СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕЧЕЙ В АРМАТУРЕ, ТРУБОПРОВОДАХ, СОСУДАХ ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F17D5/02 

Изобретение относится к системам и устройствам диагностики течей в арматуре, трубопроводах и сосудах давления и может быть использовано для определения наличия, местоположения и величины протечек на участках, не доступных для технического осмотра, в частности, в ядерных энергетических установках, системах обработки высокоактивных отходов, газопроводах и нефтепроводах и т.п.

Известны различные способы и устройства, позволяющие с той или иной разрешающей способностью диагностировать течи путем регистрации электрического сигнала с одного или нескольких датчиков физических факторов - давления (1), расхода (2), электромагнитного излучения (3), электрического сопротивления (4), концентрации газа (5).

Наиболее широко распространены в настоящее время из-за высокой чувствительности и широких функциональных возможностей способы и устройства, основанные на приеме акустических сигналов (механических колебаний, волн разрежения, звуковых волн), возбуждаемых в конструкции при истечении среды из места повреждения (6).

Одной из наиболее сложных проблем при диагностике течей является снижение влияния шумов (постоянно действующих случайных возмущений), уровни которых при малых течах (или при измерениях на больших расстояниях от течей) соизмеримы с уровнем полезного сигнала, а иногда и существенно его превышает.

Известны различные способы и устройства, в которых приняты специальные меры для борьбы с шумами - по способу (7) датчики устанавливаются в узлах, наиболее чувствительных к утечке, в способах (8) используется резонансное усилие полезного сигнала, по способу (9) диагностика проводится в ночное время, в способах (10) измерения проводятся одновременно с помощью нескольких датчиков и т.д.

Ни одно из таких решений не является универсальным - каждое предназначено для узкоспециальных условий диагностики. Одним из универсальных и наиболее эффективных способов снижения влияния шумов является переход при анализе информации с датчиков от временной области к частотной, для чего проводится спектральная обработка электрического сигнала с датчиков. Постоянно действующие шумовые возмущения хаотически размазаны по всему частотному диапазону, в то время как энергия сигнала течи расположена в основном в одной-двух узких частотных областях. Поэтому спектральная обработка сигнала позволяет существенно снизить влияние шумов.

Известен виброакустический способ диагностики течей, включающий регистрацию и спектральную обработку электрического сигнала с одного или нескольких датчиков (11). Согласно этому способу факт наличия (разрастания) течи фиксируется по резкому повышению уровня высокочастотных составляющих спектра.

Данный способ является наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату.

Недостатком способа является малая чувствительность в условиях, возникающих при работе промышленного оборудования шумов повышенного уровня и разовых высокоамплитудных помех. Уровни таких шумов и помех (особенно при диагностике малых течей или при установке датчиков на больших расстояниях от течи) могут существенно превышать уровень полезного сигнала, в том числе в характерных для течи частотных областях спектра. В этих условиях показания могут оказаться недостоверными (описанные результаты относятся к периодическому диагностированию - на остановленном оборудовании и при малых уровнях шумов и помех).

Целью изобретения является повышение достоверности определения течи и расширение функциональных возможностей путем диагностики течей в условиях шумов повышенного уровня и разовых высокоамплитудных помех. Эта цель достигается тем, что согласно способу диагностики течей, включающему регистрацию и спектральную обработку электрического сигнала с одного или нескольких датчиков, спектральную обработку электрического сигнала с каждого датчика выполняют путем определения множества текущих спектров, образования из них подвижной очереди, которая включает N подряд идущих спектров и постоянно обновляется добавлением нового спектра и исключением наиболее старого, и определения усредненного по очереди амплитудного спектра. Текущие спектры определяют путем быстрого преобразования Фурье, величину N определяют по формуле N= 1/k² (где k - коэффициент снижения шумовой компоненты спектра), спектральную обработку проводят в течение времени, необходимого для полного обновления очереди, при этом при каждой повторной диагностике определяют разностные спектры посредством вычитания из усредненного по очереди спектра усредненного спектра, полученного при первоначальной или предыдущей диагностике.

Сопоставительный анализ решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в него введены дополнительные операции определения множества текущих спектров, образования из них подвижной очереди и определения усредненного по очереди амплитудного спектра. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Возможность достижения положительного эффекта (повышение достоверности определения течи и расширение функциональных возможностей) подтверждается следующим.

Определение усредненного по очереди амплитудного спектра резко ослабляет шумовую компоненту, т.е. повышается чувствительность способа и тем самым достоверность определения течи. Это подтверждается следующим. Течь характеризуется детерминантной компонентой спектра с амплитудой A, шум - случайной компонентой со среднеквадратическим значением σ. При усреднении спектра по очереди детермирования компонента по-прежнему характеризуется амплитудой A, а шумовая (случайная) компонента - величиной Таким образом, шумовая компонента снижается в раз. Если характеризовать снижение шумовой компоненты спектра коэффициентом
Отсюда следует, что для обеспечения заданного снижения шумовой компоненты величина N должна определяться из формулы N = 1/k².

За счет усреднения по очереди ослабляется и компонента спектра, определяемая разовыми высокоамплитудными помехами. Однако, если уровень помех существенно превышает уровень полезного сигнала, такого ослабления может оказаться недостаточно. Образование подвижной очереди позволяет "забыть" помеху при полном обновлении очереди (при выборе соответствующего времени спектральной обработки).

Таким образом, алгоритм предложенного способа обеспечивает повышение достоверности определения течи. При этом определение при каждой повторной диагностике разностных спектров обеспечивает также высокую достоверность определения динамики развития течи.

Возможность диагностирования течей в условиях действия шумов повышенного уровня и разовых высокоамплитудных помех обеспечивает расширение функциональных возможностей способа - он может использоваться как для периодической диагностики на остановленном оборудовании, так и для диагностики при работающем оборудовании - оперативной (разовой), когда диагностируется наличие течи по величине характерных ординат усредненного по очереди спектра, либо длительной (в режиме дежурства), когда диагностируется динамика течи по величине характерных ординат разностных спектров.

Анализ объекта изобретения на критерий "изобретательский уровень" выявил, что известны технические решения, содержащие признаки, сходные с отдельными признаками, отличающими заявленное решение от прототипа. Так, например, известно решение, по которому определяется текущий спектр сигналов утечки. Однако, как показано выше, при определении одного текущего спектра не снижается влияние шумов и помех в полосе частот сигналов утечки. Поэтому такое устройство обладает весьма узкими функциональными возможностями (это решение используется для диагностики места повреждения заглубленного напорного трубопровода, в условиях незначительного влияния шумов и помех).

Известен также метод синхронного накопления, по которому для снижения влияния шумов суммируется (или усредняется) множество временных реализаций сигнала. Однако этот способ пригоден лишь для обработки процессов, содержащих явно выраженную периодическую компоненту. Для диагностики в условиях шумов повышенного уровня и разовых высокоамплитудных помех такой способ неприменим, т. к. из временной реализации выделить периодическую компоненту практически невозможно.

Таким образом, сравнение свойств заявленного и известных решений, обусловленных наличием в них сходных признаков, показывает, что заявленное решение благодаря совокупности указанных признаков с другими признаками обеспечивает повышение достоверности определения течи и расширения функциональных возможностей. Следовательно, у заявленного решения появляются свойства, не совпадающие со свойствами известных решений. Поэтому можно сделать вывод, что заявленное решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Способ диагностики течи осуществляют следующим образом. Сигнал от возможной утечки, например, акустический сигнал, распространяющийся по трубопроводу, - полезный сигнал - воспринимается вместе с сигналом от шумов и помех одним или несколькими датчиками, которые преобразуют его в электрический сигнал. Электрический сигнал с каждого датчика усиливается и преобразуется аналого-цифровым преобразователем в цифровые коды, которые поступают в ЦВМ и подвергаются спектральной обработке с помощью специальной математической программы.

Специальная обработка выполняется путем определения множества текущих спектров (ТС) с помощью быстрого преобразования Фурье, образования подвижной очереди из N подряд идущих ТС, которая постоянно обновляется добавлением нового ТС и исключением наиболее "старого", и вычислением усредненного по очереди амплитудного спектра УС_о.

Образование подвижной очереди из N подряд идущих ТС обеспечивает предлагаемому способу широкие возможности:
- величина N определяется по формуле N=1/k²( где k - коэффициент необходимого снижения уровня шумов) и уточняется в процессе настройки системы;
- время спектральной обработки t_со зависит от желаемого времени обновления очереди, т.е. от длительности разовых высокоамплитудных помех.

Результат спектральной обработки выводится на экран дисплея, где отображаются усредненные спектры УС_i, полученные при каждом обновлении очереди (замене одного ТС), что позволяет оператору в течение t_со наблюдать подвижный амплитудно-частотный портрет, состоящий из огибающих УС_i, выбрать при настройке системы и задать в качестве параметров значения N и t_со, обеспечивающие получение в конце спектральной обработки стационарного (неподвижного) портрета, отображающего усредненный по очереди спектр УС_о, который заносится в память ЦВМ.

При повторной диагностике на экран дисплея выводится либо УС_о, полученный при первоначальной или предыдущей диагностике, либо разностный спектр - из УС, полученных при повторной диагностике, вычитается УС_о, полученный при первоначальной или предыдущей диагностике. Использование разностного спектра позволяет определить динамику развития течи.

Способ может быть реализован для одноканальной, двухканальной и многоканальной систем.

Одноканальная система включает один датчик и может использоваться для диагностики наличия течи, например, по возрастанию компонент УС_о в определенном диапазоне частот.

Двух- и моногоканальные системы могут использоваться для диагностики наличия, величины и местоположения течи (по соотношению параметров УС_о сигналов с датчиков).

Аппаратурно алгоритмы предлагаемого способа реализуются устройством с принципиально новыми элементами и их связями.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к устройству для осуществления описанного выше предлагаемого способа является течеискатель по (12). Этот течеискатель обладает рядом существенных недостатков, не позволяющих использовать его для реализации предлагаемого способа:
- из-за наличия клавишного ввода он не пригоден для быстрой статистической обработки множества временных реализаций процесса;
- из-за наличия одного измерительного канала он не пригоден для выполнения измерений в условиях, когда не допускается перестановка датчиков (например, когда датчики установлены в зоне опасных для оператора воздействий);
- не обеспечивает спектральной обработки сигнала в широком диапазоне частот, т.к. частота дискретизации АЦП является фиксированной;
- не пригоден для работы в условиях шума и помех при наличии длинных кабельных линий от измерительного блока к блоку индикации.

Целью изобретения является повышение достоверности диагностики течи и расширение функциональных возможностей путем введения средств, позволяющих реализовать алгоритм предложенного способа.

Эта цель достигается тем, что устройство диагностики течи, содержащее измерительный канал в виде датчика с последовательно соединенным усилителем, подключенным к входу аналого-цифрового преобразователя, блок памяти, интерфейс, к которому подключен аналого-цифровой преобразователь, и блок процессоров, который через свою системную шину, состоящую из адресной и управляющей шин и шины данных, подключен к блоку памяти и интерфейсу, выход которого соединен с информационным входом дисплея, снабжено аналоговым коммутатором, к входам которого подключены K измерительных каналов (K ≥ 1) и интерфейс, нормирующим усилителем, к входам которого подключены выход аналогового коммутатора и интерфейс, а выход соединен с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к интерфейсу блоком подсчета потерь данных, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, и программируемым делителем, вход которого соединен с генератором опорной частоты, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя через последовательно соединенный блок формирователя импульса запуска, вход которого и выход программируемого делителя подсоединены к интерфейсу. При этом усилитель в каждом измерительном канале установлен вблизи датчика и подключен к аналоговому коммутатору через последовательно соединенный второй усилитель, установленный вблизи аналогового коммутатора.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что в него дополнительно введены аналоговый коммутатор, нормирующий усилитель, блок подсчета потерь данных, программируемый делитель, генератор опорной частоты, блок формирования импульса запуска и второй усилитель в измерительном канале. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Возможность достижения положительного эффекта подтверждается следующим:
- наличие подключенного к интерфейсу аналогового коммутатора позволяет производить обработку сигналов с K измерительных каналов - под управлением программы из блока памяти последовательно пропускается электрический сигнал с каждого из датчиков в течение времени, необходимого для спектральной обработки N реализаций;
- нормирующий усилитель обеспечивает под управлением программы из блока памяти поддержание заданного уровня сигнала на аналоговом входе АЦП, необходимого для его надежной работы;
- наличие программируемого делителя и генератора опорной частоты обеспечивает возможность автоматического изменения под управлением программы из блока памяти частоты дискретизации АЦП - либо путем изменения коэффициента деления сигнала с генератора опорной частоты (при малых временах дискретизации), либо непосредственно по команде из блока памяти (при больших временах дискретизации); тем самым обеспечивается спектральная обработка сигнала в широком диапазоне частот: от долей Гц до сотен кГц;
- блок подсчета потерь данных обеспечивает под управлением программы из блока памяти подсчет временных отрезков, в течение которых не производилось считывание данных из АЦП (такие потери в АЦП неизбежны, т.к. реализация алгоритмов предлагаемого способа требует получения большого массива цифровых данных с АЦП - до нескольких сот тысяч, а вероятность безотказной работы АЦП обычно не превышает 0,99); такая информация дает возможность блоку процессоров либо "восстановить" потери, либо провести спектральную обработку новой выборки, если предыдущая является недостоверной;
- наличие второго усилителя снижает влияние шумов и помех в условиях, когда измерительные каналы соединены с блоком обработки информации длинными кабельными линиями.

Анализ объекта изобретения по критерию "изобретательский уровень" выявил, что известно использование коммутаторов, нормирующих усилителей, программируемых делителей, однако не было выявлено технических решений, где бы эти элементы работали под управлением программы из блока памяти, что позволяет изменить их параметры в процессе работы; не было выявлено решений, содержащих блок подсчета потерь данных.

Таким образом, использование в предлагаемом объекте его отличительных признаков обеспечивает возникновение у объекта новых, неочевидных свойств, а именно за счет введения в известное устройство управляемых по программе из блока памяти аналогового коммутатора, нормирующего усилителя, программируемого делителя и блока подсчета потерь данных достигается сверхсуммарный эффект, позволивший обеспечить реализацию алгоритма предлагаемого способа. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена блок-схема устройства для диагностики течи.

Устройство содержит K измерительных каналов, состоящих из последовательно соединенных датчиков 1-1 ... 1-K и усилителей 2-1 ... 2-K и 3-1 ... 3-K, выходы измерительных каналов подключены к входам аналогового коммутатора 4, выход которого через последовательно соединенный нормирующий усилитель 5 подключен к одному из аналоговых входов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, к другому входу АЦП подключены последовательно соединенные блок формирования импульса запуска 7, программируемый делитель 8 и генератор опорной частоты 9. Цифровой выход АЦП 6 соединен со входом блока подсчета потерь данных 10. Блок процессоров 11, блок памяти 12 и интерфейс 13 соединены между собой системной шиной, состоящей из шины данных и шины управления, к выходу интерфейса 13 подключен дисплей 14. Через входы и выходы интерфейса 13 элементы устройства 4, 5, 6, 7, 8, 10 соединены с блоком процессоров 11, блоком памяти 12 и дисплеем 14.

Устройство для диагностирования течи работает следующим образом.

Сигнал с датчиков 1-1 ... 1-K после усиления усилителями 2-1 ... 2-K и 3-1 ... 3-K поступает на вход аналогового коммутатора 4, который по команде с блока процессоров 11 через выход интерфейса 13 обеспечивает заданный программой блока памяти 12 определенный порядок пропускания сигнала с каждого измерительного канала. Пропущенный сигнал через нормирующий усилитель 5, обеспечивающий по команде с блока процессоров 11 требуемый уровень усиленного сигнала, поступает на аналоговый вход АЦП 6, где преобразуется в цифровую форму. Сигнал запуска АЦП для выполнения каждого цикла преобразования подает блок формирования импульса запуска 7, который устанавливает также частоту дискредитации АЦП - либо непосредственно по команде с блока процессоров 11, либо с помощью сигнала с генератора опорной частоты 9 после его деления программируемым делителем 8 (в этом случае блок процессоров 11 задает коэффициент деления).

Цифровой код с АЦП поступает через вход интерфейса 13 на блок процессоров 11, который проводит его статистическую обработку по программе, заданной блоком памяти 12. Результаты обработки визиализируются на экране дисплея 14.

Блок подсчета пропущенных данных 10 активизируется в случае наличия в выходном сигнале с АЦП пропущенных данных. В этом случае блок 10 фиксирует длительность отрезков времени, в течение которых не производилось считывание данных с АЦП, и через вход интерфейса 13 направляет информацию в блок процессоров 11, который по программе из блока памяти 12 оценивает достоверность выборки - в случае, если выборка считается достоверной, пропущенные данные восстанавливают методом интерполяции по программе из блока памяти 12, в противном случае дается команда на проведение обработки повторной выборки.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для его осуществления обеспечивают благодаря своим новым признакам существенное повышение достоверности диагностики течей в условиях действия высокоамплитудных шумов и помех. Тем самым обеспечивается возможность диагностики весьма малых течей, возможность оперативной и длительной диагностики при работающем оборудовании, в условиях повышенной опасности (когда датчики соединяются с регистрирующей аппаратурой длинными кабельными линиями).

Источники информации:
1. SU 1511515 A1, кл. F 17 D 5/02, 1987.

2. SU 1800218 A1, кл. F 17 D 5/02, 1991.

3. SU 1812386 A1, кл. F 17 D 5/02, 1990.

4. SU 1763795 A1, кл. F 17 D 5/02, 1990.

5. SU 1815467 A1, кл. F 17 D 5/02, 1990.

6. SU 2047815 A1, кл. F 17 D 5/02, 1995.

7. SU 1710929 A1, кл. F 17 D 5/02, 1989.

8. SU 1707429 A1, кл. F 17 D 5/02, 1992.

9. SU 4207067 A1, кл. F 17 D 5/02, 1993.

10. SU 1645749 A1, кл. F 17 D 5/02, 1988.

11. Ф. М. Митенков и др. Разработка средств контроля и диагностики оборудования ядерных энергетических установок. -Приборы и системы управления, 1995, N 11, с. 7-11.

12. SU 1476243 A1, кл. F 17 D 5/02, 1989.

Способ и устройство относятся к области диагностики и определяют наличие, местоположение и величину протечек на участках, не доступных для технического осмотра, в частности в ядерных энергетических установках, системах обработки высокоактивных отходов и т.п. Спектральную обработку электрического сигнала с каждого датчика выполняют путем определения множества текущих спектров, образования из них подвижной очереди, которая включает N подряд идущих спектров и постоянно обновляется добавлением нового спектра и исключением наиболее старого, определения усредненного по очереди амплитудного спектра. Устройство диагностики течи снабжено аналоговым коммутатором, к входам которого подключены К измерительных каналов (K≥1) и интерфейс, нормирующим усилителем, к входам которого подключены выход аналогового коммутатора и интерфейс, а выход соединен с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к интерфейсу блоком подсчета потерь данных, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, программируемым делителем, вход которого соединен с генератором опорной частоты, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя через последовательно соединенный блок формирования импульса запуска, вход которого и вход программируемого делителя подсоединены к интерфейсу. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ диагностики течей в арматуре, трубопроводах и сосудах давления, включающий регистрацию и спектральную обработку электрического сигнала с одного или нескольких датчиков, отличающийся тем, что спектральную обработку электрического сигнала с каждого датчика выполняют путем определения множества текущих спектров, образования из них подвижной очереди, которая включает N подряд идущих спектров и постоянно обновляется добавлением нового спектра и исключением наиболее старого, и определения усредненного по очереди амплитудного спектра. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что текущие спектры определяют вычислением ординат путем быстрого преобразования Фурье и построением огибающей спектра. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину N определяют по формуле
N = 1/K²,
где К - величина снижения шумовой компоненты спектра. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектральную обработку электрического сигнала проводят в течение времени, необходимого для полного обновления очереди. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при длительной обработке определяют разносные спектры посредством вычитания из усредненного по очереди спектра усредненного спектра, полученного при первоначальной или предыдущей диагностике. 6. Устройство диагностики течи в арматуре, трубопроводах и сосудах давления, содержащее измерительный канал в виде датчика с последовательно соединенным усилителем, подключенным к входу аналого-цифрового преобразователя, блок памяти, интерфейс, к которому подключен аналого-цифровой преобразователь, и блок процессоров, который через свою системную шину, состоящую из адресной и управляющей шин и шины данных, подключен к блоку памяти и интерфейсу, выход которого соединен с информационным входом дисплея, отличающееся тем, что оно снабжено аналоговым коммутатором, к входам которого подключены К измерительных каналов (К ≥ 1) и интерфейс, нормирующим усилителем, к входам которого подключены выход аналогового коммутатора и интерфейс, а выход соединен с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к интерфейсу блоком подсчета потерь данных, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, программируемым делителем, вход которого соединен с генератором опорной частоты, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя через последовательно соединенный блок формирования импульса запуска, вход которого и вход программируемого делителя подсоединены к интерфейсу. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что усилитель в каждом измерительном канале установлен вблизи датчика и подключен к аналоговому коммутатору через последовательно соединенный второй усилитель, установленный вблизи аналогового коммутатора.