устройство для определения места и времени появления утечек в магистральных трубопроводах

Формула изобретения

Устройство для определения места и времени появления утечек в магистральных трубопроводах, содержащее на каждом конце контролируемого участка трубопровода последовательно включенные первый дифференциальный датчик давления, первый пьезоэлектрический преобразователь и второй дифференциальный датчик давления, второй пьезоэлектрический преобразователь и основной счетчик времени, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и надежности определения утечек, оно снабжено вибрационным генератором, установленным перед контролируемым участком трубопровода, дополнительно заявляемое устройство снабжено первым электрическим вентилем, анод которого подключен к выходу первого пьезоэлектрического преобразователя, катод подключен к счетному входу счетчика времени, стоповый вход упомянутого счетчика времени подключен к катоду второго электрического вентиля, анод второго электрического вентиля соединен с выходом второго пьезоэлектрического преобразователя, катод первого электрического вентиля дополнительно подключен к входу "делимого" аналоговой схемы деления двух электрических напряжений и к управляющим входам соответственно первого и второго электрических ключей, катод второго электрического вентиля дополнительно соединен с входом первого аналогового запоминающего устройства, выход первого аналогового запоминающего устройства соединен с входом "делителя" аналоговой схемы деления двух электрических напряжений, выход которой соединен с входом первого электрического ключа, выход этого ключа соединен с входом второго аналогового запоминающего устройства, выход второго запоминающего устройства соединен с управляющим входом электронного усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, выход первого пьезоэлектрического преобразователя дополнительно соединен с сигнальным входом электронного усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, выход электронного усилителя с регулируемым коэффициентом передачи соединен с входом "вычитаемого" аналогового устройства вычитания двух электрических напряжений, выход второго пьезоэлектрического преобразователя дополнительно соединен с входом линии задержки аналоговых электрических сигналов, выход линии задержки соединен с входом "вычитающего" аналогового устройства вычитания двух электрических напряжений, управляющий вход линии задержки аналоговых электрических сигналов соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, вход цифроаналогового преобразователя соединен с выходом второго цифрового запоминающего устройства, вход второго цифрового запоминающего устройства соединен с выходом второго электрического ключа, вход второго электрического ключа соединен с выходом счетчика времени, выход аналогового устройства вычитания двух электрических напряжений соединен с входом дополнительного счетчика времени, выход дополнительного счетчика времени соединен с входом первого цифрового запоминающего устройства, выход первого цифрового регистра констант соединен с входом "делимого" первой цифровой схемы деления двух чисел, вход «делителя» первой цифровой схемы деления двух чисел соединен с выходом второго цифрового запоминающего устройства, выход первой цифровой схемы деления двух чисел соединен с входом первого цифрового инвертора и с входом «вычитаемого» цифровой схемы вычитания двух чисел, вход «вычитающего» цифровой схемы вычитания двух чисел соединен с выходом цифрового умножителя числа в два раза, вход цифрового умножителя числа в два раза соединен с выходом турбинного измерителя 7 скорости транспортировки продукта по трубопроводу, выход цифровой схемы вычитания двух чисел соединен с входом второго цифрового инвертора, выход первого цифрового инвертора соединен с первым входом цифровой схемы сложения двух чисел, выход второго цифрового инвертора соединен со вторым входом цифровой схемы сложения двух чисел, выход цифровой схемы сложения двух чисел соединен с входом «делителя» второй цифровой схемы деления двух чисел, вход «делимого» второй цифровой схемы деления двух чисел соединен с выходом первого цифрового запоминающего устройства, выход второй цифровой схемы деления двух чисел соединен с первым входом цифровой схемы сравнения чисел, второй вход цифровой схемы сравнения чисел соединен с выходом второго регистра числовых констант, выход цифровой схемы сравнения чисел соединен с первым входом шифратора, второй вход шифратора соединен с выходом электронных часов, выход шифратора соединен с входом канала связи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для обнаружения несанкционированного подключения к магистральному трубопроводу, а также для текущего контроля его герметичности.

Известно устройство [1] для определения местонахождения утечек в магистральных трубопроводах. Технической задачей этого устройства является расширение функциональных возможностей устройства путем передачи по радиоканалу тревожного сигнала о месте возникновения утечек в магистральных трубопроводах на пункт контроля. Указанное устройство основано на анализе ударных волн пониженного давления, возникающих в момент местного разрыва или повреждения трубы. Оно обеспечивает определение места возникновения утечек в магистральных трубопроводах. Это устройство не обладает высокой точностью в основном по двум причинам: не известно точное значение скорости распространения ударной волны по трубе в момент определения течи, различие в скоростях распространения звуковых волн в однородной среде и ударных волн пониженного давления в транспортируемом продукте, не учитывается скорость транспортировки продукта по трубе.

Известно устройство поиска мест утечек магистральных трубопроводов [2], технической задачей которого является повышение надежности радиоканала путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Принцип действия устройства основан на измерении корреляционным способом разности времен распространения гидравлических ударных волн, возбуждаемых вытекающей под давлением из отверстия трубы средой (водой, нефтью, газом и др.), от места течи до двух датчиков вибрации, установленных на трубопроводе с обеих сторон от места течи. По разности времен, при которой наблюдается максимум коэффициента корреляции, заданной длине участка трубы между установленными датчиками и скорости распространения ударной волны по трубе вычисляется расстояние от одного из датчиков до места течи. Это устройство не обладает высокой точностью в основном по двум причинам: не известно точное значение скорости распространения ударной волны по трубе в момент определения течи, не учитывается скорость транспортировки продукта по трубе.

Известно устройство для определения места утечки [3], работа которого основана на применении материалов, деформируемых под действием вытекающего продукта. Это устройство не предназначено для выявления факта несанкционированного доступа к продукту, транспортируемому по трубопроводу.

Известны устройства для определения места утечки [4, 5], работа которых основана на анализе ударных волн пониженного давления, образующихся в момент возникновения утечки. Основным недостатком этих устройств является тот факт, что не учитывается различие в скоростях распространения звуковых волн в однородной среде и ударных волн пониженного давления в транспортируемом продукте.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения местонахождения утечек в магистральных трубопроводах (патент РФ №2233402, МПК F 15 D 5/02, опубликован 27.07.2004 г.), которое выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство основано на анализе ударных волн пониженного давления. возникающих в момент местного разрыва или повреждения трубы. Оно обеспечивает определение места возникновения утечек в магистральных трубопроводах и позволяет информировать об этом обслуживающий персонал путем передачи по радиоканалу тревожного сигнала о месте возникновения утечек в магистральном трубопроводе. Прототип имеет следующие недостатки: 1) значение скорости распространения ударной волны в момент повреждения трубопровода здесь не определяется, а используется среднее значение указанной скорости, что значительно снижает точность определения места утечки, 2) включение выхода датчиков давления таково, что устройство в целом реагирует на градиент давления, возникающий: а) не только на контролируемом участке, но и вне этого участка (это обуславливает ложную отметку места утечки), б) при изменении объема продукта, потребляемого зарегистрированным пользователем (это обуславливает отметку несуществующего места утечки). Следует отметить, что прототип и перечисленные выше известные устройства не позволяют выявить момент несанкционированного подключения к трубопроводу, поскольку атрибуты такого подключения не используются при работе отмеченных устройств.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства: идентификация места и времени несанкционированного подключения к трубопроводу или утечки из трубопровода, повышение точности и надежности измерения места утечки из трубопровода.

Поставленная задача решается тем, что устройство для определения местонахождения утечек в магистральном трубопроводе, содержащее на каждом конце контролируемого участка трубопровода последовательно включенные дифференциальный датчик давления, пьезоэлектрический преобразователь и счетчик времени, снабжено дополнительным счетчиком времени, электронными часами, линией задержки аналогового электрического сигнала, электронным усилителем с регулируемым коэффициентом передачи, цифровым регистром для хранения сведений о зарегистрированных подключениях к трубопроводу, вибрационным генератором приращения давления в трубопроводе; двумя электрическими вентилями, двумя цифровыми устройствами памяти для хранения чисел; двумя аналоговыми устройствами, запоминающими величину электрического напряжения; двумя регистрами для хранения постоянных чисел, делителем двух аналоговых электрических напряжений, турбинным измерителем скорости транспортировки продукта по трубопроводу, двумя умножителями чисел, цифроаналоговым преобразователем, двумя цифровыми делителями чисел, двумя цифровыми инверторами, цифровым вычитателем чисел, двумя электронными ключами, шифратором для формирования отчета об утечке из трубопровода.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на Фиг.1. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия устройства, показаны на Фиг.2 и 3.

Устройство содержит место 1 разрыва, повреждения или несанкционированного подключения к 2 трубопроводу, две образовавшиеся волны "а" и "б" пониженного давления, первый и второй дифференциальные датчики давления 3 и 5, первый и второй пьезоэлектрические 4 и 6 преобразователи, турбинный измеритель 7 скорости транспортировки продукта по трубопроводу, вибрационный генератор 8 приращения давления в трубопроводе, первый и второй электрические вентили 9 и 10; первый регистр констант 11, содержащий сведения о длине контролируемого участка трубопровода; первый и второй цифровые делители 12, 29 чисел; делитель 13 двух аналоговых напряжений, первое и второе аналоговые устройства 14, 23, запоминающие величину электрического напряжения; основной и дополнительный счетчики 15 и 30 времени, цифровую схему 16 вычитания двух чисел, первый и второй электронные 17, 18 ключи; цифровой умножитель 19 в два раза; первый и второй цифровые инверторы 21, 20 (операция X^-1), цифровое устройство 22 сложения двух чисел, второе и первое цифровые 24, 32 устройства для оперативного запоминания одного числа, цифроаналоговый 25 преобразователь, аналоговый усилитель 26 с регулируемым коэффициентом передачи, аналоговое устройство 27 вычитания двух электрических напряжений, линия 28 задержки аналоговых электрических сигналов, цифровая схема 31 сравнения чисел; второй регистр 33 числовых констант, содержащий сведения о месте подключения зарегистрированных пользователей контролируемого участка трубопровода; шифратор 34 отметки о месте и времени появления утечки, электронные 35 часы, вход 36 в канал связи для передачи данных об утечке из трубопровода.

Устройство работает следующим образом.

В момент местного разрыва, повреждения или несанкционированного подключения к трубопроводу 2 образуется ударная волна пониженного давления. Ориентация заявляемого устройства выбрана так, что поток транспортируемого по трубопроводу продукта перемещается от точки О (место включения в трубопровод датчика 5) к точке А (место включения в трубопровод датчика 3). От места разрыва 1 в противоположных направлениях движутся две волны: "а" со скоростью V_а=V_д +V_тр и "с" со скоростью V_c=V _д-V_тр, где V_д - скорость распространения ударной волны в неподвижной среде, состоящей из транспортируемого продукта, V_тр - скорость транспортировки продукта по трубопроводу, величина этой скорости измеряется турбинным измерителем 7.

Дифференциальные датчики 3 и 5 реагируют на малые приращения давления (от 1 кПа и выше) в трубопроводе, обусловленные, в том числе, образованием утечки. Эта реакция датчиков 3 и 5 преобразуется в электрическое напряжение с помощью пьезоэлектрических 4 и 6 преобразователей.

Сигнал с выхода преобразователя 4 поступает на вход электронного усилителя 26 с регулируемым коэффициентом передачи (коэффициент передачи пропорционален величине напряжения на управляющем входе этого усилителя), такая регулировка достигается подачей на управляющий вход усилителя 26 напряжения с выхода запоминающего устройства 23, на вход которого с помощью электронного ключа 17 поступает напряжение с выхода делителя 13 двух аналоговых напряжений, первое из этих напряжений поступает с выхода пьезоэлектрического 4 преобразователя через электрический вентиль 9 на вход "делителя" элемента 13. На вход "делимого" элемента 13 поступает напряжение с выхода пьезоэлектрического 6 преобразователя через электрический вентиль 10. Вентили 9, 10 пропускают положительную составляющую напряжения, формирующегося соответственно на выходе преобразователя 4, преобразователя 6. На Фиг.2а иллюстрируется временная диаграмма приращения давления Р в трубопроводе 2, создаваемого в месте О (здесь установлен датчик 5) вибрационным генератором 8. Частота отрицательных приращений давления длительностью 0,5...1,0 с, вырабатываемых генератором 8, выбирается в соответствии с ожидаемым изменением во времени характеристик продукта, транспортируемого по трубопроводу. На Фиг.2в и 2г иллюстрируются электрические сигналы соответственно на выходе пьезоэлектрического преобразователя 6 и пьезоэлектрического преобразователя 4. Вентиль 10 выделяет напряжение U₆, которое запоминается устройством 14. К месту А трубопровода, где установлен датчик 3, волна давления, создаваемого вибрационным генератором 8, поступит через отрезок времени t₁ (см. Фиг.2б), величине t₁ соответствует длина отрезка трубопровода ОА, контролируемого заявляемым устройством (в дальнейшем обозначим величину отрезка ОА символом L). Отсчет времени t₁ производится счетчиком 15, который запускается напряжением U₆ и останавливается напряжением U ₄. С этой целью пусковой вход счетчика 15 соединяется с выходом вентиля 9, а столовый вход счетчика 15 соединяется с выходом вентиля 10.

Вентиль 9 выделяет напряжение U ₄, которое поступает на вход "делителя" элемента 13. Если U₄=U₆, то результат их деления равен единице, напряжением U₄ открывается ключ 17 и частное от деления запоминается элементом 23. Единичное напряжение с выхода элемента 23 устанавливает коэффициент передачи усилителя 26, равный единице, поэтому выходное напряжение усилителя 26 будет численно равно U₆. Если, например, U₄ =0,5·U₆, то результат их деления равен двум, на выходе элемента 23 будет двойное напряжение и коэффициент передачи усилителя 26 увеличится в два раза, поэтому выходное напряжение усилителя 26 будет численно равно U₆. Так поддерживается численное равенство

U₂₆=U ₆,

здесь U₂₆ - напряжение на выходе усилителя 26.

Содержимое счетчика 15 поступает в цифровую память 24, с этой целью выход счетчика 15 соединен с входом элемента 24 с помощью электронного 18 ключа, открывающего это соединение при подаче на его управляющий вход переднего фронта импульса U₄, для чего управляющий вход ключа соединен с выходом вентиля 9. Задний фронт импульса IJ₄ обнуляет счетчик 15.

Содержимое электронной памяти 24 с помощью цифроаналогового преобразователя 25 преобразуется в сигнал, управляющий временем задержки линии 28 задержки аналоговых электрических сигналов так, чтобы установить =t₁. С этой целью выход элемента 25, где величина напряжения пропорциональна времени t₁, соединяется с управляющим входом линии 28. Сигнальный вход линии 28, коэффициент передачи которой устанавливается равным единице, соединен с выходом пьезоэлектрического преобразователя 6, выход линии 28 соединен с "вычитающим" входом аналоговой схемы 27 вычитания электрических напряжений. "Вычитаемый" вход элемента 27 соединен с выходом усилителя 26. Поскольку установлено равенство коэффициентов передачи трактов: а) тракт состоит из последовательно включенных элементов 3, 4, 26; б) тракт состоит из последовательно включенных элементов 5, 6, 28; то таким путем обеспечивается нулевое электрическое напряжение на выходе элемента 27 при прохождении градиента давления в трубопроводе, если этот градиент возник по любой причине до места установки датчика 5, подавляются помехи, повышается точность определения места утечки. Градиент или ударная волна пониженного давления, возникающая в момент местного разрыва или повреждения трубы на отрезке ОА, создает отличающийся от нуля электрический сигнал на выходе элемента 27, что иллюстрируется временными диаграммами (см. Фиг.3).

Эпюра ударной волны пониженного давления, возникающей в момент t_o местного разрыва или повреждения трубы в 1 точке, представлена Фиг.3а. Точка 1 находится на расстоянии l₁ от места установки датчика 5 и на расстоянии l₂ от места установки датчика 3, сумма l₁+l₂=L, расход времени на прохождение волной "с" расстояния l₁ составляет t ₂ (Фкг.3б), а волна "а" преодолевает расстояние l₂ по истечении отрезка времени t₃ (Фиг.3в). Электрический сигнал на выходе элемента 6 имеет вид, иллюстрируемый Фиг.3г, а на выходе элемента 4 - иллюстрируется Фиг.3д; вид сигнала, прошедшего через линию задержки 28, представлен на Фиг.3е; этот сигнал появляется на выходе линии 28 по истечении отрезка времени t₂+t₁. В результате вычитания электрических напряжений, поступающих с выхода усилителя 26 и линии задержки 28, реализуемого элементом 27, имеем биполярные импульсы, форма и размещение их во времени представлены на Фиг.3ж, где

=t₁+t₂-t₃,

здесь t₁=(l₁+l₂)/V_а,

t₂=l₁/V_с,

t₃ =l₂/V_а.

Отрезок времени Д измеряется счетчиком 30, с этой целью выход элемента 27 соединен с входом счетчика 30, причем импульс отрицательной полярности включает счетчик 30, а импульс положительной полярности останавливает отсчет времени устройством 30. Поэтому результат измерения величины Д имеет следующее значение

=(l₁+l₂)/V_а+l₁ /V_с-l₂/V_а=l₁·Y,

где .

Для получения значения l₁ в чистом виде надо величину разделить на величину Y и с этой целью заявляемое устройство содержит элементы 7, 11, 12, 16, 19, 20, 21, 22, 29, 32, работа которых описывается ниже.

Значение , измеренное счетчиком 30, для обеспечения его сохранности при дальнейшей обработке вносится в цифровое запоминающее устройство 32, с этой целью выход счетчика 30 соединен с входом устройства 32.

Численное значение величины L постоянно внесено в регистр 11, вход "делимое" цифрового делителя 12 соединен с входом регистра 11, вход "делителя" элемента 12 соединен с выходом цифрового запоминающего устройства 24 (здесь хранится численное значение t₁). Результат деления, выполненного 12, дает значение V_a.

Для получения значения V_c необходимо выполнить операцию

V_c =V_а-2·V_тр.

С этой целью сигнал с выхода измерителя 7 поступает на вход элемента 19, где выполняется операция 2·V_тр, выход удвоителя 19 соединен с входом "вычитающего" элемента 16, к входу "вычитаемого" элемента 16 подключен выход делителя 12.

Выход делителя 12 соединен с входом цифрового инвертора 21, инвертор 21 проводит операцию V_а ^-1. Выход инвертора 21 соединен с первым входом сумматора 22, второй вход сумматора 22 соединен с выходом инвертора 20, выполняющего операцию V_с ^-1, вход этого инвертора 20 соединен с выходом элемента 16. Так обеспечено получение на выходе сумматора 22 значения величины Y.

Выход сумматора 22 соединен с входом "делителя" 29, вход "делимого" подключен к выходу запоминающего устройства 32, где хранится численное значение . Результатом деления /Y является, как было показано выше, значение l₁ : это расстояние от места установки на трубопроводе 2 датчика 5 до места появления утечки из трубопровода.

Выход делителя 29 соединен с первым входом схемы 31 сравнения чисел: число l ₁ поочередно сравнивается с каждым числом, означающим, на каком расстоянии от места установки датчика 5 находится зарегистрированный пользователь (обозначим это каждое число символом N_i , здесь i - номер, присвоенный пользователю). Полная совокупность чисел N_i размещена в регистре 33 и для обеспечения процедуры сравнения выход регистра 33 соединен со вторым входом схемы 31. Если l₁ не совпадает с N_i при проверке всех номеров i, то значение l₁ поступает на первый вход шифратора 34, формирующего сигнал информации об утечке: № участка, где установлено заявляемое устройство; момент времени начала утечки (с этой целью на второй вход шифратора 34 подключен выход электронных часов, отсчитывающих текущее время); значение l₁. Выход шифратора подключен к входу канала связи, по которому передается информация в соответствующий центр.

Заявляемое устройство не имеет методической погрешности (что свойственно прототипу, поскольку при его разработке не учитывался факт V_a V_c), точность его работы определяется точностью реализации комплектующих изделий и точностью обновления константы L в соответствии со сменой времени года в данной климатической зоне.

Источники информации

1. Патент №2233402 РФ, МПК F 17 D 5/02, опубл. 2004.

2. Патент №2196312 РФ, МПК F 17 D 5/02, опубл. 2003.

3. Патент №4570477 США, МПК G 01 M 3/16, опубл. 1986.

4. Патент №3112829 ФРГ, МПК F 17 D 5/02, опубл. 1982.

5. Патент №56073331 Япония, МПК F 17 D 5/02, опубл. 1981.