Способ определения наличия утечек в трубопроводах и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для текущего контроля за герметичностью трубопроводов. Цель изобретения - повышение надежности определения утечек технологической среды из трубопровода. Для этого используют закономерность, связывающую осевые и радиальные колебания, возбуждаемые в трубопроводах при движении в них жидкостей и газов из-за наличия трения о стенки. О возникновении свищей в трубопроводе судят по уширению спектров сигнала по сравнению с эталонным. Для реализации этого способа используют устройство,обеспечивающее прием, фильтрацию и детектирование сигналов с последующими спектральным анализом, определением частоты модуляции сигнала, ее глубины , определением частоты несущей с максимальным коэффициентом модуляции и определением уширения спектра сигнала 2 с „п. ф-лы, 3 шъ С/

СОЮЗ СОВЕТСКИХ . СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (191 (111 (sa)s С 01 Т. 11/00

9МООЮам

ПАТЕНТпО- ТЕМ%ЧНЯЛ,БИБЛИОТЕКА

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫГИЯМ

ПРИ fNHT СССР (21) 4715787/10 (22) 06 ° 07.89 (46) 23.06.91, Бюп. Р 23 (75) ГЛ.Дегтярев, А.Г.Иванов и И.Л.Пуленец (53) 531.787(088 .8) (56) Патент Японии Р 63-22531, кл. Г. 01 Ь 11/00, 1983.

° ° (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛГНИЯ НАЛИЧИЯ УТЕЧЕК В ТРУБОПРОВОДАХ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) И. обретение относится к измерительной технике и может быть испапьэовано для текущего контроля за герметичностью трубопроводов. Цель изобретения — павы»пение надежности определения утечек технологической

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для текущего контроля за герметичностью трубопровода.

Целью изобретения является повышение надежности определения утечек технической среды из трубопроводов.

На иг.1 представлены результаты спектрального анализа возбуждений в нирокой полосе частот осевых и радиальнь»х продольных капебаний в никелевой оболочке с размерами а

4,15 мм, h/а = 0,03Ь1, где а — радиус срединной поверхности оболочки, h - толщина стенки на фиг.2 — данные спектрального анализа для конкретного трубопровода; на фиг.3—

2 среды из трубопровода. Для этого используют закономерность, связывающую осевые и ради »ль»»ые колебания, возбуждаемые в трубопроводах при движении в них жидкостей и газов из-за наличия трения о стенни. 0 возникновении свищей в трубопроводе судят по ущирению спектров сигнала по сравнению с эталонным. Для реализации этого способа используют устройство,обеспечивающее прием, фильтрацию и детектирование сигналов с последующими спектральным анализом, определением частоты модуляции сигнала, ее глубины, определением частоты несущей с максимальным коэффициентом модуляции и определением уширения спектра сигнала. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. структурная схема устройства для реализации способа.

Спектры соответствующие данным колебаниям содержат два частотных диапазона, разделенные "мертвой зоной" при ka = 1, где k — волновое число в материале оболочки, а — радиус срединной поверхности оболочки, причем при

ka C. 1 наблюдаются спектральные составляющие осевых колебаний, а при

1;а ) 1 — радиальных колебаний, Предполагается, что механизм возбуждения колебаний — автоколебательный и связан с трением движущейся среды, заполняющей оболочку, о ее внутрешше стенки.

1657988 х, -9в- Vt-Â, (2) Условие

x = 0 °

У (4) r. =0

1 (8) - V6,- =0;

B (5) f< с Но

50 (6) йг 1

N ?1

Дли»»у возбуждаемой волны 9,> = na, где п - численный коэффициент. Если ввести систему координат с центром на оси оболочки, то пространственную координату точки, прннадпежащей оси, можно определить из выражения где V — - скорость течения среды; с — текущее время. в

Временные отсчеты связаны со скоростью продольных волн в тонкой пластине С выражением В

С

Р сВ

При делении обеих частей равенства (1) на С получают х B V

° (3) С С С ь выполняется в случае (2), т.е. при

Ч = С .

В случае фактических скоростей

V

V (при числе ?1аха М = — — . 1)

Сг соотношение (4) может выполняться при временных отсчетах, не равных с, т.е. согласно выражениям (1) и (3), будет

Ч

r. 0

С В

При сопоставлении периодов временных отсчетов с 1 и с с частотами возбуждаемых в оболочке волн получается согласно возбуждению автоколебаний в оболочке

Ср где N

Пэ соотношения (6) следует, что частоты fi и .f< принадлежат двум взаимосвязанным частотным диапазонам, один из которых может соответствовать осевым продольным,а другой радиальным продольным колебаниям в оболочке.

В этом случае n = 27.

На фиг.2 представлены данные фиг.1, обработанные в соответствии с изложенным анализом, подтверждающие наличие в спектрах колебаний оболочек вза»»мосвязанных пар осевых и радиальных колебаний.

Ниже приведен пример конкретной реализаци»» способа для трубопровода диаметром 1 м и скорости С = 5 х

Ъ х 10 и/с, тогда N = 2 10 Гц. Тру бопровод, как правило, состоит из

;отдельных сваренных секций (труб) длиной 20 м. При этом частоты соответствующих (связанных соотношением (6) g мод колебан»п»

5 10

f — — — - = 125 Г-.

2 20

N (2 10)

32 10 Гц.

f, 125

Частоты связанных колебаний, возбуждаемых двнжущ»»»»ся потоком со скоростью, V, = 5 и/с.

-3 Ъ

f =ИN=10 210 =2Гц

У

35 1?1 6 — 2 10 Гц, Ф м;

При образовании в определенном месте трубопровода течи в ее окрестно40 сти в трубопроводе возникает локальная зона с повышенной скоростью, например V> --- 8 м/с.

В спектре колебаний в этом случае появится еще одна пара Связанных час45 тот

= М ?? = 2 7 Гц. в у

=- — N 1,610 Гц

В Ht (9)

В этом случае при движении потока газа (жидкости) в оболочке будут возбуждаться две пары частот (7) и (8).

Причем, исходя из метрологических возможностей, целесообразным в дайном случае будет диагйостирование путем контроля частот f< и fB, так как частота fg будет промодулирована частотой f .

5 165

В случае повреждения трубопровода (появления свищей) будет наблюдаться ушпрение частоты f эа счет воэбужде9 ния частоты. При увеличении размеров свища частоты f5 будет возрастать, что приведет к возрастанию уширения полосы частот

Е3 — Е5-, Причсм прием частот f и f< «ецелесообразен ввиду их зйачительного затухания в материало оболочки. .Прием частоты также будет нецелесообразным ввиду устойчивости данной частоты различным деформациям трубопровода (в том числе и поврсждепиям).

В состав устройства входят последовательно соединенные блок 1 приема сигнала, блок фильтрации 2, блок детектирования 3 и две ветви. первая— блок 6 спектрального анализа сигнала и определения частоты модуляции .сигнала и вторая — блок фильтрации 4, блок детектирования сигнала 5, через блок 6 блок 7 измерения глубины модуляции сигнала, блок 8 определения частоты несущей с максимальным коэффициентом модуляции сигнала и блок определения 9 уширения спектра сигнала.

Устройство работает следующим образом.

11ринятый блоком 1 сигнал поступает в блок 2, где расфильтровывается третоктавным фильтром и после детектирования с помощью измерительного усилителя в режиме амплитудного детектирования (блок 3) поступает иа вход блока 6 (споктроапалиэатор), где определяется частота модуляции сигналаа.

В блоке 7 производится измерение превышения составляющей над сппошной частью спектра сигнала, а затеи определяется глубина модуляции сигнала.

В блоке 2 выполняется третьоктавная фильтрация сигнала на различных частотах, значения которых поступают в блок 8, куда также поступают значения модуляции сигнала иэ блока 7, В блоке 8 определяется частота несущей с максимальным коэффициентом модуляции. Для этого используется цифровой регистратор, который позволяет

1 мгновенно считывать и регистрировать в памяти текущие спектры с экрана спектроанализатора 6.

7988

5

6

В блоке 9 сравнивают выделенные в блоке 8 составляющие с максимальной энергией с эталонными значениями, хранящимися в блоке 9.

Следует указать на два пути прохождения сигнала: первая цепочка 3-6 позволяет определять частоту модуля-сигнала на различных частотах несущей; вторал цепочка 3-4-5-6 — определять частоту модуляции первой огибащей сигнала на различных частотах несущей.

Алгоритм обработки сигнала следующий.

Все принятые си налы проходят через блоки схемы обработки (см. фиг.З) и в блоке 9 выделяются модуля- ционные частоты и несущие с максимальной модуляцией, которые и отображаются на экране.

При исправном труббпроводе будут считываться опорные частоты с несущей f< и модуляционной ft (связанные моды колебан пЪ оболочки трубопровода) и частоты, возбуждаемые движущимся потоком с несущей f и модуляционной fq .

В виду сильного затухания частоты

Е при приеме следует иметь в виду несущую частоту f, соответственно промодулированную частотами f„ è f>.

Скорость жидкого (или газообраэноto) потока иэ-эа нестационарности (например, провисание труб или участки изгиба осей труб) будет изменяться в определенных пределах.

Пусть данное изменение соответствует

+п7.. Вариации скорости потока рабочей среды связаны с вариациями частоты f Пусть данные вариации частоты составляют +а/. Тогда в случае появления свища в трубопроводе в спектре его колебаний появится еще одна модуляционная частота f5-, которую также выделяют из несущей f>. Превышение порогового значения mX над минимальным, хранящимся в памяти блока 9, означает наличие утечки технологической среды иэ трубопровода через свищ или трещину.

Формула изобретения

1. Способ определения наличия утечек в трубопроводах, включающий прием и регистрацию акустических сигналов, генерируемых потоком среды, 16579 выделение огибающих высокочастотной составляющей спектров сигналов и определение наличия утечек в трубопроводе отличающийся тем, Э

5 что, с целью повышения достоверности определения наличия утечек, прини° маемые сигналы фильтруют набором полосовых фильтров, определяют полосы частот с максимальным коэффициентом модуляций, затем детектируют сигналы, после чего вычисляют спектры продетектнрованных сигналов, выделяют в иих частотные полосы составляющих спектра с максимальной энергией, сравнивают их с эталонными, а наличие утечек определяют по уширению частотных полос составляющих спектра с максимальной энергией.

2. Устройство для определения наличия утечек в трубопроводах, содержаг ее датчик акустических сигналов, выход которого соединен с последовательно включенными первым блоком филь-25 трации и первым блоком детектирования о т л и ч а ю щ е е с я тем, Э что, с целью повышения достоверности определения наличия утечек, в него введены блок спектрального анализа и определения частоты модуляции, блок измерения глубины модуляции сигна88 8 ла, блок определения частоты несущей с максимальным коэффициентом модуляции сигнала, блок определения уширения спектра сигнала, последовательно включенные второй блок фильтрации и второй блок детектирования, а также переключатель, при этом вход переключателя соединен с выходом первого блока детектирования, его первый выход — с первым входом блока спектралв, ного анализа и определения частоты модуляции, а его второй выход — с входом второго блока фильтрации, причем выход блока детектирования соединен с вторым входом блока спектрального анализа и определения частоты модуляции, первый выход которого подключен к первому входу блока определения уширения спектра сигнала, а второй через последовательно включенный блок измерения глубины модуляции — к первому входу блока определения частот несущей с максимальным значением коэффициента модуляции сигнала, к второму входу которого подключен выход первого фильтра, при этом выход блока определения частот несущей с мак симальным значением коэффициента модуляции сигнала соединен с вторым вхо дом блока определения уширения спектра сигнала.

100 800 370 400 ЯО 600 700 8М кГц

Р /

1657988

Риг2

Составитель А.Зосимов

Редактор Т.Иванова Техред N.NopreaTMl Корректор Н.Ревская

Заказ 2430 Тираж 352 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101