Система обнаружения повреждений трубопровода
Полезная модель относится к средствам охраны и мониторинга технического состояния трубопроводных систем и предназначена для обнаружения факта и локализации места несанкционированных действий и иных факторов, способных привести к повреждению трубопровода или возникающих в результате естественного старения, а также механических воздействий на трубопровод. Сущность полезной модели: система (совокупность устройств) содержит акустические датчики, каждый из которых связан с усилителем и фильтром, а также блок управления, которая содержит n акустических датчиков контроля механических воздействий, датчиков контроля состояния трубопровода и диагностических излучателей, объединенных в n модулей датчиков контроля, выполненных с возможностью установки непосредственно на трубопровод, а также n акустических датчиков контроля состояния фона, выполненных с возможностью установки в грунт вблизи каждого модуля датчиков контроля, 3n блоков автоматической регулировки усиления, каждый из которых конструктивно объединен с одним усилителем и полосовым фильтром с образованием n модулей приема сигналов, каждый из которых соединен с модулем обработки сигналов и принятия решения в составе микропроцессора и оперативного запоминающего устройства, а каждый модуль обработки сигналов и принятия решения через модуль обмена данными, содержащий по меньшей мере один приемо-передатчик и два магистральных усилителя, связан с блоком управления, выполненным в виде удаленного терминального устройства, содержащего центральный процессор и мультипротокольный коммутационный узел. Модули приема сигналов, модули обработки сигналов и принятия решения и модули обмена данными конструктивно объединены в n блоков приема и обработки сигналов.
Полезная модель относится к средствам охраны и мониторинга технического состояния трубопроводных систем и предназначена для обнаружения факта и локализации места несанкционированных действий и иных факторов, способных привести к повреждению трубопровода или возникающих в результате естественного старения, а также механических воздействий на трубопровод.
Известен способ определения места и размеров течи в трубопроводе и устройство для его реализации [Патент РФ №2221230, МПК G 01 M 3/24, з. 21.09.2001., oп. 10.01.2004.]. Способ заключается в том, что осуществляют прием акустических сигналов от шума течи двумя датчиками, расположенными вдоль трубопровода, преобразуют акустические сигналы в электрические сигналы, а после усиления, фильтрации, накопления и определения взаимного спектра электрических сигналов определяют наличия признаков акустических сигналов течи по уровню энергии взаимного спектра. Формируют сигнал тревоги и определяют места течи по разности времен прибытия акустических сигналов к двум датчикам. Оценивают диаметр повреждения по данным о частоте максимума модуля взаимного спектра, о скорости истечения струи, определяемой исходя из информации о давлениях и плотностях сред в трубопроводе и в окружающей среде, а также о скорости движения продукта в трубопроводе. Для трубопроводов большой протяженности в предлагаемый способ введен прием сигналов от акустических датчиков, расположенных параллельно трубопроводу на дистанциях d друг от друга, которые определяются по предлагаемым согласно изобретению математическим зависимостям. При этом накопление результатов и взаимноспектральный анализ сигналов осуществляют между каждой
парой соседних датчиков непрерывно или эпизодически по заданной программе, а при выявлении сигнала тревоги, до уточнения места течи, определяют аварийный участок трубопровода между парой соседних датчиков, сигнализировавших о наличии течи. Устройство для определения параметров течи в трубопроводе содержит n измерительных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных блока акустических преобразователей, блока усиления, выход которого соединен с первым входом блока фильтрации, блока аналого-цифрового преобразования, а также содержит блок управления. В устройство дополнительно введены последовательно соединенные n-канальный блок уплотнения информации, мультиплексный канал передачи информации и блок разуплотнения информации, при этом n входов n-канального блока уплотнения информации соединены с соответствующими выходами n блоков аналого-цифрового преобразования, также введен n-1 канальный блок накопления и анализа взаимных спектров, имеющий n входов и n-1 выходов, при этом каждый из n физических каналов выхода блока разуплотнения информации соединен с соответствующим входом n-1 канального блока накопления и анализа взаимных спектров, также введены n-1 канальный блок обнаружения течи, n-1 канальный блок определения места течи, n-1 канальный блок определения размеров течи, n-1 канальный блок определения полосы фильтрации, входы которых параллельно соединены с соответствующими выходами n-1 канального блока накопления и анализа взаимных спектров, а выход n-1 канального блока определения полосы фильтрации соединен со вторыми входами блоков фильтрации, также введен блок формирования сигнала тревоги, вход которого соединен с выходом n-1 канального блока обнаружения течи, с выходом n-1 канального блока определения места течи и с выходом n-1 канального блока определения размеров течи, также введен индикатор места и размера течи, вход которого подсоединен к выходу блока формирования сигнала тревоги. Блок управления своими управляющими выходами и информационными входами присоединен к n-
3 канальному блоку уплотнения информации, блоку разуплотнения информации, n-1 канальному блоку накопления и анализа взаимных спектров, n-1 канальному блоку обнаружения течи, n-1 канальному блоку определения места течи, n-1 канальному блоку определения размеров течи, n-1 канальному блоку определения полосы фильтрации, блоку формирования сигнала тревоги и индикатору места и размера течи.
Известно устройство мониторинга технического состояния трубопровода [Свидетельство на полезную модель №33223, МПК G 01 M 3/24, з. 31.03.2003., oп. 10.10.2003.], содержащее n каналов обнаружения утечки, каждый из которых содержит акустический датчик, соединенный со входом устройства предварительной обработки акустической информации, выполненного в виде последовательно соединенных блока усиления, блока фильтрации, блока аналого-цифрового преобразователя и блока согласования, также содержащий мультиплексный канал передачи информации, выход которого соединен с демультиплексором, последовательно соединенным с блоком обработки акустической информации, при этом акустические датчики установлены на трубопроводе на расстоянии d друг от друга, отличающееся тем, что в него введены n каналов обнаружения вибраций, каждый из которых состоит из датчика вибрации, соединенного со входом канала предварительной обработки вибрационной информации и n каналов акустической эмиссии, каждый из которых состоит из датчика акустической эмиссии, соединенного со входом канала предварительной обработки акусто-эмиссионной информации, имеющих структуру канала предварительной обработки акустической информации, при этом каждый i-ый акустический датчик, i-ый датчик вибрации и i-ый датчик акустической эмиссии, установленные в непосредственной близости друг от друга, со своими каналами предварительной обработки информации объединены конструктивно и образуют i-ый измерительный пост, выходы всех n измерительных постов соединены с соответствующими входами мультиплексорного канала передачи информации, также введены блок
обработки вибрационной информации, блок обработки акусто-эмиссионной информации и блок наблюдения за судоходством, входы которых соединены с соответствующими выходами демультиплексора, при этом вход демультиплексора соединен с выходом мультиплексного канала передачи информации, также введена система отображения, регулировки, документирования и управления, входы которой соединены с выходами блока обработки акустической информации, блока обработки вибрационной информации, блока обработки акусто-эмиссионной информации и блока наблюдения за судоходством.
В качестве прототипа выбрано устройство для осуществления способа определения местоположения течи как источника акустического излучения [Патент US 4858462 А, 22.08.1989.], содержащее два разнесенных акустических датчика течи (преобразователя), два блока усиления и фильтрации, два аналого-цифровых преобразователя, процессор плавающего порога и разностного сигнала, компьютер, выполняющий функции блока управления со средствами отображения.
К недостаткам прототипа можно отнести обеспечение фиксации только уже существующих протечек и не предполагает контроль за состоянием трубопровода на более ранних стадиях (например, истончение стенок трубопровода, попытка несанкционированного доступа и т.п.).
Задачей полезной модели являлось обеспечение контроля за техническим состоянием трубопровода, обеспечение высокой оперативности и достоверности обнаружения факта и места несанкционированных действий, способных нанести значительный урон, и, в том числе, привести к техногенной аварии.
Указанная задача решается системой (совокупностью устройств) содержащей акустические датчики, каждый из которых связан с усилителем и фильтром, а также блок управления, которая содержит n акустических датчиков контроля механических воздействий, датчиков контроля состояния трубопровода и диагностических излучателей, объединенных в n модулей датчиков контроля, выполненных с
возможностью установки непосредственно на трубопровод, а также n акустических датчиков контроля состояния фона, выполненных с возможностью установки в грунт вблизи каждого модуля датчиков контроля, 3n блоков автоматической регулировки усиления, каждый из которых конструктивно объединен с одним усилителем и полосовым фильтром с образованием n модулей приема сигналов, каждый из которых соединен с модулем обработки сигналов и принятия решения в составе микропроцессора и оперативного запоминающего устройства, а каждый модуль обработки сигналов и принятия решения через модуль обмена данными, содержащий по меньшей мере один приемо-передатчик и два магистральных усилителя, связан с блоком управления, выполненным в виде удаленного терминального устройства, содержащего центральный процессор, выполненный с возможностью осуществления функции управления, диагностики и обработки сигнальной информации посредством амплитудной и корреляционной обработки сигналов с двух соседних модулей датчиков контроля, и мультипротокольный коммутационный узел. Модули приема сигналов, модули обработки сигналов и принятия решения и модули обмена данными конструктивно объединены в n блоков приема и обработки сигналов с функциональной возможностью адаптивной подстройки порога обнаружения, накопления и анализа полезного сигнала с модулей датчиков контроля и минимизации внешних помех путем анализа и вычитания фонового шума, регистрируемого датчиками фона.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена блок-схема системы обнаружения повреждений трубопровода. На фиг.2 представлен блок приема и обработки сигналов.
Система обнаружения повреждений трубопровода содержит модули датчиков контроля (МДК) 1 (устанавливаются непосредственно на трубопровод на расстоянии 300-1000 м друг от друга), датчики контроля состояния фона (ДКСФ) 2 (устанавливаются в грунт рядом с
трубопроводом в непосредственной близости от модуля датчиков контроля), блоки приема и обработки сигналов (БПОС) 3, и удаленное терминальное устройство (УТУ) 4. Каждый модуль датчиков контроля включает датчик контроля механических повреждений (ДКМВ) 5, датчик контроля состояния трубопроводов (ДКСТ) 6, диагностический излучатель (ДИ) 7. Каждый блок приема и обработки сигналов содержит модуль приема сигналов (МПС) 8 в составе усилителей (У) 9, 10 полосовых фильтров (ПФ) 11, 12, 13, устройств автоматической регулировки усиления (АРУ) 14, 15, 16, модуль обработки сигналов и принятия решения (МОСПР) 17, в составе микропроцессора (МП) 18 и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 19 и модуль обмена данными (МОД) 20, в составе приемо-передатчика (ППP) 21 и магистральных усилителей (МУ) 22, 23.
Удаленное терминальное устройство 4 содержит центральный процессор (ЦП) 24 и мультипротокольный коммутационный узел (КУ) 25. Блок приема и обработки сигналов 3 устанавливается на расстоянии 5-25 метров от трубопровода, к нему, например, с помощью кабелей подключаются модуль датчиков контроля 1, датчик контроля состояния фона 2, и магистраль обмена данными 26 через которую передают информацию и принимают команды управления от удаленного терминального устройства 4, а также осуществляют подачу электропитания.
Система обнаружения повреждений трубопровода работает следующим образом.
Акустические сигналы с двух смежных датчиков 5, 6, расположенных на трубопроводе наиболее близко от места механического воздействия, утечки либо источника акустической эмиссии, преобразуются в электрические сигналы, которые проходят стадии усиления, фильтрации, накопления медленно меняющихся фоновых составляющих сигнала в блоке приема и обработки сигналов 3. Превышение сигнала над фоном выше заданного порога после сравнения с
сигналом от датчика контроля состояния фона 2 и соответствующей обработки в МОСПР 17 приводит к накоплению признаков полезного сигнала в ОЗУ 19 и передаче сигнала на удаленное терминальное устройство 4, где по результатам корреляционной обработки сигналов с двух смежных соответствующих датчиков 5, 6, формируется сигнал тревоги и определяется место воздействия по разности амплитуд и времен прибытия акустических сигналов к соответствующим датчикам. Передача сигнала на удаленное терминальное устройство 4 осуществляется по опросу с УТУ 4 по физическому интерфейсу RS485 в мультиплексном режиме цифровым потоком, содержащим информацию об идентификационном номере БПОС 3, шумовом фоне, параметрах полезного сигнала, уровне порога обнаружения. Центральный процессор 24 обрабатывает принятую информацию и объединяет в себе функции управления, диагностики элементов устройства и амплитудной и корреляционной обработки сигнальной информации, для определения места повреждения путем вычисления удаления соответственно от датчиков 5, 6 S=(D+V*T)/2, где V - скорость распространения звука в стенке трубопровода, Т - время запаздывания сигналов от датчиков 5, 6. Центральный процессор 24 передает сигнал оповещения и указания местоположения в координатах всемирной системы позиционирования (GPS) посредством поддержания непрерывного информационного взаимодействия со структурами верхнего уровня через мультипротокольный коммутационный узел 25, предназначенный для согласования протоколов передачи данных. Система имеет режим самодиагностики производимой с помощью диагностических излучателей 7 модулей датчиков контроля 1.
В целом система обеспечивает многопозиционную зону обнаружения повреждений по длине трубопровода, выдачу информации диспетчеру по каналу телемеханики о времени и месте повреждения, техническом состоянии трубопровода, а также о техническом состоянии элементов системы.
Система обнаружения повреждений трубопровода, содержащая акустические датчики, каждый из которых связан с усилителем и фильтром, а также блок управления, отличающаяся тем, что она содержит n акустических датчиков контроля механических воздействий, датчиков контроля состояния трубопровода и диагностических излучателей, объединенных в n модулей датчиков контроля, выполненных с возможностью установки непосредственно на трубопровод, а также n акустических датчиков контроля состояния фона, выполненных с возможностью установки в грунт вблизи каждого модуля датчиков контроля, 3n блоков автоматической регулировки усиления, каждый из которых конструктивно объединен с одним усилителем и полосовым фильтром с образованием n модулей приема сигналов, каждый из которых соединен с модулем обработки сигналов и принятия решения в составе микропроцессора и оперативного запоминающего устройства, а каждый модуль обработки сигналов и принятия решения через модуль обмена данными, содержащий, по меньшей мере, один приемопередатчик и два магистральных усилителя, связан с блоком управления, выполненным в виде удаленного терминального устройства, содержащего центральный процессор, выполненный с возможностью осуществления функции управления, диагностики и обработки сигнальной информации посредством амплитудной и корреляционной обработки сигналов с двух соседних модулей датчиков контроля, и мультипротокольный коммутационный узел, при этом модули приема сигналов, модули обработки сигналов и принятия решения и модули обмена данными конструктивно объединены в n блоков приема и обработки сигналов с функциональной возможностью адаптивной подстройки порога обнаружения, накопления и анализа полезного сигнала с модулей датчиков контроля и минимизации внешних помех путем анализа и вычитания фонового шума, регистрируемого датчиками фона.
