УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ТЕЧИ Российский патент 2003 года по МПК G01M3/24 G21C17/17 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в народном хозяйстве для определения расхода течей теплоносителя акустического происхождения, в частности для контроля и диагностики герметичности трубопроводов (.с теплоизоляцией и без теплоизоляции) и оборудования с реакторами РБМК, ВВР на АЭС.

Известно устройство для определения утечки жидкости (газа) - акустический течеискатель замкнутых систем. Это устройство содержит: последовательно соединенные микрофоны, избирательный усилитель, усилитель высокой частоты, второй вход которого соединен с выходом микрофона согласующим каскадом, а также содержит измерительный усилитель низкой частоты, индикатор и телефон. При действии звукового или воздушного давления на мембрану микрофона давление преобразовывается в электрический сигнал и воспринимается избирательным усилителем, усилителем высокой частоты или измерительным усилителем низкой частоты в зависимости от частоты сигнала.

Такое устройство позволяет измерять расход утечки на расстоянии и контролировать герметичность изделий (см. а.с. СССР "Акустический течеискатель" N SU 1657995 G 01 М 3/24 1991, авторы С.Д. Нестеренко, С.В. Юрченко, В.И, Исаенко и др.).

Недостатками этого устройства являются громоздкость, большая стоимость, трудность реализации на объектах эксплуатации с повышенной радиацией, влажностью, температурой и т.д. Громоздкость объясняется тем, что использованы усилители высокой и низкой частоты, отдельный согласующий каскад. Влияние нестандартных высоких уровней внешних факторов вызывает большие погрешности измерения полезного сигнала с выхода измерительного усилителя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является устройство определения степени герметичности системы. Изобретение на способ реализует устройство, содержащее пьезодатчик из титаната бария, усилитель, частотомер и мягкий резиновый мешок, заполненный контактной жидкостью. При известных толщине стенок системы и внутреннем давлении содержащегося газа (жидкости) частота возникающих звуковых колебаний характеризует поперечное сечение места утечки, а амплитуда этих колебаниний - скорость истекающего потока газа в этом же сечении.

Измерения проводят с помощью пьезодатчика, подключенного через усилитель к частотомеру, а сам датчик укреплен на стенке трубопровода. Для улучшения акустического контакта пьезодатчик с исследуемой поверхностью системы помещают в мягкий резиновый мешок, заполненный контактной жидкостью.

Устройство позволяет определять расход жидкости в замкнутых трубопроводах, находящихся под давлением в коротких и больших магистралях (а.с. СССР "Способ Д. И. Шпаковского определения степени герметичности системы" N SU 1118880 1984 автор Д.И. Шпаковский).

Устройство имеет следующие недостатки: оно используется только в замкнутых трубопроводах, невозможно определить место и количество течей дистанционно на определенном расстоянии от трубопровода.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения и повышение надежности диагностической системы для контроля герметичности трубопроводов и оборудования теплоэнергетических систем с разными реакторами AЭС и другими подобными установками за счет акустического метода обнаружения повреждений, т.е. течи исследуемого объекта (ИО).

Технический результат достигается тем, что устройство для определения расхода течей теплоносителя, протекающего по трубопроводу, содержит расположенные на расстоянии "а" от исследуемого объекта и на расстоянии R между собой емкостные датчики звукового давлении, причем

а R≥1/6 λ, где D - максимальный размер датчика, λ - длина волны звукового давления, при этом выход емкостного датчика через согласующий усилитель заряда и усилитель напряжения соединен со входом индикатора, к которому подключен источник поляризации емкостного датчика, своими выходами соединенный с указанными датчиком и усилителями.

На чертеже изображена блок-схема устройства и отдельный узел пароводяного трубопровода для обнаружения и определения расхода течи теплоносителя. Устройство содержит узел трубопровода 1 с внутренним диаметром 2 r, сечение трубопровода по всей длине 1 (S₀=const) постоянно. Источники течи, т.е. повреждения в виде трещин (отверстий формой окружности или эллипса площадью ) по существу являются источниками звукового давления. В точках x₁, . . . , x_n установлены датчики на расстоянии "а" от исследуемого объекта (ИО). Если форма повреждения эллипс, тогда площадь повреждения определяют как: , где a₁ - большой радиус (полюс) эллипса (по оси x), в - маленький радиус (полюс) эллипса (по оси у). Если форма повреждения соответствует кругу, тогда ; где D - диаметр круга; г - радиус круга. На поверхности ИО точки являются местами случайнык повреждений с площадью В этих точках повреждения не установлены датчики. В трубопроводе протекает теплоноситель В с высокой температурой до 280^oС под воздействием высокого статического давления до P₀ 7•10⁶ Па (P₀= const) по всей длине трубопровода. Сечение трубопровода S с радиусом г по всей длине остается постоянным. Допускают, что площади повреждения σ одинаковы. На расстоянии "а" между трубопроводом и измерительной аппаратурой расположены емкостные датчики пульсаций давления 2, 2а, 2б. Выходы емкостных датчиков через усилители 3, 3а, 3б, усилители напряжения 4, 4а, 4б, подсоединены ко входу индикатора 5 и источнику поляризации датчика и питания усилителя 6. Индикатор 5, кроме обработки и выдачи результатов измерения о течах теплоносителя, при необходимости также обеспечивает регулирование по величине напряжения поляризации емкостных датчиков звукового давления 2, 2а, 2б и коэффициента усиления усилителей напряжения 4, 4а, 4б, выдает сигнал тревоги и т.д.

Емкостной датчик звукового давления разработан на базе известных тонкопленочных емкостных чувствительных элементов. Мембрана датчика разработана на базе высокотемпературного влагостойкого сплава. Также в конструкции датчика использована полиимидная пленка с рабочей температурой -269 - +330^oС (Г. Ли, Стоффи, К. Невилл. Новые линейные полимеры. Из-во Химия. М., 1972, с. 182-183). В корпусе датчика емкостной чувствительный элемент (ЧЭ) защищен от влажности путем использования влагостойкого композита.

Практически устройство можно реализовать как в одноканальном, так и в многоканальном (до нескольких десятков) исполнении. Предполагают, что источники звука в точках x₁...x_n возникают случайно в стадии эксплуатации трубопроводов.

Расстояние "а" между источниками течей и датчиками устанавливают так: а≥20²/λ, где D - один из максимальных размеров датчиков, который определяют до установки ИО; λ - длина волны течи определяется как расстояние, которое пройдет бегущая волна за один период колебания, т.е, где С - скорость звука; f - частота течи; ω - круговая частота течи; Т - время прохождения бегущей волны за один период. На таком расстоянии обеспечиваются направленные действия датчика. Выбор расстояния между датчиками R≥1/6λ исключает взаимовлияние (взаимодействие) их между собой. На фиг.1 x₁,..., x_n - контролируемые точки, где установлены датчики от 1 до n штук. Расстояние R выбирается таким, чтобы датчики, направленные в фиксированных точках ИО x₁, . ..,x_n, между собой не взаимодействовали. Это осуществляется так: в точке x₁ располагается источник звукового давления (в частности, электродинамик) и на расстоянии R от датчика 2 задается ожидаемое контролируемое звуковое давление течи . При этом на фиксированной точке x₂ от воздействия источника звукового давления на выходе датчика регистрируется сигнал, равный нулю, т. е. Аналогичным образом поступают с другими источниками, т.е. располагается источник звука в точке x₂ и определяются места расположения другого датчика. На этом этапе градуируется каждый измерительный канал, определяется коэффициент преобразования канала как: и регистрируется в индикаторе. Возникновение случайного повреждения (см. чертеж) между точками x₁...,x_n приводит к возникновению источников звуковых давлений в местах повреждения
Обнаружение течи теплоносителя реализуют следующим образом.

С помощью датчиков (в частности, датчика 2), обнаруживается течь теплоносителя и измеряется давление с фиксированных мест. При этом предполагают, что остальные случайные повреждения x_x1,..., x_xn. не существуют. На основе начальных условий, сделанных допущений и при малом диаметре исследуемого объекта расстояние "а" между датчиком 2 и трубопроводом выбирается таким, чтобы волна на расстоянии "а", исходящая из точек x₁.....,x_n стала сферической, т. е. расстояние "а" соответствует дальней зоне распространения звука.

При этом излучаемое звуковое давление в местах повреждения x_1...,x_n с площадью повреждения будет равняться между собой при условии, что трубопровод, по всей длине имеет одинаковое сечение S=const и статическое давление в трубопроводе P₀=const.

Механический импенданс (сопротивление) в отверстиях x₁,..,x_n площадью σ, расположенных на поверхности трубопровода, создает механический импенданc . Отсюда следует, что акустический Z_e импенданс, пересчитанный на площадь ИО S, равен . Это объясняют тем, что давление акустический импенданс Z_e и объемная скорость v_объем = S•v_σ/ при трансформации остаются неизменными; v_σ - линейная скорость волн течи.

Считают важным аспектом то, что в местах повреждения трубопровода в большинстве случаев могут быть аппроксимированы окружности иди эллипсы на бесконечно большой длине 1 трубопровода с тонкими стенками. Через эти отверстия-повреждения протекает пароводяная смесь массой , где К - акустическая проводимость размерностью [м] . Принимают, что эта присоединенная масса отверстий x₁,...,x_n, двигается со скоростью v_σ; ρ - плотность среды.

Согласно выводу Рэлея, проводимость эллиптического отверстия площадью σ, эксцентриситетом "е" определяют как:

Зная, что проводимость К круглого отверстия е=0, имеют При этом для эллиптических отверстий, не слишком вытянутых, проводимость мало отличается от величины диаметра круга эквивалентной площади . При отношении полуосей эллипса в/a= 0,17 (е= 0,98) проводимость лишь на 20% больше, чем величина (С.Н. Ржевкин. Курс лекций по теории звука. Изд-во Московский университет, 1960, с.146-156; 171).

В стадии эксплуатации ИО, когда нет повреждения, все датчики показывают одинаковые показания, т.е. сумма шумов и помех помещения и аппаратуры.

Допустим, что в стадии эксплуатации, возникает отказ в точке x₁, тогда датчик x₂ будет преобразовывать давление в электрический сигнал, который регистрируется на индикаторе для хранения и дальнейшего анализа. При этом остальные датчики 2а, 2б и т.д. (если это многоканальная система) показывают (как правило датчики направляют в такие фиксированные точки, где вероятность возникновения отказов больше). Допустим, что в процессе эксплуатации возникают случайные отказы (повреждения) в точках (все отказы случайные). При этом расстояние между течами и датчиками становится R_x, и источники звука течей взаимодействуют между собой. Следовательно, воспользуемся тем, что основные уравнения звукового поля линейны, тогда звуковое давление течи , является давлением, создаваемым одной из пар источников течи, а - давлением, cоздаваемым другим источником течи. При этом на датчики поступают попарно из двух течей


и т. д. В случае, когда кроме повреждения в точке 1 еще появляются по одному повреждению слева (в точке ) и справа (в точке ), датчик 2 измеряет звуковое давление течи, равное Другой датчик 2а на расстоянии R в точке x₂, если нет повреждения, измеряет звуковое давление течи
Как следует из этих выражений, в процессе эксплуатации ИО могут определить количество и примерное место повреждений. Если датчик 2 регистрирует выходной сигнал , тогда имеем одно повреждение. В случае, если датчик регистрирует

то имеем одно повреждение с правой стороны. Если показание датчика 2 примерно утраивается, тогда повреждение с правой и левой стороны, всего три повреждения и т.д. с другими датчиками.

При измерении расхода течи определение объема течи v_σ между источниками излучения (место повреждения) и приемником (датчиками) как: σ•a = nV_σ, где σ - площадь повреждения в виде окружности или эллипса и т.д.; а - расстояние между трубопроводом ИО и емкостными датчиками 2, 2а, 2б,... (фиг.1), n - поправочный коэффициент, определяют путем экспериментального исследования. При этом расход течи определяется как: Среднее значение определяется при m дискретном значении Δt как:
Реализацию предложенного изобретения осуществляют следующим образом:
- как правило, дорогостоящие и опасные объекты имеют свою модель, на которой в нормальных условиях проводят любую необходимую работу, в том числе дефектоскопию и обнаружение течи теплоносителя;
- в частности, исследуемый объект обнаружения течи является трубопроводом о наружным диаметром 20 мм большой длины;
- используют результаты ранее эксплуатируемых трубопроводов, в частности характер повреждения, какие трещины возникают, поломки и т.д. Такую диагностику проводят после остановки объекта на капитальный или профилактический ремонт;
- из нормативных документов по эксплуатации объекта изучают, в каких случаях (с учетом расхода течи) считают допустимые условия эксплуатации объекта, а в каких тревожные;
- затем на модели объекта или на определенном куске в трубопроводе теплоносителя создают нормальный режим эксплуатации, т.е. по трубопроводу пропускают горячую воду с температурой до 280^oС под постоянным статическим давлением, и эти параметры поддерживают постоянно;
- на основе собранных и изученных материалов с помощью лазерного луча формируют микротрещины в виде окружности, эллипса и т.д. (от 1 до 150 мкм), трещины (от 0,2 до 2 мм) и поломки больших размеров, при которых нарушается герметичность трубопровода. Руководствуются тем, что от размеров повреждения зависят параметры течи, в частности уровень звукового давления. Чем меньше площадь повреждения, тем выше звук;
- согласно предлагаемому изобретению, датчики направляют на фиксированные места x₁-x_n. Полученные результаты измерения обрабатывают и хранят в памяти индикатора в качестве тестовых или опорных параметров.

После выполнения перечисленных работ реализуют предложенное изобретение в нормальных режимах работы ИО. В процессе эксплуатации объекта результаты измерения звукового давления и его спектральные характеристики сравнивают с тестовыми параметрами. Регистрируют время возникновения повреждения, уровень звукового давления и его спектральную характеристику. Затем определяют расходы течи, места течи, размеры повреждения и т.д.

Полученные результаты в стадии эксплуатации объекта сравнивают с тестовыми параметрами и принимают решение, каковы режимы работы объекта: нормальные, тревожные, аварийные.

Принцип работы устройства следующий. При возникновении повреждений в трубопроводе, допустим в точках x₁,...,x_n образуются непрерывные источники звукового давления (пульсации давления) Под воздействием этих давлений расстояние между обкладками емкостного датчика 2 изменяется. В результате прогиба мембраны изменяются начальная емкость С, приращение емкости ΔС и относительное изменение емкости . Напряжение на выходе емкостного датчика пропорционально приращению и напряжению поляризации блока 6. Затем этот сигнал согласуют в усилителе заряда 2, 2a, 2б, усиливают в усилителе напряжения 4, 4а, 46 и подают в обработку на индикатор 5, На экране индикатора получают величину звукового давления

- спектральную характеристику течи.

В ЦАГИ был изготовлен одноканальный макет устройства для измерения давления и определения расхода течи с места повреждения пароводяного трубопровода. В качестве приемника был использован макет емкостного датчика пульсаций давления с нижним пределом измерения не менее 10⁴ мкПа (55 дБ), максимальным уровнем 200 Па (140 дБ). Рабочий диапазон температуры емкостного датчика +280^oС. Б качестве согласующего усилителя был использован стандартный усилитель заряда. Далее сигнал усиливался усилителем напряжения в диапазоне частот от 120 Гц до 24 кГц. Уровень измеряемых фоновых шумов 50 дБ в диапазоне частот от 20 до 100 Гц. Емкостной датчик и усилитель заряда соединены высокотемпературным кабелем AВКТ-6 длиной 30 м. Усилители напряжения и заряда соединены кабелем КММ-7 длиной 20 м.

Изобретение предназначено для измерения расхода течи теплоносителя в местах повреждения трубопроводов на АЭС. Устройство содержит ряд емкостных датчиков звукового давления течи, расположенных на определенном расстоянии от объекта контроля и между собой. Каждый емкостный датчик через согласующий усилитель заряда и усилитель напряжения соединен со входом индикатора. Для поляризации датчика служит источник постоянного тока. Изобретение обеспечивает надежный контроль герметичности оборудования теплоэнергетических систем с разными реакторами АЭС путем определения места возникновения и количества течей дистанционно, на расстоянии от трубопровода. 1 ил.

Устройство для определения расхода течей теплоносителя, протекающего по трубопроводу, содержащее емкостные датчики звукового давления, расположенные на расстоянии а от исследуемого объекта и на расстоянии R между собой, обеспечивающем исключение взаимодействия течей в контролируемых точках, причем

где D - максимальный размер датчика;
λ - длина волны звукового давления,
при этом выход емкостного датчика через согласующий усилитель заряда и усилитель напряжения соединен со входом индикатора, к которому подключен источник поляризации емкостного датчика, своими выходами соединенный с указанными датчиком и усилителями.