RU97534U1

RU97534U1 - PIPELINE DAMAGE DETECTION SYSTEM

Info

Publication number: RU97534U1
Application number: RU2010116072/28U
Authority: RU
Inventors: Эдуард Всеволодович Мельник; Яков Сергеевич Коровин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Нейросетевые технологии"
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2010-09-10

Abstract

Система обнаружения повреждений трубопровода, содержащая n каналов обработки акустической информации, каждый канал содержит акустический датчик, выполненный с возможностью установки непосредственно на трубопроводе, каждый i-й датчик связан с i-м усилителем-преобразователем, i-м фильтром, i-м аналого-цифровым преобразователем, i-м блоком сбора, записи и хранения данных и снабжен микроконтроллером и тактовым генератором, отличающаяся тем, что каждый канал обработки акустической информации выполнен в виде автономного интеллектуального датчика, который дополнительно снабжен микропроцессором, выполненным с возможностью осуществления функции управления, диагностики и обработки сигнальной информации, приемопередатчиком и автономным блоком питания, причем интеллектуальные датчики размещаются вдоль трубопровода группами, каждая из которых содержит не менее двух интеллектуальных датчиков, расстояние между датчиками в каждой группе много меньше расстояния между группами интеллектуальных датчиков, каждая группа интеллектуальных датчиков образует локальную распределенную вычислительную сеть, предназначенную для анализа цифровых данных, включая определение взаимных спектров сигналов и взаимных корреляционных функций, определения направления на источник полезного акустического сигнала по разности времен прибытия акустических сигналов к различным интеллектуальным датчикам группы и грубой оценки предполагаемых координат утечки жидкости из трубопровода по результатам анализа различий интенсивности полезного сигнала, принятого различными интеллектуальными датчиками группы, формирования информацио A pipeline damage detection system containing n channels of acoustic information processing, each channel contains an acoustic sensor configured to be installed directly on the pipeline, each i-th sensor is connected to the i-th amplifier-converter, i-th filter, i-th analog- a digital converter, the ith block of data collection, recording and storage, and is equipped with a microcontroller and a clock generator, characterized in that each channel for processing acoustic information is made in the form of an autonomous intelligent date an ica, which is additionally equipped with a microprocessor configured to perform the functions of control, diagnostics and processing of signal information, a transceiver and an autonomous power supply, moreover, smart sensors are placed along the pipeline in groups, each of which contains at least two smart sensors, the distance between the sensors in each group much smaller than the distance between the groups of smart sensors, each group of smart sensors forms a local distributed a computer network designed to analyze digital data, including determining the mutual spectra of signals and cross-correlation functions, determining the direction to the source of a useful acoustic signal from the difference in the arrival times of acoustic signals to various smart sensors of the group and a rough estimate of the estimated coordinates of fluid leakage from the pipeline according to the results of the analysis of differences the intensity of the useful signal received by various intelligent sensors of the group, the formation of information

Description

Известно устройство для осуществления способа определения местоположения течи как источника акустического излучения (Патент США 4858462), содержащее два разнесенных акустических датчика, два блока усиления и фильтрации, два аналого-цифровых преобразователя, процессор плавающего порога и разностного сигнала, компьютер, выполняющий функции блока управления со средствами отображения.A device for implementing a method for determining the location of a leak as a source of acoustic radiation (US Pat. No. 4,858,462), comprising two spaced-apart acoustic sensors, two amplification and filtering units, two analog-to-digital converters, a floating threshold processor and a difference signal, a computer acting as a control unit with display tools.

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности его реконфигурирования в процессе работы.The disadvantage of this device is the lack of the ability to reconfigure it during operation.

Известен способ определения места течи в трубопроводе (Пат. РФ №2249802), который включает прием шума вытекающей струи с помощью двух акустических датчиков, преобразование этого шума в электрические напряжения, дискретизацию, фильтрацию и анализ. Акустические датчики расположены в одном месте трубопровода, причем один из них обеспечивает прием акустических волн-сигналов, распространяющихся по оболочке трубопровода, а второй обеспечивает прием акустических волн, распространяющихся в среде, окружающей трубопровод. Принятые сигналы подвергают взаимоспектральной обработке, а по данным о действительной и мнимой частях взаимного спектра находят задержку между сигналами, распространяющимися в двух средах и имеющих из-за этого разные скорости акустических колебаний.A known method of determining the location of a leak in a pipeline (Pat. RF No. 2249802), which includes receiving noise from an outgoing stream using two acoustic sensors, converting this noise into electrical voltage, sampling, filtering and analysis. Acoustic sensors are located in one place in the pipeline, one of them receiving acoustic wave signals propagating through the shell of the pipeline, and the second receiving acoustic waves propagating in the environment surrounding the pipeline. The received signals are subjected to inter-spectral processing, and according to data on the real and imaginary parts of the mutual spectrum, a delay is found between the signals propagating in two media and, due to this, have different speeds of acoustic vibrations.

Недостатком этого способа является низкая точность определения местоположения течи в протяженных трубопроводах вследствие неоднородности свойств грунта вдоль трубопровода и соответствующей неопределенности скорости распространения в нем акустических волн.The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the location of a leak in extended pipelines due to the heterogeneity of soil properties along the pipeline and the corresponding uncertainty in the speed of propagation of acoustic waves in it.

Известно устройство мониторинга технического состояния трубопровода (Полезная модель №33223 РФ), содержащее n каналов обнаружения утечки, каждый из которых содержит акустический датчик, соединенный с входом устройства предварительной обработки акустической информации, выполненного в виде последовательно соединенных блока усиления, блока фильтрации, блока аналого-цифрового преобразователя и блока согласования, также содержащий мультиплексный канал передачи информации, выход которого соединен с демультиплексором, последовательно соединенным с блоком обработки акустической информации, при этом акустические датчики установлены на трубопроводе на расстоянии d друг от друга, а также n каналов обнаружения вибраций, каждый из которых состоит из датчика вибрации, соединенного со входом канала предварительной обработки вибрационной информации и n каналов акустической эмиссии, каждый из которых состоит из датчика акустической эмиссии, соединенного со входом канала предварительной обработки акусто-эмиссионной информации, имеющих структуру канала предварительной обработки акустической информации, при этом каждый i-ый акустический датчик, i-ый датчик вибрации и i-ый датчик акустической эмиссии, установленные в непосредственной близости друг от друга, со своими каналами предварительной обработки информации объединены конструктивно и образуют i-ый измерительный пост, выходы всех n измерительных постов соединены с соответствующими входами мультиплексорного канала передачи информации, также введены блок обработки вибрационной информации и блок обработки акусто-эмиссионной информации, входы которых соединены с соответствующими выходами демультиплексора, при этом вход демультиплексора соединен с выходом мультиплексного канала передачи информации, также введена система отображения, регулировки, документирования и управления, входы которой соединены с выходами блока обработки акустической информации, блока обработки вибрационной информации и блока обработки акусто-эмиссионной информации.A known device for monitoring the technical condition of the pipeline (Utility Model No. 33233 of the Russian Federation) containing n leakage detection channels, each of which contains an acoustic sensor connected to the input of the acoustic information pre-processing device, made in the form of series-connected amplification unit, filtering unit, analog- digital converter and matching unit, also containing a multiplex information transmission channel, the output of which is connected to a demultiplexer, sequentially internal to the acoustic information processing unit, while the acoustic sensors are installed on the pipeline at a distance d from each other, as well as n vibration detection channels, each of which consists of a vibration sensor connected to the input of the vibration information pre-processing channel and n acoustic emission channels, each of which consists of an acoustic emission sensor connected to the input of the channel of pre-processing of acoustic emission information having the structure of the channel of pre-processing acoustic information, with each i-th acoustic sensor, i-th vibration sensor and i-th acoustic emission sensor installed in close proximity to each other, with their information preprocessing channels are combined structurally and form the i-th measuring post, outputs all n measuring posts are connected to the corresponding inputs of the multiplexor information transmission channel, a vibration information processing unit and an acoustic emission information processing unit, the inputs of which are connected s with the corresponding outputs of the demultiplexer, while the input of the demultiplexer is connected to the output of the multiplex information transmission channel, a display, adjustment, documentation and control system is also introduced, the inputs of which are connected to the outputs of the acoustic information processing unit, the vibration information processing unit and the acoustic emission information processing unit .

Недостатком этого устройства является то, что для регистрации расширенного спектра длин волн акустических колебаний используется нескольких разнотипных датчиков и каналов обработки регистрируемых сигналов, что увеличивает стоимость устройства, а также необходимость проводного соединения измерительных постов с отдельным устройством передачи данных, так как отдельные датчики не оснащены собственными устройствами обработки и передачи данных.The disadvantage of this device is that for recording an extended spectrum of wavelengths of acoustic vibrations, several different types of sensors and channels for processing the recorded signals are used, which increases the cost of the device, as well as the need for a wired connection of measuring posts with a separate data transmission device, since individual sensors are not equipped with their own devices for processing and transmitting data.

Также известна система мониторинга состояния трубопровода (Полезная модель №68692 РФ), содержащая n сигнальных датчиков повреждений, выполненных с возможностью установки непосредственно на трубопровод, n блоков обработки сигналов, а также удаленное терминальное устройство, содержащее, по меньшей мере, центральный процессор, выполненный с возможностью осуществления функции управления, диагностики и обработки сигнальной информации и мультипротокольный коммутационный узел, а также n датчиков температуры трубопровода, каждый из которых через один из n блоков обработки сигналов и удаленное терминальное устройство связан с генератором управляющих сигналов.A pipeline monitoring system (Utility Model No. 68692 RF) is also known, comprising n signal damage sensors configured to install directly on the pipeline, n signal processing units, as well as a remote terminal device containing at least a central processor made with the ability to carry out control functions, diagnostics and processing of signal information and a multi-protocol switching unit, as well as n pipeline temperature sensors, each of which ithout one of the n signal processing units and the remote terminal device is connected to a generator of control signals.

Недостатком данной системя является использование центрального управляющего устройства, что снижает отказоустойчивость системы и увеличивает ее стоимость, массо-габаритные характеристики и энергопотребление. Кроме, этого данная система не допускает возможности оперативного изменения ее параметров в процессе эксплуатации.The disadvantage of this system is the use of a central control device, which reduces the fault tolerance of the system and increases its cost, weight and size characteristics and power consumption. In addition, this system does not allow the possibility of rapid changes in its parameters during operation.

Известен способ определения места и размеров течи в трубопроводе и устройство для его реализации (Патент РФ №2221230). Способ заключается в том, что осуществляют прием акустических сигналов от шума течи двумя датчиками, расположенными вдоль трубопровода, преобразуют акустические сигналы в электрические сигналы, а после усиления, фильтрации, накопления и определения взаимного спектра электрических сигналов определяют наличие признаков акустических сигналов течи по уровню энергии взаимного спектра. Формируют сигнал тревоги и определяют места течи по разности времен прибытия акустических сигналов к двум датчикам. Оценивают диаметр повреждения по данным о частоте максимума модуля взаимного спектра, о скорости истечения струи, определяемой исходя из информации о давлениях и плотностях сред в трубопроводе и в окружающей среде, а также о скорости движения продукта в трубопроводе. Для трубопроводов большой протяженности в предлагаемый способ введен прием сигналов от акустических датчиков, расположенных параллельно трубопроводу на дистанциях d друг от друга, которые определяются по предлагаемым согласно изобретению математическим зависимостям. При этом накопление результатов и взаимноспектральный анализ сигналов осуществляют между каждой парой соседних датчиков непрерывно или эпизодически по заданной программе, а при выявлении сигнала тревоги, до уточнения места течи, определяют аварийный участок трубопровода между парой соседних датчиков, сигнализировавших о наличии течи. Устройство для определения параметров течи в трубопроводе содержит n измерительных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных блока акустических преобразователей, блока усиления, выход которого соединен с первым входом блока фильтрации, блока аналого-цифрового преобразования, а также содержит блок управления. В устройство дополнительно введены последовательно соединенные n-канальный блок уплотнения информации, мультиплексный канал передачи информации и блок разуплотнения информации, при этом n входов n-канального блока уплотнения информации соединены с соответствующими выходами n блоков аналого-цифрового преобразования, также введен n-1 канальный блок накопления и анализа взаимных спектров, имеющий n входов и n-1 выходов, при этом каждый из n физических каналов выхода блока разуплотнения информации соединен с соответствующим входом n-1 канального блока накопления и анализа взаимных спектров, также введены n-1 канальный блок обнаружения течи, n-1 канальный блок определения места течи, n-1 канальный блок определения размеров течи, n-1 канальный блок определения полосы фильтрации, входы которых параллельно соединены с соответствующими выходами n-1 канального блока накопления и анализа взаимных спектров, а выход n-1 канального блока определения полосы фильтрации соединен со вторыми входами блоков фильтрации, также введен блок формирования сигнала тревоги, вход которого соединен с выходом n-1 канального блока обнаружения течи, с выходом n-1 канального блока определения места течи и с выходом n-1 канального блока определения размеров течи, также введен индикатор места и размера течи, вход которого подсоединен к выходу блока формирования сигнала тревоги. Блок управления своими управляющими выходами и информационными входами присоединен к n-канальному блоку уплотнения информации, блоку разуплотнения информации, n-1 канальному блоку накопления и анализа взаимных спектров, n-1 канальному блоку обнаружения течи, n-1 канальному блоку определения места течи, n-1 канальному блоку определения размеров течи, n-1 канальному блоку определения полосы фильтрации, блоку формирования сигнала тревоги и индикатору места и размера течи.A known method for determining the location and size of a leak in a pipeline and a device for its implementation (RF Patent No. 2221230). The method consists in the fact that the acoustic signals are received from the noise of the leak by two sensors located along the pipeline, the acoustic signals are converted into electrical signals, and after amplification, filtering, accumulation and determination of the mutual spectrum of electrical signals, the presence of signs of acoustic signals is detected by the energy level of the mutual spectrum. An alarm is generated and leak points are determined by the difference in the arrival times of the acoustic signals to the two sensors. The diameter of the damage is estimated from the data on the frequency of the maximum of the reciprocal spectrum module, on the flow rate of the jet, determined on the basis of information on pressures and densities of the media in the pipeline and in the environment, as well as on the speed of the product in the pipeline. For long pipelines, the proposed method includes receiving signals from acoustic sensors located parallel to the pipeline at distances d from each other, which are determined by the mathematical dependencies proposed according to the invention. At the same time, the accumulation of results and cross-spectral analysis of the signals is carried out between each pair of neighboring sensors continuously or occasionally according to a predetermined program, and when an alarm is detected, before the location of the leak is determined, the emergency section of the pipeline between the pair of neighboring sensors signaling the presence of a leak is determined. A device for determining the parameters of a leak in a pipeline contains n measuring channels, each of which consists of a series-connected block of acoustic transducers, a gain block, the output of which is connected to the first input of the filtering block, an analog-to-digital conversion block, and also contains a control block. In addition, the n-channel information compression unit, the multiplex information transmission channel and the information decompression unit are additionally introduced into the device in series, while the n inputs of the n-channel information compression unit are connected to the corresponding outputs of the n analog-to-digital conversion blocks, the n-1 channel block is also introduced accumulation and analysis of mutual spectra having n inputs and n-1 outputs, with each of the n physical channels of the output of the decompression block of information being connected to the corresponding input of the n-1 channel of the second block for the accumulation and analysis of mutual spectra, the n-1 channel block for detecting the leak, the n-1 channel block for determining the location of the leak, the n-1 channel block for determining the size of the leak, the n-1 channel block for determining the filter band, the inputs of which are connected in parallel with the corresponding outputs of the n-1 channel block for the accumulation and analysis of mutual spectra, and the output n-1 of the channel block for determining the filter band is connected to the second inputs of the filter blocks, an alarm signal generating block is also input, the input of which is connected to the output Ohm n-1 channel block leak detection, with the output n-1 channel block determining the location of the leak and the output n-1 channel block determining the size of the leak, also introduced the indicator of the location and size of the leak, the input of which is connected to the output of the block forming the alarm signal. The control unit for its control outputs and information inputs is connected to an n-channel information compression unit, an information decompression unit, an n-1 channel unit for accumulating and analyzing mutual spectra, an n-1 channel block for detecting a leak, an n-1 channel block for determining the location of a leak, n -1 channel unit for determining the size of the leak, n-1 channel unit for determining the filtering band, the unit for generating an alarm signal and an indicator of the location and size of the leak.

Недостатками этого устройства являются отсутствие возможности синхронизации поступивших на блоки сбора, обработки сигнала и устройство управления и с акустических датчиков сигналов при отсутствии проводной линии связи между блоками сбора сигнала, что приводит к рассогласованию сигналов различных акустических датчиков при проведении взаимно-корреляционного анализа и соответствующему увеличению погрешности определения места расположения течи; для передачи данных от акустических датчиков требуется дорогостоящая высокоскоростная проводная линия связи вдоль трубопровода; большой объем передаваемых данных, приводящий к снижению быстродействия устройства и снижению его отказоустойчивости. Устройство также не приспособлено для оперативного реконфигурирования в процессе эксплуатации.The disadvantages of this device are the inability to synchronize the signals received from the signal collection and processing units and the control device with the acoustic sensors in the absence of a wired communication line between the signal collecting units, which leads to a mismatch of the signals of various acoustic sensors during cross-correlation analysis and a corresponding increase in the error determining the location of the leak; data transmission from acoustic sensors requires an expensive high-speed wire line along the pipeline; a large amount of transmitted data, leading to a decrease in the speed of the device and a decrease in its fault tolerance. The device is also not adapted for operational reconfiguration during operation.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является система обнаружения повреждений трубопровода (Патент РФ на полезную модель №60721), содержащая n акустических датчиков, выполненных с возможностью установки непосредственно на трубопроводе, каждый i-й датчик связан с i-м усилителем-преобразователем, i-м фильтром, i-м аналого-цифровым преобразователем, i-м блоком сбора, записи и хранения данных и снабжен блоком синхронизации сигнала, микроконтроллером и тактовым генератором. Микроконтроллер соединен с соответствующим тактовым генератором и боком сбора и записи и хранения данных и выполнен с возможностью осуществления функций учета точного времени, преобразования сигналов, поступивших от приемника радиосигналов, передачи их на тактовый генератор и блок сбора, записи и хранения данных по команде, тактовый генератор соединен с аналого-цифровым преобразователем и выполнен с возможностью осуществления функций тактирования аналого-цифрового преобразователя.Closest to the claimed technical solution is a pipeline damage detection system (RF Patent for Utility Model No. 60721), containing n acoustic sensors configured to be installed directly on the pipeline, each i-th sensor is connected to the i-th amplifier-converter, i- m filter, i-th analog-to-digital converter, i-th block of data collection, recording and storage and is equipped with a signal synchronization block, a microcontroller and a clock generator. The microcontroller is connected to the corresponding clock generator and the side of collecting and recording and storing data and is configured to take into account the exact time, convert the signals received from the radio signal receiver, transmit them to the clock generator and the data collection, recording and storage unit by command, the clock generator connected to an analog-to-digital converter and configured to perform clocking functions of an analog-to-digital converter.

Недостатком данной системы является то, что определение мест утечек, их характеристик и выдачи сигнала оповещения, производится централизованно с помощью главного вычислительного устройства, на которое замыкаются все каналы передачи данных от датчиков, размещаемых на трубопроводе, что снижает отказоустойчивость системы, повышает ее стоимость и эксплуатационные расходы. Кроме этого отсутствует возможность управления параметрами системы во время ее эксплуатации, например, путем автоматического изменения характеристик датчиков, их количества и расположения на трубопроводе.The disadvantage of this system is that the determination of the places of leaks, their characteristics and the issuance of an alarm signal is carried out centrally using the main computing device, which closes all the data channels from the sensors placed on the pipeline, which reduces the fault tolerance of the system, increases its cost and operational costs. In addition, it is not possible to control the parameters of the system during its operation, for example, by automatically changing the characteristics of the sensors, their number and location on the pipeline.

Задачей полезной модели является повышение отказоустойчивости и автономности системы обнаружения повреждений с целью повышения технологичности и снижения эксплуатационных расходов, а также повышение точности определения координат места течи и ее параметров за счет обеспечения возможности оперативного реконфигурирования системы, в частности, автоматического изменения характеристик активных датчиков, их количества и расположения на трубопроводе.The objective of the utility model is to increase the fault tolerance and autonomy of the damage detection system in order to improve manufacturability and reduce operating costs, as well as to increase the accuracy of determining the coordinates of the leak location and its parameters by providing the ability to quickly reconfigure the system, in particular, automatically changing the characteristics of active sensors, their number and location on the pipeline.

Для устранения указанных недостатков в устройстве для обнаружения течи трубопровода, содержащем n акустических датчиков, выполненных с возможностью установки непосредственно на трубопроводе, где каждый i-й датчик связан с i-м усилителем-преобразователем, i-м фильтром, i-м аналого-цифровым преобразователем, i-м блоком сбора, записи и хранения данных и снабжен блоком синхронизации сигнала, микроконтроллером и тактовым генератором, каждый датчик дополнительно снабжен микропроцессором, выполненным с возможностью осуществления функции управления, диагностики и обработки сигнальной информации, приемо-передатчиком и автономным блоком питания, причем датчики размещаются вдоль трубопровода группами, каждая из которых содержит не менее двух датчиков, расстояние между датчиками в каждой группе много меньше расстояния между группами датчиков, микропроцессоры каждой группы датчиков образуют локальную распределенную вычислительную сеть, предназначенную для анализа цифровых данных, включая определение взаимных спектров сигналов и взаимных корреляционных функций, определения направления на источник полезного акустического сигнала по разности времен прибытия акустических сигналов к акустическим датчикам группы и грубой оценки предполагаемых координат утечки жидкости из трубопровода по результатам анализа различий интенсивности полезного сигнала, принятого различными датчиками группы, формирования информацмонных сигналов для связи с группами датчиков, расположенных вблизи предполагаемого места утечки с целью точного определения координат и характеристик течи с последующей передачей уведомления о местоположении и характеристиках течи на пункт мониторинга трубопровода по цепочке групп датчиков.To eliminate these shortcomings in a device for detecting a leak in a pipeline containing n acoustic sensors configured to be installed directly on the pipeline, where each i-th sensor is connected to the i-th amplifier-converter, i-th filter, i-th analog-digital a converter, an i-th data acquisition, recording and storage unit, and is equipped with a signal synchronization unit, a microcontroller and a clock generator, each sensor is additionally equipped with a microprocessor configured to perform a control function signal, information, diagnostics and processing, by a transceiver and an autonomous power supply, moreover, the sensors are placed along the pipeline in groups, each of which contains at least two sensors, the distance between the sensors in each group is much less than the distance between the groups of sensors, the microprocessors of each group of sensors form a local distributed computer network designed to analyze digital data, including determining the mutual spectra of signals and mutual correlation functions, determining n directions to the source of the useful acoustic signal according to the difference in the arrival times of the acoustic signals to the acoustic sensors of the group and a rough estimate of the estimated coordinates of fluid leakage from the pipeline according to the results of the analysis of differences in the intensity of the useful signal received by various sensors of the group, the formation of information-mono signals for communication with groups of sensors located near the intended leak points in order to accurately determine the coordinates and characteristics of the leak, followed by a notification of places the position and characteristics of the pipeline leak monitoring point chain groups of sensors.

Техническим результатом при использовании полезной модели является обеспечение более высокой точности определения координаты места течи в трубопроводе, увеличение длины контролируемой области трубопровода, повышение отказоустойчивости системы, обеспечение возможности реконфигурирования системы путем изменения числа и расположения активных датчиков в составе каждой группы, использования групп датчиков в качестве распределенных инфразвуковых антенн, повышение отказоустойчивости системы за счет возможности передачи данных в обход отказавших элементов системы и быстродействия системы за счет обработки основного объема информации на месте обнаружения течи с помощью распределенной вычислительной сети, образованной интеллектуальными датчиками одной или более групп автономных интеллектуальных датчиков, снижение эксплуатационных расходов.The technical result when using the utility model is to provide higher accuracy in determining the coordinates of the leak in the pipeline, increase the length of the monitored area of the pipeline, increase the fault tolerance of the system, provide the ability to reconfigure the system by changing the number and location of active sensors in each group, using groups of sensors as distributed infrasound antennas, increasing system resiliency due to the ability to transfer data in a bypass d failed elements of the system and system performance by processing the bulk of the information at the leak location using a distributed computing network formed by smart sensors of one or more groups of autonomous smart sensors, reducing operating costs.

Общая схема устройства приведена на фиг.1. На фиг.2 приведена схема интеллектуального датчика. Система содержит интеллектуальные датчики 1, устанавливаемые непосредственно на трубопроводе группами 2, включающими не менее двух датчиков, каждый интеллектуальный датчик содержит акустический датчик 3, усилитель-преобразователь 4, фильтр 5, аналого-цифровой преобразователь 6, блок сбора, записи и хранения данных 7, микроконтроллер 8, тактовый генератор 9, микропроцессор 10, приемопередатчик 11, автономный источник питания 12.The general scheme of the device is shown in figure 1. Figure 2 shows a diagram of an intelligent sensor. The system contains smart sensors 1 that are installed directly on the pipeline in groups 2, including at least two sensors, each smart sensor contains an acoustic sensor 3, an amplifier-converter 4, a filter 5, an analog-to-digital converter 6, a data acquisition, recording and storage unit 7, microcontroller 8, clock generator 9, microprocessor 10, transceiver 11, autonomous power source 12.

Акустический датчик крепится на трубопроводе и выполняет первичное преобразование акустического сигнала с трубопровода в аналоговый сигнал.An acoustic sensor is mounted on the pipeline and performs the initial conversion of the acoustic signal from the pipeline into an analog signal.

Усилитель-преобразователь предназначен для преобразования зарядового сигнала в напряжение и усиления напряжения до заданного уровня.The amplifier-converter is designed to convert the charge signal into voltage and amplify the voltage to a predetermined level.

Фильтр сигнала производит частотную фильтрацию аналогового сигнала в заданной частотной полосе.The signal filter performs the frequency filtering of the analog signal in a given frequency band.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует сигнал из аналоговой формы в цифровую форму.An analog-to-digital converter converts a signal from an analog form to a digital form.

Блок сбора, записи и хранения данных с помощью команд начала и окончания преобразования осуществляет управление аналого-цифровым преобразователем, а также осуществляет получение данных с аналого-цифрового преобразователя, выполняет периодическое накопление цифровых данных, их предварительную обработку, компрессию и передачу в локальную распределенную вычислительную сеть.The unit for collecting, recording and storing data using the start and end commands of the conversion controls the analog-to-digital converter, and also receives data from the analog-to-digital converter, performs periodic accumulation of digital data, their preliminary processing, compression and transmission to a local distributed computer network .

Тактовый генератор выполняет функцию тактирования аналого-цифрового преобразователя.The clock generator performs the function of clocking an analog-to-digital converter.

Локальная распределенная вычислительная сеть, образованная микропроцессорами активной группы интеллектуальных датчиков осуществляет декомпрессию и анализ цифровых данных (в том числе для определения взаимных спектров сигналов и взаимных корреляционных функций), поступивших с блоков сбора, записи и хранения данных, и для определения предполагаемых координат утечки жидкости из трубопровода. Точное определение координат течи осуществляется распределенной вычислительной сетью, образованной интеллектуальными датчиками, входящими в состав не менее двух групп интеллектуальных датчиков, расположенных по обе стороны от места течи, по разности времен прибытия акустических сигналов к различным акустическим датчикам, входящим в состав данных групп интеллектуальных датчиков. Микропроцессор каждого интеллектуального датчика также управляет автономным блоком питания интеллектуального датчика.A local distributed computer network formed by microprocessors of an active group of intelligent sensors decompresses and analyzes digital data (including to determine the mutual spectra of signals and mutual correlation functions) received from the data acquisition, recording and storage units, and to determine the estimated coordinates of fluid leakage from the pipeline. Accurate determination of the coordinates of the leak is carried out by a distributed computer network formed by smart sensors that are part of at least two groups of smart sensors located on both sides of the leak, according to the difference in the arrival times of acoustic signals to different acoustic sensors that are part of these groups of smart sensors. The microprocessor of each smart sensor also controls the autonomous power supply of the smart sensor.

Микроконтроллер ведет учет точного времени. Для корректировки времени микроконтроллера используются синхронизирующие импульсы от приемо-передатчика. Микроконтроллер также управляет работой тактового генератора, по запросу блока сбора, записи и хранения данных передает точное время в блок сбора, записи и хранения данных.The microcontroller keeps track of the exact time. To adjust the time of the microcontroller, synchronizing pulses from the transceiver are used. The microcontroller also controls the operation of the clock generator; at the request of the data collection, recording and storage unit, it transfers the exact time to the data collection, recording and storage unit.

Приемо-передатчик каждого интеллектуального датчика обеспечивает обмен командами внутри локальной распределенной вычислительной сети данной группы интеллектуальных датчиков, а также между различными группами интеллектуальных датчиков, кроме этого он обеспечивает синхронизацию работы интеллектуальных датчиков путем приема радиосигнала, несущего информацию о точном времени, генерирации синхронизирующих импульсов и передачи их в микроконтроллер.The transceiver of each smart sensor provides the exchange of commands within the local distributed computer network of this group of smart sensors, as well as between different groups of smart sensors, in addition, it provides synchronization of the work of smart sensors by receiving a radio signal that carries information about the exact time, generating synchronizing pulses and transmitting them into the microcontroller.

Автономный блок питания предназначен для обеспечения интеллектуального датчика электропитанием без подключения к внешней электрической сети.The self-contained power supply is designed to provide the smart sensor with power without connecting to an external electrical network.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При локальном истечении жидкости из трубопровода возникает акустическая вибрация, которая передается к акустическим датчикам.With local liquid outflow from the pipeline, acoustic vibration occurs, which is transmitted to the acoustic sensors.

С каждого из акустических датчиков аналоговый сигнал последовательно поступает на соответствующий ему усилитель-преобразователь, фильтр сигнала, аналого-цифровой преобразователь, блок сбора, записи и хранения данных. Из него цифровые данные поступают в локальную вычислительную сеть, образованную микропроцессорами группы интеллектуальных датчиков.From each of the acoustic sensors, the analog signal is sequentially fed to the corresponding amplifier-converter, signal filter, analog-to-digital converter, data acquisition, recording and storage unit. From it, digital data flows into a local computer network formed by microprocessors of a group of intelligent sensors.

Признаками наличия течи из трубопровода являются явно выраженные и устойчивые в течение определенного времени максимумы взаимного спектра акустических сигналов. В случае обнаружения названных признаков, блок сбора, записи и хранения данных формирует сигнал активизации локальной распределенной вычислительной сети, образованной микропроцессорами группы интеллектуальных датчиков, которая определяет направление на источник течи в трубопроводе по разности времен поступления акустических сигналов к датчикам группы, и делает грубую оценку координат места утечки по информации об интенсивности полезного сигнала на разных датчиках группы, и далее формирует информационный сигнал для связи с группами интеллектуальных датчиков, расположенными вблизи предполагаемого места утечки с целью точного определения координат и характеристик течи. После этого все локальные вычислительные сети групп интеллектуальных датчиков, кроме двух ближайших к месту утечки возвращаются в энергосберегающий терминальный режим работы, а последние, образовав объединенную распределенную вычислительную сеть, производят точное определение координат и характеристик течи с возможностью выполнения дополнительного анализа по запросу из пункта мониторинга трубопровода. В частности, каждая группа датчиков может быть использована в качестве инфразвуковой акустической антенны, нижняя частота которой определяется расстоянием между крайними датчиками группы, для локации инфразвуковых колебаний, способных с незначительным затуханием распространяться вдоль всей протяженности трубопровода.Signs of a leak from the pipeline are pronounced and stable for a certain time, the maxima of the mutual spectrum of acoustic signals. If these signs are detected, the data collection, recording and storage unit generates an activation signal for the local distributed computer network formed by the microprocessors of the smart sensors group, which determines the direction of the leak in the pipeline by the difference in the times of the arrival of acoustic signals to the group sensors, and makes a rough estimate of the coordinates leak locations according to information about the intensity of the useful signal at different sensors of the group, and then generates an information signal for communication with the groups smart sensors located near the leak intended to accurately determine the coordinates and leakage characteristics. After that, all the local computer networks of the smart sensor groups, except for the two closest to the leak, return to the energy-saving terminal mode of operation, and the latter, having formed an integrated distributed computer network, make accurate determination of the coordinates and characteristics of the leak with the possibility of performing additional analysis upon request from the pipeline monitoring station . In particular, each group of sensors can be used as an infrasonic acoustic antenna, the lower frequency of which is determined by the distance between the extreme sensors of the group, for the location of infrasonic vibrations that can propagate with slight attenuation along the entire length of the pipeline.

В том случае, если течь оказалась в пределах одной из групп интеллектуальных датчиков вся необходимая обработка информации производится интеллектуальными датчиками этой группы. При этом все остальные интеллектуальные датчики, установленные на трубопроводе остаются в энергосберегающем терминальном режиме.In the event that a leak is found within one of the groups of smart sensors, all the necessary information processing is performed by the smart sensors of this group. At the same time, all other intelligent sensors installed on the pipeline remain in an energy-saving terminal mode.

Для ускорения обработки данных, к минимально необходимой работающей распределенной вычислительной сети могут быть подключены вычислительные ресурсы одной или более ближайших групп интеллектуальных датчиков.To speed up data processing, the computing resources of one or more of the closest groups of smart sensors can be connected to a minimally necessary working distributed computing network.

Требуемая точность определения координат течи в трубопроводе обеспечивается применением специальных алгоритмов спектральной и корреляционной обработки сигнала, а также взаимной синхронизацией аналого-цифровых преобразователей и блоков сбора, записи и хранения данных.The required accuracy of determining the coordinates of the leak in the pipeline is ensured by the use of special spectral and correlation signal processing algorithms, as well as by mutual synchronization of analog-to-digital converters and data acquisition, recording and storage units.

Все интеллектуальные датчики имеют одинаковое устройство. Данные с каждого интеллектуального датчика сжимаются с помощью алгоритма компрессии в блоке сбора, записи и хранения цифровых данных и передаются в локальную вычислительную сеть группы интеллектуальных датчиков, в которой подвергаются декомпрессии и обработке.All smart sensors have the same device. Data from each smart sensor is compressed using the compression algorithm in the digital data collection, recording and storage unit and transmitted to the local computer network of the smart sensor group, in which it is decompressed and processed.

Так как каждая локальная распределенная вычислительная сеть группы интеллектуальных датчиков, образуется близкорасположенными датчиками, мощность приемо-передатчика каждого датчика может быть сделана минимальной. Для связи с другими группами интеллектуальных датчиков используется временное увеличение выходной мощности приемопередатчика одного из группы интеллектуальных датчиков или одновременная синхронная работа приемо-передатчиков нескольких интеллектуальных датчиков данной группы.Since each local distributed computing network of a group of intelligent sensors is formed by nearby sensors, the power of the transceiver of each sensor can be minimized. To communicate with other groups of smart sensors, a temporary increase in the output power of the transceiver of one of the group of smart sensors or the simultaneous synchronous operation of the transceivers of several smart sensors of this group is used.

Claims

A pipeline damage detection system containing n channels of acoustic information processing, each channel contains an acoustic sensor configured to be installed directly on the pipeline, each i-th sensor is connected to the i-th amplifier-converter, i-th filter, i-th analog- a digital converter, the ith block of data collection, recording and storage, and is equipped with a microcontroller and a clock generator, characterized in that each channel for processing acoustic information is made in the form of an autonomous intelligent date an ica, which is additionally equipped with a microprocessor configured to perform the functions of control, diagnostics and processing of signal information, a transceiver and an autonomous power supply, moreover, smart sensors are placed along the pipeline in groups, each of which contains at least two smart sensors, the distance between the sensors in each group much smaller than the distance between the groups of smart sensors, each group of smart sensors forms a local distributed a computer network designed to analyze digital data, including determining the mutual spectra of signals and cross-correlation functions, determining the direction to the source of a useful acoustic signal from the difference in the arrival times of acoustic signals to various smart sensors of the group and a rough estimate of the estimated coordinates of fluid leakage from the pipeline according to the results of the analysis of differences the intensity of the useful signal received by various intelligent sensors of the group, the formation of information GOVERNMENTAL signals to communicate with groups of intelligent sensors located near the proposed location of leakage in order to accurately determine the coordinates and characteristics of leakage with subsequent transfer of the notification about the location and characteristics of the pipeline leak monitoring paragraph chain groups of smart sensors.