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 множество автономных интеллектуальных датчиков, размещаемых на трубопроводе группами, каждая из которых содержит не менее двух интеллектуальных датчиков, каждый интеллектуальный датчик оснащен средствами регистрации и обработки акустических сигналов, датчики каждой группы с помощью радиосвязи образуют локальную распределенную вычислительную сеть. Точное определение координат места повреждения и характеристик течи осуществляется распределенной вычислительной сетью, образованной интеллектуальными датчиками, входящими в состав не менее двух групп интеллектуальных датчиков, расположенных по обе стороны от места течи.
Известно устройство для осуществления способа определения местоположения течи как источника акустического излучения (Патент США 4858462), содержащее два разнесенных акустических датчика, два блока усиления и фильтрации, два аналого-цифровых преобразователя, процессор плавающего порога и разностного сигнала, компьютер, выполняющий функции блока управления со средствами отображения.
Недостатком этого устройства является отсутствие возможности его реконфигурирования в процессе работы.
Известен способ определения места течи в трубопроводе (Пат. РФ 
2249802), который включает прием шума вытекающей струи с помощью двух акустических датчиков, преобразование этого шума в электрические напряжения, дискретизацию, фильтрацию и анализ. Акустические датчики расположены в одном месте трубопровода, причем один из них обеспечивает прием акустических волн-сигналов, распространяющихся по оболочке трубопровода, а второй обеспечивает прием акустических волн, распространяющихся в среде, окружающей трубопровод. Принятые сигналы подвергают взаимоспектральной обработке, а по данным о действительной и мнимой частях взаимного спектра находят задержку между сигналами, распространяющимися в двух средах и имеющих из-за этого разные скорости акустических колебаний.
Недостатком этого способа является низкая точность определения местоположения течи в протяженных трубопроводах вследствие неоднородности свойств грунта вдоль трубопровода и соответствующей неопределенности скорости распространения в нем акустических волн.
Известно устройство мониторинга технического состояния трубопровода (Полезная модель 33223 РФ), содержащее n каналов обнаружения утечки, каждый из которых содержит акустический датчик, соединенный с 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, а также 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 и блок обработки акусто-эмиссионной информации, 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 и блока обработки акусто-эмиссионной информации.
Недостатком этого устройства является то, что для регистрации расширенного спектра длин волн акустических колебаний используется нескольких разнотипных датчиков и каналов обработки регистрируемых сигналов, что увеличивает стоимость устройства, а также необходимость проводного соединения измерительных постов с отдельным устройством передачи данных, так как отдельные датчики не оснащены собственными устройствами обработки и передачи данных.
Также известна система мониторинга состояния трубопровода (Полезная модель 68692 РФ), содержащая n сигнальных датчиков повреждений, выполненных с возможностью установки непосредственно на трубопровод, n блоков обработки сигналов, а также удаленное терминальное устройство, содержащее, по меньшей мере, центральный процессор, выполненный с возможностью осуществления функции управления, диагностики и обработки сигнальной информации и мультипротокольный коммутационный узел, а также n датчиков температуры трубопровода, каждый из которых через один из n блоков обработки сигналов и удаленное терминальное устройство связан с генератором управляющих сигналов.
Недостатком данной системя является использование центрального управляющего устройства, что снижает отказоустойчивость системы и увеличивает ее стоимость, массо-габаритные характеристики и энергопотребление. Кроме, этого данная система не допускает возможности оперативного изменения ее параметров в процессе эксплуатации.
Известен способ определения места и размеров течи в трубопроводе и устройство для его реализации (Патент РФ 2221230). 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 наличие 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-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.
Недостатками этого устройства являются отсутствие возможности синхронизации поступивших на блоки сбора, обработки сигнала и устройство управления и с акустических датчиков сигналов при отсутствии проводной линии связи между блоками сбора сигнала, что приводит к рассогласованию сигналов различных акустических датчиков при проведении взаимно-корреляционного анализа и соответствующему увеличению погрешности определения места расположения течи; для передачи данных от акустических датчиков требуется дорогостоящая высокоскоростная проводная линия связи вдоль трубопровода; большой объем передаваемых данных, приводящий к снижению быстродействия устройства и снижению его отказоустойчивости. Устройство также не приспособлено для оперативного реконфигурирования в процессе эксплуатации.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является система обнаружения повреждений трубопровода (Патент РФ на полезную модель 60721), содержащая n акустических датчиков, выполненных с возможностью установки непосредственно на трубопроводе, каждый i-й датчик связан с i-м усилителем-преобразователем, i-м фильтром, i-м аналого-цифровым преобразователем, i-м блоком сбора, записи и хранения данных и снабжен блоком синхронизации сигнала, микроконтроллером и тактовым генератором. Микроконтроллер соединен с соответствующим тактовым генератором и боком сбора и записи и хранения данных и выполнен с возможностью осуществления функций учета точного времени, преобразования сигналов, поступивших от приемника радиосигналов, передачи их на тактовый генератор и блок сбора, записи и хранения данных по команде, тактовый генератор соединен с аналого-цифровым преобразователем и выполнен с возможностью осуществления функций тактирования аналого-цифрового преобразователя.
Недостатком данной системы является то, что определение мест утечек, их характеристик и выдачи сигнала оповещения, производится централизованно с помощью главного вычислительного устройства, на которое замыкаются все каналы передачи данных от датчиков, размещаемых на трубопроводе, что снижает отказоустойчивость системы, повышает ее стоимость и эксплуатационные расходы. Кроме этого отсутствует возможность управления параметрами системы во время ее эксплуатации, например, путем автоматического изменения характеристик датчиков, их количества и расположения на трубопроводе.
Задачей полезной модели является повышение отказоустойчивости и автономности системы обнаружения повреждений с целью повышения технологичности и снижения эксплуатационных расходов, а также повышение точности определения координат места течи и ее параметров за счет обеспечения возможности оперативного реконфигурирования системы, в частности, автоматического изменения характеристик активных датчиков, их количества и расположения на трубопроводе.
Для устранения указанных недостатков в устройстве для обнаружения течи трубопровода, содержащем n акустических датчиков, выполненных с возможностью установки непосредственно на трубопроводе, где каждый i-й датчик связан с i-м усилителем-преобразователем, i-м фильтром, i-м аналого-цифровым преобразователем, i-м блоком сбора, записи и хранения данных и снабжен блоком синхронизации сигнала, микроконтроллером и тактовым генератором, каждый датчик дополнительно снабжен микропроцессором, выполненным с возможностью осуществления функции управления, диагностики и обработки сигнальной информации, приемо-передатчиком и автономным блоком питания, причем датчики размещаются вдоль трубопровода группами, каждая из которых содержит не менее двух датчиков, расстояние между датчиками в каждой группе много меньше расстояния между группами датчиков, микропроцессоры каждой группы датчиков образуют локальную распределенную вычислительную сеть, предназначенную для анализа цифровых данных, включая определение взаимных спектров сигналов и взаимных корреляционных функций, определения направления на источник полезного акустического сигнала по разности времен прибытия акустических сигналов к акустическим датчикам группы и грубой оценки предполагаемых координат утечки жидкости из трубопровода по результатам анализа различий интенсивности полезного сигнала, принятого различными датчиками группы, формирования информацмонных сигналов для связи с группами датчиков, расположенных вблизи предполагаемого места утечки с целью точного определения координат и характеристик течи с последующей передачей уведомления о местоположении и характеристиках течи на пункт мониторинга трубопровода по цепочке групп датчиков.
Техническим результатом при использовании полезной модели является обеспечение более высокой точности определения координаты места течи в трубопроводе, увеличение длины контролируемой области трубопровода, повышение отказоустойчивости системы, обеспечение возможности реконфигурирования системы путем изменения числа и расположения активных датчиков в составе каждой группы, использования групп датчиков в качестве распределенных инфразвуковых антенн, повышение отказоустойчивости системы за счет возможности передачи данных в обход отказавших элементов системы и быстродействия системы за счет обработки основного объема информации на месте обнаружения течи с помощью распределенной вычислительной сети, образованной интеллектуальными датчиками одной или более групп автономных интеллектуальных датчиков, снижение эксплуатационных расходов.
Общая схема устройства приведена на фиг.1. На фиг.2 приведена схема интеллектуального датчика. Система содержит интеллектуальные датчики 1, устанавливаемые непосредственно на трубопроводе группами 2, включающими не менее двух датчиков, каждый интеллектуальный датчик содержит акустический датчик 3, усилитель-преобразователь 4, фильтр 5, аналого-цифровой преобразователь 6, блок сбора, записи и хранения данных 7, микроконтроллер 8, тактовый генератор 9, микропроцессор 10, приемопередатчик 11, автономный источник питания 12.
Акустический датчик крепится на трубопроводе и выполняет первичное преобразование акустического сигнала с трубопровода в аналоговый сигнал.
Усилитель-преобразователь предназначен для преобразования зарядового сигнала в напряжение и усиления напряжения до заданного уровня.
Фильтр сигнала производит частотную фильтрацию аналогового сигнала в заданной частотной полосе.
Аналого-цифровой преобразователь преобразует сигнал из аналоговой формы в цифровую форму.
Блок сбора, записи и хранения данных с помощью команд начала и окончания преобразования осуществляет управление аналого-цифровым преобразователем, а также осуществляет получение данных с аналого-цифрового преобразователя, выполняет периодическое накопление цифровых данных, их предварительную обработку, компрессию и передачу в локальную распределенную вычислительную сеть.
Тактовый генератор выполняет функцию тактирования аналого-цифрового преобразователя.
Локальная распределенная вычислительная сеть, образованная микропроцессорами активной группы интеллектуальных датчиков осуществляет декомпрессию и анализ цифровых данных (в том числе для определения взаимных спектров сигналов и взаимных корреляционных функций), поступивших с блоков сбора, записи и хранения данных, и для определения предполагаемых координат утечки жидкости из трубопровода. Точное определение координат течи осуществляется распределенной вычислительной сетью, образованной интеллектуальными датчиками, входящими в состав не менее двух групп интеллектуальных датчиков, расположенных по обе стороны от места течи, по разности времен прибытия акустических сигналов к различным акустическим датчикам, входящим в состав данных групп интеллектуальных датчиков. Микропроцессор каждого интеллектуального датчика также управляет автономным блоком питания интеллектуального датчика.
Микроконтроллер ведет учет точного времени. Для корректировки времени микроконтроллера используются синхронизирующие импульсы от приемо-передатчика. Микроконтроллер также управляет работой тактового генератора, по запросу блока сбора, записи и хранения данных передает точное время в блок сбора, записи и хранения данных.
Приемо-передатчик каждого интеллектуального датчика обеспечивает обмен командами внутри локальной распределенной вычислительной сети данной группы интеллектуальных датчиков, а также между различными группами интеллектуальных датчиков, кроме этого он обеспечивает синхронизацию работы интеллектуальных датчиков путем приема радиосигнала, несущего информацию о точном времени, генерирации синхронизирующих импульсов и передачи их в микроконтроллер.
Автономный блок питания предназначен для обеспечения интеллектуального датчика электропитанием без подключения к внешней электрической сети.
Устройство работает следующим образом.
При локальном истечении жидкости из трубопровода возникает акустическая вибрация, которая передается к акустическим датчикам.
С каждого из акустических датчиков аналоговый сигнал последовательно поступает на соответствующий ему усилитель-преобразователь, фильтр сигнала, аналого-цифровой преобразователь, блок сбора, записи и хранения данных. Из него цифровые данные поступают в локальную вычислительную сеть, образованную микропроцессорами группы интеллектуальных датчиков.
Признаками наличия течи из трубопровода являются явно выраженные и устойчивые в течение определенного времени максимумы взаимного спектра акустических сигналов. В случае обнаружения названных признаков, блок сбора, записи и хранения данных формирует сигнал активизации локальной распределенной вычислительной сети, образованной микропроцессорами группы интеллектуальных датчиков, которая определяет направление на источник течи в трубопроводе по разности времен поступления акустических сигналов к датчикам группы, и делает грубую оценку координат места утечки по информации об интенсивности полезного сигнала на разных датчиках группы, и далее формирует информационный сигнал для связи с группами интеллектуальных датчиков, расположенными вблизи предполагаемого места утечки с целью точного определения координат и характеристик течи. После этого все локальные вычислительные сети групп интеллектуальных датчиков, кроме двух ближайших к месту утечки возвращаются в энергосберегающий терминальный режим работы, а последние, образовав объединенную распределенную вычислительную сеть, производят точное определение координат и характеристик течи с возможностью выполнения дополнительного анализа по запросу из пункта мониторинга трубопровода. В частности, каждая группа датчиков может быть использована в качестве инфразвуковой акустической антенны, нижняя частота которой определяется расстоянием между крайними датчиками группы, для локации инфразвуковых колебаний, способных с незначительным затуханием распространяться вдоль всей протяженности трубопровода.
В том случае, если течь оказалась в пределах одной из групп интеллектуальных датчиков вся необходимая обработка информации производится интеллектуальными датчиками этой группы. При этом все остальные интеллектуальные датчики, установленные на трубопроводе остаются в энергосберегающем терминальном режиме.
Для ускорения обработки данных, к минимально необходимой работающей распределенной вычислительной сети могут быть подключены вычислительные ресурсы одной или более ближайших групп интеллектуальных датчиков.
Требуемая точность определения координат течи в трубопроводе обеспечивается применением специальных алгоритмов спектральной и корреляционной обработки сигнала, а также взаимной синхронизацией аналого-цифровых преобразователей и блоков сбора, записи и хранения данных.
Все интеллектуальные датчики имеют одинаковое устройство. Данные с каждого интеллектуального датчика сжимаются с помощью алгоритма компрессии в блоке сбора, записи и хранения цифровых данных и передаются в локальную вычислительную сеть группы интеллектуальных датчиков, в которой подвергаются декомпрессии и обработке.
Так как каждая локальная распределенная вычислительная сеть группы интеллектуальных датчиков, образуется близкорасположенными датчиками, мощность приемо-передатчика каждого датчика может быть сделана минимальной. Для связи с другими группами интеллектуальных датчиков используется временное увеличение выходной мощности приемопередатчика одного из группы интеллектуальных датчиков или одновременная синхронная работа приемо-передатчиков нескольких интеллектуальных датчиков данной группы.
Система обнаружения повреждений трубопровода, содержащая n каналов обработки акустической информации, каждый канал содержит акустический датчик, выполненный с возможностью установки непосредственно на трубопроводе, каждый i-й датчик связан с i-м усилителем-преобразователем, i-м фильтром, i-м аналого-цифровым преобразователем, i-м блоком сбора, записи и хранения данных и снабжен микроконтроллером и тактовым генератором, отличающаяся тем, что каждый канал обработки акустической информации выполнен в виде автономного интеллектуального датчика, который дополнительно снабжен микропроцессором, выполненным с возможностью осуществления функции управления, диагностики и обработки сигнальной информации, приемопередатчиком и автономным блоком питания, причем интеллектуальные датчики размещаются вдоль трубопровода группами, каждая из которых содержит не менее двух интеллектуальных датчиков, расстояние между датчиками в каждой группе много меньше расстояния между группами интеллектуальных датчиков, каждая группа интеллектуальных датчиков образует локальную распределенную вычислительную сеть, предназначенную для анализа цифровых данных, включая определение взаимных спектров сигналов и взаимных корреляционных функций, определения направления на источник полезного акустического сигнала по разности времен прибытия акустических сигналов к различным интеллектуальным датчикам группы и грубой оценки предполагаемых координат утечки жидкости из трубопровода по результатам анализа различий интенсивности полезного сигнала, принятого различными интеллектуальными датчиками группы, формирования информационных сигналов для связи с группами интеллектуальных датчиков, расположенных вблизи предполагаемого места утечки с целью точного определения координат и характеристик течи с последующей передачей уведомления о местоположении и характеристиках течи на пункт мониторинга трубопровода по цепочке групп интеллектуальных датчиков.
