УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЦИСТЕРН Российский патент 1998 года по МПК G01M3/24 

Изобретение относится к устройствам контроля герметичности цистерн и, в частности, к устройствам контроля герметичности железнодорожных цистерн.

Известно устройство контроля герметичности цистерн [1], содержащее микрофон, блок обработки сигналов и телефон.

Недостаток известного устройства - низкая производительность контроля.

Цель изобретения - повысить производительность контроля.

Цель достигается за счет того, что:
1. В устройство контроля герметичности цистерн, содержащее прямой канал передачи сигналов, включающий в себя размещенный в цистерне микрофон и блок обработки сигналов прямого канала, вход которого соединен с выходом микрофона, обратный канал передачи сигналов, включающий в себя телефон, в прямой канал введены размещенный вне цистерны ультразвуковой излучатель, блок формирования сигналов прямого канала, выход которого соединен с входом ультразвукового излучателя, а в обратный канал введены блок формирования сигналов обратного канала, блок обработки сигналов обратного канала, передающая и приемная антенны, причем выход блока обработки сигналов прямого канала соединен с входом блока формирования сигналов обратного канала, выход последнего соединен с передающей антенной, приемная антенна соединена с входом блока обработки сигналов обратного канала, выход этого блока подключен к телефону, а микрофон является ультразвуковым.

2 В устройстве по п. 1 микрофон имеет круговую, а ультразвуковой излучатель - сосредоточенную в пределах небольшого угла диаграмму направленности.

3 Устройство по п. 1 снабжено телескопической или разборной штангой для установки ультразвукового излучателя, а микрофон и блок обработки сигналов прямого канала собраны в одном корпусе, имеющем тросик для подвешивания его внутри цистерны.

4. В устройстве по п.1 блок обработки сигналов прямого канала состоит из последовательно соединенных малошумящего усилителя, фильтра подавления зеркального канала, преобразователя частоты, усилителя промежуточной частоты, фильтра промежуточной частоты, амплитудного детектора и порогового устройства, а блок формирования сигналов прямого канала состоит из последовательно соединенных генератора ультразвуковых колебаний и усилителя мощности.

На чертеже изображена функциональная схема устройства.

Обозначения: 1 - прямой канал передачи сигналов, 2 - блок формирования сигналов прямого канала, 3 - ультразвуковой излучатель, 4 - микрофон, 5 - блок обработки сигналов прямого канала, 6 - обратный канал передачи сигналов, 7 - телефон, 8 - блок обработки сигналов обратного канала, 9 - приемная антенна, 10 - передающая антенна, 11 - блок формирования сигналов обратного канала, 12 - генератор ультразвуковых колебаний, 13 - усилитель мощности, 14 - малошумящий усилитель, 15 - фильтр подавления зеркального канала, 16 - преобразователь частоты, 17 - усилитель промежуточной частоты, 18 - фильтр промежуточной частоты, 19 - амплитудный детектор, 20 - пороговое устройство.

Прямой канал передачи сигналов, образуемый блоками 2 и 5, ультразвуковым излучателем 3 и ультразвуковым микрофоном 4, является акустическим. Обратный канал, состоящий из блоков 8 и 11, приемной и передающих антенн 8 и 9 и телефона 7, является радиоволновым или (при большой длине волны) индуктивным.

При проведении контроля блок 11 и передающая антенна 10 размещаются на поверхности контролируемой цистерны (над люком цистерны, если это цистерна железнодорожная). Микрофон 4 и блок 5, собранные в одном корпусе, с помощью тросика подвешиваются внутри цистерны.

У оператора находятся телефон 7, блоки 2 и 8, излучатель 3 и приемная антенна 9.

Излучатель 3 оператор держит в руках, а блоки 2 и 8 и приемную антенну 9 закрепляет на одежде (например, на поясе).

Оператор обходит цистерну, сканируя с помощью излучателя 3 ее поверхность. Если обследуются верхняя или нижняя часть цистерны, излучатель закрепляется на телескопической или раздвижной штанге.

Сигналы о дефектах оператор прослушивает в телефоне 7.

Работает устройство следующим образом.

Генератор УЗ колебаний 12 вырабатывает синусоидальное напряжение. Оно усиливается по мощности в блоке 13 и поступает на излучатель, который преобразует его в акустический сигнал. Этот сигнал достигает стенки цистерны на некотором участке, на который направлен излучатель. Излучатель имеет диагррамму направленности, сосредоточенную в пределах небольшого угла.

Если на указанном участке есть сквозное отверстие (сквозной дефект), через него акустический сигнал проникает внутрь цистерны и достигает микрофона 4, подвешенного вместе с блоком 5 внутри цистерны. В микрофоне акустический сигнал превращается в электрический и поступает на блок 5, где вырабатывается команда на формирование сигнала дефекта в блоке 11. Сигнал дефекта, который подается в передающую антенну 10, достигает приемной антенны 9 и после обработки в блоке 8 поступает в телефон 7.

Обработка сигнала в блоке 5 происходит следующим образом. Сигнал с микрофона 4 поступает на малошумящий усилитель 14. После него сигнал подается на фильтр подавления зеркального канала 15, где происходит его предварительная частотная селекция. В преобразователе частоты 16 ультразвуковая частота заполнения сигнала заменяется на более низкую промежуточную частоту. Основное усиление и частотная фильтрация сигнала происходят в усилителе 17 и фильтре промежуточной частоты 18. После детектирования в амплитудном детекторе 19 сигнал поступает на пороговое устройство 20. Если амплитуда сигнала на входе этого устройства превышает установленный заранее порог, вырабатывается команда на формирование сигнала дефекта.

Микрофон с круговой диаграммой направленности может быть составлен из соответствующим образом соединенных и расположенных в пространстве направленных микрофонов.

Сравнение предлагаемого решения с известным позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Из уровня техники неизвестны решения, позволяющие повышать производительность контроля герметичности цистерн за счет того, что:
1. В устройство контроля герметичности цистерн, содержащее прямой канал передачи сигналов, включающий в себя размещенный в цистерне микрофон и блок обработки сигналов прямого канала, вход которого соединен с выходом микрофона, обратный канал передачи сигналов, включающий в себя телефон, в прямой канал введены размещенный вне цистерны ультразвуковой излучатель, блок формирования сигналов прямого канала, выход которого соединен с входом ультразвукового излучателя, а в обратный канал введены блок формирования сигналов обратного канала, блок обработки сигналов обратного канала, передающая и приемная антенны, причем выход блока обработки сигналов прямого канала соединен со входом блока формирования сигналов обратного канала, выход последнего соединен с передающей антенной, приемная антенна соединена со входом блока обработки сигналов обратного канала, выход этого блока подключен к телефону, а микрофон является ультразвуковым.

2 В устройстве по п.1 микрофон имеет круговую, а ультразвуковой излучатель - сосредоточенную в пределах небольшого угла диаграмму направленности.

3 Устройство по п.1 снабжено телескопической или разборной штангой для установки ультразвукового излучателя, а микрофон и блок обработки сигналов прямого канала собраны в одном корпусе, имеющем тросик для подвешивания его внутри цистерны.

4. В устройстве по п.1 блок обработки сигналов прямого канала состоит из последовательно соединенных малошумящего усилителя, фильтра подавления зеркального канала, преобразователя частоты, усилителя промежуточной частоты, фильтра промежуточной частоты, амплитудного детектора и порогового устройства, а блок формирования сигналов прямого канала состоит из последовательно соединенных генератора ультразвуковых колебаний и усилителя мощности.

За время, прошедшее со дня подачи заявки на данное изобретение, освоен промышленный выпуск соответствующих ему устройств контроля герметичности цистерн. В настоящее время они успешно работают в сорока депо по ремонту вагонов на дорогах России и Белоруссии.

Высокая производительность контроля цистерн заявляемым устройством объясняется тем, что при его использовании не требуется:
заполнять цистерны пробным газом или жидкостью;
создавать в цистернах вакуум или избыточное давление;
создавать механический контакт между оболочкой цистерны и излучателем или микрофоном;
соединять кабелем блок 11, где формируется сигнал дефекта, и блок 8, к выходу которого подключен телефон оператора (кабель увеличивает время подготовки и развертывания устройства, а также уменьшает подвижность оператора и увеличивает время, необходимое для обхода и сканирования всей поверхности цистерны).

Достоверность контроля заявляемым устройством зависит, главным образом, от полосы пропускания фильтра промежуточной частоты.

Пример расчета этой полосы применительно к контролю железнодорожной цистерны.

Обозначим через Δf указанную полосу, через θ - ширину диаграммы направленности излучателя, через V - скорость перемещения излучателя вдоль стенки цистерны, через l - расстояние между стенкой цистерны и излучателем, через τ - длительность акустического импульса, поступающего на микрофон.

Несмотря на то, что УЗ излучатель работает непрерывно, при сканировании поверхности цистерны сигнал на микрофон через дефект поступает в виде импульса, длительность которого зависит от θ V и l следующим образом:

Полагая, что шум на выходе микрофона является нормальным и белым, находим Δf, гарантирующее максимальное отношение сигнал/шум на входе амплитудного детектора [2].

Δf ≈ 1,37/τ.

Максимум отношения сигнал/шум на входе амплитудного детектора обеспечивает минимум ошибок обнаружения полезного сигнала (сигнала дефекта), т.е. максимальную достоверность контроля.

Пусть, например, θ = 15^o, l = 1 м, V = 1 м/с. Тогда

Источники информации.

1. Патент США N 4462249, кл. G 01 M 3/24, 1984.

2. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. - М.: Советское радио, 1977, с. 229.

Устройство контроля герметичности цистерн может быть использовано при контроле герметичности цистерн акустическим бесконтактным методом и, в частности, устройств контроля железнодорожных цистерн. В устройстве прямой канал передачи сигналов включает в себя размещенный в цистерне микрофон с круговой диаграммой направленности, блок обработки сигналов прямого канала, вход которого соединен с выходом микрофона, размещенный вне цистерны ультразвуковой излучатель с сосредоточенной в пределах небольшого угла диаграммой направленности, блок формирования сигналов прямого канала, выход которого соединен с входом ультразвукового излучателя. Обратный канал передачи сигналов включает в себя телефон, блок формирования сигналов обратного канала, блок обработки сигналов обратного канала, передающую и приемную антенну. Причем выход блока обработки сигналов прямого канала соединен с входом блока формирования сигналов обратного канала, выход последнего соединен с передающей антенной, приемная антенна соединена со входом блока обработки сигналов обратного канала, выход этого блока подключен к телефону, а микрофон является ультразвуковым. Блок обработки сигналов прямого канала состоит из последовательно соединенных малошумящего усилителя, фильтра подавления зеркального канала, преобразователя частоты, усилителя промежуточной частоты, фильтра промежуточной частоты, амплитудного детектора и порогового устройства, а блок формирования сигналов прямого канала состоит из последовательно соединенных генератора ультразвуковых колебаний и усилителя мощности. 1 ил.

1. Устройство контроля герметичности цистерн, содержащее прямой канал передачи сигналов, включающий в себя размещенный в цистерне микрофон и блок обработки сигналов прямого канала, вход которого соединен с выходом микрофона, обратный канал передачи сигналов, включающий в себя телефон, отличающееся тем, что в прямой канал введены размещенный вне цистерны ультразвуковой излучатель, блок формирования сигналов прямого канала, выход которого соединен с входом ультразвукового излучателя, а в обратный канал введены блок формирования сигналов обратного канала, блок обработки сигналов обратного канала, передающая и приемная антенны, причем выход блока обработки сигналов прямого канала соединен с входом блока формирования сигналов обратного канала, выход последнего соединен с передающей антенной, приемная антенна соединена с входом блока обработки сигналов обратного канала, выход этого блока подключен к телефону, а микрофон является ультразвуковым. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что микрофон имеет круговую, а ультразвуковой излучатель - сосредоточенную в пределах небольшого угла диаграмму направленности. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено телескопической или разборной штангой для установки ультразвукового излучателя, а микрофон и блок обработки сигналов прямого канала собраны в одном корпусе, имеющем тросик для подвешивания его внутри цистерны. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обработки сигналов прямого канала состоит из последовательно соединенных малошумящего усилителя, фильтра подавления зеркального канала, преобразователя частоты, усилителя промежуточной частоты, фильтра промежуточной частоты, амплитудного детектора и порогового устройства, а блок формирования сигналов прямого канала состоит из последовательно соединенных генератора ультразвуковых колебаний и усилителя мощности.