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.
Известно 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.
Известен также многопрофильный акустический течеискатель (патент РФ №2042123, G01M 3/24, опубл. 20.08.1995), содержащий 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 низкая достоверность контроля и ограниченная область его применения.
Наиболее близким к предлагаемому является акустический течеискатель (патент РФ №2366913, G01M 3/24, опубл. 10.09.2009), содержащий пьезоэлектрический преобразователь, предварительный усилитель, блок гетеродинного преобразования, включающий двойной балансный смеситель и гетеродин с цепями управления частотой, блок фильтрации, включающий полосовой фильтр и фильтр нижних частот, блок переключателей, содержащий два синхронно управляемых и один независимый переключатели, блок согласующих усилителей и блок визуальной и слуховой индикации.
Недостатками указанного технического решения являются низкая достоверность и оперативность контроля.
Это объясняется тем, что реализуемому в устройстве-прототипе алгоритму выделения огибающей информативной составляющей сигнала свойственны значительные искажениям ее формы при отклонении частоты гетеродина от частоты информативной составляющей, в частности из-за температурной нестабильности параметров элементов устройства (пьезоэлектрического преобразователя, гетеродина). Так, например, по данным производителя уход резонансной частоты пьезоэлектрического преобразователя типа 400SR160, вызванный изменениями температуры в диапазоне от -40°C до +50°C, составляет около 800 Гц, что при ширине полосы пропускания преобразователя на уровне 6dB около 2 кГц приведет к значительным изменениям амплитуд преобразуемых в смесителе составляющих спектра. В результате таких неконтролируемых оператором расхождений значений частот гетеродина и информативной составляющей форма огибающей искажается, что и обуславливает снижение достоверности диагноза.
Эти же изменения резонансной частоты пьезоэлектрического преобразователя приводят также к снижению чувствительности тракта формирования уровня информативной составляющей, росту уровня внутренних шумов, увеличению погрешности контроля уровня информативной составляющей и в конечном итоге к снижению достоверности диагноза.
Кроме того, отсутствие предварительной (до преобразования в звуковую частоту) фильтрации информативного сигнала в устройстве-прототипе обуславливает низкую помехозащищенность тракта формирования диагностических параметров, что в условиях воздействия акустических и электромагнитных помех также ведет к снижению достоверности диагноза.
Существенным недостатком является и то, что реализуемый в известном устройстве алгоритм формирования контролируемых параметров не обеспечивает одновременную индикацию оператору и сигнала уровня информативной спектральной составляющей, и сигнала ее огибающей, поскольку устройство-прототип обеспечивает только поочередный во времени контроль указанных диагностических признаков.
В такой ситуации оператор в процессе выявления, сопоставления и фиксации значений различных диагностических признаков вынужден многократно повторять процедуру контроля, например, чтобы зафиксировать сигнал огибающей в момент достижения уровнем информативной составляющей максимального значения. При такой процедуре увеличивается как время контроля, т.е. снижается его оперативность, так и вероятность ошибки оператора, т.е. снижается достоверность контроля.
Указанные недостатки устройства-прототипа в максимальной степени проявляются при его использовании в условия значительных изменений температуры окружающей среды, а также при воздействии электромагнитного и акустического излучений, существующих на реальных объектах. Предлагаемое изобретение решает задачу повышения достоверности и оперативности контроля.
Технический результат предлагаемого решения заключается в снижении погрешности и сокращении временных затрат на контроль совокупности диагностических параметров.
Поставленная задача решается тем, что акустический течеискатель, содержащий последовательно соединенные пьезоэлектрический преобразователь, предварительный усилитель и двойной балансный смеситель, подключенный к его второму входу гетеродин с двумя цепями управления частотой, одна из которых соединена с переключателем, полосовой фильтр и фильтр нижних частот, выходы которых соединены со входами блока согласующих усилителей, а выход последнего - с блоком визуальной и слуховой индикации, снабжен вторым двойным балансным смесителем, гетеродином, преобразователем средневыпрямленных значений, фильтром и усилителем промежуточной частоты, первой и второй схемами сравнения, первым и вторым источниками опорных напряжений, амплитудным и частотным детекторами, причем выход первого смесителя соединен со входом фильтра промежуточной частоты, выход которого соединен со входом усилителя промежуточной частоты и первым входом второго смесителя, второй вход которого соединен с гетеродином, а выход - со входом полосового фильтра, выход полосового фильтра соединен со входом преобразователя средневыпрямленных значений, входы первой схемы сравнения соединены с выходами преобразователя средневыпрямленных значений и первого источника опорного напряжения, а выход - с управляющим входом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен со входами амплитудного и частотного детекторов, входы второй схемы сравнения соединены с выходами частотного детектора и второго источника опорного напряжения, выход соединен со второй цепью управления частотой гетеродина, а выход преобразователя средневыпрямленных значений соединен со входом блока согласующих усилителей.
Введение второго балансного смесителя, гетеродина, преобразователя средневыпрямленных значений, фильтра и усилителя промежуточной частоты, первой и второй схем сравнения, первого и второго источников опорных напряжений, амплитудного и частотного детекторов и новые взаимосвязи элементов акустического течеискателя позволяют реализовать в устройстве тракты одновременного формирования и индикации двух диагностических параметров информативного сигнала, обладающие высокой частотной избирательностью и минимальными погрешностями, в том числе при изменении параметров элементов устройства из-за воздействия различных факторов, что в конечном итоге обеспечивает достижение поставленной задачи.
На прилагаемом чертеже схематично изображено предлагаемое устройство с использованием следующих обозначений:
1 - пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП);
2 - гетеродин;
3 и 7 - второй и первый двойной балансный смеситель (ДБС);
4 - полосовой фильтр (ПФ);
5 - преобразователь средневыпрямленных значений (ПСВ);
6 - предварительный усилитель (ПУ);
8 - фильтр промежуточной частоты (ФПЧ);
9 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
10 и 16 - первая и вторая схемы сравнения (СС);
11 - переключатель;
12 - гетеродин с цепями управления частотой;
13 - амплитудный детектор (АД);
14 и 15 - первый и второй источники опорного напряжения (ИОН);
17 - частотный детектор (ЧД);
18 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
19 - блок согласующих усилителей (БСУ);
20 - блок визуальной и слуховой индикации (БИ).
Устройство содержит последовательно соединенные ПЭП 1 и ПУ 6, выход ПУ соединен с первым (сигнальным) входом первого ДБС 7, первая цепь гетеродина 12 с цепями управления частотой соединена с переключателем 11, выход гетеродина 12 соединен со вторым (гетеродинным) входом ДБС 7, выход ДБС 7 соединен со входом ФПЧ 8, а его выход - с первым входом ДБС 3, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 2, а выход - со входом ПФ 4. Выход ПФ 4 соединен со входом ПСВ 5, выход которого соединен со входом СС 10, другой вход СС 10 соединен с выходом ИОН 14, а выход СС 10 соединен с управляющим входом УПЧ 9. Выход УПЧ соединен со входами АД 13 и ЧД 17, выход ЧД соединен со входом СС 16, другой вход СС 16 соединен с выходом ИОН 15, а выход СС 16 соединен со второй цепью управления частотой гетеродина 12. Выходы ПФ 4, ПСВ 5 и ФНЧ 18 соединены со входами БСУ 19, выходы которого соединены с БИ 20.
Функционирование устройства осуществляется следующим образом.
Генерируемый дефектом, например утечкой газа, широкополосный акустический сигнал преобразуется ПЭП 1 в электрический, который после его усиления в ПУ 6 поступает на сигнальный вход ДБС 7. ПЭП 1 и ПУ 6 выполняются в виде конструктивно законченного сменного модуля (зонда), подключаемого к остальной части электрической схемы устройства с помощью стандартного электрического разъема.
В качестве ПЭП для сменных зондов используются контактные и бесконтактные (ультразвуковые микрофоны) пьезоэлектрические датчики, имеющие один или несколько явно выраженных максимумов амплитудно-частотной характеристики на фиксированных частотах приема ультразвукового излучения в диапазоне примерно 20-200 кГц, обозначаемых как fиi и используемых в качестве информативных составляющих спектра контролируемого ультразвукового излучения. Входящие в комплект устройства сменные контактные и бесконтактные зонды отличаются различными характеристиками, например значениями частоты fиi, конструктивным исполнением и т.д., но за счет выбора параметров ПУ имеют унифицированные выходные характеристики, обеспечивающие оптимальное сопряжение различных зондов с остальной частью электрической схемы устройства.
На гетеродинный вход ДБС 7 поступает сигнал с выхода гетеродина 12 с частотой fг. Для реализации возможности применения различных зондов необходимо обеспечить выделение спектральных составляющих, значения частот fиi которых находятся в вышеуказанном диапазоне. При преобразовании частотного диапазона входного сигнала вверх и выборе значения промежуточной частоты fпр, определяемой как разность значений fг и fиi, равным, например, 455 кГц, перестройкой частоты гетеродина в диапазоне 475-655 кГц обеспечивается перекрытие указанного частотного диапазона. В результате взаимодействия указанных сигналов в ДБС 7 с его выхода на вход ФПЧ 8 вместе со спектральной составляющей с частотой fпр, амплитуда которой пропорциональна уровню сигнала на частоте fиi, будут также поступать другие спектральные составляющие, являющиеся продуктами преобразования сигналов с частотами fиi и fг в ДБС. 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. Сигнал с частотой fг, а также различные комбинационные составляющие спектра, образующиеся на выходе ДБС 7 и расположенные выше или ниже полосы пропускания ФПЧ, эффективно подавляются с помощью высокодобротного ФПЧ, например пьезокерамического или электромеханического фильтра.
С выхода ФПЧ сигнал с частотой fпр одновременно поступает на первый вход ДБС 3 и на вход УПЧ 9. На второй вход ДБС 3 поступает сигнал гетеродина 2, который представляет собой генератор фиксированной частоты, значение fгф которой выбирается меньше fпр на фиксированную величину, например, 1 кГц.
В результате взаимодействия указанных сигналов с выхода ДБС 3 на вход ПФ 4 будут поступать различные спектральные составляющие, являющиеся продуктами преобразования сигналов с частотами fпр и fгф в двойном балансном смесителе, в том числе на выходе ДБС образуется спектральная составляющая с частотой fΔ, равной разности частот fп и fгф, которая затем выделяется настроенным на нее ПФ 4 и через соответствующий канал усиления БСУ 19 поступает на вход БИ 20 для звукового воспроизведения сигнала, характеризующего уровень информативной составляющей контролируемого ультразвукового излучения с частотой fиi.
Таким образом, ДБС 3 осуществляет преобразование поступившего на его первый вход сигнала с частотой fпр в пропорциональный ему по уровню сигнал звукового диапазона с частотой fΔ.
Основное подавление побочных продуктов преобразования ДБС 3 реализуется с помощью высокодобротного ПФ, настроенного на фиксированную частоту звукового диапазона, например, 1 кГц. Поскольку гетеродин 2 представляет собой генератор фиксированной частоты, то это позволяет достаточно просто обеспечить ее высокую стабильность, например, применением кварцевых резонаторов в частотозадающей цепи.
Необходимо отметить, что последовательной фильтрацией любой информативной составляющей контролируемого ультразвукового излучения в ФПЧ 8 и ПФ 4 обеспечивается одинаково высокая избирательность приемного тракта во всем частотном диапазоне, приводящая к минимизации искажений уровня информативной составляющей от воздействия помех, а следовательно, и повышению достоверности контроля.
Сигнал с выхода ПФ также поступает на вход ПСВ 5, который осуществляет преобразование сигнала звуковой частоты в пропорциональный ему по уровню средневыпрямленного значения сигнал напряжения постоянного тока. ПСВ, как правило, включает в себя формирователь модуля входного сигнала и усредняющий фильтр нижних частот, осуществляющий выделение постоянной составляющей сигнала. Реализацию ПСВ целесообразно выполнять на базе специализированных микросхем, обеспечивающих преобразование в широком динамическом диапазоне, с малой погрешностью и эффективной фильтрацией выходного напряжения. Выходной сигнал ПСВ через соответствующий канал БСУ поступает на БИ для визуальной индикации уровня информативной составляющей контролируемого ультразвукового излучения с частотой fиi, а также на вход первой СС 10, где происходит его сравнение с подаваемым на другой вход СС 10 сигналом постоянного напряжения от первого ИОН 14, который задает высокостабильный уровень постоянного напряжения, согласованный с характеристикой регулируемого элемента в цепи управления усилением УПЧ. Образующийся на выходе СС 10 сигнал, зависящий от величины и стороны отклонения уровня информативной составляющей от номинального значения, подается на управляющий вход УПЧ, обеспечивая соответствующее изменения его коэффициента усиления для стабилизации уровня выходного сигнала в заданном диапазоне. В зависимости от вида управляющей характеристики УПЧ для реализации СС могут использоваться различные устройства сравнения, например схема вычитателя на основе дифференциального усилителя.
Таким образом, сигнал со входа УПЧ, подвергаясь изложенным выше преобразованиям в блоках ДБС 3, ПФ 4, ДСВ 5 и СС 10, образует систему автоматической регулировки усиления (АРУ) прямого типа. При изменении (увеличении или уменьшении) уровня сигнала на входе УПЧ система АРУ формирует управляющее воздействие, которое путем изменения коэффициента усиления УПЧ в соответствующую сторону (уменьшения или увеличения) обеспечивает относительно стабильный уровень выходного сигнала.
Выходной сигнал УПЧ поступает на входы АД 13 и ЧД 17, причем АД выполняет операцию демодуляции, т.е. выделение сигнала огибающей промежуточной частоты, который через ФНЧ 18, частота среза которого определяется верхней частотой спектра огибающей, поступает на соответствующий вход БСУ 19 и далее в БИ 20 для индикации.
Отметим, что рассмотренная система АРУ позволяет реализовать суммарный коэффициент усиления ее цепи порядка нескольких тысяч, а также надежную фильтрацию управляющего сигнала от модуляционных компонент, что обеспечивает качественную стабилизацию уровня сигнала на выходе УПЧ для минимизации погрешностей АД, т.е. неискаженного воспроизведения огибающей информативного сигнала.
В ЧД 17, настроенном на номинальное значение промежуточной частоты fпр0, из выходного сигнала УПЧ с текущим значением частоты fпрΔ формируется сигнал в виде напряжения постоянного тока, величина которого пропорциональна разности значений fпр0 и fпрΔ, а полярность определяется направлением расстройки. Далее сигнал поступает на вход второй СС 16, где происходит его сравнение с подаваемым на другой вход СС 16 сигналом постоянного напряжения от второго ИОН 15, который задает высокостабильный уровень постоянного напряжения, согласованный с характеристикой регулируемого элемента частотозадающей цепи гетеродина. Образующийся на выходе СС 16 сигнал, зависящий от величины и стороны отклонения текущего значения fпрΔ от ее номинального fпр0 значения, подается через вторую цепь управления частотой гетеродина 12 на регулируемый элемент, например варикап, включенный в частотозадающий контур гетеродина. За счет соответствующего изменения емкости варикапа обеспечивается подстройка частоты гетеродина, а следовательно, компенсируется возникшее отклонение промежуточной частоты от номинального значения.
Таким образом, в предлагаемом устройстве реализуется система автоматической подстройкой частоты (АПЧ) гетеродина 12, чем обеспечивается минимально допустимое значение разности частот fпр0 и fпрΔ и тем самым компенсируются уходы промежуточной частоты, например, обусловленные уходом параметров элементов из-за изменения температуры окружающей среды.
Переключатель 11 представляет собой многопозиционный (по числу информативных частот всех используемых зондов) переключатель, который выполняет функцию задатчика кода номинального значения информативной частоты путем воздействия на соответствующие элементы цепи управления частотой гетеродина, например, путем переключения элементов частотозадающих цепей гетеродина, включая элементы системы автоподстройки частоты.
БСУ 19 обеспечивает согласование выходных сигналов ДСВ 5, ПФ 4 и ФНЧ 18 с БИ 20, например, светодиодным индикатором и головными телефонами, а также с подключаемыми при необходимости внешними приборами, например осциллографом, анализатором спектра, регистратором и т.п.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает одновременную индикацию как уровня информативной составляющей спектра, так и сигнала ее огибающей, уменьшение погрешности их контроля, а также сокращение временных затрат на проведение контроля, что в конечном итоге обеспечивает повышение достоверности и оперативности контроля при реализации процедур поиска и идентификации различных дефектов.
В частности, при использовании предлагаемого устройства оператор, производящий диагностирование, имеет возможность поиск, обнаружение и идентификацию источников ультразвукового излучения производить одновременно контролируя и уровень сигнала информативной составляющей, например, по светодиодному индикатору, и характеристики огибающей сигнала, например, путем прослушивания звукового воспроизведения сигнала в головных телефонах, а при необходимости одновременно дополнительно осуществить визуальный контроль и регистрацию осциллограмм, спектра и других характеристик 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 ПЭП (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 давление 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 ПЭП, но это излучение создается на частоте fиi приема индикатора специальным генератором ультразвука, 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 ПЭП, 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 и оперативности контроля при любом варианте его практического использования, в том числе в условиях воздействия различных помех, а также изменения температуры окружающей среды.