 Гц) частотах. Однако, на расстоянии 1,5 км заметный вклад в вибрацию стенда вносят только низкочастотные составляющие 17 и 65 Гц. Эти дискретные составляющие превалируют и в подводном шуме трубопровода. Поэтому фильтруются частоты ниже 100 Гц.
В связи с тем, что расстояния на которых производится наблюдение за состоянием трубопроводов могут составлять десятки километров, датчики соединяются с системой контроля оптоволоконной линией связи устойчивой к электрическим помехам. О.К.Скляров. Современные волоконно-оптические системы передачи. Аппаратура и элементы. -М.: СОЛОП-Р,2001.-237с. В блоке 5 уплотнения канала передачи информации производится преобразование потока данных от множества датчиков в один мультипликативный канал в соответствии с транспортным протоколом. Сигналы передаются по каналу 6 передачи информации. После чего в блоке 7 происходит разуплотнение канала передачи информации в параллельные физические каналы для последующей обработки.
Работа П - 1 канального блока 8 накопления и анализа взаимных спектров осуществляется в соответствии с принципами многопараметрического спектрального анализа  С.Л.Марпл мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.:Мир, 1990, гл.15, стр. 460-477. В блоке 8 осуществляют взаимноспекгральный анализ
между каждой парой датчиков, определяя  jk / по формуле:
GjkW  -Go((o)Coscotj, -iSina)tjJ + Gj,(Q))
где  - энергетический спектр шума струи, вытекающей из повреждения трубопровода на единичном расстоянии - Па
j k - расстояния между повреждением в трубопроводе и датчиками j
и k, причем,
Tj +
50000  ,,
n:::: + 1  101
При отсутствии течи наблюдается только уровень помех Gj (Ю j - Па.
в случае объемного шума NV / OV/ т , , где К  -
волновое число, С - скорость звука в среде.
На частотах, например, выше 100 Гц значение ,о. , -: J  ivJ
Поэтому, при взаимноспектральном анализе при d  500м уровень помех не велик.
При наличии течи, в П - 1 канальном обнаружителе 9 , работаюшем, например, по критерию Неймана-Пирсона осуществляется обнаружение течи на
некотором 1-том участке трубопровода. Взаимный спектр разделяется на k полос. Уровень сигнала в каждой полосе контролируется пороговым элементом. Если, в соответствии с выбранным критерием в m из k элементов порог окажется превзойденным, то блок обнаружения передает сигнал о повреждении в блок 10 для выработки данных о номере участка трассы имеющего повреждение. Одновременно, определяется уточненное положение  в блоке VI из выражения:
1Im
t ik - - arctg
соRe
и  J - символы мнимой и действительной составляющей
Величина задержки jk может определяться и по другому, например,
путем выделения только мнимой составляющей взаимного спектра  V ;.Для этого находят частоты нулевых значений
,(co)  Go(a))Sina),tj,0
jk  -  0 v ; i«-jk - (3)
t-it., -100, . ,
и определяют JK как J О i , 11 1,2,... . Эта информация
также поступает в блок 10 для формирования сигнала тревоги.
Далее, в блоке 13 определяется размер течи. Для этого учитывается , что спектральная плотность излучения нгума дозвуковой струей в целом имеет максимум
при числе Струхаля Shj  0,275, находят частоту (OQ, при которой
L jk V/ имеет максимум, и определяют диаметр D отверстия-повреждения как
/ ч / ч SinKd
Kd(
SinKd3
Pjk(«).
G j, (со )J
- -1 где и - скорость истечения струи на срезе
например.
2Р,Жн.у  VP, Р.
где FJ , р2 - давления в трубопроводе и в окружающей среде соответственно,
Р| и Р2 - плотности жидкости в трубе и в окружающей среде соответственно;
V| - скорость движения жидкости в трубе,
причем осуществляют фильтрацию в полосе частот   LHBJ,
- ShmaxU  ShmaxU, гдеfn-oc,в-|3-fT,(6),
DQ выбирается, исходя из минимального диаметра повреждения, которое
необходимо обнаружить, коэффициенты ОС и р выбираются на уровне - 8 дБ кривой спектральной плоскости. Если размер течи превышает некоторую заданную величину, например, , на блок 10 посылается сообщение обосновывающее
необходимость подачи сигнала тревоги.
При наличии в блоке 10 формирования сигнала тревоги сигналов одновременно
от П - 1 канального блока обнаружения повреждений, П - 1 канального блока
определения мест повреждения и П - 1 канального блока определения размеров повреждений схема совпадений включает на индикаторе 11 средства отображения номера поврежденного участка, его положения на трассе трубопровода, информацию о месте и размерах течи. Одновременно, в блоке 14 уточняется наиболее приемлемая полоса фильтрации, с использованием графика безразмерной спектральной плотности излучения затопленной дозвуковой струи (фиг.2) по алгоритму (6). Данные о скорости истечения струи вычисляются по сведениям о давлениях в трубопроводе и в окружающей среде и о плотности жидкостей в трубе и в окружающей среде, а также о скорости движения жидкости в трубе. Эти сведения известны для каждого трубопровода, находящегося в эксплуатации И.Л. Повх. Техническая гидромеханика. -Л.: Машиностроение, 1969. - 524с; И.П. Спицин, В.А. Соколова. Общая и речная гидравлика. -Л.: Гидрометеоиздат,1990.-с.90; под ред. А.Г. Мунина. Авиационная акустика.-М.: Машиностроение, 1973. -448с.
Таким образом, устройство для определения места и размеров течи в трубопроводе обеспечивает требуемый технический результат.
{Л95К
стенки трубопровода, равная,