Акустические и корреляционные течеискатели

Необходимость поиска утечек воды

Организации, которые регулярно проводят акустический контроль скрытых утечек воды, как правило, готовы предоставить множество доказательств пользы подобных мероприятий. Необходимость оперативного обнаружения и ликвидации видимой утечки воды из магистрального водопровода очевидна, поскольку вода заливает проезжую часть, подтапливает подвальные помещения жилых и производственных зданий, размывает грунт (что приводит к образованию опасных провалов) и доставляет большое количество прочих неудобств. При масштабных утечках падает давление в водопроводной сети и потребители перестают получать воду, что приводит к немедленным жалобам со стороны населения. Мировой опыт показывает высокую эффективность мероприятий по акустическому контролю утечек. Например, многие европейские страны применяют акустический контроль при обследовании сетей водоснабжения в качестве основного метода обнаружения утечек воды.

Во многих европейских странах спрос на воду превышает объем, доступный в течение определенного периода. Такая ситуация часто встречаются в странах с высокой плотностью населения. Из-за ограниченных ресурсов пресной воды в Западной Европе, а также ее относительно высокой стоимости, английские и немецкие инженеры разработали инструменты и средства для обнаружения утечек воды, а также активно занимались диагностикой водопроводных труб задолго до того, как этой проблемой всерьез озаботились в России или С.Ш.А. Большинство используемых инструментов представляли собой акустические устройства, усиливающие шум утечки и позволяющие специалисту на слух определять местоположение источника шума.

Особенности и методы определения утечек

Первые электронные течеискатели были разработаны в основном для определения известных или предполагаемых мест утечки. Они хорошо справлялись с этими задачами, но были медленными и громоздкими для регулярных работ по поиску утечек. В последние годы мероприятиям по поиску утечек уделялось гораздо больше внимания и, как следствие, был разработан широкий спектр удобных и портативных течеискателей. Однако, перед обзором оборудования для акустического обнаружения утечек, хочется немного рассказать о частотных характеристиках шума утечки воды.

Приборы и методы их использования, разработанные на протяжении последних лет, были основаны на том, что утечки воды создают вибрации (волны) на стенке трубы, когда вода вытекает через сквозной дефект. Эти волны определенного частотного диапазона имеют тенденцию распространяться вдоль стенки трубы и концентрироваться (или усиливаться) на пожарных гидрантах, магистральных задвижках, тройниках и других соединениях, где присутствует большая масса. В металлических трубопроводах, например из стали и ковкого чугуна, волны распространяются гораздо лучше, чем в пластиковых или асбестоцементных трубах. Следовательно, во время работ по поиску утечек на неметаллических трубопроводах, от оборудования требуется большая чувствительность и более частые интервалы замеров. Вибрации от источника утечки также распространяются через почву в виде концентрических волн. Эти шумы или вибрации могут быть обнаружены на поверхности земли, непосредственно над утечкой, с помощью специальных грунтовых микрофонов, доступных в качестве опции для большинства течеискателей. Частота шума утечки, который достигает поверхности, в значительной степени зависит от типа почвы. Например, песок обычно является хорошим проводником звука, тогда как минеральный грунт и глина очень плохо проводят звук.

Другим важным фактором, влияющим на частоты утечки или обнаружение шума утечки на поверхности, является тип самой поверхности. Асфальтовые и бетонные поверхности выступают в качестве "акустических панелей", которые обладают хорошим резонансом и имеют однородную поверхность контакта с микрофоном. Грунтовая почва, гравий и травяной покров, напротив, имеют свойство поглощать и заглушать частоты утечки, что затрудняет работу по выявлению утечек воды для неопытного персонала. Размер (объем вытекаемой воды) и форма дефекта в месте утечки будут влиять на частоту и интенсивность (или усиление) шума утечки. Коррозионная язва на стальном магистральном водопроводе высокого давления часто создает высокий уровень шума в верхнем частотном диапазоне. И наоборот, утечка в пластиковой трубе с гораздо большим размером дефекта часто создает низкий уровень шума в нижнем частотном диапазоне. В некоторых оживленных местах проблемы при поиске утечек может создавать фоновый шум. Если уровень фонового шума достаточно высок и, к тому же, находится в том же частотном диапазоне, что и утечка воды, это может ограничивать возможность обнаружения шума утечки. В таких случаях необходимо проводить работы по течеисканию в определенные периоды времени. Возможно, поиск утечек воды на водопроводных сетях, примыкающих к оживленным автомагистралям и улицам города, придется проводить в ночное время суток, когда транспортный поток минимален.

Звуковая характеристика утечки

При рассуждении о вибрации, частоте и шуме, я имею в виду один и тот же параметр, а именно звуковую характеристику утечки. Необходимо четко понимать эту специфическую характеристику и определить диапазоны частот, характерные для большинства утечек воды. Каждая утечка обычно создает звук в трех частотных диапазонах. Первый звук, назовем его «вибрационный звук», создается, когда вода под высоким давлением проходит через отверстие дефекта, что вызывает вибрацию на стенке трубы. В зависимости от вышеописанных факторов, этот звук обычно находится в диапазоне частот от 500 Гц до 800 Гц. Этот звук часто называют "поисковым звуком", поскольку он обладает свойством распространяться вдоль стенки трубы и может быть слышен на некотором расстоянии от утечки при непосредственном контакте датчика течеискателя с гидрантом, воздушным клапаном или другой точкой прямого контакта. С помощью прослушивания сетей контактным способом в этом диапазоном частот можно легко определить участки с потенциальными утечками.

Второй звук часто называют "пульсирующий шум"; он возникает от того, что струя воды, выходящая из отверстия в месте  утечки под высоким давлением, ударяет в почву вокруг трубы. Этот звук обычно находится в более низком частотном диапазоне от 50 Гц до 250 Гц. Третий звук, который лучше всего можно описать как "фонтанирующий звук", создает вода, циркулирующая в воде, скопившейся в месте утечки. Он находится примерно в том же диапазоне частот, что и "пульсирующий шум". Этот звук особенно заметен при дефектах типа "разлом" на магистральных сетях или при утечках с большими объемами потерь, когда в почве в месте утечки создаются полости, заполненные водой. "Пульсирующий шум" и "фонтанирующий звук" обычно слышны непосредственно над местом утечки и представляют собой узко локализованные звуки.

Человеческое ухо было первым звуковым детектором утечки воды. Расположив ухо на водопроводной трубе, находящейся под давлением, операторы системы водоснабжения в прежние времена могли слышать и идентифицировать близлежащие утечки воды в системе. Тот же базовый метод иногда применяется железнодорожниками - приближающиеся поезда можно услышать задолго до того, как они попали в поле зрения, приложив ухо к рельсам. Эти первые специалисты по утечкам стремились усовершенствовать метод и вскоре научились использовать деревянные или металлические "прослушивающие пруты". Звук утечки на водопроводной трубе сети передавался через эту твердую среду непосредственно в ухо и позволял получить прямой контакт непосредственно на штоке задвижки. Акустические стетоскопы появились в начале 1900-х годов; некоторые типы таких течеискателей используются и по сей день. Эти течеискатели были соединены с ухом длинной, гибкой трубкой и были эффективными и точными при определении утечек воды, особенно на твердых покрытиях.

В тот период были разработаны новые методы поиска, что было обусловлено разработкой новой течепоисковой  аппаратуры. Несколько компаний предложили проводить зональные измерения для определения характеристик потока во всей распределительной системе и выявлять участки с аномально высокими потоками, чтобы впоследствии искать на них утечки. Обнаружение утечки на этих участках с высоким потоком обычно осуществлялось с использованием различных акустических течеискателей.

Акустические течеискатели

Геофон для поиска утечек воды

Рис.1 Геофон для поиска утечек воды

Течеискатели старого образца все еще широко используются при обследованиях водопроводов. По типу конструкции они бывают либо механические, либо электронные. В основном это инструменты для усиления звука, которые позволяют оператору услышать звук утечки, который человеческому уху иначе услышать невозможно. Как я уже говорил, инструменты механического типа по-прежнему широко используются и принцип работы этих течеискателей не изменился. Существуют устройства, похожие на старую телефонную трубку с металлическим шипом длиной несколько сантиметров на конце. Этот шип обеспечивает прямой контакт с трубой и передает вибрации трубы на акустическую мембрану головного телефона, где они усиливаются до слышимого уровня. Конструкция другого устройства, называемого "геофон", выглядит как два хоккейных шайбы, соединенных с медицинским стетоскопом прозрачными полыми пластиковыми трубками (Рис.1). Геофон, похожий на хоккейную шайбу, в действительности представляет из себя корпус с мембраной, чувствительной к вибрациям утечки. При размещении двух геофонов над областью предполагаемой утечки получается стереоэффект, который позволяет по уровню шума определять направление к источнику звука утечки. Эти прочные и недорогие механические устройства широко используются в течение многих лет.

По мере развития технологии были разработаны электроакустические детекторы утечки воды. Эти приборы состояли из микрофона и подключенного к нему приемника или усилителя, сигнал с которого передавался на головные телефоны, которые надевал оператор. Многие из ранних акустических течеискателей такого типа работали в широкополосном диапазоне частот от 20 Гц до 4000 Гц. Их главный недостаток заключался в том, что эти течеискатели "собирали" много посторонних звуков, которые неопытные пользователи часто принимали за утечки воды. Продвижение в области электроники вскоре привело к оснащению течеискателей усилителями с электронной фильтрацией сигнала, позволяющими передавать на измерительные индикаторы и головные телефоны только те частоты, которые соответствовали шумам утечки. Электронные фильтры устраняют нежелательные частоты и фоновый шум, вызванный движением транспорта и другими источниками. Микроамперметр на усилителе помогает специалисту по поиску утечек визуально сравнивать уровни интенсивности звука в разных точках. И сейчас выпускаются несколько подобных качественных устройств, доказавших свою хорошую работу в полевых условиях. Обычно это переносные приборы, которые работают от стандартных батарей питания и характеризуются портативностью, низкой стоимостью и высокой производительностью в сочетании с точными результатами. Точность акустических приборов и методов обнаружения утечек была подтверждена многочисленными свидетельствами специалистов коммунальных служб на протяжении многих лет.

Акустический течеискатель АКУСТИК

Рис.2 Акустический течеискатель АКУСТИК
В настоящее время широко используются переносные течеискатели воды с электронным усилением звука. Они выпускаются как с функцией частотной фильтрации, так и без нее. В дополнение к усилению и измерению силы шума утечки, в новых приборах присутствуют современные функции, которые помогают обнаружить утечку. Например, акустический течеискатель АКУСТИК (Рис.2) оснащен графическим дисплеем, который может отображать частотный спектр сигнала, а также мгновенное, максимальное и усредненное значения сигнала в любом месте установки датчика. Этот переносной течеискатель воды имеет полосовые частотные фильтры, которые можно настроить таким образом, чтобы усиливалась только частота звука утечки, а все остальные частоты ослаблялись - это помогает точно определить и локализовать утечку в условиях сильных посторонних шумов. Приборы подобного класса обычно имеют небольшие габариты и вес, удобные органы управления и полностью автономное питание.

Акустическией метод обнаружения утечек воды с помощью переносных электронных приборов, вероятно, является наименее дорогостоящим методом, доступным в настоящее время в качестве эффективного и практичного способа обнаружения местоположения и оценки размера утечки. Хотя существуют другие методы обнаружения утечки, которые могут быть более точными, они также влекут за собой дополнительные расходы, поскольку оборудование, используемое в усовершенствованных методах поиска утечек, стоит значительно дороже. К этой категории оборудования относятся корреляционные течеискатели.

Корреляционные течеискатели

Корреляционный течеискатель - это оборудование для обнаружения утечек, применяющее компьютерные технологии обработки звука, чтобы точно определить сложные утечки в сетях водоснабжения. Корреляционные течеискатели представляют собой достоверную и надежную систему обнаружения утечек в трубопроводах, выполненную на основе технологии «кросс-корреляции». Этот метод позволяет максимально точно определить положение утечек, но в то же время он нечувствителен к посторонним шумам и распространению звука через грунт. Просто установив два датчика на трубу или запорную арматуру, по одному с каждой стороны от места предполагаемой утечки, корреляционный течеискатель определит точное местоположение утечки или даже нескольких утечек. Несмотря на то, что корреляторы стоят достаточно дорого, они могут в значительной степени сэкономить трудозатраты и время, поскольку они определяют утечки с высокой точностью, что позволяет сокращать затраты на "сухие" шурфы. Также, использование корреляционных течеискателей позволяет отчасти отказаться от работы персонала в ночную смену. Для разветвленных сетей водораспределения используются многоточечные корреляторы шумов утечки. Так, течеискатель Enigma (Рис.3) имеет не два, а восемь датчиков, которые можно расставить в ключевых точках водопроводной сети и провести корреляцию между любой парой датчиков. Используемый в сочетании с эффективной программой обнаружения утечек воды, цифровой корреляционный течеискатель Enigma может точно определять утечки в местах с высоким уровнем посторонних шумов, а также тихие утечки, точно определить которые раньше было невозможно.

Корреляционные течеискатели работают иначе, чем другие типы акустических течеискателей. Они не пытаются определить местоположение самого сильного шума утечки, как другие типы детекторов. Корреляторы измеряют разницу во времени, за которое шум утечки достигает обоих датчиков-акселерометров, расположенных на пожарных гидрантах или задвижках с обеих сторон от места утечки. В зависимости от используемого течеискателя и типа диагностируемого трубопровода, расстояние между датчиками может достигать 800 метров. Сигналы от преобразователей подаются на предусилители, а от предварительных усилителей поступают в коррелятор для обработки и анализа. Бывают корреляционные течеискатели с кабельными барабанами, на которых намотаны длинные кабели для обеспечения связи между предусилителем и коррелятором. Разматывание кабелей, особенно в местах с интенсивным движением транспорта, может быть опасно, неудобно и медленно. Более продвинутые корреляционные течеискатели могут передавать сигнал от предусилителей в коррелятор по радиоканалу. Хотя это увеличивает стоимость системы, использование радиосвязи устраняет проблемы с разматыванием кабелей, что значительно сокращает время полевых работ и эксплуатационные расходы.

Корреляционный течеискатель ENIGMA
Рис.3 Корреляционный течеискатель ENIGMA

Разница во времени, за которое шум утечки воды достигнет обоих датчиков, в сочетании с известными скоростью звука в трубопроводе и расстоянием между датчиками, позволяет течеискателю вычислить положение утечки. Как и в случае с акустическими течеискателями другого типа, особенности трубопровода влияют на эффективность работы коррелятора. Металлические трубопроводы, например, стальные или чугунные, являются относительно хорошими проводниками звука, и обнаружение утечки с помощью метода взаимной коррекционной функции на таких трубах особенно эффективно. В пластиковых трубопроводах звук утечки затухает достаточно быстро ввиду меньшей плотности материала, поэтому расстояние между датчиками должно быть значительно уменьшено. Как упоминалось выше, посторонние фоновые звуки, такие как шум компрессоров, насосов и шум проезжающего транспорта, практически не будут оказывать влияния на эффективность работы корреляционного течеискателя.

Преимущество корреляторов заключается в том, что они могут работать с высокими уровнями фонового шума и могут отличать шумы утечки от других окружающих шумов. Они могут быстро и точно определять фактические места утечек, тем самым в разы уменьшая количество ошибочных раскопок. Благодаря способности усиления сигнала, корреляционные течеискатели эффективны при низком уровне звука утечки и, как правило, при грамотном анализе могут обнаружить сразу несколько утечек на участке. Недостатки в основном связаны с их высокой стоимостью и необходимостью технического обучения персонала для эффективного использования приборов. При сравнении с обычными портативными акустическими течеискателями, поиск утечек воды с помощью корреляторов занимает немного больше времени, однако это с лихвой окупается более высокой точностью и достоверностью обнаружения утечек.