Способ определения места течи в напорном трубопроводе и устройство для его осуществления

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения координат течи в подземных трубопроводах систем тепло- и водоснабжения. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности при измерении малых фазовых сдвигов, соответствующих малым утечкам из напорного трубопровода, находящегося под слоем грунта. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит передатчик, два приемника, передающую антенну, две приемные антенны, фазовый детектор, измеритель выходного напряжения, синхронизатор, блок временной задержки, ключи, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, пять перемножителей, узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель, блок сравнения и индикатор. Согласно изобретению перед сравнением измеренного значения сдвига фаз с эталонным значением постоянное напряжение, пропорциональное измеренному сдвигу фаз, сдвигают по фазе на 90°, исходное и сдвинутое по фазе на 90° постоянное напряжение последовательно дважды перемножают сами на себя, исходное и сдвинутое по фазе на 90° постоянные напряжения второй степени перемножают между собой с использованием масштабирующего коэффициента К_м=6, вычитают полученное напряжение из исходного постоянного напряжения четвертой степени и суммируют полученное напряжение со сдвинутыми по фазе на 90° постоянным напряжением четвертой степени. 2. с.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемый способ и устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для определения координат течи в подземных трубопроводах систем тепло- и водоснабжения.

Известны способы и устройства для определения места течи подземных трубопроводах (авт. свид. СССР №№336.463, 380.909, 380.910, 411.268, 417.675, 724.957, 903209, 930.034, 934268, 941.776, 947.666, 1.079.946, 1.208.402, 1.216.550, 1.283.566, 1.368.685, 1.610.347, 1.657.988, 1.672.105, 1.679.232, 1.777.014, 1.781.577, 1.800.219, 1.812.386; патент РФ №2.011.110, 2.036.372, 2.047.039, 2 047.815, 2.053.436, 2.084.757, 2.204.119, 4.510.477; патенты США №№3.045.116, 3.744.298, 4.289.019, 4.510.477; патент Великобритании №1.349.120; патенты Франции №2.374.628, 2.504.651; патент ФРГ №3.112.829; патенты Японии №№46-11.795, 55-6.856, 59-38.537, 60-24.590, 63-22.531 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым является "Способ определения места течи в напорном трубопроводе и устройство для его осуществления" (патент РФ №2.204.119, G 01 М 3/08, 2001), которые и выбран в качестве прототипов.

Указанные технические решения направлены на повышение точности и разрешающей способности по глубине за счет исключения отраженного от поверхности воздух-грунт сигнала и устранения неоднозначности фазовых измерений. Это обеспечивается за счет того, что в грунте создают электромагнитное поле путем электромагнитного зондирования грунта вдоль трассы трубопровода полоскополяризованной электромагнитной волной.

Осуществляют прием сигналов, отраженных от трубопровода, с правой и левой круговой поляризацией. Сигнал с правой круговой поляризацией стробируют по времени, пропорционально глубине залегания трубопровода. Сигнал с левой круговой поляризацией преобразуют по частоте. Выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с сигналом правой круговой поляризации, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина, ограничивают его по амплитуде, измеряют сдвиг фаз между сигналами с правой и левой круговой поляризацией на стабильной частоте гетеродина, сравнивают измеренное значение сдвига фаз с эталонным значением и по результатам сравнения принимают решение о наличии места течи в контролируемом трубопроводе.

Недостатком прототипов является низкая чувствительность при измерении малых фазовых сдвигов, соответствующих малым утечкам.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности при измерении малых фазовых сдвигов соответствующих малым утечкам.

Поставленная задача решается тем, что по способу определения места течи в напорном трубопроводе, находящемся под слоем грунта, согласно которому осуществляют электромагнитное зондирование грунта вдоль трассы трубопровода, прием сигналов с правой и левой круговой поляризацией, отраженных от трубопровода, при этом сигнал с правой круговой поляризацией стробируют по времени, пропорциональном глубине залегания трубопровода, а сигнал с левой круговой поляризацией преобразуют по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с сигналом правой круговой поляризации, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина, ограничивают его по амплитуде, измеряют сдвиг фаз между сигналами с правой и левой круговой поляризацией на стабильной частоте гетеродина, сравнивают измеренное значение сдвига фаз с эталонным значением и по результатам сравнения принимают решение о наличии места течи в контролируемом трубопроводе, перед сравнением измеренного значения сдвига фаз с эталонным значением постоянное напряжение, пропорциональное измеряемому сдвигу фаз, сдвигают по фазе на 90° , исходное и сдвинутое по фазе на 90° постоянное напряжение последовательно дважды перемножают сами на себя, исходное и сдвинутое по фазе на 90° постоянное напряжение второй степени перемножают между собой с использованием масштабирующего коэффициента К_м=6, вычитают полученное напряжение из исходного постоянного напряжения четвертой степени и суммируют полученное напряжение со сдвинутым по фазе на 90° постоянным напряжением четвертой степени.

Поставленная задача решается тем, что устройство для определения места течи в напорном трубопроводе, содержащее последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, первый ключ, второй вход которого через блок временной задержки соединен с вторым выходом синхронизатора, первый перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель и фазовый детектор, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй приемник, смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, последовательно включенные измеритель выходного напряжения, блок сравнения, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом измерителя выходного напряжения, и индикатор, снабжено фазовращателем на 90° , вторым, третьим, четвертым и пятым перемножителями, масштабирующим перемножителем, вычитателем и сумматором, причем к выходу фазового детектора последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора. Третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя, вычитатель и сумматор, выход которого соединен с входом измерителя выходного напряжения, к выходу фазового детектора последовательно подключены фазовращатель на 90° , четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя на 90° , и пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого перемножителя, а выход подключен к второму входу сумматора, второй вход вычитателя через масштабирующий перемножитель соединен с выходами второго и четвертого перемножителей.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в “усилении” фазового сдвига Δ ϕ в четыре раза в соответствии с выражением:

cos⁴Δ ϕ-6 cos² Δ ϕ · sin² Δ ϕ +sin⁴ Δ ϕ =cos4Δ ϕ .

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.

Устройство содержит последовательно включенные синхронизатор 13, передатчик 1 и передающую антенну 3, последовательно включенные первую приемную антенну 4, первый приемник 2, первый ключ 15, второй вход которого через блок 14 временной задержки соединен с вторым выходом синхронизатора 13, первый перемножитель 21, узкополосный фильтр 22, амплитудный ограничитель 23, фазовый детектор 5, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 18, второй перемножитель 27, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора 5, третий перемножитель 28, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя 27, вычитатель 33, сумматор 34, измеритель 6 выходного напряжения, блок 24 сравнения, второй ключ 25, второй вход которого соединен с выходом измерителя 6 выходного напряжения, и индикатор 26, последовательно включенные вторую приемную антенну 16, второй приемник 17, смеситель 19, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина 18, и усилитель 20 промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя 21, последовательно подключенные к выходу фазового детектора 5 фазовращатель 29 на 90° , четвертый перемножитель 30, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя 29 на 90° , и пятый перемножитель 31, второй вход которого соединен с выходом четвертого перемножителя 30, а выход подключен ко второму входу сумматора 34, второй вход вычитателя 33 через масштабирующий перемножитель 32 соединен с выходами второго 27 и четвертого 30 перемножителей.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Синхронизатор 13 формирует стабильные прямоугольные видеоимпульсы с известным периодом следования Т_сл и длительностью Т_и, которые периодически запускают передатчик 1. Последний формирует высокочастотный зондирующий сигнал с плоской поляризацией

u_с(t)=U_сcos(ω _сt+ϕ _с), 0≤ t≤ T_и,

где U_c, ω _с, ϕ _с, Т_и - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность зондирующего сигнала, который через передающую антенну 3 излучается в направлении трубопровода 8, находящегося под слоем грунта 7. В грунте 7 создается электромагнитное поле путем его электромагнитного зондирования вдоль трассы трубопровода 8. При достижении зондирующим сигналом 9 трубопровода 8 происходит его частичное отражение в сторону поверхности земли (точка А). Отраженный сигнал 10 улавливается приемными антеннами 4 и 16. При этом приемная антенна 4 восприимчива только к сигналу с правой круговой поляризацией, а приемная антенна 16 - только к сигналу с левой круговой поляризацией. На выходе приемников 2 и 17 образуются следующие сигналы:

u_п(t)=U_п(t)cos[(ω _с±Δ ω )t+ϕ ₁];

u_л(t)=U_л(t)cos[(ω _с±Δ ω )t+ϕ ₂], 0≤ t≤ Т_и;

где индексы “П” и “Л” относятся соответственно к сигналам с правой и левой круговой поляризацией;

±Δ ω - нестабильность несущей частоты, обусловленная некогерентным отражением и другими дестабилизирующими факторами.

Сигнал U_п(t) с выхода приемника 2 через первый ключ 15 поступает на первый вход перемножителя 21. Чтобы измеряемая разность фаз соответствовала глубине h залегания трубопровода 8, перемножитель 21 стробируется по времени с помощью ключа 15, на управляющий вход которого поступают короткие прямоугольные видеоимпульсы с выхода блока 14 временной задержки. Временная задержка импульсов определяется глубиной h залегания трубопровода 8 в грунте 7. При изменении глубины меняется и время задержки.

Сигнал U_л(t) с выхода приемника 17 поступает на первый вход смесителя 19, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 18 стабильной частоты ω _г

u_г(t)=U_гcos(ω _гt+ϕ _г).

На выходе смесителя 19 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 20 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты

u_пp(t)=U_пp(t)cos[ω _пp±Δ ω )t+ϕ _пр] 0≤ t≤ Т_и,

где U_пp(t)=K₁U_л(t)· U_г;

ω _пр=ω _с-ω _г - промежуточная частота;

ϕ _пр=ϕ _с-ϕ _г,

которое поступает на второй вход перемножителя 21. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение

u₁(t)=U₁(t)cos(ω _гt+ϕ _г+Δ ϕ ), 0≤ t≤ T_и,

U₁(t)=K₂U_П(t)· U_пр(t);

К₂ - коэффициент передачи перемножителя;

Δ ϕ =ϕ ₂-ϕ ₁ - разность фаз между отраженными сигналами левой и правой круговой поляризации;

которое выделяется узкополосным фильтром 22 и поступает на вход амплитудного ограничителя 23. На выходе последнего образуется напряжение:

u₂(t)=U_огр cos(ω _гt+ϕ _г+Δ ϕ ), 0≤ t≤ Т_и,

где U_oгp - порог ограничения;

которое поступает на первый вход фазового детектора 5, на второй вход которого подается напряжение U_г(t) гетеродина 18. На выходе последнего образуется постоянное напряжение

u_Н(Δ ϕ )=U_Н cos Δ ϕ ,

где U_Н=K₃U_огрU_г;

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора, пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу Δ ϕ .

Это напряжение поступает на два входа второго перемножителя 27, на выходе которого образуется напряжение

u₃(Δ ϕ )=U

2

Н

cos² Δ ϕ ,

которое поступает на два входа третьего перемножителя 28. На выходе последнего образуется напряжение

u₄(t)=U

2

Н

cos⁴ Δ ϕ .

Одновременно напряжение U_н(Δ ϕ ) с выхода фазового детектора 5 поступает на вход фазовращателя 29 на 90° , на выходе которого формируется напряжение

u₅(t)=U_Н cos(Δ ϕ +90° )=-U_Н sin Δ ϕ ,

которое поступает на два входа четвертого перемножителя 30. На выходе последнего образуется напряжение

u₆(Δ ϕ )=U

2

Н

sin² Δ ϕ ,

которое поступает на два входа пятого перемножителя 31. На выходе последнего образуется напряжение

u₇(Δ ϕ )=U

4

Н

sin⁴ Δ ϕ .

Напряжения u₃(Δ ϕ ) и u₆(Δ ϕ ) поступают на два входа масштабирующего перемножителя 32, масштабирующий коэффициент К_м которого выбирается равным 6 (К_м=6). На выходе масштабирующего перемножителя 32 формируется напряжение

u₈(t)=6u₃(Δ ϕ )· u₆(Δ ϕ )=6U

4

Н

cos² Δ ϕ · sin² Δ ϕ .

Напряжения u₄(Δ ϕ ) и u₈(Δ ϕ ) поступают на два входа вычитателя 33, на выходе которого формируется напряжение

u₉(Δ ϕ )=u₄(Δ ϕ )-u₈(Δ ϕ )=U

4

Н

cos⁴Δϕ-6U

4

Н

cos² Δ ϕ · sin² Δ ϕ .

Напряжения u₇(Δ ϕ ) и u₉(Δ ϕ ) поступают на два входа сумматора 34, на выходе которого формируется напряжение

u₁₀(Δ ϕ )=u₉(Δ ϕ )+u₇(Δ ϕ )=U

4

Н

cos⁴Δ ϕ-6U

4

Н

cos²Δ ϕ+U

4

Н

sin⁴Δ ϕ=U

4

Н

cos4Δ ϕ =U_И cos4Δ ϕ =U_и соs Δ ϕ ₁,

где U_и=U

4

Н

, Δ ϕ ₁=4Δ ϕ .

Это напряжение измеряется измерителем 6 выходного напряжения. В блоке 24 сравнения осуществляется сравнение измеренного значения выходного значения с эталонным значением

u_э(Δ ϕ )=U_Э cos Δ ϕ _Э,

где Δ ϕ _э - неизменяемый фазовый сдвиг, получаемый при зондировании

грунта над неповрежденными участками трубопровода 8.

Сдвиг фаз Δ ϕ _э определяется частотой зондирующего сигнала и электрическими параметрами грунта 7.

Этот сдвиг фаз остается неизменным при зондировании грунта над неповрежденными участками трубопровода 8, поскольку все определяющие его величины остаются постоянными. Поэтому в блоке 24 сравнения хранится эталонное значение выходного напряжения, соответствующего сдвигу фаз Δ ϕ _э при зондировании грунта над неповрежденными участками трубопровода 8.

Если u₁₀(Δ ϕ )≈ u₇(Δ ϕ ), то в блоке 24 сравнения постоянное напряжение не формируется.

При зондировании грунта над поврежденным участком 11 трубопровода 6 (точка В) сигналы с правой и левой круговой поляризацией частично проходят по влажному слою 12 грунта 7, образованному при вытекании жидкости из контролируемого трубопровода 8. При прохождении электромагнитной волны по влажному грунту, имеющему отличные от сухого грунта электрические параметры (большую проводимость и диэлектрическую проницаемость), изменяется фазовая скорость распространения волн.

Когда плоскополяризованная электромагнитная волна отражается от трубопровода, на который воздействует внешнее магнитное поле Земли, то она разделяется на две независимые составляющие, которые в общем случае имеют эллиптическую поляризацию с противоположными направлениями вращения вектора поляризации. На частотах дециметрового диапазона обе составляющие имеют круговую поляризацию. Обе волны распространяются во влажном слое 12 грунта 7 с различными скоростями, вследствие чего фазовые соотношения между этими волнами изменяются. Это явление обычно называется эффектом Фарадея, из-за которого отраженный сигнал испытывает вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации, который определяется разной скоростью распространения сигналов с правой и левой поляризацией по влажному слою грунта, находится из соотношения:

где ϕ ₁ и ϕ ₂ - фазовые запаздывания сигналов с правой (вращение плоскости поляризации по часовой стрелке) и левой (вращение плоскости поляризации против часовой стрелки) круговой поляризацией соответственно.

Все это приводит к изменению сдвига фаз и значения выходного напряжения u₁₀(Δ ϕ ) сумматора 34. При u₁₀(Δ ϕ )>u₇(Δ ϕ ) в блоке 24 сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 25, открывая его. В исходном состоянии ключи 15 и 25 всегда закрыты. При этом выходное напряжение u₁₀(Δ ϕ ) с выхода измерителя 6 выходного напряжения поступает через открытый ключ 25 на вход индикатора 26. При этом факт регистрации выходного напряжения u₁₀(Δ ϕ ) фазового замера свидетельствует о наличии течи на данном участке трубопровода, а величина данного напряжения характеризует степень повреждения трубопровода 8.

Применение предлагаемого способа облегчает нахождение с поверхности трассы подземного трубопровода, так как при отклонении в сторону от трассы будет зафиксировано отсутствием отраженного сигнала 10.

Кроме того, способ и устройство обеспечивают повышение точности и разрешающей способности по глубине при определении места течи в напорном трубопроводе, находящемся под слоем грунта. Это достигается за счет исключения отражений от поверхности воздух-грунт, использования поляризационной селекции и устранения неоднозначности фазовых измерений, что обеспечивается тем, что фазовые измерения осуществляются между сигналами с правой и левой круговой поляризацией, а не между зондирующим и отраженным сигналами. При этом фазовый сдвиг между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией измеряется на стабильной частоте ω _г гетеродина 18. Поэтому процесс измерения фазового сдвига инвариантен к нестабильности амплитуды и несущей частоты отраженного сигнала, возникающих при некогерентном отражении зондирующего сигнала от трубопровода и других дестабилизирующих факторах, что позволяет также повышать точность измерения фазового сдвига Δ ϕ ₁ и, следовательно, точность определения места течи в напорном трубопроводе.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение чувствительности при измерении малых фазовых сдвигов, соответствующих малым утечкам из напорных трубопроводах, находящимися под слоем грунта. Это достигается за счет “усиления” малых фазовых сдвигов в соответствии с выражением:

cos⁴ Δ ϕ -6 cos² Δ ϕ · sin² Δ ϕ +sin⁴ Δ ϕ =cos⁴ Δ ϕ =cos Δ ϕ ₁, в четыре раза.

1. Способ определения места течи в напорном трубопроводе, находящегося под слоем грунта, согласно которому осуществляют электромагнитное зондирование грунта вдоль трассы трубопровода и прием сигналов с правой и левой круговой поляризацией, отраженных от трубопровода, при этом сигнал с правой круговой поляризацией стробируют по времени, пропорциональном глубине залегания трубопровода, а сигнал с левой круговой поляризацией преобразуют по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с сигналом правой круговой поляризации, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина, ограничивают его по амплитуде, измеряют сдвиг фаз между сигналами с правой и левой круговой поляризацией на стабильной частоте гетеродина, сравнивают измеренное значение сдвига фаз с эталонным значением и по результатам сравнения принимают решение о наличии места течи в контролируемом трубопроводе, отличающийся тем, что перед сравнением измеренного значения сдвига фаз с эталонным значением постоянное напряжение, пропорциональное измеренному сдвигу фаз, сдвигают по фазе на 90°, исходное и сдвинутое по фазе на 90° постоянные напряжения последовательно дважды перемножают сами на себя, исходное и сдвинутое по фазе на 90° постоянные напряжения второй степени перемножают между собой с использованием масштабирующего коэффициента К_м=6, вычитают полученное напряжение из исходного постоянного напряжения четвертой степени и суммируют полученное напряжение со сдвинутым по фазе на 90° постоянным напряжением четвертой степени.

2. Устройство для определения места течи в напорном трубопроводе, содержащее последовательно включенные синхронизатор, передатчик и передающую антенну, последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, первый ключ, второй вход которого через блок временной задержки соединен с вторым выходом синхронизатора, первый перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель и фазовый детектор, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй приемник, смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен со вторым входом первого перемножителя, последовательно включенные измеритель выходного напряжения, блок сравнения, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом измерителя выходного напряжения, и индикатор, отличающееся тем, что оно снабжено фазовращателем на 90°, вторым, третьим, четвертым и пятым перемножителями, масштабирующим перемножителем, вычитателем и сумматором, причем к выходу фазового детектора последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя, вычитатель и сумматор, выход которого соединен с входом измерителя выходного напряжения, к выходу фазового детектора последовательно подключены фазовращатель на 90°, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя на 90°, и пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого перемножителя, а выход подключен к второму входу сумматора, второй вход вычитателя через масштабирующий перемножитель соединен с выходами второго и четвертого перемножителей.