СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ТЕЧИ В НАПОРНОМ ТРУБОПРОВОДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01M3/08 

Предлагаемые способ и устройство относятся к контрольно-измерительной технике и могут быть использованы для определения координат течи в подземных трубопроводах систем тепло- и водоснабжения.

Известны способы и устройства для определения места течи в подземных трубопроводах (авт. свид. СССР 336463, 380909, 380910, 411268, 417675, 724957, 930034, 932098, 934269, 941776, 947666, 1079946, 1208402, 1216550, 1283566, 1368685, 1610347, 1657988, 1672105, 1679232, 1777014, 1781577, 1800219, 1812386; патенты РФ 2011110, 2036372, 2047039, 2047815, 2053436, 2084757; патенты США 3045116, 3744298, 4289019, 4570477; патент Великобритании 1349120; патенты Франции 2374628, 2504651; патент ФРГ 3112829; патенты Японии 46-4795, 55-6856, 59-38537, 63-22531; Волошин В.И. и др. Акустический определитель местоположения развивающегося дефекта.// Дефектоскопия, 1980, 8, с.69-74 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Способ определения места течи в напорном трубопроводе" (авт. свид. СССР 934269, G 01 М 3/08, 1980), который и выбран в качестве прототипа.

Согласно указанному способу в грунте, под которым находится трубопровод, создается электромагнитное поле путем его электромагнитного зондирования вдоль трассы трубопровода, измеряется сдвиг между излучаемым в грунт сигналом и отраженным от трубопровода сигналом. Указанный сдвиг фаз определяется частотой зондирующего сигнала, расстоянием от поверхности земли до трубопровода и электрическими параметрами грунта. Этот сдвиг остается неизменным при зондировании грунта под неповрежденными участками трубопровода, поскольку все определяющие его величины остаются постоянными.

При зондировании грунта над поврежденным участком трубопровода как излучаемый в грунт сигнал, так и отраженный от трубопровода сигнал проходят по влажному слою грунта, образованному при вытекании жидкости из контролируемого трубопровода. При прохождении электромагнитной волны по влажному грунту, имеющему отличные от сухого грунта электрические параметры (большую проводимость и диэлектрическую проницаемость), изменяется фазовая скорость распространения волны. Это приводит к изменению сдвига фаз, по которому судят о наличии течи на данном участке трубопровода.

Однако в процессе некогерентного отражения сигнала от трубопровода на результат измерения разности фаз оказывает влияние нестабильность амплитуды и частоты отраженного сигнала, что снижает точность и разрешающую способность способа.

Кроме того, отраженный от трубопровода сигнал 10 воздействует на приемные антенны 4 и 20. На эти же антенны воздействует мешающее прямое излучение 29 и отраженный сигнал 30 от границы раздела воздух-грунт. Указанные факторы снижают точность и разрешающую способность известного способа.

Технической задачей изобретения является повышение точности и разрешающей способности по глубине за счет исключения отражений от поверхности воздух-грунт и прямого излучения, а также измерения разности фаз Δϕ на стабильной частоте гетеродина ω_г между отраженным сигналом с частотой ω₁ и отраженным сигналом с частотой ω₂, приведенным к частоте ω₁.

Поставленная задача решается тем, что по способу определения места течи в напорном трубопроводе, находящемся под слоем грунта, согласно которому в грунте создают электромагнитное поле путем электромагнитного зондирования грунта вдоль трассы трубопровода, и по изменению его параметров под действием жидкости, вытекающей из контролируемого трубопровода, находят место течи в последнем, электромагнитное зондирование грунта вдоль трассы трубопровода осуществляют на двух кратных частотах ω₁ и ω₂, выделяют в точке приема отраженные от трубопровода сигналы этих двух частот, задерживают сигнал с частотой ω₁ на время его распространения до трубопровода и обратно, сигнал с частотой ω₂ приводят к частоте ω₁, и затем преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, выделяют напряжение промежуточной частоты ω_пр = ω₁-ω_г, перемножают его с задержанным сигналом с частотой ω₁, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина ω_г, ограничивают его по амплитуде, измеряют разность фаз Δϕ на стабильной частоте ω_г гетеродина между сигналом с частотой ω₁ и сигналом с частотой ω₂, приведенным к частоте ω₁, и используют ее в качестве параметра электромагнитного поля.

Устройство определения места течи в напорном трубопроводе, содержащее последовательно соединенные передатчик и передающую антенну, первую приемную антенну и первый приемник, фазовый детектор и измеритель выходного напряжения, снабжено линией задержки, ключом, второй приемной антенной, вторым приемником, делителем частоты на два, гетеродином, смесителем, усилителем промежуточной частоты, вторым перемножителем, вторым узкополосным фильтром и амплитудным ограничителем, причем передатчик выполнен в виде последовательно соединенных синхронизатора, задающего генератора, первого перемножителя, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первого узкополосного фильтра и сумматора, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, а выход является выходом передатчика, к второму выходу синхронизатора последовательно подключены линия задержки, ключ, второй вход которого соединен с выходом первого приемника, второй перемножитель, второй узкополосный фильтр и амплитудный ограничитель, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, к второй приемной антенне последовательно подключены второй приемник, делитель частоты на два, смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом второго перемножителя.

Устройство содержит передатчик 1, выполненный в виде последовательно включенных синхронизатора 13, задающего генератора 14, перемножителя 15, узкополосного фильтра 16 и сумматора 17, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора 14, а выход соединен с передающей антенной 3, последовательно подключенные к первой приемной антенне 4, первый приемник 2, ключ 19, второй вход которого через линию задержки 18 соединен с вторым выходом синхронизатора 13, второй перемножитель 26, второй узкополосный фильтр 27, амплитудный ограничитель 28, фазовый детектор 5, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 23, и измеритель 6 выходного напряжения, последовательно подключенные к второй приемной антенне 20 второй приемник 21, делитель 22 частоты на два, смеситель 24, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина 23, и усилитель 25 промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом перемножителя 26.

На чертеже введены следующие обозначения: 7 - грунт, 8 - трубопровод, 9 - зондирующий сигнал, 10 - отраженный сигнал, 11 - поврежденный участок трубопровода, 12 - влажный слой грунта, образованный при вытекании жидкости из контролируемого трубопровода 8.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В грунте 7 создают электромагнитное поле путем его электромагнитного зондирования вдоль трассы трубопровода 8. Электромагнитное зондирование грунта 7 вдоль трассы трубопровода 8, например в точке А, осуществляют с помощью передатчика 1, который через передающую антенну 3 излучает зондирующий сигнал 9 в направлении трубопровода 8.

Причем передатчик 1 состоит из последовательно включенных синхронизатора 13, задающего генератора 14, перемножителя 15, узкополосного фильтра 16 и сумматора 17.

Синхронизатор 13 формирует стабильные прямоугольные видеоимпульсы с известным периодом следования Т_п и длительностью τ_п, которые периодически запускают задающий генератор 14. Последний формирует высокочастотное зондирующее напряжение
u₁(t) = U₁cos(ω₁t+ϕ₁), 0≤t≤τ_п,
где U₁, ω₁,ϕ₁ - амплитуда, несущая частота и начальная фаза зондирующего сигнала,
который поступает на первый вход сумматора 17 и на два входа перемножителя 15. На выходе последнего образуется высокочастотное зондирующее напряжение
u₂(t) = U₂cos(ω₂t+ϕ₂), 0≤t≤τ_п,
где

ω₂ = 2ω₁; ϕ₂ = 2ϕ₁,
которое выделяется узкополосным фильтром и поступает на второй вход сумматора 17. На выходе последнего образуется зондирующий сигнал 9

с двумя кратными когерентными частотами. Этот сигнал через передающую антенну 3 излучается в направлении трубопровода 8. При достижении сигналом 9 трубопровода 8 происходит его частичное отражение в сторону поверхности земли (точка А). Отраженный сигнал 10 улавливается приемными антеннами 4, 20 и выделяется приемниками 2, 21, настроенными на частоты ω₁,ω₂ соответственно:
u₃(t) = U₃(t)•cos[(ω₁±Δω₁)+ϕ₃];
u₄(t) = U₄(t)•cos[(ω₂±Δω₂)+ϕ₄], 0≤t≤τ_п,
где U₃(t), U₄(t) - огибающие отраженных гармонических напряжений;
±Δω₁,±Δω₂ - нестабильности несущих частот, обусловленные некогерентным рассеянием трубопровода и другими дестабилизирующими факторами.

Напряжение u₃(t) с выхода приемника 2 через ключ 9 поступает на первый вход перемножителя 26. Чтобы измеряемый сдвиг фаз соответствовал заранее выбранной и известной глубине залегания h трубопровода 8, перемножитель 26 стробируется по времени с помощью ключа 19, на управляющий вход которого поступают короткие прямоугольные импульсы от линии 18 задержки. Временная задержка импульсов определяется заданной глубиной залегания h трубопровода 8. При изменении глубины меняется и время задержки.

На границе раздела воздух-грунт, характеризующейся скачком относительной диэлектрической проницаемости и удельного затухания, формируется отраженный сигнал 30, воздействующий на приемные антенны 4 и 20. На эти же антенны воздействует мешающее прямое излучение 29 передатчика 1. Эти факторы, снижающие точность и разрешающую способность по глубине, устраняются стробированием по времени перемножителя 26, как это описано выше.

Напряжение u₄(t) с выхода приемника 21 поступает на вход делителя 22 частоты на два, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
u₅(t) = U₄(t)•cos[(ω₁±Δω₁)+ϕ₄], 0≤t≤τ_п.
Это напряжение поступает на первый вход смесителя 24, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 23 со стабильной частотой ω_г:
u_г(t) = U_г•cos(ω_гt+ϕ_г).
На выходе смесителя 24 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 25 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты
u_пр(t) = U_прcos[(ω_пр±Δω₁)t+Δϕ_пр], 0≤t≤τ_п,
где
К₂ - коэффициент передачи смесителя;
ω_пр = ω₁-ω₂ - промежуточная частота;

которое поступает на второй вход перемножителя 26. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
u₆(t) = U₆cos[ω_гt+ϕ_г+Δϕ], 0≤t≤τ_п,
где
Δϕ = ϕ₃-ϕ₄ - фазовый сдвиг,
которое выделяется узкополосным фильтром 27 и поступает на вход амплитудного ограничителя 28. На выходе последнего образуется напряжение
u₇(t) = U_огрcos(ω_гt+ϕ_г+Δϕ), 0≤t≤τ_п,
где U_огр - порог ограничения;
которое поступает на первый вход фазового детектора 5, на второй вход которого подается напряжение u_г(t) гетеродина 23. На выходе фазового детектора 5 образуется напряжение
u_вых(Δϕ) = U_выхcosΔϕ,
где
К₃ - коэффициент передачи фазового детектора;
пропорциональное сдвигу фаз, которое регистрируется измерителем 6 выходного напряжения.

Сдвиг фаз между сигналом с частотой ω₁ и сигналом с частотой ω₂, приведенным к частоте ω₁, определяется частотой зондирующего сигнала, расстоянием от поверхности земли до трубопровода 8 и электрическими параметрами грунта 7. Этот сдвиг фаз останется неизменным при зондировании грунта над поврежденными участками трубопровода 8, поскольку все определяющие его величины остаются постоянными.

При зондировании грунта над поврежденным участком 11 трубопровода 8 (точка В) как излучаемый в грунт сигнал 9, так и отраженный от трубопровода 8 сигнал 10 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 волны. Это приводит к изменению фазового сдвига Δϕ, которое регистрируют измерителем 6 выходного напряжения и по которому судят о наличии течи на участке трубопровода 8, расположенном под точкой В.

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

Использование предлагаемого способа обеспечивает упрощение нахождения с поверхности трассы подземного трубопровода за счет отсутствия необходимости проведения земляных работ для его реализации.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить точность и разрешающую способность по глубине. Это достигается за счет исключения отражений от поверхности воздух-грунт и прямого излучения, измерения фазового сдвига между отраженным сигналом с частотой ω₁ и отраженным сигналом с частотой ω₂, приведенным к частоте ω₁. Причем разность фаз Δϕ измеряется на стабильной частоте ω_г гетеродина 23. Поэтому процесс измерения фазового сдвига Δϕ инвариантен к нестабильности амплитуды и частоты отраженного сигнала, возникающих при некогерентном рассеянии зондирующего сигнала от подземного трубопровода.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Изобретение включает передатчик, первый приемник, передающую антенну, первую приемную антенну, фазовый детектор, измеритель выходного напряжения, трубопровод, синхронизатор, задающий генератор, первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, сумматор, линию задержки, ключ, вторую приемную антенну, второй приемник, делитель частоты, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, второй перемножитель, второй узкополосный фильтр и амплитудный ограничитель. Техническим результатом изобретения является повышение точности и разрешающей способности по глубине за счет исключения отражений от поверхности воздух - грунт и прямого излучения, а также измерения разности фаз Δϕ на стабильной частоте гетеродина ω_г между отраженным сигналом с частотой ω₁ и отраженным сигналом с частотой ω₂, приведенным к частоте ω₁. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения места течи в напорном трубопроводе, находящемся под слоем грунта, согласно которому в грунте создают электромагнитное поле путем электромагнитного зондирования грунта вдоль трассы трубопровода, и по изменению его параметров под действием жидкости, вытекающей из контролируемого трубопровода, находят место течи в последнем, отличающийся тем, что электромагнитное зондирование грунта вдоль трассы трубопровода осуществляют на двух кратных частотах ω₁ и ω₂, выделяют в точке приема отраженные от трубопровода сигналы этих двух частот, задерживают сигнал с частотой ω₁ на время его распространения до трубопровода и обратно, сигнал с частотой ω₂ приводят к частоте ω₁, а затем преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, выделяют напряжение промежуточной частоты ω_пр = ω₁-ω_г, перемножают его с задержанным сигналом с частотой ω₁, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина ω_г, ограничивают его по амплитуде, измеряют разность фаз Δϕ на стабильной частоте гетеродина ω_г между сигналом с частотой ω₁ и сигналом с частотой ω₂, приведенным к частоте ω₁, и используют ее в качестве параметра электромагнитного поля. 2. Устройство определения места течи в напорном трубопроводе, содержащее последовательно соединенные передатчик и передающую антенну, первую приемную антенну и первый приемник, фазовый детектор и измеритель выходного напряжения, отличающееся тем, что оно снабжено линией задержки, ключом, второй приемной антенной, вторым приемником, делителем частоты на два, гетеродином, смесителем, усилителем промежуточной частоты, вторым перемножителем, вторым узкополосным фильтром и амплитудным ограничителем, причем передатчик выполнен в виде последовательно соединенных синхронизатора, задающего генератора, первого перемножителя, второй вход которого соединен также с первым выходом задающего генератора, первого узкополосного фильтра и сумматора, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, а выход является выходом передатчика, к второму выходу синхронизатора последовательно подключены линия задержки, ключ, второй вход которого соединен с выходом первого приемника, второй перемножитель, второй узкополосный фильтр и амплитудный ограничитель, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, к второй приемной антенне последовательно подключены второй приемник, делитель частоты на два, смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом второго перемножителя.