Устройство поиска мест утечек магистральных трубопроводов

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Изобретение включает два датчика вибрации, два усилителя, два фильтра, цифровой коррелятор, дисплей, передатчик, приемник, два аналого-цифровых преобразователя, шифратор, дешифратор, генератор высокой частоты, фазовый манипулятор, усилитель мощности, селектор фазоманипулированных сигналов, удвоитель фазы, два измерителя ширины спектра, блок сравнения, пороговый блок, ключ, демодулятор фазоманипулированных сигналов, два перемножителя, узкополосный фильтр и фильтр низких частот. Техническим результатом изобретения является повышение надежности радиоканала путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией. 4 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения места течи в подземных трубопроводах систем тепло- и водоснабжения.

Известны устройства для определения места течи в подземных трубопроводах (авт. свид. 336463, 380910, 411268, 417675, 724957, 724959, 930034, 932098, 941776, 947666, 1079946, 1208402, 1368685, 1657988, 1778597, 1781577, 1800219; патенты РФ 2011110, 2026372, 2047039, 2047815, 2053436, 2084757; патенты США 3045116, 3744298, 4289019; патент Великобритании 1349120; патенты Франции 2374628, 2504651; патент ФРГ 3112829; патенты Японии 4611795, 556856, 6322531, Волошин В.И. и др. Акустический определитель местоположения развивающегося дефекта // Дефектоскопия, 1980, 8. - С.69-74 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство поиска места утечек магистральных трубопроводов" (авт. свид. СССР 1778597, G 01 М 3/24, 1991), которое и выбрано в качестве прототипа.

Это устройство характеризуется тем, что содержит первичные вибропреобразователи, устанавливаемые на концах обслуживающего трубопровода, два усилителя, два фильтра, два аналого-цифровых преобразователя, шифратор, дешифратор, цифровой коррелятор, дисплей, передатчик и приемник. Применение радиоканала позволяет повысить мобильность устройства, расширить его функциональные возможности.

Однако устройству-прототипу присущ недостаток, заключающийся в том, что радиоканал подвержен сильному воздействию естественных и искусственных помех, особенно в условиях крупного мегаполиса, что делает возможным его работоспособность только на секциях трубопроводов малой длины.

Технической задачей изобретения является повышение надежности радиоканала путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что устройство для поиска мест утечек магистральных трубопроводов, содержащее первый и второй датчики вибрации, устанавливаемые на концах диагностируемой секции трубопровода, приемник, последовательно подключенные к выходу первого датчика вибрации первый усилитель, первый фильтр, первый аналого-цифровой преобразователь, цифровой коррелятор, второй вход которого соединен с выходом дешифратора, и дисплей, последовательно подключенные к выходу второго датчика вибрации второй усилитель, второй фильтр, второй аналого-цифровой преобразователь, шифратор и передатчик, снабжено удвоителем фазы, двумя измерителями ширины спектра, блоком сравнения, пороговым блоком, ключом, двумя перемножителями, узкополосным фильтром и фильтром нижних частот, причем передатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора высокой частоты, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом шифратора, и усилителя мощности, к выходу приемника последовательно подключены удвоитель фазы, первый измеритель ширины спектра, блок сравнения, второй вход которого через второй измеритель ширины спектра соединен с выходом приемника, пороговый блок, ключ, второй вход которого соединен с выходом приемника, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом ключа, и фильтр нижних частот, выход которого соединен с выходом дешифратора.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, изображены на фиг.2. На фиг. 3 приведены значения скорости распространения ударной волны по стальным напорным трубам, на фиг.4 - по чугунным трубам, наполненным водой с различной температурой.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 датчики вибрации, установленные на концах диагностируемой секции трубопровода и предназначенные для преобразования виброакустических сигналов в электрические, первый 3 и второй 4 усилители для усиления электрических сигналов, первый 5 и второй 6 фильтры для выделения требуемой полосы частот, цифровой коррелятор 7 для измерения возможной корреляции двух сигналов, дисплей 8, предназначенный для отображения цифровой и графической информации, передатчик 9 для создания электрических колебаний высокой частоты и управления ими с целью передачи информации на расстояние при помощи электромагнитных волн, приемник 10 для приема, преобразования и использования энергии электромагнитных волн, излученных антенной передающего устройства, первый 11 и второй 12 аналого-цифровые преобразователи, предназначенные для дискретизации во времени и квантования по уровню входных аналоговых сигналов, шифратор 13 для преобразования двоичного кода в циклический, дешифратор 14, предназначенный для преобразования циклического кода в двоичный с обнаружением и исправлением ошибок, генератор 15 высокой частоты, фазовый манипулятор 18 фазоманипулированных (ФМн) сигналов, удвоитель 19 фазы, первый 20 и второй 21 измерители ширины спектра, блок 22 сравнения, пороговый блок 23, ключ 24, демодулятор 25 ФМн-сигналов, первый 26 и второй 28 перемножители, узкополосный фильтр 27 и фильтр 29 нижних частот.

Устройство работает следующим образом.

Первый 1 и второй 2 датчики вибрации устанавливаются на концах обследуемого участка трубопровода. Виброакустические сигналы, возбуждаемые течью, распространяются вдоль трубопровода в обоих направлениях и воспринимаются первым 1 и вторым 2 датчиками, с выходов которых электрические сигналы поступают на первый 3 и второй 4 усилители соответственно.

С помощью первого 5 и второго 6 фильтров производится выделение рабочей полосы частот, оптимальное значение которой определяется параметрами трубопровода и помеховой обстановкой. Первый 11 и второй 12 аналого-цифровые преобразователи преобразуют входные сигналы в цифровые коды. С выхода первого аналого-цифрового преобразователя 11 цифровые коды поступают на первый вход цифрового коррелятора 7 непосредственно.

Из-за большого пространственного удаления второго аналого-цифрового преобразователя 12 от цифрового коррелятора 7 для передачи кодов с выхода второго аналого-цифрового преобразователя 12 на второй вход цифрового коррелятора 7 используется радиоканал.

Коды с выхода второго аналого-цифрового преобразователя 12 поступают на шифратор 13, с помощью которого формируется циклический код. Генератор 15 формирует колебания высокой частоты (фиг.2,а) u_c(t) = U_ccos(ω_ct+ϕ_c), 0≤t≤T_c, где U_c, ω_c, ϕ_c, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания, которые поступают на первый вход фазового манипулятора 16, на второй вход которого поступает модулирующий код M(t) (фиг.2,б) с выхода шифратора 13. На выходе фазового манипулятора 16 образуется фазоманипулированный (ФМн) сигнал (фиг.2,в) u₁(t) = U_ccos[ω_ct+ϕ_k(t)+ϕ_c], 0≤t≤T_c, где ϕ_k(t) = {0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_k(t)= const при kτ_э<t<(k+1)τ_э и может изменяться скачком при t = kτ_э, т.e. на границах между элементарными посылками (k=1, 2,..., N-1); τ_э,N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c = Nτ_э); который после усиления в усилителе 17 мощности излучается в эфир. Этот сигнал принимается приемником 10 и поступает на селектор 18, состоящий из удвоителя 19 фазы, измерителей 20 и 21 ширины спектра, блока 22 сравнения, порогового блока 23 и ключа 24.

На выходе удвоителя 19 фазы образуется гармоническое напряжение (фиг.2, г) u₂(t) = U₂cos(2ω_ct+2ϕ_c), 0≤t≤T_c, где U₂=1/2K₁U_c ²;
К₁ - коэффициент передачи перемножителя.

Удвоитель 19 фазы представляет собой перемножитель, на два входа которого подается ФМн-сигнал u₁(t).

Так как 2ϕ_k(t) = {0,2π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует. Ширина спектра Δf₂ второй гармоники определяется длительностью Т_c сигнала (Δf₂=1/T_C), тогда как ширина спектра Δf_c ФМн-сигнала определяется длительностью τ_э его элементарных посылок (Δf_с = 1/τ_э) т.е. ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf_c входного сигнала

Следовательно, при умножении фазы ФМн-сигнала на два его спектр "сворачивается" в N раз. Это позволяет обнаружить и отселектировать ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника 10 меньше мощности помех и шумов.

Ширина спектра Δf_c входного ФМн-сигнала измеряется с помощью измерителя 21 ширины спектра, а ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала измеряется с помощью измерителя 20 ширины спектра. Напряжения U₃ и U₄, пропорциональные Δf_c и Δf₂ соответственно, с выходов измерителей 21 и 20 поступают на два входа блока 22 сравнения. Так как U₃ >> U₄, то на выходе блока 22 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень U_пop в пороговом блоке 23. Пороговый уровень U_пop выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи.

Если на вход блока 22 сравнения поступают напряжения приблизительно одинаковые по амплитуде, то на его выходе напряжение отсутствует, выходное напряжение блока 22 сравнения образуется лишь в том случае, когда на его входы поступают напряжения, значительно отличающиеся друг от друга по амплитуде.

При превышении порогового уровня U_пop в пороговом блоке 23 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 24, открывая его. В исходном состоянии ключ 24 всегда закрыт. При этом принимаемый ФМн-сигнал u₁(t) с выхода приемника 10 через открытый ключ 24 поступает на фазовый демодулятор 25, состоящий из перемножителей 26 и 28, узкополосного фильтра 27 и фильтра 29 нижних частот.

Следует отметить, что необходимым условием работы фазовых демодуляторов является наличие опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную частоте принимаемого ФМн-сигнала.

Принципиально возможны три метода получения опорного напряжения:
- от местного генератора;
- с помощью вспомогательного пилот-сигнала, передаваемого по отдельному каналу;
- непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала (В.И. Дикарев. Методы и технические решения приема и обработки радиосигналов. Учебник. - СПб, 2000. - 533 с.).

Первый метод не обеспечивает необходимой синфазности и синхронности колебаний, так как фаза и частота любого высокостабильного генератора изменяется под воздействием различных дестабилизирующих факторов. Второй метод получения опорного напряжения также не нашел широкого практического применения, поскольку его техническая реализация приводит к потере спектра и мощности в радиоканале на передачу пилот-сигнала. Наибольшее распространение нашел метод выделения опорного напряжения непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала.

Для выделения опорного напряжения непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала могут быть использованы следующие приемы и операции: умножение фазы (частоты), свертки спектра по методу Костаса и его различные модификации, ремодуляция и генерация сигнала. Для фильтрации несущей используются как активные фильтры в виде петли ФАПЧ опорного генератора, так и пассивные фильтры.

Для реализации метода умножения фазы (частоты) разработан ряд интересных и оригинальных устройств, например, А.А. Пистолькорса, В.И. Сифорова, Д.Ф. Костаса, Г. А. Травина, от которых в значительной степени зависит качество когерентного приема и синхронного детектирования ФМн-сигналов. Эти устройства выполняют две основные функции: устраняют манипуляцию фазы в принимаемом ФМн-сигнале и осуществляют его фильтрацию на фоне помех и шумов. Однако указанным устройствам свойственен такой недостаток, как явление "обратной работы", которое обусловлено скачкообразным переходом фазы опорного напряжения из одного состояния ϕ_с в другое ϕ_c+π под действием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов. Эти переходы за время приема ФМн-сигнала происходят в случайные моменты времени.

Следовательно, двузначность фазы опорного напряжения, выделяемого непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала, вытекает из самого процесса деления. Это легко показать аналитически.

Если произвести деление фазы опорного напряжения, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления фазы на два получится опорное напряжение, сдвинутое по фазе на π

Физически указанная двузначность фазы объясняется неустойчивой работой делителя фазы.

В предлагаемом устройстве использован фазовый демодулятор 25, свободный от явления "обратной работы".

Принимаемый ФМн-сигнал u₁(t) с выхода приемника 10 через открытый ключ 24 поступает на первые входы перемножителей 26 и 28. На второй вход перемножителя 28 с выхода узкополосного фильтра 27 подается опорное напряжение (фиг.2,д)
u₀(t) = U₀cos(ω_ct+ϕ_c), 0≤t≤T_c
В результате перемножения образуется результирующее напряжение:
u_Σ(t) = U₁cosϕ_k(t)+U₁cos[2ω_ct+ϕ_k(t)+2ϕ_c], 0≤t≤T_c,
где U₁=1/2K₁U_cU₀
Аналог модулирующего кода
u₃(t) = U₁cosϕ_k(t)
выделяется фильтром 29 нижних частот и поступает на вход дешифратора 14 и на второй вход перемножителя 26, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
u₀(t) = U₀cos(ω_ct+ϕ_c), 0≤t≤T_c,
где U_o=1/2K₁U_cU₁
Описанная выше работа фазового демодулятора 25 соответствует стационарному (устойчивому) режиму работы. Ему предшествует переходной режим работы, когда в полосе пропускания узкополосного фильтра 27 появляется гармоническое напряжение u₀(t). Это обусловлено переходными процессами, в спектре которых будет присутствовать и гармоническое колебание с частотой ω_c.
С помощью дешифратора 14 производится восстановление двоичного кода из циклического с обнаружением и исправлением ошибок, возникающих в радиоканале из-за воздействия различных помех. С выхода дешифратора 14 цифровые коды поступают на второй вход цифрового коррелятора 7, в котором производится расчет массива коэффициентов корреляции между сигналами, принятыми первым 1 и вторым 2 датчиками вибрации, для различных величин задержек между ними. Результаты расчетов выводятся на дисплей 8.

Принцип действия устройства основан на измерении корреляционным способом разности времен распространения гидравлических ударных волн, возбуждаемых вытекающей под давлением из отверстия трубы средой (водой, нефтью, газом и др. ), от места течи до двух датчиков 1 и 2 вибрации, установленных на трубопровод с обеих сторон от места течи (фиг.1). По разности времен, при которой наблюдается максимум коэффициента корреляции, заданным длине участка трубы между установленными датчиками и скорости распространения ударной волны по трубе вычисляется расстояние от одного из датчиков до места течи
L=(D-VT)/2,
где L - расстояние вдоль трубы от места установки второго датчика до места течи;
D - длина диагностируемой секции трубопровода;
V - скорость распространения виброакустического сигнала от течи вдоль трубопровода;
Т - величина задержки сигнала с первого датчика 1 относительно сигнала с второго датчика 2, при которой наблюдается максимум коэффициента корреляции.

В цифровой коррелятор-процессор 7 вводятся значения D и V. Расстояние D находится из паспортных данных диагностируемого участка трубопровода или измеряется с помощью рулетки, мерного колеса или другим доступным в конкретных условиях методом.

Значение скорости V распространения ударной волны по трубопроводу зависит от диаметра, толщины стенки и материала трубопровода, а также температуры транспортируемой по трубопроводу среды.

На фиг.3 приведены значения скорости V распространения ударной волны по стальным напорным трубам, на фиг.4 - по чугунным трубам, наполненным водой с различной температурой.

Таблицы на фиг. 3 и 4 составлены для средних значений толщины стенок труб, которые найдены по справочным данным для каждого типоразмера труб.

На основе измеренного значения разности времен Т прихода ударных волн от течи до датчиков, а также введенных в цифровой коррелятор-процессор 7 с клавиатуры значений длины D диагностируемого участка трубы и скорости V распространения ударной волны в цифровом корреляторе-процессоре 7 автоматически вычисляется расстояние L до места течи от датчика вибрации 2, которое отображается дисплеем 8.

Используемый в устройстве корреляционный метод позволяет находить течь в трубах независимо от глубины их прокладки, вида грунта, интенсивности шума окружающей среды и обеспечивает высокую производительность поиска течей на протяженных участках диагностируемого трубопровода, что выгодно отличает данное устройство от акустических течеискателей.

Устройство обеспечивает поиск течей в трубах городских тепловых сетей с температурой воды до 140^oС.

Применяемый в устройстве многоразрядный цифровой коррелятор-процессор увеличивает достоверность определения места течи и чувствительность устройства по сравнению с распространенным в ряде стран течеискателем, использующим полярные корреляторы.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими устройствами аналогичного назначения обеспечивает повышение надежности радиоканала. Это достигается использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Свойства, присущие этим сигналам, делают их перспективными при решении некоторых проблем в системах передачи информации, в первую очередь, для обеспечения работы системы "под помехами", разделении сигналов по форме при их работе в общем участке диапазона частот.

Сложные сигналы с фазовой манипуляцией позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять данные сигналы среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же промежутки времени. Принципиально можно отказаться от традиционного метода разделения рабочих частот используемого диапазона между работающими радиоканалами и селекцией их на приемной стороне с помощью частотных фильтров. Его можно заменить новым методом, основанным на одновременной работе каждого радиоканала во всем диапазоне частот сигналами с фазовой манипуляцией с выделением приемником сигнала необходимого радиоканала посредством его структурной селекции.

Интересной особенностью радиоканалов, использующих сложные сигналы с фазовой манипуляцией, являются их адаптивные свойства: с уменьшением числа работающих радиоканалов помехоустойчивость оставшихся автоматически возрастает.

Использование радиоканала на базе сложного ФМн-сигнала позволяет осуществлять уверенный прием информации при наличии весьма мощных мешающих узкополосных сигналов и помех в полосе пропускания приемника. Таким путем решается задача, с которой метод частотной селекции принципиально не может справиться.

С точки зрения обнаружения сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают высокой энергетической и структурной скрытностью. Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Предлагаемое устройство поиска мест утечек магистральных трубопроводов может устанавливаться на борту легкового автомобиля, микроавтобуса или другого транспортного средства. Электропитание осуществляется от источника постоянного напряжения 12 В, например от аккумуляторной автомобильной батареи. В качестве датчиков могут быть использованы водозащищенные вибродатчики, содержащие пьезокерамические, акселерометрические вибропреобразователи и магнитные держатели.

Все указанное выше повышает надежность устройства, делает удобным его обслуживание и расширяет область применения. Удобство эксплуатации и мобильность подготовки устройства к работе усиливаются конструктивной особенностью устройства, которая заключается в совмещении предварительного усилителя с кабельной катушкой.

Широкое применение и всестороннюю апробацию устройство получило в государственном унитарном предприятии "Водоканал Санкт-Петербурга".

Формула изобретения

Устройство для поиска мест утечек магистральных трубопроводов, содержащее первый и второй датчики вибрации, устанавливаемые на концах диагностируемой секции трубопровода, приемник, последовательно подключенные к выходу первого датчика вибрации первый усилитель, первый фильтр, первый аналого-цифровой преобразователь, цифровой коррелятор, второй вход которого соединен с выходом дешифратора, и дисплей, последовательно подключенные к выходу второго датчика вибрации второй усилитель, второй фильтр, второй аналого-цифровой преобразователь, шифратор и передатчик, отличающееся тем, что оно снабжено удвоителем фазы, двумя измерителями ширины спектра, блоком сравнения, пороговым блоком, ключом, двумя перемножителями, узкополосным фильтром и фильтром нижних частот, причем передатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора высокой частоты, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом шифратора, и усилителя мощности, к выходу приемника последовательно подключены удвоитель фазы, первый измеритель ширины спектра, блок сравнения, второй вход которого через второй измеритель ширины спектра соединен с выходом приемника, пороговый блок, ключ, второй вход которого соединен с выходом приемника, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом ключа, и фильтр нижних частот, выход которого соединен с входом дешифратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4