Способ и устройство для измерения толщины и плотности гололедных отложений



Способ и устройство для измерения толщины и плотности гололедных отложений
Способ и устройство для измерения толщины и плотности гололедных отложений

 


Владельцы патента RU 2542622:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерства промышленности и торговли РФ (RU)

Изобретение относится к области измерения и регистрации гололедных отложений на длинномерных конструкциях типа морских буровых установок, линий электропередач и т.п. Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства, обеспечивающих непрерывный, через точно определенные промежутки времени, мониторинг характеристик гололедных отложений, позволяющий определить их толщину и плотность. Способ основан на том, что резонансные частоты отдельных элементов конструкции изменяются, если на них появились гололедные отложения. Изменения частоты отдельных резонансных гармоник пропорциональны присоединенной массе льда. Помимо изменения частоты резонансных гармоник гололедные отложения увеличивают декремент затухания звуковых колебаний элементов конструкции, поскольку гололедные отложения представляют собой поглощающую среду для звуковых колебаний. Система для измерения толщины и плотности гололедных отложений содержит устройство возбуждения в конструкции волны звукового диапазона частот и приемное устройство, также усилители принятых сигналов, аналого-цифровой преобразователь и анализатор спектра, подключенные к компьютеру, при этом устройство возбуждения закреплено на конструкции и включает в себя выполненные с возможностью автономной работы генератор шума с подключенным к нему пьезокерамическим вибратором, настроенным на среднюю резонансную частоту амплитудно-частотной характеристики конструкции, а приемные устройства, также закрепленные на конструкции, выполнены в виде датчиков вибрации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерения и регистрации гололедных отложений на длинномерных конструкциях типа морских буровых установок, линий электропередач и т.п.

Гололедные отложения относятся к категории опасных природных явлений. Толщина слоя гололедных отложений на таких конструкциях может достигать 10 см и более, что ощутимо увеличивает массу конструкции и ее парусность к ветровым нагрузкам при штормовом ветре. Большая толщина слоя гололедных отложений на поверхности объектов может привести к аварийным ситуациям.

Известны технические решения для обнаружения гололедных отложений, основанные на различных физических принципах, использующих зависимость скорости распространения электромагнитных или звуковых волн от толщины слоя гололедных отложений на поверхности объектов. Например, «Способ обнаружения появления гололеда на проводах линий электропередачи» (патент РФ №2399133). Способ включает передачу по линии электропередачи высокочастотного сигнала от начала к концу линии и контроль параметра, связанного с изменением условий распространения сигнала по участку провода при появлении гололедных отложений. В качестве контрольного параметра принимают время распространения высокочастотного сигнала от начала до конца контролируемого участка линии. Влияние температуры на время распространения учитывают соответствующей поправкой. Недостатком данного способа, ограничивающего его применение для решения поставленной задачи, является невозможность его использования для объемных конструкций типа ферменных балок со сложной траекторией распространения зондирующего сигнала, т.к. по условиям требований по охране труда и технике безопасности Российского Морского Регистра Судостроения использование электрического тока в металлических элементах конструкции запрещено.

Известен также «Способ обнаружения гололедных образований на проводах в грозозащитных тросах линий электропередачи» (патент РФ №2409882). Согласно описанию способ предусматривает излучение и прием зондирующих импульсов через высокочастотное подключение линии электропередачи и согласованную фильтрацию принятых импульсов.

Решение о наличии гололедных образований принимают по превышению полученного максимального значения сигнала относительно заданного. Недостатком данного способа обнаружения гололедных образований является невозможность оценки толщины гололедных отложений и их плотности.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является «Способ определения толщины слоя льда на внутренней поверхности пульпопровода» (патент РФ №2260175). В нем реализуется способ определения толщины льда на внутренней поверхности пульпопровода, предусматривающий излучение зондирующего сигнала с помощью механического удара по наружной стенке трубы, а частотно-амплитудный спектр ответного звукового сигнала сравнивают с базовыми частотно-амплитудными спектрами, предварительно полученными экспериментально для различных по толщине слоя льда уровней обледенения внутренней поверхности пульпопровода при аналогичном ударном воздействии по трубе. Недостатком является невозможность измерить толщину и плотность гололедных отложений дистанционно и непрерывно. Кроме этого, невозможно получить одинаковые амплитудно-частотные спектры при возбуждении трубы с помощью механического удара.

Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства, обеспечивающих непрерывный, через точно определенные промежутки времени, мониторинг характеристик гололедных отложений, позволяющий определить их толщину и плотность.

Способ основан на том, что резонансные частоты отдельных элементов конструкции изменяются, если на них появились гололедные отложения.

Изменения частоты отдельных резонансных гармоник пропорциональны присоединенной массе льда. Помимо изменения частоты резонансных гармоник гололедные отложения увеличивают декремент затухания звуковых колебаний элементов конструкции, поскольку гололедные отложения представляют собой поглощающую среду для звуковых колебаний. Степень затухания зависит от плотности гололедных отложений на элементах конструкции. Количественная оценка затухания звуковых колебаний, излученных устройством возбуждения, оценивается анализатором спектра по снижению амплитуды спектральных максимумов. Таким образом, спектральный анализ звуковых колебаний в элементах конструкции позволяет количественно оценивать толщину гололедных отложений и их плотность.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения толщины и плотности гололедных отложений, включающем возбуждение в конструкции волны звукового диапазона, ее регистрацию в точке измерения и последующую обработку зарегистрированного сигнала, согласно изобретению дистанционно и через точно определенные промежутки времени осуществляют возбуждение волны звукового диапазона в одной точке конструкции генератором шума с пьезокерамическим вибратором, настроенным на среднюю резонансную частоту амплитудно-частотной характеристики конструкции, а регистрацию этой волны осуществляют одновременно в нескольких точках конструкции, при этом массу слоя гололедных отложений определяют по смещению частот резонансных гармоник зарегистрированного сигнала, а толщину и плотность рассчитывают по массе и величине снижения амплитуды спектральных максимумов относительно состояния конструкции при отсутствии гололедных отложений.

Кроме того, способ характеризуется тем, что перед началом эксплуатации производят первичную калибровку анализатора спектра с помощью накладных грузов, имитирующих массу гололедных отложений, а для толщины и плотности дополнительно фиксируют амплитуды спектральных максимумов в отсутствие гололедных отложений.

Технический результат достигается также тем, что предложена система для измерения толщины и плотности гололедных отложений, содержащая устройство возбуждения в конструкции волны звукового диапазона частот и приемное устройство, также усилители принятых сигналов, аналого-цифровой преобразователь и анализатор спектра, подключенные к компьютеру, отличающаяся тем, что устройство возбуждения закреплено на конструкции и включает в себя выполненные с возможностью автономной работы генератор шума с подключенным к нему пьезокерамическим вибратором, настроенным на среднюю резонансную частоту амплитудно-частотной характеристики конструкции, а приемные устройства, также закрепленные на конструкции, выполнены в виде датчиков вибрации.

Данные по калибровке заносят в паспорт системы и эти данные, совместно с данными, полученными в процессе эксплуатации, используют при расчете толщины и плотности гололедных отложений.

Блок-схема системы измерения толщины и плотности гололедных отложений представлена на Фиг.1, а на Фиг.2 представлен фрагмент длинномерной стальной конструкции с размещенными на нем элементами системы.

В состав системы, согласно блок-схеме, входят: устройство возбуждения 1, состоящее из генератора шума 2 и пьезокерамического вибратора 3, приемных устройств 4, состоящих из датчиков вибрации 5 с подключенными к ним усилителями 6, выходы которых подключены ко входам многоканального аналого-цифрового преобразователя 7, который, в свою очередь, подключен к анализатору спектра 8. Выход анализатора спектра соединен кабельной линией с системным компьютером. Устройство возбуждения работает от аккумуляторной батареи (не показано). При включении питания начинает работать генератор шума 2 и возбуждает пьезокерамический вибратор 3, который генерирует в конструкции волны звукового диапазона на собственных резонансных частотах элементов конструкции в диапазоне частот от 100 Гц до 10 кГц. Вибрации звуковой частоты улавливаются датчиками вибрации 5 и после усиления сигналов усилителями 6 передаются в аналого-цифровой преобразователь 7. После преобразования сигналов вибрации в цифровую форму осуществляется их спектральный анализ с помощью анализатора спектра 8. Анализатор спектра выделяет резонансные гармоники и производит измерение их частоты и амплитуды.

Результаты измерений из анализатора спектра, выполненного на базе специализированного микропроцессора, передаются в компьютер 9 для системного анализа. В компьютере полученные результаты сравниваются с паспортной амплитудно-частотной характеристикой конструкции и по смещению частот резонансных гармоник зарегистрированных сигналов определяют массу гололедных отложений, а по массе и по величине сниженных амплитуд спектральных максимумов рассчитывают толщину и плотность гололедных отложений по эмпирическим формулам. Коэффициенты расчетной эмпирической формулы определяют калибровкой измерительной системы с помощью накладных грузов, имитирующих массу гололедных отложений, а для толщины и плотности - фиксируют амплитуды спектральных максимумов в отсутствие гололедных отложений.

Экспериментальная проверка способа и устройства на опытном образце измерительной системы в опытном ледовом бассейне подтвердила ожидаемые результаты. Погрешность измерения толщины и плотности гололедных отложений составила около 15%, что для данных параметров можно считать удовлетворительным, поскольку толщина гололедных отложений не равномерна по длине конструкции и оценивается как среднее значение.

1. Способ измерения толщины и плотности гололедных отложений, включающий возбуждение в конструкции волны звукового диапазона, ее регистрацию в точке измерения и последующую обработку зарегистрированного сигнала, отличающийся тем, что дистанционно и через точные промежутки времени осуществляют возбуждение волны звукового диапазона в одной точке конструкции генератором шума с пьезокерамическим вибратором, настроенным на среднюю резонансную частоту амплитудно-частотной характеристики конструкции, а регистрацию этой волны осуществляют одновременно в нескольких точках конструкции, при этом массу слоя гололедных отложений определяют по смещению частот резонансных гармоник зарегистрированного сигнала, а толщину и плотность рассчитывают по массе и по величине снижения амплитуды спектральных максимумов, причем и толщина, и плотность определяются относительно состояния конструкции при отсутствии гололедных отложений.

2. Система для измерения толщины и плотности гололедных отложений, содержащая устройство возбуждения в конструкции волны звукового диапазона частот и приемное устройство, также усилители принятых сигналов, аналого-цифровой преобразователь и анализатор спектра, подключенные к компьютеру, отличающаяся тем, что устройство возбуждения закреплено на конструкции и включает в себя выполненные с возможностью автономной работы генератор шума с подключенным к нему пьезокерамическим вибратором, настроенным на среднюю резонансную частоту амплитудно-частотной характеристики конструкции, а приемные устройства, также закрепленные на конструкции, выполнены в виде датчиков вибрации.



 

Похожие патенты:

Заявленное изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля промышленных объектов и используется для контроля за динамикой изменения минимального значения толщины стенки тонкостенных и листовых изделий, а также других изделий, в которых могут распространяться волны Лэмба, например трубопроводов, резервуаров, сосудов, цистерн.

Использование: для измерения толщины отложения материала на внутренней стенке конструкции. Сущность изобретения заключается в том, что a) нагревают участок конструкции; b) детектируют колебания на нагретом участке; c) детектируют колебания на ненагретом участке конструкции; d) определяют резонансную частоту или частоты конструкции на основании колебаний, детектированных на этапе c); и e) определяют толщину отложения материала на внутренней стенке конструкции на упомянутом ненагретом участке с использованием определенной резонансной частоты или частот, на этом этапе используют колебания, детектированные на этапе b), в качестве калибровочных данных.

Изобретение относится к области диагностики линейной части трубопроводных систем и может быть использовано для диагностики технического состояния внутренней стенки магистральных трубопроводов.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в навигационных приборах обнаружения льда и измерения его характеристик. Сущность: в способе автоматического измерения толщины льда с подводного носителя измеряют глубину погружения Н носителя, формируют и излучают низкочастотный сигнал длительностью Т<2Н/С, где Н - глубина погружения носителя, С - скорость звука, и частотой не выше F<1000 Гц, формируют и излучают высокочастотный сигнал с частотой F<1200 Гц/d(м), где d толщина молодого льда в метрах, длительностью М=10/f, причем высокочастотный сигнал излучается в точках, соответствующих равенству нулю амплитуды низкочастотного сигнала, раздельно принимают сигналы, измеряют время равенству нулю амплитуды низкочастотного сигнала ti, где i - порядковый номер измерения, измеряют время прихода переднего фронта высокочастотного сигнала Qi и при совпадении порядковых номеров измерений вычисляют разности времен Qi-ti, определяют фазы задержки низкочастотного сигнала по формуле θ=(Qi-ti)180°/M.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для дистанционных акустических измерений морфометрических характеристик плавучих льдов из-под воды.

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля и может быть использовано для измерения высоты (толщины) металлических деталей или их износа. .

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для определения толщины и плотности отложений в оборудовании химических, нефтехимических предприятий, а также тепловых, геотермальных, атомных энергоустановок.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и предназначено для определения толщины отложений на внутренних поверхностях трубопроводов. .

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и неразрушающего контроля, а именно к методам измерения толщины, определения текстурной анизотропии и напряженно-деформированного состояния конструкций и проката из черных и цветных металлов и сплавов в широком диапазоне толщин при одностороннем доступе, дефектоскопии и структуроскопии различных материалов и изделий, и предназначено для применения в металлургии, машиностроении, в авиастроении, автомобилестроении и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и ультразвукового неразрушающего контроля и позволяет повысить достоверность и точность результатов измерений толщины изделий.

Изобретение относится к области судостроения, а более конкретно - к экспериментальной гидромеханике судов и морских инженерных сооружений, работающих в ледовых условиях, касается методов и оборудования для проведения ледовых модельных исследований в ледовом опытовом бассейне. Предложен способ определения толщины ледового поля при испытаниях моделей судов и морских инженерных сооружений в ледовом опытовом бассейне, заключающийся в зондировании ледового поля ультразвуковыми импульсами с последующим преобразованием отраженных импульсов в напряжение на электронном устройстве и регистрацией результатов измерения, при этом под нижнюю поверхность ледового поля на исследуемом участке подводят плоский жесткий экран, прижимая его к нижней поверхности ледового поля, отражающий зондирующие ледовое поле ультразвуковые импульсы. Предложено также устройство для осуществления данного способа. Технический результат заключается в повышении достоверности и точности результатов эксперимента по определению толщины ледового поля. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Использование: для ультразвуковой толщинометрии с высоким разрешением. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе обследования трубопровода устройство ультразвуковой толщинометрии с высоким разрешением с использованием пьезоэлектрических преобразователей регистрирует отраженные сигналы от внутренней или внешней поверхностей стенки трубопровода, превышающие программно задаваемый порог, при этом выбираются отраженные сигналы по максимальному значению амплитуды, привязанной ко времени прихода от излученного импульса, далее из полученных сигналов выбирают не менее четырех сигналов по максимальным значениям амплитуд и регистрируют как значения времени от излученного импульса, так и амплитуды, при этом определяют границы начала изменения толщины стенки так называемой «зоны неопределенности границы дефекта» и в зависимости от структуры сигнала в «зоне неопределенности» вычисляют величину коррекции и далее корректируют сигналы отступа и толщины стенки трубопровода. Технический результат: обеспечение возможности определения границ зон изменения толщины стенки трубопровода с произвольным расположением плоскостей к нормали акустической оси пьезоэлектрического преобразователя. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для разработки гидроакустической аппаратуры, используемой при плавании в ледовой обстановке. Способ заключается в том, что излучают из подводного положения носителя в направлении льда высокочастотные зондирующие гидроакустические сигналы, принимают отраженные ото льда сигналы, измеряют глубину погружения Н носителя, принимают отраженные эхосигналы веером узконаправленных характеристик в горизонтальной плоскости в диапазоне передней полусферы, производят последовательный набор временных реализаций по всем пространственным характеристикам направленности. Далее производят последовательное аналогово-цифровое преобразование сигнала, последовательную когерентную обработку, измерение уровня помехи по первому циклу набора как среднее значение всех амплитудных составляющих по всем пространственным каналам Апом, выбор порога, по каждому пространственному каналу определение амплитуды эхосигнала превысившего порог, измерение амплитуды эхосигнала Аэхо, измерение номера пространственного канала, определение дистанции Д, по измеренной глубине погружения Н и измеренной дистанции Д, определение угла отражения эхосигнала как Q°=arcsinН/Д. Производят выбор эхосигналов, которые имеют угол отражения в диапазоне 10°-30° и принадлежат тем характеристикам направленности, которые отстоят от направления движения на угол не больше 30 градусов для выбранных эхосигналов, определение коэффициента контраста по формуле S(Q)=Аэхо/Аводы, а толщину льда определяют по формуле Тл=S(Q)×70к, где к - поправочный коэффициент, связанный с особенностями калибровки аппаратуры. Технический результат - дистанционное автоматическое измерение толщины льда в направлении движения по ходу носителя аппаратуры. 1 ил.

Использование: для ультразвуковой эхо-импульсной толщинометрии. Сущность изобретения заключается в том, что измерение толщины осуществляют за N циклов контроля, во время первого цикла контроля на верхней поверхности контролируемого изделия в произвольной точке размещают ультразвуковой преобразователь, излучают в контролируемое изделие зондирующий импульс, принимают из него отраженный от нижней поверхности изделия эхо-сигнал, запоминают принимаемый эхо-сигнал, N-1 раз изменяют положение преобразователя на поверхности контролируемого изделия и для каждого нового положения повторяют цикл контроля, при этом преобразователь выполняют раздельным, положение излучающего и приемного преобразователей на поверхности контролируемого изделия выбирают произвольно, для каждого цикла контроля запоминают геометрические координаты положения излучающего и принимающего преобразователей и производят обработку принимаемых сигналов. Технический результат: расширение функциональных возможностей способа ультразвуковой эхо-импульсной толщинометрии. 5 ил.
Наверх