СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ТЕЧИ В НАПОРНОМ ТРУБОПРОВОДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01M3/08 F17D5/06 

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. 336463, 380909, 380910, 411268, 417675, 724957, 930034, 9032098, 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, 4510477; патент Великобритании 1349120; патенты Франции 2374628, 2504651; патент ФРГ 3112829; патенты Японии 46-11795, 55-6856, 59-38537, 60-245900, 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 фаз между излучаемым в грунт сигналов и отраженным от трубопровода сигналом. Указанный сдвиг фаз определяется частотой зондирующего сигнала, расстоянием от поверхности земли до трубопровода и электрическими параметрами грунта. Этот сдвиг фаз остается неизменным при зондировании грунта над неповрежденным участком 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.

Недостатком известного способа является неоднозначность фазовых измерений, так как измеряемый фазовый сдвиг может превышать 360^o, а это не учитывается в указанном техническом решении.

Кроме того, отраженный от трубопровода сигнал воздействует на приемную антенну 4. На эту же антенну воздействует мешающее прямое излучение передатчика и отраженный сигнал от границы раздела воздух-грунт. При этом в процессе некогерентного отражения на результат измерения фазового сдвига оказывает влияние нестабильность амплитуды и несущей частоты отраженного сигнала. Указанные факторы снижают точность и разрешающую способность известного способа.

Технической задачей изобретения является повышение точности и разрешающей способности по глубине за счет исключения отраженной от поверхности воздух-грунт и устранения неоднозначности фазовых измерений.

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 сдвига фаз под действием жидкости, вытекающей из контролируемого трубопровода, находят место течи в последнем, осуществляют электромагнитное зондирование грунта вдоль трассы трубопровода плоскополяризованной электромагнитной волной 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 поляризации 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.

Поставленная задача решается также тем, что в устройство для определения места течи в напорном трубопроводе, содержащем последовательно включенные передатчик и передающую антенну, первую приемную антенну и первый приемник, фазовый детектор и измеритель выходного напряжения, введены синхронизатор, блок временной задержки, два ключа, вторая приемная антенна, второй приемник, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель, блок сравнения и индикатор, причем управляющий вход передатчика соединен с первым выходом синхронизатора, к второму выходу которого последовательно подключены блок временной задержки, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого приемника, перемножитель, узкополосный фильтр и амплитудный ограничитель, выход фазового детектора, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, к второй приемной антенне последовательно подключены второй приемник, смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым выходом перемножителя, к выходу измерителя выходного напряжения последовательно подключены блок сравнения, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом измерителя выходного напряжения, и индикатор, передающая антенна имеет линейную поляризацию, первая приемная антенна восприимчива к сигналам с правой круговой поляризацией, вторая приемная антенна восприимчива к сигналам с левой круговой поляризацией.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения места течи в напорном трубопроводе.

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, перемножитель 21, узкополосный фильтр 22, амплитудный ограничитель 23, фазовый детектор 5, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 18, 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 перемножителя 21.

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_c(t) = U_ccos(ω_ct+ϕ_c), 0≤t≤T_и,
где U_c, ω_c, ϕ_c, T_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. 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 выходах приемников 2 и 17 образуются следующие сигналы:
u_п(t) = U_п(t)cos[(ω_c±Δω)t+ϕ₁];
u_л(t) = U_л(t)cos[(ω_c±Δω)t+ϕ₂],
0≤t≤T_и,
где индексы "П" и "Л" относятся соответственно к сигналам с правой и левой круговой поляризацией;
U_п(t), U_л(t) - огибающие сигналов с правой и левой круговой поляризацией;
±Δω - нестабильность несущей частоты, обусловленная некогерентным отражением и другими дестабилизирующими факторами.

Сигнал u₀(t) с выхода приемника 2 через 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_н(t) с выхода 17 поступает на первый вход смесителя 19, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 18 со стабильной частотой ω_г
u_г(t) = U_гcos(ω_гt+ϕ_г).
На выходе смесителя 10 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 20 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты
u_пр(t) = U_пр(t)cos[(ω_пр±Δω)t+ϕ_пр],
0≤t≤T_и,
где U_пр(t)=1/2K₁U_н(t)U_г;
K₁ - коэффициент передачи смесителя;
ω_пр = ω_c-ω_г - промежуточная частота;
ϕ_пр = ϕ_c-ϕ_г,
которое поступает на второй вход перемножителя 21. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
u₁(t) = U₁(t)cos(ω_гt+ϕ_г+Δϕ),
0≤t≤T_и,
где U₁(t)=1/2K₂U_о(t)U_пр(t);
K₂ - коэффициент передачи перемножителя;
Δϕ = ϕ₂-ϕ₁ - разность фаз между обыкновенной и необыкновенной компонентами отраженного сигнала; которое выделяется узкополосным фильтром 22 и поступает на вход амплитудного ограничителя 23. На выходе последнего образуется напряжение
u₂(t) = U_огрcos(ω_гt+ϕ_г+Δϕ),
0≤t≤T_и,
где U_огр - 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(Δϕ) = U_нcosΔϕ,
где U_н(t)=1/2K₃U_огрU_г;
K₃ - коэффициент передачи фазового детектора; пропорциональное измеряемого сдвигу фаз Δϕ. Это напряжение измеряется измерителем 6 выходного напряжения. В блоке 24 сравнения осуществляется сравнение измеренного значения выходного напряжения с эталонным значением
u_э(Δϕ) = U_эcosΔϕ_э,
где Δϕ_э - неизменяемый фазовый сдвиг, получаемый при зондировании грунта над неповрежденными участками трубопровода 8.

Сдвиг фаз Δϕ 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 при зондировании грунта над неповрежденными участками трубопровода.

Если u_н(t)≈u_э(t), то в блоке сравнения не формируется постоянное напряжение.

При зондировании грунта над поврежденным участком 11 трубопровода 8 (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 волны. 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. 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 круговой поляризацией по влажному слою грунта, находится из соотношения:
δZ = 1/2(ϕ₂-ϕ₁),
где ϕ₁, ϕ₂ - фазовые запаздывания обыкновенной (вращение плоскости поляризации по часовой стрелке) и необыкновенной (вращение плоскости поляризации против часовой стрелки) волн соответственно.

Все это приводит к изменению сдвига фаз и значения выходного напряжения u_н(Δϕ) фазового детектора 5. При u_н(Δϕ)>u₇(Δϕ) 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 u_н(Δϕ) с выхода измерителя 6 выходного напряжения поступает через открытый ключ 25 на вход индикатора 26. При этом факт регистрации выходного напряжения u_н(Δϕ) фазового замера свидетельствует о наличии течи на данном участке трубопровода, а величина данного напряжения характеризует степень повреждения трубопровода.

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

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями 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 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 сигнала от трубопровода и других дестабилизирующих факторах, что позволяет также повысить точность измерения фазового сдвига Δϕ и, следовательно, и точность определения места течи в напорном трубопроводе.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и используется для определения координат течи в подземных трубопроводах систем тепло- и водоснабжения. Изобретение направлено 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 плоскополяризованной электромагнитной волной. Осуществляют прием сигналов, отраженных от трубопровода, с правой и левой круговой поляризацией. Сигнал с правой круговой поляризацией стробируют по времени, пропорциональном 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. 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 сдвига фаз под действием жидкости, вытекающей из контролируемого трубопровода, находят место течи в последнем, отличающийся тем, что осуществляют электромагнитное зондирование грунта вдоль трассы трубопровода плоскополяризованной электромагнитной волной 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. 2. Устройство для определения места течи в напорном трубопроводе, содержащее последовательно включенные передатчик и передающую антенну, первую приемную антенну и первый приемник, фазовый детектор и измеритель выходного напряжения, отличающееся тем, что в него введены синхронизатор, блок временной задержки, два ключа, вторая приемная антенна, второй приемник, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель, блок сравнения и индикатор, причем управляющий вход передатчика соединен с первым выходом синхронизатора, к второму выходу которого последовательно подключены блок временной задержки, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого приемника, перемножитель, 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, смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом перемножителя, к выходу измерителя выходного напряжения последовательно подключены блок сравнения, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом измерителя выходного напряжения, и индикатор, передающая антенна имеет линейную поляризацию, первая приемная антенна восприимчива к сигналам с правой круговой поляризацией, вторая приемная антенна восприимчива к сигналам с левой круговой поляризацией.