УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ТЕЧИ ТРУБОПРОВОДА

Полезная модель относится к области испытательной техники и предназначена для испытания трубопроводов на герметичность и обнаружения координаты места течи в продуктопроводе.
Известно устройство для определения места и размеров течи в трубопроводе [Патент на изобретение РФ №2221230 под названием «Способ определения места и размеров течи в трубопроводе и устройство для его реализации» (приоритет от 21.09.2001)].
Устройство содержит n измерительных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных блока акустических преобразователей, блока усиления, выход которого соединен с первым входом блока фильтрации, блока аналого-цифрового преобразования. Устройство содержит блок управления. В устройстве последовательно соединены n-канальный блок уплотнения информации, мультиплексный канал передачи информации и блок разуплотнения информации. N входов n-канального блока уплотнения информации соединены с соответствующими выходами n блоков аналого-цифрового преобразования. N-1 канальный блок накопления и анализа взаимных спектров имеет n входов и n-1 выходов. Каждый из n физических каналов выхода блока разуплотнения информации соединен с соответствующим входом n-1 канального блока накопления и анализа взаимных спектров. В устройстве предусмотрен n-1 канальный блок обнаружения течи, n-1 канальный блок определения места течи, n-1 канальный блок определения размеров течи, n-1 канальный блок определения полосы фильтрации, входы которых параллельно соединены с соответствующими выходами n-1 канального блока накопления и анализа взаимных спектров. Выход n-1 канального блока определения полосы фильтрации соединен со вторыми входами блоков фильтрации. Блок формирования сигнала тревоги, вход которого соединен с выходом n-1 канального блока обнаружения течи, с выходом n-1 канального блока определения места течи и с выходом n-1 канального блока определения размеров течи. Вход индикатора места и
размера течи подсоединен к выходу блока формирования сигнала тревоги. Блок управления своими управляющими выходами и информационными входами присоединен к n-канальному блоку уплотнения информации, блоку разуплотнения информации, n-1 канальному блоку накопления и анализа взаимных спектров, n-1 канальному блоку обнаружения течи, n-1 канальному блоку определения места течи, n-1 канальному блоку определения размеров течи, n-1 канальному блоку определения полосы фильтрации, блоку формирования сигнала тревоги и индикатору места и размера течи.
Недостатками устройства являются:
- отсутствие возможности синхронизации поступивших на блоки сбора, обработки сигнала и устройство управления и с акустических датчиков сигналов при отсутствии проводной линии связи между блоками сбора сигнала, что приводит к рассогласованию сигналов различных акустических датчиков при проведении взаимно-корреляционного увеличению погрешности определения места и расположения течи;
- для передачи данных от акустических датчиков требуется высокоскоростная проводная линия связи вдоль трубопровода;
- относительно большой объем передаваемых данных приводит к снижению быстродействия устройства;
- отсутствуют алгоритмы по расчету взаимных спектров сигналов, взаимных корреляционные функций и проведению анализа данных, что приводит к увеличению погрешности определения места и размеров течи в трубопроводе.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является система обнаружения повреждений трубопровода [патент РФ на полезную модель №46576 под названием «Система обнаружения повреждений трубопровода» (приоритет от 11.03.2005 г.)]. Система содержит n акустических преобразователей, каждый из которых связан с одним из n усилителей, фильтров, аналого-цифровых преобразователей и адаптивных пороговых обнаружителей сигнала, а также блок управления. Система также содержит n предварительных усилителей и диагностических излучателей, каждый из которых конструктивно объединен с одним акустическим преобразователем с образованием n сигнальных датчиков повреждений, выполненных с возможностью установки непосредственно на трубопровод, а также n блоков автоматической регулировки усиления, микропроцессоров, приемников и передатчиков, аналоговых коммутаторов, магистральных приемопередающих блоков в составе магистральных приемников и магистральных передатчиков, каждый из которых конструктивно объединен с одним усилителем, полосовым фильтром, аналого-цифровым преобразователем и адаптивным обнаружителем сигнала с образованием блоков обработки сигналов, а также
центральный процессор, выполненный с возможностью осуществления функции управления, диагностики и обработки сигнальной информации посредством амплитудной и корреляционной обработки сигналов с двух соседних сигнальных датчиков повреждений, и мультипротокольный коммутационный узел, конструктивно объединенный с блоком управления в удаленное терминальное устройство.
Недостатком системы является:
- отсутствует устройство для беспроводной синхронизации сигналов, поступивших с акустических датчиков на блок сбора, записи и хранения цифровой информации, что приводит к увеличению погрешности определения места течи жидкости из трубопровода;
- имеет место рассогласование сигналов.
Задачей полезной модели является обеспечение синхронизации сигналов, поступивших с акустических датчиков на блок сбора, записи и хранения цифровой информации, с использованием синхронизирующего радиосигнала.
Для устранения указанных недостатков устройство для обнаружения течи трубопровода, содержащее n акустических датчиков, выполненных с возможностью установки непосредственно на трубопроводе, каждый из которых связан с одним из n усилителей-преобразователей, фильтров, аналого-цифровых преобразователей, n блоков сбора, записи и хранения цифровых данных, предлагается:
- дополнительно снабдить блоком синхронизации сигнала, состоящим из приемника радиосигнала, микроконтроллера и тактового генератора, и главным вычислительным устройством;
- каждый микроконтроллер соединить с соответствующим тактовым генератором и блоком сбора и записи и хранения цифровых данных;
- тактовый генератор соединить с аналого-цифровым преобразователем;
- блоки сбора, записи и хранения цифровых данных подключить к главному вычислительному устройству.
Техническим результатом при использовании полезной модели является расширение области применения устройства, обеспечение более высокой точности определения координаты места течи в трубопроводе и увеличение длины контролируемой области трубопровода.
На фигуре представлен один из вариантов функциональной схемы устройства, где 1 - акустический датчик; 2 - аналого-цифровой преобразователь; 3 - блок сбора, записи и хранения цифровых данных; 4 - тактовый генератор; 5 - главное вычислительное устройство; 6 - микроконтроллер; 7 - приемник радиосигнала; 8 - трубопровод; 9 - усилитель-преобразователь; 10 - фильтр сигнала.
Устройство содержит n акустических датчиков 1, связанных с одним из n усилителей-преобразователей 9; фильтров сигнала 10; аналого-цифровых преобразователей 2; блоков сбора, записи и хранения цифровых данных 3; блоков синхронизации сигнала, состоящих из приемника радиосигнала 7, микроконтроллера 6 и тактового генератора 4; и главное вычислительное устройство 5.
Каждый микроконтроллер 6 соединен с соответствующим тактовым генератором 4 и блоком сбора и записи и хранения цифровых данных 3. Тактовый генератор 4 также может быть составной частью микроконтроллера 6.
Тактовый генератор 4 соединен с аналого-цифровым преобразователем 2.
Акустический датчик 1 крепится на трубопроводе 8 и выполняет первичное преобразование акустического сигнала с трубопровода 8 в аналоговый сигнал.
Аналого-цифровой преобразователь 2 преобразует сигнал из аналоговой формы в цифровую форму.
Блок сбора, записи и хранения данных 3 с помощью команд начала и окончания преобразования осуществляет управление аналого-цифровым преобразователем 2, а также осуществляет получение цифровых данных с аналого-цифрового преобразователя 2, выполняет периодическое накопление цифровых данных, их предварительную обработку, компрессию и передачу в главное вычислительное устройство 5.
Тактовый генератор 4 генерирует импульсы и выполняет функцию тактирования аналого-цифрового преобразователя 2.
Главное вычислительное устройство 5 предназначено для декомпрессии и анализа цифровых данных (в том числе для определения взаимных спектров сигналов и взаимных корреляционных функций), поступивших с блоков сбора, записи и хранения цифровых данных 3, и для определения предполагаемых координат утечки жидкости из трубопровода 8. Определение координат течи осуществляется по разности времен прибытия акустических сигналов к двум акустическим датчикам 1. Все перечисленные ранее операции главного вычислительного устройства 5 выполняются с использованием программного обеспечения.
Микроконтроллер 6 ведет учет точного времени. Для корректировки времени микроконтроллера 6 используются синхронизирующие импульсы от приемника радиосигнала 7. Микроконтроллер также управляет работой тактового генератора 4, по запросу блока сбора, записи и хранения цифровых данных 3 передает точное время в блок сбора, записи и хранения цифровых данных 3.
Приемник радиосигнала 7 принимает радиосигнал, несущий информацию о точном времени, генерирует синхронизирующие импульсы и передает их в микроконтроллер 6.
Необходимость использования радиосигнала с информацией о точном времени, возникает в связи с:
- удаленность измерительных каналов друг относительно друга и невозможности использования проводной линии связи между измерительными каналами;
- необходимостью взаимной синхронизации аналого-цифровых преобразователей 2 и блоков сбора, записи и хранения цифровых данных 3;
- невозможностью обеспечения автономной синхронной работы микроконтроллеров 6.
Усилитель-преобразователь 9 предназначен для преобразования зарядового сигнала в напряжение и усиления напряжения до заданного уровня.
Фильтр сигнала 10 производит частотную фильтрацию аналогового сигнала в заданной частотной полосе. Фильтр обеспечивает пропускание в частотной полосе от 2 Гц до 100 кГц.
Устройство работает следующим образом.
По трубопроводу 8 производится прокачка жидкости.
При локальном истечении жидкости из трубопровода 8 возникает акустическая вибрация, которая передается к акустическим датчикам 1 как через стенки трубопровода, так и через текущую в нем жидкость.
С каждого из акустических датчиков 1 аналоговый сигнал последовательно поступает на соответствующие им усилитель-преобразователь 9, фильтр сигнала 10, аналого-цифровой преобразователь 2, блок сбора, записи и хранения цифровых данных 3. Из него цифровые данные поступают в главное вычислительное устройство 5.
Радиосигнал с информацией о точном времени поступает на приемник радиосигнала 7. Приемник радиосигнала 7 генерирует синхронизирующие импульсы, поступающие в микроконтроллер 6.
Микроконтроллер 6 учитывает точное время, управляет работой тактового генератора 4, по запросу блока сбора, записи и хранения цифровых данных 3 передает информацию о точном времени в блок сбора, записи и хранения цифровых данных 3. Корректировка времени в микроконтроллере 6 осуществляется в ответ на синхронизирующие импульсы от приемника радиосигнала 7.
Признаками наличия течи из трубопровода 8 являются явно выраженные и устойчивые в течение определенного времени максимумы взаимного спектра акустических сигналов. Требуемая точность определения координат течи в трубопроводе 8 обеспечивается применением специальных алгоритмов спектральной и корреляционной обработки сигнала, а также взаимной синхронизацией аналого-цифровых преобразователей 2 и блоков сбора, записи и хранения цифровых данных 3.
В главном вычислительном устройстве 5 формируется определяются координаты места течи в трубопроводе по разности времен поступления акустических сигналов к двум акустическим датчикам 1. Также главное вычислительное устройство 5 формирует оповещение о течи в трубопроводе и выдает данное оповещение оператору.
Устройство состоит из главного вычислительного устройства 5 и нескольких измерительных каналов, расположенных на удалении друг от друга.
Все каналы имеют одинаковое устройство. Данные с каждого канала сжимаются с помощью алгоритма компрессии в блоке сбора, записи и хранения цифровых данных 3 и передаются в главное вычислительное устройство 5, в котором подвергаются декомпрессии и обработке.
Пример осуществления работы устройства
В устройстве использован акустический датчик 1 типа АР47.
Аналого-цифровой преобразователь 2 представляет собой 16-разрядный модуль National Instruments DAQPad-6015 со скоростью оцифровки до 200000 отсчетов в секунду, с USB-интерфейсом подключения к ПК, с возможностью внешнего тактирования.
В качестве главного вычислительного устройства 4 используют PC-совместимый компьютер с программным обеспечением декомпрессии цифровых данных, спектрального и корреляционного анализа цифровых данных и определения местоположения утечки жидкости из трубопровода.
Блок сбора, записи и хранения цифровых данных 5 выполнен в виде портативного PC-совместимого компьютера с программным обеспечением сбора, записи и хранения цифровых данных; связи с микроконтроллером, компрессии цифровых данных, передачи цифровых данных в главное вычислительное устройство 4.
В качестве приемника радиосигнала 7 использован приемник типа LocSense LS-40ЕВ.
В устройстве применен микроконтроллер 6 типа Analog Devices ADuC812.
Тактовый генератор 4 встроен в микроконтроллер 6.
Использован усилитель-преобразователь 7 с функцией фильтрации сигнала типа МЕ-908-1.
Характеристики трубопровода 8, на котором установлено устройство: диаметр от 0,3 до 1,4 м, толщина стенок - от 0,003 до 0,01 м, расстояние между датчиками 5000-10000 м, транспортируемый продукт - вода, газовый конденсат, нефть и нефтепродукты.
Данные функциональные модули присутствуют в каждом канале устройства.