Корреляционный анализатор

 

Изобретение относится к диагностике трубопроводов. Техническим результатом является обнаружение неизвестных заранее по амплитуде, частоте и длительности акустических сигналов, амплитуда которых соизмерима и меньше амплитуды акустического шумового фона трубопровода. В корреляционный анализатор, состоящий из двух датчиков акустических сигналов, соединенных один с входом "Старт", а другой с входом "Стоп" электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра, дополнительно установлено электронно-вычислительное устройство корреляционного спектра, вход "Старт" которого соединен с датчиком акустических сигналов, присоединенным к входу "Стоп" первого электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра, а вход "Стоп" соединен с датчиком акустических сигналов, присоединенным к входу "Старт" первого электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра, и выходы обоих электронно-вычислительных устройств корреляционного спектра присоединены к блоку вычитания сигналов. В результате акустические сигналы, источник которых находится вне диагностируемого участка трубопровода (шумы), взаимно вычитаются, выявляя для анализа спектральные кривые сигналов, источники которых расположены в трубопроводе между установленными акустическими датчиками. 2 ил.

Изобретение относится к анализирующим приборам, использующимся при диагностике трубопроводов методами неразрушающего контроля, и может применяться для получения информации о техническом состоянии водо-, нефте-, газопроводов.

Аналогами изобретения являются широко известные корреляционный течеискатель LC-2000 (Япония) и корреляционные течеискатели типа "Коршун".

Недостаток - эти приборы используются для нахождения мест утечки носителя только в тех случаях, когда амплитуда акустических сигналов течи превышает уровень шума в трубопроводе.

Прототипом изобретения является широко известный прибор, выпускаемый МП ДИСИТ института проблем моделирования в энергетике Национальной Академии Наук Украины, корреляционный течеискатель "Коршун-7Р" [1]. Он состоит из двух акустических датчиков, устанавливаемых на противоположных концах диагностируемого трубопровода и соединенных один с входом "Старт", а другой с входом "Стоп" электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра, которое, осуществляя корреляцию акустических сигналов в зависимости от времени их прихода на датчики, производит построение корреляционного спектра и определяет удаленность проявляющихся в нем источников акустических сигналов от акустического датчика, соединенного с входом "Старт".

Недостаток - прибор способен обнаруживать на диагностируемом участке трубопровода положение только тех источников акустических сигналов, у которых амплитуда превышает уровень акустического шумового фона трубопровода.

Целью изобретения является обнаружение неизвестныx заранее по амплитуде, частоте и длительности акустических сигналов, амплитуда которых соизмерима и меньше амплитуды акустического шумового фона трубопровода.

Поставленная цель достигается тем, что в корреляционном анализаторе, состоящем из двух датчиков акустических сигналов, соединенных один с входом "Старт", а другой с входом "Стоп" электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра, дополнительно установлено электронно-вычислительное устройство корреляционного спектра, вход "Старт" которого соединен с датчиком, присоединенным к входу "Стоп" первого электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра, а вход "Стоп" соединен с датчиком, присоединенным к входу "Старт" первого электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра, и выходы обоих электронно-вычислительных устройств корреляционного спектра присоединены к блоку вычитания сигналов.

Подобная схема включения позволяет анализировать на выходе блока вычитания сигналов графическую кривую, являющуюся результатом взаимного вычитания двух функций, отражающих корреляционные спектры акустических сигналов, спектры, каждый из которых является зеркальным отображением другого, спектры, у которых конечные участки (начала и окончания графиков) соответствуют акустическим сигналам на противоположных концах диагностируемого трубопровода, соответственно. Поскольку общий акустический шумовой фон в зоне измерения в большинстве случаев формируется источниками сигналов, расположенными вне зоны установки датчиков, либо источниками сигналов, перемещающимися за время измерения вдоль всего диагностируемого участка (транспорт, пешеходы и т. д. ), либо локальными и кратковременными, по сравнению с процессом измерения, источниками сигналов, интенсивность и местоположение которых изменяется хаотически. Подобный шумовой фон при достаточно длительном процессе измерения (чем больше статистика, тем точнее) можно аппроксимировать в частотном диапазоне как белый шум, с равномерной амплитудой корреляционного спектра на протяжении всего диагностируемого участка. Результатом обработки в блоке вычитания подобных спектров, поступающих с выходов электронно-вычислительных устройств на его входы, является кривая, амплитуда которой значительно меньшей амплитуды любого из вычитаемых спектров, и при увеличении длительности измерения эта амплитуда будет стремиться к нулю. Акустические сигналы, вызванные коррозионным повреждением стенок трубопровода (разрывы, язвенная коррозия и т.п.) постоянны по времени и генерируются источниками, расположенными в области анализируемого участка трубопровода между "Старт" и "Стоп" акустическими датчиками. Результирующая кривая спектра на выходе блока вычитания будет их проявлять как идентичные по амплитуде и форме пики прямо противоположной полярности, взаимно симметричные относительно центра координатной оси, масштабная протяженность которой соотнесена и соответствует длине диагностируемого участка. Сигнал от подобных источников, пусть даже и малой интенсивности по сравнению с шумовым фоном, не подвергаются взаимному вычитанию, как это происходит с сигналом фона, и на результирующей кривой проявится дважды на одинаковом удалении от центра горизонтальной координатной оси, а амплитуда шумового фона при этом будет подавлена. Поскольку амплитуда акустических сигналов, рождаемых постоянно действующими во времени источниками, находящимися внутри диагностируемого участка трубопровода, не уменьшается в процессе обработки информации (суперпозиции первообразных кривых), этим обеспечивается возможность регистрации и характеристического анализа последних.

Таким образом, в корреляционном анализаторе, в результате предложенных конструктивных изменений - введения дополнительного электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра и блока вычитания, соединенных именно предлагаемым образом, появляется новое физическое свойство, а именно обеспечивается возможность обнаружения и характеристического анализа неизвестных заранее по амплитуде, частоте и длительности акустических сигналов, генерируемых источниками, находящимися в области между датчиками анализатора сигналов, амплитуда которых сравнима и меньше по величине с амплитудой шумового фона диагностируемого трубопровода.

Широко известны устройства, позволяющие в результате вычитания отдельно измеренного спектра паразитного шума из общего спектра идентифицировать индивидуальные сигналы малой интенсивности. Известны методы математической обработки спектров, позволяющие выделить сигналы с определенными заранее характеристиками. Но устройств корреляционных анализаторов, у которых в результате взаимного вычитания двух полных акустических спектров, измеренных на одном и том же участке в один и тот же момент времени одними и теми же датчиками, подавляются именно только паразитные сигналы шумового спектра, не обнаружено.

Анализ существенных отличительных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Известно, что в местах повреждения целостности стенок трубопровода увеличивается турбулентность потока носителя (нефть, вода, нефтепродукты, газ и т. д. ) и такие места являются источниками акустических сигналов, распространяющихся внутри трубопровода. Широко распространен способ определения положения источника акустических сигналов методом корреляции рождаемых им звуковых волн. Хорошо известны математические методы корреляции ковариационных функций в условиях эргодического сигнала. На фиг.1 показан чертеж корреляционного анализатора, состоящего из двух акустических датчиков 1 широко известной конструкции, преобразующих механические сигналы акустического спектра трубопровода в электромагнитные импульсы. Датчики устанавливаются на противоположных концах обследуемого участка трубопровода 2 с определенной заранее длиной L.

Известно, что в процессе поиска течи на трубопроводе с помощью промышленного корреляционного течеискателя "Коршун-7Р" его электронно-вычислительное устройство корреляционного спектра рассчитывает местоположение повреждения, проявляющееся на координатной оси двухмерного графика корреляционного спектра в заданной точке, соответствующей пересчитанному в метры реальному расстоянию течи относительно датчика "Старт" (датчик "А") [1]. Положение датчика "Старт" (датчик "А" [1] ) соответствует началу корреляционного спектра на его продольной координатной оси, положение датчика "Стоп" (датчик "В" [1]) соответствует окончанию корреляционного спектра [1].

В предлагаемом изобретении используются электронно-вычислительные устройства корреляционного спектра, аналогичные применяемым в приборе "Коршун-7Р". Акустический датчик подсоединяется к входу "Старт" одного из двух идентичных электронно-вычислительных устройств корреляционного спектра 3, и этот же датчик одновременно соединяется с входом "Стоп" другого аналогичного электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра 4, (фиг.1). Другой акустический датчик подсоединяется к входу "Стоп" устройства 3 и одновременно - к входу "Старт" устройства 4 (рис.1). Такое подсоединение датчиков позволяет накапливать в памяти электронно-вычислительных устройств корреляционного спектра 3 и 4 информацию о корреляционных спектрах акустической картины обследуемого участка трубопровода 2. Причем начало одного из спектров, соответствующее положению его датчика "Старт", запускающего процесс построения спектра, соответствует концу корреляционного спектра, рассчитываемого другим электронно-вычислительным устройством корреляционного спектра, для которого этот датчик будет являться датчиком "Стоп" (фиг.1), и наоборот. Измеряемое прибором расстояние до одного и того же источника акустического сигнала будет зависеть от того, какой из датчиков считать стартовым. При взаимном наложении в единой координатной системе корреляционных спектров, построенных устройствами 3 и 4 (фиг.1) для одного и того же акустического портрета, фиксированное положение источника акустических сигналов на продольной координатной оси результирующего спектра, являющегося результатом суперпозиции двух первоначальных огибающих, проявляется дважды. Причем всегда на одном и том же расстоянии от датчика, который для данного из электронно-вычислительных устройств (3 и 4) считается датчиком "Старт". На продольной координатной оси суммарного спектра эти проявления будут симметрично разнесены относительно центра оси и не накладываются друг на друга в процессе взаимного вычитания первоначальных спектров.

Кривая корреляционного спектра на обследуемом участке трубопровода 2, создаваемого источниками сигналов, находящимися вне области, лежащей между датчиками 1, источниками, которые в большинстве случаев и формируют шумовой фон в трубах (это работающее насосное оборудование на подстанциях, внешние вибрации от движущихся автомобилей, рельсового транспорта и т. п.), при длительном времени измерения имеет равномерно-монотонный вид на протяжении всего обследуемого интервала. В отдельных, кратковременных замерах на спектральной кривой шума могут наблюдаться экстремумы, но при увеличении длительности измерения неизбежно происходит их статистическое выравнивание и результирующая кривая спектра монотонно выравнивается, приближаясь по форме к спектру белого шума [1]. Если корреляционные спектры сигналов, источники которых находятся вне области постановки датчиков, сняты при помощи одних и тех же акустических датчиков на одном и том же участке в один и тот же временной интервал, то формы этих спектров будут весьма похожи, вне зависимости от того, какой из датчиков был стартовым. При взаимном вычитании таких спектров (характерных для шумового фона) амплитуда результирующей спектральной характеристики будет стремиться к нулю вне зависимости от амплитуды шума.

Таким образом, в результате взаимного уничтожения в блоке вычитания 5 (фиг.1), построенном по широко известным принципам программируемой обработки информации, аналогичной применяемым в ПЭВМ, корреляционный спектр акустического портрета обследуемого участка, снятого за один и тот же временной интервал электронно-вычислительными устройствами 3 и 4, "Старт-Стоповые" датчики которых взаимно инвертированы, амплитуда шумового фона будет в значительной степени подавлена. Но амплитуда от источников (пусть даже слабых сигналов), расположенных в зоне между датчиками 1, проявится на графике дважды, симметрично центра продольной координатной оси спектра, и не подвергнется подавлению в процессе вычитания. Допустим, что источник сигналов (течь) на графике после построения корреляционного спектра электронно-вычислительным устройством 3 проявляется на расстоянии "х" от места установки его датчика "Старт", то на кривой спектра построенного электронно-вычислительным устройством 4 он (источник сигналов) проявится на расстоянии "L-x", где L - длина диагностируемого участка трубопровода, так как этот датчик соединен с входом "Стоп" устройства 4, датчик "Старт" которого установлен на другом конце трубопровода. В результирующей спектральной кривой, полученной на выходе блока вычитания 5, эти сигналы будут взаимно инвертированы, разнесены на координатной оси и не подвергнуты взаимовычитанию, амплитуда же равнозначных по плотности сигналов шумового фона будут подвергнуты подавлению. На фиг.2 показаны формализованные корреляционные кривые акустического спектра на выходах блоков первого и второго электронно-вычислительных устройств корреляционного спектра и на выходе блока вычитания сигналов, поясняющие принцип обнаружения течи, акустический сигнал которой по амплитуде не превосходит паразитные шумы.

Таким образом, даже слабо интенсивные и незаметные в прототипе на уровне шума звуковые сигналы, попадающие в исследуемый интервал диагностируемого трубопровода, можно будет выделить и проанализировать их форму и амплитуду, получив соответствующую информацию об источнике подобных сигналов. Однократные, случайным образом возникающие внутри диагностируемого участка звуковые возмущения, обладающие малой статистической вероятностью повторения, не внесут значительных искажений в результирующий корреляционный спектр, измеренный за длительный интервал времени. В предлагаемом изобретении конечный результат тем точнее, чем дольше по времени производится измерение.

Практика показывает, что во многих случаях повреждения стенок трубопровода, вызванные язвенной коррозией металла, являются генераторами акустических сигналов, амплитуда которых, по сравнению с уровнем шума, не позволяет выделить их из общего спектра. Корреляционные течеискатели типа "Коршун", принятые за прототип, надежно фиксируют утечку воды с минимальной интенсивностью 3 м³/ч [1], меньшие утечки они просто не видят. Предложенное изобретение позволяет выделять и анализировать широкий спектр повреждений, которые не регистрируются существующей аппаратурой.

Известно, что наличие сильной электромагнитной наводки на обследуемом трубопроводе, скорость распространения которой значительно превышает скорость акустических сигналов в носителе, формирует одновременное появление ложных сигналов на обоих датчиках, которые искажают корреляционный акустический спектр, так называемый режим автокорреляции [1]. Воздействию электромагнитной наводки подвержены в значительной мере трубопроводы, находящиеся в городах и зонах промышленной активности. В предлагаемом изобретении корреляционные спектры паразитных наводок будут взаимно вычитаться и не внесут искажений в картину корреляционного акустического спектра трубопровода. Появляется возможность проведения диагностических работ в условиях действия сильного электромагнитного фона. В подобных условиях аналоги предлагаемого корреляционного анализатора, как правило, перестают работать.

Предлагаемый прибор в большинстве элементов конструкции использует хорошо зарекомендовавшие себя наработки, применяемые в промышленных течеискателях типа "Коршун" и ПЭВМ, поэтому он сохраняет надежность и удобство в эксплуатации. Его производство не требует новых и дорогостоящих научно-технических разработок, и появляется возможность значительного расширения методик диагностики трубопроводов за счет анализа сигналов, которые раньше поглощались паразитными шумами.

Подрисуночные надписи Фиг.1.

1. Датчики акустических сигналов.

2. Трубопровод.

3. Электронно-вычислительное устройство корреляционного спектра.

4. Электронно-вычислительное устройство корреляционного спектра.

5. Блок вычитания сигналов.

Фиг.2.

1. Формализованная корреляционная кривая акустического спектра трубопровода на выходе первого электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра.

2. Положение сигнала, создаваемого течью.

3. Формализованная корреляционная кривая акустического спектра трубопровода на выходе второго электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра.

4. Положение сигнала, создаваемого течью.

5. Формализованная корреляционная кривая акустического спектра трубопровода на выходе блока вычитания сигналов.

6. L - расстояние между датчиками акустических сигналов.

Литература: [1]. Инструкция. Корреляционный течеискатель "Коршун-7Р". МП ДИСИТ Национальной Академии Наук Украины. Киев, 1996.

Формула изобретения

Корреляционный анализатор, состоящий из двух датчиков акустических сигналов, соединенных один с входом "Старт", а другой с входом "Стоп" электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра, отличающийся тем, что в нем дополнительно установлено электронно-вычислительное устройство корреляционного спектра, вход "Старт" которого соединен с датчиком акустических сигналов, присоединенным к входу "Стоп" первого электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра, а вход "Стоп" соединен с датчиком акустических сигналов, присоединенным к входу "Старт" первого электронно-вычислительного устройства корреляционного спектра, и выходы обоих электронно-вычислительных устройств корреляционного спектра присоединены к блоку вычитания сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2