Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов и средств контроля герметичности подводных переходов трубопроводов 13
1.1 Типы и конструкции подводных трубопроводов 13
1.1.1 Классификация подводных трубопроводов - 13
1.1.2 Конструктивные схемы подводных трубопроводов 16
1.1.3 Защита подводных трубопроводов от коррозии 19
1.2 Аварийность на подводных трубопроводах 19
1.3 Обзор методов и средств контроля трубопроводов 25
1.4 Метод повышения разрешающей способности фазированной антенной решётки 49
Выводы 55
Глава 2 Теоретическое исследование дефектометрических характеристик линейной антенной решётки 57
2.1 Синтез двумерной апертуры 57
2.2 Аналитический расчёт разрешающей способности антенной решётки в зоне дифракции Фраунгофера 64
2.2.1 Разрешающая способность линейной эквидистантной антенной решётки, состоящей из круглых преобразователей 64
2.2.2 Разрешающая способность линейной эквидистантной антенной решётки, состоящей из прямоугольных преобразователей 77
2.3 Расчёт разрешающей способности антенной решётки, состоящей из элементов конечных размеров 81
2.3.1 Линейная эквидистантная антенная решётка, состоящая из круглых преобразователей 82
2.3.2 Линейная эквидистантная антенная решётка, состоящая из прямоугольных преобразователей 92
2.4 Моделирование процесса сканирования и визуализации акустического поля 95
2.5 Влияние случайных процессов на формирование диаграммы направленности приёмной ФАР 101
ВЫВОДЫ 105
Глава 3 Разработка и экспериментальное исследование аппаратуры визуализации сигналов акустической эмиссии 106
3.1 Выбор параметров и конструирование ФАР 106
3.2 Структурная схема прибора 120
3.3 Принципиальная схема прибора 126
3.4 Организация ввода-вывода между управляющим контроллером и персональным компьютером 128
3.5 Экспериментальные исследования прибора пассивной локации источников сигналов акустической эмиссии 137
3.5.1 Проверка коэффициентов усиления электронного тракта 137
3.5.2 Проверка частоты настройки и полосы пропускания избирательных усилителей электронного тракта 139
3.5.3 Проверка линейности каналов электронного тракта 140
3.5.4 Проверка чувствительности, ограниченной собственными шумами электронного тракта 144
3.5.5 Проверка точности определения местоположения имитатора источника сигналов акустической эмиссии 145
3.5.6 Определение .максимальной дальности действия прибора 148
Выводы 149
Заключение 150
Литература
- Классификация подводных трубопроводов
- Аналитический расчёт разрешающей способности антенной решётки в зоне дифракции Фраунгофера
- Организация ввода-вывода между управляющим контроллером и персональным компьютером
- Проверка чувствительности, ограниченной собственными шумами электронного тракта
Введение к работе
Интенсивное развитие трубопроводного транспорта привело к росту протяжённости магистральных нефтепродуктопроводов. В России за исторически короткий период времени была создана уникальная по протяжённости, производительности и сложности система магистральных трубопроводов. Общая длина магистралей достигла 215 тыс. км. Весь объём добываемой нефти и газа транспортируется по единой системе нефтегазоснабжения из удалённых районов добычи (Западная Сибирь и Средняя Азия) до основных потребителей европейской части стран СНГ и Западной Европы. На своём пути они более 2 тыс. раз пересекают различные водные преграды: реки, озёра, каналы, болота и водохранилища [1].
Подводные трубопроводы (ПТ) работают в различных условиях, находятся под воздействием значительных давлений, течения и волн, поверхностного и донного льда, якорей, волокуш, подвергаются коррозии. Они должны быть прочны, надёжны и безопасны в эксплуатации. Следует учесть, что основные фонды трубопроводного транспорта в значительной степени (на 50-70%) изношены [2]. В результате длительной эксплуатации повышается склонность трубного металла к замедленному разрушению вследствие возникновения и развития дефектов, обусловленных комплексом причин конструктивного, технологического и эксплуатационного характера. Это приводит к возникновению аварий. По оценкам специалистов МЧС России аварийность на трубопроводах с каждым годом возрастает.
Аварии на трубопроводах — это не только огромные потери перекачиваемых продуктов, простои трубопровода, но и непоправимый ущерб, наносимый природе. При нарушении герметичности нефте- или нефтепродуктопро-вода на подводном переходе в воду может быть выброшено от несколько сот до нескольких тысяч кубометров нефти, керосина, бензина и другого продукта. При таком воздействии погибает часть фауны водоёма в зоне распространения нефтяного пятна, загрязняются берега водоёма, гибнут птицы.
В связи с этим остро встала проблема безаварийной эксплуатации, которая базируется, в основном, на тех или иных методах контроля [3-5]. Практически, методы неразрушающего контроля магистральных трубопроводов развивались и совершенствовались одновременно с развитием самих трубопроводов.
Обнаружение утечек на ПТ затрудняется следующими факторами: для защиты от внешних воздействий трубопроводы покрывают антикоррозионной изоляцией, футеровкой и заглубляют в грунт.
Одно из первых мест среди разнообразных средств и способов контроля занимает акустический метод. Связано это с целым рядом уникальных характеристик, присущих акустическому излучению, возникающему при истечении жидкости через сквозное отверстие (свищ, трещина) в стенке трубопровода [6-8]. Основными из них являются: малая энергетичность, высокая проникающая способность, информативность и степень развития техники приёма и излучения в широком диапазоне частот. Акустический метод эффективен для контроля незначительных утечек при строительстве, капитальном ремонте и эксплуатации трубопроводов; применим для любых конструкций трубопроводов и для любых жидкостей в трубопроводе; безопасен с экологической точки зрения.
Поэтому контроль таких важных и ответственных участков трубопроводов как подводные переходы осуществляется преимущественно акустическими течеискателями [9,10].
В течение последних десятилетий как у нас в стране, так и за рубежом ведутся научные исследования с целью разработки технических средств диагностирования состояния ПТ. Однако, необходимо отметить два существенных недостатка таких приборов. Во-первых, слишком низкая производительность контроля и, во-вторых, недостаточная точность определения местоположения дефектов. Вызвано это, главным образом, использованием одноканальной аппаратуры, акустический тракт которой формируется, как правило, одним пье-зопреобразователем, имеющим широкую диаграмму направленности (ДН).
Решение проблемы модификации акустической аппаратуры, направленной на устранение указанных недостатков, является, бесспорно, актуальной задачей.
Одна из проблем, которая возникает при проведении контроля герметичности трубопроводов - это проблема производительности, а следовательно, стоимости производимого контроля. Поэтому крайне необходимо провести контроль по возможности точно, быстро и достоверно определить местоположение дефектов. Такая задача может быть решена с помощью аппаратуры, обладающей достаточно высокой разрешающей способностью. Причём необходимо использовать такую многоканальную аппаратуру, которая даёт возможность производить контроль не в одной точке пространства, а одновременно анализировать состояние некоторой пространственной зоны. Перспективным направлением в разработке таких приборов является применение фазированных антенных решёток (ФАР).
Формирование акустических изображений с помощью ФАР является областью техники, которая значительно выросла за последнее время и нашла широкое применение в медицине, при неразрушающем контроле, а также в различных областях гидроакустики [11,12]. Визуализация акустического излучения, невидимого простым глазом, позволяет в реальном масштабе времени обнаружить различного рода сквозные дефекты в стенке трубопровода, повысить информативность измерений и расширить возможности измерительной техники.
Целью работы является разработка метода и многоканальной системы неразрушающего контроля целостности подводных трубопроводов на основе регистрации сигналов акустической эмиссии, позволяющей определять местоположение дефекта с высокой точностью и обеспечивающей визуализацию акустического поля в реальном масштабе времени.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач. 1. Классификация и сравнительный анализ неразрушающих методов контроля с точки зрения производительности и точности обнаружения утечек в под-
7 водных трубопроводах (ПТ) для определения наиболее перспективных путей достижения поставленной цели.
2. Исследование:
а) возможности применения методов синтезирования акустической аперту
ры с помощью фазированных антенных решёток (ФАР) для обнаружения
утечек на ПТ;
б) зависимости между дефектометрическими характеристиками и синтези
рованной ДН на основе расчёта структуры акустического поля.
в) возможности использования методов звуковидения для визуализации
структуры акустического поля в зоне контроля.
Создание инженерной методики проектирования акустического тракта многоканальной аппаратуры контроля утечек ПТ.
Разработка аппаратной части и программного обеспечения прибора контроля, имеющего высокую разрешающую способность и обеспечивающего визуализацию сигналов акустической эмиссии (АЭ), соответствующих сквозным дефектам, в реальном масштабе времени.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе использования принципа Гюйгенса, интегрального исчисления, теории случайных процессов, преобразований Фурье и численных методов. При расчетах и моделировании применялся пакет программ математического моделирования MathCAD. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных условиях, на специальном полигоне и в полевых условиях.
г»
Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается сравнением математических моделей процессов сканирования и визуализации акустического поля с экспериментальными исследованиями действующей системы контроля.
Научная новизна состоит в том, что: - предложен способ обработки акустических сигналов двумерной ФАР, заключающийся в перемножении с последующим суммированием сигналов
8 преобразователей каждой антенной решётки, дающий возможность существенно увеличить её разрешающую способность.
впервые получены аналитические выражения для расчёта разрешающей способности двумерной ФАР, состоящей из двух линейных эквидистантных ортогонально ориентированных антенных решёток, содержащих круглые и прямоугольные преобразователи, в зоне дифракции Фраунгофера. С помощью созданной математической модели акустического поля получены графики ДН, посредством которых оценена разрешающая способность двумерной ФАР в зоне дифракции Френеля.
показано, что вероятностный характер сигналов АЭ, генерируемых сквозным дефектом, снижает точность фиксации его местоположения. Предложен механизм повышения достоверности контроля путём усреднения сплайнами регистрируемых сигналов.
Практическая ценность. В результате проведенных исследований:
разработан и защищен патентом способ обработки сигналов ФАР, позволяющий существенно увеличить её разрешающую способность.
предложена неэквидистантная структура ФАР, которая при сохранении высокой разрешающей способности, позволяет в три раза расширить зону контроля по сравнению с эквидистантными ФАР.
создана методика инженерного расчёта геометрических параметров ФАР.
разработаны и изготовлены акустический, электронный тракты, создано программное обеспечение прибора пассивной локации ПАЛ-121 с визуализацией сигналов АЭ в реальном масштабе времени.
Личный вклад автора. Основные научные исследования, теоретические выводы и рекомендации, макетирование, а также моделирование на ЭВМ получены автором самостоятельно. Постановка задач теоретических исследований и экспериментальные исследования в полевых условиях выполнялись совместно с соавторами, фамилии которых указаны в списке опубликованных работ.
Реализация результатов работы. В результате диссертационной работы разработан пассивный акустический локатор ПАЛ-121, который использован в ОАО «Магистральные нефтепроводы Центральной Сибири» для обнаружения местоположения коррозионного свища водопровода на базе ЛПДС «Орловка»; в МУП «Северский водоканал» для обнаружения коррозионного свища на подводном участке южного кольцевого водовода г. Северска. Прибор ПАЛ-121 внедрён и используется на кафедре промышленной и медицинской электроники электрофизического факультета Томского политехнического университета (ТПУ) при проведении лабораторных работ «Изучение способов электронного сканирования» по дисциплинам «Электронно-промышленные устройства» и «Применение ультразвука в медицине» для студентов, обучающихся по специальностям 210106, 200401.
Прибор ПАЛ-121 экспонировался:
на VI, VIII Всероссийских универсальных научно-производственных инновационных выставках - ярмарках «Интеграция», г. Томск, 2001, 2003 гг.;
на Ш-ей межрегиональной специализированной выставке - конгрессе «Нефть и газ 2002», г. Томск, 2002 г.;
на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых учёных высших учебных заведений Российской Федерации «ИННОВ-2003», г. Новочеркасск, 2003 г.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
IV и V областных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии". Томск, 1998, 1999;
V и VI международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения". Новосибирск, 2000, 2002;
VI, VII, VIII международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов, молодых ученых «Современные техника и технологии». Томск, 2000-2002;
Южносибирской Международной научной конференции студентов и молодых учёных «Экология Южной Сибири». Абакан, 2001;
Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы». Рязань, 2001;
III межрегиональном семинаре «Автоматизация технологических процессов в нефтегазовом комплексе». Томск, 2002;
круглом столе «Повышение эксплуатационной надёжности и экологической безопасности трубопроводного транспорта». Томск, 2003;
10-м международном симпозиуме ИМЕКО ТК7 «Развитие науки об измерениях». Санкт-Петербург, 2004.
На проведение исследований по проекту «Система визуализации источников сигналов АЭ» получен грант губернатора Томской области в 2002 г. и индивидуальный грант для молодых учёных ТПУ в 2004 г.
Публикации. По результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 13 печатных работ [146-158], в том числе получен патент Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 158 наименований, содержит 166 страниц основного машинописного текста, 66 рисунков и 9 таблиц.
В первой главе приводится классификация ПТ, их конструктивные схемы и защита от коррозии. Рассмотрена классификация аварийных ситуаций магистральных трубопроводов, причины возникновения аварий, виды дефектов, часто возникающих при сооружении и эксплуатации подводных переходов и статистика отказов ПТ. Подробно рассмотрены различные методы и средства, позволяющие установить наличие дефекта. Показана перспектив-
ность применения акустических методов контроля, приведены примеры различных приборов, работающих на его основе. Для контроля герметичности подводных переходов проанализирована возможность применения ФАР, де-фектометрические характеристики которых обеспечивают высокую точность и оперативность контроля.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию дефектометри-ческих характеристик линейных антенных решёток. Рассмотрены вопросы синтеза двумерной апертуры с помощью ФАР двух конфигураций: «креста Уэллса» и «коллинеарного креста». Для увеличения зоны сканирования предложено электронное синтезирование суммарной апертуры акустического поля с помощью неэквидистантной ФАР. Проведен расчёт разрешающей способности линейных эквидистантных антенных решёток, состоящих из круглых и прямоугольных преобразователей, в зоне дифракции Фраунгофера и Френеля. Приведены результаты компьютерного моделирования процесса визуализации в режиме С-сканирования с представлением информации в «серой» шкале в зоне дифракции Фраунгофера для рассматриваемых ФАР. Исследовано влияние случайного характера сигналов АЭ на формирование ДН приёмной ФАР.
В третьей главе содержатся сведения о практической реализации и экспериментальных исследованиях аппаратуры визуализации сигналов АЭ. Рассмотрены вопросы выбора и проектирования акустического тракта. Приводится методика расчёта частотных, геометрических параметров ФАР и рекомендации по её конструированию. Описаны структурная схема прибора ПАЛ-121 и принципиальные электрические схемы отдельных узлов электронного тракта. Рассмотрены вопросы программного обеспечения аппаратуры пассивной акустической локации. Представлены результаты экспериментальных исследований прибора для визуализации источников сигналов АЭ, которые подтверждают достоверность полученных теоретических исследований.
Основные положения, выносимые на защиту. 1. Предложенный способ обработки сигналов фазированной антенной решётки даёт возможность в два раза повысить её разрешающую способность.
Аппаратура для контроля герметичности подводных трубопроводов, реализующая предлагаемый способ обработки сигналов фазированных антенных решёток, позволяет визуализировать источники сигналов акустической эмиссии в реальном масштабе времени.
Математическое описание дефектометрических характеристик линейной антенной решётки позволило получить аналитические выражения в зоне дифракции Фраунгофера и графики диаграмм направленности в зоне дифракции Френеля.
Предложенный подход к конструированию фазированных антенных решёток обеспечивает заданную зону контроля при сохранении высокой разрешающей способности.
Классификация подводных трубопроводов
По ПТ транспортируют нефть, нефтепродукты, газ, воду и другие про дукты. В зависимости от этого их называют подводными нефте- и нефтепро Ь дуктопроводами, газопроводами, водопроводами и т.п.
ПТ могут быть классифицированы [14]: 1. По назначению ПТ можно подразделить на пять классов (рис. 1.1): - подводные переходы магистральных трубопроводов; - подводные трубопроводы на морских нефтегазовых месторождениях; - трубопроводы морских рейдовых нефтепричалов; - трубопроводы выпусков сточных вод; - трубопроводы водозаборных сооружений.
Каждый класс подразделяется на группы в зависимости от местонахождения трассы трубопровода. Трубопроводы, включённые в группу, имеют свои конструктивные особенности, обусловленные видом транспортируемого продукта, рабочим давлением, окружающей трубопровод водной средой и внешними воздействиями. Классификация ПТ по назначению с подразделением на группы в зависимости от места нахождения трассы и вида материала позволяет учитывать все основные особенности их конструкции, строительства и эксплуатации.
2. По местоположению трассы ПТ можно подразделить на три группы: - трубопроводы, прокладываемые через реки и водоёмы с пресной водой; - трубопроводы, прокладываемые через морские акватории; - трубопроводы, прокладываемые через болота в траншеях (каналах), заполненных водой.
3. По виду материалов ПТ можно разделить на следующие подгруппы: - металлические; - железобетонные; - пластмассовые; - полиэтиленовые; - смешанной конструкции.
4. По внутреннему давлению р [ 15]: - высоконапорныер 10 атм; - низконапорные р 10 атм; - самотечные.
5. По числу параллельно проложенных труб [16]: - однониточные (одна труба); - двухниточные (две трубы); - трёхниточные (три трубы); - многониточные (более трёх труб).
6. По характеру воздействия перекачиваемого продукта на окружающую среду (животный и растительный мир): - катастрофическое; - особо неблагоприятное; - неблагоприятное; - нейтральное.
Для оценки условий работы и надёжности речных трубопроводов разработана классификация, в основу которой положена зависимость между деформациями речных русел в створах трубопроводов в течение расчётного срока эксплуатации [17].
Подводный переход (ПП), как правило, представляет собой двух- или трёхтрубную (ниточную) систему [18]. При меженном (среднем) уровне воды 75 м и более пересечение водной преграды по СниП 2.05.06-85 рекомендуется осуществлять с обязательной укладкой резервной нитки и трубопровода. На рис. 1.2 изображена схема подводного перехода. На границах перехода устанавливаются отключающие устройства 1 (задвижки на нефтепроводах, краны на газопроводах). Резервную нитку 3 подключают к основной 2 и обычно включают в работу при возникновении аварийной ситуации на основной или при капитальном её ремонте. ПТ заглубляется в грунт ниже возможной границы размыва дна реки и её берегов. В этом случае не производится крепление дна; берега же реки обычно закрепляются. Если трубопровод не может быть уложен ниже грациц размыва, то участки, на которых возможен размыв, обязательно крепятся. Поперечный разрез (сечение А-А) двухниточного перехода изображён на рис. 1.2. Основная 2 и резервная 3 нитки уложены в траншеях, которые засыпаны грунтом.
Уложенный на дно трубопровод должен быть надёжно защищен от механических повреждений якорями, волокушами судов и т.п. Это может быть обеспечено заглублением трубопровода, бетонированием его, созданием различных обвалований.
Аналитический расчёт разрешающей способности антенной решётки в зоне дифракции Фраунгофера
Решение проблемы увеличения зоны сканирования ФАР возможно путём дополнительного механического сканирования всей конструкции антенны. Другим, более предпочтительным решением, является электронное, синтезирование суммарной апертуры акустического поля. При этом конфигурация ФАР становится отличной от эквидистантной. Один из возможных вариантов такой решётки показан на рис. 2.2. Эта сложная линейная антенная решётка составлена из трёх структур, которые могут включать одни и те же элементы. Группа, заключённая в контур 1, представляет антенную решётку, основной лепесток ДН которой образует некоторый угол с центральной осью 5. Аналогичную группу образуют элементы, входящие в контур 3. ДН этой антенны развёрнута на такой же угол, но повёрнутый в противоположную сторону от оси 5. И, наконец, группа элементов, ограниченная контуром 2, образует антенну, ДН которой совпадает с осью 5.
Процесс синтеза суммарной апертуры предполагает следующий алгоритм функционирования. Первой включается антенна 1 со своим сектором сканирования слева направо. При достижении правой границы сектора сканирования включается антенна 2, также осуществляющая сканирование слева направо. Аналогично включается антенна 3. В результате происходит суммирование трёх секторов сканирования, увеличивая синтезированную апертуру в три раза.
Геометрический анализ линейной ФАР, часть преобразователей которой развёрнута на угол р относительно исходного положения, позволяет получить следующее соотношение где а- угол между осью ДН ФАР, ограниченной контуром 1, и осью симметрии всей антенной системы. При малых значениях рвыражение (2.7) можно записать в виде
Полученное соотношение позволяет рассчитать конструкцию антенной системы по заданной величине сектора сканирования.
Фазовое смещение, обеспечивающее сканирование ДН приёмной ФАР, может быть реализовано двумя методами: 1. Плавное (например, линейное) изменение фаз принятых сигналов во времени. 2. Дискретное изменение фаз сигналов.
В первом случае техническая реализация предусматривает применение аналоговой схемотехники. В частности, может быть использована линия задержки с регулируемым временем задержки, установленная в тракт гетеродина. Помимо сложности реализации такого устройства, возникают трудности с соблюдением необходимых соотношений между фазами (2.1) или (2.2) для различных п в любой произвольный момент времени.
Более перспективным, на наш взгляд, является второй метод. Многофазный гетеродин может быть выполнен на базе цифровой техники. Схемотехнически его можно реализовать с помощью либо жёсткой логики, либо микроконтроллеров. Однако, возникает проблема выбора шага дискретизации, величина которого связана с разрешающей способностью ФАР. Действительно, выбор шага дискретизации смещения ДН ФАР меньшим, чем разрешающая способность, приводит к неоправданному увеличению времени сканирования и, следовательно, снижению производительности контроля. При обратном соотношении появляется опасность пропуска источника АЭ. Таким образом, оптимальное соотношение достоверность/скорость контроля может быть достигнуто при равенстве шага дискретизации и разрешающей способности. В связи с этим, необходимо провести подробное исследование разрешающей способности ФАР для С-сканирования.
Разрешающей способностью, по определению [118], является способность какой-либо системы обнаружения фиксировать два близко расположенных объекта раздельно. Разрешающая способность локационных устройств наиболее полно исследована в теории радиолокации [119-121]. Теоретический анализ данного параметра основан на критерии Рэлея, первоначально сформулированного для оптического излучения.
В приложении к антенным решёткам определяющим фактором в оценке разрешающей способности служит ширина ДН. Проведём аналитическое исследование данного параметра с учётом предложенного метода обработки парциальных сигналов для различной геометрии исполнения ФАР. Расчёты выполним для преобразователей круглой и прямоугольной формы, поскольку они наиболее просты в конструктивном исполнении.
Анализ выполним для акустического тракта, длина которого соответствует зоне дифракции Фраунгофера. Известно [122], что определение ДН антенны в этой зоне основано на вычислении интеграла Гюйгенса-Рэлея. При этом используется функция акустического давления. Правомерность такого решения вытекает из принципа взаимности приёмных и передающих систем. Общее выражение для интеграла Гюйгенса-Рэлея в цилиндрических координатах принимает вид
Организация ввода-вывода между управляющим контроллером и персональным компьютером
Многоканальный усилитель собран по традиционной схеме супергетеро динного усиления. Все его каналы полностью идентичны. Первый каскад яв ляется схемой с взаимозависимым смещением. Он служит для согласования с выходным импедансом ФАР, для апериодического усиления с коэффициентом 20 дБ ... 30 дБ и обладает высокой стабильностью в широком диапазоне тем ператур окружающей среды. Второй каскад собран на микросхеме К174ХА2, щ которая характеризуется многофункциональным применением. Она содержит предварительный усилитель, смеситель, УПЧ и двухканальную АРУ. Её коэффициент передачи достигает 40 дБ. Затем расположен каскад, предназначенный для согласования выходного сопротивления второго каскада с входным сопротивлением аналогового умножителя, а также для согласования уровней щ потенциалов по постоянному току. Умножитель собран на микросхеме К525ПС2. На два её входа поступают сигналы с выходов двух усилителей, конструктивно расположенных на одной печатной плате. Следует подчеркнуть, что входы усилителей присоединены к элементам соответствующей ли нейной акустической антенной решётки, которые размещены симметрично относительно её геометрической оси.
Последним каскадом является активный ФНЧ, выполненный на операционном усилителе К544УД2. Частота среза составляет 8 кГц ... 10 кГц. Коэффициент передачи не превышает двух. ФНЧ выполняет функцию подавления удвоенного значения промежуточной частоты и выделения низкочастотной компоненты результата перемножения.
Сигнал гетеродина поступает на преобразователь с соответствующих выходов многоканального многофазного гетеродина. В качестве основного элемента использован микропроцессор типа АТ89С2051. Для вертикального и горизонтального сканирования применяются отдельные микросхемы. Инверторы на микросхемах серии К561 используются в качестве буферных каскадов. Программа работы микропроцессоров составлена таким образом, что каждый цикл генерации частоты гетеродина начинается только после получения сигнала синхронизации с платы интерфейса, где расположен основной управляющий работой прибора микроконтроллер.
Шесть выходных сигналов, полученных в результате перемножения, поступают на схему обработки. Первый каскад в каналах вертикального и горизонтального отклонения выполняет роль сумматора. Он собран на операционном усилителе К140УД14 по схеме инвертирующего сумматора. Одновременно этот каскад служит детектором, который выпрямляет знакопеременный входной сигнал, и на выходе присутствует только одна положительная полярность. Затем сигнал дополнительно усиливается в десять раз каскадом на операционном усилителе К140УД14. Это необходимо для компенсации ослабления в перемножителе, который также выполнен на микросхеме К525ПС2А. На вход этого перемножителя поступают сигналы вертикального и горизонтального каналов, а выход подключён к схеме интерфейса.
Схема интерфейса выполняет две функции. Во-первых, управляет работой многоканального гетеродина путём синхронизации момента начала каждого цикла сканирования как по элементам строки, так и по каждой строке в целом. Во-вторых, осуществляет передачу данных по стандарту RS-232 в ЭВМ.
Гальваническую развязку между аппаратурой прибора и ЭВМ обеспечивают микросхемы ЗОТ110А, которые являются транзисторными оптопарами. Программное обеспечение аппаратуры пассивной акустической локации состоит из трёх частей. Первая из них обеспечивает работу многоканального гетеродина. Программа написана на языке ассемблера. Вторая часть предна значена для управления работой аппаратуры, синхронизации всех её узлов. Она обеспечивает также работу последовательного порта RS-232. Третья часть написана на языке высокого уровня Delphi. Она осуществляет формирование органов управления на экране дисплея персональной ЭВМ и реализует алгоритм управления работой локатора путём генерации необхо димых команд.
Управление ультразвуковым локатором осуществляется контроллером фирмы Atmel AT90S8535. Выбор данного контроллера осуществлен на основе анализа возможностей из ряда контроллеров производимых фирмой Atmel. Контроллер AT90S8535 имеет развитую периферию, прямо на кристалле рас щ полагаются три таймера-счетчика, ШИМ контроллер, последовательный порт, аналоговый компаратор, 10-разрядное АЦП с мультиплексором на 8 входов, память программ, энергонезависимая память, SPI интерфейс. К неоспоримым достоинствам серии АТ90 следует отнести возможность программировать контроллер последовательным программатором, наличие хорошей среды разра - ботки и отладки делает это контроллер очень удобным для решения подобных задач. Высокая производительность, хорошо продуманный язык ассемблера позволяет создавать очень эффективные управляющие программы. Применение контроллера позволяет отказаться от большого количества периферийных микросхем, таких как последовательный приемопередатчик, АЦП, таймер.
Связь между управляющим контроллером ультразвукового локатора и персональным компьютером (ПК) осуществляется по стандартному последовательному порту RS-232C. Связь осуществляется на скорости 38400 бит в секунду 8 бит, 1 стоп бит, без контроля четности. Драйвер приемопередатчика выполнен на оптронах АОТ101А С, и кроме функции преобразования стандартных ТТЛ сигналов в уровни порта RS-232C выполняет функции электрической развязки на напряжение до 1500 В. Связь с ПК осуществляется через разъем Х2. Для связи необходим кабель - удлинитель последовательного порта.
Обмен информацией между контроллером и ПК производится посредством пакетов. Пакет, передаваемый из ПК в контроллер, состоит из 5 байт: 1 байт - заголовок-команда. Следующие 3 байта данные, назначение которых определяется заголовком пакета. Последний байт - контрольная сумма CRC8. В пакете кроме передачи команд можно передавать и данные.
Проверка чувствительности, ограниченной собственными шумами электронного тракта
Проверка точности определения местоположения имитатора источника сигналов АЭ осуществлялась в соответствии со структурной схемой, изображённой нарис. 3.19.
Имитатор источника сигналов АЭ представлял собой фильеру калиброванного размера, через которую под давлением пропускалась вода, истекающая в озеро. Фильера была укреплена на герметичном металлическом резервуаре, в качестве которого использован стандартный газовый баллон. Предва-рительно баллон полностью заполнялся водой. Штатный вентильный вход был присоединён к другому газовому баллону, заполненному инертным газом -азотом. Соединение осуществлялось через редуктор, что обеспечивало поддержание постоянного избыточного давления в баллоне, наполненном водой.
Кроме того, редуктор позволял легко регулировать величину этого давления. В данном эксперименте оно составляло 10 атм. Баллон с газом заряжался до давления, равного 100 ... 150 атм.
1 Объём воды, вытекающей через фильеру, равнялся приблизительно 30 литрам. Этого количества было достаточно для работы в течение примерно одного часа. Очевидно, что время работы определялось величиной фильеры, » величиной давления газа через редуктор и глубиной погружения. Описанная конструкция показана на рис. 3.20. Она размещалась на дне озера. На берегу оставался только баллон с газом, который присоединялся к остальной конст рукции шлангом высокого давления. Местоположение имитатора источника сигналов АЭ фиксировалось поплавком, прикреплённым к помещённому в во # ду баллону в месте расположения фильеры.
Аппаратура визуализации сигналов АЭ размещалась на плавающей платформе, составленной из двух резиновых лодок, соединённых деревянным настилом. Питающее сетевое напряжение 220 В, 50 Гц подавалось с помощью двухпроводного кабеля, заключённого в резиновую влагостойкую оболочку.
Сначала после включения питания аппаратуры осуществлялась юстировка ФАР для получения максимума сигнала на экране дисплея ЭВМ. Затем ФАР перемещалась последовательно вдоль прямой линии с одинаковым шагом. Форма и амплитуда сигнала при этом каждый раз фиксировались в памяти ЭВМ в отдельном файле.
Технические параметры проверки: - давление - 10 атм.; - наклонная дальность до имитатора источника сигналов АЭ - 8 м.; - диаметр фильеры - 0,4 мм.
В результате анализа файла получены данные, помещённые в таблицу 3.5. Смещение изображения на экране дисплея, выраженное в сантиметрах, пересчитано для расстояния 8 метров. Проверка осуществлялась по структурной схеме, изображённой на рис. 3.19.
Первоначальное обнаружение имитатора источника сигналов АЭ происходило на небольшом расстоянии, заведомо достаточном для получения большого уровня сигнала. Затем расстояние плавно увеличивалось до тех пор, пока сигнал на выходе аппаратуры не уменьшался практически до нуля. Это расстояние фиксировалось как максимальная дальность работы прибора «ПАЛ-121». Полученные данные помещены в таблицу 3.6.
1. Использование результатов, полученных в ходе теоретического анализа, позволяет осуществить инженерное проектирование двумерной ФАР для обнаружения сигналов АЭ, генерируемых утечками в ПТ.
2. Разработан и изготовлен прибор контроля герметичности ПТ ПАЛ-121, что подтверждает практическую реализуемость предложенного метода обработки сигналов акустической ФАР.
3. Относительная точность регистрации местоположения источника сигналов АЭ составила 1...2. На расстоянии 8 метров абсолютная точность оказалась не хуже ±14 см.
4. Максимальная дальность действия разработанной аппаратуры составила 8,8 м при диаметре сквозного дефекта, равного 0,4 мм, и давлении в трубопроводе, равном 10 атм.
