ДИСТАНЦИОННЫЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ ТЕЧИ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

Настоящее изобретение относится к средствам диагностики водопроводных сетей и предназначено для обнаружения начала разрушения больших магистральных водоводов.
При диагностировании трубопроводов передающих большие массы воды на значительные расстояния возникают проблемы связанные с началом разрушения трубопроводов из-за коррозии или механической деформации. Как правило, такое разрушение происходит медленно во времени и сопровождается различными классификационными признаками которые могут быть диагностированы при различных методах исследования. Известны методы диагностики изложенные в книге В.В. Клюев Технические средства диагностирования. Справочник М. Машиностроение 1989 г. Там предоставлено техническое решение содержащее профилометр который представляет герметическую капсулу, с которая движется в трубопроводе под действием перепада давления, создаваемого уплотнительными манжетами в конструкции капсулы, содержащую последовательно соединенные блок съема информации в виде 128 каналов магнитного контроля состояния металла в трубопроводе аналогово цифрового преобразователя сигналов магнитного поля, аппаратуру отложенной обработки магнитной информации в виде последовательно соединенных интерфейса данных магнитного поля, вход которого соединяется после вылавливания снаряда с выходом блока памяти магнитного поля снаряда.
Известна система внутритрубной диагностики трубопровода по патенту РФ №2279652, которая осуществляет контроль температуры и гидростатического давления и определения мест утечки из трубы через свищи и трещины. Окончательное принятие решения производится после проведения отложенной обработки данных снятых такой же герметической капсулой.
Недостатком рассматриваемого способа является сложность сбора информации магнитными датчиками и неоднозначность интерпретации полученных результатов системой отложенной обработки и необходимость движения измерительного снаряда в трубе одного диаметра, что ограничивает область использования предлагаемого метода.
Известен способ и устройство обнаружения течи по авторскому свидетельству СССР №1610351. В этом способе с помощью фильтрации разделяют высокочастотную и низкочастотную части спектра сигналов. Вычисляют корреляционную функцию от высокочастотной части сигнала. Из корреляционной функции выделяют информационный параметр для формирования сигнала тревоги. Положение течи определяют по месту нахождения преобразователя от которого поступил сигнал тревоги.
Недостатком способа является недостаточная эффективность выделения сигнала течи, поскольку обработка информации производится на конкретном месте установки акустических датчиков и сложность монтажа и проверки работоспособности аппаратуры.
Наиболее близким аналогом, который предлагается выбрать в качестве прототипа является «Способ определения места и размера течи в трубопроводе и устройство его реализующее» по патенту РФ №2221230. Способ содержит прием акустической информации с использованием «п» приемников, установленных по трассе трубопровода через определенное расстояние, усиление сигналов в каждом канале, фильтрацию сигналов в каждом канале, аналогово - цифровое преобразование принятого сигнала, анализ взаимного спектра между каналами, вычисление расстояний, определение размеров течи и представление информации на индикатор. При обнаружении течи ближайшим акустическим датчиком начинается взаимно - спектральный анализ сигналов с двух близлежащих датчиков, после чего определяется расстояние до течи Устройство содержит К каналов, каждый канал состоит из акустического датчика, усилителя, фильтра, аналогово- цифровой преобразователя и К канального блока уплотнения информации мультиплексного канала передачи информации, блока разуплотнения информации, блока накопления и анализа взаимных спектров и многоканального блока обнаружения течи, блока формирования сигнала тревоги, индикатора мест и размеров течи и блока управления. Недостатком прототипа является передача информации по проводам, которые протягиваются по трубам на большие расстояния, что требует сложную процедуру технологического монтажа и предварительной подготовки, которая ограничивает область применения предлагаемого устройства и снижает надежность получаемой информации.
Целью настоящей полезной модели является повышение надежности получаемой информации и упрощение процедуры сбора и обработки исходных данных для принятия решения.
Указанный недостаток устраняется тем, что в устройство содержащее К автономных каналов, состоящих из К акустических датчиков, К усилителей введены новые блоки и новые связи а именно: К автономных, герметичных блоков, каждый из которых состоит последовательно соединенных акустического датчика АКД, усилителя УС, радиопередатчика РП, второй выход источника ИП соединен со вторым входом усилителя УС, а выход блока управления БУ со вторым входом радиопередатчика, последовательно соединенных термопреобразователей ТП, подзаряжаемых источников питания ИП, блока управления БУ, отдельно расположенная автономная стационарная многоканальная система обработки, содержащая последовательно соединенные К приемников радиосигнала, К блоков спектральных анализаторов, К накопителей спектров, К-1 блоков вычислителей взаимного спектра между накопленными спектрами соседних передатчиков, выходы которых соединены с соответствующими последовательным каналам входами блока обнаружения течи БОТ и блоком измерения параметров течи БИПТ, которые в свою очередь связаны друг с другом двусторонней связью.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Согласно мировой практике интенсивность отказов трубопроводов достаточно высока и составляет 0,45 на 1000 км в год. Учитывая, что общая протяженность трубопроводов составляет сотни тысяч километров задача создания систем акустического дистанционного контроля за случайным появлением течи является актуальной. Вопросы, связанные с методами акустического контроля достаточно подробно изложены книге Ю.Б. Дробот, В.А. Грешников, В.Н. Бачегов «Акустическое контактное течеискание» Машиностроение М. 1989 г. При истечении струй различного происхождения в открытое пространство наблюдается излучение звука высокой интенсивности. Струя является источником звукового излучения трех типов (Т.Х. Сидельников «О дискретной составляющей частотного спектра свободной струи» Физика аэродинамических шумов М. Наука, !967 с 88-94):
- излучение турбулентной части струи, имеющее место при любых давлениях в трубе, связанных с движением жидкости внутри трубы;
- излучение дискретного тона при расширении струи при появлении трещины
- излучение из за быстрого распространения пограничного возмущения.
Как правило, излучение дискретного тона возникает при образовании отверстия и формирует сигнал высокой частоты. Чем меньше отверстие, тем выше частота акустического звука. Со временем в процессе расширения отверстия частота понижается, что говорит о начале разрушения трубы.
Турбулентная часть струи создает низкочастотное излучение, которое характерно для действующего стационарно процесса, и которое характеризует нормальную работу трубопровода. Исходной точкой любого акустического контроля является отсутствие дискретной высокочастотной части спектра и наличие стационарного низкочастотного излучения турбулентного движения воды в трубопроводе.
Трудность заключается в том, что прорыв трубопровода может происходить в любом месте, в любое время и событие это трудно прогнозировать. Особенно большие неприятности возникают при передаче большой массы горячей воды через трубопроводы в городских условиях, когда трубопровод находится в грунте и доступ к трубе ограничен, а последствия могут быть не предсказуемые. В этих условиях необходимо создание автономной компактной системы, которая обеспечить непрерывный длительный контроль трубопровода в любых условиях и предварительное обнаружения аварийного состояния трубопровода для принятия упреждающих мер. Кроме того, необходимо обеспечить мобильную установку датчиков с минимальными затратами на готовый трубопровод и защиту аппаратуры от воздействия случайных помех, возникающих при движении автомобильного транспорта, создающие кратковременные звуковые сигналы.
Прием акустических сигналов шумоизлучения горячей водной массы проходящей через трубопровод производится с помощью автономного герметического контейнера, содержащего акустический датчик. В качестве этих датчиков для трубопровода используются акустические широкополосные гидрофоны или тензометрические датчики, так называемые сейсмоприемники. Контейнеры с датчиками устанавливаются при монтаже трубопровода, либо с использованием специального приспособления на уже готовый трубопровод, находящейся в эксплуатации. Кроме датчиков в автономном контейнере находится усилитель, соединенный с радиопередатчиком и термопреобразователь, соединенный через подзаряжаемый источник питания и через блок управления со вторым входом радиопередатчика. В качестве радиопередатчика может использоваться обычный сотовый телефон, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя акустического датчика. В качестве блока управления может использоваться стандартная процедура автономного включения сотового телефона на передачу сигнала шумоизлучения через задаваемый временной промежуток. Вся эта процедура не представляет значительных трудностей и может быть выполнена любым грамотным программистом. Кроме того, можно просто выдать задание на разработку простейшего сотового телефона, который будет выполнять требуемые функции. В каждом канале используется свой сотовый телефон со своим номером, но передачу информации осуществляется на один принимающий номер стационарной системы. Питание автономной системы осуществляется с использованием стандартного аккумулятора, который все время подзаряжается с использованием термопреобразователя, который вырабатывает электрическую энергию при нагревании во время прохождении горячей воды через трубопровод. Эти термопреобразователи могут работать и при разнице температур не только горячей. Поскольку для решения задачи используются информация, вырабатываемая при анализе взаимного спектра, то информация должна приходить в близкие моменты времени, что должна обеспечивать процедура последовательного времени включения передачи сотового телефона. Это все должно быть запрограммировано перед установкой автономного контейнера на тело трубопровода. Стационарная многоканальная система обработки может находиться в любом месте, где обеспечивается устойчивая связь. Она принимает по радио каналу последовательно информацию о шумоизлучении в трубопроводе акустическими датчиками, положение которых фиксировано и известно, определяет источник информации, положение источника информации, производит спектральный анализ и накапливает результаты спектрального анализа по последовательным сеансам приема. Накопление спектральной информации необходимо для того, чтобы исключить кратковременные звуковые сигналы, создаваемее мешающими источниками. Кроме того, накопление спектральной информации является стандартной процедурой, которая позволяет повысить отношение сигнал помеха и выделить неисправность трубопровода на ранней стадии. Основной информацией для решения задачи связанной с контролем состояния трубопровода и используемой в прототипе, является взаимный спектр. Оценка взаимного спектра происходит в отдельном блоке обнаружителя течи. Обнаружитель течи представляет собой обычное пороговое устройство, которое фиксирует уровень взаимного спектра при нормальном стационарном процессе движения воды в трубопроводе в рабочих исправных условиях. При нарушении условия стационарности из-за появления звуковой дискреты, обусловленной выходом пара или воды через трещину или отверстие, сигнал на выходе измерителя взаимного спектра увеличивается, что приводит к формированию сигнала тревоги. По этому сигналу включается процедура определения положения источника течи, которое используется в прототипе.
На фиг 1 представлена блок- схема предлагаемого технического решения.
На фиг 1 обозначено:
1, 2,……К - автономные герметичные блоки АГБ, каждый из которых содержит:
1.1 - акустический датчик АКД;
1.2 - термопреобразователь ТП;
1.3 - усилитель УС;
1,4 - источник питания ИП;
1.5 - радиопередатчик РП;
1.6. - блок управления БУ.
7 - стационарная многоканальная система обработки, содержащая К каналов обработки, в каждый из которых входят
7.1…К - приемник радиосигналов ПРС;
8.1…К - спектранализатор БПФ;
9.1…K - накопитель;
10. К - 1 вычислители взаимного спектра между соседними каналами;
11 - блок обнаружения течи;
12 - блок измерения параметров течи. Система работает следующим образом
Автономные герметические блоки 1…К (АГБ) устанавливаются вдоль трассы трубопровода непосредственно на теле трубы на расстояниях, которые определяются дальностью сохранения когерентности сигналов шумоизлучения в соответствии с методикой изложенной в прототипе. Каждый АГБ крепится непосредственно на корпус трубопровода с использованием механического крепления, либо с использованием клеевых растворов, которые обеспечат устойчивый акустический контакт. Шум, принимаемый акустическим датчиком 1.1 АКД, преобразуется в электрический сигнал, усиливается усилителем 1.3 УС и поступает на радиопередатчик 1.5 РП, который работает не постоянно, а в режиме определяемой программой, которая формируется в блоке 1,6 БУ. Количество АГБ определяется протяженностью трубопровода. Для примера приведенного в прототипе, для 50 км трубопровода необходимо было порядка 100 АГБ. Если по трассе используются 100 АГБ и интервал передачи радиосигнала составляет 0,5 секунду, то будет обеспечена точность спектрального анализа порядка 2 гц. Это определяет информативность спектральной обработки и тогда общее время передаваемой информации составит 50 сек. или 1 минуту. Можно исходить из того, что в самом плохом случае на дистанции 100 км интервал нарушения герметичности трубопровода будет составлять 1 час. Тогда блок управления будет включать РП каждый час, что должно быть запрограммировано для всех АГБ. Информация, передаваемая последовательными соседними АГБ, будет коррелированна и сохранит общие спектральные свойства, присущие процессу разгерметизации. Вопрос о частоте передаваемой информации может подбираться экспериментальным путем. Однако, каждый сеанс принудительной передачи радиосигнала будет говорить об исправности всех АГБ и достоверности передаваемой информации. Термопреобразователь 1,2 необходим для подзарядки источника питания ИП блок 1.4. Термопреобразователь является известным устройством, который представляет собой термопару на основе полупроводника, обеспечивающий выработку электрической энергии при нагревании. Такие устройства типа «ТРИАД ТЖК» выпускаются серийно компанией « Вектор ПМ» и обеспечивает работоспособность в диапазоне температур от - 20° до +300°. Термопары представляют собой термочувствительный элемент, состоящий из двух последовательно соединенных разнородных проводников, которые при нагревании вырабатывают электрический ток достаточный для подзарядки ИП. Остальные элементы АГБ используются в прототипе. Стационарная многоканальная система обработки 7 СМСО содержит К приемных каналов, которые принимают не зависимо друг от друга радиосигналы АГБ. В качестве многоканального приемника радиосигналов может быть использован сотовая телефонная система, который работает в штатном режиме и принимает сигналы последовательно от К корреспондентов, имеющих различные номера и записывает последовательно в память. Принимаемая информация соответствует последовательному процессу включения АГБ, каждый из которых работает по своей программе. Принятые сигналы, блоками 7.1 ПРС……7.K ПРС переписываются в память СМСО 7, которая представляет собой спецпроцессор, выполненный на базе обычного компьютера, который работает по специальной разработанной программе с использованием программного обеспечения на основе МАТЛАБ и МАТКАД. Это программное обеспечение может выполнять все процедуры, предусмотренные СМСО 7. (В.Г. Потемкин, П.И. Рудаков МАТЛАБ 5 Новая редакция М. Диалог Мифи 1999 г.) В блоке 8.1 происходит спектральный анализ временной реализации, принятый приемником 7.1 ПРС от АГБ1. Спектральный анализ происходит с использованием стандартных программ быстрого преобразования Фурье БПФ, которые в настоящее время широко используются во всех цифровых устройствах..(«Применение цифровой обработки сигналов», изд. Мир М. 1990 г. стр.296)
Полученная оценка энергетического спектра от АГБ1 передается в накопитель 9.1, где происходит накопление спектров за несколько циклов передач. Накопленная оценка спектра является более устойчивой характеристикой стационарного процесса, чем одиночный спектр и она может быть использована для оценки взаимного спектра и для оценки порога, который определяет момент нарушения стационарности процесса прохождения жидкости в трубопроводе. Такая процедура получения спектра происходит в каждом канале СМСО 7. С выходов накопителей 9.1 НС и 9.2НС оценки накопленных энергетических спектров с 1АГБ и со 2АГБ поступает на вход блока 10 ВС, которые являются блоками взаимного спектрального анализа и выполняются с использованием той же стандартно процедуры БПФ, которая также содержится в перечне предлагаемых программ. С выхода блока 10.1.2 ВС…10.К-1. К ВС оценки взаимного спектра поступают в блок 11 обнаружения течи БОТ, где определяется наличие дискретной частоты, образующейся при истечении жидкости через образовавшуюся трещину или отверстие, или резкое превышение общего уровня шумоизлучения, которое характерно для образовавшегося процесса разгерметизации трубопровода. Аналогичная информация поступает в блок 12 измерения параметров течи БИПТ, где определяются параметры образовавшейся течи, что необходимо знать для принятия экстренных мер. Блоки ОБТ и БИПТ являются известными устройствами и используются в прототипе.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволит дистанционно и оперативно контролировать состояние трубопроводной системы и заблаговременно предупреждать о наличии опасной разгерметизации.