УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ДЕЙСТВУЮЩИХ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 1995 года по МПК F17D5/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к технике дистанционного контроля загрязнения среды, и может быть использовано для инспектирования герметичности действующих магистральных трубопроводов, по которым транспортируются в жидкой или газообразной фазе вещества, имеющие низкую температуру кипения и находящиеся при высоком давлении.

Утечке такого вещества в окружающую среду (грунт, воду или непосредственно в атмосферу) сопутствуют, во-первых, наличие газовой фазы этого вещества в атмосфере в непосредственной близости к месту утечки и, во-вторых, локальное понижение температуры грунта (снега), элементов трубопровода или атмосферы, прилегающих непосредственно к месту утечки.

Известно устройство для дистанционного обнаружения нефтепродуктов на поверхности земли или воды и паров различных углеводородных соединений в атмосфере, содержащее лазер, приемный объектив, оптическая ось которого параллельна оптической оси лазера, анализатор спектра с фотоприемниками, блок обработки сигналов, входы которого соединены с выходами фотоприемников, а выход подключен к входу устройства отображения информации [1]
Принцип действия устройства основан на регистрации флуоресценции определенных веществ, вызванной лазерным излучением.

Зондирующие импульсы излучения лазера направляются на контролируемый участок земной поверхности. При наличии в поле действия лазерного пучка паров флуоресцирующего вещества излучение флуоресценции поступает в приемный объектив. Объектив направляет излучение на входную щель анализатора спектра, в котором выделяются спектральные составляющие флуоресценции конкретных веществ. Сигналы с выходов приемников излучения стробируются, усиливаются, сравниваются с заданным пороговым уровнем в блоке обработки, с выхода которого сигнал о наличии искомого вещества поступает на устройство отображения информации.

Недостатком известного устройства является узкое поле обзора, обусловленное следующим. Для обеспечения приемлемой чувствительности обнаружения вещества, содержащегося в атмосфере в зоне утечки в количестве не более 0,01% необходима высокая облученность вещества лазерным пучком, достигающая 1000-3000 Вт/см².

Такие облученности в настоящее время могут быть обеспечены только с помощью импульсных лазеров при расходимости пучка не более 10˙10^-3 рад и частоте следования импульсов излучения не более нескольких сотен в секунду. Вследствие этого лазерный пучок должен быть всегда направлен в узкую полосу трассы, где наиболее вероятна утечка, т.е. на трубу. Дистанционный контроль герметичности магистральных трубопроводов связан с необходимостью обследования трассы протяженностью в сотни или тысячи километров за ограниченное время. Это обстоятельство требует больших скоростей обследований, что осуществимо только при установке средства обнаружения на самолет или вертолет. Скорость полета носителя не может быть ниже 30 м/с.

Поскольку на большей протяженности трассы труба заглублена в грунт и засыпана грунтом, трассы засорены травяным покровом, кустарником или засеяны сельскохозяйственными культурами, а в зимнее время трасса закрыта снежным покровом, место нахождения трубы с носителя визуально не наблюдается, поэтому вести самолет или вертолет точно над трубой невозможно. В связи с этим угол обзора у средства обнаружения утечек должен быть не менее 35-45^о.

Известное устройство не удовлетворяет этим требованиям, на трассе с его помощью можно эффективно обнаруживать присутствие вытекающего из трубопровода вещества только в том случае, когда вещества в жидкой фазе или его пары распространены на большой площади.

Безопасность эксплуатации трубопроводов, особенно газо- и продуктопроводов требует обнаружения утечки веществ в начальных стадиях образования микротрещин, когда площадь выхода вещества на поверхность грунта или снега не превышает несколько квадратных дециметров.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для обнаружения утечек низкокипящих углеводородов, содержащее оптически связанные и последовательно установленные зеркальный сканирующий элемент, установленный с возможностью вращения, приемный объектив, плоское зеркало, приемник инфракрасного излучения и приемник видимого излучения [2]
Приемник инфракрасного излучения подключен к сигнальному входу блока обработки сигналов. Управляющий вход блока обработки сигналов соединен с выходом датчика углового положения сканирующего зеркала. Выход блока обработки подключен к одному входу смесителя сигналов, другой вход которого соединен с выходом приемника видимого излучения. Выход смесителя сигналов соединен с входом видеоконтрольного устройства. Это устройство устанавливается на вертолет или самолет. Во время полета осуществляется поэлементное сканирование местности в направлении, перпендикулярном направлению полета носителя, угол обзора 35-45^о.

За счет движения носителя производится построчный просмотр местности в направлении полета.

Излучение видимого диапазона длин волн, фокусируемое объективом на приемнике видимого излучения, преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал через смеситель сигналов поступает на видеоконтрольное устройство, на экране которого формируется телевизионное изображение полосы местности, над которой движется носитель с аппаратурой.

Сигнал, вырабатываемый приемником инфракрасного излучения, поступает в блок обработки, в котором сигнал селектируется по длительности и знаку и сравнивается с пороговым уровнем. Пороговый уровень устанавливается по среднему значению сигналов, снимаемых с приемника инфракрасного излучения.

При наличии в полосе обзора аппаратуры локальной тепловой неоднородности с отрицательным перепадом температур, сигнал от которой имеет заданную полярность, определенную длительность и амплитуду, превышающую пороговый уровень, на выходе блока обработки сигналов формируется стандартный импульс.

Этот импульс в смесителе сигнала замешивается в сигнал видимого диапазона и в телевизионном изображении трассы, воспроизводимом на экране видеоконтрольного устройства, формируется яркостная метка, указывающая положение места утечки на трассе.

Известное сканирующее устройство обеспечивает высокую эффективность обнаружения, так как чувствительность его к температурным перепадам может быть не хуже 0,1 К, а полоса обзора на местности за счет сканирования, как правило, не менее 0,8 высоты полета.

Недостатком этого сканирующего устройства является большая вероятность ложных тревог, вызываемых наличием на трассе трубопровода большого количества тепловых неоднородностей естественного и искусственного происхождения.

Эти тепловые неоднородности не связаны с утечками веществ из трубопроводов, а обусловлены неоднородностью грунта, неравномерным распределением растительного покрова, наличием небольших водоемов, тенью от кустов и деревьев на земной поверхности в летнее время, следами деятельности человека и т.д.

Наличие ложных меток в изображении трассы, наблюдаемом на экране видеоконтрольного устройства, перегружает оператора, работающего с аппаратурой, так как ему необходимо визуально анализировать наблюдаемое телевизионное изображение, чтобы до минимума сократить ложную информацию. Недостоверность результатов дистанционного контроля связана с дополнительными затратами на доставку ремонтных бригад к каждому месту мнимой утечки, обнаруженному в результате облета трассы.

Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения вероятности ложных тревог при контроле герметичности трубопроводов.

Цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее оптически связанные и последовательно установленные зеркальный сканирующий элемент, установленный с возможностью вращения, приемный объектив, плоские зеркала и два приемника излучения, при этом выход одного приемника соединен с одним входом смесителя сигналов, выход которого соединен с видеоконтрольным устройством, а выход другого приемника подключен к входу блока обработки сигналов, введены дополнительно импульсный лазер, оптически связанный со сканирующим элементом и фотоэлектрический анализатор спектра, оптически связанный через объектив со сканирующим элементом, выход анализатора спектра подключен к другому входу смесителя сигналов, а выход блока обработки сигналов, выполненного, например, в виде последовательно соединенных дискриминатора полярности, порогового устройства, селектора по размерности и устройства временной задержки, соединен с входом запуска лазера.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 схема сканирования подстилающей поверхности при работе устройства, установленного на носителе; на фиг. 3 положение анализатора спектра относительно оптической оси объектива в варианте выполнения по п. 2 формулы изобретения; на фиг. 4 ход лазерного луча и взаимное расположение плоскости главного сечения сканирующего элемента в лазерной ветви и плоскости, перпендикулярной оси его вращения.

Устройство содержит последовательно установленные и оптически связанные сканирующий зеркальный элемент 1, выполненный, например, в виде 4-гранной зеркальной призмы, установленной с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через центр призмы, приемный зеркальный объектив 2, плоские зеркала 3 и 4, приемник 5 видимого излучения, приемник 6 инфракрасного излучения, анализатор 7 спектра и лазер 8.

Выход приемника 5 видимого излучения соединен с одним входом смесителя 9 сигналов. К другому входу смесителя подключен выход анализатора 7 спектра. Выход смесителя 9 сигналов соединен с входом видеоконтрольного устройства 10.

Выход приемника 6 инфракрасного излучения соединен с входом блока 11 обработки сигналов, выход которого подключен к входу запуска лазера 8.

При вращении сканирующего зеркального элемента 1 поля зрения приемников 5 и 6 излучения и анализатора 7 спектра перемещаются в плоскости сканирования, за счет чего осуществляется последовательный обзор элементов местности по строке, образованной сечением подстилающей поверхности плоскостью сканирования.

Плоскость сканирования ориентирована перпендикулярно направлению полета носителя. За счет движения носителя производится последовательный, строка к строке, обзор местности с шириной полосы, определяемой углом обзора β устройства. Излучение от элементов подстилающей поверхности, отраженное зеркальной гранью сканирующего элемента 1, фокусируется объективом 2 на чувствительных элементах приемников 5 и 6 излучения и на входе анализатора 7 спектра. На выходе приемника 5 видимого излучения формируются видеосигналы, амплитуда которых в каждый момент времени пропорциональна энергетической яркости визируемого участка подстилающей поверхности. Эти сигналы через смеситель 9 сигналов поступают на видеоконтрольное устройство 10, на экране которого формируется телевизионное изображение участка трассы, над которым пролетает носитель с предлагаемым устройством.

Видеосигналы с выхода приемника 6 инфракрасного излучения поступают на вход блока 11 обработки. Амплитуда этих сигналов в каждый момент времени пропорциональна разности температур двух смежных элементов подстилающей поверхности, а длительность пропорциональна линейному размеру вдоль строки сканирования локального участка поверхности, температура которого отличается от температуры окружающего фона.

В блоке 11 обработки сигналы селектируются по полярности, амплитуда их сравнивается с пороговым уровнем и сигналы, превысившие пороговый уровень, определяемый как средний уровень текущих сигналов, селектируются по длительности. На выходе селектора формируется стандартный импульс, который задерживается на период сканирования от момента поступления сигнала на вход блока обработки в устройстве 12 временной задержки. Эта задержка обусловлена необходимостью времени на обработку сигнала.

Сигнал, прошедший на выход блока 11 обработки, считается сигналом от тепловой неоднородности, образовавшейся в результате утечки вещества из трубопровода, и подается на запуск лазера 8. Лазер 8 запускается при том угловом положении сканирующего элемента, при котором на вход блока 11 обработки поступил сигнал с признаками сигнала утечки, но со сдвигом во времени на период сканирования.

Зондирующий импульс лазерного излучения направляется сканирующим элементом 1 на участок подстилающей поверхности, с которого был получен сигнал инфракрасного излучения. В случае, если сигнал явился результатом локального понижения температуры подстилающей поверхности за счет утечки вещества из трубопровода, на этом локальном участке присутствует вещество в газовой или в жидкой и газовой фазах.

Лазерное излучение вызывает флуоресценцию вещества, и излучение флуоресценции поступает на сканирующий элемент 1, отражается его зеркальной поверхностью на объектив 2 и фокусируется на входе анализатора 7 спектра.

На выходе анализатора спектра формируется электрический импульс, который через смеситель 9 сигналов поступает на видеоконтрольное устройство 10 и проявляется в телевизионном изображении, наблюдаемом на экране, в виде яркостной метки, указывающей положение утечки на трассе.

Если сигнал на выходе селектора явился результатом локального понижения температуры подстилающей поверхности, обусловленного не утечкой вещества из трубопровода, а, например, затенением участка земной поверхности кустом или деревом или этот участок представляет собой небольшой водоем, температура воды в котором ниже температуры окружающего грунта и т.д. флуоресценции не будет и на выходе анализатора спектра не сформируется сигнал, подтверждающий наличие искомого вещества в поле зрения устройства. Метки в телевизионном изображении не будет.

Таким образом, дополнительное введение в известное устройство импульсного лазера, вход запуска которого подключен к выходу блока обработки сигналов и анализатору спектра, выход которого подключен к второму входу смесителя сигналов, уменьшает количество ложных тревог, повышая тем самым достоверность контроля герметичности трубопроводов.

При высокой угловой разрешающей способности инфракрасного канала устройства расходимость пучка лазерного излучения в 4-5 раз превышает элементарный угол зрения в инфракрасном канале. За счет этого размер проекции лазерного пучка на подстилающую поверхность в направлении полета составляет 4-5 значений ширины строки сканирования в инфракрасном диапазоне и даже при задержке запуска лазера на период сканирования участок предыдущей строки, с которого был получен сигнал утечки, будет облучен лазерным пучком.

При соизмеримых величинах угла расходимости лазерного пучка и элементарного угла зрения устройства в инфракрасном диапазоне лазерный пучок и линия визирования анализатора спектра должны быть отклонены в направлении, противоположном направлению полета носителя. Для этого анализатор спектра должен быть установлен на расстояние l от оптической оси объектива, в частном случае равном размеру чувствительного элемента приемника излучения в инфракрасной области спектра, а плоскость главного сечения сканирующего элемента в лазерном канале должна образовывать с плоскостью, перпендикулярной оси его вращения, угол Ψ определяемый соотношением
Ψ= arccos где ϕ угол между нормалью к рабочей поверхности сканирующего элемента и плоскостью, в которой расположена оптическая ось лазера и которая параллельна оси вращения сканирующего элемента
δ=arctg
f фокусное расстояние объектива.

Этот вариант выполнения устройства показан на фиг. 3 и 4.

На фиг. 3 показано смещение анализатора спектра на расстояние l от оптической оси ОО^' объектива.

На фиг. 4 показан сканирующий элемент, в частном случае представляющий собой четырехгранную зеркальную призму. Ось вращения призмы QQ^'NN^' нормаль к рабочей поверхности призмы.

Оптическая ось AN^' лазера расположена в плоскости РЗ, которая параллельна оси QQ^' вращения сканирующего элемента. F^' проекция на плоскость РЗ точки F, принадлежащей нормали NN^'.

Нормаль NN^' образует с плоскостью РЗ угол ϕ, изменяющийся по мере поворота сканирующего элемента.

Отраженный от рабочей поверхности пучок лазерного излучения распространяется в направлении N^'B^'.

Падающий пучок, совпадающий с оптической осью лазера AN^', нормаль NN^' к рабочей поверхности сканирующего элемента и отраженный пучок N^'B расположены в плоскости Р2, называемой плоскостью главного сечения рабочей зеркальной поверхности. Эта плоскость пересекается с рабочей поверхностью сканирующего элемента по линии ДД^'. Точки К^' и Е^' являются проекциями на рабочую поверхность точек К и E принадлежащих падающему и отраженному пучкам соответственно.

Нормаль NN^' расположена в плоскости Р1, перпендикулярной оси вращения QQ' сканирующего элемента. Эта плоскость пересекается с рабочей поверхностью сканирующего элемента по линии ММ^'. Плоскость Р2 главного сечения образует с плоскостью Р1 переменный угол Ψ.

Такая конструкция оптической системы устройства обеспечивает направление оси лазерного пучка и линии визирования анализатора спектра на предыдущую строку сканирования или на любую другую строку, смещенную относительно строки, сканируемой в данный момент приемником инфракрасного излучения, против направления полета носителя.

Изобретение относится к технике дистанционного контроля загрязнения среды и может быть использовано для инспектирования герметичности действующих магистральных трубопроводов, по которым транспортируются в жидкой или газообразной фазе вещества, имеющие низкую температуру кипения и находящиеся при высоком давлении. Устройство содержит оптически связанные зеркальный сканирующий элемент 1, установленный с возможностью вращения, импульсный лазер 8, приемный объектив 2, плоские зеркала 3 и 4, фотоэлектрический анализатор 7 спектра и два приемника 5 и 6 излучения. Выход одного приемника соединен с одним входом смесителя сигналов, выход которого соединен через устройство временной задержки с входом запуска лазера, выход анализатора спектра подключен к другому входу смесителя сигналов, выход которого соединен с входом видеоконтрольного устройства. Изобретение повышает достоверность контроля герметичности трубопроводов за счет уменьшения вероятности ложных тревог, создаваемых тепловыми неоднородносями фона. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ДЕЙСТВУЮЩИХ ТРУБОПРОВОДОВ, содержащее оптически связанные и последовательно установленные зеркальный сканирующий элемент, установленный с возможностью вращения, приемный объектив, плоские зеркала и два приемника излучения, выход одного приемника соединен с одним входом смесителя сигналов, выход которого соединен с видеоконтрольным устройством, выход другого приемника, чувствительного в инфракрасной области спектра, подключен к входу блока обработки сигналов, отличающееся тем, что в него дополнительно введены импульсный лазер, оптически связанный со сканирующим элементом, фотоэлектрический анализатор спектра, оптически связанный через приемный объектив со сканирующим элементом, выход анализатора спектра подключен к другому входу смесителя сигналов, а выход блока обработки сигналов соединен с входом запуска лазера через устройство временной задержки. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анализатор спектра установлен на расстоянии l от оптической оси приемного объектива, а плоскость главного сечения сканирующего элемента в лазерном канале образует с плоскостью, перпендикулярной к оси его вращения, угол, определяемый соотношением

где v угол между нормалью к рабочей поверхности сканирующего элемента в лазерном канале и плоскостью, в которой расположена оптическая ось лазера и которая параллельна оси вращения сканирующего элемента;

f фокусное расстояние приемного объектива.