Способ определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения места течи и характерного размера течи в подземном трубопроводе. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе путем исключения из входного потока сигналов, не представляющих интереса для радиоконтроля. В способе определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе, заключающемся в том, что в трубопроводе создают электромагнитное излучение с помощью помещенного в него излучателя передачи, вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой, принимают электромагнитное излучение, утекающее из отверстия течи, с помощью двух панорамных приемников, диапазон частотной перестройки которых равен диапазону излучении передатчика, а антенны имеют круговую и кардиоидную диаграммы направленности, вращают кардиоидную диаграмму направленности антенны до совмещения нулевого провала с направлением прихода электромагнитного излучения и фиксируют момент указанного совмещения, при этом местоположение отверстия течи определяют по минимуму кардиоидной диаграммы направленности антенны, а характерный размер отверстия течи определяют по частотной метке на экране осциллографического индикатора, предварительно измеряют и запоминают частоты сигналов, приходящих с нулевого направления и не представляющих интереса для радиоконтроля, накапливают статистическую информацию о частотных параметрах всех сигналов, наблюдавшихся и наблюдаемых в заданном диапазоне частот, вводят в память дополнительную информацию от оператора, с использованием статистической и дополнительной информации формируют и хранят частотную маску запрещенных для последующей обработки сигналов, сравнивают частоты обнаруженных сигналов с частотной маской и в случае их совпадения формируют сигнал управления, запрещающий дальнейшую обработку сигналов на совпадающих частотах. 3 ил.

 

Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для определения места течи и характерного размера течи в подземном трубопроводе.

Известны способы обнаружения места нарушения герметичности подземных трубопроводов (авт. свид. СССР №№380.909, 411.268, 642.575, 934.269, 1.216.550, 1.283.566, 1.610.347, 1.657.988, 1.672.105, 1.679.232, 1.705.709, 1.733.837, 1.777.014, 1.778.597, 1.812.386; патенты РФ №№2.135.887, 2.213.292; патенты США №№4.289.019, 4.570.477; патент Великобритании №1.349.129; патент Франции №2.498.325; патенты Японии №№59-38.537, 60-24.900, 63-22.531; Трубопроводный транспорт жидкости и газа. - М. 1993 и другие.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе» (патент РФ №2.213.292, F17D /02, 2002), который и выбран в качестве прототипа.

Согласно данному способу в трубопроводе создают электромагнитное излучение помещенным в него излучателем передачи и по утечке из отверстия течи электромагнитного излучения путем наземной пеленгации определяют ее место на трассе. Вдоль трубопровода ориентированно посылают высокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой и принимают их приемником. Полоса пропускания приемника равна диапазону излучения передатчика. Местоположение и характерный размер отверстия определяют по появлению резкого возрастания электромагнитного сигнала, фиксируя частоту спада.

Известный способ обеспечивает повышение точности определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе. Это достигается путем устранения маскирующих сигналов, приходящих с других направлений, что обеспечивает возможность обнаружения слабых электромагнитных сигналов, генерируемых отверстием течи, измерения и записи значений их частот.

Однако кроме маскирующих сигналов, приходящих с других направлений, в полосе пропускания панорамного приемника-пеленгатора могут появляться сигналы, поступающие с нулевого направления и не представляющие интереса для радиоконтроля (например, передатчиков телевизионного вещания, маяков, различных радиостанций и т.д.). Исключая эти сигналы из входного потока, можно сконцентрировать ресурсы панорамного приемника-пеленгатора на ценных сигналах, излучаемых отверстием течи, и тем самым повысить точность определения места и характерного размера течи или при сохранении точности сократить цикл их обработки, то есть повысить скорость обработки.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе путем исключения из входного потока сигналов, не представляющих интереса для радиоконтроля.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе, заключающемуся в том, что в трубопроводе создают электромагнитное излучение с помощью помещенного в него излучателя передачи, вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой, принимают электромагнитное излучение, утекающее из отверстия течи, с помощью двух панорамных приемников, диапазон частотной перестройки которых равен диапазону излучения передатчика, а антенны имеют круговую и кардиоидную диаграммы направленности, вращают кардиоидную диаграмму направленности антенны до совмещения нулевого провала с направлением прихода электромагнитного излучения и фиксируют момент указанного совмещения, при этом местоположение отверстия течи определяют по минимуму кардиоидной диаграммы направленности антенны, а характерный размер отверстия течи определяют по частотной метке на экране осциллографического индикатора, предварительно измеряют и запоминают частоты сигналов, приходящих с нулевого направления и не представляющих интереса для радиоконтроля, накапливают статистическую информацию о частотных параметрах всех сигналов, наблюдавшихся и наблюдаемых в заданном диапазоне частот, вводят в память дополнительную информацию от оператора, с использованием статистической и дополнительной информации формируют и хранят частотную маску запрещенных для последующей обработки сигналов, сравнивают частоты обнаруженных сигналов с частотной маской и в случае их совпадения формируют сигнал управления, запрещающий дальнейшую обработку сигналов на совпадающих частотах.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, и разрез участка трубопровода показан на фиг.1. График зависимости коэффициента пропускания f⁽¹⁾ излучения диаметром D=2а в экране толщиной d от относительной толщины экрана d/2a представлен на фиг.2. Диаграммы направленности приемных антенн 7 и 8 изображены на фиг.3.

Устройство содержит передатчик 1, излучатель 2, среду 3, размещенную внутри трубопровода 4, отверстие 5 течи, грунт 6, последовательно включенные первую приемную антенну 7 с круговой диаграммой направленности, первый смеситель 10.1, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 17, первый усилитель 11.1 промежуточной частоты, частотомер 13, второй вход которого соединен с выходом формирователя 19 управляющего импульса, а третий - с выходом генератора 18 пилообразного напряжения, первый ключ 26 и блок 14 регистрации, второй вход которого соединен с выходом формирователя 19 управляющего импульса, последовательно включенные вторую приемную антенну 8 с кардиоидной диаграммой направленности, блок 9 управления диаграммой направленности, второй смеситель 10.2, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 17, второй усилитель 11.2 промежуточной частоты, второй амплитудный детектор 12.2, коммутатор 15, второй, третий и четвертый входы которого соединены с выходами первого амплитудного детектора 12.1, формирователя 19 управляющего импульса и блока 21 деления соответственно, второй ключ 27 и вертикально-отклоняющие пластины осциллографического индикатора 16, горизонтально-отклоняющие пластины которого соединены с выходом генератора 18 пилообразного напряжения, последовательно подключенные к выходу первого амплитудного детектора 12.1 блок 21 деления, второй вход которого соединен с выходом второго амплитудного детектора 12.2, пороговый блок 20, формирователь 19 управляющего импульса, генератор 18 пилообразного напряжения и гетеродин 17, последовательно подключенные к выходу частотомера 13 переключатель 24, блок 23 памяти, второй вход которого соединен с выходом устройства 22 входа, и блок 25 сравнения, второй вход которого через переключатель 24 соединен с выходом частотомера 13, а выход подключен к вторым входам ключей 26 и 27.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

От передатчика 1 сверхвысокочастотный сигнал подается на излучатель 2, помещенный в водную, газовую или газоконденсатную среду 3 внутри трубопровода 4. От излучателя 2 электромагнитное поле ориентированно распространяется вдоль трубопровода 4, отражаясь от его стенок. В месте трубопровода 4, где находится отверстие 5 течи, генерируется электромагнитный сигнал, который покидает пределы трубопровода 4 и, пройдя толщину грунта 6, подается на приемные антенны 7 и 8 двух панорамных приемников-пеленгаторов с одним общим гетеродином 17.

Для определения характерного размера D отверстия 5 течи используется следующее соотношение между критической длиной волны излучения λ_кр и D:

λ_кр=1,25D,

при котором происходит переход от экспоненциального затухания излучения в канале, образованном отверстием 5 в стене трубы 4, к пропусканию, обусловленному возможностью распространения основной волны в волноводном канале отверстия 5.

Если трубопровод 4 заполнен средой с относительной диэлектрической проницаемостью ε, то соответствующая λ_кр частота излучения f_кр определяется из выражения:

,

где С - скорость света в вакууме.

Таким образом, зная частоту излучения f_кр, при которой начинает резко возрастать сигнал на входах панорамных приемников-пеленгаторов, используемых для пеленгации течи, можно определить характерный размер отверстия 5 течи:

.

На фиг.2 представлен график зависимости коэффициента пропускания f⁽¹⁾ излучения отверстием диаметром D=2а в экране толщиной d от относительной толщины экрана d/2а. Из вида зависимости f⁽¹⁾=f(d/2d) следует, что оценка характерного размера отверстия D будет точной при d/2a>1. Именно в этой области наблюдается резкая зависимость коэффициента пропускания f⁽¹⁾ от величины Ка=2πd/λ, т.е. при небольшом изменении частоты сигнала интенсивность прошедшего через отверстие 5 излучения сильно изменяется. При Ка=2,5 в волноводном канале, образованном отверстием в стенке трубы, может распространяться основная волна, поэтому наблюдается периодическая зависимость f⁽¹⁾ от d.

Для расчета чувствительности приемо-передающей системы в реальных условиях используем в качестве примера следующие параметры:

Р=3 Вт - мощность электромагнитного излучения, возбуждаемого в трубопроводе;

D=2Rтp=0,7 м - диаметр трубы трубопровода;

d=0,01 м - толщина стенки трубы;

2а=4 см - диаметр отверстия течи;

l=100 см = 10⁵ м - удаленность течи от источника излучения;

h=2 м - глубина залегания трубопровода;

λ=3πа - 0,2 м - длина волны излучения в трубопроводе.

Используя соответствующие формулы, можно оценить необходимые параметры приемников излучения в месте течи, в частности:

Ем=0,32 В/м - амплитуда колебаний электрического поля в трубопроводе в сечении с течью;

Ем₁=1,74·10^-3 В/м - амплитуда колебаний электрического поля на внешней стороне отверстия;

Ем₂=4,3·10^-5 В/м - амплитуда колебаний электрической компоненты электромагнитного поля вблизи поверхности грунта и стороны атмосферы;

П=2,5·10^-12 Вт/м² - плотность потока излучения в области приемных антенн вблизи от поверхности грунта.

При сопротивлении измерения приемных антенн R₂=60 Ом сигнала на входе панорамных приемников-пеленгаторов определяются формулой:

.

Следовательно, для обнаружения течи необходимы приемники с чувствительностью S≈10 мкВ.

Просмотр возможного диапазона критических частот fкр и частот сигналов, не представляющих интереса для радиоконтроля, осуществляется с помощью генератора 18 пилообразного напряжения, который периодически с периодом Тп по пилообразному закону изменяет частоту fг гетеродина 17. Одновременно пилообразное напряжение поступает на горизонтально-отклоняющие пластины осциллографического индикатора 16, формируя его горизонтальную развертку.

Принимаемые электромагнитные сигналы с выходов антенн 7 и 8 поступают на первые входы смесителей 10.1 и 10.2, на вторые входы которых подается напряжение гетеродина 17 линейно-изменяющейся частоты. На выходах смесителей 10.1 и 10.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 11.1 и 11.2 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты. После амплитудного детектирования в амплитудных детекторах 12.1 и 12.2 эти напряжения через коммутатор 15 и открытый ключ 27 подаются на вертикально-отклоняющие пластины осциллографического индикатора 16, на горизонтально-отклоняющие пластины которого подается напряжение развертки с выхода генератора 18 пилообразного напряжения. В результате на экране индикатора 16 (на горизонтальной развертке) формируется частотная метка, положение которой на горизонтальной развертке однозначно определяет характерный размер D данной течи. Горизонтальная развертка осциллографического индикатора 16 проградуирована непосредственно в характерных размерах течи и может визуально наблюдаться оператором. За счет того что на вторые входы смесителей 10.1 и 10.2 подается одно и то же напряжение гетеродина 17 линейно-изменяющейся частоты, на выходах усилителей 11.1 и 11.2 промежуточной частоты в любой момент времени наблюдается один и тот же входной сигнал. Амплитуда сигнала на выходе первого усилителя 11.1 промежуточной частоты не зависит от направления прихода входного сигнала из-за кругового вида диаграммы направленности первой антенны 7 (фиг.3).

Вторая антенна 8 имеет кардиоидную диаграмму направленности, вращение которой осуществляется блоком 9 управления. Амплитуды сигналов с выходов амплитудных детекторов 12.1 и 12.2 поступают на входы блока 21 деления и коммутатора 15. Коммутатор 15 предназначен для подключения ко входу индикатора 16 одного из сигналов: с выходов амплитудных детекторов 12.1 и 12.2, формирователя 19 управляющего импульса и блока 21 деления.

Для осуществления селекции электромагнитных сигналов, генерируемых отверстием течи, по направлению прихода при помощи блока 9 управления кардиоидную диаграмму направленности антенны 8 вращают до совмещения нулевого провала с направлением прихода электромагнитных сигналов (фиг.3). Амплитуда сигналов с этого направления на выходе второго панорамного приемника близка к нулю, поэтому на выходе блока 21 деления, осуществляющем деление амплитуды сигнала с выхода первого амплитудного детектора 12.1 (первого панорамного приемника) на амплитуду сигнала с выхода второго амплитудного детектора 12.2 (второго панорамного приемника), в этот момент напряжение будет максимальным.

Следует подчеркнуть, что величина отношения не зависит от напряженности поля сигналов в месте приема. Момент максимизации отношения фиксируется по индикатору 16. Величину порога устанавливают так, чтобы пороговый блок 20 срабатывал только от сигналов, приходящих с нулевого направления.

При срабатывании порогового блока 20 формирователь 19 вырабатывает управляющий импульс, который останавливает генератор 18 пилообразного напряжения, запускает частотомер 13, разрешает прохождение сигнала на индикатор 16 и запись в блок 14 регистрации.

При срабатывании порогового блока 20 от сигналов, приходящих с нулевого направления, оператор прекращает вращение кардиоидной диаграммы направленности второй приемной антенны 8 и переводит переключатель 24 в первое I положение. Частотомер 13 измеряет частоты сигналов, не представляющих интереса для радиоконтроля (например, передатчиков телевизионного вещания, маяков, различных радиостанций и т.д.). Эти частоты фиксируются в блоке 23 памяти, в котором накапливается статистическая информация о частотных параметрах всех сигналов, наблюдавшихся и наблюдаемых в заданном диапазоне частот. Кроме того, в блок 23 памяти может быть введена дополнительная информация от оператора с помощью устройства 22 ввода. С использованием этой информации в блоке 23 памяти формируется и хранится частотная маска запрещенных для последующей обработки сигналов.

На этом этапе обработки в блоке 23 памяти по существу отображается помеховая обстановка над обследуемым трубопроводом.

На втором этапе обнаружения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе оператор переводит переключатель 24 во второе II положение. При этом измеренные частоты сигналов, приходящих с нулевого направления, поступают через переключатель 24 на первый вход блока 25 сравнения, на второй вход которого подается частотная маска с выхода блока 23 памяти. В случае совпадения измеренных частот с частотами частотной маски в блоке 25 сравнения формируется управляющий сигнал, который поступает на управляющие входы ключей 26 и 27, закрывая их. В исходном состоянии ключи 26 и 27 всегда открыты.

Следовательно, управляющий сигнал запрещает дальнейшую обработку поступающих с нулевого направления сигналов на совпадающих частотах. Ценными для радиоконтроля являются только вновь возникающие излучения, создаваемые отверстием течи в поземном трубопроводе. В этом случае частотомер 13 измеряет критическую частоту fкр сигнала, которая записывается в блок 14 регистрации и визуально наблюдается на экране осциллографического индикатора 16.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе. Это достигается за счет исключения из входного потока сигналов, не представляющих интереса для радиоконтроля. Исключая эти сигналы из входного потока, можно сконцентрировать ресурсы панорамных приемников-пеленгаторов на ценных сигналах, излучаемых отверстием течи в подземном трубопроводе, и тем самым повысить точность пеленгования или при сохранении точности сократить цикл их обработки, то есть повысить скорость пеленгования. В предельном случае, когда ценными для радиоконтроля являются вновь возникающие излучения, создаваемые отверстиями течи в подземном трубопроводе, скорость пеленгования повышается на 90% за счет исключения из входного потока сигналов, не представляющих ценности для радиоконтроля.

Способ определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе, заключающийся в том, что в трубопроводе создают электромагнитное излучение с помощью помещенного в нем излучателя передачи, вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой, принимают электромагнитное излучение, утекающее из отверстия течи, с помощью двух панорамных приемников, диапазон частотной перестройки которых равен диапазону излучения передатчика, а антенны имеют круговую и кардиоидную диаграммы направленности, вращают кардиоидную диаграмму направленности антенны до совмещения нулевого провала с направлением прихода электромагнитного излучения и фиксируют момент указанного совмещения, при этом местоположение отверстия течи определяют по минимуму кардиоидной диаграммы направленности антенны, а характерный размер отверстия течи определяют по частотной метке на экране осциллографического индикатора, отличающийся тем, что предварительно измеряют и запоминают частоты сигналов, приходящих с нулевого направления и не представляющих интереса для радиоконтроля, накапливают статистическую информацию о частотных параметрах всех сигналов, наблюдавшихся и наблюдаемых в заданном диапазоне частот, вводят в память дополнительную информацию от оператора, с использованием статистической и дополнительной информации формируют и хранят частотную маску запрещенных для последующей обработки сигналов, сравнивают частоты обнаруженных сигналов с частотной маской и в случае их совпадения формируют сигнал управления, запрещающий дальнейшую обработку сигналов на совпадающих частотах.