Система електроакустичного моніторингу стану магістральних трубопроводів

1. Система електроакустичного моніторингу стану магістральних трубопроводів, що включає зональну електронну обчислювальну машину (ЕОМ) збору даних і керування, лінійні вимірювальні пристрої (ЛВП), розташовані уздовж траси трубопроводу, кожний з яких має контролер обміну, джерело електроживлення, виходи якого підключені до живильних входів активних пристроїв ЛВП, синтезатор тактових і гетеродинних частот, приймальний пристрій акустичних сигналів пошкоджень, який містить акустичний датчик сигналів ушкодження, підсилювач сигналів ушкодження, підключений своїм гетеродинним входом до виходу "Частота гетеродина 1" синтезатора частот, а виходом і цифровим керуючим входом - відповідно до аналогового входу і цифрового виходу "Керування підсилювачем" процесора сигналів пошкоджень, при цьому вихід контролера обміну кожного ЛВП підключений до входу контролера обміну зональної ЕОМ збору даних і керування, яка відрізняється тим, що в кожний ЛВП вводиться електроакустичний перетворювач - приймач акустичної потужності, з'єднаний за допомогою складеного акустичного хвилеводу, утвореного сталевою оболонкою труби й продуктом, що заповнює трубу, своїм акустичним входом з виходом електроакустичного перетворювача - випромінювача коливань каналу акустичної потужності, електричним виходом із входом джерела електроживлення і синхровходом синтезатора частот, пристрій акустичного зв'язку, що містить процесор сигналів зв'язку і керування, формувач аналогових сигналів повідом 2 (19) 1 3 35494 4 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що обдом електроакустичного перетворювачаладнана пристроєм накачки акустичної потужності, випромінювача акустичної потужності. який містить з'єднані послідовно задавальний ге3. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що узнератор тонального сигналу стабільної частоти і годжувальний акустичний хвилевід виконаний з підсилювач потужності, вхід якого зв'язаний із вхооргскла. Корисна модель, що заявляється, відноситься до області неруйнівного контролю і може бути використана при електроакустичній діагностиці стану магістральних тр убопроводів, у тому числі для виявлення та попередження несанкціонованого доступ у до останніх, у реальному часі й у процесі їхньої експлуатації. Відома внутрішньотрубна ультразвукова установка для контролю стану трубопроводів, яка складається з транспортного модуля, що включає систему п'єзоелектричних перетворювачів (ПЕП), електронні пристрої збудження ПЕП, прийому, посилення та обробки сигналів, а також блок визначення місцезнаходження і кабель для передачі інформації в накопичувальний пристрій, розташований поза трубопроводом. Кругова решітка ПЕП розташована на деякій відстані від внутрішньої стінки труби, і рідина в трубі, як правило, вода або нафта, забезпечує надійний акустичний контакт. Застосування цього пристрою обмежене, оскільки на практиці довжина звичайного передавального кабелю не може бути більшою за 2000м, а волоконнооптичного - більшою за 1500м. Крім того, згадана конструкція не дозволяє виявити момент пошкодження, незважаючи на те, що вона працює в режимі реального часу [Я. де Раад и др. Контроль и опыт, приобретенные при работе с ультразвуковыми внутритрубными установками. УП Международная конференция "Морская механика и арктическая инженерия", Хьюстон, 1988]. Відомий спосіб визначення місця і розмірів течі в трубопроводі і пристрій для його реалізації. Пристрій для визначення параметрів течі в тр убопроводі містить n вимірювальних каналів, кожний з яких складається з послідовно з'єднаних блока акустичних перетворювачів, блока посилення, вихід якого з'єднаний з першим входом блока фільтрації, блока аналого-цифрового перетворення, а також містить блок керування. У пристрій додатково уведені послідовно з'єднані n-канальний блок ущільнення інформації, мультиплексний канал передачі інформації і блок розущільнення інформації, при цьому n входів n-канального блока ущільнення інформації з'єднані з відповідними виходами n блоків аналого-цифрового перетворення, пристрій також має n-1 канальний блок накопичення й аналізу взаємних спектрів, що має n входів і n-1 виходів, при цьому кожний з n фізичних каналів виходу блока розущільнення інформації з'єднаний з відповідним входом n-1 канального блока накопичення та аналізу взаємних спектрів, крім того, пристрій має n-1 канальний блок виявлення течі, n-1 канальний блок визначення місця течі, n-1 канальний блок визначення розмірів течі, n-1 канальний блок визначення смуги фільтрації, входи яких паралельно з'єднані з відповідними виходами n-1 канального блока накопичення та аналізу взаємних спектрів, а вихід n-1 канального блока визначення смуги фільтрації з'єднаний із другими входами блоків фільтрації, у пристрій також уведено блок формування сигналу тривоги, вхід якого з'єднано з виходом n-1 канального блока виявлення течі, з виходом n-1 канального блока визначення місця течі і з виходом n-1 канального блока визначення розмірів течі, також уведено індикатор місця й розміру течі, вхід якого приєднаний до виходу блока формування сигналу тривоги. Блок керування своїми керуючими виходами та інформаційними входами приєднаний до n-канального блока ущільнення інформації, блока розущільнення інформації, n-1 канального блока накопичення і аналізу взаємних спектрів, n-1 канального блока виявлення течі, n-1 канального блока визначення місця течі, n-1 канального блока визначення розмірів течі, n-1 канального блока визначення смуги фільтрації, блока формування сигналу тривоги та індикатора місця і розміру течі. Основним недоліком згаданого пристрою є невисока точність, низька перешкодостійкість, а також відсутність можливості попередження несанкціонованого доступу до тр убопроводу [патент RU №2221230, МПК G01M3/24, F17D5/02]. Відомий багатоканальний пристрій для визначення витоків акустичним методом, у якому кожний перетворювач сигналів виконаний у вигляді послідовно з'єднаних смугового фільтра і бінарного квантувача, елемент перебудови затримки - у вигляді підключених входами до виходів комутатора, блока початкової затримки і блока тимчасової затримки, підключеного до виходу останнього цифрового фільтра. Схема формування задавальних сигналів виконана у вигляді послідовно включених задатчика частоти, генератора імпульсів, електронного ключа та лічильника імпульсів, вихід якого з'єднаний із входом блока керування. Вхід індикатора відстані підключений до виходу блока керування, з'єднаного іншим виходом із другим входом блока тимчасової затримки. Другі входи смугових фільтрів підключені до виходу задатчика частоти. Вихід блока фіксації екстремуму підключений до други х входів індикаторів рівня і відстані. Вхід порогового блока, вхід блока фіксації екстремуму і перший вхід індикатора рівня підключені до виходу одного з бінарних квантувачів, др угий вхід - до виходу дискримінатора часового зсуву, підключеного до другого входу ключа. До недоліків пристрою слід віднести неможливість попередження несанкціонованого доступу до трубопроводу. Відомі системи охорони магістральних нафтогазопроводів, що забезпечують комплексний захист тр убопроводів від несанкціонованого доступу. 5 35494 6 Зокрема, пропонується використовувати повідомГеофонна система фірми «Magal» дозволяє лювач «Гюрза» із приєднаними одним кабелем відмовитися від прокладки кабелів і забезпечує механічними сенсорами (датчиками) поздовжньої локалізацію вторгнення із прийнятною точністю до хвилі або сенсорами СПК-1. На 500м нафтопрово300м. Згадана система досить ефективна для труду встановлюється від 5 до 10 сенсорів. Оптимабопроводів середньої протяжності (200-300км), льна довжина ділянки, яка блокується повідомлюрозташованих в освоєних регіонах, де можна орвачем «Гюрза-050», становить 250м. ганізувати сервісне обслуговування модулів, заміІзраїльською компанією «L.B. DeFence» розну батарей живлення і установку ретрансляційних роблено систему охорони газо- і нафтопроводів станцій передачі сигналів. Експлуатація такої сисWave Alert. Робота системи ґрунтується на викоритеми на протяжних болотистих просторах або при станні акустичних датчиків, за допомогою яких глибокому снігу може виявитися малоефективною визначається наявність витоку рідких або газоповнаслідок того, що антени приймача-передавача дібних продуктів. Ак устичні датчики монтуються на тривоги розташовуються практично на рівні землі. фланцях, закріплених на трубопроводі. Вихідні Відома також система охорони нафтопроводу сигнали датчиків оцифровуються і обробляються від несанкціонованого врізання «Магістраль», примісцевими процесорами, розташованими уздовж значена для виявлення пошкоджень магістральних трубопроводу. Процесор дозволяє виділяти сигнанафтогазопроводів при здійсненні несанкціоновали, характерні для витоку продуктів, відфільтроних підключень (врізань). вуючи їх від «регулярних» шумів тр убопроводу, Система видає інформацію на пульт централіпов'язаних з роботою насосів, засувок та іншого зованої охорони про час і місце пошкодження трутехнологічного устатк ування. Кореляційна обробка бопроводу, а також інформацію про технічний стан сигналів від пари датчиків дозволяє розділяти сигелементів системи. Місце ушкодження трубопронали, що приходять із протилежних напрямків, воду визначається з точністю до ±50м. Час реакції ігноруючи шуми від те хнологічного устаткування. системи – менше 2хв. Функціонування системи Виходи місцевих процесорів підключаються до «Магістраль» ґрунтується на постійному моніторивузлового процесора, який зберігає в пам'яті цифнгу параметрів акустичного фону протяжної стінки рові і аналогові дані. Порівнюючи дані від двох трубопроводу, виділенні технологічних і сторонніх сусідніх місцевих процесорів, вузловий процесор шумів та ідентифікації сигналів, що виникають при приймає рішення щодо видачі сигналу про витік на механічному впливі на трубопровід. При такому певній ділянці. Вузловий процесор з'єднаний дупвпливі відбувається збудження акустичних колилексною лінією зв'язку з центральним комп'ютевань у стінці тр убопроводу. Завдяки безперервнором, що виконує функції інтерфейсу оператора. У му контролю характеристик одержуваних сигналів системі передбачені можливості використання у типових режимах експлуатації можуть бути визвичайних кабельних ліній, оптоволоконних ліній явлені механічні впливи на трубопровід і показані або радіоканалів. За даними фірми система відповідні координати. Система «Магістраль» явWave Alert виявляє факт витоку протягом не більляє собою розподілену систему збору даних, поше 1хв. При цьому точність виявлення місця будовану на основі датчиків пошкоджень, розміушкодження становить ±30м. Особливість системи щених на тр убопроводі, і складається з лінійної та Wave Alert полягає в тому, що вона генерує сигнал станційної частин. Лінійна (польова) частина систривоги тільки після появи витоку в тр убопроводі. теми включає базові сегменти і комутаційну апаКомпанія «GPS Standard» розробила систему ратур у. Станційна частина системи забезпечує з волоконно-оптичним сенсорним кабелем, що відображення інформації. Сегмент системи забезкріпиться безпосередньо на трубопровід і забезпечує обслуговування ділянки трубопроводу довпечує виявлення несанкціонованих «врізань». жиною до 10км і включає датчики пошкоджень, Сучасні технології розпізнавання сигналів вимагістральний блок, блок керування. Датчики покористані в системі компанії «Magal», розробленої шкоджень розміщаються безпосередньо на трубоспеціально для охорони підземних нафтопроводів. проводі і реєструють сигнали вібрації. Сигнал з Система PipeGuard являє собою сукупність автовиходу датчика пошкоджень подається в магістраномних сенсорних модулів, які монтуються на глильний блок і далі по кабельній лінії - на блок керубині 50-80см під поверхнею землі, тобто між повевання, з'єднаний з персональним комп'ютером, рхнею землі і трубопроводом, що охороняється. який приймає рішення щодо наявності врізання і Кожний сенсорний модуль містить 4 геофонних визначає його координати, після чого передає відсейсмодатчика, сигнали яких обробляються аналіповідні дані на монітор. Установка датчиків здійсзатором, що знаходиться під землею. Поряд з нюється без порушення цілісності труби і не ствосейсмодатчиками до складу сенсорного модуля рює яких-небудь факторів, що впливають на входять: електронний блок, антена приймальноексплуатаційні характеристики трубопроводу. передавального пристрою і пристрій автотестуВідома система виявлення пошкоджень трування. Геофонні датчики розташовуються уздовж бопроводів «Капкан», яка є найбільш близькою до лінії, перпендикулярної осі трубопроводу. Система пристрою, що заявляється, і обрана як прототип. PipeGuard розпізнає сейсмічні сигнали, характерні Система виявлення пошкоджень трубопроводів для спроб вторгнення в підземний трубопровід (СВПТ) «Капкан» призначена для виявлення порозкриття землі за допомогою лопати, мотики, шкоджень магістральних тр убопроводів, несанкцібурильної установки та ін. У пристрої автотестуонованих врізань і витоків [http://www. securpress. вання системи PipeGuard використовується джеru/issue/Tb/2006_3/articals/l 10.html]. рело імпульсних акустичних сигналів, які реєструСистема містить зональну ЕОМ збору даних і ються сейсмодатчиками даного модуля. керування, підключену своїм входом-виходом до 7 35494 8 контролера обміну із зовнішніми пристроями, М сигналів пошкоджень, який містить акустичний лінійних вимірювальних пристроїв (ЛВП), розтадатчик сигналів ушкодження, підсилювач сигналів шованих уздовж траси трубопроводу із кроком ушкодження, підключений своїм гетеродинним входом до виходу «Частота ге теродина 1» синтеL»300м, кожний з яких має контролер обміну, авзатора частот, а виходом і цифровим керуючим тономне джерело електроживлення, виходи якого входом - відповідно до аналогового входу і цифпідключені до живильних входів активних пристрорового виходу «Керування підсилювачем» процеїв ЛВП, синтезатор тактових і гетеродинних частот, приймальний пристрій акустичних сигналів сора сигналів пошкоджень, при цьому вихід контролера обміну кожного ЛВП підключений до входу пошкоджень, який містить акустичний датчик сигконтролера обміну зональної ЕОМ збору даних і налів ушкодження, підсилювач сигналів ушкокерування, згідно з корисною моделлю в кожне дження, підключений своїм гетеродинним входом ЛВП вводиться електроакустичний перетворювач до виходу «Частота гетеродина 1» синтезатора частот, ви ходом і цифровим керуючим входом приймач акустичної потужності, з'єднаний за допомогою складеного акустичного хвилеводу, утвовідповідно до аналогового входу і цифрового виреного сталевою оболонкою труби й продуктом, ходу «Керування підсилювачем» процесора сигщо заповнює трубу, своїм акустичним входом з налів пошкоджень, при цьому вихід контролера виходом електроакустичного перетворювача - виобміну першого ЛВП підключений до входу контролера обміну зональної ЕОМ збору даних і керупромінювача коливань каналу акустичної потужності, електричним виходом із входом джерела елеквання. Передача даних між лінійними вимірювальтроживлення і синхровходом синтезатора частот, ними пристроями та зональної ЕОМ збору даних пристрій акустичного зв'язку, що містить процесор здійснюється прокладеним у ґрунті магістральним сигналів зв'язку і керування, формувач аналогових кабелем. Для періодичної заміни автономних джерел сигналів повідомлень, що містить цифроаналоговий перетворювач, підключений своїм живлення електронний блок, з'єднаний кабелем з входом до виходу «Цифровий сигнал повідомакустичним датчиком на трубі, встановлюється в лень» процесора сигналів зв'язку й керування, технологічному колодязі обслуговування, що дофільтр нижніх частот, підсилювач потужності капускає втручання в роботу каналу передачі даних з метою блокування, спотворення інформації. Пеналів повідомлень, з'єднані послідовно перший і другий приймально-випромінюючі канали сигналів редача даних по цифровому каналу зв'язку між зв'язку, кожний з яких містить з'єднані послідовно абонентами, які знаходяться на віддалі кількох оборотний електроакустичний перетворювач, з'єдкілометрів один від одного, вимагає регенерації наний за допомогою складеного акустичного хвиімпульсних електричних сигналів апаратурою обміну проміжних вимірювальних пристроїв. При леводу з акустичними перетворювачами інших ЛВП, фільтр-пробку тональної частоти каналу поцьому ви хід з ладу джерела живлення одного з тужності, комутатор сигналів, з'єднаний своїм кевимірювальних пристроїв або механічні ушкоруючим входом з керуючим входом комутатора дження кабелю приводять до часткової або повної сигналів другого приймально-передавального кавідмови охоронної системи. Таким чином, охоронна система не захищена від стороннього впливу як налу і ви ходом команд «Прийом-передача» процесора сигналів зв'язку й керування, входом перена інформаційному, так і на фізичному рівні, і віддаваних сигналів комутатора другого приймальномова охоронної системи в результаті стороннього передавального каналу і ви ходом підсилювача впливу дозволяє організувати несанкціоноване потужності сигналів повідомлень, підсилювач сигпідключення до нього. Основним недоліком прототипу є низька відналів зв'язку, з'єднаний своїм керуючим входом з керуючим входом підсилювача сигналів зв'язку мовостійкість відносно пошкоджень кабелю зв'язку другого приймально-передавального каналу і вита автономних джерел живлення. ходом команд «Керування підсилювачем» процеВ основу корисної моделі покладене завдання сора сигналів зв'язку й керування, своїм гетероудосконалення відомого пристрою контролю стану магістральних трубопроводів, у якому шляхом дединним входом з гетеродинним входом підсилювача сигналів зв'язку другого приймальнояких конструктивних змін забезпечується ефектипередавального каналу і виходом «Частота гетевний прийом (випромінювання) акустичних колиродина 2» синтезатора частот, перший і другий вань для формування хвилеводного акустичного аналогові входи процесора сигналів зв'язку й кеканалу передачі даних з рознесенням у діапазоні частот і розділенням коливань каналів зв'язку і рування, з'єднані з виходами підсилювачів сигналів зв'язку першого й другого приймальнопошкоджень, що дозволяє створити відмовостійку передавального каналу, цифровий вхід-ви хід внусистему моніторингу стан у протяжних об'єктів трішньої магістралі керування з'єднаний з аналогімагістральних тр убопроводів. чними входами-виходами процесора сигналу каПоставлене завдання розв'язується тим, що у відомій системі електроакустичного моніторингу налу пошкоджень і контролера обміну, вхід тактової частоти з'єднаний із входом тактової часстану магістральних трубопроводів, що включає тоти процесора сигналів каналу пошкоджень і визональну ЕОМ збору даних і керування, лінійних ходом «Тактова частота» синтезатора частот, а вимірювальних пристроїв (ЛВП), розташованих вихід акустичного датчика сигналів пошкоджень уздовж траси трубопроводу, кожний з яких має контролер обміну, джерело електроживлення, виз'єднаний із входом підсилювача сигналів пошкоджень через фільтр-пробку, при цьому електроходи якого підключені до живильних входів активакустичні перетворювачі-випромінювачі акустичних пристроїв ЛВП, синтезатор тактових і гетероних коливань, приймачі каналу потужності, динних частот, приймальний пристрій акустичних 9 35494 10 оборотні електроакустичні перетворювачі каналу якого зв'язаний із входом електроакустичного пезв'язку встановлені на складеному акустичному ретворювача-випромінювача акустичних коливань хвилеводі через узгоджувальний акустичний хви7, установленого на трубі 3. левід під кутом до його поверхні, більшим від криБлок збору даних і керування 1 містить зонатичного. льну ЕОМ 8, підключену своїм входом-виходом до Крім того, система обладнана пристроєм наконтролера обміну із зовнішніми пристроями 9. качки акустичної потужності, який містить з'єднані Кожний із блоків 2 ЛВП містить контролер обпослідовно задавальний генератор тонального міну 10, джерело електроживлення 11, виходи сигналу стабільної частоти і підсилювач потужносякого підключені до живильних входів активних ті, вхід якого зв'язаний із входом електроакустичпристроїв ЛВП, синтезатор тактових і гетеродинного перетворювача-випромінювача акустичної них частот 12, приймальний пристрій акустичних потужності. сигналів каналу пошкоджень 13, що містить акусКрім того, узгоджувальний акустичний хвилетичний датчик сигналів пошкоджень 14, підсилювід виконаний з оргскла. вач сигналів пошкоджень 15, підключений своїм Корисна модель ілюструється графічними магетеродинним входом до виходу «Частота гетеротеріалами, де на Фіг.1 наведено структурну схема дина 1» синтезатора частот 12, виходом і цифросистеми електроакустичного моніторингу стану вим керуючим входом відповідно до аналогового магістральних тр убопроводів, на Фіг.2 - структурну входу і цифрового ви ходу «Керування підсилювасхему лінійно-вимірювального пристрою 2, на Фіг.3 чем» процесора каналів пошкоджень 16, при цьо- амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) прему ви хід контролера обміну 10 першого ЛВП підселектора підсилювача сигналів ушкодження 15, ключений до входу контролера обміну 9 зональної на Фіг.4 - АЧХ фільтра проміжної частоти підсилюЕОМ збору даних і керування 8. Електроакустичвача сигналів ушкодження 15, на Фіг.5 - граф цифний перетворювач-приймач акустичної потужності рової обробки в процесорі сигналів пошкоджень, 17, з'єднаний своїм акустичним входом за допомона Фіг.6 - АЧХ преселектора підсилювача сигналів гою складеного акустичного хвилеводу 3 з ви хозв'язку 32(33), на Фіг.7 - АЧХ фільтра проміжної дом випромінювача потужних акустичних коливань частоти підсилювача сигналів зв'язку 32(33), на 7, електричним виходом із входом джерела електФіг.8 - граф цифрової обробки в процесорі сигнароживлення 11 і синхровходом синтезатора частот лів зв'язку й керування 19, де: 12, пристрій акустичного зв'язку 18, що включає H1вч(f) - АЧХ преселектора підсилювача сигпроцесор сигналів зв'язку і керування 19, формуналів пошкоджень 15; вач аналогових сигналів повідомлень 20, що місH1пч(f) - АЧХ фільтра проміжної частоти підситить цифро-аналоговий перетворювач 21, підклюлювача сигналів пошкоджень 15; чений своїм входом до виходу «Цифровий сигнал F1гтн- частота гетеродину підсилювача сигнаповідомлень» процесора каналів зв'язку і керуванлів пошкоджень 15; ня 19, фільтр нижніх частот 22, підсилювач потужDf1вч - смуга преселектора підсилювача сигнаності сигналів повідомлень 23, з'єднані послідовно, лів пошкоджень 15; перший і другий приймально-випромінювальні Df1пч - смуга фільтра проміжної частоти підсиканали сигналів зв'язку 24, 25, кожний з яких міслювача сигналів пошкоджень 15; тить оборотний електроакустичний перетворювач H2вч(f) - АЧХ преселектора підсилювача сиг26, 27 відповідно, з'єднаний за допомогою складеналів зв'язку 32(33); ного акустичного хвилеводу 3 з акустичними переH2пч(f) - АЧХ фільтра проміжної частоти підситворювачами інших ЛВП; фільтр-пробку тональної лювача зв'язку 32(33); частоти каналу потужності 28, 29 відповідно, комуDf2пч - смуга фільтра проміжної частоти підситатор сигналів 30, з'єднаний своїм керуючим вхолювача зв'язку 32(33); дом з керуючим входом комутатора сигналів 31 Fввч - верхня гранична частота преселектора; другого приймально-передавального каналу і виfнвч - нижня гранична частота преселектора; ходом команд «Прийом-передача» процесора сигfвпч - верхня гранична частота фільтра проміжналів зв'язку й керування 19, входом передаваних ної частоти; сигналів із входом передаваних сигналів комутаfнпч - нижня гранична частота фільтра проміжтора 31 другого приймально-передавального каної частоти; налу і виходом підсилювача потужності сигналів fо - частота накачки акустичного каналу живповідомлень 23, підсилювач сигналів зв'язку 32, лення; з'єднаний своїм керуючим входом з керуючим вхоFд - частота дискретизації; дом підсилювача сигналу зв'язку 33 другого приЛВП - лінійно-вимірювальний пристрій. ймально-передавального каналу і виходом команд Система моніторингу містить блок збору даних «Керування підсилювачем» процесора сигналів і керування 1, М блоків лінійних вимірювальних зв'язку й керування 19, своїм гетеродинним входом з гетеродинним входом підсилювача сигналів пристроїв (ЛВП) 2, установлених із кроком Dх (м) зв'язку 32 другого приймально-передавального на трубі 3 - складеному хвилеводі акустичного каналу і виходом «Частота гетеродина 2» синтезаканалу передачі даних і підведення живлення, тора частот 12, перший і другий аналогові входи утвореного сталевою оболонкою труби та продукпроцесора сигналів зв'язку й керування 19 з'єднані том, що заповнює трубу. У деяких випадках система може мати пристрій накачки акустичної потуз виходами підсилювачів сигналів зв'язку 32, 33 першого і другого приймально-передавального жності 4, що містить послідовно з'єднані каналу відповідно, цифровий вхід-вихід внутрізадавальний генератор тонального сигналу стабішньою магістраллю керування з'єднаний з аналольної частоти 5, підсилювач потужності 6, вихід 11 35494 12 гічними входами-виходами процесора сигналів - накопичення N продетектованих відліків каналу пошкоджень 16 і контролера обміну 10, вхід |Uпвр(n)| у стрибаючому часовому вікні (стробі) тактової частоти з'єднаний із входом тактової частривалістю Т = N×Dt з перекриттям dT = DN×Dt: тоти процесора сигналів каналу пошкоджень 16 і N виходом «Тактова частота» синтезатора частот Y(k ) = N -1 å Uпвр [(k - 1)DN + n] - ви хідний відлік 12, при цьому вихід акустичного датчика сигналів n -1 пошкоджень 14 з'єднаний із входом підсилювача некогерентного накопичувача k-ому часовому вікні; сигналів пошкоджень 15 через фільтр-пробку 34. Тш=1с; dТш = 0,0625с; Nш = 4096; DNш = 256 - у При цьому п'єзоелектричні перетворювачі 7, 17, шумовому каналі обробки; 26, 27, 14 установлюються на трубі 3 через акусТуд = 15,6мс; dТ уд = 1,95мс; Nуд = 64; DNуд = 8 тичний узгоджувальний хвилевід з оргскла похило, в ударному каналі обробки; під кутом до поверхні труби, більшим від критичноk = 1, 2,...- номер часового вікна. го. - обчислення оцінки середнього значення пеСистема моніторингу функціонує у дво х режирешкоди s[J(k)] на множині Q незалежних вихідних мах: «Самоконтроль» і «Акустичний моніторинг». У відліків накопичувача {Y(j)} у часових вікнах, що не режимі функціонування «Акустичний моніторинг» перекриваються: пристрій акустичного зв'язку 18 і приймальний Q -1 пристрій сигналів каналу пошкоджень 13 працюs[J(k )] = Q - 1 å Y[J(k ) - Q + j]; J(k ) = entire k/N; ють одночасно. j-1 Приймальний пристрій акустичних сигналів entire k/N - ціла частина k/N; Qш - 64; Q уд = 64; пошкоджень працює в такий спосіб. У режимі - обчислення оцінки середньоквадратичного «Акустичний моніторинг» сигнал з виходу акустичного датчика сигналів пошкоджень 14 приймальнозначення перешкоди s[J(k )] на множині Q незалего пристрою 13 через фільтр-пробку 34 (паралежних ви хідних відліків накопичувача {Y(j)} у часольний LC контур із частотою резонансу f0 »200Гц, вих вікнах, що не перекриваються: що ослаблює сигнал накачки акустичної потужнос1 ті частоти f0 не менш ніж на 50дБ) надходить на ì ü2 Q -1 ï ï вхід супергетеродинного підсилювача сигналів s[J (k )] = íQ -1 å {Y[J(k ) - Q + j ] 2 - s[J(k )]2 ý ; } пошкоджень 15, який виконує підсилення сигналів ï ï j =0 î þ на несучій і проміжній частоті 70дБ, формування - центрування відліку накопиченого сигналу колами частотної селекції смуги прийому Y(k) в k-му часовому вікні обробки: Df1вч=(500-2500)Гц на центральній частоті пре ˆ Y(k ) ® Y0 (k ) = Y(k ) - s[J(k )]; селектора f1пр=1500Гц і перетворення сформованої смуги в область частот, що примикає до нуля, - обчислення адаптивного порога П(k) у k-му Df1упч=(50-1000)Гц із переламуванням спектра часовому вікні обробки: частот відносно частоти гетеродина F1гтн=f1пр. СиП(k ) = П 0 × s[J(k )]; П0 - поріг для нормованого гнал гетеродина на вхід перетворення підсилювана о нормального процесу. ча сигналів пошкоджень 15 надходить із виходу - порогова обробка центрованих відліків нако«Частота гетеродина 1» синтезатора тактових і ˆ пиченого сигналу Y0 (k ) і формування сигнатури гетеродинних частот 12. Сигнал, прийнятий по акустичному каналу акустичним приймачем потуознак {e(k )} - результатів порогової обробки в 3-х жності 17, однакової для всіх ЛВП частоти суміжних часових вікнах обробки: fо=(200±0,1)Гц, який надійшов на синхровхід синˆ тезатора гетеродинних і тактових частот 12, за1 if Y0 (k ) ³ П k ) (; e (k ) = безпечує формування стабілізованих, ідентичних ˆ 0 if Y0 (k ) < П k ) ( частот у всіх ЛВП. За наявності пристрою накачки акустичної по{e(k ), e(k + 1), e(k + 2)}; тужності загальне заглушення сигналу акустичної - обчислення суми на сигнатурі ознак {e(k)}, накачки fo в приймальному пристрої 13 забезпечуперевірка умови «2 з 3» і прийняття рішення E(k): ється фільтр-пробкою 34 і колами частотної селе1 if å e(k - i + 1) ³ 2 - є перев ищенн я порога кції підсилювача сигналів пошкоджень 15 не менi E(k ) = ше 120дБ (Фіг.3). 0 if å e(k - i + 1) < 2 - немаєперев іщенняпоро га Вихідний безперервний низькочастотний сигi нал підсилювача 15 Uпвр(t) із граничною верхньою де і=0, 1, 2; k³2; частотою fвгр=1000Гц надходить на вхід процесора - при виконанні умови E(k)=1 нормування найсигналів пошкоджень 16, дискретизується із частоˆ більшого з відліків Y(k ) , що перевищили поріг в 3тою Fд = 4096Гц: х суміжних часових вікнах обробки, і видача норUпвр(t)®Uпвр(n); n=entire (t/Dt); Dt=1/Fд; entire (t/Dt) – ціла частина t/Dt ˆ мованого відліку Y(k ) від процесора сигналів поі обробляється за алгоритмом некогерентного шкоджень 16 по внутрішній магістралі в процесор прийому шумових сигналів, породжуваних, наприсигналів акустичного зв'язку і керування 19 приклад, свердлінням труби, і сигналів ударного збустрою акустичного зв'язку 18: дження від імпульсного впливу на стінку труби, ˆ ˆ ˆ Y(k ) ® Y0 (k ) = Y (k) / s[J(k )]; наприклад, пробійником, що включає: Пристрій акустичного зв'язку в режимі приймання даних працює в такий спосіб: 13 35494 14 Дані в акустичному каналі зв'язку передаються динних частот 12. Загальне заглушення тональнокодованими тричастотними посилками тривалістю го сигналу акустичної накачки забезпечується фільтром-пробкою 28 (29) і колами частотної сеt = 1с. Кожна тричастотна акустична посилка міслекції підсилювача сигналів зв'язку 32 (33) не метить: нше ніж 120дБ (Фіг.4). - номер (адреса) ЛВП - одержувача повідомВихідний безперервний низькочастотний сиглення (сигнал-виклик); нал підсилювача сигналів зв'язку 32 (33) U свз(t) із - номер первинного відправника повідомлення - ЛВП, який першим зареєстрував на своїй ділянці граничною верхньою частотою fвпч=1500Гц надходить на вхід процесора сигналів зв'язку і керуванподію - перевищення порога в каналі пошкоджень, ня 19, дискретизується із частотою Fд=4096Гц: або номер сусіднього ЛВП - відправника квитанціїпідтвердження, або ознаку зональної ЕОМ збору Uсве(t)®Uсве(n); n=entire (t/Dt); Dt=1/Fд; entire даних і керування; (t/Dt) – ціла частина t/Dt - рівень нормованого сигналу, що перевищив і обробляється алгоритмом узгодженого прийому тональних сигналів, що включає: ˆ поріг Y0 (k ) з ознакою «шумовий-ударний» при - обчислення амплітудного спектра {Gk,l} з передачі від ЛВП до зональної ЕОМ збору даних і розрізненням df=1Гц, методом БПФ у часовому керування, або команду на режим роботи при пестрибаючому вікні перекриттям dN, N=1:16: редачі від зональної ЕОМ до ЛВП. Для кодування використовуються К=256 частот, розміщених у смузі DF2свз=(4000-5000)Гц із кроком 4df×df=1/d=1Гц. Номери ЛВП і ознака зональної ЕОМ у межах зони кодуються 32-ма частотами. Номери ЛВП, пропущених у процесі ретрансляції, кодуються 32ма частотами. Номера команд+квитанція кодуються 32-ма частотами. Для передачі рівня сигналів використовуються 128 частот. Після включення живлення процесор 19 пристрою акустичного зв'язку 18 установлює на керуючих входах комутаторів 30, 31 першого і другого приймально-передавальних каналів 24 (25) команду «Прийом». При цьому сигнали з виходу оборотного електроакустичного перетворювача 26 (27) через фільтр-пробку 28 (29), що ослаблює сигнал на частоті акустичного каналу потужності f0=200Гц не менш ніж на 50дБ, комутатор 30 (31) проходять на вхід підсилювача сигналів зв'язку 32 (33) у першому і другому приймальнопередавальних каналах 24 (25), при цьому вихід підсилювача потужності 23 формувача аналогових сигналів повідомлень 20 комутатором 30 (31) відключено від фільтра-пробки 28 (29), з'єднаної з оборотним електроакустичним перетворювачем 26 (27), у першому і другому приймальнопередавальних каналах 24(25). Супергетеродинні підсилювачі сигналів зв'язку 32 (33) у першому і другому приймальнопередавальних каналах 24 (25) здійснюють посилення сигналів на несучій і проміжній частоті 70дБ, формування ланцюгами частотної селекції смуги прийому DFувч=(4000-5000)Гц на центральній частоті преселектора f2пр=4500Гц і перетворення сформованої смуги в область частот DF упч=(5001500)Гц із частотою гетеродина fгтн=3500Гц. Сигнал гетеродина на вхід перетворення підсилювача сигналів зв'язку 32 (33) надходить із виходу «Частота гетеродина 2» синтезатора тактових і гетеро Õ e(k, lp ) = 1 N- 1 å Uсве [(k - 1)dN + n ]exp (- j2pln / N) , n=0 де k=entire (n/dN); entire (n/dN) – ціла частина n/dN; l=0, 1... N-1; N=4096; k=1, 2,... - номер часового вікна. - виділення в амплітудному спектрі G k, l інs k, l = { } { { { { } ( ) } } } } é 1500 ù ˆ ˆ ˆ ˆ s k = ê å Gk - G k,l1 + G k,l 2 + Gk, l3 ú / 997 ; êl = 500 ú ë û - обчислення адаптивного порога в k-му часовому вікні: Пk = s k × П 0 ; П0 - поріг нормованого на о нормального процесу; ˆ - порогова обробка масиву відліків Gk, l p і формування сигнатур ознак {e(k, lp)} - результатів порогової обробки в k-му часовому вікні: ˆ 1 if G k, lp ³ Пk e k.l p = ; ˆ 0 if G k, lp >Uелш=0,01мВ. 17 35494 18 Потужність перешкоди Wп на вході підсилювача при вхідному опорі rвх дорівнює Wп = é(Uакш )2 + (Uелш )2 ê ë = ù / rв х (Uакш )2 é1 + æ (Uелш )2 / (Uакш )2 ö ù / rв х » (Uакш )2 / rв х ; ÷ú ê ç ú û øû ë è (7) У приймально-випромінювальному каналі сигналів зв'язку 24(25) для набору параметрів a(fоп)=4,94 незмін./м - стала згасання поздовжніх хвиль у сталі на опорній частоті; fоп =10 МГц [5,с.72]; fc=4,5×103Гц - середня частота каналу зв'язку; woc=2×10-1Вт - акустична потужність джерела повідомлень; DSс=(5-10-2)2м 2 - ефективна площа акустичного приймача каналу зв'язку; kc=0,5 - коефіцієнт акустоелектричного перетворення акустичного приймача; L=1м; Dcp=0,75м - середній діаметр оболонки; rвх=30×103Ом - вхідний опір підсилювача; Uакш=0,1В; х=1,5×103м; b=1/pDcpL; b=0,424; 2 2a (fc ) = 2a(fоп ) fсв = 2 × 4,94 × 4,5 × 10 3 / æ103 ö × 10 = 4,446 × 10 -3 ; ç ÷ è ø 3 exp[- 2a(fсв) x] = expé- 4, 446 × 10-3 × 1,5 × 103 ù = exp(- 6,669) » 1,27 × 10-3 ê ú ë û 1 é 2 ù2 Uc = ê 2 × 10-1 × 127 × 10- 3 æ 5 × 10 - 2 ö 5 × 10-1 × 30 × 103 / 3 × 2,356 × 1ú ; , ç ÷ è ø ê ú ë û 1 é 2ù 2 Uc = ê13,476 æ10 -2 ö ú = 0,0367B ç ÷ è ø ú ê ë û і відношення сигнал/перешкода на вході приймача qвх на відстані х=1500м від джерела становить 1 q вх = U c / U акш = [W c × rвх ] 2 / U акш » 0,367 . Узгоджена обробка тонального сигналу тривалістю t збільшує вхідне відношення сигнал/перешкода qвх в ~(Df×t)1/2 разів. 1 q вих » q вх (Df × t ) 2 (8) Для Df=1000Гц; t=0,5с; (Df×t)1/2»22,4; q0»qвих»8,22; q 0 - параметр виявлення. Якісними характеристиками приймального пристрою є ймовірність помилкової реєстрації одиничного частотного елемента (тонального сигналу тривалістю t) F і ймовірність правильної реєстрації одиничного елемента D. При невідомій фазі сигналу когерентний приймач обчислює обвідну згортки копії сигналу з реалізацією процесу тривалістю Т у ковзному часовому вікні і порівнює з порогом, який визначає чисельні значення F і D [3. Финкельштейн М.И. Основи радиолокации, с.238, Москва, Радио и связь, 1983]. Щільність імовірності обвідної вихідного процесу кореляційного приймача з невідомою фазою на вході порогової схеми описується розподілом Релея і узагальненим розподілом Релея за відсутності та за наявності сигналу в прийнятій реалізації. Для процесу з релеєвським розподілом нормований поріг V0, імовірності D і D розраховува лися за формулами [3. Финкельштейн М.И. Основи радиолокации, с.246, Москва, Радио и связь, 1983] 1 V0 = [21 (1 / F)] 2 ; (9) n V0 V expé - æ V 2 + q2 ö / 2ù I 0 (q0 V ) dV , (10) ê ç 0÷ ú ø û ë è 0 де I0 (t) - модифікована функція Бесселя 1 -го роду. D i = 1 - D i . (11) При q0=8,22, F=0,000001 (одна помилка за ~28 годин при потоці 10відліків/с на вході порогового пристрою) із (9), (10), (11) отримані значення Di = ò V 0 = 5,257 ; D i » 113 × 10 -13 ; , D i » 9,9988 × 10 -1 ; Рішення про наявність сигналу в прийнятій реалізації приймається за умови одночасної появи 3х незалежних подій - виявлення тричастотних елементів з імовірностями Di. Імовірність складної події D при цьому буде D = Õ Di » 0,996. i Таким чином, дальність виявлення сигналів в акустичному каналі зв'язку з імовірністю D»0,996 при зазначених значеннях перешкоди (Uакш»0,1В), потужності випромінюваного сигналу (woc=0,2Вт), сталої ослаблення в сталі на середній частоті (a(fсв=4,5кГц)=2,223 × 10-1) тривалості сигналу, що обробляється когерентно (t=0,5с), складає не менше ніж 1500м. 19 35494 20 Сталість характеристик пружної оболонки труwп хм ³ Dw пk - 1S / DS би (щільність r, модуль Юнга, коефіцієнт Пуассона, геометричні параметри Dcp, h) на великих чаде: kп - коефіцієнт акустоелектричного пересових інтервалах забезпечує стаціонарність творення приймачами акустичної потужності; акустичного каналу зв'язку, що дозволяє реалізуwп (хм ) - потік енергії на максимальному віддавати когерентну обробку сигналів тривалістю Т=(2ленні хм =10000м від джерела накачки; 4) с і на цій основі збільшити дальність надійного Dwп (хм ) - потужність, що знімається на максиприймання без ретрансляції або знизити вимоги мальному віддаленні хм =10000м від джерела надо енергетичного потенціалу каналу зв'язку при качки; заданій якості виявлення. DSп - ефективна площа приймача акустичної Живлення ЛВП при акустичному підведенні потужності. потужності виконується в такий спосіб. За відсутності внутрішніх втрат у хвилеводі За наявності пристрою накачки акустичної подля компенсації дискретного зняття потужності тужності 4 у всіх режимах функціонування електDwп у N=20 приймачах, розташованих на трубі із ронна апаратура ЛВП одержує необхідну для рокроком ~500м, на вході хвилевода достатньо було боти енергію по складеному акустичному б забезпечити підведення потужності W0: хвилеводу 3 від пристрою накачки акустичної поW0 ³ w п (x 0 )/ b = [w п (х м ) + (N - 1)Dwп ] / b; тужності 4. Високостабільний задавальний генератор сигналу 5 формує безперервний тональний w п ( x 0 ) = w п (х м ) + (N - 1)Dw п . сигнал частотою f0=(200,0±0,1)Гц напругою U0»3В, Для набору параметрів: Dwп=3Вт; k п=0,5; який через підсилювач потужності 6, що розвиває DS/S»0,5; напругу Uвзб »50В на узгодженому з вихідним опоw п ( хм ) ³ 12 ВТ; W0 ³ 163 ВТ. ром підсилювача навантаженні RН»50Ом резонанАкустичний приймач каналу живлення 17 з аксного випромінювача 7 збуджує в складеному акутивною поверхнею DS виконується у вигляді решістичному хвилеводі 3 акустичні коливання на частоті накачки. У кожному ЛВП електроакустичтки Dn перетворювачів площею DS/Dn кожний. Поний перетворювач-приймач акустичної потужності тужність, що знімається складеним акустичним 17 перетворює енергію акустичних коливань в приймачем на n-й ділянці трубопроводу, регулюенергію електричних коливань напругою Uаке»(3ється використанням змінного числа sn(q) пере5)В. Джерело вторинного електроживлення 11, творювачів і відповідним їхнім включенням. підключене своїм входом до виходу акустичного У межах n-ї ділянки внаслідок внутрішнього приймача потужності 17, формує ви хідні стабілізопоглинання в стінці труби потік енергії змінюється вані напруги U=9B, потрібні для споживачів ЛВП. за експонентним законом (3) і на границі ділянки зменшується стрибком на величину зняття потуж Потужність Dwп, що знімається із пружної оболонки труби приймачами акустичної потужності 17 ності Dw. каналу живлення, однакова для всіх ЛВП і дорівнює ( ) Dw п = Dw п (х м ) £ k п w п (х м )DSп / S ; ˆ Wn = Wn-1exp(- gDx ) - Dwп ; (12) g = 2a (fп ) = 2a (fоп )fп / fоп ; ˆ W1 = W0 exp(- gD x) - Dwп ; ˆ ˆ W2 = W1 exp(- gDx) - Dw п = W0 exp(- g2 x) - [1 + exp(- gDx )]Dw п ; ˆ ˆ ˆ W3 = W2 exp (- gDx ) - D wп = W0 exp (- g3x ) - [1 + exp (- gDx ) + exp (- g2Dx )]Dw п ; é n-1 ù ˆ ˆ Wп = Wn -1 exp(- gDx ) - Dw п = W0 exp(- gn Dx ) - ê1+ å exp(- gnDx )ú Dw п ; ê n =1 ú ë û exp (- gnDx ) - 1 exp(- gDx ) - 1 n =1 членів геометричної прогресії; ˆ ˆ WN = W 0 exp(- gND x) - x NDw ; xn = 1+ n -1 å exp(- gnDx ) = exp(-gNDx ) - 1 . exp(- gDx ) - 1 Для виконання вимоги xN = - сумма ˆ WN = w п (x 0 ) / b - Dw п необхідно забезпечити на вході хвилеводу поˆ тужність W0 : 21 35494 ( 22 ) ˆ ˆ W0 ³ WN + Dw xN exp (gN Dx) = [w / b + Dw (x N - 1)]exp (gN Dx) . (13) На частоті накачки fн = 200Гц для х = 104м, Dх = 500м; N= 20; g = 2a (fн) = 2 × 4,94 × 200 / 107 = 1,976 × 10-4; exp(gx) - exp(1,976 × 10-4 × 104) = exp (1,976) = 7,21; ехр(-gDх) = e xp (-1,976 × 10-4 × 500) = e xp (0,0988) = 0,906; exp(-gNDx) = exp(-g x) = e xp (-1,976) = 0,139 ; xN = (1-0,139) / (1-0,906) = 0,861 / 0,09094 = 9,47; ˆ W0 (fn ) ³ [w / b + Dw( xN - 1)] exp(gNDx ) = [12 + 3(9,47 - 1)]7,21 = 269,7Вт ; ˆ W0 (fn ) ³ 269,7 Вт при D S / S » 0,5. Сучасні п'єзоактивні матеріали у відсутність кавітаційних обмеженьза рахунок застосування конструктивних засобів (робота випромінювача накачки в середовищі з надлишковим тиском) у режимі тривалого випромінювання дозволяють знімати ~0,3 Вт/см 2 акустичної потужності [4. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны, с.144, Ленинград, 1980]. Потрібне знаˆ чення потужності накачки W0 (f н ) » 300Вт може бути отримане від акустичного перетворювача активною площею Sвипр » 32×32см 2. При використанні магнітострикційних перетворювачів з великою механічною міцністю і щільністю потужності, що знімається, ~ (1-1,5) Вт/см 2 активна площа випромінювача складе Sвипр»17 × 17см 2. Числовою характеристикою відмовостійкості охоронної системи є ймовірність відмови p(відм.охор) за час DТ через несправність її компонентів. Автономне джерело первинного живлення кожного ЛВП в пристрої-прототипі являє собою на копичувач енергії - акумулятор з обмеженим строком дії і ймовірністю відмови Р за час DТ. Пошкодження кабелю або окремого ЛВП через вихід з ладу акумулятора в пристрої-прототипі ведуть до відмови охоронного пристрою. Подія - відмова n-го акумулятора і, як наслідок, ЛВП за час DТ з імовірністю Р і протилежна подія - відсутність відмови за той же час з імовірністю Q утворять повну груп у подій з імовірністю cn=1 [5. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика, с. 34, Москва, Высшая школа, 1977]: cn=P+Q=1; n=1, 2...N. (14) У системі з N автономних джерел відмова або відсутність відмови окремих джерел за час DТ утворять повну груп у незалежних подій з імовірністю x: N N N n= 1 c= n =1 n =1 n Õ cn = (P + Q)N = å CNPN-n+1Qn -1 = åCn PN-n +1QN = 1; N Cn - біноміальний коефіцієнт у розкладанні N (15). Cn PN - n+ 1Q n- 1 - імовірність N - n +1 відмов у N системі N автономних джерел живлення за час DТ. N p(відм. авт. живл) = å Cn PN- n +1Q n- 1; (16) N n=1 p (відм. авт. ж ивл) - імовірність всіх відмов у системі N автономних джерел за час DТ; QN - імовірність відсутності відмов у системі N автономних джерел за час DТ: p (відм. авт . живл) = 1 - Q N = 1 - (1- P )N ; Для P