СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ТЕЧИ В ТРУБОПРОВОДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G01M3/24 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Группа изобретений относится к способу и устройству определения места утечки жидкости или газа в трубопроводах и предназначено для определения координат течи в труднодоступных местах трубопровода, например газопроводов и нефтепроводов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ обнаружения места положения течи, раскрытый в US 5058419 A, опубл. 22.10.19991. Способ заключается в приеме звука первым датчиком, установленным на трубопроводе, приеме сигнала вторым датчиком, установленным на том же трубопроводе на некотором расстоянии от первого, выполнение математической обработки сигналов, расчет времени задержки сигнала от течи, определение расстояния до места утечки от первого и второго датчиков.

Данный корреляционный метод имеет ряд недостатков. Для расчета расстояния до места утечки необходимо знать значение скорости групповой скорости звука в трубопроводе с жидкостью. В данном патенте данную скорость определяют расчетным способом, что может привести к существенным погрешностям в определении расстояния до утечки. При погрешности определения скорости в 5% погрешность определения расстояния в трубопроводе длинной 1000 м может достигать ±50 м, что не приемлемо для проведения земляных работ в городских условиях.

Наиболее близким аналогом заявленной группы изобретения является способ и устройство определения места течи в трубопроводе, раскрытые в RU 22498020 C2, опубл. 10.04.2005.

Способ, раскрытый в наиболее близком аналоге, заключается в приеме шумовых сигналов первым и вторым акустическими датчиками, преобразования этих акустических сигналов в электрические, фильтрацию и дискретизацию электрических сигналов и определение места течи по времени задержки шумовых сигналов течи, при этом акустические датчики устанавливаются рядом, один на трубопровод, второй рядом с трубопроводом в окружающей среде, первый датчик экранируют от шума в окружающей среде, второй датчик экранируют от шума в трубопроводе. Предварительно на фиксированном расстоянии R_H от датчиков возбуждают в трубопроводе и в окружающей его среде искусственный шумовой сигнал, принимают шумовой сигнал, распространяющийся по трубопроводу первым акустическим датчиком, шумовой сигнал, распространяющийся по окружающей трубопровод среде вторым акустическим датчиком, электрические сигналы первого и второго акустических датчиков после фильтрации и дискретизации подвергают взаимоспектральной обработке, по данным о действительной и мнимой частях взаимного спектра, величине R_и и расчетному значению скорости распространения акустических волн в среде находят скорость распространения групповых волн в трубопроводе, при наличии сигнала течи производят взаимоспектральную обработку преобразованных в электрические сигналы отфильтрованных, дискретизированных сигналов течи, принятых первым и вторым акустическими датчиками, время задержки шумовых сигналов течи, принятых первым и вторым акустическими датчиками, определяют данные о действительной и мнимой частях взаимного спектра шумовых сигналов течи, после чего определяют место течи с учетом скорости распространения акустических волн в среде и скорости групповых волн в трубопроводе. Данное значение групповой скорости используется для расчета расстояния до места течи.

Устройство определения места течи в трубопроводе, раскрытое в наиболее близком аналоге, содержит первый и второй приемные тракты, каждый из которых содержит последовательно соединенные первый и второй акустические датчики соответственно, усилитель, фильтр, аналого-цифровой преобразователь, причем первый акустический датчик имеет акустический контакт с трубопроводом и акустически заэкранирован от акустических волн в окружающей трубопровод среде, а второй акустический акустически заэкранирован от акустических волн, распространяющихся по трубопроводу, в устройство введены последовательно соединенные анализатор взаимного спектра, первый и второй входы которого соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей первого и второго приемного трактов соответственно, блок вычисления расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе и индикатор, также введен блок памяти скоростей распространения групповых волн в трубопроводе и в окружающей трубопровод среде, вход которого соединен со вторым выходом, а выход - со вторым входом блока вычисления расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе, также введен блок управления, синхровходы и синхровыходы которого соединены с аналого-цифровым преобразователем, с анализатором взаимного спектра, с блоком вычисления расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе, с блоком памяти скоростей распространения групповых волн в трубопроводе и в окружающей трубопровод среде и с индикатором, также введен искусственный источник акустического сигнала, акустически связанный с первым акустическим датчиком по трубопроводу, а со вторым акустическим датчиком - по окружающей трубопровод среде.

Недостатками наиболее близкого аналога является низкая точность в определении расстояния до течи по следующим причинам:

- точное определение скорости звука в окружающей среде является сложной задачей и задание табличного значения данной скорости или ее расчет имеет большие отклонения от истинного значения и приводят к таким же погрешностям в определении групповой скорости, что и просто расчет по заданному диаметру, давлению и материалу;

- шумовой источник искусственного звука усложняет определение времени прохождения сигнала и повышает погрешность в его определении. Кроме того, если окружающей трубопровод средой является грунт, то затухание акустического сигнала в грунте не позволит использовать данное устройство на практике, т.к. расстояние от источника искусственного источника акустического сигнала до места расположения датчиков не превысит несколько метров:

- аппаратные погрешности измерения времени задержки, согласования времени начала импульса в грунте и трубопроводе, неточность задания скорости звука в окружающей среде приведут к погрешностям в десятки процентов про расчете групповой скорости звука в трубопроводе.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленной группы изобретений является разработка способа и устройства определения места течи в трубопроводе, обеспечивающих точность определения места течи в трубопроводе.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение точности и достоверности определения места нахождения течи в трубопроводе.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ определения места течи в трубопроводе включает следующие этапы.

a) Принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе, на котором закреплены два акустических датчика, расположенные на заданном расстоянии друг от друга по длине трубопровода.

b) Прием акустических импульсных сигналов первым и вторым акустическим датчиком, с фиксацией времени прихода акустических импульсов сначала на первый акустический датчик - ближний, а затем на второй акустический датчик.

c) Определение средней групповой скорости звука распространения акустического сигнала в трубопроводе на основе данных прохождения акустических импульсных сигналов от средства создания акустических сигналов до по крайней мере одного акустического датчика.

d) Прием акустического сигнала от течи первым и вторым акустическими датчиками с последующими обработкой полученного сигнала и определением времени задержки прихода сигнала на датчики от течи.

e) Определение расстояния до течи в трубопроводе от одного из датчиков на основании определенных времени задержки прихода сигнала на датчики от течи и измеренной средней групповой скорости звука в трубопроводе.

Принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе осуществляется на заданном расстоянии от средства создания акустических сигналов до первого акустического датчика, а определение средней групповой скорости звука распространения акустического сигнала осуществляют на основе времени прохождения акустического сигнала от средства создания акустических сигналов до первого акустического датчика, являющегося приемником акустического сигнала от средства создания акустических сигналов для определения скорости звука.

Принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе осуществляется на заданном расстоянии от средства создания акустических сигналов до первого акустического датчика, а определение средней групповой скорости звука распространения акустического сигнала осуществляют на основе времени прохождения акустического сигнала между первым и вторым акустическими датчиками, при этом первый и второй акустические датчики являются корреляционными и приемниками акустического сигнала от средства создания акустических сигналов для определения скорости звука.

Принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе осуществляется на неизвестном расстоянии от средства создания акустических сигналов до первого акустического датчика, а определение средней групповой скорости звука распространения акустического сигнала осуществляют на основе времени прохождения акустического сигнала между первым и вторым акустическими датчиками, при этом первый и второй акустические датчики являются корреляционными приемниками акустического сигнала от средства создания акустических сигналов для определения скорости звука.

Принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе осуществляется с помощью генератора акустических импульсов, соединенного со средством создания акустических сигналов путем механического удара по поверхности трубопровода.

Принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе осуществляется с помощью генератора акустических импульсов, соединенного со средством создания акустических сигналов путем создания акустического сигнала пьезоизлучателем и передачи сигнала через волновод на поверхность трубопровода.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что устройство определения места положения течи в трубопроводе для осуществления вышеописанного способа содержит генератор акустических импульсных сигналов, первый и второй приемные тракты, каждый из которых содержит последовательно соединенные акустический датчик, усилитель, фильтр, средство передачи сигнала, средство приема сигнала и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), соединенные с блоком обработки, к которому подключен индикатор, при этом генератор акустических импульсных сигналов соединен со средством создания акустических сигналов, установленным на трубопроводе и создающим акустические колебания в трубопроводе, при этом первый и второй акустические датчики, расположенные на трубопроводе, разнесены на заданное расстояние по его длине, акустически связаны при помощи трубопровода со средством создания акустических сигналов.

В качестве средства создания акустических сигналов применено механическое ударное устройство, приводимое в действие с помощью соленоида.

В качестве средства создания акустических сигналов применен пьезоэлектрический излучатель, акустически связанный с трубопроводом.

Средство создания акустических сигналов расположено в одном корпусе с первым акустическим датчиком.

Средства передачи и приема сигнала выполнены как радиопередатчик и приемник радиосигнала.

Средства передачи и приема сигнала выполнены в виде проводной связи.

Генератор акустических импульсных сигналов снабжен средством синхронизации времени импульса, соединенным с блоком обработки.

Средство синхронизации времени импульса соединено с блоком обработки с помощью проводной связи.

Средство синхронизации времени импульса соединено с блоком обработки с помощью радиоканала.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - Блок-схема устройства;

Фиг. 2 - Расположение на трубопроводе элементов устройства.

1 - первый акустический датчик; 2 - второй акустический датчик; 3 - усилитель; фильтр; 4 - фильтр; 5 - средство передачи сигнала; 6 - средство приема сигнала; 7 - АЦП; 8 - блок обработки; 9 - индикатор; 10 - генератор акустических импульсных сигналов; 11 - средство создания акустических сигналов; 12 - место течи в трубопроводе.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство определения места положения течи в трубопроводе для осуществления содержит генератор (10) акустических импульсных сигналов, первый и второй приемные тракты, каждый из которых содержит последовательно соединенные акустический датчик (1, 2), усилитель (3), фильтр (4), средство (5) передачи сигнала, средство (6) приема сигнала и аналого-цифровой преобразователь (7), соединенные с блоком обработки (8), к которому подключен индикатор (9), при этом генератор (10) акустических импульсных сигналов соединен со средством (11) создания акустических сигналов, установленным на трубопроводе и создающим акустические колебания в трубопроводе, при этом первый (1) и второй (2) акустические датчики, расположенные на трубопроводе, разнесены на заданное расстояние по его длине, акустически связаны при помощи трубопровода со средством (11) создания акустических сигналов.

В качестве средства (11) создания акустических сигналов применено механическое ударное устройство, приводимое в действие с помощью соленоида.

В качестве средства (11) создания акустических сигналов применен пьезоэлектрический излучатель, акустически связанный с трубопроводом.

Средство (11) создания акустических сигналов расположено в одном корпусе с первым (1) акустическим датчиком.

Средства передачи (5) и приема (6) сигнала выполнены как радиопередатчик и приемник радиосигнала.

Средства передачи (5) и приема (6) сигнала выполнены в виде проводной связи.

Генератор (10) акустических импульсных сигналов снабжен средством синхронизации времени импульса, соединенным с блоком обработки.

Средство синхронизации времени импульса соединено с блоком обработки с помощью проводной связи.

Средство синхронизации времени импульса соединено с блоком обработки с помощью радиоканала.

Заявленное устройство в соответствии с фиг. 1-2 работает следующим образом. В соответствии одним вариантом осуществления изобретения по длине трубопровода закрепляются средство (11) создания акустического сигнала, первый (1) и второй (2) акустические датчики, при этом средство (11) создания акустического сигнала закреплено на трубопроводе на заданном расстоянии h₁ (до 1 км) от первого (1) - ближнего акустического датчика, а первый (1) и второй (2) акустические датчики также закреплены на трубопроводе на заданном расстоянии h₂ (до 1 км). После чего в трубопроводе осуществляют принудительное возбуждение акустических колебаний, для этого генератор (10) акустических импульсных сигналов подключают к средству (11) создания акустического сигнала, выполненного в виде механического ударного устройства или пьезоэлектрического излучателя. После чего генератор (10) акустических импульсных сигналов вырабатывает импульс напряжения или тока, который поступает на средство (11) создания акустического сигнала и после преобразования сигнала в нем приводит в действие средство (11) создания акустического сигнала, акустически связанное с трубопроводом. При этом генератор (10) акустических импульсных сигналов содержит средство синхронизации времени импульса, которое фиксирует время начала создания акустического сигнала и передает на блок обработки (8). Средство (11) создания акустического сигнала акустически создает в трубопроводе акустический сигнал, который, распространяясь по трубопроводу, фиксируется первым акустическим датчиком (1), усиливается в усилителе (3), фильтруется фильтром (4) и с помощью средства передачи сигнала (5) передается на средство приема сигнала (6), оцифровывается АЦП (7) и поступает на блок обработки (8). Акустический сигнал, достигая второго акустического датчика (2), расположенного на заданном расстоянии от первого (1), фиксируется им и после обработки, аналогичной вышеописанной, поступает на блок обработки (8). В блоке обработки (8) происходит расчет средней групповой скорости (Vгр) прохождения сигнала на основе времени задержки прохождения акустического сигнала между датчиками (t2) и известного расстояния между датчиками (h2) по формуле

Vгр=h2/t2.

После этого прекращают принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе, при этом первый (1) и второй (2) акустические датчики фиксируют акустические непрерывные сигналы от течи, полученные сигналы усиливаются в усилителе (3), фильтруются фильтром (4) и с помощью средства передачи сигнала (5) передаются на средство приема сигнала (6), оцифровываются АЦП (7) и поступают на блок обработки (8). В блоке обработки (8) проводят корреляционную обработку обработанных непрерывных сигналов с выявлением сигналов от течи. На основании корреляционной обработки определяется время задержки сигнала от утечки до первого (1) и второго (2) акустических датчиков. На основе времени задержки сигнала от утечки до первого (1) и второго (2) акустических датчиков и средней групповой скорости блок обработки рассчитывает расстояние до места утечки от одного из датчиков. Расчетные данные выводятся на индикатор (9).

Применение двух акустических датчиков (1, 2), расположенных на заданном расстоянии друг от друга по длине трубопровода, и средства (11) создания акустического сигнала, расположенного на заданном расстоянии от первого (1) - ближнего акустического датчика, позволяет повысить точность и достоверность определения места нахождения течи в трубопроводе за счет расположения средства (11) создания акустического сигнала от первого (1) - ближнего акустического датчика на большем расстоянии, чем в наиболее близком аналоге, так как в наиболее близком аналоге при создании акустических колебаний в грунте, источник создания акустических колебаний может быть установлен не более чем на 10 м от акустического датчика, так как акустический сигнал в грунте быстро затухает и на таком расстояние сложно точно определить среднюю групповую скорость прохождения сигнала, следовательно, предлагаемая группа изобретений позволяет более точно определить среднюю групповую скорость прохождения сигнала, следовательно, повысить точность и достоверность определения места нахождения течи в трубопроводе.

В соответствии с другим вариантом осуществления, при котором по длине трубопровода закрепляются средство (11) создания акустического сигнала, первый (1) и второй (2) акустические датчики, при этом средство (11) создания акустического сигнала закреплено на трубопроводе на неизвестном расстоянии h₁ (до 1 км) от первого (1) - ближнего акустического датчика, а первый (1) и второй (2) акустические датчики также закреплены на трубопроводе на заданном расстоянии h₂ (до 1 км). Работа устройства осуществляется аналогично первому варианту осуществления изобретения, за исключением того, что среднюю групповую скорость прохождения сигнала определяют на основе времени прохождения акустического сигнала между первым (1) и вторым (2) акустическими датчиками и генератор (10) акустических импульсных сигналов не содержит средство синхронизации времени импульса.

Осуществление заявленной группы изобретения по второму варианту использование разнесенных на заданное расстояние на трубопроводе акустических датчиков (1, 2), в отличие от прототипа, позволяет повысить точность и достоверность определения места нахождения течи в трубопроводе за счет более точного определения групповой скорости прохождения сигнала в трубопроводе, за счет измерения ее на том же участке трубопровода, где и определяется место утечки корреляционным способом.

Таким образом, предлагаемая группа изобретений позволяет повысить точность и достоверность определения места нахождения течи в трубопроводе.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как оно раскрыто в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Группа изобретений относится к метрологии, в частности к способу определения места утечки. Выполняют принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе, на котором закреплены два акустических датчика, расположенные на заданном расстоянии друг от друга по длине трубопровода; прием акустических импульсных сигналов первым и вторым акустическим датчиком с фиксацией времени прихода акустических импульсов сначала на первый акустический датчик - ближний, а затем - на второй акустический датчик; определение средней групповой скорости звука распространения акустического сигнала в трубопроводе, прием акустического сигнала от течи первым и вторым акустическими датчиками с последующими обработкой полученного сигнала и определением времени задержки прихода сигнала на датчики от течи, определением расстояния до течи в трубопроводе от одного из датчиков на основании определенных времени задержки прихода сигнала на датчики от течи и измеренной средней групповой скорости звука в трубопроводе. Устройство состоит из двух каналов, каждый из которых содержит акустический датчик, усилитель, фильтр, средство передачи сигнала, средство приема сигнала, АЦП, а также общий блок обработки, индикатор. Также устройство содержит генератор акустических сигналов, средство создания акустических импульсов. Технический результат - повышение точности и достоверности определения места нахождения течи в трубопроводе. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения места течи в трубопроводе, включающий следующие этапы:

a) принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе, на котором закреплены два акустических датчика, расположенные на заданном расстоянии друг от друга по длине трубопровода;

b) прием акустических импульсных сигналов первым и вторым акустическими датчиками, с фиксацией времени прихода акустических импульсов сначала на первый акустический датчик - ближний, а затем на второй акустический датчик;

c) определение средней групповой скорости звука распространения акустического сигнала в трубопроводе на основе данных прохождения акустических импульсных сигналов от средства создания акустических сигналов до по крайней мере одного акустического датчика;

d) прием акустического сигнала от течи первым и вторым акустическими датчиками с последующими обработкой полученного сигнала и определением времени задержки прихода сигнала на датчики от течи;

e) определение расстояния до течи в трубопроводе от одного из датчиков на основании определенных времени задержки прихода сигнала на датчики от течи и измеренной средней групповой скорости звука в трубопроводе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе осуществляется на заданном расстоянии от средства создания акустических сигналов до первого акустического датчика, а определение средней групповой скорости звука распространения акустического сигнала осуществляют на основе времени прохождения акустического сигнала от средства создания акустических сигналов до первого акустического датчика, являющегося приемником акустического сигнала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе осуществляется на заданном расстоянии от средства создания акустических сигналов до первого акустического датчика, а определение средней групповой скорости звука распространения акустического сигнала осуществляют на основе времени прохождения акустического сигнала между первым и вторым акустическими датчиками, при этом первый и второй акустические датчики являются корреляционными и приемниками акустического сигнала от средства создания акустических сигналов для определения скорости звука.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе осуществляется на неизвестном расстоянии от средства создания акустических сигналов до первого акустического датчика, а определение средней групповой скорости звука распространения акустического сигнала осуществляют на основе времени прохождения акустического сигнала между первым и вторым акустическими датчиками, при этом первый и второй акустические датчики являются корреляционными приемниками акустического сигнала от средства создания акустических сигналов для определения скорости звука.

5. Способ по любому из пп. 1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе осуществляется с помощью генератора акустических импульсов, соединенного со средством создания акустических сигналов путем механического удара по поверхности трубопровода.

6. Способ по любому из пп. 1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что принудительное возбуждение акустических колебаний в трубопроводе осуществляется с помощью генератора акустических импульсов, соединенного со средством создания акустических сигналов путем создания акустического сигнала пьезоизлучателем и передачи сигнала через волновод на поверхность трубопровода.

7. Устройство определения места положения течи в трубопроводе для осуществления способа по пп. 1-6, содержащее генератор акустических импульсных сигналов, первый и второй приемные тракты, каждый из которых содержит последовательно соединенные акустический датчик, усилитель, фильтр, средство передачи сигнала, средство приема сигнала и аналого-цифровой преобразователь, соединенные с блоком обработки, к которому подключен индикатор, при этом генератор акустических импульсных сигналов соединен со средством создания акустических сигналов, установленным на трубопроводе и создающим акустические колебания в трубопроводе, при этом первый и второй акустические датчики, расположенные на трубопроводе, разнесены на заданное расстояние по его длине, акустически связаны при помощи трубопровода со средством создания акустических сигналов.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что в качестве средства создания акустических сигналов применено механическое ударное устройство, приводимое в действие с помощью соленоида.

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что в качестве средства создания акустических сигналов применен пьезоэлектрический излучатель, акустически связанный с трубопроводом.

10. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что средство создания акустических сигналов расположено в одном корпусе с первым акустическим датчиком.

11. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что средства передачи и приема сигнала выполнены как радиопередатчик и приемник радиосигнала.

12. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что средства передачи и приема сигнала выполнены в виде проводной связи.

13. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что генератор акустических импульсных сигналов снабжен средством синхронизации времени импульса, соединенным с блоком обработки.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что средство синхронизации времени импульса генератора акустических колебаний соединено с блоком обработки с помощью проводной связи.

15. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что средство синхронизации времени импульса генератора акустических колебаний соединено с блоком обработки с помощью радиоканала.