Устройство для определения места повреждения напорных трубопроводов Советский патент 1992 года по МПК G01M3/24 

Изобретение относится к технике контроля трубопроводных системи предназначено для определения мест повреждения в заглубленных и недоступных техническому осмотру напорных трубопроводах.

Известно устройство для обнаружения места повреждения в трубопроводе, содержащее два канала, в каждом из которых последовательно включены датчик акустического сигнала, усилитель, блок ограничения, связанный с регулятором уровня ограничения, блок формирования имлуль- соп. Причем сигнал с выхода блока формирования импульсов одного канала поступает, на блок совпадения импульсов через блок задержки, связанный с индикатором задержки, а выход блока формирова- ния импульсов второго канала непосредственно связан с блоком совпадения импульсов. Блок совпадения импульсов связан со счетчиком совпадения импульсов, который соединен с индикатором уровня совпадения.

Входящие о состав устройства блоки ограничения сигнала ограничивают предварительно усиленные сигналы акустической эмиссии, причем уровень ограничения сигнала устанавливается заранее регулятора- ми.уровня ограничения, что ведет к потере составляющих сигнала ограничения. Устройство также подвержено воздействию импульсных помех, так как использование усилителей с автоматической регулировкой не обеспечивает быстрое восстановление требуемого усиления после реакции на импульсную помеху, что ведет к частичной потере информации, заложенной в сигнале, и, как следствие, к снижению точности определения повреждения.

Слабая помехоустойчивость к импульсной помехе и низкая точность определения места повреждения являются существенными недостатками данного устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения мест повреждения напорных трубопроводов, содержащее датчики двух каналов, подключенные через усилители с одинаковым коэффициентом усиления к входам узла определения опорного сигнала, один из выходов которого соединен с входом узла определения спектра сигналов утечки и через последовательно соединенные регулируемый фильтр нихоних частот, усилитель, регулируемый фильтр верхних частот, усилитель с АРУ, блок формиропа- ния импульсов, блок задержки и блок циклической перестройки задержки с одним из входов блока совпадения, другой выход узла определения оперного сигнала через последовательно включенные регулируемый фильтр нижних частот, усили гель, регулируемый фмльтр верхних частот, усилитель с АРУ и блок формирования импульсов подключом к другому входу блока совпадения.

Блок совпадения импульсов подключен

к счетчику совпадения импульсов, который

связан с блоком сравнения и выделения

большего числа совпадений, соединенным с

0 блоком хранения времени задержки, к которому подключен индикатор времени задержки. Блок циклической перестройки задержки связан с блоком программного управления, к которому присоединен такто5 вый генератор.

Устройство позволяет автоматически измерять разность времени распространения шумового сигнала от датчиков до места повреждения трубопровода (время задерж0 ки), которое входит в формулу для определения-расстояния до места повреждения.

Недостатком данного устройства является влияние импульсных помех при использовании усилителей с автоматической

5 регулировкой усиления - частичная потеря информации после реакции на импульсную помеху, а также потери части частотной информации при использовании формирователя импульсов с заранее заданным

0 порогом ограничения сигналов, что снижает точность определения расстояния до места повреждения.

Цель изобретения - повышение точности определения расстояния до места по5 вреждения за счет сохранения значительной части информации, при ее обработке.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения места повреж0 дения напорных трубопроводов, содержащее первый и второй датчики, первый и второй усилители с одинаковым коэффициентом усиления, входы которых соединены соответственно с выходами первого и втс5 рого датчиков, блок определения опорного сигнала, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго усилителей с одинаковым коэффициентом усиления; последовательно

0 соединенные первый регулируемый фильтр нижних частбт, вход которого соединен с первым выходом блока определения опорного сигнала, первый усилитель и первый регулируемый фильтр верхних частот, по5 следовательно соединенные второй регулируемый фильтр нижних частот, вход которого соединен с вторым выходом блока определения опорного сигнала, второй усилитель и второй регулируемый фильтр верхних частот, последовательно соединенные

блок задержки, блок циклической перестройки задержки, блок совпадения, счетчик совпадений, блок сравнения, блок хранения задержки, второй вход которого соединен с вторым выходом блока циклической перестройки задержки и индикатор времени задержки, последовательно соединенные тактовый генератор и блок програм- много управления, выход которого соединен с вторыми входами блока циклической перестройки задержки и блока срав- нения и с третьим входом блока определения опорного сигнала, и блок определения спектра сигналов утечки, первый вход которого соединен с первым выходом блока определения опорного сигнала, второй вход соединен с выходом блока программного управления, первый выход соединен с управляющими входами первого и второго регулируемых фильтров нижних частот, а второй выход - с управляющими входами первого и второго регулируемых фильтров верхних частот, введены первый усилитель с постоянным коэффициентом, вход которого соединен с выходом первого регулируемого фильтра верхних частот первый блок обработки сложного сигнала, вход которого соединен с выходом первого усилителя с постоянным коэффициентом, а выход - с входом блока задержки, второй усилитель с постоянным коэффициентом, вход которого соединен с выходом второго регулируемого фильтра верхних частот, второй блок обработки сложного сигнала, вход которого соединен с выходом второго усилителя с постоянным коэффициентом, а выход - с вторым входом блока совпадения.

Блок обработки сложного сигнала включает последовательно соединенные амплитудный детектор первый электронный ключ, формирователь экспоненты, первый амплитудный дискриинатор, нормализатор и второй электронный ключ, третий электронный ключ с заземленным выходом Последовательно соединены с входом амплитудного детектора узел задержки, вход которого является входом блика обработки сложного сигнала, операционныйуси- литель, импульсный детектор и второй амплитудный дискриинатор выход которого соединен с вторым входом второго электронного ключа Вход амплитудного детектора соединен с вторым входом операционного усилителя, а выход - с вторыми входами первого и второго амплитудных дискриминаторов. Второй выход формирователя экспоненты и выход первого амплитудного дискриминатсра связаны с первым и вторым входами третьего электронного ключа, а выход первого амплитудного дискриминатора - с вторым входом первого электронного ключа, выход второго электронного ключа является выходом блока обработки сложного сигнала. Вновь вве- 5 денные первый и второй усилители с постоянным коэффициентом усиления, а также первый и второй блоки обработки сложного сигнала в указанной связи с остальными элементами схемы позволяют из10 бежать потери информации при обработке сложного сигнала и влияния импульсных помех на систему.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для определения места повреж5 дения напорных трубопроводов; на фиг,2 - структурная схема блока обработки сложного сигнала; на фиг.З - график прохождения сигнала по измерительному тракту.

Устройство для определения места по0 вреждения напорных трубопроводов содержит первый 1 и второй 2 датчики соединенные через первый 3 и второй 4 усилители с одинаковыми коэффициентами усиления, с первым и вторым входами блока

5 определения опорного сигнала 5 соответственно, первый выход которого соединен с первым входом 6 блока 7 определения спектра сигналов утечки и через последовательно соединенный первый регулируемый

0 фильтр 8 нижних частот, первый усилитель 9. первый регулируемый фильтр 10 верхних частот, первый усилитель Непостоянным коэффициентом усиления, первый блок 12 обработки сложного сигнала, блок 13 за5 держки, блок 14 циклической перестройки задержки с первым входом блока 15 совпадения: второй выход блока 5 определения опорного сигнала через последовательно включенные второй регулируемый фильтр

0 16 нижних частот, второй усилитель 17, второй регулируемый фильтр 18 верхних частот второй усилитель 19 с постоянным коэффициентом усиления и второй блок 20 обработки сложного сигнала подключен к

5 второму входу блока 15 совпадения. Выход блока 15 совпадения соединен «с входом счетчика 21 совпадений, выход которого подключен к первому входу блока 22 сравнения, выход которого соединен с первым

0 входом блока 23 храрения задержки, второй вход которого соединен с вторым выходом блока 14 циклической перестройки задержки, а выход - с входом индикатора 24 времени задержки.

5 Последовательно соединенные тактовый генератор 26 и блок 25 программного управления, выход которого соединен с вторыми входами блока 14 циклической перестройки задержки и блока 22 сравнения, с третьим входом блока 5 определения опорного сигнала, а также с вторым входом блока 7 определения спектра сигналов утечки, первый выход которого соединен с управляющими входами первого 8 и второго 16 регулируемых фильтров нижних частот, а второй выход - с управляющими входами первого 10 и второго 18 регулируемых фильтров верхних частот.

Каждый блок 12 и 20 обработки сложного сигнала включает последовательно соединенные амплитудный детектор 35, первый электронный ключ 37 формирователь 38 экспоненты, первый амплитудный дискриминатор 40, нормализатор 41 и второй электронный ключ 42, третий электронный ключ 39 с заземленным выходом, а также последовательно соединенные с входом амплитудного детектора 35 узел 23 задержки, операционный усилитель 33, импульсный детектор 34 и второй амплитудный дискриминатор 36 Вход узла 32 задержки является входом блока обработки сложного сигнала Выход второго амплитудного дискриминатора 36 соединен с вторым входом второго электронного ключа 42, вход амплитудного детектора 35 соединен с вторым входом операционного усилителя 33, а выход амплитудного детектора 35 соединен с вторыми входами первого и второго амплитудных дискриминатов 40 и 36 Второй выход формирователя 38 экспоненты и выход первого амплитудного дискриминатора 40 связаны с первым и вторым входами третьего электронного ключа 39, а выход первого амплитудного дискриминатора 40 еще подсоединен к второму входу первого электронного ключа 37 Выход второго электронного ключа 42 является выходом блока обработки сложного сигнала

Входной сигнал поступает одновременно на вход узла 32 задержки, выполненного на операционном усилителе, включенном по схеме повторителя, на второй вход операционного усилителя 33 и на вход амплитудного детектора 35 При этом на первый вход операционного усилителя 33 сигнал поступает с задержкой от узла 32 задержки Амплитуда сигнала на выходе операционного усилителя 33 будет меняться в зависимости от скорости увеличения или уменьшения прямого и задержанного сигнала (а не от их амплитуды) При равенстве уровней этих сигналов на выходе операционного усилителя сигнала не будет Выходной сигнал операционного усилите™ 33 детектируется импульсным детектором 34 для выделения огибающей сигнала Напряжение Unop на выходе импульсного детектора 34 подается на перывй вход амплитудного дискриминатора 36 для установки порогового значения. Подобное уменьшение или увеличение порога ограничения сигналов сложной формы приводит к тому, что для каждого изменения сигнала

сложной формы будет выработан свой порог ограничения, в результате чего значительная часть частотной информации будет сохранена после ограничения сигнала сложной формы.

С выхода амплитудного детектора 35 огибающая сигнала поступает на вторые входы амплитудных дискриминаторов 36 и 40 и на первый электронный ключ 37. В исходном состоянии первый электронный

ключ 37 разомкнут, а третий электронный ключ 39 замкнут, поэтому на вход формирователя экспоненты 38 сигнал не поступает, При повышении сигнала срабатывает первый амплитудный дискриминатор 40, который управляет работой первого 37 и третьего 39 электронных ключей. Первый электроный ключ 37 замыкается и пропускает сигнал, а третий электронный ключ 39 размыкается и отделяет формирователь 38

экспоненты от земли. На вход формирователя 38 экспоненты поступает продетекти- ровэнный сигнал и на его выходе поддерживается напряжение, равное пиковому значению первого импульса, до тех

пор пока напряжение на выходе амплитудного детектора 35 не начнет уменьшаться. В 3YOT момент срабатывает первый амплитудный дискриминатор 40 и возвращает первый 37 и третий 39 электронные ключи в.

исходное состояние Вход формирователя 38 экспоненты опять закрывается, г напряжение на его выходе уменьшается по экспо- ненциальному закону с постоянной времени r RC, которая соответствует реальному времени после звучания системы трубопровод-датчик Напряжение на входе формирователя 38 экспоненты уменьшается до тех пор. пока не появится очередной сигнал

В этом случае напряжение, подаваемое с амплитудною детектора 35, начинает возрастать и как только оно превысит напряжение на выходе формирователя 38 экспонен ы на величину, достаточную для

0 срабатывания первого дискриминатора 40,

последний сработает, открывая первый

электронный ключ 37 и процесс повторится.

а фиг 3 показан график прохождения

сигнала по измерительному тракту. На вход

5 устройства поступает сигнал сложной формы, который детектируется, и на выходе амплитудного детектора 35 появляется напряжение огибающей Ui, которое поступает на вторые входы первого 36 и второго

40 амплитудных дискриминаторов, а также

на вход первого электронного ключа 37. На вход второго амплитудного дискриминатора 36 поступает также постоянное напряжение Unop, поэтому на его выходе появится прямоугольный импульс U2, длящийся до тех пор, пока Ui превысит Unop. Этот импульс подается на второй вход второго электронного ключа 42. На выходе первого амплитудного дискриминатора 40, который сравнивает огибащую с напряжением формирователя 38 экспоненты, формируются прямоугольные импульсы, фактически равные длине переднего фронта импульсов огибающей. Они подаются на нормализатор 41, на выходе которого появляются импульсы одинаковой длительности. Второй электронный ключ 42 работа ет по принципу элемента И, на его выходе появляются только те импульсы U), которые приходят одновременно и с импульсом U2- Это позволяет ис- лючить влияние импульсных помех и шумов подбором напряжения Unop. так как быстроменяющаяся амплитуда импульсной помехи приведет к уменьшению порогового напряжения и автоматическому подавлению помехи.

Таким образом, каждое повышение сигнала сложной формы приводит к формированию импульсе, так как формирователь 38 экспоненты создает следующий порог для первого амплитудного дискриминатора 40.

Устройство для определения места повреждения напорных трубопроводов работает следущим образом.

Размещенные на трубе с обеих сторон от места повреждения первый 1 и второй 2 датчики принимают акустические сигналы утечки и преобразуют их в электрические. Эти сигналы поступают через первый 3 и второй 4 усилители с одинаковым коэффициентом усиления на входы блока 5 определения опорного сигнала, выделяющего Сигнал большего уровня, т.е сигнал от расположенного ближе к повреждению датчика. Этот сигнал направляется в канал устройства, содержащий блок 13 задержки. Сигнал с выхода блока 5 опредзления опорного сигнала проходят через частозависи- мые цепи: первый регулируемый фильтр 8 нижних частот и первый регулируемый фильтр 10 верхних частот в одном канале и соответственно второй регулируемый фильтр 16 нижних частот и второй регулируемый фильтр 18 верхних частот в другом канале. Первый 9 и второй 17 усилители, включенные между фильтрами, служат для их развязки и компенсации затухания электрических сигналов утечки в полосе пропускания фильтров. Частоты среза фильтров 8 и 16. а также фильтров 10 и 18 перестраиваи

ются соответственно с помощью сигналов с первого 28 и второго 29 выходов блока 7 определения спектра сигналов утечки, обеспечивая прохождение сигналов утечки и по- 5 давление фоновых шумов и помех. Перестройка частоты среза фильтров может осуществляться, например, посредством цепей, входящих в состав фильтров. Сигналы с выхода первого 10 и второго 18 фильт0 ров верхних частот проходят соответственно через перывй 11 и второй 19 усилители с постоянным коэффициентом усиления на первый 12 и второй 20 блоки обработки сложного сигнала.

5 Сигнал от ближнего к месту повреждения датчика с выхода первого блока 12 обработки сложного сигнала проходит через блок 13 задержки, блок 14 циклической перестройки задержки на первый вход блока

0 15 совпадения, на другой вход которого поступают сигналы с выхода второго блока 20 обработки сложного сигнала.

Количество совпадающих импульсов пересчитывается счетчиком 21 совпадения

5 импульсов. Полученное число импульсов для каждого фиксированного значения времени задержки пропорционально величине знаковой коррелчционной функции сигналов первого 1 и второго 2 датчиков для дан0 ного значения времени задержки. Максимальное значение знаковой корреляционной функции определяется в блоке 22 сравнения, а соответствующее этому значение задержка Т фиксируется в блоке 23 хра5 нения задержки путем записи в него значения задержки из блока 14 циклической перестройки задержки по команде блока 22 сравнения Полученное значение Т отображается на индикаторе 24 времени задерж0 ки. Блок 25 программного управления и тактовый генератор 26 обеспечивают управление работой блока 5 определения опорного сигнала и блока 7 определения спектра сигналов и используются в устройстве для

5 перестройки частот среза регулируемых фильтров 8, 16, 10 и 18

Место поврежединя трубопровода определяется по формуле

50

x-t + c-r

х 2 +2 i

где X - расстояние до места повреждения от датчика, расположенного ближе к месту повреждения;

L - расстояние между датчиками; 5С - скорость распространения звука по

данному трубопроводу

Т - измеренное время задержки.

Предлагаемое устройство позволяет избежать потери информации при обработке сложного сигнала и влияния импульсных помех и тем самым повысить точность измерения времени задержки Т, что и определяет повышение точности определения расстояния до места повреждения.

Большинство узлов предлагаемого устройства может быть выполнено на микросхеме 555 и 561 серии и операционных усилителях, например К 153 УД 1А. К140УД20. Так, например, первый 3 и второй 4 усилители с одинаковым коэффициентом усиления могут быть выполнены на микросхемах КР538УНЗА, блок 5 определения опорною сигнала - на микросхемах КР590КН2 и К140УД7, регулируемые фильтры 8,16,1Q и 18 и полосовые фильтры блока 7 определения спектра сигналов утечки, а также первый 9 и второй 17 усилители и усилители 11 и 19 с постоянным коэффициентом усиления и интеграторы блока 7 определения спектра сигналов утечки - на микросхемах К140УД7. Первый 12 и второй 20 блоки обработки сложного сигнала могут быть выполнены: амплитудный детектор 35 на диодах КД522А, электронные ключи 37, 39 и 42 на транзисторах КП306Б, формирователь 38 экспоненты на микросхеме К544УД1 А, нормализатор 41 на микросхеме К555АИ, первый 36 и второй 40 амплитудные дискриминаторы на микросхеме К521СА1. блок 13 задержки на микросхемах К5054Р4, блок 14 циклической перестройки задержки на микросхемах К555АРЗ, К555ЙЕ7, блок 15 совпадения на микросхемах К555ЛП5, счетчик 21 совпадения на К555ИЕ7, блок 22 сравнения на микросхемах К555СП1 и К555ИР1. блок 23 хранения задержки на микросхемах 514ИД2 и АЛС324, тактовый генератор 26 - на микросхеме К155ЛАЗ, блок 25 программного управления - на микросхемах К155ИЕ7 и К155РЕЗ. В качестве первого 1 и второго 2 датчиков акустического сигнала могут быть использованы пьезоэлектрические датчики - акселерометры фирмы Брюль и Кьер. Формула изобретения 1. Устройство для определения места повреждения напорных трубопроводов, содержащее первый и второй датчики, первый и второй усилители с одинаковым коэффициентом усиления, входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго датчиков, блок определения опорного сигнала, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго усилителей с одинаковым коэффициентом усиления, последовательно соединенные первый регулируемый фильтр нижних частот, вход которого соединен с первым выходом блока определения опорного сигнала, первый усилитель и первый

регулируемый фильтр верхних частот, последовательно соединенные второй регули- руемый фильтр нижних частот, вход которого соединен с вторым выходом блока

определения опорного сигнала, второй усилитель и второй регулируемый фильтр верхних частот, последовательно соединенные блок задержки, блок циклической перестройки задержки, блок совпадения, счетчик совпадений, блок сравнения, блок хранения задержки, второй вход которого соединен с вторым входом блока циклической перестройки задержки и индикатор времени задержки, последовательно соединенные тактовый генератор и блок програм- много управления, выход которого соединен с вторыми входами блока циклической перестройки задержки и блока срав- нения и с третьим входом блока

определения опорного сигнала, и блока определения спектра сигналов утечки, первый вход которого соединен с первым выходом блока определения опорного сигнала, второй вход соединен с выходом блока программного управления, первый выход соединен с управляющими входами первого и второго регулируемых фильтров нижних частот, а второй выход - с управляющими входами первого и второго регулируемых

фильтров верхних частот, отличающее- с я тем, что. с целью повышения точности определения расстояния до места повреждения, в него введены первый усилитель с постоянным коэффициентом, вход которого

соединен с выходом первого регулируемого фильтра верхних частот, первый блок обработки сложного сигнала, вход которого соединен с выходом первого усилителя с постоянным коэффициентом, а выход - с

входом блока задержки, второй усилитель с постоянным коэффициентом, вход которого соединен с выходом второго регулируемого фильтра верхних чстот, второй блок обработки сложного сигнала, вход которого соединен с выходом второго усилителя с постоянным коэффициентом, а выход - с вторым входом блока совпадения.

2. Ус ройство поп.1,отличающее- с я тем, что каждый блок обработки сложного сигнала включает последовательно соединенные амплитудный детектор, первый электронный ключ, формирователь экспоненты, первый амплитудный дискримина- тор, нормализатор и второй электронный ключ, третий электронный ключ с заземленным выходом, последовательно соединенные с входом амплитудного детектора узел задержки, вход которого является входом блока обработки сложного сигнала, операционный усилитель, импульсный детектор и второй амплитудный дискриминатор, выход которого соединен с вторым входом второго электронного ключа, вход амплитудного детектора соединен с вторым РХОДОМ операционного усилителя, выход амплитудного детектора соединен с вторыми входами первого и второго амплитудных дискриминаторов, второй выход формирователя экспоненты и выход первого амплитудного дискриминатора связан с первым и вторым входами третьего электронного ключа, а выход первого амплитудного дискриминатора - с вторым входом первого электронного ключа, а выход второго электронного ключа является выходом блока обработки сигнала

Изобретение относится к технике контроля трубопроводных систем и noaeoflflet повысить точность определения расстояния до места повреждения трубопровода. Устройство содержит датчики 1 и 2 соединенные через усилители 3 и 4 с одинаковым коэффициентом усиления с входами блока 5 определения опорного сигнала, один из ходов которого соединен с входом 6 блока 7 определения спектра сигналов утечки и через последовательно соединенные регулируемый фильтр 8 нижних частот, усилитель 9, регулируемый фильтр 10 верхних частот, усилитель 11 - с пбстоянным коэффициентом, блок 12 обработки сложного сигнала, блок 13 задержки и блок 14 циклической перестройки задержки - с одним из входов блока 15 совладения. Другой выход блока 5 определения опорного сигнала через последовательно включенные регулируемый фильтр 16 нижних частот, усилитель 17, регулируемый фильтр 18 верхних частот, усилитель 19с постояйным коэффициентом усиления и блок 20 обработки сложного сигнала подключен к другому входу блока 15 совпадения. Выход блока 15 совпадения соединен с входом счетчика 21 совпадений,- выход которого подключен к входу блока 22 сравнения и выделения большего числа совпадений, выход которого связан с входом блока 23 хранения задержки, другой вход которого соединен с блоком 14 циклической перестройки задержки, а выход - с входом 24 индикатора времени задержки. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. 2 О 2 О

55

Фиг.2

37

38

W