Прибор для обнаружения утечки
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для использования утечек в линиях воздушных систем летательных аппаратов. Изобретение направлено на повышение надежности обнаружения утечек, что обеспечивается за счет того, что детектор утечки для обнаружения утечки в линии содержит передающее устройство для возбуждения излучения, которое должно быть направлено в линию. Излучение, которое выходит из линии в месте утечки, принимается приемным устройством, в результате чего обеспечивается возможность обнаружения места утечки. Причем приемное устройство размещается на несущем элементе конструкции отсека. 5 н. и 25 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится в целом к области техники датчиков. В частности, настоящее изобретение относится к датчику утечки для обнаружения утечек в линиях, к системе обнаружения утечек в линиях и к способу обнаружения таких утечек.
На многих современных летательных аппаратах сжатый воздух отбирается в определенных точках двигателей. При использовании воздуха из двигателей, который обычно называется "отбираемый воздух", исключается необходимость в использовании компрессора. Вообще говоря, такой отбираемый воздух имеет сравнительно высокое давление (до 50 psi) и поскольку он отбирается на одной из стадий сжатия двигателя, то он имеет соответствующую высокую температуру, порядка 300°С. После охлаждения примерно до 200-260°С воздух становится пригодным для использования различными потребителями на летательном аппарате и подается к ним по линиям. Отбираемый воздух может использоваться, например, в системе кондиционирования воздуха и в качестве технологического воздуха.
Для этого горячий отбираемый воздух, находящийся под достаточно высоким давлением, должен быть передан от двигателей к потребителям по системе трубопроводов. В случае аварии, например в случае повреждения трубопровода, горячий воздух вырывается наружу в месте повреждения и может воздействовать на элементы интерьера, прилегающие конструкции и различные коммуникации. В результате несущие элементы конструкции отсека или некоторые другие чувствительные элементы, такие как, например, силовые электрические линии, гидравлические магистрали или топливопроводы могут сильно нагреваться. В некоторых случаях такой сильный нагрев может привести к серьезным последствиям, относящимся к безопасности летательного аппарата.
По этой причине в настоящее время используются кабельные датчики для обнаружения разрывов или утечек в трубопроводах, причем такие кабельные датчики устанавливаются на протяжении всего трубопровода. Кабельные датчики представляют собой цилиндрические трубки диаметром в несколько миллиметров, содержащие центральную жилу и оболочку. Между центральной жилой и оболочкой находится специальный заполняющий материал. Такой заполнитель имеет очень высокое электрическое сопротивление при температурах, не превышающих определенное пороговое значение (температура срабатывания). При изготовлении кабельных датчиков может быть установлена температура срабатывания, находящаяся в определенном диапазоне.
Однако электрическое сопротивление заполнителя увеличивается скачкообразно в десятки раз, когда температура внешней среды превысит температуру срабатывания. Это изменение сопротивления может быть измерено и обнаружено системой.
Датчики устанавливаются вдоль критических секций трубопроводов и могут нагреваться выходящим горячим воздухом. При достижении температуры срабатывания утечка обнаруживается по изменению сопротивления, и подача воздуха в эту секцию трубопровода отключается с помощью дополнительных электронных устройств.
Раньше обнаружение утечек осуществлялось с помощью таких кабельных датчиков. Однако все более широкое распространение в конструкциях летательных аппаратов пластмасс, чувствительных к повышению температуры, приводят к необходимости быстрого отключения поврежденных секций трубопроводов. Поэтому требования к характеристикам датчиков все более ужесточаются, и традиционные датчики с трудом удовлетворяют таким возрастающим требованиям.
С момента возникновения утечки в линии и до ее обнаружения в некоторых случаях может проходить достаточно много времени. Кроме того, если две трубы проложены рядом друг с другом, то повреждение одной трубы может привести к срабатыванию датчиков другой трубы, так что может быть ошибочно отключена исправная линия или же должны отключаться обе линии.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание надежной системы обнаружения утечки в линии.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения предлагается датчик для обнаружения утечки в линии. Такой детектор утечки содержит передающее устройство для возбуждения излучения и приемное устройство. Возбуждаемое излучение может быть направлено в линию. Приемное устройство предназначено для приема излучения, которое поступает из повреждения в линии, и, соответственно, утечка может быть обнаружена.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается система обнаружения утечки в линии, содержащая детектор утечки с вышеописанными характеристиками и линию.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается способ обнаружения утечки в линии, в котором в линии возбуждается излучение, и в случае возникновения утечки она может быть обнаружена путем приема излучения, которое поступает из повреждения в линии.
Таким образом, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения обеспечивается возможность обнаружения утечки с помощью излучения, направленного в линию. Линия может быть трубой, системой трубопроводов или в общем случае системой линий. Излучение может быть физической величиной, отличающейся от материала, который должен передаваться по линии. В контексте настоящего изобретения термин "материал" может в особенности относиться к пару, или к горячему воздуху, или к любому другому материалу, который должен передаваться по линии. Иными словами, утечка обнаруживается не (только) измерением непосредственно физически действующей энергии, например, горячего воздуха, отбираемого из турбины летательного аппарата. Вместо этого для измерения используется параметр процесса, который отличается от физически действующего материала, например радиация, с помощью которой может быть обнаружено место дефекта. В этом случае процесс обнаружения утечки может быть отделен от процесса транспортировки материала. Таким образом, может быть сконструировано и настроено приемное устройство для обнаружения этого параметра процесса, например, излучения.
В результате процесс обнаружения утечки может осуществляться независимо от материала, который фактически должен транспортироваться по линии. Например, транспортируемый материал может быть горячей текучей средой. Для уверенности утечка текучей среды из линии, например из трубопровода, может быть обнаружена при нагреве датчика. Однако в этом случае возможна задержка между утечкой материала из трубы и его обнаружением, поскольку температурный датчик должен сначала нагреться до определенной температуры, прежде чем будет осуществляться индикация или произойдет другая реакция на утечку.
Если для обнаружения утечки используется, например, излучение, и, таким образом, процесс обнаружения осуществляется независимо от материала, который должен транспортироваться, или от его агрегатного состояния, то процесс обнаружения можно ускорить. В то время как в случае обнаружения утечки в результате нагрева датчика проходит некоторое время, пока датчик не нагреется до температуры срабатывания, излучение, такое как, например, электромагнитное излучение, может распространяться со скоростью света, и поэтому в случае возникновения утечки она может быть быстро обнаружена.
Достоинством использования излучения является сокращение времени реакции на происшедшую утечку. Соответственно, например, неисправная труба может быть быстро отключена, прежде чем отбираемый воздух, выходящий из поврежденной трубы, причинит ущерб окружающим конструкциям и коммуникациям.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения приемное устройство размещается за пределами линии. При этом может быть обнаружено излучение, выходящее из трубы.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения как передающее устройство, так и приемное устройство подсоединяются к логическому устройству. В этом случае логическое устройство может управлять передающим устройством, и, в частности, логическое устройство может задавать сигнал, который должен излучаться передающим устройством. Кроме того, в логическом устройстве содержится информация о форме и временной последовательности переданного сигнала.
Поскольку логическое устройство также соединено и с приемным устройством, то логическое устройство может получать информацию о принятом сигнале. Таким образом, обеспечивается возможность сравнения переданного и принятого сигналов. При использовании определенных видов кодирования или видов модуляции создается возможность привязки переданного сигнала к принятому сигналу, то есть можно определить, какой принятый сигнал относится к переданному сигналу. Такая связь может быть использована для получения информации о времени реакции или о времени распространения сигнала, переданного в линию, пока он не будет принят приемным устройством, и такая связь может быть использована для повышения надежности детектора утечки и улучшения его устойчивости в отношении операционных ошибок.
На основании фактических времен распространения сигнала и с учетом теоретического времени распространения сигнала в линии и в пространстве, окружающем линию, может быть получена информация о месте нахождения возникшего повреждения. Для целей технического обслуживания может быть полезно, если на основании времени распространения сигнала будет определено с достаточной точностью место утечки или дефекта трубы. Соответственно, логическое устройство может использоваться не только для установления факта утечки в линии, но также и для определения места дефекта. Установление только факта неисправности необходимо, для того чтобы просто отключить неисправную систему во время полета. Определение места неисправности чрезвычайно важно для проведения технического обслуживания.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения в качестве излучения может использоваться электромагнитное излучение (в частности, СВЧ-излучение), акустическое излучение (например, ультразвук) или радиоактивное излучение (например, гамма-излучение). Поскольку во многих случаях линии используются для транспортировки материалов, прохождение которых зависит от скорости потока, излучение может быть параметром процесса, который хорошо подходит для обнаружения, однако скорость его распространения не зависит от транспортируемого материала или агрегатного состояния такого материала. Как правило, скорость потока материала ниже скорости распространения излучения. Достоинством использования излучения является возможность проведения измерений в процессе транспортировки материала.
Однако измерение может проводиться также и в том случае, когда трубопровод не используется и не заполнен материалом. Возможность обнаружения дефектов без необходимости запуска системы транспортировки материала является достоинством с точки зрения проведения технического обслуживания.
Таким образом, обеспечивается возможность обнаружения утечек в системе линий без необходимости проведения процессов, для которых эти линии предназначены. Таким образом, для обнаружения какой-либо утечки в системе линий или в трубопроводной системе, предназначенной для транспортировки отбираемого воздуха, нет необходимости в запуске турбины, из которой забирается воздух. С одной стороны предлагаемая система обнаружения утечки при своей работе не создает помех выполняемой транспортировке материала. И в то же время возможен контроль линии при транспортировке по ней потока отбираемого воздуха.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения логическое устройство соединяется с приемным устройством по электрической шине. При таком устройстве к одной шине может быть подсоединено несколько приемных устройств, размещенных вдоль линии или трубы. То есть шина обеспечивает возможность подсоединения нескольких приемников, и каждый из приемников может передавать информацию об утечке в логическое устройство, которое может использоваться в качестве центрального логического устройства. Таким образом, обеспечивается возможность контроля протяженных систем линий.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения логическое устройство может быть соединено с приемным устройством или с несколькими приемными устройствами с использованием отдельных соединительных линий. При использовании непосредственного соединения между приемным устройством и логическим устройством в последнем может осуществляться локализация соответствующих приемных устройств и привязка передаваемых ими сигналов. В этом случае можно, например, определить местонахождение, в частности зону, утечки. Приемное устройство часто используется для контроля определенной секции трубы. С помощью приемного устройства, которое связано с определенной секцией трубы и передает сигналы в центральное логическое устройство, последнее может определять зону неисправной линии и отключать ее в соответствии с некоторой логикой.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения передающее устройство может возбуждать в линии моды колебаний. В контексте настоящего изобретения термин "мода колебаний" может, в частности, относиться к любой форме волны, определяемой геометрией системы. В качестве волн могут использоваться стоячие волны, которые устанавливаются в линии при возбуждении соответствующим генератором. При использовании мод колебаний резонансный характер определенных геометрических структур может использоваться для передачи информации. Мода колебаний представляет собой стоячие волны внутри проводника, она может обеспечивать передачу сигналов в определенном направлении.
Если линией является труба и если эта труба изготовлена из электропроводного материала, то труба может рассматриваться как полый проводник для электромагнитных волн. Иначе говоря, для определенных частот сигналов, направляемых в полый проводник, причем частоты находится большей частью в высокочастотной части спектра, формируются стоячие электромагнитные волны, которые однако могут распространяться в определенном направлении вдоль трубы. При использовании таких волн информация может быть распределена по трубе. Такое распределение информации может происходить фактически независимо от транспортируемого материала.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения логическое устройство предназначено для наложения модулирующего сигнала на несущую волну, и этот модулирующий сигнал может быть извлечен из принятого излучения приемным устройством. Это означает, что стоячая волна, образующаяся в полом проводнике, может передавать модулирующий ее сигнал. То есть модулирующий сигнал накладывается на высокочастотное излучение и может быть передан этим излучением.
Модулирующий сигнал накладывается на несущую частоту, которая выше частоты модулирующего сигнала. То есть, можно задать определенную форму модулирующего сигнала и после смешивания его с несущей волной этот модулирующий сигнал может быть преобразован в более высокую часть частотного диапазона. В контексте настоящего изобретения термин "смешивание" может в частности означать способ, известный из техники передачи сигналов, преобразования низкочастотного сигнала в более высокую часть частотного диапазона.
Более высокий частотный диапазон может охватывать высокочастотное излучение, например от 10 ГГц до 20 ГГц. Сигнал такой высокой частоты может возбуждать соответствующую волну в линии, или в трубе, или в полом проводнике, и при этом обеспечивается хорошая передача излучения. В контексте настоящего изобретения термин "хорошая передача" означает передачу с минимально возможным ослаблением.
В теории электромагнитных волн различают так называемые поперечные электрические (ТЕ), поперечные магнитные (ТМ) и поперечные электромагнитные (ТЕМ) волны. Указанным типам волн соответствуют относящиеся к ним моды колебаний. ТЕ-волны не имеют электрической компоненты в направлении распространения, в то время как в ТМ-волнах в направлении распространения отсутствует магнитная составляющая. ТЕМ-волны - это электромагнитные волны, в которых в направлении распространения отсутствуют и электрические, и магнитные составляющие. При использовании подходящих передатчиков могут возбуждаться соответствующие волны. Мода колебаний, которые возбуждаются внутри трубопровода, зависит от соответствующей частоты передатчика.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения используемое излучение может быть электромагнитным ВЧ-излучением.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения ВЧ-излучение модулируется низкочастотным (НЧ) сигналом. В результате модуляции низкочастотным сигналом высокочастотного излучения низкочастотный сигнал преобразуется в более высокий частотный диапазон. Частота НЧ-сигнала может быть меньше частоты, необходимой для возбуждения моды колебаний для распространения электромагнитной волны в трубопроводе. С помощью модулирования или смешивания НЧ-сигнала с ВЧ-излучением можно добиться того, что НЧ-сигнал преобразуется в частотный диапазон, в котором в проводнике может быть возбуждена соответствующая мода колебаний. Например, может возбуждаться так называемая TE1.0-волна или TE1.0-мода колебаний, частота которой минимальна и может быть рассчитана для каждого диаметра трубы, например, для 6, 8 или 9 дюймов. Таким образом, НЧ-сигнал может быть передан по секции трубы.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения НЧ-сигнал может иметь пилообразную или треугольную форму. Сигналы пилообразной или треугольной формы легко генерировать и детектировать. НЧ-сигнал, форма которого задается логическим устройством, легко может быть распознан после детектирования. Модуляция пилообразным или треугольным сигналом используется в технике модуляции частоты непрерывного излучения, которая применяется в коммерческих радиолокационных альтиметрах.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения электромагнитное ВЧ-излучение может модулироваться кодированным сигналом. В качестве кодированного сигнала может использоваться, например, псевдослучайная функция или псевдошумовой модулирующий сигнал. В этом случае мощность передаваемого излучения может быть снижена, поскольку сигнал, тем не менее, может быть обнаружен с использованием корреляционных методов даже на фоне шумов. В предлагаемой системе используется способ с широкополосным кодированием.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения используемое излучение может быть импульсным. При импульсном излучении расходуется меньше энергии, чем при непрерывном излучении, когда передатчик работает в режиме постоянной мощности. При импульсном излучении, когда импульс излучается, например, один раз в секунду, может быть обеспечено необходимое время реакции. Импульсное излучение с периодом следования импульсов, равным 1 секунде, будет обеспечивать выполнение требования обнаружения утечки в течение нескольких секунд после ее возникновения и соответствующей реакции на такую утечку.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения приемное устройство может быть ВЧ-датчиком. ВЧ-датчик может быть устроен таким образом, чтобы обнаруживать высокочастотные электромагнитные волны.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения приемное устройство может быть антенной. Антенна может принимать и обрабатывать ВЧ-излучение.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения датчик утечки содержит оболочку, охватывающую линию. Приемное устройство размещается между линией и оболочкой. Оболочка может изолировать трубопровод и в то же время она может использоваться для направления излучения, которое выходит из трубопровода в результате утечки. Если бы не было оболочки, то излучение могло бы свободно рассеиваться в пространстве. Поскольку приемное устройство размещается за пределами линии и поскольку невозможно прогнозировать место расположения утечки, использование оболочки будет полезным для направления просачивающегося излучения в направлении приемного устройства. В этом случае можно надежно обеспечить поступление в приемное устройство излучения, которое должно быть обнаружено, и при этом излучение будет иметь энергию, достаточную для его измерения.
Линия, контролируемая детектором утечки, может быть предназначена для направления потока материала. Термин "поток материала" относится к пару или к отбираемому воздуху.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения линия может быть трубой или линией для транспортировки отбираемого воздуха. Линия может быть целиком изготовлена из электропроводного материала или же, если она не состоит целиком из электропроводного материала, то она может содержать покрытие из электропроводного материала. При использовании электропроводного покрытия может быть сформирован полый проводник, в котором может распространяться электромагнитная волна.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения линия может быть окружена оболочкой из электропроводного материала. В этом случае электромагнитная волна в окружающем пространстве, то есть за пределами трубопровода, может направляться вперед. При таком устройстве проводник может быть внутренним проводником, и оболочка может быть внешним проводником коаксиальной линии. В коаксиальной линии также могут быть возбуждены моды колебаний. Кроме высокочастотных сигналов по коаксиальной линии также могут передаваться низкочастотные сигналы. Для того чтобы направлять излучение, оболочка может быть изготовлена из электропроводного материала или же она может содержать электропроводное покрытие.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения предлагается способ, в котором на летательном аппарате для непрерывного контроля в полете бортовых трубопроводов отбираемого воздуха используется высокочастотное излучение.
Многочисленные модификации вариантов осуществления изобретения описываются со ссылками на датчик утечки и систему обнаружения утечки в линии. Эти варианты осуществления изобретения также относятся и к способу обнаружения утечки в линии.
Ниже со ссылками на прилагаемые чертежи дается описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фигура 1 представляет блок-схему системы обнаружения утечки в линии в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фигура 2 - вид продольного сечения трубы с оболочкой в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
Фигура 3 - вид поперечного сечения другой трубы с оболочкой в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
Фигура 4 - вид продольного сечения трубы с оболочкой и с приемным устройством в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
В нижеприведенном описании используются одинаковые ссылочные номера для одинаковых или соответствующих элементов, показанных на фигурах 1-4.
На фигуре 1 представлена блок-схема системы обнаружения утечки в линии. Ссылочным номером 101 обозначена контролируемая линия. Поток материала, проходящий по линии, на фигуре 1 не показан. Этот поток только обозначается стрелкой со ссылочным номером 113. Поток материала может представлять, например, отбираемый воздух, который отбирается из двигателя для подачи в бортовые потребители. Линия 101 проходит через несущие элементы 103 конструкции отсека летательного аппарата. Эти несущие элементы, например шпангоуты, лонжероны или ребра жесткости, используются для усиления частей летательного аппарата, таких как, например, крыло или фюзеляж. Несущие элементы 103 конструкции отсека разделяют его на три отделения 104, 105, 106, через которые проходит линия 101. Линия 101 и отделения 104, 105, 106, показанные на фигуре 1, симметричны, то есть линия 101 - это круглая труба, окруженная со всех сторон отделениями 104, 105, 106.
Длина отделений зависит от конструктивных особенностей и может варьироваться в диапазоне от 1 м до 5 м или от 2,8 м до 10 м. Сама линия не пересекается несущими элементами 103 конструкции отсека. Только внешняя зона линии 101 или системы линий разделяется перегородками отделений 104, 105, 106. Общая длина линии 101 может варьироваться в диапазоне 20-50 м или в диапазоне 40-100 м. Линия 101 снабжена охватывающей ее оболочкой 102. На фигуре 1 оболочка 102 охватывает только часть длины линии 101, которая проходит через отделения 104, 105, 106. Однако оболочка 102 также может охватывать линию 101 по всей ее длине и прерываться только несущими элементами 103 конструкции отсека.
В отделениях 104 и 105 установлены два приемника 107 и 108. Приемники 107 и 108 подсоединены к логическому устройству 110 с помощью шины 109. Хотя на фигуре 1 показаны только два приемника 107, 108, однако к шине 109 могут быть подключены дополнительные приемники. Также может быть использован вариант (на схеме не показан) непосредственного подсоединения каждого приемника 107, 108 к центральному логическому устройству по отдельной линии.
Логическое устройство 110 вырабатывает высокочастотный сигнал, который по линии 111 подается в передатчик 100. Из передатчика 100 высокочастотное излучение направляется в линию 101 с помощью согласующего ВЧ-устройства 112. Высокочастотный сигнал (ВЧ-сигнал), передаваемый по линии 111, может быть простым сигналом без какой-либо модуляции или с линейной модуляцией, которая осуществляется в логическом устройстве 110. Также возможна передача по линии 111 низкочастотного сигнала линейной модуляции в передатчик 100 и осуществление модуляции в передатчике.
Согласующее ВЧ-устройство обеспечивает передачу в линию 101 ВЧ-излучения, распространяющегося в ней в направлении стрелки 113 (см. фигуру 1) в форме электромагнитной волны. До тех пор пока линия 101 остается герметичной, то есть утечки отсутствуют, ВЧ-излучение 113 проходит мимо приемников 107, 108. ВЧ-излучение в приемники не поступает.
Если в одном из отделений 104 или 105 возникает утечка или какое-либо повреждение линии 101, ВЧ-излучение начинает проникать наружу из линии 101 и распространяется между оболочкой 102 и линией 101 в направлении стрелки 113. Распространению ВЧ-излучения за пределы отделений 104, 105 препятствуют несущие элементы 103 конструкции отсека. Поэтому в каком-либо из отделений 104, 105, 106 могут быть повреждения линии 101, и электромагнитное ВЧ-излучение будет присутствовать в таком отделении снаружи линии, в то время как в других отделениях ВЧ-излучения не будет.
Приемники 107 и 108, которые связаны с отделениями 114 и 115 соответственно, обнаруживают присутствие ВЧ-излучения, которое поступает в них по линиям 114 и 115 ВЧ-сигналов, обрабатывают принятый ВЧ-сигнал и по линии 116 или 117 передают низкочастотный сигнал (НЧ-сигнал) в шину 109. НЧ-сигнал может быть сигналом, которым центральное логическое устройство 110 модулирует ВЧ-излучение, или это может быть обычный сигнал тревоги. Сигнал тревоги может быть в одном из двух состояний: "ВЧ-излучение обнаружено" или "ВЧ-излучение не обнаружено". Иными словами, сигнал тревоги передается в шину с определенным уровнем, так что логическое устройство 110, которое может находиться в центре управления, может только определить, что одним из приемников, подсоединенных к шине 109, обнаружена утечка. В этом случае центральное логическое устройство 110 может вырабатывать соответствующие управляющие сигналы.
В качестве приемников 107, 108 могут использоваться, например, полосковые линии с диодами Шоттки. Если каждый приемник 107, 108 не подсоединяется к шине, а непосредственно подсоединяется к центральному логическому устройству 110 по отдельной линии, то может быть определено местоположение повреждения, по меньшей мере может быть определено, в каком из отделений 104, 105, 106 находится повреждение.
Центральное логическое устройство 110 обнаруживает излучение заданной частоты. Размер утечки может быть оценен в центральном логическом устройстве 110 по амплитуде принятого сигнала. Для этой цели в приемниках 107, 108 осуществляется преобразование аналог-цифра амплитуды принятого сигнала. Центральное логическое устройство 110 принимает двоичный сигнал, переданный приемниками 107, 108, и по нему может оценить размер утечки.
Логическое устройство 110 может модулировать передаваемый сигнал 111 во временной области. Соответственно, уровень передаваемого сигнала может быть снижен, поскольку корреляционная обработка сигнала, осуществляемая в логическом устройстве 110, обеспечивает обнаружение сигнала на фоне шумов. Временнáя модуляция также позволяет повысить чувствительность системы, так что могут обнаруживаться утечки меньших размеров. В случае небольшой утечки уровень выходного сигнала, соответствующего уровню излучения снаружи линии 101, сравнительно невысокий. В предлагаемой в изобретении системе утечки малых размеров связаны с используемой частотой. Это значит, что повреждения, размеры которых малы по сравнению с длиной волны ВЧ-излучения, квалифицируются как малые утечки. При малых утечках из трубы 101 просачивается малая часть ВЧ-излучения.
При малых уровнях энергии сигнала временнáя модуляция помогает улучшить чувствительность системы, например, за счет кодирования, такого как псевдослучайная модуляция частоты или широкополосная модуляция.
В частности, когда пространство между оболочкой 102 и линией 101 заполнено изолирующим материалом, скорости распространения волн во внутреннем проводнике 113 и в пространстве между проводниками 101 и 102 различаются. Корреляционная обработка сигнала в логическом устройстве 110 помогает косвенно определить место повреждения. Для этого измеряется разность времен сигнала в передатчике 100 и в приемниках 107, 108 и по этой разности, зная скорости распространении волн внутри линии 101 и в пространстве между линией 101 и оболочкой 102, определяется место повреждения трубы. Для этого в логическое устройство 110 из приемников 107, 108 по отдельным линиям (на фигуре 1 не показаны) возвращается НЧ-сигнал с частотой, находящейся в диапазоне 50-20000 Гц. В логическом устройстве 110 переданный сигнал сравнивается с принятым сигналом. Подходящим видом модуляции низкой частотой является модуляция пилообразным сигналом или сигналом, имеющим треугольную форму, причем модуляция ВЧ-сигнала осуществляется с небольшой девиацией частоты.
На фигуре 2 представлен вид продольного сечения трубы 101 с оболочкой 102. На фигуре 2 видно, что оболочка 102 практически параллельна направлению трубы 101. Между оболочкой 102 и трубой 101 размещена изоляция 201. Труба 101 состоит из электропроводного материала, например из титана или из титанового сплава. Однако проводимость может быть также получена за счет использования проводящего покрытия непроводящего материала трубы. Толщина тепловой изоляции 201 может быть в диапазоне 0,5-2 дюйма (0,01-0,05 м). Тепловая изоляция состоит из непроводящего материала, например из стекловолокна. В качестве оболочки 102 может использоваться тонкая проводящая титановая фольга, толщина которой может находиться в диапазоне 0,5-3 мм. У отверстий 202 могут быть дополнительно установлены обычные температурные датчики, которые разнесены вдоль линии 101 и диаметры которых могут быть в диапазоне 0,5-2 мм. Эти обычные температурные датчики могут использоваться для дополнения детектора утечки. Однако дополнительные температурные датчики или термочувствительные кабельные элементы для настоящего изобретения несущественны.
На фигуре 3 представлен вид поперечного сечения трубопровода, показанного на фигуре 2. Диаметр трубопровода или внутренней трубы 101 может находиться в диапазоне 6,5-9 дюймов (0,17-0,23 м) или в диапазоне 6-8 дюймов (0,15-0,20 м); 6,5 дюйма и 9 дюймов - это стандартные диаметры труб. В зависимости от выбранного материала толщина стенки трубы 101 может составлять 0,4-1 мм.
На фигуре 4 представлен детальный вид продольного сечения линии в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения. На фигуре 4 показана труба 101, в которой с помощью электрического или электропневматического устройства 401 изолирован поток материала, например отбираемого воздуха. Изоляция может быть обеспечена с помощью клапана с электрическим управлением. С помощью передатчиков 100 во внутренней трубе 101 возбуждается электромагнитная волна, которая перемещается в продольном направлении от клапана 401, параллельно направлению трубы. При таком устройстве на корпусе клапана, выполненного из металла, устанавливается тонкий проводник. При необходимости в качестве соединительного проводника может использоваться шток клапана.
На фигуре 4 изображено повреждение 402 в стенке трубы линии 101, через которое происходит утечка. ВЧ-излучение 113 может распространяться, например, в форме TE1.0-моды электромагнитной волны. В зоне повреждения 402 (утечка) часть ВЧ-излучения 113 просачивается во внешнее пространство 201 между трубой линии 101 и оболочкой 102.
Электропроводная труба линии 101 вместе с электропроводной оболочкой 102 формирует коаксиальную линию. В связи с соединением в коаксиальном проводнике, установившимся в результате повреждения 402, возбуждается электромагнитная волна 403. Она распространяется между внешним проводником 102 коаксиальной линии и внутренним проводником 101 коаксиальной линии. Качество соединения 402, приводящего к просачиванию ВЧ-излучения во внешнее пространство, зависит от размера повреждения и от частоты используемого ВЧ-излучения 113, а также от геометрических характеристик линии 101 и коаксиальной линии 101, 102. Качество является показателем, используемым в технике высоких частот, который позволяет делать выводы, касающиеся качества соединения.
Чем выше частота ВЧ-излучения 113, тем короче длина волны и меньше размеры отверстия 402, которое может быть обнаружено с помощью такого излучения. Поскольку внутреннее пространство 201 соответствует коаксиальному проводнику (внутренний проводник 101 и внешний проводник 102), то отсутствуют ограничения сверху на частоту распространяющихся волн. Поэтому в этой области потери энергии при распространении излучения 403 сравнительно невелики. Волны распространяются в пространстве, пока они не достигнут антенны 404 и не будут переданы в приемник 107 по линии 114. Из принятого ВЧ-излучения в приемнике 107 выделяется НЧ-сигнал, который по шине или по отдельной линии 109 направляется для дальнейшей обработки в логическое устройство (на фигуре 4 не показано).
Шпангоут или ребро жесткости 103 разделяет два отделения 104 и 105. В то время как в зоне отделения 104, в котором произошла утечка 402, происходит просачивание ВЧ-излучения во внешнее пространство 201, в отделении 105 во внешнем пространстве 201 ВЧ-излучение отсутствует, поскольку в отделении 105 утечки нет. Антенна 404, которая используется для приема ВЧ-излучения, размещается на несущем элементе 103 конструкции отсека. Антенна 404 принимает все ВЧ-излучение, которое в зоне отделения 104 выходит во внешнее пространство 201.
ВЧ-излучение обнаруживается практически сразу же, как только возникает утечка 402, поскольку скорость обнаружения зависит только от скорости распространения электромагнитной волны в линии 101 и в пространстве 201. Распространение электромагнитных волн происходит практически со скоростью света.
Более конкретно, это означает, что для обнаружения утечки нет необходимости в том, чтобы отделение 104 сначала нагрелось до определенной температуры, поскольку утечки обнаруживаются не по нагреву датчика, то есть обнаружение осуществляется не путем измерения энергии, которая производит физическое действие. Соответственно, обеспечивается возможность быстрого обнаружения повреждения. Утечка обнаруживается не по нагреву датчика, то есть обнаружение повреждения внутренней трубы 101 осуществляется не путем измерения энергии, которая производит физическое действие, а по возникновению электромагнитной связи. Соответственно, обеспечивается возможность мгновенной реакции на повреждение.
Поскольку просачивающееся ВЧ-излучение 403 распространяется во внутреннем пространстве 201 в результате эффекта проводимости между внешним проводником 102 и внутренним проводником 101, то воздействие на соседнюю систему обнаружения утечек или, наоборот, воздействие соседней поврежденной трубы, которая проходит параллельно, может быть предотвращено, в результате чего обеспечивается возможность надежной реакции на повреждение. Любое повреждение, возникшее в одной трубе, не приведет к ошибочному определению повреждения исправной трубы, которая проходит параллельно поврежденной трубе, то есть обеспечивается возможность надежной реакции на неисправность.
Поскольку энергия распределена во всем пространстве и поэтому может быть измерена в любом месте независимо от места расположения приемника, то положение места повреждения не является особенно важным. Положение повреждения не является особенно важным, поскольку энергетическая связь возникает во всем пространстве или отделении, и поэтому измерение может быть осуществлено независимо от конкретного места размещения приемника. Что же касается датчиков, используемых в настоящее время, то для максимально быстрого обнаружения повреждения струя горячего воздуха должна непосредственно попасть на датчик при ее выходе из отверстия в изоляции 202.
Однако это зависит от места возникновения повреждения, и не всегда струя выходящего горячего воздуха может попасть непосредственно на датчик.
Поскольку обнаружение не зависит от транспортируемого материала, а осуществляется с помощью вспомогательного параметра процесса, то утечка может быть обнаружена и в том случае, когда труба не используется.
Таким образом, нет необходимости в том, чтобы выходящий воздух точно попадал на датчик для обеспечения быстрого обнаружения повреждения.
Если трубы проложены рядом друг с другом, как это осуществляется в крыле самолета A380, то предлагаемая в изобретении система обнаружения повреждений позволяет предотвратить срабатывание датчиков одной трубы при повреждении другой трубы и, соответственно, выполнение ошибочных действий по отключению труб или срабатывание датчиков обеих труб, в результате чего будут отключены оба трубопровода. Также предотвращается возможность возникновения ситуаций, при которых выходящий воздух не попадает непосредственно на датчики и поэтому все окружающее пространство должно нагреться до температуры срабатывания, прежде чем будет обнаружено повреждение, в результате чего возможны серьезные повреждения различных элементов конструкции и коммуникаций, находящихся рядом с поврежденной трубой.
Ниже конструкция современного трубопровода описана со ссылками на фигуры 2 и 3. В середине находится труба 101, изготовленная из титана или из титанового сплава. Диаметр таких труб может быть разным, например 6,5 дюйма (0,17 м) и 9 дюймов (0,23 м). В зависимости от используемого материала толщина стенки трубы может варьироваться от 0,4 мм до 1 мм. Вокруг трубы размещен слой термоизоляции 201 толщиной порядка 1 дюйм (0,025 м). Такая термоизоляция состоит из непроводящего материала, например из стекловолокна. Внешнее защитное покрытие выполнено из тонкой проводящей титановой фольги 102. В титановой фольге имеются небольшие отверстия 202, которые имеют размеры порядка нескольких миллиметров, разнесенные по длине трубы, над которыми обычно прокладывается кабельный температурный датчик.
На фигуре 4 также приведен вид такой трубы. Слева располагается электрическое (или электропневматическое) устройство 401, обеспечивающее герметизацию секции трубы, которая проходит направо, причем такая изоляция может обеспечиваться, например, с помощью клапана с электрическим управлением. Ссылочный номер 103 на фигуре 4 снова показывает, что слой изоляции и оболочка трубы нарушаются в тех местах, в которых труба проходит через несущие элементы 103 конструкции отсека.
В вариантах осуществления настоящего изобретения в качестве внутреннего проводника может использоваться полый электрический проводник, по которому распространяются поперечные электрические волны (ТЕ) или поперечные магнитные волны (ТМ). Для этого клапан 401 модифицируют. Тонкий проводник 100 устанавливается на корпусе клапана (обычно выполнен из металла), однако при необходимости в качестве такого соединительного проводника может быть использован шток клапана. Этот проводник запитывается током высокой частоты от передатчика 100, который размещается возле клапана 401. Частота излучения передатчика 100 выбирается таким образом, чтобы для известного диаметра трубы линии 101 обеспечивалось распространение излучения без затухания. В качестве варианта используется так называемая TE1.0-волна, частота которой минимальна, причем эта частота может быть рассчитана для каждого диаметра трубы (6 дюймов (0,15 м), 8 дюймов (0,2 м), 9 дюймов (0,23 м) и т.д.).
Поскольку внутренняя труба проходит от источника вплоть до потребителя без каких-либо отверстий во внешнее пространство, то распространяющаяся электромагнитная волна локализуется внутри этой трубы. Поэтому в штатном режиме работы в слое 201 изоляции отсутствует какое-либо заметное ВЧ-излучение. В этом самом слое изоляции 201, заполняющем пространство между внутренним проводником 101 и металлической фольгой 102, в критических точках устанавливаются приемники 107,108 ВЧ-излучения.
Обычно такие приемники 107, 108 устанавливаются перед каждым нарушением внешней оболочки, например, проходящими несущими элементами 103 конструкции. Выходной сигнал может быть простым сигналом тревоги (ВЧ-излучение обнаружено, не обнаружено) или может быть НЧ-сигналом (результат демодуляции принятого сигнала для целей определения места повреждения).
Выходной сигнал может передаваться по шине 109 или по отдельным линиям (не показаны).
Если по какой-либо причине внутренняя труба 101 будет повреждена, то из внутреннего проводника 101 ВЧ-излучение 403 будет просачиваться в пространство 201 через повреждение 402. При этом качество связи между внутренним и внешним проводниками будет зависеть от формы и размера отверстия в трубе 101. Поскольку внутреннее пространство 201 соответствует коаксиальному кабелю (внутренний проводник 101 и внешний проводник 102), то отсутствуют ограничения сверху на частоту распространяющихся волн. Поэтому в этой области потери энергии при распространении излучения 403 сравнительно невелики. Эти волны распространяются в пространстве между внутренним и внешним проводниками, пока они не будут обнаружены приемниками 107, 108. Приемники 107, 108 осуществляют прием волн, и фиксируют повреждение 402 трубы 101.
В самой простой форме получающаяся схема электрических соединений показана на фигуре 1. Центральное логическое устройство управляет передатчиком 100, который, как показано на фигуре 1, возбуждает во внутренней трубе регулируемое излучение с заданной частотой. В определенных положениях 103 в пространстве 201 размещаются приемники 107, 108. Выходные сигналы приемников передаются в центральное логическое устройство по шине 109 или по отдельным линиям. В описываемом варианте логическое устройство выполняет функцию обнаружения излучения заданной частоты и, возможно, дополнительно неточное различение амплитуды (k бит) для грубой оценки размера повреждения.
В расширенной форме системы излучаемый сигнал может быть модулирован во временной области. С одной стороны, в этом случае можно существенно уменьшить уровень возбуждаемого ВЧ-излучения, поскольку сигнал может быть обнаружен с использованием корреляционной обработки даже на фоне шумов (ср., например, технологию GPS). Кроме того, значительно улучшается чувствительность системы, так что могут быть обнаружены самые малые утечки.
С другой стороны, вообще говоря, скорости распространения волн во внутреннем проводнике и в пространстве 201 существенно различаются. Поэтому корреляционная обработка сигналов может обеспечить косвенное определение места повреждения. Для этой цели измеряется разность времен распространения между передатчиком и приемником и по этой разности, зная скорости распространения волн во внутренней трубе и в пространстве 201, определяют место повреждения трубы. Вообще говоря, выходной сигнал приемников является НЧ-сигналом (50-20000 Гц), который передается для обработки в центральное логическое устройство. Осуществляется оценка места нахождения повреждения.
Например, подходящей модуляцией является модуляция частоты излучения пилообразным сигналом или сигналом, имеющим треугольную форму, причем модуляция ВЧ-сигнала осуществляется с небольшой девиацией частоты. Такая технология непрерывного излучения с модуляцией частоты (CWFM) хорошо известна и используется в коммерческих авиационных альтиметрах. Также может быть использована модуляция частоты псевдослучайной последовательностью, как это используется в технологии GPS.
1. Детектор утечки (402) в линии (101), проходящей через несущие элементы (103) конструкции отсека летательного аппарата, содержащий:
передающее устройство (100) для возбуждения излучения в линии (101);
приемное устройство (107, 108, 404) для приема излучения (403), которое выходит из линии (101) в месте утечки (402), так что обеспечивается возможность обнаружения утечки;
причем приемное устройство размещается на несущем элементе (103) конструкции отсека.
2. Детектор утечки по п.1, в котором приемное устройство (107, 108) размещено за пределами линии (101).
3. Детектор утечки по п.1 или 2, содержащий дополнительно логическое устройство (110), причем передающее устройство (100) и приемное устройство (107, 108, 404) подсоединены к логическому устройству (110), которое предназначено для обработки сигналов излучения (403), поступающих из приемного устройства (107, 108, 404).
4. Детектор утечки по п.1, в котором излучение (113, 403) выбирается из группы, состоящей из электромагнитного излучения, акустического излучения и радиоактивного излучения.
5. Детектор утечки по п.3, в котором логическое устройство (110) соединено по меньшей мере с одним приемным устройством (107, 108, 404) шиной (109).
6. Детектор утечки по п.3, в котором логическое устройство (110) соединено по меньшей мере с одним приемным устройством (107, 108) отдельной линией (109).
7. Детектор утечки по п.1, в котором передающее устройство (100) предназначено для возбуждения излучения с наложением на несущую частоту модулирующего сигнала, который может быть извлечен из принятого излучения приемным устройством (107, 108, 404).
8. Детектор утечки по п.1, в котором излучение (113, 403) является электромагнитным ВЧ-излучением.
9. Детектор утечки по п.1, в котором излучение (113, 403) является электромагнитным ВЧ-излучением, которое модулируется НЧ-сигналом.
10. Детектор утечки по п.9, в котором НЧ-сигнал выбирается из группы, содержащей пилообразный сигнал и сигнал, имеющий треугольную форму.
11. Детектор утечки по п.1, в котором излучение (113, 403) содержит кодированный сигнал, модулирующий электромагнитное ВЧ-излучение.
12. Детектор утечки по п.1, в котором излучение (113, 403) является импульсным.
13. Детектор утечки по п.1, в котором приемное устройство (107, 108, 404) является датчиком ВЧ-излучения.
14. Детектор утечки по п.13, в котором приемное устройство (107, 108, 404) является антенной.
15. Детектор утечки по п.1, который содержит дополнительно оболочку (102), охватывающую линию (101), причем приемное устройство (107, 108, 404) размещено в оболочке (102).
16. Система обнаружения утечки в линии, содержащая детектор утечки по одному из пп.1-15 и линию (101).
17. Система обнаружения утечки по п.16, в которой линия (101) предназначена для направления потока материала.
18. Система обнаружения утечки по п.16 или 17, в которой линия (101) является трубопроводом.
19. Система обнаружения утечки по п.16, в которой линия (101) является линией отбираемого воздуха.
20. Система обнаружения утечки по п.16, в которой линия (101) содержит электропроводный материал.
21. Система обнаружения утечки по п.16, в которой линия (101) имеет покрытие, выполненное из электропроводного материала.
22. Система обнаружения утечки по п.16, в которой линия (101) окружена электропроводным материалом.
23. Способ обнаружения утечки в линии, проходящей через несущие элементы (103) конструции отсека летательного аппарата, содержащий следующие стадии:
размещение приемного устройства на несущем элементе (103) конструкции отсека летательного аппарата;
возбуждение излучения;
передача излучения в линию;
прием излучения, выходящего из повреждения в линии;
обнаружение утечки на основании излучения, которое выходит из повреждения в линии.
24. Способ по п.23, содержащий дополнительно прием излучения, которое выходит из повреждения в линии, за пределами линии.
25. Способ по п.23 или 24, содержащий дополнительно обработку сигнала принятого излучения в логическом устройстве.
26. Способ по п.23 или 24, содержащий дополнительно возбуждение моды колебаний излучения в линии.
27. Способ по п.23 или 24, содержащий дополнительно возбуждение излучения с использованием модуляции сигналом несущей частоты.
28. Способ по п.23 или 24, содержащий дополнительно возбуждение излучения, которое является импульсным излучением.
29. Клапан (401) для детектора утечки в линии, изолирующий область трубы для потока материала, содержащий:
корпус клапана;
проводник, установленный на корпусе клапана;
при этом проводник выполнен таким образом, что в трубе (101) возбуждается электромагнитная волна.
30. Клапан (401) для детектора утечки в линии, изолирующий область трубы для потока материала, содержащий:
корпус клапана и
проводник, возбуждающий электромагнитную волну в трубе, причем проводником является шток клапана.
