Устройство для обнаружения течи в подземных трубопроводах

 

Изобретение относится к электромагнитным устройствам для обнаружения утечек жидкости из скрытых трубопроводов и может быть использовано для прослеживания трасс. Целью изобретения является увеличение помехоустойчивости измерений. Устройство содержит два источника излучения с возбуждающими частотами f₁ и f₂ , которые наводят токи в исследуемом трубопроводе. Приемные магнитные антенны информационных сигналов частот f₁, f₂ разнесены в пространстве и включены дифференциально, а антенны совмещены и расположены в центре между разнесенными. В приемнике происходит взаимно корреляционная обработка сигналов. 2 ил.

Изобретение относится к электромагнитным устройствам обнаружения утечек жидкости из скрытых трубопроводов и может быть использовано также для прослеживания их трасс. Устройство реализует электромагнитный способ обнаружения мест нарушения герметичности трубопроводов.

Известно устройство для обнаружения утечек жидкости и их локализации в трубопроводах, проложенных горизонтально в твердой или жидкой среде, содержащее генератор токов низкой, высокой частоты либо постоянного тока и измерительный зонд, перемещаемый над трубопроводом, включенный между входом прибора и землей [1].

Данное устройство эффективно лишь в том случае, если трубопровод полностью изолирован от земли. При наличии случайных утечек, например, за счет грунтовых вод, ответвлений, специальных заземлителей, описанное устройство дает ложные аномалии.

Известно устройство, реализующее электромагнитный способ определения мест нарушения герметичности трубопроводов, содержащее источник излучения первой частоты, первую приемную антенну первой частоты, первый селективный усилитель, первый усилитель нижних частот и индикатор течи [2]. Это устройство наиболее близко по числу используемых признаков к заявленному.

Однако в описанном виде это устройство не реализует предельных возможностей способа, поскольку из-за малости коэффициента модуляции, наведенного в трубопроводе тока, повышенное влияние будут оказывать внешние электромагнитные шумы и радиопомехи в используемом диапазоне частот.

Целью изобретения является увеличение помехоустойчивости.

Цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее источник излучения первой частоты, первую приемную антенну первой частоты, первый селективный усилитель, первый усилитель нижних частот и индикатор течи, введены второй селективный усилитель, второй усилитель нижних частот, два дифференциальных усилителя, два смесителя, перемножитель, амплитудный детектор, интегратор, пороговый элемент, индикатор трассы, генераторы первой и второй тональных частот, два модулятора, вторая и третья приемные антенны первой частоты, первая, вторая и третья приемные антенны второй частоты и источник излучения второй частоты, установленный совместно с источником излучения первой частоты, одноименные приемные антенны первой и второй частот размещены попарно на одной прямой на одинаковом расстоянии между парами, первая и вторая (крайние) приемные антенны первой частоты подключены к входам первого дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом первого смесителя, выход которого через первый усилитель нижних частот соединен с первым входом перемножителя, первая и вторая (крайние) приемные антенны второй частоты подключены к входам второго дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом второго смесителя, выход которого через второй усилитель нижних частот соединен с вторым входом перемножителя, выход которого через интегратор подключен к входу порогового элемента, выход которого соединен с первым входом первого модулятора, второй вход которого подключен к выходу генератора первой тональной частоты, а выход соединен с входом индикатора течи, третья (средняя) приемная антенна первой частоты соединена с входом первого селективного усилителя, выход которого соединен с вторым входом первого смесителя и с входом амплитудного детектора, выход которого соединен с первым входом второго модулятора, второй вход которого подключен к выходу генератора второй тональной частоты, а выход соединен с входом индикатора трассы, третья (средняя) приемная антенна второй частоты через второй селективный усилитель подключена к второму входу второго смесителя.

Принципиальным отличием предлагаемого устройства является применение двухчастотного источника излучения, а также дифференциальных усилителей со своими приемными антеннами и смесителями по соответствующим рабочим частотам, соединенными через усилители нижних частот с входами перемножителя и интегратора. Результат перемножения сигналов нижних частот, являющийся корреляционной функцией перемножаемых сигналов, соответствует усредненной величине взаимной спектральной плотности мощности сигналов, возникающих вследствие параметрической модуляции наведенных в трубе токов флуктуирующим сопротивлением струи истекающей жидкости.

Поскольку внешние помехи, проходящие по каждому из каналов, некоррелированы между собой, то сигнал с выхода перемножителя определяется только течью, а результат перемножения помех на выходе интегратора равен нулю.

Использование дифференциальной комбинации антенн позволяет снизить прохождение первичного поля генератора ПЭВМ и внешних однородных по пространству электромагнитных помех. При этом сигнальная компонента удваивается, посколь- ку токи утечки трубопровода через струю жидкости сдвинуты по фазе на 180^о.

Применение, кроме того, амплитудного детектора в канале опорного сигнала с системой индикации трассы через второй модулятор, а также первого модулятора между индикатором течи и пороговым элементом является дополнительным отличием, позволяющим увеличить производительность работ за счет оперативной индикации трассы и локализации места утечки простым приемом на слух.

Вновь введенные признаки разрешают техническое противоречие между желаемым повышением чувствительности устройства к обнаруживаемому сигналу и сопровождающимся при этом снижением помехоустойчивости к внешним электромагнитным помехам.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - схема разреза исследуемого участка земли.

Устройство содержит два источника излучения, выполненных в виде усилителей 1,2 мощности с внешним возбуждением соответственно для рабочих частот f₁, f₂, соединенных с излучающими магнитными антеннами 3,4, которые наводят токи в исследуемом трубопроводе 5, модулированные флуктуациями проводимости утечки воды через отверстие в трубе 6. Первая и вторая приемные магнитные антенны 7,8 информационных сигналов частоты f₁ соединены с входом первого дифференциального усилителя 9, выход которого через первый смеситель 10 и первый усилитель 11 нижних частот подсоединен к первому входу перемножителя 12, опорный вход первого смесителя 10 соединен с выходом первого селективного усилителя 13, а вход последнего подключен к третьей приемной магнитной антенне 14 опорного сигнала частоты f₁, первая и вторая приемные магнитные антенны 15,16 информационного сигнала частоты f₂, соединенные с входом второго дифференциального усилителя 17, а последний через второй смеситель 18 и второй усилитель 19 нижних частот подсоединен к второму входу перемножителя 12, опорный вход второго смесителя 18 подсоединен к выходу второго селективного усилителя 20 частоты f₂, а вход последнего подключен к третьей приемной магнитной антенне 21 второго опорного сигнала, выход перемножителя 12 соединен через интегратор 22 и пороговое устройство 23 с первым входом первого модулятора 24, второй вход первого модулятора 24 подсоединен к генератору 25 первой тональной частоты, а его выход - к индикатору 26 течи, выход первого селективного усилителя 13 подсоединен через амплитудный детектор 27 к первому входу второго модулятора 28, второй вход этого модулятора подключен к генератору 29 второй тональной частоты, а его выход соединен с индикатором 30 трассы. Трубопровод расположен под поверхностью земли 31.

Конструкция всего устройства выполняется в виде жесткой штанги длиной 1-1,5 м, на которой по концам расположены попарно приемные антенны информационных сигналов 7,15 и 8,16, а в центре штанги - приемные антенны опорных сигналов 14,21. Штанга с антеннами закрепляется на корпусе приборного блока приемника.

Устройство работает следующим образом.

Источники излучения ПЭВМ наводят в исследуемом трубопроводе 5 токи I₁, I₂ соответственно с частотами f₁ и f₂. Часть этих токов ответвляется через струю истекающей жидкости и модулируется по амплитуде флуктуациями электрического сопротивления струи. В спектре модулированного сигнала содержатся составляющие с частотами возбуждения и комбинированные продукты модуляции в диапазоне частот F_н-F_в: Δ^~I₁= I_1mm₁cos[(F_нF_в)t + ϕ₁] x x cos (2πf₁t + ϕ₁₀), (1) Δ^~I₂= I_2mm₂cos[(F_нF_в)t + ϕ₂ ] x x cos(2πf₂t + ϕ₂₀). (2) Вторичное магнитное поле этих сигналов принимается приемными антеннами 7,8,14, настроенными на частоту несущей f₁, и приемными антеннами 15,16,21, настроенными на частоту f₂. Антенны 7,8 и 15,16 включены соответственно в противофазе так, чтобы сигналы внешних электромагнитных полей, в том числе первичного поля генераторов, вычитались. Поскольку направление токов утечки I₁ и I₂ в трубе до и после места утечки противоположно, то начальные фазы этих токов сдвинуты на 180^о, т.е. ϕ₁₀ = ϕ₂₀ + 180^о. При вычитании на входе дифференциальных усилителей 9,17 эти сигналы складываются, что и обеспечивает первую ступень увеличения отношения сигнал/помеха на входе устройства. Отфильтрованные с помощью дифференциальных усилителей 9,17 сигналы комбинационных частот 1 и 2 поступают поканально на сигнальный вход смесителей 10,18. Опорные сигналы на эти смесители поступают с приемных антенн 14,21 соответственно через селективные усилители 13,20. В результате эффекта гетеродинирования в спектре сигналов на выходе смесителей появляются частоты модуляции F_нF_в, которые отфильтровываются усилителями 11,19 низкой частоты.

В результате перемножения отфильтрованных сигналов диапазона частот F_нF_в в перемножителе 12 на выходе интегратора 22 получаем видеоимпульс, амплитуда которого пропорциональна мощности корреляционного типа перемножаемых сигналов (I₁*I₂)≈(I²₁), а длительность определяется скоростью движения оператора вдоль трассы трубопровода.

Пороговое устройство 23 формирует стандартный сигнал обнаружения, который с помощью первого модулятора 24 и генератора 25 первой тональной частоты подает на индикатор течи 26 модулированный сигнал.

Для указания трассы трубопровода служит амплитудный детектор 27, сигнал которого модулируется во втором модуляторе 28 второй тональной частоты от генератора 29 и индицируется, например, на слух с помощью индикатора 30.

Описанное устройство позволяет оператору двигаться вдоль трубопровода без остановок по сигналу индикатора 30 трассы. В момент появления искомой течи индикатор 26 течи отметит ее появление сигналом первой тональной частоты. Скорость движения 1-3 км/ч.

Фрагменты устройства и принцип действия проверялись в лабораторных условиях: от специального генератора в отрезке трубы наводился ток, а тороидальной магнитной антенной принимался сигнал с помощью спектрального анализатора. При пропускании воды через трубу и имитируемый дефект спектральный анализатор фиксировал появление модулированного флуктуациями течи сигнала, что принципиально доказывает возможность реализации устройства. Выигрыш в помехоустойчивости определяется степенью компенсации внешних электромагнитных помех за счет дифференциального включения приемных антенн (порядка 20 дБ) и глубиной подавления помех за счет корреляционной обработки сигналов в приемнике.

Известно, что взаимно-корреляционный приемник увеличивает отношение сигнал/помеха на выходе на величину базы сигнала, т.е. произведение полосы сигнала на его длительность.

Полагая, что полоса полезного сигнала соответствует F_в-F_н = ΔF = 1 кГц, а его длительность равна Т_с = 1 с, можно оценить выигрыш предлагаемого приемника по сравнению с известным как ΔF˙Т_с = 10³, т.е. 60 дБ по мощности.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ТЕЧИ В ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ, содержащее источник излучения первой частоты, первую приемную антенну первой частоты, первый селективный усилитель, первый усилитель нижних частот и индикатор течи, отличающееся тем, что, с целью увеличения помехоустойчивости устройства, в него введены второй селективный усилитель, второй усилитель нижних частот, два дифференциальных усилителя, два смесителя, перемножитель, аплитудный детектор, интегратор, пороговый элемент, индикатор трассы, генераторы первой и второй тональных частот, два модулятора, вторая и третья приемные антенны первой частоты, первая, вторая и третья приемные антенны второй частоты и источник излучения второй частоты, установленный совместно с источником излучения первой частоты, одноименные приемные антенны первой и второй частот размещены попарно на одной прямой на одинаковом расстоянии между парами, первая и вторая крайние приемные антенны первой частоты подключены к входам первого дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом первого смесителя, выход которого через первый усилитель нижних частот соединен с первым входом перемножителя, первая и вторая крайние приемные антенны второй частоты подключены к входам второго дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом второго смесителя, выход которого через второй усилитель нижних частот соединен с вторым входом перемножителя, выход которого через интегратор подключен к входу порогового элемента, выход которого соединен с первым входом первого модулятора, второй вход которого подключен к выходу генератора первой тональной частоты, а выход соединен с входом индикатора течи, третья средняя приемная антенна первой частоты соединена с входом первого селективного усилителя, выход которого соединен с вторым входом первого смесителя и с входом амплитудного детектора, выход которого соединен с первым входом второго модулятора, второй вход которого подключен к выходу генератора второй тональной частоты, а выход соединен с входом индикатора трассы, третья средняя приемная антенна второй частоты через второй селективный усилитель подключена к второму входу второго смесителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2