СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАД СОДЕРЖИМЫМ ЗАМКНУТОГО ОБЪЕМА
METHOD OF INSPECTING CONTENTS OF CLOSED VOLUME

Область техники, к которой относится изобретение
Заявляемое изобретение относится к способам контроля состояния содержимого замкнутого объема в условиях ограничения или невозможности доступа к нему и отсутствии возможности подвода проводных каналов связи. Например, это имеет место в случае использования защитных толстостенных контейнеров отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и долговременных хранилищ ОЯТ или радиоактивных отходов (РАО) в атомной промышленности, а также экологически опасных объектов, взрывчатых и химических веществ.
Как правило, измерению и контролю подлежат параметры газовой среды внутри пеналов (контейнеров) с ОЯТ. При этом упомянутые емкости представляют собой несколько герметизируемых слоев металла, бетона и промежуточных газовых зазоров. Прокладка проводных каналов связи в этих условиях нецелесообразна или невозможна из-за возникновения опасности снижения надежности защиты. Наличие внутри защиты источников электропитания исключено, радиосвязь полностью экранируется.
Задача осложняется тем, что датчики, контролирующие, например, температуру или давление, а также способ подачи сигналов от них на центральную станцию сигналов должны иметь неэлектрический принцип действия. Отсутствие искр и электрического тока также является одним из главных условий безопасности хранения.
Уровень техники
В некоторых случаях возможно наблюдение за содержимым через смотровые окна (US 3433957 А. 18/03/1969; GB 995003 A. 10/06/1965). Одно из окон описано изобретением по патенту РФ №2310932 (заявка №2005138004/06, 06.12.2005, G21F 7/00). Однако визуальное наблюдение нередко затруднено, т.к. контейнеры заглублены или имеют несколько оболочек, наблюдать с помощью окон можно только внешний вид оболочки или содержимого, которые не всегда отражают происходящие процессы и т.п.
Чаще всего результатом нерегламентированных процессов, происходящих в рассматриваемых замкнутых объемах, может явиться нарушение их герметичности и загрязнение окружающей среды. Поэтому наиболее распространенным средством контроля над такими объектами является контроль герметичности, выявление течей.
Известны различные средства (способы и устройства) определения негерметичности, утечки жидкостей и газов из резервуаров, бассейнов и т.п.
Для обнаружения малых протечек применяют индикаторы негерметичности, как правило, это химические вещества, обладающие окрашивающим эффектом, либо это радиоактивные вещества. Например, в а.с. СССР №1439427 «Способ обнаружения течей в днищах наземных резервуаров» приведен способ с использованием перманганата натрия характерного цвета для определения неплотности в стыке днища и корпуса резервуара. Однако использование красителей применимо только в процессе проверки оборудования, но не эксплуатации его. Кроме того, сорбция этих веществ на поверхностях материалов оборудования не позволяет их применять при наличии ограничений технологическими требованиями к содержимому резервуаров и другого технологического оборудования. Совсем неудобен способ с применением красителя для контроля заглубленных резервуаров, а также, если наружные поверхности резервуаров хотя бы частично закрыты вспомогательным оборудованием.
10 октября 2007 года опубликована заявка на изобретение №94003599/28, содержащая описание технического решения под названием «Способ обнаружения негерметичности замкнутых технологических систем и резервуаров», на которое выдан патент РФ №2092803 (МПК G01M 3/20). Сущность контроля резервуара: в резервуар, заполненный водой, вводят следящий радиоактивный индикатор - тритиевую воду - начиная от дна и далее постепенно к поверхности. По увеличению концентрации трития в контролируемом потоке судят о негерметичности. Недостатки способа, практически, те же, что и у описанного выше способа.
Известны средства для обнаружения сквозных дефектов в стенках емкостей, заполненных жидкостью или газом, непосредственно регистрацией вытекаемой среды. Например, 7 апреля 1986 года опубликовано изобретение под названием «Устройство для поиска течей в изделиях», на которое выдано а.с. СССР №1223073, МПК G01M 3/04. Устройство содержит течеискатель, соединенный с ним щуп, селективный по пробному газу элемент, при этом щуп выполнен в виде пучка полых волокон. Способ работы устройства заключается в регистрации облачка пробного газа, проникшего из изделия через сквозной дефект. Это средство удобно для проверки оборудования, но не при эксплуатации.
Способ испытания цилиндрических изделий на герметичность (а.с. СССР №1740999, МПК G01M 3/04, опубликовано 15.06.1992 г.) заключается в регистрации контрольного газа в изделии при перемещении замкнутой камеры с газом вдоль оси изделия. Способ применим для проверки изделий определенной формы, но не при эксплуатации.
Известны и другие средства для контроля герметичности (JP 10068793; RU 2136061 С1, 27.08.1999).
Известны акустические способы и устройства определения места течи, т.е. основанные на приеме шума вытекающей струи и преобразовании этого шума в электрические напряжения (например, изобретение по патенту РФ №2249802, МПК G01M 3/24, F17D 5/02, заявка опубликована 10.10.2003 г.). Применение данных методов затруднено при средних и малых уровнях течи (не более 500 л/ч), так как при этом акустические возмущения малозаметны на техногенном фоне, а сами дефекты, вызывающие течь, практически не обнаруживаются визуально. На индикаторы потока существенное влияние оказывают случайные внутренние течения в бассейне, вызванные, например, необходимостью подкачки воды для поддержания уровня.
В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран способ ультразвукового контроля объектов в охраняемой зоне, на который выдан патент РФ №2257618 (МПК G08B 13/184, G01S 1/72, публикация 27.07.2003 г.).
Способ заключается в последовательной передаче звукового или ультразвукового излучения снаружи от источника через звукопровод в виде твердого тела по направлению к контролируемой зоне (содержимому замкнутого объема), регистрации отраженного эхо-сигнала в виде временной развертки пиковых импульсов и получении полезной информации сравнением зарегистрированных эталонного и контрольного эхо-сигналов.
Способ удобен в качестве средства дистанционного слежения за наличием или отсутствием объекта хранения в установленном месте, а также за попыткой его перемещения или повреждения. Однако с помощью этого способа затруднительно определить состояние содержимого объекта.
По мнению заявителя и авторов, известный способ вполне подходит в качестве прототипа заявляемого изобретения, т.к. с его помощью в замкнутом объеме (помещении) контролируется состояние (наличие, отсутствие, изменение места расположения) его содержимого (охраняемого объекта).
Задачей заявляемого изобретения является создание способа, обеспечивающего дистанционный контроль состояния содержимого объекта, иными словами, состояния содержимого замкнутого объема. Технический результат, благодаря которому решается поставленная задача, заключается в обеспечении при контроле связи между изменением давления внутри замкнутого объема, и звукового или ультразвукового излучения, позволяющего без доступа внутрь объема получать полезную информацию.
Раскрытие изобретения
Для получения указанного технического результата в способе контроля над содержимым замкнутого объема, заключающемся в последовательной передаче звукового или ультразвукового излучения снаружи от источника через звукопровод в виде твердого тела внутрь замкнутого объема по направлению к содержимому замкнутого объема, регистрации отраженного эхо-сигнала и получении полезной информации сравнением зарегистрированных эталонного и контрольного эхо-сигналов, согласно изобретению, в процессе контроля измеряют давление внутри замкнутого объема, а отклонение давления от исходного преобразуют в смещение контролируемого места отражения излучения в звукопроводе.
Наличие признаков «в процессе контроля измеряют давление внутри замкнутого объема, а отклонение давления от исходного преобразуют в смещение контролируемого места отражения излучения в звукопроводе», отличающих заявляемое изобретение от прототипа, свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Осуществление изобретения
Для подтверждения промышленной применимости изобретения рассмотрим пример реализации заявляемого изобретения.
На фиг.1 представлен разрез по вертикальной плоскости контейнера с ОЯТ, на фиг.2 - взаимное расположение элементов (вид сверху, подробнее о них ниже), обеспечивающих образование контролируемого места отражения излучения в звукопроводе.
Контейнер представляет собой корпус 1 с крышками 2 и 3. Внутри контейнера размещены пеналы с ОЯТ (содержимое замкнутого объема, изображено в виде тела 4).
В данном техническом решении для определения состояния содержимого замкнутого объема измеряют давление внутри контейнера 1-3. Для измерения этого параметра на поверхности А крышки 3 размещена стойка 5 с датчиком давления 6 в виде сильфона. Сильфон 6 жестко закреплен одним дном на стойке 5. На свободном дне Б сильфона 6 с помощью кронштейна 7 закреплены друг напротив друга два ролика 8. Ролики 8 выполнены с возможностью вращения вокруг своей центральной оси (в данном случае - вокруг вертикальной оси) и находятся в постоянном контакте со звукопроводом 9.
Звукопровод 9 закреплен на крышке 3 и имеет коническое расширение 10 в сторону крышки 3. Для уточнения скорости прохождения сигнала по звукопроводу 9 в момент контроля на звукопровод 9 вблизи расширения 10 на заданном расстоянии друг от друга нанесены, по крайней мере, две реперные насечки (не показаны).
Между крышками 2 и 3 в зоне контакта расширения 10 звукопровода 9 с крышкой 3 размещены две тарельчатые пружины 11, находящиеся в постоянном контакте с крышками 2 и 3 и выполняющие функцию звукопровода. Снаружи на крышке 2 над пружинами 11 установлен источник-приемник 12 ультразвукового излучения, соединенный с блоком обработки эхо-сигнала.
Способ контроля реализуют следующим образом.
После размещения в корпусе 1 ОЯТ (содержимого 4) и сборки корпуса 1 с крышками 2 и 3 с помощью источника-приемника 12 ультразвукового излучения подают импульс излучения, проходящего поочередно по элементам звукопроводящей системы, образованной крышкой 2 - тарельчатыми пружинами 11 - крышкой 3 - расширением 10 на звукопроводе 9 - звукопроводом 9.
Ультразвук отражается от оконечности звукопровода 9, эхо-сигнал проходит в обратном направлении по звукопроводящей системе к источнику-приемнику 12. С помощью блока обработки эхо-сигнал регистрируют в виде временной развертки и запоминают его в качестве постоянного эталона. При прохождении эхо-сигнала регистрируют импульс отражения (в виде пика) в месте контакта роликов 8 со звукопроводом 9. Это место является контролируемым местом отражения излучения. На временной развертке присутствуют также отметки импульсов отражения в виде пиков разной величины на стыках «источник-приемник 12 и крышка 2», «крышка 2 и тарельчатая пружина 8», «тарельчатые пружины 8 между собой», «пружина 8 и крышка 3», «крышка 3 и расширение 10 звукопровода 9». Реперные насечки также формируют импульсы отражения.
При хранении содержимого 4 в нем возможно возникновение процессов с формированием внешних факторов, влияющих на свойства материала звукопровода 9, соответственно, может измениться скорость прохождения звука в звукопроводе 9. Регистрация импульсов отражения в реперных насечках позволяет учитывать эти изменения.
Эхо-сигнал, зарегистрированный в начале хранения содержимого 4 в замкнутом объеме, принимают в качестве эталонного.
В процессе хранения ОЯТ (содержимого 4) периодически или постоянно подают импульсы ультразвукового излучения и регистрируют эхо-сигналы, которые принимают в качестве контрольных.
В случае изменения давления в замкнутом объеме контейнера 1-3, обусловленного процессами, происходящими в содержимом 4, сильфон 6 воспринимает изменение разности между его внутренним давлением и давлением снаружи, изменяется его линейный размер (расстояние от одного дна до другого).
Ролики 8 перемещаются вместе с дном Б сильфона 6 вдоль звукопровода 9, т.е. происходит смещение контролируемого места отражения излучения в звукопроводе 9. При регистрации эхо-сигнала смещение контролируемого места отражения обнаруживают по изменившемуся расстоянию между импульсами отражения в оконечности звукопровода 9 и в контролируемом месте отражения излучения.
Действия персонала зависят от того, как настроен сильфон 6. Если он настроен на подачу сигнала при достижении критической величины давления и выше ее, то сразу принимаются меры по остановке нерегламентированных процессов, происходящих в содержимом замкнутого объема. В других случаях начинается подготовка к необходимым действиям, а по достижении давлением критической величины предпринимаются необходимые действия.
Промышленная применимость
Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- средства, воплощающие заявляемый способ при его осуществлении, предназначены для контроля состояния содержимого замкнутого объема в условиях ограничения или невозможности доступа к нему и отсутствии возможности подвода проводных каналов связи;
- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "промышленная применимость".