УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ УТЕЧЕК В НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ Российский патент 1996 года по МПК F17D5/02 G01M3/24 

Изобретение касается контроля герметичности трубопроводов, находящихся под давлением, акустическим методом.

Уровень техники в данной области характеризуется тем, что известно устройство для определения мест утечек в напорных трубопроводах, содержащее первый и второй акустические преобразователи, связанные через два преобразователя сигналов с двумя входами коммутатора, выходы которого соединены с элементом перестройки задержки, связанным с индикатором расстояния, а также схему формирования задающих сигналов и блок управления, связанный выходами с коммутатором [1]
Техническим недостатком этого устройства является отсутствие возможности автоматического определения экстремума взаимной функции корреляции и его индикации.

Технической задачей изобретения является определение величины экстремума взаимной функции корреляции и ее индикации для повышения вероятности и скорости обнаружения места утечки.

Сущность изобретения заключается в том, что для решения этой задачи устройство для определения мест утечек в напорных трубопроводах, содержащее первый и второй акустические преобразователи, связанные через два преобразователя сигналов с двумя коммутаторами, выходы которого соединены с элементом перестройки задержки, связанным с индикатором расстояния, а также схему формирования задающих сигналов и блок управления, связанный выходами с коммутатором, снабжено блоком фиксации экстремума, индикатором уровня и пороговым блоком, каждый преобразователь сигналов выполнен в виде последовательно соединенных полосового фильтра и бинарного квантователя, элемент перестройки задержки выполнен в виде подключенных входами к выходам коммутатора блока начальной задержки и блока временной задержки, подключенных к их выходам дискриминатора временного сдвига и подключенных к выходу последнего цифрового фильтра, а схема формирования задающих сигналов выполнена в виде последовательно включенных задатчика частоты, генератора импульсов, электронного ключа и счетчика импульсов, выход которого соединен со входом блока управления, при этом вход индикатора расстояния подключен к выходу блока управления, соединенного другим выходом со вторым входом блока временной задержки, вторые входы полосовых фильтров подключены к выходу задатчика частоты, выход блока фиксации экстремума подключен ко вторым входам индикаторов уровня и расстояния, а вход порогового блока, вход блока фиксации экстремума и первый вход индикатора уровня к выходу цифрового фильтра, причем первый вход последнего подключен к выходу одного из бинарных квантователей, а второй вход к выходу дискриминатора временного сдвига, подключенному ко второму входу электронного ключа.

На чертеже изображена электрическая функциональная схема устройства.

Устройство содержит первый акустический преобразователь 1, второй акустический преобразователь 2, первый полосовой фильтр 3, второй полосовой фильтр 4, задатчик частоты 5, первый бинарный квантователь 6, второй бинарный квантователь 7, генератор 8 импульсов, коммутатор 9, электронный ключ 10, блок 11 начальной задержки, блок 12 временной задержки, блок 13 управления, дискриминатор 14 временного сдвига, счетчик 15 импульсов, цифровой фильтр 16, пороговый блок 17, блок 18 фиксации экстремума, индикатор 19 уровня, индикатор 20 расстояния.

Устройство для определения мест утечки в напорных трубопроводах имеет два канала приема акустических сигналов, каждый из которых включает последовательно соединенные акустический преобразователь 1 (2), полосовой фильтр 3 (4) и бинарный квантователь 6 (7), коммутатор 9, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого 6 и второго 7 бинарного квантователя, блоки 11 и 12 соответственно начальной и временной задержки, входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами коммутатора 9, дискриминатор 14 временного сдвига, первый и второй входы которого соответственно соединены с выходами блоков 11 и 12 начальной и временной задержки, цифровой фильтр 16, первый вход которого соединен с выходом первого бинарного квантователя 6, второй вход соединен с выходом дискриминатора 14 временного сдвига, а выход с входом блока 18 фиксации экстремума, последовательно соединенные задатчик 5 частоты, генератор 8 импульсов, электронный ключ 10, счетчик 15 импульсов и блок 13 управления, первый выход которого соединен со вторым входом блока 12 временной задержки, второй выход с третьим входом коммутатора 9, пороговый блок 17, вход которого подключен к выходу цифрового фильтра 16, а выход к второму входу счетчика 15 импульсов, индикатор 19 уровня, первый вход которого подключен к выходу цифрового фильтра 16, а второй вход к выходу блока 18 фиксации экстремума, индикатор 20 расстояния, первый вход которого подключен к третьему выходу блока 13 управления, а второй вход к выходу блока 18 фиксации экстремума, выход задатчика 5 частоты подключен к вторым входам первого 3 и второго 4 полосовых фильтров, выход дискриминатора 14 временного сдвига соединен со вторым входом электронного ключа 10. Трубопровод на чертеже не изображен.

Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения.

Наличие утечки в трубопроводе сопровождается турбулентностью потока среды в месте повреждения и возникновением периодического акустического шума, присущего типу утечки, площадью ее проходного сечения и характеристиками транспортируемой среды. Акустические шумовые излучения являются непрерывными квазигармоническими упругими волнами, распространяющимися по трубопроводу в потоке транспортируемой среды и по поверхности трубопровода в обе стороны от места утечки. Для обнаружения звуковых волн, возникающих в месте утечки, на обоих концах контролируемого участка трубопровода устанавливаются акустические преобразователи 1, 2, которые одновременно отфильтровывают шумовой фон нормально работающего трубопровода и пропускают полосу частот звуковых волн, характерную для утечек. В устройстве производится прием и обработка сигналов акустических преобразователей звуковых волн в электрический сигнал. Обработка сигналов от преобразователей 1, 2 заключена в определении временной задержки приема акустического сигнала одним преобразователем 1 (2) относительно момента приема того же сигнала от места утечки вторым преобразователем 2 (1) и по установленной величине задержки определяется место утечки. В предлагаемом устройстве относительная временная задержка определяется как величина временного сдвига между реализациями сигналов каждого из преобразователей 1, 2 в тот момент, когда их текущая взаимная функция корреляции достигает экстремума (максимума) при изменении в устройстве их относительного времени задержки. В момент экстремума эти две реализации наиболее когерентны друг с другом, так как порождены одним и тем же источником турбулентностью среды в месте утечки, хотя они при распространении волны от места утечки в оба конца контролируемого участка зашумляются независимыми фоновыми шумами на этих различных участках и тем самым раскоррелируются. Для снижения влияния этих фоновых шумов производится соответствующее осреднение во времени результатов текущего корреляционного сравнения, в результате которого шумовые составляющие имеют нулевой осредненный отклик, а когерентные составляющие накапливают среднее значение взаимной корреляционной функции, которое достигает экстремума (максимума) при точном совпадении во времени реализации от места утечки. Временной взаимный сдвиг реализаций от преобразователей 1, 2 производится с некоторым малым временным шагом относительно временной задержки, соответствующей расположению места утечки на середине контролируемого участка, поочередно в обе стороны. Для исключения ложного измерения расстояния среди всех возможных экстремумов взаимной функции корреляции выбирается наибольший (максимум-максиморум), для которого и определяется умеренный сдвиг реализации и соответственно относительная временная задержка моментов принятия сигналов преобразователя и расстояние до места повреждения.

Для обеспечения быстродействия и надежности работы устройства в нем предусмотрено адаптивное управление продолжительностью анализа за каждый временной шаг изменения взаимной задержки реализаций и снижение влияния шумового фона предварительной спектральной селекцией анализируемых сигналов.

Снижение влияния шумового фона достигается тем, что в каждый приемный канал устройства введен полосовой фильтр 3 (4) с управляемой от задатчика частоты центральной частотой настройки и узкой полосой пропускания, не превышающей возможную, экспериментально установленную для используемого типа трубопровода и типа перекачиваемой среды, ширину спектра. С помощью задатчика 5 частоты перед началом работы устанавливается ожидаемое значение центральной частоты спектра акустических квазипериодических сигналов и тем самым в дальнейшую обработку не проходят спектральные составляющие шумового фона, что повышает вероятность правильного обнаружения мест утечек и снижает вероятность ошибочных решений, т.е. повышается надежность работы устройства.

Для адаптивного управления корреляционного анализа частота смены временной задержки реализаций регулируется во времени в зависимости от результатов текущего корреляционного анализа для каждого из текущих значений задержки. Продолжительность временного анализа для каждой последующей временной задержки устанавливается такой величины, что, если для текущей временной задержки наблюдается повышение взаимной корреляции задержанных реализаций относительно средних фоновых значений, то продолжительность анализа увеличивается, а если произошло уменьшение взаимной корреляции, то продолжительность анализа уменьшается, и устройство скорее переходит к следующему значению анализируемого временного сдвига реализаций.

Для реализации рассмотренного метода адаптации в устройстве предусмотрено адаптивное формирование моментов формирования тактирующих импульсов перевода блока 13 управления из состояния, соответствующего предыдущему значению временного сдвига реализаций в состояние, определяющее последующие значение временного сдвига.

Для формирования тактирующих импульсов, поступающих на тактируемый вход блока 13 управления, используется счетчик 15 импульсов с определенным основанием N, который подсчитывает импульсы, поступившие с выхода генератора 8 импульсов через ключ 10 на его счетный вход, и после достижения определенного числа (N) импульсов на его выходе появляется тактирующий импульс, изменяющий состояние блока 13 управления, а счетчик 15 импульсов обнуляется, и процессы в нем возобновляются.

Период повторения импульсов в генератор 8 импульсов управляется от задатчика 5 частоты и устанавливается обратно пропорциональным величине частоты настройки полосовых фильтров 3, 4, т.е. чем выше частота настройки полосовых фильтров 3, 4, тем больше период повторения. Такое соотношение позволяет адаптивно поддерживать обратно пропорциональную зависимость между центральной частотой анализируемых сигналов преобразователей 1, 2 и временем корреляционного анализа на каждом временном сдвиге реализаций, что повышает достоверность корреляционного анализа и, соответственно, надежность работы устройства в целом.

Число импульсов, прошедших через электронный ключ 10 на счетный вход счетчика 15 импульсов, регулируется управляющим сигналом с входа дискриминатора 14 временного сдвига, который определяет фактическое текущее временное совпадение реализаций от акустических преобразователей 1, 2 на выходах блоков 11, 12 задержки. Если произошло полное совпадение этих реализаций (т.е. наблюдается полная корреляция), то сигнал на выходе дискриминатора принимает значение, соответствующее логической единице, например, высокого уровня, и этот сигнал закрывает электронный ключ, не пропуская импульсы на вход счетчика 15.

В счетчике 15 импульсов не накапливаются импульсы, блок 13 управления не переводится в следующее состояние и производится более продолжительный корреляционный анализ при этом временном сдвиге реализаций.

При этом в цифровом фильтре 16, представляющем собой цифровой нерекурсивный фильтр, в соответствии с его передаточной функцией производится суммирование импульсов квантованной на уровне логических нулей и единиц входной реализации первого приемного канала поступающими на его первый вход (сигнальный) с весами, например, плюс единица, определяемыми уровнем сигнала на выходе дискриминатора 14 временного сдвига, соответствующим совпадению временных сигналов реализаций на текущем отрезке времени на входах дискриминатора 14 временного сдвига, что увеличивает уровень сигнала на выходе цифрового фильтра 16.

Однако в связи с наличием независимых шумовых компонент в спектрах реализаций приемных каналов в некоторые моменты времени реализации на входах дискриминатора 14 временного сдвига различаются и на выходе последнего в эти моменты времени появляется сигнал другого уровня, соответствующего логическому нулю, например, низкого уровня. Этот сигнал открывает электронный ключ 10, и импульсы с выхода генератора 8 импульсов вновь проходят на счетный вход счетчика 15 импульсов и накапливаются в нем и одновременно этот сигнал изменяет веса суммирования в цифровом фильтре 16 на минус единицу, что уменьшает уровень сигнала на выходе цифрового фильтра 16.

Если реализации сигналов на выходах блоков 11, 12 задержки сдвинуты по времени существенно и не наблюдается их взаимная корреляция (либо отсутствуют места утечек), то уровень сигнала на выходе дискриминатора временного сдвига с большой вероятностью принимает значение, соответствующее логическому нулю. Это приводит соответственно к преимущественному открытому состоянию электронного ключа 10 и определенному соотношению весов суммирования в цифровом фильтре 16 и соответствующему низкому уровню сигнала на выходе последнего.

Уровень сигнала на выходе цифрового фильтра 16 соответствует степени корреляции сигналов на выходах блоков 11, 12 начальной и временной задержки и повышается при уменьшении временного сдвига реализаций от акустических преобразователей 1, 2. Для более детального анализа вблизи истинного значения оцениваемой относительной временной задержки реализации, принимаемых преобразователями 1, 2, скорость (частота) изменения временных шагов временного сдвига в блоке 12 временной задержки существенно уменьшается путем значительного изменения основания счета в счетчике 15 импульсов, например, на порядок, т.е. он становится равным 10N. Тогда следующее значение временной задержки наступит только после прохождения через электронный ключ 10 в десять раз большего числа импульсов от генератора 8 импульсов. Такой плавный подход к точному значению временного сдвига, соответствующего истинному значению относительной временной задержки реализаций, позволяет сигналу на выходе цифрового фильтра 16 более плавно подойти к установившемуся значению и соответственно более точно оценить и зафиксировать момент достижения экстремума (максимума-максиморума), а соответственно, обеспечить этот момент с большой надежностью и произвести точную оценку расстояния до места утечки и одновременно по степени корреляции реализаций определить степень утечки.

Таким образом производится быстрый просмотр временных сдвигов реализаций, где они не коррелированы, и адаптивный плавный просмотр временных сдвигов, где наблюдается корреляция реализаций, что обеспечивает высокое быстродействие работы устройства. Адаптация скорости просмотра временных сдвигов вблизи экстремумов взаимной корреляционной функции задержанных реализаций позволяет повысить вероятность правильного обнаружения места утечки и уменьшить вероятность ложного обнаружения при одновременном повышении точности временного сдвига и соответственно расстояния до места утечки, что повышает надежность работы устройства.

Устройство для определения мест утечек в напорных трубопроводах работает следующим образом.

Сигналы от акустических преобразователей 1 и 2 поступают на сигнальные (первые) входы соответствующих полосовых фильтров 3 и 4. На выходе задатчика 5 частоты по априорным данным о типе трубопровода и транспортируемой среды устанавливается уровень сигнала, поступающий на вторые входы полосовых фильтров 3 и 4 такой величины, чтобы центральные частоты их настройки соответствовали ожидаемому значению центральной частоты спектра сигнала, принимаемого акустическими преобразователями 1 и 2 и при этом шумовые фоновые сигналы ослаблялись вне полосы пропускания полосовых фильтров 3 и 4. Одновременно сигнал с выхода задатчика 5 частоты устанавливает величину периода повторения импульсов в генераторе 8 импульсов.

С выхода полосовых фильтров 3 и 4 сигналы поступают на соответствующие бинарные квантователи 6 и 7, в которых они квантуются по амплитуде на два уровня логической единицы, например, высокого уровня, и логического нуля соответственно низкого уровня. Бинарные квантователи 6 и 7 могут быть выполнены, например, в виде триггера Шмитта.

Квантованные сигналы поступают на первый и второй входы коммутатора 9, переключающего по командам, поступающим на его третий вход от второго выхода блока 13 управления, выходы бинарных квантователей 6 и 7, на входы блоков начальной 11 и временной 12 задержки, изменяя тем самым направление поиска максимума корреляционной функции. Блок 11 начальной задержки обеспечивает возможность нахождения максимума корреляционной функции для случая нахождения места утечки (источника звукового сигнала) в середине длины исследуемой трассы.

Величина начальной задержки при этом больше начальной задержки блока 12 временной задержки. Блок 12 временной задержки обеспечивает временную задержку одного из сигналов, поступающих на вход устройства, на величину, определяемую сигналом управления, поступающим с первого выхода блока 13 управления на второй (управляющий) вход блока 12 временной задержки.

Выбор сигнала для задержки блоком 12 временной задержки определяется блоком 13 управления по жесткой программе, обеспечивающей поиск в обоих направлениях от середины исследуемой трассы.

Сигналы с выходов блоков 11 и 12 начальной и временной задержки поступают на входы дискриминатора 14 временного сдвига, сигнал на выходе которого принимает один из двух уровней логической единицы или логического нуля (например, соответственно высокий или низкий), величина которого пропорциональна временному совпадению входных реализаций в текущий момент времени. При продолжительном временном совпадении временных реализаций на входах дискриминатора 14 временного сдвига поддерживается сигнал логической единицы, который переходит на уровень логического нуля в моменты времени, когда, например, существуют корреляционные мощные шумовые выбросы во входных реализациях каналов. При наблюдении только независимых шумовых реализаций от акустических преобразователей 1 и 2 сигнал на выходе дискриминатора 14 временного сдвига в основном принимает значение логического нуля, что соответствует малой степени коррелированности реализаций. Поэтому до тех пор, пока временная задержка в блоке 12 временной задержки не приблизится к соответствующему значению реализации на выходе блока 11 начальной задержки, сигнал на выходе дискриминатора 14 временного сдвига будет в основном иметь уровень логического нуля. Этот сигнал поступает одновременно на вторые входы цифрового фильтра 16 и электронного ключа 10.

Цифровой фильтр 16 в исходном состоянии обнулен и представляет собой нерекурсивный цифровой фильтр, осуществляющий взвешенное текущее суммирование ограниченной последовательности бинарно-квантованных сигналов с выхода первого бинарного квантователя 1. Весовые коэффициенты для фильтра +1 и -1 формируются на выходе дискриминатора 14 временного сдвига и эквиваленты уровню логической единицы и логического нуля соответственно.

В процессе работы устройства на выходе цифрового фильтра 16 в текущем режиме формируется сигнал, уровень которого пропорционален функции взаимной корреляции сигналов на входах дискриминатора 14 временного сдвига или величине временного рассогласования сигналов на выходах блоков начальной 11 и временной 12 задержки. Когда в процессе изменения величины временной задержки в блоке 12 временной задержки реализации на входах дискриминатора 14 временного сдвига будут приближаться по задержке друг к другу, то уровень сигнала на выходе цифрового фильтра 16 увеличится и сигнал с его выхода поступит одновременно на входы блока 18 фиксации экстремума, порогового блока 17 и на первый вход индикатора 19 уровня.

Изменение величины временной задержки в блоке 12 временной задержки производится по жесткой программе с малым временным шагом, определяющимся требуемой точностью измерения расстояния до места утечки, в моменты поступления тактирующих импульсов на его вход.

Моменты появления тактирующих импульсов в общем виде случайны и зависят от времени подсчета N импульсов в счетчике 15 импульсов, прошедших через электронный ключ 10 с выхода генератора 8 импульсов. Открытое или закрытое состояние электронного ключа 10 устанавливается в зависимости от уровня сигнала, поступающего с выхода дискpиминатора 14 временного сдвига. Если уровень этого сигнала соответствует логической единице, то электронный ключ закрыт, и наоборот.

При достижении уровня сигнала на выходе цифрового фильтра 16 порогового значения срабатывает пороговый блок 17, сигнал на выходе которого переходит на другой уровень, например высокий, что вызывает увеличение основания счетчика 15 импульсов, например, на порядок, т.е. 10N, что вызывает изменение в то же число раз среднего времени перехода от одного состояния задержки блока 12 временной задержки в следующее и соответственно уменьшается скорость корреляционного анализа временного совпадения реализаций.

В процессе работы устройства последовательно просматриваются все возможные взаимные временные сдвиги реализаций и соответственно на выходе цифрового фильтра 16 уровень сигнала изменяется в соответствии с величиной текущей взаимной корреляционной функции сигналов на выходах блоков начальной 11 и временной 12 задержки.

В процессе работы сигнал с выхода цифрового фильтра 16 поступает на вход блока 18 фиксации экстремума, который в исходном состоянии обнулен.

Среди текущих экстремумов (максимумов) функции взаимной корреляции выявляется максимум-максиморум, в момент появления которого на выходе блока 18 фиксации экстремума формируется управляющий сигнал, который поступает на вторые входы (входы управления записью) индикаторов уровня 19 и расстояния 20. В этот момент соответственно в индикаторе уровня 19 записывается уровень сигнала с выхода цифрового фильтра 16, определяющий величину взаимной функции корреляции, а в индикаторе расстояния 20 записывается измеренное значение временного сдвига, поступающее с третьего выхода блока 13 управления. Шкала индикатора 20 расстояния проградуирована на расстоянии до момента утечки от любого из акустических преобразователей или от середины исследуемого участка трубопровода.

Использование: для определения утечек акустическим методом. Сущность изобретения: каждый преобразователь сигналов выполнен в виде последовательно соединенных полосового фильтра и бинарного квантователя, элемент перестройки задержки - в виде подключенных входами к выходам коммутатора, блока начальной задержки и блока временной задержки, подключенного к выходу последнего цифрового фильтра. Схема формирования задающих сигналов выполнена в виде последовательно включенных задатчика частоты, генератора импульсов, электронного ключа и счетчика импульсов, выход которого соединен с входом блока управления. Вход индикатора расстояния подключен к выходу блока управления, соендиненного другим выходом с вторым входом блока временной задержки. Вторые входы полосовых фильтров подключены к выходу задатчика частоты. Выход блока фиксации экстремума подключен к вторым входам индикаторов уровня и расстояния. Вход порогового блока, вход блока фиксации экстремума и первый вход индикатора уровня подключены к выходу одного из бинарных квантователей, второй вход - к выходу дискриминатора временного сдвига, подключенному к второму входу ключа. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ УТЕЧЕК В НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ, содержащее первый и второй акустические преобразователи, связанные через два преобразователя сигналов с двумя входами коммутатора, выходы которого соединены с элементом перестройки задержки, связанным с индикатором расстояния, а также схему формирования задающих сигналов и блок управления, связанный выходами с коммутатором, отличающееся тем, что оно снабжено блоком фиксации экстремума, индикатором уровня и пороговым блоком, каждый преобразователь сигналов выполнен в виде последовательно соединенных полосового фильтра и бинарного квантователя, элемент перестройки задержки - в виде подключенных входами к выходам коммутатора блока начальной задержки и блока временной задержки, подключенного к их выходам дискриминатора временного сдвига и подключенного к выходу последнего цифрового фильтра, а схема формирования задающих сигналов - в виде последовательно включенных задатчика частоты, генератора импульсов, электронного ключа и счетчика импульсов, выход которого соединен с входом блока управления, при этом вход индикатора расстояния подключен к выходу блока управления, соединенного другим выходом с вторым входом блока временной задержки, вторые входы полосовых фильтров подключены к выходу задатчика частоты, выход блока фиксации экстремума - к вторым входам индикаторов уровня и расстояния, а вход порогового блока, вход блока фиксации экстремума и первый вход индикатора уровня - к выходу одного из бинарных квантователей, а второй вход - к выходу дискриминатора временного сдвига, подключенному к второму входу электронного ключа.