Датчик пьезоакустический

Полезная модель относится к контрольно-измерительному оборудованию, а именно к акустическому неразрушающему контролю для обнаружения твердой фазы в газожидкостном потоке в трубопроводе. Полезная модель предназначена для применения во взрывоопасных зонах нефтяных, газовых и газоконденсатных промыслов, установок предварительной очистки и сжижения газа, береговых технологических комплексов, газораспределительных блоков подземных хранилищ природного газа.
Известен датчик акустический, эмиссионный резонансного типа, содержащий корпус, пьезоэлемент с электродами, приемник и крепежное устройство, причем приемник контактирует с пьезоэлементом (см. патент RU 2352932 С1, кл. G01N 29/14, опубл. 20.04.2009). Недостатком известного устройства является его ограниченная функциональность, обусловленная необходимостью применения дополнительных устройств по приему и обработке сигналов.
Задачей полезной модели является обеспечение универсальности конструктивного устройства для применения пьезоакустического и электромагнитного преобразователей с выдачей унифицированных результирующих сигналов в форматах дискретных, аналоговых и цифровых интерфейсов при монтаже на наземных и подводных трубопроводах. Технический результат заключается в обеспечении высокой надежности за счет единой компоновки сборочных единиц в корпусе и универсальной модульной сборке устройства. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в датчике, выполненном в виде моноблока, содержащем концентратор акустических колебаний, контактирующий с ним пьезоэлектрический преобразователь, катушку индуктивности, электронный блок, конструктивно расположенный внутри цилиндрического корпуса, в плоскостях поперечного сечения которого закреплены сигнальная печатная плата, плата питания и печатная плата микроконтроллера, к указанному корпусу к торцу герметично присоединена нижняя крышка, в которой расположен концентратор и к которой крепится катушка индуктивности. При этом с противоположной стороны торца корпуса установлена оснащенная кабельным вводом верхняя крышка, на которой находится окно для светодиодной сигнализации. С нижнего торца корпус соединен с креплением для установки устройства на трубопроводе, состоящим из монтажного основания и стяжного хомута.
На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство в разрезе.
На фиг. 2 представлен общий вид устройства.
На фиг. 3 представлен вид сверху предлагаемого устройства.
На фиг. 4 представлена блок-схема электронных компонентов устройства.
На фиг. 5 представлено монтажное крепление устройства на трубопровод.
Датчик пьезоакустический универсальный конструктивно выполнен в металлическом корпусе 1 цилиндрической формы в виде моноблока. Корпус состоит из двух отсеков. Первый, основной отсек предназначен для размещения акустомеханических компонентов ультразвукового приемника (концентратор акустических колебаний и контактирующий с ним пьезоэлектрический преобразователь 4), катушки индуктивности электромагнитного канала 14 и печатных плат сигнальной 9, питания 11 и микроконтроллера 10, монтируемых на крышке концентратора. Контуры печатных плат имеют определенные выборки и отверстия для компактного, удобного и простого монтажа преобразователей акустического и электромагнитного каналов на крышке. Второй, вводной отсек предназначен для подключения полевого кабеля через кабельный ввод 5 к клеммной плате 12. Основной и вводный отсеки корпуса 1 закрываются с обоих торцов крышками 2 и 3 через винтовые соединения 8. На крышке 3 вводного отсека предусмотрено смотровое окно 6 для вывода светового сигнала от светодиода 7, расположенного на клеммной плате 12. Заземление осуществляется с помощью разъёма заземления 13. С нижнего торца корпус соединен с креплением для установки устройства на трубопроводе. Крепление для установки, состоящее из монтажного основания 15 и стяжного хомута 16, позволяет надежно закрепить датчик на трубопроводе.
Устройство работает следующим образом.
Песок, при движении в потоке нефти или газа, воздействует на стенки трубопровода. Принцип работы датчика построен на улавливании пьезоэлектрическим преобразователем датчика акустического шума от капельной влаги или песчинок в ультразвуковом диапазоне от 100 до 300 кГц. Сигнал с преобразователя проходит через предварительный усилитель, полосовой фильтр, оконечный усилитель с цифровой регулировкой коэффициента усиления и поступает на микроконтроллер, который выполняет преобразование сигнала с частотой дискретизации 1 МГц и преобразование Фурье, позволяющее провести спектральный анализ.
Программное обеспечение оценивает кинетическую энергию удара твердых включений, частичек песка и капель воды о стенку изгиба трубопровода; отношение энергии пика к ширине и частотному диапазону сигнала; форму и характер изменения спектра; длительности наблюдения. Из этих данных специальным алгоритмом, основанным на методах линейной и нелинейной фильтрации данных, статистического анализа и анализа связности, выделяются характерные шумы песка и капельной влаги и оценивается количество в рабочей среде. Контроль частиц песка составляет 20-5000 мг/мин и капельной влаги 0,3-60 л/мин соответственно, при этом толщина стен трубы не оказывает влияния на чувствительность датчика. С помощь программного обеспечения можно задать уровни пороговых значений количества песка, а также настраивать чувствительность и избирательность измерительной системы.
Датчик имеет электромагнитный и магнитный каналы на основе катушки индуктивности, позволяющие определять прохождение объекта внутри трубопровода со скоростью от 0 до 10 м/с путем регистрации электромагнитного сигнала транспондера частотой 22±1 Гц и/или флуктуаций постоянного магнитного поля. Микроконтроллер выполняет аналогово-цифровое преобразование сигнала с антенны с частотой дискретизации 100 Гц и преобразование Фурье. Далее сигналы обрабатываются аналогично ультразвуковым и программное обеспечение делает вывод о превышении пороговых значений. Вывод о прохождении объекта делается при превышении порогов не менее чем по двум каналам - по акустическому (всегда) и по электромагнитному или магнитному.
Датчик имеет встроенный генератор, излучатель ультразвукового сигнала и LC-контур для выполнения автоматической проверки работоспособности измерительного канала.
Выходными сигналами датчика, передаваемыми через присоединенный кабельный ввод, являются: унифицированный аналоговый токовый сигнал (4-20 мА), соответствующий информационный цифровой сигнал (выход RS-485), а также «сухие контакты» реле превышения установленного порога и реле неисправности.
Выполнение датчика в виде независимых модулей (1, 2, 3, 5), а также компактная удобная установка преобразователей (4, 14) и электронного оборудования внутри него (платы 9, 10, 11, 12 функционально разделены и закреплены независимо друг от друга), позволяют обеспечить универсальность и простую сборку устройства, проверку его работоспособности, а также обслуживание и ремонт.
Предлагаемый датчик использует акустический шум, генерируемый частицами песка и капельной влаги, для проведения измерения их количества при добыче нефти или газа в многофазных потоках, а также для контроля прохождения внутритрубного объекта.
Максимальная автоматизация датчика позволяет выводить и передавать информацию о превышении дебитов песка и капельной влаги в реальном масштабе времени, что подразумевает фиксацию момента начала выноса песка и своевременного оповещения.
Датчик изготавливается во взрывозащищенном и искробезопасном исполнении, подключен к связанному электрооборудованию, расположенному вне взрывоопасной зоны, через барьер искрозащиты. Датчик обладает высокой точностью измерений, имеет функцию самодиагностики.
Крепление для установки, состоящее из монтажного основания и стяжного хомута, позволяет надежно закрепить датчик на трубе, сохраняя при этом целостность трубопровода. Подводное крепление до глубины 4500 м производится с помощью направляющего кожуха, крепящегося на трубопровод при помощи регулируемого захвата телеуправляемым подводным аппаратом с манипулятором.
Корпус датчика для подводной установки герметизируется посредством электронно-лучевой сварки, электроника инкапсулирована в газонаполненном азотом атмосферном отсеке.
Характерными особенностями при использовании заявляемого устройства являются:
- простота подготовки к использованию, использования и разборки;
- простота конструкции и эксплуатации;
-  высокая точность измерений;
- высокая надежность за счет простой конструкции оборудования.