МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» (ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»)

Муравьев В.В., Муравьева О.В., Волкова Л.В., Платунов А.В.

Антитеррористическая и экологическая диагностика. Методические указания к выполнению лабораторных работ

Рекомендовано учебно-методическим советом «Приборостроительного» факультета ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» для использования в учебном процессе в качестве методических указаний к выполнению лабораторных работ для студентов, обучающихся по направлению 200100.62 «Приборостроение» при изучении дисциплины Антитеррористическая и экологическая диагностика

Ижевск 2013

Рецензент: Стрижак В.А., канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Приборы и методы контроля качества» ИжГТУ

Составители: Муравьев В.В., доктор техн. наук; Муравьева О.В., доктор техн. наук; Волкова Л.В., канд. техн. наук, Платунов А.В.

Рекомендовано Советом «Приборостроительного» факультета к использованию в качестве учебно-методических материалов для использования в учебном процессе для направления 200100.62 «Приборостроение» при изучении дисциплины Антитеррористическая и экологическая диагностика (протокол № ___ от 18.11.2013г)

Антитеррористическая и экологическая диагностика. Методические указания к выполнению лабораторных работ. / сост. В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, Л.В. Волкова, А.В. Платунов. – Ижевск, 2013. – 15с.

УДК

Методические указания являются учебным пособием к лабораторным работам при изучении методов антитеррористической и экологической диагностики. Составлены в соответствии с программой курса «Антитеррористическая и экологическая диагностика» для студентов, обучающихся по направлению 200100 «Приборостроение» и предназначены для самостоятельной подготовки студентов к выполнению лабораторных работ.

Работая в соответствии с указаниями, студенты знакомятся с основами методов течеискания, контроля герметичности опасных производственных объектов, методами поиска людей под завалами, методами определения координат землетрясений. По результатам выполненных исследований составляются отчеты. Контроль знаний студентов осуществляется путем собеседования по основным вопросам изучаемых тем.

© В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, Л.В. Волкова, А.В. Платунов, составление, 2013

© ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова», 2013

Химико-аналитический, оптический, тепловой, радиоволновой, магнитный и электрический методы и приборы контроля

Цель работы: Лабораторная работа состоит из 4 частей заключающихся в обнаружении газовой течи, проверки герметичности изделия, поиска предмета, в определении координат землетрясения.

Часть 1 Ультразвуковые методы течеискания

Цель работы:

1) Освоить методики измерения физической мощности газовой течи прямым и косвенным (ультразвуковым) методом

2) Исследовать связь меду физической и акустической мощности течи

3) Исследовать технические возможности и пределы применимости бес-контактного УЗ-метода течеискания

4) Ознакомиться с принципом действия ультразвукового течеискателя «Гермес-2»

Приборы и оборудование:

1. Ультразвуковой течеискатель «Гермес-2»

2. Пневмоустановка для имитации газовых течей

3. Манометр

4. Образцы имитаторов газовых течей различной мощности

5. Линейка, мерная пробирка, сосуд с водой

Теоретические сведения

Герметичность систем транспортировки (нефтегазопроводы) или хранения жидкостей или газов под давлением (сосуды высокого давления) оценивают методами течеискания. Обнаружение утечки при эксплуатации дает информацию не только о потерях хранящегося (транспортируемого) продукта, но может косвенно характеризовать и прочностные свойства объектов (наличие сквозных дефектов типа трещин или кинетику их изменения в зависимости от изменения расхода вещества через течь).

Основные характеристики метода течеискания – порог чувствительности и дистанционность контроля. Под порогом чувствительности обычно понимают наименьший регистрируемым поток газообразного или расход жидкого пробного вещества через течи. Под дистанционноегью понимается максимально возможное расстояние от места утечки до приемного преобразователя.

Оценивая возможности различных методов течеискания с точки зрения устранения указанного недостатка, следует обратить внимание на ультразвуковой (УЗ) (акустический) метод, отличающийся дистанционностью и достаточным в ряде случаев порогом чувствительности. Метод основан на анализе параметров акустических колебаний, генерируемых течью в окружающую среду и в элементы объекта контроля.

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ГАЗОВОЙ ТЕЧИ

Величину течи принято характеризовать количеством (потоком) W протекающего через него вещества, называемым мощностью течи. Он определяется работой dA, совершаемой веществом при вытекании объема dV в единицу времени под действием давления Р. При Р=const (считаем процесс изобарным – давление меняется незначительно за время вытекания объема dV).

dA =P∙dV.

(1)

Если этот процесс происходит за время Δt, то мощность течи:

(2)

где dV – объем вытекающего продукта за время Δt, P – зибыточное давление в системе. Для удобства дальнейшего изложения назовем величину W истинной мощностью течи.

Зная истинную мощность течи можно, например, рассчитать потери продукта в интересующий период времени, оценить загазованность помещения или атмосферы и сопоставить с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) и т.д.

Процессы вытекания газа, жидкости или их смеси сопровождаются излучением акустических волн в окружающую атмосферу, в транспортируемый или хранящийся продукт, в конструктивные элементы систем транспортировки или хранения. Энергию акустических волн, излучаемых течью в единицу времени, назовем акустической мощностью течи.

Акустическая мощность связана с истинной мощностью, а точнее составляет часть истинной мощности, поскольку работа, совершаемая газом, жидкостью и идущая на возбуждение акустических волн, является частью общей работы, совершаемой «ми над внешними телами. Кроме работы, идущей на возбуждение акустических колебаний, вытекающие газ или жидкость совершают, например, работу по переносу массы окружающей атмосферы, жидкости.

Зная коэффициент связи между истинной и акустической мощностями и измеряя часть мощности акустических волн, излучаемых в атмосферу, продукт или элементы объекта контроля, можно уценить истинную мощность течи.

И

2

стинную мощность газовой течи можно измерить прямым методом - путем измерения объема вытекающего газа ΔV за счет перепада давления ΔР за время Δt на установке, представленной на рисунке 1. Для этого наполненную водой мерную пробирку опускают в сосуд с водой, вводят в нее трубку с имитатором течи, измеряют объем вытекшего газа ΔV за время Δt, а мощность течи определяют по формуле (2).

Рисунок 1 – установка для измерения мощности газовой течи прямым методом

1 – насос; 2 – манометр; 3 – сосуд давления; 4 – имитатор течи; 5 – сосуд с водой; 6 – мерная пробирка

Акустическая мощность течи может быть измерена с использованием прибора "ГЕРМЕС-2", реагирующего на энергию акустических волн. В то же время не вся энергия течи преобразуется в энергию акустических волн. Кроме того, течи сопровождаются излучением акустических волн в широком диапазоне частот, а прибор выделяет достаточно узкую полосу частот в районе 40 КГц. Таким образом показания прибора связаны с физической мощностью течи некоторым коэффициентом связи k, который, например, для газовых свистков и сирен колеблется от единиц до десятков процентов; k зависит от многих факторов – перепада давления, геометрии отверстия, температуры.

Полагая течь точечным источником ультразвука (размер течи <λ), излучающим сферическую волну, зависимость звукового давления в волне от расстояния можно записать в следующем виде:

(3)

где А – нормировочный коэффициент [Н/м], r - расстояние от течи до приемника, δ – коэффициент затухания волны в среде

(δ_газ=a_газf², a_газ=3,0∙10^-11 с²/м, f – частота в спектре).

Нормировочный коэффициент А может быть найден из условия калибровки передатчика течеискателя в единицах давления в излучаемой волне (на расстоянии r_эт – 1 м от передатчика течеискателя давление в излучаемой волне на частоте 40 кГц соответствует p_эт – 1 Па). Подстановка p_эт и r_эт в формулу (3) дает для А следующее выражение:

(4)

Для определения акустической мощности течи необходимо отградуировать течеискатель "Гермес-2" в единицах мощности регистрируемых им акустических волн (единицах акустической мощности).

Для этого можно использовать передатчик прибора "Гермес-2". Для градуировки вывести на максимум (вправо до отказа) уровень чувствительности прибора и определить расстояние r₀ между передающим и приемным блоками прибора, на котором стрелка индикатора будет отклоняться до середины шкалы (5 дел.). Согласно формуле (3) в этом случае будет регистрироваться давление p₀.

(5)

Таким образом, будет найден порог чувствительности прибора. При этом интенсивность в регистрируемой волне (мощность звуковой энергии, переносимая через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения) определяется формулой:

(6)

где ρс – волновое сопротивление среды (воздуха) = 430 Па с/м.

Заменив передатчик источником течи, определить расстояние r_х, на котором прибор дает те же показания, то есть радиус полусферы, на котором течь создает давление в волне, равное чувствительности прибора I₀.

При этом полная мощность звуковой энергии, излучаемой течью в диапазоне частот, регистрируемых прибором, определяется формулой:

(7)

где S_n/c = 2πr_х – площадь поверхности полусферы радиуса r_х.

Коэффициент связи k в этом случае определится как отношение мощности W_АК (акустической мощности) к мощности течи, определенной прямым методом (истинной мощности):

(8)

Чувствительность прибора к мощности газовых течей оценивается приблизительно значением 10^-2 Вт; чувствительность может быть увеличена, если места негерметичности смазать какой-либо жидкостью (вода, трансформаторное масло и т. д.).