Устройство непрерывного контроля герметичности трубопровода Советский патент 1991 года по МПК G01M3/02 

Изобретение относится к неразрушающему контролю, в частности к средствам для обнаружения и определения местоположения течей протяженных участков магист- ральных трубопроводов с закрытым доступом в процессе их эксплуатации,

Известны системы непрерывного контроля герметичности трубопроводов фирмы АЭ Интернэшнл, включающие постоянно установленные датчики, которые периодически проверяются по одному.

Недостатками этих систем являются низкая предельная чувствительность обнаружения утечек и низкая точность определения местоположения течи.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является автоматизированная система непрерывного контроля герметичности подводных нефтепроводов 3, содержащая -п датчиков, каждый из которых состоит из акустического приемного преобразователя, предварительного усилителя, коммутатора и блока управления коммутатором (устройства управления ключами), а также трехпроводный кабель связи, к первой линии которого, соединенной с блоком управления коммутатора, подключен через схему сопряжения выход коммутации датчиков микроконтроллера, а к второй его линии, соединенной с коммутатором, последовательно подключены аттенюатор с цифровым управлением, вход управления которого соединен с выходом управления микроконтроллера, блок (схема) предварительной обработки, измеритель среднего квадратичного напряжения, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с шиной данных микроконтроллера, а к линии аварии микроконтроллера подключен блок линейной телемеханики. По третьей линии кабеля связи подается питание к датчикам. Устройство управления ключами селективно срабатывает и подключает поочередно один преобразователь к кабелю в зависимости от кодовой комбинации импульсов, приходящих с микроконтроллера. Наличие утечки определяется микроконтроллером по превышению сигна- па отдатчика над шумами. Местоположение гечи определяется амплитудным методом по соотношению амплитуд сигналов от двух датчиков, расположенных с противоположных сторон от утечки, по формуле

„(,-$. I- 2o 9U2

где И - расстояние до место течи относительно одного из датчиков;

V - скорость движения жидкости в трубопроводе;

с - скорость распространения акустических колебаний в трубе;

I - расстояние между приемными преоб- разователями;

а - коэффициент затухания акустических колебаний в трубопроводе;

Ui и Ua - амплитуда сигналов на выходах датчиков.

Данной системе присущи недостаточно

0 высокая чувствительность и точность.

Цель изобретения - повышение предельной чувствительности обнаружения и точности определения местоположения течи в трубопроводе за счет обеспечения воз5 можности использования метода взаимной корреляции.

Указанная цель достигается тем, что в устройство непрерывного контроля герметичности трубопроводов, содержащее п дат0 чиков, каждый из которых состоит из акустического приемного преобразователя, предварительного усилителя, коммутатора и блока управления коммутатором, а также трехпроводный кабель связи, к первой ли5 нии которого, соединенной с блоком управления коммутатора, подключен выход коммутации датчиков микроконтроллера, а к второй линии, соединенной с коммутатором, последовательно подключены аттеню0 атор с цифровым управлением, вход управления которого соединен с выходом управления микроконтроллера, блок предварительной обработки, измеритель среднего квадратичного напряжения, ана5 лого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с шиной данных микроконтроллера, а к линии аварии микроконт роллера подключен блок линейной телемеханики, введены последовательно

0 соединенные дополнительный аттенюатор с цифровым управлением, вход которого подключен к третьей кабельной линии, а вход управления соединен с выходом управления микроконтроллера, дополнительный

5 блок предварительной обработки, коммутатор, входы которого соединены с выходами блоков предварительной обработки, а вход управления соединен с линией переключения канала микроконтроллера, выход - с

0 входом измерителя среднего квадратичного напряжения, коррелятор, входы которого соединены с выходами блоков предварительной обработки, а вход управления и выходы корреляционной функции и времени

5 задержки соединены с шиной данных микроконтроллера, кроме того, нечетные датчики подключены к второй линии кабеля связи, а четные -к третьей линии кабеля связи.

Предложенная совокупность признаков обеспечивает возможность использования

метода взаимной корреляции, который позволяет выделять акустическое излучение (сигнал) от течи при соотношениях сигнал/шум на выходе датчика, меньших единицы, в то время как при амплитудном методе полезный сигнал обязательно должен быть выше уровня шумов, т.е. предельная чувствительность метода взаимной корреляции выше, чем амплитудного. Также точность определения местоположения те- чи методом взаимной корреляции выше, поскольку она определяется временной задержкой сигналов, приходящих с двух датчиков, относительно друг от друга, в то время как при амплитудном методе на точность определения амплитуды сигнала оказывает сильное влияние акустический тракт передачи.

Предлагаемое устройство содержит также дополнительный аттенюатор с цифровым управлением, дополнительный блок предварительной обработки, коррелятор, дополнительный коммутатор, которые связаны с остальными элементами схемы.

Устройства, в которых используется метод взаимной корреляции, содержат два датчика, постоянно подключенные к двум каналам обработки, Но эти устройства обеспечивают обнаружение и определение мес- тоположения течей только небольшого участка трубопровода и используются для периодического контроля. А применительно к устройствам, содержащим п датчиков, метод взаимной корреляции невозможен.

Предлагаемое устройство позволяет реализовать метод взаимной корреляции за счет подключения нечетных датчиков к второй линии кабеля связи, четные - к третьей в совокупности с остальными отличительны- ми признаками. Таким образом, новые преобразования в устройстве позволили осуществить одновременный опрос двух соседних датчиков, тем самым использовать метод взаимной корреляции, что приводит к повышению предельной чувствительности обнаружения и точности определения местоположения течи в трубопроводах.

На чертеже приведена стурктурная схема устройства непрерывного контроля гер- метичности трубопроводов.

Устройство непрерывного контроля герметичности трубопровода содержит п одинаковых датчиков (не указан), каждый из которых состоит из акустического приемно- го преобразователя 1, предварительного усилителя 2, коммутатора 3, блок 4 управления коммутатором 3, трехлинейный кабель 5 связи, причем к первой линии кабеля связи, соединенной с блоком 4 управления коммутатора 3, подключен выход коммутации датчиков (не изображены) микроконтроллера б, к второй линии II кабеля связи, соединенной с нечетными (номерами) датчиками, последовательно подключены атте- нюатоо 7 цифровым управлением, вход управления которого соединен с выходом управления микроконтроллера б и блок 8 предварительной обработки и полосовой фильтрации, которые образуют первый канал, а к третьей линии ill кабеля 5 связи, соединенной с четными датчиками трубопровода, последовательно подключены дополнительный аттенюатор 9 с цифровым управлением, вход управления которого соединен с выходом управления микроконтроллера б и дополнительный блок 10 предварительной обработки и полосовой фильтрации, которые образуют второй канал. К выходам блоков 8,10 предварительной обработки подключен дополнительный коммутатор 11, вход управления которого соединен с выходом переключения канала микроконтроллера б, а к выходу коммутатора 11 последовательно подключены измеритель 12 среднего квадратичного напряжения, аналого-цифровой преобразователь 13, выход которого соединен с шиной данных микроконтроллера 6, а к линии аварийной сигнализации микроконтроллера 6 подключен блок 14 линейной телемеханики. К выходам блоков 8,10 предварительной обработки подключен коррелятор 15, вход управления и выходы Корреляционной функции и времени задержки которого соединены с шиной данных микроконтроллера 6.

Приемные преобразователи 1 могут быть выполнены на основе пьезокерамики ЦТС-19, обладающей высокой чувствительностью и стабильность о свойств. Блоки 8 и 10 предварительной обработки представляют собой полосовой усилитель с полосой пропускания 3-6 кГц, который может быть настроен на любую из частот диапазона 10- 100 кГц. В качестве фильтра сосредоточенной селекции полосового усилителя может быть использован пьезокерамический или электромеханический фильтр. Микроконтроллер 6 может быть выполнен на . стальных микроЭВМ серии К1816ВЕ 48, К.1816ВЕ 51. В качестве коррелятора 15 может быть использован коррелятор из прибора MicroCorr.

Конструктивно приемный преобразователь 1, усилитель 2, коммутатор 3 и блок 4 управления коммутатора 3 объединены в один общий корпус - датчик трубопровода. Датчики заключены в герметичные контейнеры и устанавливаются на трубопроводе через 100 м. Это расстояние выбрано на

основании исследований затухания акустического излучения при распространении по трубопроводу большого диаметра (1020- 1220 Мм),расположенному в обводненном грунте. Соединяются датчики трехжильным кабелем, например, КГЗ-60-90 ПО в бронированном исполнении. Остальные элементы схемы размещены в отдельном пульте.

Устройство работает следующим образом,

С выхода коммутации датчиков микроконтроллера 6 по первой линии I кабеля 5 связи подается кодовая комбинация импульсов подключения первого (нечетного) датчика трубопровода. При этом блок 4 уп- . равления коммутатором 3 первого датчика селективно срабатывает и подключает через коммутатор 3 преобразователь 1 первого датчика к второй линии II кабеля 5 связи. Одновременно на вход управления коммутатора 11 подается с микроконтроллера 6 команда подключения первого канала, т.е. блока 8 предварительной обработки, к входу измерителя 12 среднего квадратичного напряжения. Приемный преобразователь 1 преобразовывает акустические колебания в электрические сигналы (напряжения), которые усиливаются усилителем 2. Аттенюатор

7позволяет ослаблять сигнал на 0-80 дБ для исключения нелинейного усиления сигнала.

8блоке 8 предварительной обработки осуществляется полосовая фильтрация сигнала в диапазоне частот 10-100 кГц для получения наилучшего соотношения сигнал/шум. В измерителе 12 среднего квадратичного напряжения определяется значение среднего квадратичного напряжения, которое преобразовывается аналого-цифровым преобразователем 13 в соответствующий цифровой эквивалент и поступает по шине данных на микроконтроллер 6. Микроконтроллер 6 выставляет величину ослабления аттенюатора 7, при которой сигнал с датчика трубопровода проходит без ограничения по амплитуде. После этого с выхода коммутации датчиков микроконтроллера 6 по первой линии I кабеля 5 связи подается следующая кодовая комбинация импульсов, подключающая второй (четный) датчик трубопровода к третьей линии III кабеля 5 связи. Одновременно через коммутатор 11 подключается второй канал, т.е. выход блока 10 предварительной обработки к входу измерителя 12 среднего квадратичного напряжения. При этом также устанавливается необходимый уровень ослабления входного сигнала аттенюатора 9, обеспечивающий прохождение его без ограничения по амплитуде.

Затем микроконтроллер 6 подает на вход управления коррелятора 15 команду выполнения корреляционного анализа на наличие течи. Коррелятор 15 путем последо вательного увеличения задержки сигналов, поступающих от двух датчиков трубопровода, друг относительно друга производит цикл корреляционного анализа. Максимальное значение полученной на выходе корре0 лятора 15 взаимной корреляционной функции в микроконтроллере 6 сравнивается с эталоном, хранимым в программной памяти данных. Если отклонение не превышает допустимого значения, переходят к

5 опросу следующего датчика. С микроконт- . роллера 6 выдается команда на подключение третьего (нечетного) датчика. При этом предыдущий нечетный (первый) датчик отключается, а также через коммутатор 11

0 подключается первый канал к входу измерителя 12 среднего квадратичного напряжения. При подключении четного датчика отключается предыдущий четный датчик, Таким образом, происходит одновремен5 ный опрос всех попарно (двух соседних) датчиков и осуществляется корреляционный анализ сигналов с датчиков на наличие течи. Если в результате корреляционного анализа на одной из пар датчиков обнару0 живается недопустимое превышение сигнала, проводят перепроверку информации через некоторые временные интервалы с данных датчиков. Ложная информация, которая может возникнуть при прохождении

5 очистного устройства по трубопроводу, его размыве (в случае подводных трубопроводов), изменении скорости перемещения жидкости по трубопроводу, исключается микроконтроллером с помощью соответст0 вующего программного обеспечения. Если подтверждается аварийная ситуация, то по линии аварийной сигнализации микроконтроллера 6 подается сигнал Авария на блок 14 линейной телемеханики. Одновременно

5 с выхода коррелятора 15 снимается значение временной задержки, соответствующее максимальному значению взаимной корреляционной функции. Микроконтроллер 6 по известному расстоянию между преобразо0 вателями 1 и разницей во времени прохож- . дения обоих сигналов рассчитывает точное местоположение течи по отношению к одному из двух соседних датчиков по формуле Ix 0 -1 с)/2,

5 где 1Х расстояние до течи;

I - базовое расстояние между преобразователями;

т- временная задержка сигналов; с - скорость распространения звука для конкретного испытуемого,трубопровода.

По третьей линии III кабеля 5 связи также подается питание к датчикам через разделительный фильтр (не изображен).

Предлагаемое устройство позволяет обнаруживать течи меньших размеров за счет повышения предельной чувствительности. Порог чувствительности ультразвукового контактного переносного течеискателя ТУКП-1, в котором реализован корреляционный метод, составляет 6,12 л/ч, по прото- типу - 25 л/ч,

Повышение предельной чувствительности позволяет увеличить базовое расстояние между датчиками, что приведет к удешевлению устройства за счет сокраще- ния количества датчиков. Кроме того, в случае контроля герметичности нефтепроводов уменьшаются вредные экологические последствия от выхода нефти в окружающую среду и сокращаются потери нефти.

Предлагаемое устройство позволяет оп- ределять местоположение течи в трубопроводе с точностью ±0,2 м, а точность определения местоположения течи по прототипу составляет ±1-3 м. Повышение точ- ности определения местоположения течи приведет к сокращению времени устранения течей и затрат, связанных с ремонтом повреждений трубопровода.

В предлагаемом устройстве возможен также смешанный режим работы без изменения схемы, при котором контроль наличия течи (обнаружение течи) осуществляется по амплитудному методу, а определение местоположения течи - по методу взаимной корреляции, что позволит увеличить скорость опроса датчиков, но при этом предельная чувствительность обнаружения будет такой же, как и в прототипе.

Формула изобретения

Устройство непрерывного контроля герметичности трубопровода, содержащее датчики, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустиче

ского приемного преобразователя, предварительного усилителя, коммутатора и блока управления коммутатором, а также трехлинейный кабель связи, к первой линии которого, соединенной с блоками управления коммутаторов, подключен выход коммутации датчиков микроконтроллера,а к второй линии кабеля связи, соединенной с коммутатором, последовательно подключены аттенюатор с цифровым управлением, вход управления которого соединен с выходом управления микроконтроллера, блок предварительной обработки и полосовой фильтрации, измеритель среднего квадратичного напряжения и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с шиной данных микроконтроллера, а к линии аварийной сигнализации последнего подключен блок линейной телемеханики, отличающееся тем, что, с целью повышения предельной чувствительности обнаружения и точности определения местоположения течи, оно снабжено коррелятором, а также последовательно соединенными дополнительным аттенюатором с цифровым управлением, вход которого подключен к третьей линии кабеля связи, а вход управления соединен с выходом управления микроконтроллера, дополнительным блоком предварительной обработки и полосовой фильтрации и дополнительным коммутатором, рабочие входы которого соединены с выходами блоков предварительной обработки, вход управления соединен с выходом микроконтроллера, а выход - с входом измерителя среднего квадратичного напряжения, причем входы коррелятора подключены к выходам блоков предварительной обработки, а вход управления и выходы корреляционной функции и времени задержки соединены с шиной данных микроконтроллера, при этом нечетные датчики подключены коммутаторами к второй, а четные - к третьей линиям кабеля связи.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для обнаружения течей на закрытых участках трубопроводов. Целью изобретения является повышение предельной чувствительности обнаружения и точности опредем SHEHS1 L-V х Датчик S Трубопровод I f ления местоположения течи. По линии I кабеля 5 связи подается комбинация импульсов подключения первого датчика трубопровода, блок 4 подключает через коммутатор 3 преобразователь 1 к линии II кабеля 5. Одновременно на коммутатор 11 подается микроконтроллером 6 команда подключения блока 8 ко входу измерителя 12, определяющего значение среднего квадратичного напряжения. Коррелятор 15 последовательно увеличивает задержку сигналов, поступающих от двух датчиков трубопровода. Максимальное значение полученной на выходе коррелятора 15 взаимной корреляционной функции микроконтроллером б сравнивается с эталоном. Если подтверждается аварийная ситуация, то по линии аварийной сигнализации подается сигнал на блок 14. Микроконтроллером 6 по значению временной задержки, определяемой коррелятором 15, и расстоянию между преобразователями вычисляется местоположение течи по отношению к одному из двух соседних датчиков трубопровода. v Ё ON Ю СЛ сь х; 11 S f Чг