УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК В ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 1997 года по МПК F17D5/02 

Изобретение относится к дефектоскопии с помощью электромагнитных волн и может быть использовано для контроля состояния и оперативного обнаружения мест утечек в магистральных газо- и нефтепроводах и др.

Известно техническое решение задачи обнаружения утечек в трубопроводе с помощью инфракрасного газоанализатора, содержащего два идентичных оптических канала, два идентичных источника инфракрасной радиации, обтюратор, дифференциальный лучеприемник и регистрирующий прибор [1]
Недостатками известного устройства являются низкая надежность и точность определения места утечки, зависимость от метеоусловий, сложность и громоздкость аппаратуры. Кроме того, перед каждым измерением необходима подстройка аппаратуры и требуется высокая квалификация обслуживающего персонала.

Известно также устройство для обнаружения утечек в трубопроводе, с помощью которого осуществляется аэросъемка теплового поля [2] выбранное в качестве прототипа. Тепловизионная система FLIR содержит оптическую систему, ИК-приемник, систему охлаждения (сосуд Дьюара), вычислительный блок. Оптическая система состоит из многогранной вращающейся призмы, фокусирующих линз и сканирующего зеркала. Различные модификации системы FLIR работают в областях спектра 3.5 и 8.12 мкм и предназначены для обеспечения навигации летательных аппаратов в ночное время, а также в системах самонаведения ракет.

Недостатком такого устройства является то, что полученное тепловое изображение содержит все температурные аномалии, попадающие в поле зрения оптической системы, причем температурные аномалии, обусловленные различными объектами, могут достигать значений, сравнимых с температурными аномалиями, возникающими в местах утечки из продуктопроводов.

Технической задачей изобретения является повышение точности и достоверности определения наличия и местоположения утечек.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для обнаружения утечек в трубопроводе, содержащее прибор наблюдения (ПН), выход которого соединен с входом тепловизионного (ТПВ) канала обработки и вычислительный блок, согласно изобретению введен телевизионный (ТВ) канал обработки, состоящий из последовательно соединенных усилителя-формирователя и первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП), причем вход усилителя-формирователя и выход первого АЦП являются соответственно входом и выходом ТВ канала обработки, а также введены оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), первый мультиплексор, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и регистратор, при этом вход ТВ канала обработки соединен с входом ТПВ канала обработки, входы-выходы ОЗУ подсоединены соответственно к выходам ТПВ и ТВ каналов и входам вычислительного блока и первого мультиплексора, выход которого через ЦАП соединен с входом регистратора. При этом ТПВ канал обработки предпочтительно выполнить в виде последовательно соединенных коммутатора, схемы компенсации "ненулей", второго АЦП и второго мультиплексора, а также третьего мультиплексора и двух буферных запоминающих устройств (БЗУ), включенных параллельно друг другу соответственно между выходами второго мультиплексора и входами третьего мультиплексора.

Введение второго канала ТВ канала обработки с соответствующей совместной обработкой изображений ТПВ и ТВ каналов, включающей юстировку, масштабирование и выделение общей области, поканальную обработку, межканальный анализ и идентификацию объекта, осуществляемые устройством, позволяет селектировать полученные на экранах регистратора отметки от малоразмерных аномалий независимо от плавного изменения отражающей способности поверхности и времени дня и формировать отчетливое изображение в удобном для оператора виде с указанием точных координат предлагаемых мест утечки.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства для обнаружения утечек в трубопроводе; фиг. 2а телевизионное изображение температурных аномалий; на фиг.2б тепловизионное изображение; на фиг. 2в - изображение температурных аномалий на видеоконтрольном устройстве; на фиг.3 - конструкция двухзонального прибора наблюдения; на фиг. 4 блок-схема алгоритма обработки сигналов.

Устройство для обнаружения утечек в трубопроводе (фиг. 1) содержит ПН 1, к выходу которого подсоединены два канала ТПВ канал 2 обработки и ТВ канал 3 обработки, ОЗУ 4, вычислительный блок 5, например, универсальная ЭВМ, первый мультиплексор 6, ЦАП 7 и регистратор 8. ТВ канал 3 состоит из последовательно соединенных усилителя-формирователя телевизионных сигналов 9 со схемой автоматической регулировки усиления и уровня отсечки неинформационной части сигнала и первого АЦП 10 двухфазного 8-разрядного АЦП.

ТПВ канал 2 состоит из последовательно соединенных коммутатора 11, схемы компенсации "ненуля" 12, второго АЦП 13 и второго мультиплексора 14, а также двух БЗУ 15 и 16 и третьего мультиплексора 17.

Прибор наблюдения (ПН)1 выполнен двухканальным (фиг. 3) и состоит из оптико-гироскопического блока 18, связанного с блоком разгона и вращения ротора гироскопа (не показан), блока силовых и измерительных катушек (БСИК) 19 с усилителем коррекции, двухспектрального фотоприемного устройства (ФПУ) 20 с усилителем сигналов. В опоре гироскопа закреплен микрохолодильник 21 дроссельного типа, сообщающийся с системой охлаждения. В качестве хладагента использован газообразный азот, обеспечивающий понижение температуры на элементах ФПУ 20 до 78 К.

Оптическая система включает в себя сферический прозрачный для видимого и ИК-излучения колпак 22, призму БР-180 23, малую коррегирующую линзу 24, пластину 25, большую коррегирующую линзу 26 и рефлектор 27. Элементы 22, 23, 24 и 26 выполнены из флюорита. Пластина 25 выполнена из сапфира и является входным окном ФПУ 20. Элементы 24 и 25 установлены с возможностью юстировки расстояния между ними. Конструктивно элементы 23, 24, 26 и 27 размещены на роторе гироскопа. При вращении призмы 23 вместе с ротором гироскопа обеспечивается вращение изображения с двойной скоростью.

Ротор гироскопа фактически состоит из указанных элементов оптической системы (рефлектор 27 конструктивно является зеркалом-магнитом) и через скоростные подшипники 28 связан с узлом карданова подвеса 29, позволяющим прокачивать оптическую систему (а значит, и линию визирования) на угол ±40^o в любой плоскости.

Во внутреннем кольце карданова подвеса закреплено ФПУ 207 Чувствительные элементы ФПУ 20 расположены в фокальной плоскости оптической системы в виде двух линеек радиально в плоскости изображения. Диапазоны спектральной чувствительности линеек, соответственно, 0,4-1,1 мкм одной, и 3,5-5,5 мкм - другой. Каждая линейка содержит по 9 элементов, размер каждого элемента 50 х 50 мкм². При вращении ротора гироскопа осуществляется развертка изображения в полярной системе координат в двух спектральных диапазонах.

Для обеспечения высокой чувствительности ПН в ИК-диапазоне фоточувствительные слои охлаждаются до температуры 78 К, для чего предназначено дроссельное устройство 30.

БСИК 19 содержит силовые обмотки: катушки вращения ротора гироскопа и катушки коррекции, а также измерительные обмотки: катуш4ка пеленга и катушка опорного напряжения. Катушки вращения обеспечивают вращение ротора гироскопа с частотой 70 Гц, катушки коррекции обеспечивают управляемую процессию оси гироскопа (линии визирования) с угловой скоростью до 40 угл. град. в секунду. Катушка пеленга вырабатывает гармонический сигнал, амплитуда которого пропорциональная величине углового отклонения оси гироскопа, а фаза зависит от направления отклонения.

Усилитель сигналов ФПУ 20 своими выходами связан с вращающимся коллекторным устройством (токоприемником 31, выходы которого соединены со специализированным вычислителем. В его состав (фиг. 1) входят ТПВ и ТВ каналы, в которых осуществляется цифровая обработка и преобразование сигналов, устройство ввода и вывода, универсальная ЭВМ. Синхронизацию работы всех этих блоков осуществляет синхронизатор (на чертеже не показан).

Устройство работает следующим образом.

С помощью карданова подвеса, на котором установлена оптическая система ПН 1, осуществляют стабилизированное сканирование оптической осью вдоль трубопровода. Навигация летательного аппарата вдоль трассы заглубленного в землю трубопровода не представляет затруднений, т.к. трубопровод легко идентифицируется как слабовыраженная линия на тепловизионном изображении. Световые и тепловые лучи, испускаемые объектами и участками местности, находящимися в поле зрения оптической системы, фокусируются ею на элементах ФПУ 20, которое осуществляет поэлементное разложение входного изображения в 2-х спектральных диапазонах и преобразует оптические сигналы в электрические видеосигналы. Эти видеосигналы подвергаются обработке согласно приведенному на фиг. 4 алгоритму.

Структурно алгоритм обнаружения утечек включает в себя согласование изображений ТПВ и ТВ каналов (юстировку, масштабирование и выделение общей области), поканальную обработку, межканальный анализ и идентификацию объекта.

Результат обработки приведен на фиг. 2, где изображены: а) ТВ изображение, б) ТПВ изображение, в) изображение на видеоконтрольном устройстве. Здесь же обозначены: температурные аномалии, обусловленные малоразмерными аномалиями на подстилающей поверхности, например, лужи, залысины, различные предметы (32), температурные аномалии, обусловленные течью (33), трубопровод (34).

Сутью работы алгоритма обнаружения утечек является сопоставление цифровых, съюстированных и отфильтрованных изображений, пример которых приведен на фиг. 2, на предмет совпадения отметок от малоразмерных аномалий и в ТВ, и в ТП диапазоне. Совпадающие отметки являются помехами и не учитываются в дальнейшей обработке. Те же отметки, которые присутствуют вблизи трассы трубопровода и ТП изображении и отсутствуют на ТВ изображении, являются кандидатами на отметки от утечек.

По размерам пятна от утечки, давлению в трубопроводе и по перепаду температур пятна утечки с подстилающей поверхностью можно оценить с достаточной для практического использования точностью вытекаемый расход продукта известными методами.

Использование: в дефектоскопии и может использоваться для дистанционного обнаружения утечек в трубопроводах. Сущность изобретения: устройство для обнаружения утечек в трубопроводе содержит двухзональный прибор наблюдения к выходу которого подсоединены два канала обработки - тепловизионный (ТПВ) и телевизионный (ТВ). ТВ канал состоит из последовательно соединенных усилителя-формирователя сигналов, первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП), ТПВ канал состоит из последовательно соединенных коммутатора, схемы компенсации "ненулей", второго АЦП, двух мультиплексоров, между которыми включены параллельно два буферных запоминающих устройства. Выходы ТПВ и ТВ каналов подсоединены к входам оперативного запоминающего устройства, связанного также с вычислительным блоком и мультиплексором, который через цифро-аналоговый преобразователь соединен с входом регистратора. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для обнаружения утечек в трубопроводе, содержащее прибор наблюдения, выход которого соединен с входом тепловизионного канала обработки, и вычислительный блок, отличающееся тем, что введен телевизионный канал обработки, состоящий из последовательно соединенных усилителя-формирователя сигналов и первого аналого-цифрового преобразователя, причем вход усилителя-формирователя сигналов и выход первого аналого-цифрового преобразователя являются соответственно входом и выходом телевизионного канала обработки, а также введены оперативное запоминающее устройство, первый мультиплексор, цифро-аналоговый преобразователь и регистратор, при этом вход телевизионного канала обработки соединен с входом тепловизионного канала обработки, входы выходы оперативного запоминающего устройства подсоединены соответственно к выходам тепловизионного и телевизионного каналов и входам вычислительного блока и первого мультиплексора, выход которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с входом регистратора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тепловизионный канал обработки состоит из последовательно соединенных коммутаторов, схемы компенсации "не нулей", второго аналого-цифрового преобразователя и второго мультиплексора, а также третьего мультиплексора и двух буферных запоминающих устройств, включенных параллельно друг другу соответственно между выходами второго мультиплексора и входами третьего мультиплексора. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прибор наблюдения выполнен двуканальным и состоит из оптико-гироскопического блока, содержащего блок силовых и измерительных катушек, внутри которого размещены карданов подвес и установленные вдоль одной оптической оси, соосной с осью карданова подвеса, призма БР-180^o, малая коррегирующая линза, пластина и двухспектральное фотоприемное устройство, подсоединенное к усилителю, а также большая коррегирующая линза и рефлектор, являющийся зеркалом-магнитом, при этом призма БР-180^o и малая коррегирующая линза закреплены на внешнем кольце карданова подвеса, на котором также установлены большая коррегирующая линза и рефлектор, а пластина и фотоприемное устройство с усилителем закреплены во внутреннем кольце карданова подвеса, причем в опоре гироскопа установлен микрохолодильник.