Способ определения наличия утечек в трубопроводах и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для текущего контроля за герметичностью трубопровода.

Целью изобретения является повышение надежности определения утечек технической среды из трубопроводов.

На фиг.1 представлены результаты спектрального анализа возбуждений в широкой полосе частот осевых и радиальных продольных колебаний в никелевой оболочке с размерами а . 4,15 мм, h/a 0,0361, где а - радиус срединной поверхности оболочки, h - толщина стенкиj на фиг.2 - данные спектрального анализа для конкретного трубопровода; на фиг.З структурная схема устройства для реализации способа.

Спектры соответствующие данным колебаниям содержат два частотных диапазона, разделенные мертвой зоной при ka 1, где k - волновое число в материале оболочки, а - радиус срединной поверхности оболочки, причем при ka Z. 1 наблюдаются спектральные составляющие осевых колебаний, а при ka 1 - радиальных колебаний.

Предполагается, что механизм лоз- буждения колебаний - автоколебательный и связан с трением движущейся среды, заполняющей оболочку, о ее внутренние стенки.

а

Сп

СЈ ОС

Ос

31657988

Длину возбуждаемой волны ftB па, где п - численный коэффициент. Если ввести систему координат с центром на оси оболочки, то пространственную координату точки, принадлежащей оси, можно определить ит выражения

- vt

В

О)

где V - скорость течения среды;

с - текущее время.

Временные отсчеты связаны со скоростью продольных волн в тонкой плаС

выражением , Ч

(2)

(1)

При делении обеих

на Ср получают

X i

ГР

Условие

в

- t,

5

0

взаимосвязанным частотным диапазонам, один из которых может соответствовать осевым продольным,а другой радиальным продольным колебаниям в оболочке.

В этом случае п 2 и .

На фиг.2 представлены данные фиг.1, обработанные в соответствии с изложенным анализом, подтверждающие наличие в спектрах колебаний оболочек взаимосвязанных пар осевых и радиальных колебаний.

Ниже приведен пример конкретной реализации способа для трубопровода (Диаметром 1 м и скорости С р 5 х х 10 м/с, тогда N 2-10 Гц. Тру- бопровод, как правило, состоит из отдельных сваренных секций (труб) длиной 20 м. При этом частоты соответствующих связанных соотношением (6)J мод колебаний

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для текущего контроля за герметичностью трубопроводов. Цель изобретения - повышение надежности определения утечек технологической среды из трубопровода. Для этого используют закономерность, связывающую осевые и радиальные колебания, возбуждаемые в трубопроводах при движении в них жидкостей и газов из-за наличия трения о стенки. О возникновении свищей в трубопроводе судят по уширению спектров сигнала по сравнению с эталонным. Для реализации этого способа используют устройство,обеспечивающее прием, фильтрацию и детектирование сигналов с последующими спектральным анализом, определением частоты модуляции сигнала, ее глубины, определением частоты несущей с максимальным коэффициентом модуляции и определением уширения спектра сигнала 2 с „п. ф-лы, 3 шъ С/

0;

о

(4)

в случае (2), т.е. при

выполняется V Ср.

В случае фактических скоростей

V

V (при- числе Паха М -- 1)

Ср

соотношение (4) может выполняться при временных отсчетах, не равных tg, т.е. согласно выражениям (1) и (3), будет

Ъь- Vt,- 0;

с - -ЕрЛ-

(5)

При сопоставлении периодов временных отсчетов с и Е

с частотами возбуждаемых в оболочке волн получается согласно возбуждению автоколебаний в оболочке

М;

1

М

(6)

где N -

ъ;

Из соотношения частоты fi и .f 4

(6) следует, что принадлежат двум

При образовании в определенном месте трубопровода течи в ее окрестности в трубопроводе возникает локальная зона с повышенной скоростью, например VJ - 8 м/с.

В спектре колебаний в этом случае появится еще одна пара Связанных частот

f$ - М- N - 2,7 Гц;

0

я;-1,6-10 Гц

(9)

В этом случае при движении потока газа (жидкости) в оболочке будут возбуждаться две пары частот (7) и (8). Причем, исходя из метрологических возможностей, целесообразным в данном случае будет диагностирование путем контроля частот f2 и fs, так как частота fy. будет промодулирована частотой f3.

В случае повреждения трубопровода (появления свищей) будет наблюдаться ушпреиие частоты fj за счет возбуждения частоты. При увеличении размеров свища частоты fg будет возрастать, что приведет к возрастанию уширения полосы частот

&Ј

Ј3- fs-Причем прием частот f и fg нецелесообразен ввиду их значительного затухания в материале оболочки. Прием частоты также будет нецелесообразным ввиду устойчивости данной частоты различным деформациям трубопровода (в том числе и повреждениям)

В состав устройства входя последовательно соединенные блок 1 приема сигнала, блок фильтрации 2, блок детектирования 3 и две ветви: первая - блок 6 спектрального анализа сигнала и определения частоты модуляции сигнала и вторая - блок фильтрации 4, блок детектирования сигнала 5, через блок 6 блок 7 измерения глубины модуляции сигнала, блок 8 определения частоты несущей с максимальным коэффициентом модуляции сигнала и блок определения 9 уширения спектра сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Принятый блоком 1 сигнал поступает в блок 2, где расфильтровывается третоктавпым фильтром и после детектирования с помощью измерительного усилителя в режиме амплитудного детектирования (блок 3) поступает па вход блока 6 (спектроапалнэатор), гд определяется частота модуляции сигнала.

В блоке 7 производится измерение превышения составляющей над сплошной частью спектра сигнала, а затем определяется глубина модуляции сигнала.

R блоке 2 выполняется третьоктав- пая фильтрация сигнала на различных частотах, значения которых поступают в блок 8, куда также поступают значения модуляции сигнала из блока 7. В блоке 8 определяется частота несущей с максимальным коэффициентом модуляции. Для этого используется цифровой регистратор, который позволяет мгновенно считывать и регистрировать в памяти текущие спектры с экрана спектроанализ тора 6.

5

В блоке 9 сравнивают выделенные в блоке 8 составляющие с максимальной энергией с эталонными значениями, хранящимися в блоке 9. Следует указать на два пути прохождения сигнала:

первая цепочка 3-6 позволяет определять частоту модуля-сигнала на различных частотах несущей;

вторая цепочка 3-4-5-6 - определять частоту модуляции первой оги- бащей сигнала на различных частотах несущей.

Алгоритм обработки сигнала следующий.

Все принятые сигналы проходят через блоки схемы обработки (см. фиг.З) и в блоке 9 выделяются модуля- ционные частоты и несущие с максимальной модуляцией, которые и отображаются на экране.

При исправном трубопроводе будут считываться опорные частоты с 5 несущей f и модуляционной f (связанные моды колебаний оболочки трубопровода) и частоты, возбуждаемые движущимся потоком с несущей f,, и модуляционной Ј . i

0 В виду сильного затухания частоты f при приеме следует иметь в виду несущую частоту f„, соответственно промодулированную частотами Јч и f3.

Скорость жидкого (или газообразного) потока из-за нестационарностн (например, провисание труб или участки изгиба осей труб) будет изменяться в определенных пределах. Пусть данное изменение соответствует

0 Вариации скорости потока рабочей среды связаны с вариациями частоты fо. Пусть данные вариации частоты составляют+т%. Тогда в случае появления свища в трубопроводе в спектре

5 его колебании появится еще одна модуляционная частота fg-, которую также выделяют из несущей f2. Превышение порогового значения т% над минимальным, хранящимся в памяти блока 9, озQ начает наличие утечки технологической среды из трубопровода через свищ или трещину.

5

Формула изобретения

выделение огибающих высокочастотной составляющей спектров сигналов и определение наличия утечек в трубопроводе, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения наличия утечек, прнни- маемые сигналы фильтруют набором полосовых фильтров, определяют полосы частот с максимальным коэффициентом модуляций, затем детектируют сигналы, после чего вычисляют спектры продетектнрованных сигналов, выделяют в Hirx частотные полосы составляющих спектра с максимальной энергией, сравнивают их с эталонными, а наличие утечек определяют по уширению частотных полос составляющих спектра с мак- Јимапьноп энергией.

юо гоо т

0

5

0

5

ла, блок определения частоты несущей с максимальным коэффициентом модуляции сигнала, блок определения ушире- ния спектра сигнала, последовательно включенные второй блок фильтрации и второй блок детектирования, а также переключатель, при этом вход переключателя соединен с выходом первого блока детектирования, его первый выход - с первым входом блока спектраш, ного анализа и определения частоты модуляции, а его второй выход - с входоц второго блока фильтрации,причем выход блока детектирования соединен с вторым входом блока спектрального анализа и определения частоты модуляции, первый выход которого подключен к первому входу блока определения уши- рения спектра сигнала, а второй через последовательно включенный блок измерения глубины модуляции - к первому входу блока определения частот несущей с максимальным значением коэффициента модуляции сигнала, к второму входу которого подключен выход первого фильтра, при этом выход блока определения частот несущей с максимальным значением коэффициента модуляции сигнала соединен с вторым BXQ дом блока определения угаирения спектра сигнала.

wo

Риг./

500 6Off 700 дОО.кГц

/

/

/

- -1,0

-tf Фиг. 2

u7 9