Оптический определитель места порыва кабеля

 

Изобретение относится к диагностике целостности оболочек кабелей и может быть использовано для оперативного отыскания места повреждения оболочки кабеля, находящегося под избыточным давлением. Сущность изобретения: устройство содержит на противоположных концах контролируемого кабеля манометр с плоской мембраной и цилиндрической пружиной, включенный в полость кабеля с избыточным давлением, плоскую мембрану, шток манометра, жестко связанный с плоской мембраной. Дополнительно введены и последовательно установлены оптически связанные лазер, конденсаторная линза, коллимирующая линза, фокусирующая линза, поворотное зеркало, эталонная голограмма, отражатель, размещенный на торце штока манометра, поворотное зеркало, фотоприемное устройство, пороговое устройство, электрически связанное с фотоприемным устройством, решающее устройство, электрически связанное с пороговым устройством. 4 ил.

Изобретение относится к диагностике целостности оболочек кабелей, находящихся под давлением, и может быть использовано для оперативного отыскания места повреждения оболочки кабеля, находящегося под давлением.

Известна автоматическая контрольно-осушительная установка [1], содержащая баллон высокого давления, обратный клапан, осушительную камеру, двухступенчатый редуктор, автоматическое дозирующее устройство, шунт, тройник, входной и выходной клапаны, манометры, счетчик переключения входного и выходного клапанов. Недостатками устройства являются необходимость определения человеком-оператором числа срабатывания счетчиков для системы АКОУ, размещенных на разных концах кабеля, за один и тот же интервал времени, низкая точность определения расчетного места повреждения (до 1 км), необходимость закачки в кабель индикаторного газа для уточнения места повреждения оболочки, значительные затраты времени по определению места повреждения оболочки кабеля. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по способу отыскания места повреждения оболочки кабеля является автоматическая установка для содержания кабеля под избыточным давлением (АУСКИД) [1], содержащая баллон высокого давления, осушительную камеру высокого давления, редуктор с обратным клапаном, редуктор низкого давления, осушительную камеру низкого давления, пневматический сигнализатор, индикатор влажности, блок ротаметров, манометры, предохранительные клапаны, воздушный контактный прибор ВКП-1. Недостатками устройства является необходимость измерения человеком-оператором временных характеристик спада давления в поврежденном кабеле с помощью размещенных на трассе кабеля манометров, необходимость закачки в кабель индикаторного газа для уточнения места повреждения оболочки кабеля, значительные затраты времени по определению места повреждения оболочки.

Целью изобретения является снижение затрат времени на определение места повреждения оболочки кабеля, находящегося под избыточным давлением, для этого предлагается оптический определитель места порыва кабеля, находящегося под избыточным давлением, содержащий на противоположных концах контролируемого кабеля манометр с плоской мембраной и цилиндрической пружиной, включенный в полость кабеля с избыточным давлением, плоскую мембрану, шток манометра, жестко связанный с плоской мембраной, отличающийся тем, что на противоположных концах кабеля установлены оптически связанные лазер, конденсаторная линза, коллимирующая линза, фокусирующая линза, поворотное зеркало, эталонная голограмма, отражатель, размещенный на торце штока манометра, поворотное зеркало, фотоприемное устройство, пороговое устройство, электрически связанное с фотоприемным устройством, решающий блок, электрически связанный с пороговым устройством, который фиксирует характеристику изменения давления в кабеле с привязкой во времени для вычисления расстояния до места нахождения повреждения в кабеле, которое может определяться в соответствии с выражением: где R - газовая постоянная воздуха; T_o - температура воздуха в кабельной линии связи, взятая при условиях, принятых за нормальные (сухой идеальный газ при избыточном давлении, принятом за норму); S - площадь сечения кабеля; ϕ(K) - функция показателя адиабаты; P₁(t), P₂(t) - избыточное давление воздуха в кабеле (после его порыва) с одного и другого конца магистрали соответственно в момент времени t, причем P₂(t) - это избыточное давление в конце кабеля, противоположном тому, от которого рассчитывается расстояние до места порыва; P_возд - реальное избыточное давление воздуха в кабеле до его порыва; L - протяженность кабеля;
K - коэффициент сжимаемости газа, учитывающий отклонение в кабеле от идеального;
χ - коэффициент пропорциональности, причем , где
ρ_н - плотность сухого газа в кабеле при нормальных условиях, соответствующих температуре T_о и давлению P_н;
P_н - давление воздуха в кабеле, соответствующее нормальным условиям.

Каждый из комплектов устройства через входящий в его состав манометр включен в находящуюся под избыточным давлением оболочку на противоположных концах контролируемого кабеля.

Схема одного из комплектов устройства представлена на фиг.1. На фиг.1 использованы следующие обозначения: 1 - лазер, 2 - конденсорная линза, 3 - коллимирующая линза, 4 - фокусирующая линза, 5 - поворотное зеркало, 6 - эталонная голограмма, 7 - отражатель, 8 - поворотное зеркало, 9 - фотоприемное устройство, 10 - пороговое устройство, 11 - решающий блок, 12 - шток манометра, 13 - плоская мембрана, 14 - манометр.

Представленное на фиг.1 устройство работает следующим образом. Излучаемый лазером 1 световой поток направляется на конденсорную линзу 2, которая фокусирует его и направляет на коллимирующую линзу 3. Коллимирующая линза 3 формирует плоский фронт падающего на нее от линзы 2 светового потока и направляет этот поток на фокусирующую линзу 4. Фокусирующая линза 4 фокусирует и направляет этот световой поток на поворотное зеркало 5, размещенное под углом, близким к 45^o к оптической оси падающего на него от фокусирующей линзы 4 светового потока. Поворотное зеркало 5 направляет падающий на него от линзы 4 световой поток на эталонную голограмму 6. Часть падающего на голограмму 6 светового потока дифрагирует на ней, а часть пройдет через голограмму 6 без дифракции, отражается отражателем 7 и повторно проходит через голограмму 6, частично дифрагируя на ней. Эти световые потоки направляются поворотным зеркалом 5 через линзы 4 и 3 на поворотное зеркало 8. Поворотное зеркало 8 направляет падающие на него световые потоки в плоскость фотоприемного устройства 9. В плоскости фотоприемного устройства 9 падающие туда световые потоки формируют интерферограмму, ширина интерференционных полос которой однозначно определяется геометрическими параметрами оптической схемы предлагаемого устройства в момент записи эталонной голограммы и в момент измерений.

Эталонная голограмма 6 записана по оптической схеме, представленной на фиг.1, причем шток манометра с размещенным на нем отражателем в момент записи должен находиться в положении, соответствующем установленной норме избыточного давления в кабеле. При изменении давления в кабеле будет изменяться положение штока манометра с отражателем, а значит будет изменяться оптическая разность хода интерферирующих в плоскости ФПУ световых потоков, что вызовет изменение внешнего вида интерфедограммы. Расчеты и результаты эксперимента показывают, что при нахождении штока с отражателем в положении, для которого была записана эталонная голограмма, в плоскости изображения (в плоскости ФПУ) будет наблюдаться сплошная засветка при удалении штока с отражателем от положения, для которого была записана эталонная голограмма, в плоскости изображения формируются интерференционные кольца, которые будут разбегаться от центра интерферограммы, а при приближении штока с отражателем к исходному положению кольца будут сбегаться к центру интерферограммы. Пороговое устройство 10 преобразует интерферограмму, формируемую в плоскости ФПУ 9, в цифровой двоичный код для решающего блока 11. Это позволяет измерить и зафиксировать в решающем блоке характеристику изменения давления в кабеле с привязкой ко времени. Аналогичные измерения производятся вторым комплектом устройства, находящегося на противоположном конце кабеля.

Изображение контролируемого кабеля с размещенными на нем двумя комплектами для измерений представлено на фиг. 2. На фиг. 2 использованы следующие обозначения: 1 - кабель, содержащийся под избыточным давлением; 2 - возможное место порыва оболочки кабеля, 3 и 4 - устройства для содержания кабеля под избыточным давлением; 5 и 6 - подключенные к кабелю измерительные устройства, аналогичные устройству, представленному на фиг. 1; L₁, L₂ - расстояния до возможного места порыва кабеля от разных его концов; L - общая длина контролируемого кабеля.

На фиг. 3 иллюстрируется процесс прохождения световых потоков через эталонную голограмму при ее записи. На фиг. 3 использованы следующие обозначения: 1 - отражательное поворотное зеркало; 2 - эталонная голограмма, 3 - отражатель, размещенный на штоке манометра; 4 - падающий от фокусирующей линзы на отражательное поворотное зеркало 1 световой поток, прошедший через эталонную голограмму 2 и падающий на отражатель 3; 5 - световой поток, отраженный отражателем 3 и поворотно прошедший через голограмму 2; F - точка фокуса, γ - угол схождения светового потока, падающего на голограмму 2 от поворотного зеркала 1; δ - угол отклонения поворотного зеркала 1 от 45^o относительно оптической оси падающего на него от фокусирующей линзы 4 (фиг. 1) светового потока; 2ϕ - угол перекрытия светового потока 4, падающего на отражатель 3 и отраженного отражателем 3 светового потока в момент записи эталонной голограммы 2; d - линейный размер области перекрытия в плоскости эталонной голограммы 2 падающего на отражатель 3 и отраженного им световых потоков при записи голограммы; A - точка фокуса падающего на отражатель (3) светового потока; H - расстояние по нормали от точки фокуса A до эталонной голограммы 2; O - точка начала координат; R_o - расстояние по нормали от точки O до поворотного зеркала 1, R_i- расстояние по нормали от произвольной точки эталонной голограммы 2 до поворотного зеркала 1; C - ширина падающего на фокусирующую линзу коллимированного светового потока; ΔH - величина смещения отражателя 3 относительно его положения в момент записи эталонной голограммы 2; OX - координатная ось, лежащая в плоскости голограммы.

Уравнение представленной на фиг. 3 эталонной голограммы может быть записано следующим образом:

где
T - коэффициент пропускания голограммы;
α₀ - - коэффициент затухания прямой волны;
Δα₀ - - коэффициент затухания дифрагированной волны;
K - волновое число;
X - текущая координата на оси OX;
Остальные обозначения в формуле 1 соответствуют обозначениям, использованным на фиг. 3. Угол δ (фиг. 3) должен быть отличен от нуля, т.к. при δ = 0 не удается пространственно разделить падающий на отражатель 3 (фиг. 3) и отраженный от отражателя световые потоки, что делает невозможным съем информации в соответствии со схемой, представленной на фиг.2. В то же время, угол δ должен быть как можно более близок к нулю, что обеспечивает максимальный размер области d (фиг.3), т.е. максимальный размер рабочей области эталонной голограммы в процессе измерений. Экспериментально установлено, что оптимальным является 0° < δ ≅ 3°. .

Расчеты показывают, что при приемлемых размерах оптической части схемы измерений (H = 0,1 - 0,2 м; R_о = 0,05 - 0,1 м) ширина инференционных полос нулевого порядка в плоскости эталонной голограммы будет колебаться от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, что позволяет получить в плоскости изображения интерферограмму, геометрические параметры которой могут быть легко определены по количеству освещенных или затемненных фотоприемников на ФПУ 9 (фиг. 1). Каждая из ячеек ФПУ 9 (каждый отдельный фотоприемник) электрически связана с соответствующей ей ячейкой порогового устройства 10 (с отдельным пороговым устройством). В соответствии с заданным порогом срабатывания и в зависимости от уровня поступающих с ячеек ФПУ 9 на соответствующие им ячейки ПУ 10 электрических сигналов на выходах ячеек ПУ 10 появляются потенциалы, соответствующие "единицам" и "нулям" цифрового двоичного кода, который поступает на обработку в решающий блок 11. Этот двоичный код, с дискретностью до размеров одной ячейки ФПУ 9 позволяет сделать вывод о ширине интерференционных полос формируемой интерферограммы. Современная промышленность выпускает фотоприемные устройства с размерами отдельных ячеек порядка 10^-5 м. В качестве пороговых устройств могут использоваться матрицы триггеров Шмитта в интегральном исполнении. Для указанных размеров схемы измерений изменения фазы формируемого изображения на π будет происходить при смещении отражателя 3 (фиг. 3) на величину порядка 10 ^-5 м. Внешний вид интерферограмы, формируемой в плоскости изображения на ФПУ 9 (фиг. 1), представлен на фиг. 4. Светлые и темные полосы на фиг. 4 соответствуют распределению фазы светового потока в плоскости изображения. На фиг. 4 использованы следующие обозначения: 1 - фотоприемное устройство; 2 - ячейки фотоприемного устройства (отдельные фотоприемники), светлые и темные кольца на фиг. 4 соответствуют интерференционным полосам формируемой интерферограммы.

Интенсивность поля формируемой в плоскости изображения интерферограммы может быть представлена следующим образом:
I = I₀+I₁cosKΔ,
где
I₀- интенсивность поля постоянного светового фона;
I₁ - амплитуда интенсивности поля интерференционного члена уравнения;
K - волновое число;
Δ - оптическая разность хода интерферирующих световых потоков.

С учетом обозначений, используемых на фиг. 3 и в формуле 1, можно записать:

где
.

Для известных геометрических параметров устройства и с учетом масштабного коэффициента, определяемого известными характеристиками оптических элементов схемы измерений (зеркал и линз), формулы 2 и 3 позволяют рассчитать интенсивность поля в любой точке формируемой интерферограммы. Это означает, что выражения 2 и 3 для известных геометрических параметров схемы измерений позволяют определить однозначную зависимость ширины интерференционных полос заданного порядка и фазовой разности интерферирующих световых потоков от величины перемещения штока манометра с отражателем, т.е. от ΔH (фиг. 3) в каждый конкретный момент времени. Положение штока манометра однозначно определяется давлением газа в кабеле, а значит, измеряя ширину интерференционных полос и число изменений на π фазовой разности интерферирующих световых потоков (по освещенности ячеек фотоприемного устройства), имеется возможность измерения давления в кабеле (в месте включения манометра измерителя) в каждый конкретный момент времени. Зная зависимости спада давления газа в кабеле от времени при порыве оболочки кабеля, имеется возможность вычисления расстояния до места порыва.

Формула для определения расстояния L₁ от измерителя до места порыва оболочки кабеля, содержащегося под избыточным давлением воздуха, имеет следующий вид

где
R - газовая постоянная воздуха;
T_o - температура воздуха в кабельной линии связи, взятая при условиях, принятых за нормальные (сухой идеальный газ при избыточном давлении, принятом за норму);
S - площадь сечения кабеля;
ϕ(K) - - функция показателя адиабаты;
P₁(t) и P₂(t) - избыточное давление воздуха в кабеле (после его порыва) с одного и другого конца магистрали соответственно в момент времени, причем это избыточное давление в конце кабеля, противоположном тому, от которого рассчитывается расстояние до места порыва;
P_возд - реальное избыточное давление воздуха в кабеле до его порыва;
L - протяженность кабеля;
K - коэффициент сжимаемости газа, учитывающий отклонение газа в кабеле от идеального;
χ - - коэффициент пропорциональности, причем

где
ρ_н - плотность сухого газа в кабеле при нормальных условиях, соответствующих температуре T_o и давлению P_н;
P_н - давление воздуха в кабеле, соответствующее нормальным условиям.

Помимо воздуха для содержания кабеля под избыточным давлением могут использоваться другие газы. Сравнение заявленного устройства с другими техническими устройствами в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Положительный эффект состоит в снижении затрат времени на определение места повреждения оболочки кабеля, находящегося под избыточным давлением.

Формула изобретения

Оптический определитель места порыва кабеля, находящегося под избыточным давлением, содержащий на противоположных концах контролируемого кабеля манометр с плоской мембраной и цилиндрической пружиной, включенный в полость кабеля с избыточным давлением, плоскую мембрану, шток манометра, жестко связанный с плоской мембраной, отличающийся тем, что на противоположных концах кабеля установлены оптически связанные лазер, конденсорная линза, коллимирующая линза, фокусирующая линза, поворотное зеркало, эталонная голограмма, отражатель, размещенный на торце штока манометра, поворотное зеркало, фотоприемное устройство, пороговое устройство, электрически связанное с фотоприемным устройством, решающий блок, электрически связанный с пороговым устройством, который фиксирует характеристику изменения давления в кабеле с привязкой во времени для вычисления расстояния до места нахождения повреждения в кабеле с возможностью определения его в соответствии с выражением:

где R - газовая постоянная воздуха;
T_о - температура воздуха в кабельной линии связи, взятая при условиях, принятых за нормальные (сухой идеальный газ при избыточном давлении, принятом за норму);
S - площадь сечения кабеля;
ϕ(K) - функция показателя адиабаты;
P₁(t), P₂(t) - избыточное давление воздуха в кабеле после его порыва с одного и другого конца магистрали соответственно, в момент времени t, причем P₂(t) - это избыточное давление в конце кабеля, противоположном тому, от которого рассчитывается расстояние до места порыва;
P_возд - реальное избыточное давление воздуха в кабеле до его порыва;
L - протяженность кабеля;
K - коэффициент сжимаемости газа, учитывающий отклонение газа в кабеле от идеального;
χ - коэффициент пропорциональности, причем , где ρ_н - плотность сухого газа в кабеле при нормальных условиях, соответствующих температуре T_о и давлению P_н, P_н - давление воздуха в кабеле, соответствующее нормальным условиям.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4