СПОСОБ И СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ НА ОСНОВЕ УРОВНЯ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК F16K31/42 F16K47/02 G05B19/414 G05D16/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, главным образом, к прогнозированию уровней звукового давления в системах управления процессами и, в частности, относится к прогнозированию уровней звукового давления внутри трубопроводов или/или вокруг трубопроводов, таких как, например, стальные трубы, создаваемого потоком сжиженного газа в трубах, для регулирования системы управления процессами.

Уровень техники

В системах управления процессами, например, для трубопроводов, переносящих сжиженные газы, такие как, например, сжатый воздух, часто бывает полезным определить уровни внутреннего звукового давления. Уровни внутреннего звукового давления могут быть использованы для прогнозирования звукопоглощающей способности, и, следовательно, могут быть полезными при проектировании и эксплуатации трубопроводов и других систем управления процессами.

В частности, аэродинамический шум, который может исходить от регулирующего клапана и распространяться по направлению потока в трубопроводе, может привести к недопустимым уровням внешних шумов. Соответственно, прогнозирование таких уровней шумов является важным для того, чтобы убедиться, что эти уровни шумов не создают нежелательные или опасные условия, такие как превышение местных или государственных ограничений по уровню исходящего шума, не становятся причиной дефектов слуха у людей в окрестностях трубопровода, не вызывают повреждения конструкции трубопровода.

Регулирующие клапаны могут быть установлены во многих областях применения, связанных с потоком текучих сред (газов или жидкостей) от одного процесса к другому, при этом регулирующие клапаны обычно применяются для регулирования потока текучей среды от одного трубопровода к другому. Обычная система трубопроводов имеет часть трубопровода выше регулирующего клапана по течению, и часть трубопровода ниже регулирующего клапана по течению.

Условия процесса, существующие выше и ниже регулирующего клапана, могут быть продиктованы различными факторами, такими как рабочая среда, протекающая через трубопровод, гидродинамика регулирующего клапана и система управления процессами, в которой он (клапан) работает, и условиями эксплуатации системы управления процессами. Одними из условий процесса, обычно задаваемых выше и ниже регулирующего клапана, являются давления и массовые или объемные скорости потока, причем условия ниже регулирующего клапана должны быть чувствительны к созданию нежелательного шума, исходящего от трубопровода.

Способность понимать передачу звукового давления через стенки труб является важной частью прогнозирования уровней звукового давления, создаваемого регулирующими клапанами, возмущающими поток и заставляющими этот возмущенный поток входить в трубопровод ниже по течению. Уровень звукового давления может быть измерен в некоторой контрольной точке, которая должна находиться ниже регулирующего клапана и на некотором расстоянии от стенки трубы. Так как регулирующий клапан производит некоторый уровень шума, а заводы, на которых такие клапаны установлены, обычно должны соблюдать определенные нормы общего уровня звукового давления (например, OSHA положения и/или постановления муниципальных властей), способность прогнозировать уровни звукового давления, исходящего от трубопровода ниже регулирующих клапанов, также очень важна для пользователей аппаратуры управления процессами.

В частности, поток текучей среды ниже регулирующего клапана может иметь поле турбулентного течения, вызывающее вибрацию переносящей эту среду трубы и испускание шума во внешнюю среду.

В прошлом прогнозирования шума осуществлялись с использованием таких устройств, как микрофоны, которые размещались возле интересующего трубопровода (например, в окрестности трубы). В некоторых системах в прошлом использовались микрофоны свободного поля снаружи трубы и датчики давления, установленные внутри на стенках трубы, для оценки звукопоглощающей способности. Однако установка и обслуживание таких устройств может быть дорогой, это увеличит стоимость всей системы управления процессами.

Использование микрофонов свободного поля и датчиков давления может быть в некоторых ситуациях проблематичным из-за стоимости и сложности установки таких устройств. Например, установка датчика давления на внутреннюю стенку трубы требует просверливания отверстия в стенке трубы, а также приваривания и центрирования датчика давления внутри просверленного отверстия, для чего могут потребоваться изготовление и установка на трубопровод отделенного устойчивого к давлению крепления.

В литературе на данный момент существует несколько способов расчета звукопоглощающей способности. Способ, использующийся производителями регулирующих клапанов, называется способом Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) [10].

Регулирующий клапан со стандартным номером МЭК 534-8-4 может быть использован для прогнозирования исходящих наружу шумов на расстоянии 1 метра от трубопровода и на расстоянии 1 метра ниже по течению за выпускным отверстием регулирующего клапана и использует очень упрощенные методы расчета звукопоглощающей способности. Стандарт МЭК располагает методиками, специально приспособленными для шума регулирующего клапана, основанными на звукопоглощающей способности на отдельной частоте и непригодными для более общих прогнозирований шума системы трубопровода. Стандарт МЭК был разработан, в значительной степени, для согласованности в описании уровней шума регулирующих клапанов конкурирующими производителями.

Следует также отметить, что прогнозирование шума согласно МЭК позволяет лишь спрогнозировать одно значение звукопоглощающей способности и уровня внутреннего звукового давления на расчетной пиковой частоте. Звукопоглощающая способность является функцией от частоты, а не только лишь функцией пиковой частоты, поэтому метод МЭК будет являться ограниченным при использовании на диапазоне частот.

Это изобретение ориентировано на преодоление одной или более проблем или недостатков, связанных с предыдущими технологиями.

Раскрытие изобретения

Согласно одному аспекту настоящего изобретения уровень внутреннего звукового давления текучих сред, таких как сжатый воздух, протекающих по трубопроводу, прогнозируется путем измерения скорости вибрации стенок трубопровода. Скорость вибрации стенок может быть измерена с использованием датчика вибраций, и для прогнозирования уровня исходящего наружу звукового давления на заданном расстоянии от трубопровода может быть применена модель испускания. Уровень исходящего наружу звукового давления может быть использован в модели звукопоглощающей способности для прогнозирования уровня внутреннего звукового давления и для регулирования исходящего звукового давления системы обработки до заданного уровня.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется способ расчета уровня внутреннего звукового давления в трубопроводе в диапазоне частот, заключающийся в измерении только скорости вибрации стенок трубопровода, например, с использованием датчика вибраций. После измерения скорости вибрации может быть спрогнозирован уровень исходящего наружу звукового давления, который затем может быть использован для прогнозирования уровня внутреннего звукового давления с использованием модели звукопоглощающей способности.

Способ, соответствующий другому аспекту настоящего изобретения, может включать прогнозирование уровней внутреннего звукового давления в диапазоне частот, который является точным для определенного датчика вибраций, который может быть использован.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения способ управления регулирующим клапаном процесса включает определение уровня звукового давления, например уровня звукового давления внутри трубопровода, и использование уровня внутреннего звукового давления для изменения конфигурации регулирующего клапана процесса с целью регулирования шума процесса ниже установленного уровня шума.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения способ управления регулирующим клапаном процесса включает определение уровня звукового давления, например уровня звукового давления внутри трубопровода, вычисление прогнозируемого наружного звукового давления и использование вычисленного уровня наружного звукового давления для изменения конфигурации регулирующего клапана процесса.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение корпуса регулирующего клапана в поперечном сечении;

Фиг.2 представляет собой схематический вид сбоку корпуса регулирующего клапана и соединенного с ним трубопровода, выполненного в соответствии с аспектом настоящего изобретения;

Фиг.3 представляет собой схематичный чертеж автоклава и соединенных с ним устройств управления процессами, сконфигурированных в соответствии с другим аспектом данного изобретения.

Осуществление изобретения

На Фиг.1 показан вид сбоку в разрезе обычного шарового регулирующего клапана 10, где стрелками указан обычный путь прохождения текучей среды через регулирующий клапан 10 в системе управления технологическим процессом (показанной на Фиг.2), причем текучая среда входит во впускной блок 12 и выходит из выпускного блока 14. Регулирующий клапан 10 может содержать во внутреннем канале 24 сборку 16 из корпуса и заглушки включающую корпус 20 и заглушку 22. Заглушка 22 находится внутри корпуса 20 с внешним диаметром заглушки 22 и внутренним диаметром корпуса 20, обеспечивающими возможность направления и выключения. Следует понимать, что шаровой регулирующий клапан 10 на Фиг.1 не пропускает поток, если заглушка клапана 22 находится в полностью закрытом положении. Наоборот, когда заглушка клапана 22 находится в полностью открытом положении, регулирующий клапан 10 будет иметь максимальную открытую область для прохождения жидкой среды, обеспечивая максимальную скорость потока через сборку 16 из корпуса и заглушки, и, соответственно, минимальный коэффициент падения давления через клапан.

Когда текучая среда выходит из корпуса 20, она попадает во внутренний канал 24, затем выходит из регулирующего клапана 10 через выпускной блок 14 и входит в трубопровод 26 (Фиг.2) ниже регулирующего клапана 10 по течению. Трубопровод 26 может быть сформирован, например, из стальных труб.

Поток текучей среды, выходящий из выпускного блока 14 регулирующего клапана и входящий в трубопровод ниже по течению, обычно является турбулентным. Турбулентный поток создает колебания давления, которые вызывают вибрации в регулирующем клапане 10 и трубопроводе 26 ниже по течению, воздействующие на корпус регулирующего клапана и трубопровода 26 ниже по течению. Вибрирующий трубопровод ниже по течению имеет определенную скорость колебания стенок труб, которая может быть количественно определена за счет оснащения трубопровода 26 оборудованием для выявления вибраций, например, с использованием одного или более датчиков вибраций 28, установленных на внешней стенке 30 трубы с помощью клея и/или монтажного блока 32, как показано на Фиг.2.

Датчики, подходящие для этой цели, включают кварцевые датчики вибраций марки ICP, модель РСВ 353 В16, с чувствительностью приблизительно 10 мВ/г и диапазоном частот от 1 до 10000 Гц. Датчики вибраций 28 могут быть установлены на стенке трубы 30 с использованием клея, такого как клей марки LOCTITE.

Датчики вибраций 28 могут быть эффективно соединены с процессором компьютера 34, который может быть запрограммирован для расчета уровней звукового давления как функции данных датчика вибраций, например, для прогнозирования уровня внутреннего звукового давления с использованием модели звукопоглощающей способности согласно расчетам, приведенным ниже в дальнейшем описании. Данные датчика вибраций могут быть единственным источником данных, поступающих в реальном времени, используемых процессором компьютера 34 для вычисления уровней звукового давления.

Генерация шумов и вибраций в трубопроводах обычно вызывает ряд событий. Например, как только текучая среда, проходящая через регулирующий клапан 10, выходит в трубопровод 26 ниже по течению, ее поток становится возмущенным, вызывая генерирование колебаний внутреннего звукового давления от возмущенного потока текучей среды, а затем этот поток текучей среды будет возбуждать стенку трубы 30, и стенка трубы 30 начнет вибрировать под действием колеблющегося поля внутреннего давления на стенки. Затем произойдет генерация испускания внешнего шума стенкой трубы 30.

В окрестности возмущения потока, созданного сборкой из корпуса и заглушки, может возникать поле переменного давления. Это поле переменного давления ослабляется по экспоненциальному закону с увеличением расстояния от выпускного блока 14, обычно ослабевая до устойчивого состояния на расстоянии, равном примерно 10 диаметрам трубы. Эти уровни переменного давления, связанные с этим устойчивым состоянием, могут сохраняться на очень больших расстояниях ниже по течению от выпускного блока 14.

В то же время, по мере ослабления поля переменного давления, распространение средней скорости потока по поперечному сечению трубы возвращается к своему невозмущенному состоянию, указывая на то, что турбулентность потока также возвращается к состоянию, характерному для невозмущенного потока.

Количество звука, исходящее от стенки трубы 30, зависит от характеристик материала трубы, от жесткости материала трубы и от характеристик жидкой среды.

Для того, чтобы спрогнозировать уровни внутреннего звукового давления внутри трубопровода, такого как стальная труба, только за счет измерения скорости вибрации стенок трубы, может быть осуществлено прогнозирование уровня исходящего наружу звукового давления, и к спрогнозированному уровню наружного звукового давления может быть применена модель звукопоглощающей способности, чтобы получить возможность спрогнозировать уровень внутреннего звукового давления. Как только уровень внутреннего звукового давления спрогнозирован, может быть вычислено значение звукопоглощающей способности. Звукопоглощающая способность является разностью между уровнем внутреннего звукового давления и уровнем исходящего наружу звукового давления, измеренными на заданном расстоянии по течению ниже регулирующего клапана и на заданном расстоянии от стенки трубы, которое также отмеряется перпендикулярно к стенке трубы. Звукопоглощающая способность может быть выражена в децибелах (Дб) на интересующих частотах и является функцией нескольких переменных. Эти переменные необходимо определить из характеристик трубопровода и текучей среды до того, как может быть вычислена звукопоглощающая способность.

Число мод в полосе частот может также быть описано как плотность мод или количество мод. Для оценки количества мод были установлены три способа, а для рассмотрения члена эффективности излучения были установлены два способа. Три способа оценки количества мод будут описаны просто как способ 1, способ 2 и способ 3. В способе 1 используется уравнение звукопоглощающей способности Фагерлунда [1], оценка количества мод Нортона [3] и оценка члена излучения Сечени [6]. В способе 2 используется уравнение звукопоглощающей способности Фагерлунда [1], оценка количества мод Лиона и ДеЙонга [2], и оценка члена эффективности излучения Сечени [6]. В способе 3 используется уравнение звукопоглощающей способности Фагерлунда [1], оценка количества мод Сечени [6], и оценка члена эффективности излучения Сечени [6].

Каждый из этих трех способов будет рассмотрен при двух различных вариантах оценки члена эффективности излучения. Один способ рассмотрения члена излучения предложен Сечени [6] и охватывает весь диапазон частот. Второй способ рассмотрения члена эффективности излучения предложен Фагерлундом [1], и в нем сформулировано, что выше частоты совпадения (1471 Гц) значение члена эффективности излучения приблизится к единице. Каждый способ может быть использован для прогнозирования уровня внутреннего звукового давления и звукопоглощающей способности, и его результат может быть сравнен с измеренными значениями уровней внутреннего звукового давления и звукопоглощающей способности.

Для разработки модели прогнозирования, которая позволит прогнозировать уровень внутреннего звукового давления за счет измерения скорости вибрации стенок трубы, сначала могут быть вычислены значения уровня звукового давления, исходящего наружу от трубы, на расстоянии одного метра от стенки трубы.

В литературе описываются соотношения скорости вибрации стенок трубы и мощности звука. Сечени [5], [6] устанавливает, что мощность звука, испускаемого любой конструкцией, может быть выражена с использованием члена сопротивления излучения и среднеквадратичной скорости испускающей поверхности конструкции. Сечени [5,] [6] также устанавливает, что член сопротивления излучения является коэффициентом звукового затухания, который может быть выведен, если известна информация о плотности, площади, скорости звука и эффективности излучения.

Фагерлунд [7] утверждает, что давление звуковой волны пропорционально акустической скорости частиц среды, через которую проходит волна, а на поверхности трубы акустическую скорость частиц можно считать равной скорости, с которой вибрирует стенка трубы.

Испускаемый наружу уровень звукового давления может быть определен с использованием датчиков вибрации для количественного определения скорости вибрации стенок трубы. Согласно Фагерлунду и Чоу [4], соотношение между скоростью стенки трубы и акустическим давлением в точке пространства, r, равно

где р² - исходящее наружу звуковое давление, выраженное в Паскалях (Па). Плотность окружающей среды равна ρ₀, волновая скорость окружающей среды равна c₀, скорость стенки трубы равна v, внешний диаметр трубы равен D, а r - расстояние по радиусу от осевой линии трубы до какой-либо точки пространства. Для примера, уровень исходящего наружу звукового давления может быть спрогнозирован на расстоянии по радиусу, равном одному метру. Уравнение 1 может быть использовано для прогнозирования уровня исходящего наружу звукового давления на расстоянии одного метра от стенки трубы. Фагерлунд и Чоу [4] рассматривали, что член эффективности излучения принимает значение единицы выше частоты совпадения (внешняя частота совпадения 8 дюймовой трубы 40 SHC равна 1471 Гц), поэтому в Уравнении 1 этот член эффективности излучения должен был быть в конце, но, так как Уравнение 1 справедливо для частот, равных либо выше согласованной частоты, член эффективности излучения можно опустить. Для частот ниже согласованной частоты, в конце уравнения присутствует член f/f_c, где f - интересующая частота центральной полосы 1/3 октавы, a f_c - частота совпадения

Нортон [3] характеризует частоту совпадения как частоту, на которой скорость волны изгиба в конструкции равна скорости звука в текучей среде и вычисляется из Уравнения 4. Фагерлунд [1] характеризует частоту совпадения как частоту, на которой происходит пересечение звукового и конструктивного волновых чисел на диаграмме волновых чисел. Максимальное испускание звука должно происходить на частоте, совпадающей с частотой совпадения

Частота совпадения может также быть охарактеризована как состояние, при котором происходит очень эффективное взаимодействие между двумя структурами, такими как, например, 8-дюймовая труба Schedule (SHC) 40 и окружающий воздух.

С использованием Уравнений 1 и 2 может быть спрогнозирован уровень исходящего наружу звукового давления на каждой частоте центральной полосы 1/3 октавы, причем член r задается для положения в одном метре от стенки трубы и перпендикулярно к стенке трубы.

Для прогнозирования уровня внутреннего звукового давления и сравнения полученной величины с измеренными уровнями может быть использовано уравнение Фагерлунда [1]. Фагерлунд вывел уравнение, которое соотносит среднеквадратичное звуковое давление внутри трубы и среднеквадратичное звуковое давление снаружи трубы в заданной точке наблюдения r. Следующее уравнение может быть использовано для прогнозирования уровней внутреннего звукового давления и, таким образом, звукопоглощающей способности, зная предварительно определенный уровень наружного звукового давления,

где p₀ - уровень наружного звукового давления, а р - уровень внутреннего звукового давления. Но в Уравнении 4 есть несколько других множителей, которые необходимо определить и вывести перед тем, как Уравнение 4 может быть использовано.

Одним из множителей в Уравнении 4, который необходимо вывести, является изменение осевого структурного волнового числа, член Δk_zs в числителе. Изменение осевого структурного волнового числа будет происходить в полосе частот и является пропорциональным числу мод внутри диапазона [1]. Изменение осевого структурного волнового числа может также рассматриваться как число мод внутри полосы частот, согласно Фагерлунду [1]. Могут быть использованы три различных способа выведения числа мод внутри полосы частот. Это способы ДеЙонга [2], Сечени [6] и Нортона [3]. Уравнение для определения изменения осевого структурного волнового числа выведено Фагерлундом [1]. Фагерлунд [1] также приравнивает изменение осевого структурного волнового числа к числу мод в полосе частот,

где N_s - число структурных мод, Δb - изменение числа мод от нижнего предела частот до верхнего предела частот центральной полосы 1/3 октавы; L - длина трубы, а Δk_zs - изменение осевого структурного волнового числа. Член Δb может быть выведен с использованием трех способов вычисления количества мод, указанных в следующем разделе. Уравнение 5 может быть использовано для всех вычислений с использованием количества мод согласно различным способам для того, чтобы определить значение Δk_zs.

Как отмечено выше, число мод внутри полосы частот может также быть охарактеризовано как плотность мод или количество мод. Колебательный и звуковой отклик структурных элементов, и звуковой отклик объемных элементов на случайные возбуждения часто доминируется резонансным откликом смежных структурных или акустических мод [3]. Когда какой-либо вид широкополосного структурного воздействия возбуждает конструкцию, доминирующим структурным откликом является резонансный отклик; когда конструкция акустически возбуждается, доминирующий отклик обычно усиливается, хотя он тоже может быть резонансным; и, когда отражающее акустическое пространство возбуждается некоторым широкополосным источником шума, доминирующим откликом является резонансный отклик. Поток энергии между резонирующими группами состояний является главной проблемой. Плотность мод является очень важным параметром для установления резонансного отклика системы на заданную вынуждающую функцию [1].

Для выведения плотностей мод с использованием способов Нортона [3] могут быть использованы Уравнения 6, 7, 8 и 9. Для того чтобы определить, какое уравнение использовать, сначала можно вычислить интересующую частоту, f, из кольцевой частоты, f_r. Кольцевая частота определяется как частота, на которой цилиндр вибрирует равномерно в дыхательном режиме, и может быть рассчитана как

где a_m - средний радиус корпуса, Е - коэффициент эластичности, c_L - осевая волновая скорость для материала трубы, a υ - коэффициент Пуассона. Дыхательный режим определяется как первая мода цилиндра, при которой радиус цилиндра растягивается и сжимается, и все части цилиндра двигаются внутрь или наружу с одинаковой частотой.

При значении члена f/f_r меньшем либо равном 0,48, количество мод будет определяться как

где S - площадь поверхности трубы. Если член f/f_r больше 0,48 и меньше 0,83, то количество мод будет определяться как

Если член f/f_r больше 0,83, в этом случае количество мод будет определяться как

В Уравнениях 6, 7, 8 и 9 S - площадь поверхности цилиндра, например, для трубы ниже по течению за регулирующим клапаном EW 8′′×6′′ системы Fisher Controls International LLC, St. Louis, МО. Также, в Уравнениях 6, 7, 8 и 9 t - толщина стенок трубы, F - коэффициент расширения полосы частот ({верхняя частота/нижняя частота}²), a c_L - осевая волновая скорость для материала трубы. Для полос пропускания в одну треть октавы F=1,122. Согласно Нортону [3] установлено, что в Уравнениях 7, 8 и 9 не учитывается группирование окружающих мод в цилиндрических корпусах на частотах, ниже кольцевой частоты, которая для 8-дюймовой трубы SCH 40 равна 7835 Гц. Это может быть одной причиной, по которой Уравнения 7, 8 и 9 могут иметь тенденцию не полностью прогнозировать количество мод.

Для выведения плотностей мод или количества мод с использованием способов, предложенных Лионом и ДеЙонгом, могут быть использованы следующие уравнения. Лион и ДеЙонг устанавливают, что количество мод в цилиндре меняет характер вблизи кольцевой частоты, заданной ранее Уравнением 6. Для диапазона частот f>>f_r, количество мод аппроксимируется

где NC - количество мод, L - длина данной трубы, k - радиус вращения для кривизны стенки цилиндра(k=h/{12}² для постоянной толщины h), r - внешний радиус трубы, f - интересующая частота, a c_L - осевая волновая скорость. Для диапазона частот f<<f_r количество мод аппроксимируется

Лион и ДеЙонг [2] устанавливают, что из-за прерывистости количества мод в цилиндре при f=f_r удобно использовать гладкую аппроксимацию кривой для уравнений 10 и 11 до оценки плотности мод.

Форма кривой, верной для всего диапазона частот, задается уравнением

Третий способ, используемый при оценке количества мод, представлен Сечени [6]. Сечени предложил три уравнения, которые можно использовать для описания плотностей мод цилиндров с удовлетворительной степенью точности и простоты. Эти три уравнения приведены ниже. При значении υ₀, меньшем либо равном 0,48, количество мод оценивается по формуле

где υ₀ - частота центральной полосы, деленая на кольцевую частоту. Для значений υ₀ больших, чем 0,48, но меньших либо равных 0,83, количество мод оценивается по формуле

Сечени устанавливает, что Уравнения 13 и 14 могут считаться общими для всех полос частот, так как при υ₀</=0.83 разница между плотностями мод для разных полос пропускания очень мала.

Если значения υ₀ превышают 0,83, то количество мод может быть оценено по формуле

где F - коэффициент расширения полосы частот, описанный выше.

Значения количества мод могут быть выведены с использованием трех способов и уравнений из этих способов и заменены в Уравнении 4 на член осевого структурного волнового числа, Δk_zs, так как изменение осевого волнового числа в полосе частот может считаться пропорциональным числу мод в полосе частот [4.1].

В числителе Уравнения 4 есть член, учитывающий скорость потока в трубопроводе ниже по течению за регулирующим клапаном 8′′×6′′ EW. Поправочный коэффициент скорости, G(M), это член, использующийся для учета эффекта однородного потока и для анализа дозвуковых потоков [1]. Поправочный коэффициент скорости рассчитывается по формуле

где М - число Маха ниже по течению за регулирующим клапаном. В ссылке [1] приведены поправочные коэффициенты скорости для скоростей потока выше и ниже регулирующего клапана до значения числа Маха, равного 0,7.

Еще одним членом, который необходимо определить в Уравнении 4, является член эффективности излучения, σ, для условий внутри и снаружи. В Уравнении 4 членом эффективности внутреннего излучения является σ, а членом эффективности внешнего излучения является σ₀. Согласно Фагерлунду [7] эффективность излучения может быть определена как отношение фактической звуковой мощности к идеальной звуковой мощности, W_a/W_I, и описывает взаимодействие между конструкцией и смежным полем давления. Уравнение для члена W_a, фактической звуковой мощности, имеет следующий вид:

где L - длина трубы, р² - среднеквадратическое звуковое давление, р₀ - плотность воздуха снаружи трубы, а c₀ - волновая скорость в среде. Уравнение для члена W_I, идеальной звуковой мощности, имеет вид

где D - диаметр данной трубы, a υ - среднеквадратичная скорость стенки. Величины, определенные по уравнениям 17 и 18, имеют размерность ватт, что является общепринятой единицей измерения для описания звуковой мощности. При использовании предыдущего определения эффективности излучения как отношения фактической звуковой мощности к идеальной, рассчитанные значения члена эффективности излучения стремятся к нулю ниже частоты совпадения, и становятся равными единице выше частоты совпадения, что согласуется с описанным в [4]. Согласно Фагерлунду [1] многочисленные исследования показали, что эффективность излучения равна единице вблизи точки совпадения и ниже этой частоты ослабевает достаточно быстро, чтобы считаться равной нулю.

Сечени [5], [6] также определяет члены внутренней и внешней эффективности излучения с использованием статистических способов. Сечени [5], [6] определяет, что члены внутренней и внешней эффективности излучения примерно равны друг другу при усреднении в нескольких модах, и член эффективности излучения быстро стремится к единице, так как структурное и звуковое волновые числа все больше различаются и поэтому среднее значение, равное 1, вполне справедливо. Согласно Сечени [6] есть способ, по которому можно вычислить член эффективности излучения, только если функция плотности мод выведена по Сечени [6]. При использовании уравнений, приведенных в [6], и значения функции плотности мод согласно Сечени, член эффективности излучения стремится к нулю ниже частоты совпадения и достигает значений, больших единицы, на частотах выше частоты совпадения. Уравнения основаны на диаграммах структурного и звукового волновых чисел для диапазонов частот одной третьей октавы для цилиндров. По диаграммам волновых чисел уравнения определяются так, что можно вычислить член эффективности излучения. Некоторые переменные в уравнении Площади относятся к линиям и площадям на диаграмме волновых чисел Сечени [6]. Для вычисления значения эффективности излучения сначала получаем площадь из разностей в площадях на диаграммах, использующуюся в уравнении эффективности излучения. Уравнение Площади имеет вид

где OF описывает значение кС, являющееся точкой пересечения С на рисунке, приведенном у Сечени [6]. Аналогично, DF и EF являются линиями, описывающими площади на той же диаграмме. Уравнения для значений OF, DF и EF приведены ниже.

В Уравнениях 20, 21 и 22 F - коэффициент расширения полосы частот (равный 1,122 для полос трети октавы), a υ₀ - отношение частоты центральной полосы к кольцевой частоте. После решения уравнений для OF, DF и EF можно решить уравнение Площади. Используя значение, вычисленное из уравнения Площади, можно решить уравнение эффективности излучения. Уравнение эффективности излучения имеет вид

где В - функция плотности мод, описанная в Уравнениях 13, 14 и 15, µ - коэффициент Пуассона, υ₀ - отношение частоты центральной полосы к кольцевой частоте, a F - коэффициент расширения полосы частот, описанный ранее. Согласно [6] Уравнение 23 действительно до определенного предела и отношения кольцевой частоты к частоте совпадения, и, когда эти значения малы, уравнение 23 упростится, и член эффективности излучения можно будет вычислить по формуле

где f_R - кольцевая частота, a f_C - частота совпадения. Если рассматривать только полосы частот трети октавы или уже, Уравнение 24 еще более упростится до вида

Более того, Сечени [6] отмечает, что уравнение 25 действительно для области частот, где применяется первая аппроксимация В, и, таким образом, для значений, ниже ограничений по υ₀ и по отношению f_R/f_C, эффективность излучения может быть найдена с использованием следующего уравнения:

Уравнение 26 является одним из способов, который может быть использован в Уравнении 4 для вычисления внутреннего давления, чтобы сравнить полученное значение с предыдущим способом определения эффективности излучения Фагерлунда [1].

Последним членом в Уравнении 4, который требует описания, является переменная η_s, коэффициент поглощения материала. Коэффициент поглощения материала можно рассматривать как константу со значением 10^-4. Однако коэффициент поглощения материала может находиться в диапазоне значений от приблизительно 10^-4 до приблизительно 0,01. В данном приложении мы не будем оценивать коэффициент поглощения материала, и для всех вычислений может быть использовано значение 10^-4.

Все переменные в Уравнении 4 были определены, и теперь может быть спрогнозирован уровень внутреннего звукового давления. Уровень звукового давления может быть спрогнозирован способом, при котором сначала по Уравнению 1 вычисляется уровень исходящего наружу звукового давления для всех центральных частот полос трети октавы, а затем переменные, неизвестные в Уравнении 4, количество мод и эффективность излучения могут быть вычислены с использованием различных способов, приведенных ранее. Затем может быть решено Уравнение 4 и может быть спрогнозирован уровень внутреннего звукового давления, может быть спрогнозирована звукопоглощающая способность, и эти значения могут быть сравнены с измеренными значениями для каждой центральной частоты полос трети октавы, например, для калибровки системы.

Способ оценки количества мод с использованием алгебраической функции предложен Хеклом [9]. Хекл [9] предлагает использовать простую модель корпуса для получения простых формул плотности мод и резонансных частот. Нортон [3], Лион и ДеЙонг [2] и Сечени [5], [6] детализируют способы, позволяющие оценить плотность мод для определенных диапазонов частот, причем Сечени [5], [6] также предлагает и способ оценки эффективностей излучения.

Для всех этих способов, при вычислении звукопоглощающей способности, предполагается, что чистая звукопоглощающая способность трубы может быть лучше всего получена путем подробных вычислений с использованием уравнений Фагерлунда [1] или Нортона [3].

На Фиг.3 в схематичном виде показано примерное устройство, иллюстрирующее другой аспект настоящего изобретения. Автоклав 50 находится в жидкостной связи каналом с подводящей линией 52, повышающей давление в автоклаве 50. Для отвода жидкости из автоклава 50 предусмотрены первая выпускная линия 54 и вторая выпускная линия 56. Поток текучей среды внутри подводящей линии 52 может регулироваться с использованием регулирующего клапана 58 подводящей линии, и, аналогично, поток внутри первой и второй выпускных линий 54 и 56 может регулироваться с использованием регулирующего клапана 60 первой выпускной линии и регулирующего клапана 62 второй выпускной линии, соответственно. Глушитель 64 подводящей линии может быть совмещен с подводящей линией 52, а глушители 66 и 68 первой и второй выпускных линий могут быть совмещены с выпускными линиями 54 и 56 соответственно.

Первый датчик 70 звукового давления подводящей линии может быть установлен выше по течению перед глушителем 64 подводящей линии, а второй датчик 72 звукового давления выпускной линии может быть установлен ниже по течению за глушителем 64 подводящей линии. И первый, и второй датчики 70 и 72 подводящей линии могут быть скрытно смонтированы на внутренней поверхности трубопровода подводящей линии 52. Аналогично датчики 74 и 76 первой и второй выпускных линий могут быть скрытно смонтированы на внутренней поверхности трубопровода каждой из выпускных линий 54 и 56 соответственно. Кроме того, датчик давления/температуры 78 автоклава может быть установлен на внутренней поверхности автоклава 50. Каждый из датчиков давления 70, 72, 74 и 76 может быть эффективно соединен с цифровым клапанным управляющим устройством 80, например, посредством аналогово-цифровых преобразователей 82, а датчик давления/температуры 78 автоклава может также быть эффективно соединен с цифровым клапанным управляющим устройством 80, например, посредством аналогово-цифрового преобразователя 82. Каждый из регулирующих клапанов 58, 60 и 62 может быть эффективно соединен с цифровым клапанным управляющим устройством 80, чтобы получать управляющие сигналы от цифрового клапанного управляющего устройства 80.

В процессе работы от датчиков звукового давления 70, 72, 74 и/или 76, и, выборочно, от датчика давления/температуры 78 автоклава могут быть получены данные об уровне звукового давления. Цифровое клапанное управляющее устройство 80 может быть запрограммировано для использования данных об уровне звукового давления как параметров управления с обратной связью для регулировки хода регулирующего клапана 58 подводящей линии, так же как и регулирующего клапана 60 первой выпускной линии и регулирующего клапана 62 второй выпускной линии, для того чтобы сохранять уровни шума снаружи подводящей линии 52 и выпускных линий 54 и 56 на допустимых уровнях. Например, уровень исходящего звукового давления в областях на расстоянии около метра от стенок трубы подводящей линии 52 и выпускных линий 54 и 56 может поддерживаться на отметке или ниже отметки в 80 децибел.

В случае, если автоклав 50 большой, например, порядка 50000 кубических футов, повышение давления в автоклаве 50 за счет газа, такого как, например, азот, до рабочего значения, например, 150 фунтов на квадратный дюйм, может потребовать использования давлений текучей среды порядка 300-500 фунтов на квадратный дюйм выше по течению перед регулирующим клапаном 58 подводящей линии. Во время такого процесса повышения давления, давления выше и ниже по течению могут создать ситуацию, при которой очень вероятно возникновение очень большого перепада давлений, если регулирующий клапан 58 подводящей линии будет открываться слишком быстро. Это приведет к тому, что уровень звукового давления вероятно превысит допустимые пределы, такие как, например, 80 Дб на расстоянии одного метра от стенки трубы подводящей линии 52.

Аналогично, если необходимо снизить уровень давления в автоклаве, выпускные линии 54 и 56 должны снизить уровень давления в автоклаве с рабочего давления, например 150 фунтов на квадратный дюйм, до давления окружающей среды сравнительно быстро, т.е. менее чем за пятнадцать минут, при этом все еще сохраняя допустимые уровни шумов в одном метре от стенки трубы. Соответственно, используя данные датчика давления как параметры регулирования обратной связи, чтобы обеспечить конфигурации клапана, которые не вызовут высокие уровни шумов, и таким образом, чтобы можно было эффективно нагнетать давление в автоклаве 50 и сбрасывать давление в нем.

Датчики 70, 72, 74 и 76 звукового давления могут быть, например, датчиками давления фирмы РСВ Piezotronics, Inc, такими как модель 106В. Цифровое клапанное управляющее устройство 80 может содержать цифровой модуль 84 обработки сигналов (модуль ЦОС), который может быть предварительно настроен или настроен по ходу (т.е. в реальном времени) для анализа входного сигнала, полученного с каждого из датчиков 70, 72, 74 и 76 звукового давления, для анализа сигнала на некоторых октавных полосах, таких как, например, 1/1, 1/3, 1/12 или 1/24 октавы, для вычисления уровня внутреннего звукового давления для каждой октавной полосы на заданном диапазоне частот и для использования уровня внутреннего звукового давления в модели звукопоглощающей способности. Для таких вычислений может потребоваться, чтобы модуль 84 ЦОС также получал входные сигналы с других датчиков, таких как датчики давления и/или температуры, а также получал входные сигналы, относящиеся к стенкам трубы, условиям окружающей среды, и другие входные сигналы. Используя все эти входные сигналы, модуль 84 ЦОС может вычислить уровень исходящего наружу звукового давления на определенных, заданных расстояниях. На основании этого вычисленного уровня звукового давления цифровое клапанное управляющее устройство 80 может послать соответствующие управляющие сигналы на подвижную часть регулирующего клапана 58 подводящей линии, на регулирующий клапан 60 первой выпускной линии и/или на регулирующий клапан 62 второй выпускной линии, чтобы удостовериться, что предварительно заданный уровень звукового давления не превышен.

Также, могут быть вычислены или измерены скорости вибрации стенок трубы с использованием датчиков вибраций, чтобы спрогнозировать акустическую усталость, предсказать износ с целью проведения текущего ремонта, или, в случаях с жидкостями, чтобы спрогнозировать парообразование и соответствующим образом настроить клапан. Информация о парообразовании может также использоваться для определения предположительного графика технического обслуживания, избыточные уровни парообразования могут быть определены, например, для предоставления основы для отмены гарантийных обязательств при неисправностях, связанных с избыточным парообразованием.

Кроме того, данные, собранные цифровым клапанным управляющим устройством 80, могут быть использованы для дистанционного выполнения частотного спектрального анализа.

В качестве еще одной альтернативы, несколько цифровых клапанных управляющих устройств могут быть эффективно соединены с одним или более цифровыми модулями обработки сигнала для настройки одного или более регулирующих клапанов, связанных с каждым из цифровых клапанных управляющих устройств, для сохранения шума на допустимых уровнях, например на линии забора. Один главный модуль ЦОС может собирать информацию со всех других модулей ЦОС и выполнять вычисления, рассматривая все источники шума как точечные, дипольные или как любые другие заданные модели шума, и посылать сигнал обратно на цифровые клапанные управляющие устройства для того, чтобы указать, что необходимо отрегулировать один или более клапанов, например закрыть на 10%, чтобы получить допустимые уровни шумов. Такое приспособление может также включать дополнительные трубопроводы и клапаны для случаев, когда необходимы тяжелые нагрузки, но не должны превышаться уровни шума.

Необходимо отметить, что соединение между датчиками, цифровыми клапанными управляющими устройствами и/или цифровыми модулями обработки сигнала может быть проводным или беспроводным, а датчики могут работать от любых подходящих источников, таких как, например, батарейки.

Использование датчиков вибрации для получения уровня внутреннего звукового давления исключит или уменьшит потребность в дорогостоящем обслуживании и калибровке микрофонов свободного поля. Оно также исключит потребность в дорогостоящем изготовлении креплений, обслуживании и калибровке датчиков давления, использующихся для измерения уровней внутреннего звукового давления. Данный способ также позволит быстрее собирать данные испытаний. Что касается возможностей процесса, уровень внутреннего звукового давления может быть получен более точно при измерении скорости вибрации стенок трубы, так как попытка применить модель звукопоглощающей способности к измерениям с помощью микрофона свободного поля может привести к ошибкам, например, вследствие сильного воздействия источников шумов на измерения с помощью микрофона свободного поля.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на примерные реализации, которые предназначены только для иллюстрации, а не для ограничивания изобретения, специалисту в данной области техники должно быть ясно, что изменения, дополнения и/или исключения могут быть внесены в раскрытие реализаций без отступления от сущности и выхода за рамки изобретения. Соответственно, вышеприведенное описание дано только для ясности понимания, и в нем не следует находить каких-либо ограничений, так как изменения в рамках изобретения могут быть очевидны специалисту в данной области техники.

Источники информации

1. А.С.Fagerlund, "A Theoretical and Experimental Investigation on the Effects of the Interaction Eietween an Acoustic Field and Cylindrical Structure on Sound Transmission Loss", Ph.D. Thesis, University of Iowa, 1979.

2. R.H.Lyon and R.G. DeJong, Theory and Application, of Statistical Energy Analysis, Second Edition, Butterworth-Heinemann, 1995.

3. M.P.Norton, Fundamentals of Noise and Vibration Analysis for Engineers, First Edition, Cambridge University Press, 1989.

4. A.C.Fagerlund & D.C. Chou, "Sound Transmission Through a Cylindrical Pipe Wall", ASME Paper 80-WA/NC-3 presented at the ASME Winter Annual Meeting, Nov. 1980.

4.1. E.Szechenyi, "Sound Transmission Through Cylinder Walls Using Statistical Considerations", Journal of Sound and Vibration (1971) 19 (1) 83-94.

5. E.Szechenyi, "Modal Densities and Radiation Efficiencies of Unstiffened Cylinders Using Statistical Methods", Journal of Sound and Vibration (1971) 19 (1) 65-81.

6. A.C.Fageriund, "Use of Pipewall Vibrations to Measure Valve Noise", Fisher Controls International Technical Monograph 33.

7. Fahy, F.J., "Response of a Cylinder to Random Sound in the Contained Fluid", Journal of Sound and Vibration (1970) 13 (2), 171-194.

8. Heckl, M., "Vibrations of Point Driven Cylindrical Shells", Journal of the Acoustical Society of America, 1962, 34 (10),. 1553-1557.

9. IEC (International Electrotechnical Commission) Control Valve Standard IEC 534- 8-3, "Part 8: Noise Considerations - Section 3: Control Valve Aerodynamic Noise Prediction Method" (1995).

Способ управления клапаном в системе управления технологическим процессом включает определение уровня звукового давления в трубопроводе, связанном с клапаном, которое используют в качестве параметра обратной связи в системе управления. Причем система управления регулирует настройки клапана, основанные, по меньшей мере, частично на указанном определенном уровне звукового давления. При этом для определения уровня звукового давления используют, по меньшей мере, один датчик давления, установленный на внутренней стенке канала. Система регулирования потока текучей среды через регулирующий клапан включает регулирующий клапан, первый и второй канал, по меньшей мере один датчик давления и клапанное управляющее устройство. Первый канал соединен с регулирующим клапаном и находится выше регулирующего клапана по течению. Второй клапан соединен с регулирующим клапаном и находится выше регулирующего клапана по течению. Датчик звукового давления установлен на внутренней стенке второго клапана. Клапанное управляющее устройство функционально соединено с регулирующим клапаном и с по меньшей мере одним датчиком давления и запрограммировано для изменения настроек регулирующего клапана. Технический результат - повышение точности прогнозирования уровня шумов. 6 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления клапаном в системе управления технологическим процессом, включающий следующие шаги:
определяют уровень звукового давления в трубопроводе, связанном с клапаном; и
используют уровень звукового давления в качестве параметра обратной связи в системе управления, которая регулирует настройки клапана, основанные по меньшей мере частично на указанном определенном уровне звукового давления, при этом для определения уровня звукового давления используют по меньшей мере один датчик давления, установленный на внутренней стенке канала.

2. Система регулирования потока текучей среды через регулирующий клапан, включающая:
регулирующий клапан;
первый канал, соединенный с регулирующим клапаном и находящийся выше регулирующего клапана по течению;
второй канал, соединенный с регулирующим клапаном и находящийся ниже регулирующего клапана по течению;
по меньшей мере один датчик звукового давления, установленный на внутренней стенке второго канала; и
клапанное управляющее устройство, функционально соединенное с регулирующим клапаном и с по меньшей мере одним датчиком давления, причем клапанное управляющее устройство запрограммировано для изменения настроек регулирующего клапана, в зависимости по меньшей мере частично от выходных данных по меньшей мере одного датчика звукового давления.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что клапанное управляющее устройство также запрограммировано для расчета уровня исходящего наружу звукового давления.

4. Система по п.2, отличающаяся тем, что клапанное управляющее устройство содержит цифровой модуль обработки сигналов, запрограммированный для вычисления уровня исходящего наружу звукового давления с использованием входных данных от по меньшей мере одного датчика звукового давления.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что цифровой модуль обработки сигналов запрограммирован для расчета уровня исходящего наружу звукового давления с использованием модели звукопоглощающей способности.

6. Способ контроля шума, связанного с регулирующим клапаном, предназначенным для нагнетания давления в резервуар высокого давления в процессе наддува, включающий следующие шаги:
обеспечивают подводящую линию текучей среды под давлением к указанному резервуару;
обеспечивают регулирующий клапан подводящей линии для регулирования потока текучей среды внутри подводящей линии;
обеспечивают по меньшей мере один датчик звукового давления ниже регулирующего клапана подводящей линии по течению;
обеспечивают клапанное управляющее устройство, функционально соединенное с регулирующим клапаном подводящей линии и с по меньшей мере одним датчиком звукового давления; и
используют сигналы от по меньшей мере одного датчика звукового давления в качестве входных данных для клапанного управляющего устройства для того, чтобы подвижная часть регулирующего клапана подводящей линии нагнетала давление в резервуаре, поддерживая уровни шума на заданном максимальном уровне или ниже.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что также обеспечивают по меньшей мере один глушитель в подводящей линии.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что по меньшей мере один датчик звукового давления располагают ниже по течению по меньшей мере одного глушителя.

9. Система контроля шума, связанного с регулирующим клапаном, предназначенным для нагнетания давления в резервуаре высокого давления в процессе наддува, включающая в себя:
подводящую линию, подающую текучую среду в указанный резервуар;
регулирующий клапан подводящей линии для регулирования потока текучей среды внутри подводящей линии;
по меньшей мере один датчик звукового давления, расположенный ниже по течению за регулирующим клапаном подводящей линии;
цифровое клапанное управляющее устройство, функционально соединенное с регулирующим клапаном подводящей линии и с по меньшей мере одним датчиком звукового давления, причем цифровое клапанное управляющее устройство запрограммировано для использования сигналов от по меньшей мере одного датчика звукового давления в качестве входных данных для цифрового клапанного управляющего устройства, чтобы подвижная часть регулирующего клапана подводящей линии нагнетала давление в резервуаре, поддерживая уровни шума на заданном максимальном уровне или ниже.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что цифровое клапанное управляющее устройство содержит модуль обработки цифровых сигналов, запрограммированный для вычисления уровня исходящего наружу звукового давления с использованием входных данных от по меньшей мере одного датчика звукового давления.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что модуль обработки цифровых сигналов запрограммирован для расчета уровня исходящего наружу звукового давления с использованием модели звукопоглощающей способности.

12. Способ контроля шума, связанного с регулирующим клапаном, предназначенным для уменьшения уровня давления в резервуаре высокого давления в процессе стравливания, включающий следующие шаги:
обеспечивают выпускную линию текучей среды под давлением из резервуара;
обеспечивают регулирующий клапан выпускной линии для регулирования потока текучей среды внутри выпускной линии;
обеспечивают по меньшей мере один датчик звукового давления ниже по течению за регулирующим клапаном выпускной линии;
обеспечивают клапанное управляющее устройство, функционально соединенное с регулирующим клапаном выпускной линии и с по меньшей мере одним датчиком звукового давления; и
используют сигналы от по меньшей мере одного датчика звукового давления в качестве входных данных для клапанного управляющего устройства для того, чтобы подвижная часть регулирующего клапана выпускной линии сбрасывала текучую среду под давлением из резервуара, поддерживая уровни шума на заданном максимальном уровне или ниже.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что обеспечивают также по меньшей мере один глушитель в выпускной линии.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что по меньшей мере один датчик звукового давления располагают ниже по течению за как минимум одним глушителем.

15. Система контроля шума, связанного с регулирующим клапаном, предназначенным для уменьшения уровня давления в резервуаре высокого давления в процессе стравливания, включающая в себя:
по меньшей мере одну выпускную линию текучей среды под давлением из резервуара;
регулирующий клапан выпускной линии для регулирования потока текучей среды внутри соответствующей выпускной линии;
по меньшей мере один датчик звукового давления ниже по течению за регулирующим клапаном выпускной линии;
цифровое клапанное управляющее устройство, функционально соединенное с регулирующим клапаном выпускной линии и с по меньшей мере одним датчиком звукового давления, причем цифровое клапанное управляющее устройство запрограммировано для использования сигналов от по меньшей мере одного датчика звукового давления в качестве входных данных для клапанного управляющего устройства для того, чтобы подвижная часть регулирующего клапана выпускной линии сбрасывала текучую среду под давлением из резервуара, поддерживая уровни шума на заданном максимальном уровне или ниже.

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что цифровое клапанное управляющее устройство содержит цифровой модуль обработки сигналов, запрограммированный для вычисления уровня исходящего наружу звукового давления с использованием входных данных от по меньшей мере одного датчика звукового давления.

17. Система по п.16, отличающаяся тем, что модуль обработки цифровых сигналов запрограммирован для расчета уровня исходящего наружу звукового давления с использованием модели звукопоглощающей способности.