RU2186356C2 - Method measuring sound pressure of leak in tested object and gear for its implementation - Google Patents
Method measuring sound pressure of leak in tested object and gear for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2186356C2 RU2186356C2 RU2000119934A RU2000119934A RU2186356C2 RU 2186356 C2 RU2186356 C2 RU 2186356C2 RU 2000119934 A RU2000119934 A RU 2000119934A RU 2000119934 A RU2000119934 A RU 2000119934A RU 2186356 C2 RU2186356 C2 RU 2186356C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- leak
- sensors
- sound
- pressure
- distance
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Examining Or Testing Airtightness (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в народном хозяйстве для измерения звукового давления (пульсаций давления) акустического происхождения, в частности для контроля и диагностики герметичности трубопроводов (с теплоизоляцией и без теплоизоляции) и оборудования с реакторами РБМК, ВВР на АЭС. The invention relates to measuring equipment and can be used in the national economy for measuring sound pressure (pressure pulsations) of acoustic origin, in particular for monitoring and diagnosing the tightness of pipelines (with and without thermal insulation) and equipment with RBMK and VVR reactors at nuclear power plants.
Известен течеискатель масс-спектрометрический, содержащий датчик, камеру для размещения датчика, насосы для откачки, вакууметры, криоэлементы. Для повышения чувствительности течеискателя камера датчика образована поверхностями криоэлементов. Known leak detector mass spectrometric, containing a sensor, a camera for placing the sensor, pumps for pumping, vacuum gauges, cryoelements. To increase the sensitivity of the leak detector, the sensor chamber is formed by the surfaces of cryoelements.
Прибор позволяет искать течи при размещении его в исследуемом объекте с помощью оператора (а.с. СССР 615375(21), 2375239/25-28, 62016529, 1976 г., G 01 М 3/00. Течеискатель. Авторы: Р.В. Бизяев, В.И. Барышников, С.Ф. Гришин и др.). The device allows you to search for leaks when placing it in the studied object using the operator (AS USSR 615375 (21), 2375239 / 25-28, 62016529, 1976, G 01 M 3/00. Leak detector. Authors: R.V Bizyaev, V.I. Baryshnikov, S.F. Grishin and others).
Течеискатель имеет следующие недостатки: отсутствие возможности дистанционного контроля течи исследуемого объекта, большой вес, габариты, высокая стоимость при обнаружении течей исследуемого объекта больших размеров в штатном режиме эксплуатации. The leak detector has the following disadvantages: the inability to remotely monitor leaks of the investigated object, heavy weight, dimensions, high cost when detecting leaks of the large object under study in normal operation.
Известен способ обнаружения места течи в продуваемом исследуемом теле с использованием теплового эффекта. Причем исследуемый объект помещают в камеру, в которой постоянно поддерживают одинаковую температуру. С высокой точностью измеряют тепловое излучение продуваемого объекта и выделяют в качестве места течи на постоянном тепловом изображении участки с пониженным тепловым излучением на поверхности исследуемого объекта. A known method of detecting a leak in a test body being blown using a thermal effect. Moreover, the test object is placed in a chamber in which the same temperature is constantly maintained. The thermal radiation of the object being blown is measured with high accuracy and the areas with reduced thermal radiation on the surface of the object under study are identified as a leak point on a constant thermal image.
Такое решение позволяет контролировать течи из исследуемого объекта путем создания на его поверхности теплового излучения. Об изменении теплового излучения свидетельствует появление течи (Система обнаружения утечки. Патент ФРГ (ДЕ), УДК 620165.29, G 01 М 3/00, 11/08, 1989 г., заявка 053725063, публикация 890209 6). This solution allows you to control leaks from the investigated object by creating thermal radiation on its surface. A change in thermal radiation is indicated by the appearance of a leak (Leak detection system. German patent (DE), UDC 620165.29, G 01 M 3/00, 11/08, 1989, application 053725063, publication 890209 6).
Недостатки этого способа определения места нахождения течи исследуемого объекта заключаются в следующем: требуется стабильный источник излучения тепла, невозможно определить место нахождения течи, когда температура исследуемого объекта намного больше температуры излучаемого источника тепла, трудно эксплуатировать при длительных штатных режимах работы исследуемого объекта, высокая стоимость. The disadvantages of this method for determining the location of a leak of a test object are as follows: a stable source of heat radiation is required, it is impossible to determine the location of a leak when the temperature of the test object is much higher than the temperature of the radiated heat source, it is difficult to operate with long-term standard operating conditions of the test object, high cost.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является течеискатель, содержащий датчик. Датчик помещен в камеру. Течеискатель также содержит вакуумный насос, вакууметры, вымораживавшую ловушку и электронную систему с широкодиапазонным стабилизатором напряжения. Для одновременной стабилизации ускоряющего напряжения он снабжен электростатическим цилиндрическим конденсатором. Широкополосный стабилизатор напряжения электронной системы выполнен с комплектом стабилизаторов, соответствующим различным пробным газам. Для подачи в камеру масс-спектрометра пробного газа с наименьшим количеством примесей он снабжен диффузионным насосом. Closest to the proposed invention, the technical solution is a leak detector containing a sensor. The sensor is placed in the camera. The leak detector also contains a vacuum pump, vacuum gauges, a frozen trap and an electronic system with a wide-range voltage regulator. To simultaneously stabilize the accelerating voltage, it is equipped with an electrostatic cylindrical capacitor. The broadband voltage stabilizer of the electronic system is made with a set of stabilizers corresponding to various test gases. For supplying a test gas with the least amount of impurities to the mass spectrometer chamber, it is equipped with a diffusion pump.
Такое конструктивное решение устройства позволяет обнаружить течи путем монтирования его на поверхности исследуемого объекта (Масс-спектрометрический течеискатель. а. с. СССР 783611, 2717156/25-28 (22), 270179, G 01 M 3/00, (53)620165.29(72), авторы: Е. А. Борисов. В.Ю.Брофман и др.). Such a constructive solution of the device makes it possible to detect leaks by mounting it on the surface of the test object (Mass spectrometric leak detector. A.S. USSR 783611, 2717156 / 25-28 (22), 270179, G 01 M 3/00, (53) 620165.29 ( 72), authors: E. A. Borisov. V. Yu. Brofman and others).
Недостатки этого устройства практически совпадают с недостатками устройства-аналога с той разницей, что это устройство громоздко и менее надежно. The disadvantages of this device almost coincide with the disadvantages of a similar device with the difference that this device is bulky and less reliable.
Наиболее близким техническим решением является способ для нахождения течи. Датчик монтируют на поверхности объекта, помещают его в камеру и создают вакуум. Для стабилизации выходного сигнала с выхода датчика используют электростатический цилиндрический конденсатор. Выбирают угол фокусировки конденсатора Затем обнаруженную течь преобразуют в электрический сигнал с помощью датчика, согласуют, усиливают с помощью электронных блоков и подают на вход индикатора для обработки. В принципе обнаружения течи заложено соотношение, определенное эмпирической формулой
где Ткр.ж - температура кипения криогенжидкости, используемой в течеиокателе; температура кипения жидкого азота; Wдиф, - номинальная мощность нагревания диффузионного насоса; Wдоп.диф - мощность нагревания дополнительного диффузионного насоса; М - масса пробного газа.The closest technical solution is a method for finding leaks. The sensor is mounted on the surface of the object, placed in a chamber and create a vacuum. To stabilize the output signal from the output of the sensor, an electrostatic cylindrical capacitor is used. Select the focus angle of the capacitor Then, the detected leak is converted into an electrical signal using a sensor, coordinated, amplified by electronic blocks and fed to the input of the indicator for processing. The principle of leak detection is based on the relation defined by the empirical formula
where T cr.zh is the boiling point of the cryogenic fluid used in the leak detector; boiling point of liquid nitrogen; W diff, is the nominal heating power of the diffusion pump; W add.dif - heating power of an additional diffusion pump; M is the mass of the test gas.
Такой способ обнаружения течи осуществляют путем монтирования течеискателя на поверхности исследуемого объекта (а. с. СССР 783611, 2717156/25-28, G 01 М 3/00, 1979 г. "Масс-спектрометрический течеискатель" Авторы: Борисов В.Ю. Бронфман В.П. и др.). This method of detecting leaks is carried out by mounting a leak detector on the surface of the object under study (A.S. USSR 783611, 2717156 / 25-28, G 01 M 3/00, 1979 "Mass spectrometric leak detector" Authors: Borisov V.Yu. Bronfman V.P. et al.).
Недостатки способа обнаружения течи исследуемого объекта следующие: отсутствие возможности обнаружения течи на больших расстояниях от объекта, дистанционно. The disadvantages of the method for detecting leaks of the investigated object are as follows: the lack of the ability to detect leaks at large distances from the object, remotely.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности исследуемого объекта, (ИО), в частности контроля герметичности оборудования теплоэнергетических установок высокой температуры с разными реакторами АЭС и другими подобными установками за счет обнаружения течи теплоносителя. The objective of the present invention is to increase the reliability of the studied object, (IO), in particular the tightness control of the equipment of heat power plants with high temperature with different reactors of nuclear power plants and other similar installations by detecting leakage of the coolant.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения звукового давления течи, содержащем емкостные датчики звукового давления, выход которых соединен с входами согласующих усилителей заряда, а их выходы через усилители напряжения соединены со входами индикатора, в нем выходы источника поляризации соответственно соединены со входом индикатора, согласующих усилителей и усилителей напряжения, причем расстояние d между точками звука-течи и датчиками выбирают больше или равное d≥2D2/λ, где D - максимальный размер датчика; λ- длина волны течи, причем расстояние между источниками звукового давления течи и отражающими предметами равно d1≈5÷6d2, при этом расстояние между датчиками и отражателями d2 также намного больше расстояния d, расстояние между датчиками R≥1/6λ, причем количество датчиков или контролируемых точек по всей длине объекта равно где L - максимальная длина контролируемого исследуемого объекта.The technical result is achieved in that in a device for measuring sound pressure of a leak containing capacitive sound pressure sensors, the output of which is connected to the inputs of matching charge amplifiers, and their outputs through voltage amplifiers are connected to the inputs of the indicator, in it the outputs of the polarization source are respectively connected to the input of the indicator matching amplifiers and voltage amplifiers, moreover, the distance d between the sound leak points and the sensors is chosen to be greater than or equal to d≥2D 2 / λ, where D is the maximum sensor size; λ is the wavelength of the leak, and the distance between the sound pressure sources of the leak and reflective objects is d 1 ≈5 ÷ 6d 2 , while the distance between the sensors and reflectors d 2 is also much greater than the distance d, the distance between the sensors is R≥1 / 6λ, and the number of sensors or monitored points along the entire length of the object is where L is the maximum length of the controlled object under study.
Технический результат также достигается тем, что в способе измерения звукового давления течи, в котором на мембране емкостного датчика создают давление течи, затем преобразуют давление в электрический сигнал, усиливают его, обрабатывают, запоминают, регистрируют, в нем датчики устанавливают от поверхности исследуемого объекта на заданном расстоянии d, расстояние между датчиками R выбирают таким, чтобы они между собой не взаимодействовали, при этом датчики измеряют фоновые акустические шумы и помехи, в случае возникновения течи на поверхности исследуемого объекта в точках х1, х2, ..., хn датчики измеряют давление течи возникающее в этих точках, затем в условиях эксплуатации при возникновении других течей в точках на расстояниях между течей Rx<R, при этом каждым датчиком в отдельности измеряют суммарное давление попарно двух течей как: датчик 2 измеряет датчик 3 измеряет или и т.д., причем при наличии отражения от местные предметов на расстоянии d1, между отражающими предметами и течями, являющимися источниками звука течей в замкнутом небольшом и большом помещениях, датчиками измеряют сумму среднего квадрата прямых и отраженных звуковых давлений течи затем определяют работоспособность исследуемого объекта по уровням измеряемых звуковых давлений течи, на экране индикатора фиксируют точки повреждения, их количество и их спектральные характеристики, возникающие на поверхности объекта исследования.The technical result is also achieved by the fact that in the method for measuring the sound pressure of a leak, in which a leak pressure is created on the membrane of a capacitive sensor, then pressure is converted into an electrical signal, amplified, processed, stored, recorded, sensors are installed in it from the surface of the object under study at a predetermined distance d, the distance between the sensors R is chosen so that they do not interact with each other, while the sensors measure background acoustic noise and interference, in the event of a leak on top the studied object at points x 1 , x 2 , ..., x n, the sensors measure the leak pressure occurring at these points, then under operating conditions when other leaks occur at the points at the distances between the leaks R x <R, while each sensor individually measures the total pressure in pairs of two leaks as:
На фиг. 1а, б изображена блок-схема устройства и отдельные узлы исследуемого объекта I, в частности пароводяного трубопровода с наружным диаметром 2r (фиг.1а). На поверхности объекта в качестве течи, т.е. источника излучаемого звукового давления (пульсаций давления) изображены повреждения в виде трещин формой эллипса или окружности в точках х1, x2, x3, ..., xn. Источники звуковой мощности N1, N2, N3, ..., Nn и звукового давления Через объект протекает поток пароводяной смеси "В" с температурой 280oС и давлением 7•106Па. Устройство содержит емкостные датчики пульсаций давления 2,3,4. Отражатель от местных предметов условно изображен цифрой 5 (отражение от стенок помещения, от конструкций и крепежных средств). Также устройство содержит согласующие усилители заряда 6,7,8, усилители напряжения 9,10,11, индикатор 12 и источник поляризации датчиков и питания усилителей 13.In FIG. 1a, b shows a block diagram of the device and the individual nodes of the test object I, in particular a steam-water pipeline with an outer diameter of 2r (figa). On the surface of the object as a leak, i.e. the source of the emitted sound pressure (pressure pulsations) shows damage in the form of cracks in the shape of an ellipse or a circle at points x 1 , x 2 , x 3 , ..., x n . Sources of sound power N 1 , N 2 , N 3 , ..., N n and sound pressure Through the object flows a stream of steam-water mixture "B" with a temperature of 280 o C and a pressure of 7 • 10 6 PA. The device contains capacitive
Звуковое давление из источников течи теплоносителя x1, ..., xn в виде пароводяной смеси поступает на ЕЧЭ емкостных датчиков 2,3,4. Преобразованное звуковое давление в виде электрического напряжения с выхода ЕЧЭ согласовано в усилителях заряда 6,7,8 и через усилители напряжения 9,10,11 поступает на индикатор 12 для дальнейшей обработки и определения состояния исследуемого объекта 1. Датчики поляризуются источником постоянного тока 13. Блок 13 питает также усилители заряда 6,7,8 и усилители напряжения 9,10,11. Индикатор 12, кроме обработки и выдачи результатов измерения, при необходимости также обеспечивает регулирование напряжения поляризации датчиков и коэффициента усиления нормирующих усилителей напряжения при измерении высоких уровней давлений.Sound pressure from the sources of coolant leak x 1 , ..., x n in the form of a steam-water mixture is supplied to the ECH of
Емкостной датчик звукового давления разработан на базе известных тонкопленочных емкостных чувствительных элементов. Мембрана датчика разработана на базе высокотемпературного влагостойкого сплава. Также в конструкции датчика использована полиамидная пленка о рабочей температурой -269÷+300oС. В корпусе датчика ЕЧЭ защищен от влажности путем использования влагостойкого композита.The capacitive sound pressure sensor is developed on the basis of well-known thin-film capacitive sensing elements. The sensor membrane is designed on the basis of a high-temperature moisture-resistant alloy. Also, a polyamide film with an operating temperature of -269 ÷ + 300 ° C was used in the sensor design. In the sensor housing, the EEC is protected from moisture by using a moisture-resistant composite.
Расстояние между трубопроводом и датчиками d обеспечивает измерение звукового давления в дальнем поле. Расстояние между датчиками R выбирают так, чтобы исключить взаимовлияние (взаимодействие) между собой. При этом при возникновении случайного источника звука мощностью Nх, т.е. повреждения Хx мощностью Nx между течей x1, x2, ..., xn, показания емкостных датчиков могут удваиваться и даже больше. Диффракционные явления от отражателя 5 в стадии измерения от стен помещения, пола и других установок показаны условно. Влияние диффракции на результаты измерения уточняют и корректируют путем экспериментального исследования.The distance between the pipeline and the sensors d provides a measurement of sound pressure in the far field. The distance between the sensors R is chosen so as to exclude interference (interaction) with each other. Moreover, when a random sound source with a power of N x occurs, i.e. damage X x power N x between the leaks x 1 , x 2 , ..., x n , the capacitive sensors can double or even more. Diffraction phenomena from the
Практически устройство можно реализовать как в одноканальном, так и в многоканальном (до нескольких десятков) исполнении. Предполагают, что источники звука в точках xx возникают случайно в стадии эксплуатации трубопроводов.In practice, the device can be implemented in both single-channel and multi-channel (up to several tens) versions. It is assumed that sound sources at points x x arise randomly during the operation of pipelines.
1. Способ определения пульсаций давления в месте повреждения исследуемого объекта реализуется следующим образом:
а. При фиксированном расположении датчиков 2,3,4..., измеряют фоновые, акустические, тепловые шумы и помехи.1. The method of determining pressure pulsations at the site of damage to the investigated object is implemented as follows:
a. With a fixed arrangement of
б. Определяют вид волны (излучения) звукового давления, исходящего из исследуемого объекта I. Известно, что звук возникает тогда, когда среда динамически возмущена. Быстрое возмущение среды плотностью ρ, скоростью частиц Vx и температурой θ влияет на звуковое давление Р. Теплоноситель и объект исследований имеют сравнительно низкую теплоемкость, распространение звука очень близко к адиабатическому даже на низких частотах. Звуковое давление является зависимым от плотности теплоносителя. В звуковом потоке плоские и цилиндрические волны возникают вблизи источников звуков x1, ..., хn и излучают звуковую энергию N1, ..., Nn во всех направлениях и на больших расстояниях от источников х1...,хn и все звуковые волны превращаются в сферические. С учетом вышесказанного используют известное волновое уравнение в сферических координатах как:
где С - скорость распространения звука; t - текущее время; ф - потенциал скорости. Волновое уравнение при сферическом распространении звука имеет вид:
rФ=f1(ct-r)+f2(ct+r)
где f1(ct-r) - волна, выходящая из источника и бегущая в интересующем нас положительном направлении оси 2. Поскольку нас интересуют расходящиеся от источника волны, то звуковое давление определяют как:
где f' - производная от f=ct-r, тогда f'=С.b. Determine the type of wave (radiation) of sound pressure emanating from the investigated object I. It is known that sound arises when the medium is dynamically disturbed. The fast disturbance of the medium with density ρ, particle velocity V x and temperature θ affects the sound pressure P. The heat carrier and the object of research have a relatively low heat capacity, the sound propagation is very close to adiabatic even at low frequencies. Sound pressure is dependent on the density of the coolant. In a sound stream, plane and cylindrical waves arise near sources of sounds x 1 , ..., x n and emit sound energy N 1 , ..., N n in all directions and at large distances from sources x 1 ..., x n and all sound waves turn into spherical. In view of the foregoing, the well-known wave equation in spherical coordinates is used as:
where C is the speed of sound propagation; t is the current time; f is the speed potential. The wave equation for spherical sound propagation has the form:
rФ = f 1 (ct-r) + f 2 (ct + r)
where f 1 (ct-r) is the wave emerging from the source and traveling in the positive direction of the
where f 'is the derivative of f = ct-r, then f' = C.
Из результатов известного решения определяют основные параметры в случае гармонических излучений и имеют давление
скорость частиц в ближнем и дальнем полях как:
где Ро - постоянная амплитуда давления; ω- угловая частота; ρ- плотность среды; к - волновое число. (Е. Скучик. Простые и сложные колебательные системы. Изд-во "Мир", М., 1971, глава 12. Сферические волны, стр.396-399, фиг. 12.3). Из уравнения Vближ. cлeдyет, что скорость частиц в ближнем поле отстает по фазе на 90o от давления и представляет собой звуковое поле.From the results of the known solution, the main parameters are determined in the case of harmonic radiation and have a pressure
particle velocity in the near and far fields as:
where P about - constant pressure amplitude; ω is the angular frequency; ρ is the density of the medium; k is the wave number. (E. Skuchik. Simple and complex oscillatory systems. Mir Publishing House, Moscow, 1971,
Плотность газа (воздуха) ρ в зависимости от температуры и атмосферного давления Ра определяют как:
где Ра - давление, мм рт.ст.; абсолютная температура,oК:
Плотность воздуха при температуре 0oС и давлении 760 мм рт.ст. равняется ρ=1,2929 кг/м3.The density of gas (air) ρ depending on temperature and atmospheric pressure Ra is defined as:
where R a - pressure, mm Hg; absolute temperature, o K:
The density of air at a temperature of 0 o C and a pressure of 760 mm Hg equals ρ = 1.2929 kg / m 3 .
Длину волны определяют как расстояние, которое пройдет бегущая волна за один период колебаний: λ = cT = c/f = 2πc/ω, где f - частота распространения волны. Волновое число определяют через длину волны как: к = ω/c = 2πf/c = 2π/λ.
Далее показывают, что на распространение звукового давления влияют теплоемкость Ср воздуха при постоянном атмосферном давлении Pa и при постоянном объеме Сv и температуре (при атмосферном давлении Ра=105Па, температуре 0oC, Ср=0,2398 кал/гoС и отношении теплоемкости j=Cp/Cv=1,4032, при увеличении температуры 100oС Ср-0,2404 кал/гoС, j=1,401; 400oС - Ср=0,24330 кад/гoС, j=1,993). Влияние вязкости на распространение звукового давления в воздухе выражают через кинетический коэффициент вязкости V. Для воздуха этот коэффициент V=0,151см2/С при 18oС и атмосферном давлении 760 мм рт.ст. Коэффициент теплопроводности водяного пара 100oС составляет 0,0551•10-3 кал/см с. рад. (Л. Беранек. Акустические измерения. М., 1952, глава I, с. 7-17. табл.1-9).The wavelength is defined as the distance that a traveling wave travels in one oscillation period: λ = cT = c / f = 2πc / ω, where f is the wave propagation frequency. The wave number is determined through the wavelength as: k = ω / c = 2πf / c = 2π / λ.
It is further shown that the heat capacity C p of air at a constant atmospheric pressure Pa and at a constant volume C v and temperature (at atmospheric pressure P a = 10 5 Pa, temperature 0 o C, C p = 0.2398 cal / g o С and heat capacity ratio j = C p / C v = 1,4032, with an increase in temperature of 100 o С С p -0,2404 cal / g o С, j = 1,401; 400 o С - С p = 0,24330 cad / g o C, j = 1,993). The effect of viscosity on the propagation of sound pressure in air is expressed through the kinetic coefficient of viscosity V. For air, this coefficient is V = 0.151 cm 2 / C at 18 o C and atmospheric pressure 760 mm Hg. The coefficient of thermal conductivity of
Зависимость изменения плотности воздуха ρ от барометрического давления линейна и с ростом давления ρ возрастает, а при увеличении температуры плотность воздуха падает. При изменении температуры от +30 до +300oС и давлении 760 мм рт.ст. определяют изменение плотности воздуха ρ 30oС=1,116 кг/м3; ρ 300oС= 0,615 кг/м3. Скорость распространения звука для малых амплитуд звука определяют формулой
где j= 1,403 (при Pa=105Па и θ=0oС). Если температура сильно отличается от 20oC, то более точную оценку дает формула
в. Измеряют звуковое давление датчиками 2,3,4..., определяют вид волны, излучаемой из точки повреждения исследуемого объекта (ИО) (фиг.1б). Допускают, что размеры ИО и отдельные размеры повреждения на поверхности ИО, по которой распространяются волны звукового давления, будут малы по сравнению с длиной волны, причем давление на выходе отрезка ИО сечением S=const, т.е. на входе ее продолжения и на выходе площадь ИО не изменяется (фиг.1б). При этом в точках повреждения под действием падающей волны возникает отраженная проходящая волна давления и колебательные процессы в импендансе zσ, на поверхности ИО возникают течи в точках х1, ..., х2, ..., xn. Согласно фиг.1б имеют давление и скорость падающую волну
давление и скорость отраженную волну
давление и скорость проходящую волну
Pt про = Pотрcos(ωt-кr);
волну, проходящую в местах повреждений (разветвлений), имеют давление и скорость
В точках повреждений х1= 0,х2=0, х3=0....,хх=0 течи излучают давление непрерывно, т. e. Pi пад+Pr отр+Pt проx.= Pσ. При этом в местах повреждения ИО отсутствуют перепады давления в связи с отсутствием таких акустических повреждений, как упругого или инерционного импенданса, и объемная скорость распространяется в звуковой волне непрерывно.The dependence of the change in air density ρ on barometric pressure is linear and increases with increasing pressure ρ, and with increasing temperature, the density of air decreases. When the temperature changes from +30 to +300 o C and a pressure of 760 mm Hg determine the change in air density ρ 30 o C = 1,116 kg / m 3 ; ρ 300 o C = 0.615 kg / m 3 . The speed of sound propagation for small amplitudes of sound is determined by the formula
where j = 1,403 (when P a = 10 5 Pa and θ = 0 o C). If the temperature is very different from 20 o C, then a more accurate estimate gives the formula
in. Sound pressure is measured by
pressure and speed reflected wave
pressure and speed of a passing wave
P t = P pro Neg cos (ωt-Kr);
the wave passing in the places of damage (branching) have pressure and speed
At the points of damage x 1 = 0, x 2 = 0, x 3 = 0 ...., x x = 0 leaks emit pressure continuously, i.e. P i pad + P r neg + P t prox. = P σ . At the same time, there are no pressure drops at the sites of damage to the EUT due to the absence of acoustic damage such as elastic or inertial impedance, and the space velocity propagates continuously in the sound wave.
Далее звуковое давление Pσ течи, преобразованное в электрический сигнал согласуют в усилителе заряда, усиливают в усилителе напряжения и подают на индикатор для дальнейшего анализа.Next, the sound pressure P σ of the leak, converted into an electric signal, is matched in a charge amplifier, amplified in a voltage amplifier, and fed to an indicator for further analysis.
2. Определяют взаимодействие между источниками излучения звукового давления течи поступающие на входы датчиков 2,3,4....:
а) Направляют датчики 2,3,4... в предполагаемые места течей и выбирают расстояние R между датчиками таким, чтобы отсутствовало взаимодействие между давлением. При этом каждый датчик регистрирует давление течи
б) В стадии эксплуатации возникают течи (повреждения) между точками x1, x2, x3, ..., xn и расстояние между ними R становится таковым Rx, что источники звука течи взаимодействуют между собой. При этом воспользуемся тем, что основные уравнения звукового поля линейны, тогда давление течи является давлением, создаваемым одним из пары течи источников, а давлением, создаваемым другим источником течи. При этом на входы датчиков поступают попарно из двух течей или Согласно правилу суммирования мощностей получают, что полная мощность звука не равна сумме мощностей излучения каждого из источников течей, а пропорциональна величине
где через Re обозначена действительная часть P = α+jβ; P* = α-jβ. Взаимодействие между двумя соседними источниками течей характеризуют как Чтобы из каждого источника звука течи регистрировать давление в отдельности без влияния друг друга, два источника звукового давления течи, возникающего из-за повреждения ИО, должны быть некогерентны. В случае возникновения течи в одной из точек, т.е. датчик показывает значение давления течи
При этом воспользуемся тем, что излучение звукового давления из двух источников не взаимодействуют, если расстояние R>>Rx, где R≥1/6λ. Тогда количество (число) контролируемых точек течей или количество датчиков выбирают из соотношений где L - длина ИО. Это условие обеспечивают так. В точке х1 располагают источники звукового давления (в частности, электродинамик) на расстоянии d от датчика 2 и задают ожидаемое контролируемое давление Pσ. При этом датчик 3 удаляют от датчика 2 на расстояние R и в этом положении на выходе датчика 3 от воздействия источника регистрируют сигнал, равный нулю, т.е. В этом положении одновременно градуируют измерительный канал и определяют коэффициенты преобразований. Аналогичным образом поступают с другими источниками, т.е. располагают источник звука в точке x2 и определяют места расположения датчика 4, и т.д.2. Determine the interaction between radiation sources of sound pressure leakage arriving at the inputs of the
a) Direct the
b) During operation, leaks (damage) occur between the points x 1 , x 2 , x 3 , ..., x n and the distance R between them becomes such that R x such that the sound sources of the leak interact with each other. In doing so, we take advantage of the fact that the basic equations of the sound field are linear, then the pressure leak is the pressure created by one of a pair of leak sources, and pressure created by another leak source. At the same time, the inputs of the sensors come in pairs from two leaks or According to the power summation rule, it turns out that the total sound power is not equal to the sum of the radiation powers of each of the leak sources, but is proportional to
where Re denotes the real part P = α + jβ; P * = α-jβ. The interaction between two adjacent leak sources is characterized as In order to record pressure separately from each sound source of a leak without affecting each other, the two sources of leak sound pressure arising due to damage to the EUT should be incoherent. In the event of a leak at one of the points, i.e. sensor shows leak pressure
In this case, we will use the fact that the sound pressure radiation from two sources do not interact if the distance is R >> R x , where R≥1 / 6λ. Then the number (number) of monitored leak points or the number of sensors is selected from the relations where L is the length of the IO. This condition is provided as follows. At point x 1 , sound pressure sources (in particular, an electrodynamic speaker) are located at a distance d from
Как правило, допустимое соотношение между прямыми и отраженным сигналами, чтобы можно было пренебречь влиянием отраженного сигнала, должно быть не меньше 10:1. При этом, чтобы определить расстояние между течей и отражателей от местных предметов d1 и течи и датчиками d2, чтобы не было влияния отраженным сигналом, величину d1 выбирают как: d1≈5÷6d2.As a rule, the allowable ratio between direct and reflected signals, so that the influence of the reflected signal can be neglected, should be at least 10: 1. Moreover, in order to determine the distance between leaks and reflectors from local objects d 1 and leaks and sensors d 2 so that there is no influence by the reflected signal, the value of d 1 is chosen as: d 1 ≈5 ÷ 6d 2 .
3. Определяют расположение датчиков относительно источников течей d в точках х1, х2,х3,...хn. Пользуются тем, что в пределах небольших расстояний звук распространяется по закону сферической волны или звуковое давление изменяется обратно пропорционально расстоянию. Кроме того, расстояние d между источниками течей звука (в точках x1,x2,...xn ) и датчиками 2,3,4 выбирают значительно меньше, чем расстояние d1 между источниками течей звука и отражающими предметами 5. В этом случае измеряют полезный сигнал течей больше, чем отраженный сигнал от местных предметов 5 (фиг.1).3. Determine the location of the sensors relative to the sources of leaks d at points x 1 , x 2 , x 3 , ... x n . They use the fact that within small distances the sound propagates according to the law of a spherical wave or the sound pressure varies inversely with the distance. In addition, the distance d between the sources of the sound leaks (at points x 1 , x 2 , ... x n ) and the
Практически допустимое значение между датчиками и источниками течей звука d выбирают также таким, чтобы контролируемые звуковые давления течи в месте повреждения ИО отличались от отраженных сигналов, помех и фоновых шумов на ~20-30 дБ (~ в 6,3...9,9 раз). Предполагают, что в местах повреждения ИО возникают "точечные" источники течей звука, создающие сферическую волну, и место нахождения датчика на расстоянии d должно быть таким, чтобы кривизна фронта падающей волны течи была незначительной. Это условие выполняют, если расстояние между датчиками и источниками звука течи выбирают (2π/λ)d>>2. Чтобы не было отражения от датчиков, величину d выбирают больше максимального размера датчика D (фиг.1). При этом для сохранения направленного действия датчика величину d выбирают как d≥2D2/λ. В этом случае выбирают расстояние d2 между датчиками и отражателями намного больше, чем расстояние d между источниками звука и датчиками. Это позволяет исключить отражения или реверберации от местных предметов и помещения на расстояние d2.The practically acceptable value between the sensors and sources of sound leaks d is also chosen so that the monitored sound pressure leaks at the site of damage to the EUT differ from the reflected signals, noise and background noise by ~ 20-30 dB (~ 6.3 ... 9.9 time). It is assumed that in the places of damage to the IO, "point" sources of sound leaks arise, creating a spherical wave, and the location of the sensor at a distance d must be such that the curvature of the front of the incident leak wave is insignificant. This condition is satisfied if the distance between the sensors and the sound sources of the leak is chosen (2π / λ) d >> 2. So that there is no reflection from the sensors, the value of d is chosen greater than the maximum size of the sensor D (Fig. 1). Moreover, to preserve the directional action of the sensor, the value of d is chosen as d≥2D 2 / λ. In this case, the distance d 2 between the sensors and reflectors is chosen to be much larger than the distance d between the sound sources and the sensors. This eliminates the reflection or reverb from local objects and premises at a distance of d 2 .
4. В случае, когда практически невозможно обеспечить условие d2>>d, возникает эффект реверберации в помещении от местных предметов и вызывает помехи, тогда источник повреждений, являющийся источником излучения звука, возмущает акустическое поле в помещении, состоящее из контролируемых звуковых давлений (измеряемых) и многократно отраженных или реверберационных звуков. Реверберационные шумы прежде чем достигают датчиков, проходят бесконечное число случайных отражений от помещения и местных предметов.4. In the case when it is almost impossible to ensure the condition d 2 >> d, the reverberation effect in the room from local objects occurs and causes interference, then the source of damage, which is the source of sound radiation, perturbes the acoustic field in the room, consisting of controlled sound pressures (measured ) and repeatedly reflected or reverb sounds. Reverb noises before reaching the sensors go through an infinite number of random reflections from the room and local objects.
а) На основании статической теории звукового поля в замкнутом небольшом помещении определяют зависимость среднего квадрата звукового давления течи ИО на расстоянии d от датчиков как:
где - значения средних квадратов звуковых давлений и течей прямых и отраженных звуков; ρ- плотность среды; N - мощность источника звука; к = αсрS/(1-αср) - постоянная помещения; αср- средний коэффициент поглощения в помещении; S - площадь ограничивающих поверхностей помещения; αсрS - поглощение помещения; С - скорость звука; Dn, Dm - значения факторов направленности источников звука и датчиков давления. При этом с целью облегчения рассматриваемой задачи пользуются тем, что все источники повреждений ИО имеют одинаковую мощность N1= N2= N3= ...=Nn; и все перечисленные параметры K, Dn, Dm - одинаковые для каждого контролируемого места повреждения. Из последнего уравнения получают, что средний квадрат звукового давления течи в прямом поле излучений - функция от расстояния d определяется как:
уменьшается обратно пропорционально d2 и является функцией от направленности источников звука течи и датчиков. Средний квадрат отраженного давления течи в отраженном звуковом поле определяют как:
который зависит от акустического качества помещения и является определением отраженного и реверберационного фонового шума.a) Based on the static theory of the sound field in a closed small room, determine the dependence of the average square of the sound pressure of the leak of the EUT at a distance d from the sensors as:
Where - mean square values of sound pressures and leaks of direct and reflected sounds; ρ is the density of the medium; N is the power of the sound source; k = α cf S / (1-α cf ) - room constant; α cf - the average absorption coefficient in the room; S is the area of the bounding surfaces of the room; α cf S - absorption of the room; C is the speed of sound; D n , D m - values of directivity factors of sound sources and pressure sensors. Moreover, in order to facilitate the problem under consideration, they use the fact that all sources of damage to the EUT have the same power N 1 = N 2 = N 3 = ... = N n ; and all of the listed parameters K, D n , D m are the same for each controlled location of damage. From the last equation it is obtained that the average square of the sound pressure of a leak in a direct radiation field - a function of distance d is defined as:
decreases inversely with d 2 and is a function of the directivity of the sound sources of the leak and the sensors. The average square of the reflected leakage pressure in the reflected sound field is defined as:
which depends on the acoustic quality of the room and is the definition of reflected and reverberative background noise.
В качестве параметра акустического поля выбирают акустическую энергию Q в местах повреждений, т. е. источников звука течей ИО. Для этого используют известное акустическое отношение:
где
Величину do называют радиусом помещения, при котором при равных между собой уровне звукового давления поля прямых звуковых Lпря и поле отраженных звуковых Lотр волн, имеют показывающее пропорциональность уровня акустического отношения логарифму относительного расстояния
6) В случае распространения звуков в больших помещениях происходит поглощение звука в воздухе, что приводит к нарушению диффузионноcти поля. При нарушении диффузионности поля статическая теория поля замкнутых небольших помещений непригодна для больших помещений. Для больших помещений с учетом поглощения звука в воздухе средний квадрат звуковых давлений прямого и отраженного звука течи в зависимости от радиуса и условий помещения определяют как:
где m - коэффициент поглощения воздуха, который зависит от частоты и относительной влажности; V - объем помещения; S - площадь помещения; dо - радиус помещения; φ- азимутальный угол; θ- угол возвращения, выражающий отношение интенсивности звука в заданном направлении (φ,θ) к интенсивности, которую измеряют на том же расстоянии для направленного источника с той же самой мощностью N.As the parameter of the acoustic field, the acoustic energy Q is selected in the places of damage, i.e., sound sources of leaking ion sources. To do this, use the known acoustic ratio:
Where
The value d o called the radius of the room in which the at equal field between a sound pressure level of the direct sound field L The direct and reflected sound waves L Neg have showing the proportionality of the level of the acoustic ratio to the logarithm of the relative distance
6) In the case of the propagation of sounds in large rooms, sound is absorbed in the air, which leads to a violation of the diffusion field. If the field diffusion is disturbed, the static field theory of closed small rooms is unsuitable for large rooms. For large rooms, taking into account sound absorption in air, the average square of sound pressures of direct and reflected sound leaks, depending on the radius and room conditions, is determined as:
where m is the absorption coefficient of air, which depends on the frequency and relative humidity; V is the volume of the room; S is the area of the room; d about - the radius of the room; φ is the azimuthal angle; θ is the angle of return expressing the ratio of the sound intensity in a given direction (φ, θ) to the intensity measured at the same distance for a directional source with the same power N.
В случае больших и небольших помещений, когда do=d, это расстояние рассматривают как переходную точку между зонами поля прямого и отраженного полей (Методика и техника акустических измерений в аэродинамических трубах. Обзоры, рефераты по материалам открытой зарубежной печати. Изд-во ОНТИ ЦДГИ, 1980, стр.19-21, 2-2. Отраженный и реверберационный шум помех).In the case of large and small rooms, when d o = d, this distance is considered as a transition point between the zones of the direct and reflected fields (Methods and techniques of acoustic measurements in wind tunnels. Reviews, abstracts from open foreign press. Publishing House ONTI TsDGI , 1980, pp. 19-21, 2-2. Reflected and reverberation noise of interference).
С учетом отражения от местных предметов и стенок помещения в замкнутых небольших и больших помещениях на входы датчиков поступают средний квадрат давления течи, равный сумме прямых и отраженных давлений как:
Таким образом, при определенном расположении датчиков измеряют величину звукового давления течи, его спектральную характеристику. С помощью этих двух параметров определяют состояние работоспособности ИО, нормальное или тревожное положение.Taking into account the reflection from local objects and the walls of the room in closed small and large rooms, the average square of the leak pressure equal to the sum of the direct and reflected pressures as:
Thus, at a certain location of the sensors, the magnitude of the sound pressure of the leak is measured, its spectral characteristic. With the help of these two parameters, the state of operability of the EUT, normal or alarming position is determined.
Принцип работы устройства. При возникновении повреждения ИО в точках x1, x2, . . .,xn (фиг.1) возникают непрерывные источники пульсации давления течи Под действием этих давлений расстояния между обкладками емкостных датчиков 2,3,4 изменяются. В результате прогиба мембраны изменяются начальные емкости емкостных датчиков C, приращение емкости ΔC и относительное изменение емкости Напряжение поляризации датчиков поступает от источника поляризации 13. Напряжение на выходе датчиков, пропорциональное приращению и напряжению поляризации. Затем этот сигнал согласуют усилителями заряда 6,7,8, усиливают в нормирующих усилителях 9,10,11 и подают в обработку на индикатор 12.The principle of operation of the device. In case of damage to the EUT at points x 1 , x 2 ,. . ., x n (FIG. 1) there are continuous sources of leakage pressure pulsation Under the influence of these pressures, the distances between the plates of the
С этой целью в ЦАГИ был изготовлен макет устройства дли измерения пульсаций давления течи. В качестве согласующего усилителя был использован усилитель заряда. Далее сигнал усиливался усилителем напряжения в диапазоне частот от 300 Гц до 20 кГц. Уровень измеряемых фоновых шумов 103 мкПа в диапазоне частот от 20 до 100 Гц. При испытаниях высокотемпературных кабель КНМС был взят необходимой максимальной длины 44 м; емкость кабеля 33000-40000 пФ.For this purpose, a model of the device was made at TsAGI for measuring the pressure pulsations of a leak. A charge amplifier was used as a matching amplifier. Further, the signal was amplified by a voltage amplifier in the frequency range from 300 Hz to 20 kHz. The level of measured background noise is 10 3 μPa in the frequency range from 20 to 100 Hz. When testing high-temperature cable, the KNMS cable was taken with the required maximum length of 44 m; cable capacity 33000-40000 pF.
Зависимость относительного уровня звукового давления ΔL(d), нормированного к уровню излучаемого направленным источником мощности от расстояния d между датчиками и источниками, показана на фиг.2, где сплошные линии для направленного датчика (Dm=1) при различных значениях постоянной помещения К; пунктирные кривые для К=500 при различных значениях индекса осевой концентрации направленного датчика Dm. Расстояние d=do можно также определить из графиков, фиг.2. Каждая кривая асимтотически приближается к уровню характерного реверберационного звука для данной величины полного поглощения. Если полное поглощение известно, пересечение соответствующей горизонтальной асимптоты ревербирующего уровня и линии - 6 дБ на удвоение расстояния поля прямого звука будет определять величину do. Поскольку поля прямого и отраженного звука равны по интенсивности в точке их пересечения, уровень полного звукового давления на расстоянии радиуса помещения будет на 3 дБ больше ожидаемого уровня на том же расстоянии при отсутствии отражений. На фиг.2 также видно, что увеличение радиуса помещения может быть достигнуто либо путем увеличения постоянной помещения с помощью звукопоглощающей облицовки стен помещения, либо путем использования остронаправленных емкостных датчиков пульсации давления.The dependence of the relative sound pressure level ΔL (d), normalized to the level emitted by the directional power source from the distance d between the sensors and sources, is shown in figure 2, where the solid lines for the directional sensor (Dm = 1) at various values of the constant room K; dashed curves for K = 500 for various values of the axial concentration index of the directional sensor Dm. The distance d = d o can also be determined from the graphs, figure 2. Each curve asymptotically approaches the level of a characteristic reverberation sound for a given value of total absorption. If the total absorption is known, the intersection of the corresponding horizontal asymptote of the reverberating level and the line - 6 dB to double the distance of the direct sound field will determine the value of d o . Since the fields of direct and reflected sound are equal in intensity at their intersection, the level of total sound pressure at a distance of the radius of the room will be 3 dB higher than the expected level at the same distance in the absence of reflections. Figure 2 also shows that an increase in the radius of the room can be achieved either by increasing the constant room using the sound-absorbing cladding of the walls of the room, or by using highly directional capacitive pressure pulsation sensors.
На фиг. 3 имеют мощность звука, излучаемого каждым из двух одинаковых точечных источников (пунктирные кривые) и линейных источников (сплошные кривые) в зависимости от расстояния между ними; a - источник колебания в фазе; δ- источник, колеблющийся в противофазе. На фиг.3 представлена частотная зависимость отношения N2/N3. При Кd > 1 имеют N2≈N3. Таким образом, два источника звука не взаимодействуют, когда расстояние между ними превышает 1/6λ. Сходный результат получают для звуковой мощности излучения двух параллельных линейных источников. Расчет дает здесь выражение N2=N3[1±Jo(kd)], где J - функция Бесселя нулевого порядка (фиг.3). Также известно, что вблизи твердой границы и источников звука возникает вихревой слой, но этот граничный слой чрезвычайно тонок (меньше 0,001 мм в воздухе на частоте 1000 Гц).In FIG. 3 have the power of sound emitted by each of two identical point sources (dashed curves) and linear sources (solid curves) depending on the distance between them; a is the source of oscillation in the phase; δ is a source oscillating in antiphase. Figure 3 presents the frequency dependence of the ratio N 2 / N 3 . At Кd> 1 they have N 2 ≈N 3 . Thus, two sound sources do not interact when the distance between them exceeds 1 / 6λ. A similar result is obtained for the sound power of the radiation of two parallel linear sources. The calculation gives the expression N 2 = N 3 [1 ± J o (kd)], where J is the zero-order Bessel function (Fig. 3). It is also known that a vortex layer arises near a solid boundary and sound sources, but this boundary layer is extremely thin (less than 0.001 mm in air at a frequency of 1000 Hz).
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000119934A RU2186356C2 (en) | 2000-07-27 | 2000-07-27 | Method measuring sound pressure of leak in tested object and gear for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000119934A RU2186356C2 (en) | 2000-07-27 | 2000-07-27 | Method measuring sound pressure of leak in tested object and gear for its implementation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2000119934A RU2000119934A (en) | 2002-06-20 |
RU2186356C2 true RU2186356C2 (en) | 2002-07-27 |
Family
ID=20238392
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000119934A RU2186356C2 (en) | 2000-07-27 | 2000-07-27 | Method measuring sound pressure of leak in tested object and gear for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2186356C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2451915C1 (en) * | 2011-03-04 | 2012-05-27 | Открытое Акционерное Общество "Ордена Ленина Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Энерготехники Имени Н.А. Доллежаля" | System for detecting leakage of heat carrier from pipe |
-
2000
- 2000-07-27 RU RU2000119934A patent/RU2186356C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2451915C1 (en) * | 2011-03-04 | 2012-05-27 | Открытое Акционерное Общество "Ордена Ленина Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Энерготехники Имени Н.А. Доллежаля" | System for detecting leakage of heat carrier from pipe |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7171315B2 (en) | Method and apparatus for measuring a parameter of a fluid flowing within a pipe using sub-array processing | |
Tao et al. | A review of current techniques for measuring muffler transmission loss | |
US6862920B2 (en) | Fluid parameter measurement in pipes using acoustic pressures | |
CA2428301C (en) | Method and apparatus for determining the flow velocity of a fluid within a pipe | |
US7379828B2 (en) | Method and apparatus for determining a quality metric of a measurement of a fluid parameter | |
Jones et al. | Evaluation of a multi-point method for determining acoustic impedance | |
KR20140019793A (en) | Apparatus and method for acoustic monitoring of steam quality and flow | |
Zhang et al. | Acoustic method of high-pressure natural gas pipelines leakage detection: Numerical and applications | |
Jacobsen | Sound intensity | |
Li et al. | High-sensitivity gas leak detection sensor based on a compact microphone array | |
Holland et al. | The measurement of sound power flux in flow ducts | |
JP2014149208A (en) | Leak detector and leak detection method | |
Zheng et al. | A beamforming-based joint estimation method for gas pipeline leak localization | |
JP2007292667A (en) | Device for measuring acoustic characteristics | |
Yin et al. | Single-point location algorithm based on an acceleration sensor for pipeline leak detection | |
Crocker et al. | Fundamentals of the direct measurement of sound intensity and practical applications | |
Fu et al. | A simulation of gas pipeline leakage monitoring based on distributed acoustic sensing | |
RU2186356C2 (en) | Method measuring sound pressure of leak in tested object and gear for its implementation | |
Cao et al. | Detection of pressure relief valve leakage by tuning generated sound characteristics | |
Lee et al. | Pipe leakage detection using ultrasonic acoustic signals | |
Huang et al. | Acoustic investigation of high-sensitivity spherical leak detector for liquid-filled pipelines | |
US20090126464A1 (en) | Acoustic Detector | |
Wang et al. | Aeroacoustics measurement of the gas leakage rate for single hole | |
CN111220709B (en) | Sound beam deflection time delay control method for ultrasonic phased array imaging in pipeline | |
Engelbrecht | Passive source localization from spatially correlated angle-of-arrival data |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090728 |