ОБНАРУЖИТЕЛЬ РАЗРЫВА ТРУБ
PIPE BURST DETECTOR

Предлагаемое изобретение относится к устройствам технологической защиты и сигнализации энергетических установок, а именно к устройствам обнаружения разрывов труб пароводяного тракта котлов.
В процессе работы пароводяного тракта котла, устанавливаемого на электростанции, в трубах тракта могут возникать разрывы, приводящие к разгерметизации труб, выходу из них под большим давлением пара (свищи), разрушению труб и в конечном итоге - к выходу котлоагрегата из строя и остановке его на ремонт. Акустический шум, сопровождающий свищи, можно использовать в целях обнаружения разрывов труб.
Из уровня техники в данной области известен обнаружитель разрыва труб акустический, включающий электроакустический преобразователь, полосовой усилитель, детектор, пороговое устройство и сигнализатор (Обнаружитель разрыва труб акустический ОРТА. Техническое описание. 1974 г.). Недостатками известного устройства являются невысокая надежность обнаружения разрывов труб, обусловленная обнаружением свищей на более позднем этапе их развития, и недостаточное удобство эксплуатации контролируемого оборудования, связанное с необходимостью принятия дополнительных мер для установления образования свища при возникновении ложных срабатываний устройства.
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбран обнаружитель разрыва труб (патент РФ №2241901, МПК7 F17D 5/06, 2004 г.), включающий электроакустический преобразователь, усилитель, каналы анализа низко- и высокочастотной областей шумового спектра, связанные своими входами с выходом усилителя, при этом канал анализа низкочастотной области шумового спектра охвачен отрицательной обратной связью и соединен своим выходом с управляющим входом усилителя, и сигнализатор разрыва трубы, подсоединенный к выходу канала анализа высокочастотной области шумового спектра.
Недостатком устройства, выбранного в качестве ближайшего аналога, является следующее. Появление свища, свидетельствующее о разрыве трубы, регистрируется посредством анализа только частотного спектра звуковых колебаний (шумового спектра), сопровождающих возникновение свища. В то же время в процессе эксплуатации котлоагрегата (например, при его останове) или при существовании высокочастотных помех возникают ситуации, сопровождающиеся изменением частотного спектра звуковых колебаний, которые воспринимаются устройством и приводят к ложным срабатываниям сигнализатора (в то время как реально свищ отсутствует).
Также имеют место случаи, когда при возникновении свища в силу свойств среды распространения шума происходит сильное поглощение звуковых волн в области верхних частот, вследствие чего известный обнаружитель разрыва труб не реагирует на свищ. В результате снижается достоверность обнаружения разрыва трубы.
Задача, решаемая изобретением, - повышение достоверности обнаружения разрыва труб.
Указанная задача решается тем, что обнаружитель разрыва труб, включающий электроакустический преобразователь, соединенный выходом с сигнальным входом усилителя, каналы анализа низкочастотной и высокочастотной областей шумового спектра, связанные своими входами с выходом усилителя, и сигнализатор разрыва трубы, снабжен каналом определения уровня шумового сигнала; каналы анализа низкочастотной и высокочастотной областей шумового спектра содержат полосовые фильтры, соединенные, соответственно, с первым и вторым детекторами, выходы которых подключены к входам делителя, соединенного своим выходом с входом первой схемы сравнения, выход которой подключен к сигнальному входу управляемой ключевой схемы, при этом выход ключевой схемы соединен с первым входом логического элемента «ИЛИ», выход которого подключен к сигнализатору разрыва трубы; канал определения уровня шумового сигнала содержит последовательно соединенные сумматор и вторую схему сравнения, при этом первый и второй входы сумматора соединены, соответственно, с выходами первого и второго детекторов, выход второй схемы сравнения соединен со вторым входом логического элемента «ИЛИ», а к выходу сумматора подключен вход третьей схемы сравнения, выход которой связан с входом управления ключевой схемы.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где схематически представлена функциональная схема обнаружителя разрыва труб.
Обнаружитель разрыва труб включает электроакустический преобразователь 1, связанный своим выходом с входом усилителя 2, канал анализа низкочастотной области шумового спектра, включающий первый полосовой фильтр 3, вход которого, являющийся входом упомянутого канала, соединен с выходом усилителя 2, и первый детектор 4, вход которого связан с выходом фильтра 3, а выход является выходом канала; канал анализа высокочастотной области шумового спектра, включающий второй полосовой фильтр 5, вход которого, являющийся входом упомянутого канала, соединен с выходом усилителя 2, и второй детектор 6, вход которого связан с выходом фильтра 5, а выход является выходом канала; делитель 7, входы которого соединены с выходами детекторов 4 и 6, а выход подключен к входу первой схемы сравнения 8, управляемую ключевую схему 9, сигнальный вход которой соединен с выходом схемы сравнения 8, а выход подключен к первому входу логического элемента «ИЛИ» 10; канал определения уровня шумового сигнала, включающий сумматор 11, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами детекторов 4 и 6, и вторую схему сравнения 12, вход которой подсоединен к выходу сумматора 11, а выход, являющийся выходом канала, подключен ко второму входу логического элемента «ИЛИ» 10; третью схему сравнения 13, вход которой подключен к выходу сумматора 11, а выход соединен с входом управления ключевой схемы 9, и сигнализатор разрыва трубы 14, связанный с выходом элемента «ИЛИ» 10.
Полосовые фильтры 3 и 5, детекторы 4 и 6, делитель 7, сумматор 11, схемы сравнения 8, 12, 13, ключевая схема 9 и логический элемент 10 могут быть выполнены на микроконтроллере.
Заявляемый обнаружитель разрыва труб работает следующим образом. Возникающие в результате разрыва трубы и появления свища звуковые колебания, спектр частот которых находится в диапазоне 600-3000 Гц, воспринимаются преобразователем 1, преобразуются в электрический сигнал и усиливаются усилителем 2. Фильтр 3 выделяет из общего спектра полосу частот 600-1500 Гц. Сигнал с выхода фильтра 3 детектируется детектором 4 и поступает на один их входов делителя 7. Фильтр 5 выделяет из общего спектра частот полосу частот 1500-3000 Гц, где наиболее вероятно появление сигналов, соответствующих возникновению свищей. Сигнал с выхода фильтра 5 детектируется детектором 6 и подается на другой вход делителя 7.
1
1
1
Таким образом, на входы делителя 7 поступают сигналы, полученные в результате анализа низко- и высокочастотной областей шумового спектра. На выходе делителя 7 формируется сигнал U, пропорциональный отношению величины высокочастотного сигнала к величине низкочастотного сигнала. Сигнала с выхода делителя (U) характеризует т.н. «наклон» шумового спектра, т.е. соотношение между высокочастотной и низкочастотной областями спектра. Чем больше U, тем резче в шумовом спектре выражен «наклон» в направлении высокочастотной области и тем выше вероятность появления свища.
1
пор1
1
пор1
Далее сигнал U поступает на вход первой схемы сравнения 8, где он сравнивается с заданным порогом U. В том случае, когда U>U, схема сравнения 8 формирует выходной сигнал, подаваемый на сигнальный вход управляемой ключевой схемы 9 и свидетельствующий о вероятности появления свища.
2
пор2
2
пор2
С выхода сумматора 11 сигнал U, несущий информацию об уровне шумового сигнала во всем спектре частот от 600 Гц до 3000 Гц, поступает на вход второй схемы сравнения 12, где сравнивается с заранее заданным порогом U. В том случае, если U>U, схема сравнения 12 формирует выходной сигнал, поступающий на второй вход логического элемента «ИЛИ» 10.
nop2
Наличие шумового сигнала с амплитудой, превышающей порог U, свидетельствует о появлении свища. Логический элемент «ИЛИ» 10 срабатывает и формирует выходной сигнал, поступающий на сигнализатор 14.
2
пор3
пор3
пор3
пор2
2
пор3
Одновременно с выхода сумматора 11 сигнал U подается на вход третьей схемы сравнения 13, где сравнивается с заранее заданным порогом U, причем величина порога U выбирается из условия: U<<U. Превышение величины сигнала U над порогом U свидетельствует о том, что шумовой сигнал (по своему уровню) может соответствовать случаю реального появления свища и при этом вероятность того, что такой шумовой сигнал со спектром, характерным для свища, является ложным, исключена.
Выходной сигнал схемы сравнения 13 играет роль сигнала, управляющего работой ключевой схемы 9. При его поступлении на вход управления ключевой схемы 9 она срабатывает, пропуская сигнал с выхода первой схемы сравнения 8 на первый вход логического элемента «ИЛИ» 10. Логический элемент «ИЛИ» 10 срабатывает и формирует выходной сигнал, поступающий на сигнализатор 14.
Таким образом, в предлагаемом устройстве появление свища, свидетельствующее о разрыве трубы, идентифицируется как посредством частотного анализа шумового спектра, так и с помощью определения уровня шумового сигнала во всем частотном диапазоне. Это позволяет повысить достоверность появления свища и, соответственно, достоверность обнаружения разрыва трубы.