Пристрій для виявлення дефектів у трубопроводах підземних теплових мереж

Реферат: Пристрій для виявлення дефектів у трубопроводах підземних теплових мереж належить до теплоенергетики і може бути використаний для визначення місць дефектів у тепломережах безканальної прокладки з трубопроводами в пінополіуретановій ізоляції. Використання пристрою дозволяє виявляти дефекти тіла трубопроводу та його ізоляції у теплових мережах безканальної прокладки з трубопроводами в умовах дії значних акустичних і електромагнітних завад. UA 72203 U (12) UA 72203 U UA 72203 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі теплоенергетики і може бути використана для визначення місць дефектів у тепломережах безканальної прокладки з трубопроводами в пінополіуретановій ізоляції. Відомий пристрій для виявлення витоків у підземних теплових мережах [Устройство для обнаружения утечек в подземных теплотрассах: Патент Російської Федерації № 2047815, МПК F17D 5/02 / Виглин Н.А., Пензев В.П.], який складається з двох давачів, кожен з яких містить термоперетворювач, двох мостових компенсаторів, джерела опорного сигналу, двох підсилювачів постійного струму, двох індикаторів, електроакустичного перетворювача, частотного фільтра, підсилювача низької частоти, навушників, випрямляча та комутатора режимів роботи. У цьому пристрої для підвищення захищеності від звукових завад застосовано частотний фільтр, а для швидкого визначення зон витоків використано два термоперетворювачі і джерело опорного сигналу. Недоліком пристрою для виявлення витоків у підземних теплових мережах є низька імовірність визначення траси підземного трубопроводу за даними тільки температурних вимірювань та неможливість виявлення дефектів його ізоляції. Крім того через значну відстань між точками вимірювання температури (5-10 м) пристрій має низьку чутливість. Найближчим аналогом до корисної моделі за принципом дії є трасошукач підземних комунікацій [Трассоискатель подземных коммуникаций Патент Російської Федерації № 2206106, МКВ G01V 3/12 / Кармазинов Ф.В., Прядкин Е.И., Рыбкин Л.В., Дикарев В.И.], який складається з генератора тональних імпульсів та приймача. Генератор тональних імпульсів містить задавальний каскад, маніпулятор, буферний каскад, підсилювач потужності, вузол узгодження з лінією, вимірювальну схему і блок живлення. Приймач містить приймальну антену, активний вузькосмуговий переналаштовуваний фільтр зосередженої селекції, вихідний підсилювач, акустичний давач, ежекторний фільтр, широкосмуговий підсилювач низької частоти, фільтр низької частоти, акустичний індикатор, вузол живлення, індикатор розряду батареї живлення, амплітудний детектор, лінію затримки, блок віднімання, блок інтегрування, блок ділення, блок формування еталонної напруги, блок порівняння та ключ. Підвищення завадостійкості і надійності вимірювань цього трасошукача в умовах сильних завад природного та штучного походження здійснюється за рахунок того, що у кожній точці спостереження здійснюється не менше двох послідовних вимірювань напруженості електромагнітного поля з визначенням різницевого сигналу, інтегруванням цього сигналу, діленням різницевого сигналу на про інтегрований різницевий сигнал і порівнянням отриманого значення з заданим пороговим значенням. Недоліком трасошукача підземних комунікацій є його низька чутливість через наявність тільки одного акустичного давача, неможливість виявлення дефектів ізоляції трубопроводу та значні шуми приймача, зумовлені послідовним приєднанням кількох різноманітних фільтрів. В даний час заміна старих підземних теплових мереж здійснюється тільки трубопроводами в пінополіуретановій (ППУ) ізоляції. Спорудження нових теплових мереж з такими трубопроводами проводиться, в основному, безканальним способом. Внаслідок того, що трубопроводи в ППУ ізоляції мають набагато вищі термо-, акусто- та електроізолюючі властивості, ніж трубопроводи старих тепломереж з мінераловатною ізоляцією, виявити їхні дефекти існуючими пристроями доволі складно. Особливо складним є виявлення пошкоджень теплової та гідроізоляції, внаслідок яких стрімко розвиваються корозійні процеси на значній площі трубопроводу, що може призвести до виникнення аварійних ситуацій. Тому питання виявлення дефектів трубопроводів з ППУ ізоляцією є дуже важливим. В основу корисної моделі поставлена задача створити пристрій, який би мав змогу виявляти дефекти тіла трубопроводу та його ізоляції у теплових мережах безканальної прокладки з трубопроводами в ППУ ізоляції в умовах дії значних акустичних і електромагнітних завад. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрій для виявлення дефектів у трубопроводах підземних теплових мереж, який складається з генератора тональних імпульсів, що містить підсилювач потужності та вузол узгодження з лінією, і приймача, що містить приймальну антену, акустичний давач і вихідний підсилювач, генератор тональних імпульсів додатково містить приймально-передавальний пристрій, блок вибору режиму роботи, малопотужний і потужний електронні ключі, блок вимірювання початкової фази електромагнітного сигналу, клему для приєднання до трубопроводу, п'єзоелемент, мікрофон та мікрофонний підсилювач, приймач додатково містить ще один акустичний давач з вузькою діаграмою направленості і ще один вихідний підсилювач, диференційний підсилювач з розгалужувачем сигналу, входи якого приєднано до виходів вихідних підсилювачів, блок вибору режиму вимірювань, виходи якого приєднано до двох електронних ключів та мікропроцесорного модуля з цифровим індикатором, блок керування генератором, генератор фіксованих частот, 1 UA 72203 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 приймально-передавальний пристрій, фазометр, вхід якого приєднано до виходу приймальнопередавального пристрою, а вихід - до мікропроцесорного модуля, підсилювач змінної напруги з розгалужувачем сигналу, вихід якого приєднано до підсилювача потужності низької частоти та навушників, амплітудний випрямляч, вхід якого приєднано до виходу другого електронного ключа, а вихід - до мікропроцесорного модуля. Структурна схема генератора тональних імпульсів наведена на фіг. 1, структурна схема приймача наведена на фіг. 2, методика проведення вимірювань наведена на фіг. 3. Генератор тональних імпульсів містить приймально-передавальний пристрій 1, вихід якого приєднано до блока вибору режиму роботи 2 та підсилювача потужності 3, виходи блока вибору режиму роботи 2 з'єднано з малопотужним електронним ключем 4 та потужним електронним ключем 5, вхід якого з'єднано з виходом підсилювача потужності 3, а один вихід - зі входом вузла узгодження з лінією 6, до виходу якого приєднано клему для приєднання до трубопроводу 7 та блок вимірювання початкової фази електромагнітного сигналу 8, вихід якого приєднано до першого входу малопотужного електронного ключа 4, п'єзоелемент 9, приєднаний до другого виходу потужного електронного ключа 5, мікрофон 10 та мікрофонний підсилювач 11, вихід якого приєднано до другого входу малопотужного електронного ключа 4. Приймач пристрою містить блок вибору режиму вимірювань 12, виходи якого з'єднано з входами управління електронних ключів 13 і 14 та мікропроцесорного модуля 15 з цифровим індикатором 16 і блока керування генератором 17, вихід якого з'єднано з генератором фіксованих частот 18, вихід якого приєднано до входу приймально-передавального пристрою 19, акустичні давачі 20 і 21 з вихідними підсилювачами 22 та 23, виходи яких приєднано до входів диференційного підсилювача 24 з розгалужувачем сигналу 25, перший та другий виходи якого приєднано до перших входів електронних ключів 13 і 14, фазометра 26, перший вхід якого приєднано до виходу електронного ключа 13, другий вхід з'єднано з виходом приймальнопередавального пристрою 19, а вихід - з першим входом мікропроцесорного модуля 15, приймальну антену 27, до виходу якої приєднано підсилювач змінної напруги 28 з розгалужувачем сигналу 29, перший та другий з виходів якого приєднано до других входів електронних ключів 13 і 14, підсилювача потужності низької частоти 30, входи якого приєднано до третіх виходів розгалужувачів сигналу 25 та 29, а вихід з'єднано з навушниками 31, амплітудний випрямляч 32, вхід якого з'єднано з виходом електронного ключа 14, а вихід - з другим входом мікропроцесорного модуля 15. Генератор тональних імпульсів пристрою разом з автономним джерелом живлення постійного струму на 12 В монтується у загальному вологонепроникному корпусі, який має виводи для під'єднання клеми 7, п'єзоелемента 9 та мікрофона 10. Приймач пристрою зібраний у загальну конструкцію, яка складається зі штанги 33, в якій розміщені приймальна антена та акустичні давачі, один з яких для роботи в умовах дії значних акустичних завад має вузьку діаграму направленості, та корпусу 34 з розміщеними в ньому електронними вузлами приймача. Для зменшення впливу електромагнітних завад штанга 33 виконана з металу. Пристрій для виявлення дефектів у трубопроводах підземних теплових мереж працює наступним чином. Спочатку визначається досліджувана ділянка трубопроводу, яка знаходиться між тепловими камерами 35 та 36. Після цього в тепловій камері 35 безпосередньо до тіла металевого трубопроводу 37 приєднуються клема 7, п'єзоелемент 9 та мікрофон 10 генератора тональних імпульсів 38. Другий вихід вузла узгодження з лінією 6 генератора тональних імпульсів приєднується до заземлювача 39. У тепловій камері 36 встановлюються прецизійний резистор 40 та індуктивність 41, які одними зі своїх виводів приєднуються безпосередньо до тіла металевого трубопроводу 37, а іншими - до перемикача 42, який приєднується до заземлювача 43. Приєднання прецизійного резистора 40 та індуктивності 41 до тіла трубопроводу в тепловій камері 36 необхідне для створення чіткого контакту трубопроводу з ґрунтом через елементи з наперед відомими частотними характеристиками та для запобігання ураження споживачів тепла змінним струмом від генератора тональних імпульсів. Першим режимом роботи пристрою є режим "Пошук". Цей режим встановлюється автоматично при ввімкненні приймача і використовується для пошуку траси підземного трубопроводу та визначення глибини його залягання. Для роботи в режимі "Пошук" перемикач 42 у тепловій камері 36 переводиться в положення, коли до заземлювача 43 приєднується прецизійний резистор 40. При ввімкненні приймача блок вибору режиму вимірювань 12 автоматично переходить в режим "Пошук" і активує електронний ключ 14 та подає сигнал на блок керування генератором 17 для формування кодової послідовності про тип режиму роботи і встановлення пошукової 2 UA 72203 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 частоти 1477 Гц генератора фіксованих частот 18, який генерує сигнал прямокутної форми типу "меандр". Сигнали з виходу генератора фіксованих частот 18 надходять на вхід приймальнопередавального пристрою 19 з частотною модуляцією сигналу і випромінюються у простір. Приймально-передавальний пристрій 1 генератора тональних імпульсів приймає кодову послідовність, яка активує блок вибору режиму роботи 2, що з'єднує потужний електронний ключ 5 до входу вузла узгодження з лінією 6. Сигнал від приймально-передавального пристрою 1 з пошуковою частотою 1477 Гц надходить на підсилювач потужності 3, а з його виходу - на вузол узгодження з лінією 6, звідки, за допомогою клеми 7 подається на трубопровід. Підземний трубопровід намагнічується змінним струмом генератора і його поле перевипромінювання індукує у приймальній магнітний антені 27 приймача сигнал змінної напруги, який подається на вхід підсилювача змінної напруги 28, а звідти - на розгалужувач сигналу 29, підсилювач потужності низької частоти 30 та навушники 31. Сигнал з другого виходу розгалужувача сигналу 29 через відкритий електронний ключ 14 надходить на амплітудний випрямляч 32, а звідти - на мікропроцесорний модуль 15, який обробляє сигнал і виводить значення його амплітуди на цифровий індикатор 16. Оператор з приймачем рухається вздовж трубопроводу від теплової камери 35 до теплової камери 36, визначаючи його трасу за максимумом сигналу пошукової частоти. Біля теплової камери 36 оператор зупиняється, переводить перемикач 42 у тепловій камері 36 в положення, коли до заземлювача 43 приєднується індуктивність 41 і вмикає на приймачі наступний режим "Пошук дефектів". Цей режим має два режими вимірювань - електричний та акустичний. Першим вмикається режим електричних вимірювань. При цьому оператор стоїть нерухомо біля теплової камери 36, тримаючи приймач над трубопроводом. Блок вибору режиму вимірювань 12 активує електронні ключі 13 та 14 і подає сигнал на блок керування генератором 17 для формування кодової послідовності про тип режиму роботи і вибору частот вимірювань генератора фіксованих частот 18. В режимі електричних вимірювань генератор фіксованих частот 18 кожні 5 с послідовно генерує частоти від 2000 до 20000 Гц з кроком 2000 Гц. Сигнал з виходу генератора фіксованих частот 18 надходить на вхід приймально-передавального пристрою 19 і випромінюється у простір. Приймально-передавальний пристрій 1 генератора тональних імпульсів приймає кодову послідовність, яка активує блок вибору режиму роботи 2, що з'єднує потужний електронний ключ 5 до входу вузла узгодження з лінією 6. Сигнал від приймально-передавального пристрою 1 з частотами вимірювань надходить на підсилювач потужності 3, а з його виходу - на вузол узгодження з лінією 6, та за допомогою клеми 7 подається на трубопровід. Сигнал від трубопроводу приймається антеною 27 та через підсилювач змінної напруги 28, розгалужувач сигналу 29, відкритий ключ 14 та амплітудний випрямляч 32 подається на мікропроцесорний модуль 15. Мікропроцесорний модуль 15 виводить на цифровий індикатор 16 значення амплітуд прийнятого сигналу на кожній частоті. Гідроізоляція трубопроводу вважається непошкодженою, якщо затухання амплітуд прийнятих сигналів з ростом частоти відбувається лінійно. Якщо ж на певних частотах відбувається різке затухання сигналу, це свідчить про дефект ізоляції. В цьому випадку оператор переводить приймач у режим вимірювання фази. Блок вибору режиму вимірювань 12 формує кодову послідовність про режим роботи, не змінюючи частот генератора фіксованих частот 18. Приймально-передавальний пристрій 1 генератора тональних імпульсів приймає кодову послідовність, яка активує блок вибору режиму роботи 2, що з'єднує потужний електронний ключ 5 до входу вузла узгодження з лінією 6, а малопотужний електронний ключ 4 - до виходу блока вимірювання початкової фази електромагнітного сигналу 8. Сигнал від приймальнопередавального пристрою 1 з частотами вимірювань надходить на підсилювач потужності 3, а з його виходу - на вузол узгодження з лінією 6 та на трубопровід. Сигнал про фазу сигналу збудження трубопроводу на кожній частоті через блок вимірювання початкової фази електромагнітного сигналу 8 та малопотужний електронний ключ 4 подається на приймальнопередавальний пристрій 1 і випромінюється у простір. Прийнятий приймально-передавальним пристроєм 19 сигнал з інформацією про початкову фазу подається на другий вхід фазометра 26. На перший вхід фазометра 26 через ввімкнутий електронний ключ 13 подається сигнал з розгалужувача сигналу 29. Мікропроцесорний модуль 15 фіксує амплітуди сигналів і фазовий зсув між сигналами збудження та прийнятими сигналами і виводить їх значення на індикатор 16. Оператор з приймачем рухається вздовж траси трубопроводу від теплової камери 36 до теплової камери 35, зупиняючись і здійснюючи вимірювання в певних точках з кроком (2-5 м). 3 UA 72203 U 5 10 15 20 25 30 35 Точка з різкою зміною амплітуди і фази сигналу свідчить про місце дефекту гідроізоляції трубопроводу. Далі для пошуку дефектів гідро- та теплової ізоляції і тіла трубопроводу використовується акустичний режим вимірювань. Для роботи в цьому режимі блок режиму вимірювань 12 активує електронні ключі 13 і 14 та подає сигнал на блок керування генератором 17 для формування кодової послідовності про тип режиму роботи і вибору частот вимірювань. В режимі акустичних вимірювань генератор фіксованих частот 18 кожні 5 с послідовно генерує частоти від 200 до 19200 Гц з кроком у половину октави. Сигнал з виходу генератора фіксованих частот 18 надходить на вхід приймально-передавального пристрою 19 і випромінюється у простір. Приймально-передавальний пристрій 1 генератора тональних імпульсів приймає кодову послідовність, яка активує блок вибору режиму роботи 2, що з'єднує потужний електронний ключ 5 до п'єзоелемента 9, а малопотужний ключ 4 - до виходу мікрофонного підсилювача 11. Сигнал від приймально-передавального пристрою 1 з частотами вимірювань поступає на підсилювач потужності 3, а з його виходу - п'єзоелемент 9, який створює потужні акустичні коливання в тілі трубопроводу 37. Сигнал початкової фази збудження акустичних коливань у трубопроводі через мікрофон 10, мікрофонний підсилювач 11 та малопотужний ключ 4 надходить на приймально-передавальний пристрій 1 і випромінюється у простір. Приймально-передавальний пристрій 19 приймача подає сигнал зі значенням фази сигналу акустичного збудження на фазометр 26, на другий вхід якого через відкритий електронний ключ 13 і розгалужувач сигналу 25 надходить сигнал від диференційного підсилювача 24, зареєстрований акустичними давачами 20, 21 на поверхні ґрунту над трубопроводом. Мікропроцесорний модуль 15 обробляє прийнятий сигнал і виводить його значення для кожної вимірювальної частоти. Одночасно з фазою вимірюється і амплітуда сигналу на всіх частотах, інформація про яку від розгалужувача сигналу 25 через відкритий електронний ключ 14 і амплітудний детектор 32 надходить на мікропроцесорний модуль 15. Оператор з приймачем рухається вздовж траси трубопроводу від теплової камери 35 до теплової камери 36, зупиняючись і здійснюючи вимірювання в певних точках з кроком (2-5 м). Точка з різким зростанням амплітуди сигналу свідчить про місце дефекту теплової ізоляції трубопроводу. Точка з різким зростанням амплітуди сигналу і зміною фази понад 90° свідчить про пошкодження тіла трубопроводу. Чим вища частота і фазовий зсув сигналу, тим менші розміри дефектів можна виявити. Пристрій матиме змогу виявляти дефекти тіла трубопроводу та його ізоляції у теплових мережах безканальної прокладки з трубопроводами в ППУ ізоляції в умовах дії значних акустичних і електромагнітних завад. Групою авторів виготовлено дослідний зразок пристрою та розроблена технічна документація для серійного виробництва. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 Пристрій для виявлення дефектів у трубопроводах підземних теплових мереж, який містить генератор тональних імпульсів, що містить підсилювач потужності та вузол узгодження з лінією, і приймач, що містить приймальну антену, акустичний давач і вихідний підсилювач, який відрізняється тим, що генератор тональних імпульсів додатково містить приймальнопередавальний пристрій, блок вибору режиму роботи, малопотужний і потужний електронні ключі, блок вимірювання початкової фази електромагнітного сигналу, клему для приєднання до трубопроводу, п'єзоелемент, мікрофон та мікрофонний підсилювач, приймач додатково містить ще один акустичний давач з вузькою діаграмою направленості і ще один вихідний підсилювач, диференційний підсилювач з розгалужувачем сигналу, входи якого приєднано до виходів вихідних підсилювачів, блок вибору режиму вимірювань, виходи якого приєднано до двох електронних ключів та мікропроцесорного модуля з цифровим індикатором, блок керування генератором, генератор фіксованих частот, приймально-передавальний пристрій, фазометр, вхід якого приєднано до виходу приймально-передавального пристрою, а вихід - до мікропроцесорного модуля, підсилювач змінної напруги з розгалужувачем сигналу, вихід якого приєднано до підсилювача потужності низької частоти та навушників, амплітудний випрямляч, вхід якого приєднано до виходу другого електронного ключа, а вихід - до мікропроцесорного модуля. 4 UA 72203 U 5 UA 72203 U 6 UA 72203 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7